Результат интеллектуальной деятельности: Способ исследования гидромеханических характеристик скважинных фильтров

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к способам испытаний скважинных фильтров различных типов конструкции, используемых для процессов добычи и хранения углеводородов в нефтегазовой отрасли, а именно к испытаниям скважинных фильтров на давление смятия.

Наиболее перспективным и надежным методом борьбы с пескопроявлением является установка в скважине забойных фильтров. Скважинный фильтр - один из важнейших элементов обустройства конструкции забоя скважин, в конечном счете, определяющий эффективность работы скважины в течение всего срока ее эксплуатации.

Способ исследования гидромеханических характеристик скважинных фильтров предназначен для оценки номинального давления смятия, при котором происходит разрушение фильтра и потеря способности удерживать механические примеси при фильтрации флюида на укомплектованных сборках противопесочных фильтров, используемых при эксплуатации водяных, нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин. Кроме того, способ позволяет выявить методы воздействия на закольматированный фильтр с целью его очистки.

Испытания на давление смятия проводятся для проверки номинального давления смятия, определенного поставщиком/изготовителем, либо для определения давления смятия, при котором происходит разрушение скважинного фильтра и при котором теряется способность скважинного фильтра удерживать механические примеси. Испытания на давление смятия проводятся нагнетанием рабочей жидкости с наружной части скважинного фильтра.

Таким образом, создание способа для исследования гидромеханических характеристик скважинных фильтров на давление смятия поможет осуществить выбор оптимальной конструкции скважинных фильтров для надежного предотвращения пескопроявления скважин при долговременной и устойчивой эксплуатации при большой нагрузке.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ, реализованный в стенде для испытаний фильтров скважинных насосных установок (патент РФ №2687690 C1, Е21В 43/08, G01M 99/00, 15.05.2019). По известному способу осуществляют испытания фильтров скважинных насосных установок, эксплуатирующихся в условиях, осложненных высоким содержанием абразивных частиц в пластовой продукции. В обсадную колонну коаксиально устанавливается испытываемый фильтр, оснащенный предохранительным клапаном. Крышка обсадной колонны герметично закрывается. В крышке открывается сапун, через задвижку по трубопроводу гидросистема стенда заполняется модельной жидкостью. После заполнения гидросистемы стенда жидкостью задвижка перекрывается, сапун заглушается пробкой. Посредством нагнетателя в обсадную колонну подается сжатый воздух или модельная жидкость с заданным избыточным давлением. Величина избыточного давления в обсадной колонне регулируется путем изменения усилия затяжки пружины предохранительного клапана и контролируется по показаниям манометра. Таким образом, в обсадной колонне для фильтра, оснащенного предохранительным клапаном, моделируются скважинные условия работы.

Недостатки известного способа состоят в следующем. Известный способ не позволяет моделировать условия, характерные для горизонтальных и наклонно-направленных скважин. Кроме того, подача механических примесей в нагнетательный трубопровод не позволяет добиться однородности модельной среды и контролировать ее параметры в ходе испытаний, т.к. не предусмотрено приготовление и поддержание однородности модельной среды.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание такого способа исследования гидромеханических характеристик скважинных фильтров на давление смятия, позволяющего провести испытания на давление смятия скважинных фильтров в условиях, характерных как для вертикальных скважин, так и для горизонтальных и наклонно-направленных скважин.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение достоверности результатов проводимых испытаний за счет проведения испытаний в условиях, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации скважинных фильтров.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе исследования гидромеханических характеристик скважинных фильтров, в ходе которого в испытательную камеру помещают испытываемый фильтр, устанавливают испытательную камеру в требуемом положении и готовят рабочую жидкость с заданными характеристиками, согласно изобретению задают необходимый расход рабочей жидкости, нагнетают рабочую жидкость в испытательную камеру, обеспечивают циркуляцию рабочей жидкости через испытываемый фильтр, контролируют характеристики рабочей жидкости и поддерживают их на заданном уровне, далее измеряют давление рабочей жидкости на входе в испытательную камеру и на выходе из испытываемого фильтра, повышают давление рабочей жидкости на входе в испытательную камеру до необходимого и поддерживают необходимое давление заданный период времени, определяют разность величин давления на входе в испытательную камеру и на выходе из испытываемого фильтра, затем оценивают степень кольматации испытываемого фильтра по разности величин давления на входе в испытательную камеру и на выходе из испытываемого фильтра, далее в конце заданного периода времени фиксируют конечную разность величин давления на входе в испытательную камеру и на выходе из испытываемого фильтра и снижают давление рабочей жидкости на входе в испытательную камеру, а затем по конечной разности величин давления судят об эффективности работы испытываемого фильтра.

Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что в заявленном способе испытательную камеру могут устанавливать в вертикальном положении.

Также, указанный технический результат достигается за счет того, что в заявленном способе испытательную камеру могут устанавливать в горизонтальном положении.

Также, указанный технический результат достигается за счет того, что в заявленном способе испытательную камеру могут устанавливать в наклонном положении.

Сущность заявленного технического решения поясняется чертежом, на котором представлена схема стенда для испытаний гидромеханических характеристик скважинных фильтров на смятие, который включает в себя:

- испытательную камеру (1) с верхней и нижней крышками (2, 3) на концах;

- испытываемый фильтр (4);

- насосный агрегат (5);

- емкость (6) для приготовления рабочей жидкости, в верхней части которой установлен электродвигатель (7) с мешалкой на валу электродвигателя, установленной в емкости (6) для предотвращения оседания твердых частиц;

- емкость (8) с промывочной жидкостью;

- емкость (9) для отработанной жидкости;

- трубопровод (10) подачи рабочей жидкости;

- трубопроводы (11, 12, 13) отвода рабочей жидкости;

- трубопровод (14) подачи рабочей жидкости для испытаний на давление смятия;

- трубопроводы (15, 16) соответственно подвода или отвода рабочей жидкости в зависимости от направления потока жидкости;

- трубопровод (17) для слива отработанной жидкости;

- трубопровод (18) подачи промывочной жидкости;

- трубопровод (19) подачи рабочей жидкости;

- трубопровод (33) для слива отработанной жидкости.

- датчики (20, 21) давления на концах испытательной камеры;

- запорная арматура (22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32);

Кроме того, в составе стенда дополнительно могут быть установлены манометры (на схеме не указано).

Способ испытаний гидромеханических характеристик скважинных фильтров для оценки номинального давления смятия и гидравлического сопротивления фильтра осуществляют следующим образом.

Перед сборкой стенда проводят проверку всех узлов стенда на прочность и герметичность. На стенде для испытаний гидромеханических характеристик скважинных фильтров испытания могут проводить как с жидкостью, так и с жидкостью вместе с механическими примесями в различных пропорциях. При этом трубопроводы, примыкающие к испытательной камере 1, являются гибкими и позволяют устанавливать ее в любом положении (вертикально, горизонтально или под углом).

Проверяют закрытие всей запорной арматуры (22-30). В испытательную камеру (1) помещают испытываемый фильтр (4), который в нижней части с одной стороны наглухо закрыт. Обеспечивают закрытие испытательной камеры (1) крышками (2 и 3). Устанавливают камеру (1) в требуемом положении (вертикально, горизонтально или под углом). В емкость (6) для приготовления рабочей жидкости заливают необходимое количество жидкости, а в емкость (8) с промывочной жидкостью - необходимое количество промывочной жидкости. Включают электродвигатель (7) и путем добавления в емкость (6) для приготовления рабочей жидкости необходимых компонентов (химические реагенты и твердые частицы) в требуемых пропорциях приготавливают рабочую жидкость с заданными характеристиками (плотность, вязкость, концентрация твердых частиц). Объем рабочей жидкости при этом должен превышать объем, требуемый для заполнения всей системы стенда. В случае необходимости, (например, емкость (6) осталась заполненной после проведения предыдущих испытаний), из емкости (9) для отработанной жидкости сливают жидкость и, при необходимости, очищают от твердых частиц.

Открывают запорную арматуру (23, 25, 26, 28, 30) на соответствующих трубопроводах (19, 14, 11, 16) и заполняют систему рабочей жидкостью. Затем включают насосный агрегат (5), задают необходимый расход рабочей жидкости и начинают нагнетать ее из емкости (6) для приготовления рабочей жидкости сначала по трубопроводам (19, 10) подачи рабочей жидкости и затем по трубопроводу (14) подачи рабочей жидкости для испытаний на давление смятия и трубопроводу (16) подвода рабочей жидкости в испытательную камеру (1) через нижнюю крышку (3). Жидкость начинает фильтроваться через фильтр (4) во внутреннюю его часть и выходит через верхнюю крышку (2) по трубопроводам (15, 11, 13) отвода рабочей жидкости и попадает в емкость (6) для приготовления рабочей жидкости. Жидкость начинает циркулировать по замкнутому циклу через испытываемый фильтр (4). Измеряют давление рабочей жидкости на входе в испытательную камеру и на выходе из испытываемого фильтра. В процессе циркуляции контролируют соответствие характеристик рабочей жидкости в емкости (6) для приготовления рабочей жидкости и при необходимости поддерживают их на заданном уровне, добавляя необходимое количество химических реагентов или разбавляя рабочую жидкость водой. Циркуляцию жидкости производят до резкого повышения давления нагнетания, определяемого по датчику (20) давления, которое сигнализирует о кольматации фильтра (4) твердыми частицами из рабочей жидкости (степень кольматации оценивают по разности показаний датчиков (20, 21) давления, а именно по разности давлений на входе в испытательную камеру (1) и на выходе из испытываемого фильтра (4)). При этом поддерживают необходимое давление заданный период времени. В конце заданного периода времени фиксируют конечную разность величин давления на входе в испытательную камеру и на выходе из испытываемого фильтра и снижают давление рабочей жидкости на входе в испытательную камеру, а по конечной разности величин давления судят об эффективности работы испытываемого фильтра. Далее нагнетание жидкости в испытательную камеру (1) продолжают до повышения давления до тех пор, пока не будет достигнуто необходимое значение давления смятия, определенное заводом-изготовителем, или пока не будет зафиксирована потеря контроля над фильтрацией песка (оценивается по резкому падению значения давления на датчике (20) давления). В ходе проведения испытаний постоянно фиксируют значения давления на входе в испытательную камеру (1) и на выходе из фильтра (4) датчиками (20, 21) давления, по разности значений которых определяют перепад давления на фильтре (4). По окончании испытаний отключают электродвигатель (7), открывают запорную арматуру (22 и 27) на соответствующих трубопроводах (18 и 17) и закрывают запорную арматуру (30) на трубопроводе (16). Промывают трубопровод (14) подачи рабочей жидкости для испытаний на давление смятия, жидкость при этом поступает в емкость (9) для отработанной жидкости. Затем открывают запорную арматуру (24) на трубопроводе (15), закрывают запорную арматуру (25) на трубопроводе (14) и промывают трубопроводы (15, 11, 13) отвода рабочей жидкости, при этом жидкость сливают в емкость (6) для приготовления рабочей жидкости. Затем открывают запорную арматуру (30) на трубопроводе (16), закрывают (26) на трубопроводе (11) и промывают фильтр (4) и испытательную камеру 1, при этом сливая отработанную жидкость в емкость (9). После чего отключают насосный агрегат (5) и закрывают всю запорную арматуру. После чего отработанную жидкость из емкости (9) сливают путем открытия запорного устройства (32), после чего отработанную жидкость перерабатывают или утилизируют.

В ходе испытаний в зависимости от выбранного режима проведения испытаний, (расхода жидкости, концентрации твердых частиц и давления) проводится оценка основных характеристик испытываемого фильтра (4) в испытательной камере (1):

- номинальное давление смятия;

- сопоставление максимальных фактических и паспортных значений давлений, при которых не происходит потеря способности фильтра удерживать механические примеси при фильтрации флюида

- гидравлическое сопротивление фильтра.

По результатам испытаний дается заключение о соответствии заявленных производителем гидромеханических характеристик испытываемого фильтра фактическим.

После испытаний открывают верхнюю крышку (2) (или верхнюю (2) и нижнюю (3)) и осуществляют извлечение фильтра (4).

В случае необходимости испытательную камеру (1) демонтируют и монтируют снова.

В случае необходимости в испытательную камеру (1) устанавливают новый образец фильтра и повторяются испытания.

Проверка предлагаемого способа для исследования гидромеханических характеристик скважинных фильтров на давление смятия проводилась следующим образом.

Перед исследованием был установлен испытываемый образец скважинного фильтра (4) в горизонтальном положении и подготовлена рабочая жидкость. Затем стенд был заполнен рабочей жидкостью до давления до 2 атмосфер. При этом была проведена проверка работоспособности манометров. По показаниям датчиков (20, 21) давления фиксировалась герметичность системы (значение давления, равное 2 атмосферам держится на протяжении 10-15 минут). Далее путем включения насосного агрегата (5) поднималось значение давления до резкого скачка, т.е. определяемого условиями проводимого эксперимента, например, до 120 атмосфер, которое тоже фиксировалось по показаниям датчика (20 или 21) давления на входе в испытательную камеру (1). Стенд работал до резкого скачка давления в течение 1 часа. При этом с частотой 1 минута датчиками давления (20,21) фиксировали значение давления на входе в испытательную камеру (1), которое составило 120 атмосфер, и на выходе из фильтра (4), значение которого соответствовало 100 атмосфер. Перепад давления на фильтре составил - 20 атмосфер.

Для повторения исследования могут быть изменены условия проведения эксперимента. Были также проведены исследования при измененном значении давления на входе в испытательную камеру (1), например, со 120 атмосфер до 170 атмосфер, по итогам которого получили потерю контроля над фильтрацией песка (оценивалось по резкому снижению значений давления на входе в фильтр и увеличению на выходе из фильтра (4), которое изменилось со 170 до 140 атмосфер на входе и со 120 до 140 атмосфер на выходе).

Стенд имеет конструкцию, позволяющую оперативно менять углы наклона испытательной камеры (4) и проводить испытания гидромеханических характеристик скважинных фильтров. Испытательная камера может быть установлена как вертикально, так и горизонтально и в наклонном положении.

Таким образом, налицо расширение функциональных возможностей способа, которые заключаются в возможности проведения испытаний скважинных фильтров в условиях, характерных как для вертикальных скважин, так и для горизонтальных и наклонно-направленных скважин. Проведение испытаний согласно предлагаемому способу позволяет определить эффективность работы скважинного фильтра и определить период времени и условия и их длительность, при которых кольматируется фильтр, а также получить сопоставление максимальных фактических и паспортных значений давлений, при которых не происходит потеря способности фильтра удерживать механические примеси при фильтрации флюида. Другими словами, реализация заявленного способа обеспечивает повышение достоверности результатов проводимых испытаний за счет проведения испытаний в условиях, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации скважинных фильтров. Сравнение параметров стенда по прототипу и стенда согласно заявленному способу при испытании скважинного фильтра на смятие показан на таблице 1.