DE102009035315B4

DE102009035315B4 - Filter

Info

Publication number: DE102009035315B4
Application number: DE102009035315A
Authority: DE
Inventors: Hauke Matthias Juergens
Original assignee: Juergens Hauke Matthias
Current assignee: Juergens Hauke Matthias
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-04-21
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: DE202009012936U1; DE102009035315A1; WO2011012177A1; EP2459296A1

Abstract

Strömungs-Kontroll-Filter für ein Erdöl- oder Erdgas-Förderbohrung, in Form eines Siebrohrabschnitts (2) mit einer Wand, die eine Außenseite (4) und eine Innenseite (5) aufweist und die mit einer Anzahl von in axialer Richtung verlaufenden Stützprofilen (6) versehen ist, die mit der Innenseite (5) des Siebrohrabschnitts (2) fest verbunden sind, wobei die Wand von einem spirallinienförmig gewickelten Mantelprofil (7) gebildet ist, das zwischen benachbarten Spirallinien einen Eintrittsspalt (8) für Erdöl oder Ergas aufweist, und wobei das Mantelprofil (7) im Querschnitt dreiecksförmig und die Spitze des dreiecksförmigen Mantelprofils (7) radial nach innen gerichtet ist, und wobei die Stützprofile (6) im Querschnitt ebenfalls dreiecksförmig sind;
dadurch gekennzeichnet, dass die Stützprofile (6) im Bereich ihrer radial nach außen gerichteten Spitzen (9) mit dem Mantelprofil (7) fest verbunden sind, so dass sowohl beim Durchströmen des Strömungs-Kontroll-Filters durch die Spalten als auch im Inneren des Siebrohrabschnitts (2) eine laminare Erdgas- oder Erdöl-Strömung entsteht;...

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungs-Kontroll-Filter gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiger Filter ist aus der US 2004/0134655 A1 bekannt. Dieser bekannte Filter erfordert ein Innenrohr zur Stabilisierung der Konstruktion. Außerdem verursacht er durch seine Einströmlöcher und Bohrungen eine turbulente Strömung.
Die bislang bekannten Filter, die unter dem Begriff „Premium Screens” laufen, werden in der Regel mit einem inneren gelochten Stützrohr, unterhalb der Filterkonstruktion, ausgebildet, das mit einer geringen Anzahl von Bohrungen für den Eintritt des Produktes versehen ist. Außen wird das Filterrohr von einer Mantelwicklung umgeben, in Form eines Filters, oder aber auch in Form von Drahtgewebe. Zusätzlich wird zum Schutze vor Beschädigungen während des Einbaus in die Bohrung, um diese Mantelwicklung ein Schutzrohr vorgesehen, das ebenfalls nur eine geringe Anzahl von Bohrungen für den Eintritt des Produktes aufweist.
Aus der WO 02/06593 A1 ist es in Verbindung mit einem Sandfilter bekannt, dessen Mantelprofil mit den Stützprofilen an jedem Kreuzungspunkt durch Widerstandsschweißen zu verbinden.
Aufgabe der Erfindung ist es also, einen Filter für die Erdöl- oder Erdgas-Förderung zu schaffen, mit dem sich sowohl beim Durchströmen des Filters durch die Eintrittsspalte als auch im Inneren des Filterrohres eine laminare Strömung erzielen lässt.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Filter der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.
Die Erfindung betrifft also einen Strömungs-Kontroll-Filter für den Einsatz in einer Erdöl- oder Erdgas-Förderbohrung oder einen Auströmungs-Kontroll-Filter für den Einsatz in einer Injektionsbohrung für Wasser oder Dampf, oder ähnliche Einsätze in Form einer Siebrohrkonstruktion aus Profildrähten in Dreiecksform mit einer Wand, die eine Außenseite und eine Innenseite aufweist, wobei die innere Stützkonstruktion zur Innenseite hin aus einer Anzahl von in axialer Richtung verlaufenden Dreiecksprofilen versehen ist, und wobei die als Filter wirkende äußere Konstruktion von der Außenseite her von einem spiralwindungsförmig gewickelten Mantelprofil, ebenfalls aus Dreiecksprofilen, gebildet ist. Das äußere Mantelprofil ist mit den Profilen der inneren Stützkonstruktion Spitze zu Spitze durch Widerstands-Schweißung fest verbunden, so daß dadurch insgesamt eine feste Rohr-Konstruktion entsteht. Zwischen den benachbarten Spiralwindungen des Mantelprofils ist ein Eintritts- oder Austrittsspalt vorgesehen, der sich radial nach innen gerichtet in konischer Form erweitert, ähnlich einer Venturi-Düse. Durch diesen Spalt tritt das strömende Medium in Flüssig- oder Gasform in das Filterrohr ein bzw. aus.
Die Form der Mantelprofile ist so gewählt, dass die Kombination der Abwickelung und der Tiefe des Konus der Form und damit der Funktion einer Venturidüse nahe kommt, bzw. identisch ist.
Dadurch ergeben sich hervorragende Strömungseigenschaften, die bereits durch Dietmar Klotz am Institut für Radiohydrometrie der technischen Universität München bei der Ermittlung von Durchlässigkeiten „k-Faktor” bestätigt wurden. (Siehe auch Jahresberichte des Institutes oder in der deutschen Nationalbibliothek).
Die Förderung von Erdöl oder Erdgas erfolgt in der Regel aus vielen Metern Tiefe, wozu in der Regel nicht geradlinig, sondern durchaus abgelenkt bzw. gekrümmt verlaufende Bohrungen bis in die Erdöl- oder Erdgas- führende Lagerstätte abgeteuft werden. Im Bereich der Erdöl- oder Erdgasführenden Lagerstätte erhält die Bohrung heutzutage keine Mantelrohr-Auskleidung, so dass das Erdöl oder Erdgas durch den Einströmungs-Kontroll-Filter in das Innere des Förderstranges strömen und an die Erdoberfläche gefördert werden kann. Hierzu werden Filterrohre mit Längen von 3 bis 12 m (entsprechend 10 bis 40 Fuß), und je nach Bohrungsdurchmesser mit unterschiedlichen Standarddurchmessern zusammengeschraubt, so dass eine Bohrung mit Filterrohren in Längen von mehreren 100 m bis 3000 m ausgerüstet wird, je nach Lagerstätte. Die unterschiedlichen Abmessungen richten sich nach der API-Norm 5CT (API = American Petroleum Institute) und sind in den Abmessungen kompatibel. Dies hat den Vorteil, das bei dem Befahren der Bohrung mit vorhandenen Standard-Werkzeugen in den Filterstrang gefahren werden kann.
Die zwischen den einzelnen Spiralwindungen des Mantelprofils verbleibenden Spalte haben in der Regel eine Breite von 0,100 bis 0,300 mm, was ausreicht, um bei „Lockergestein”, d. h. unkonsolidierten Formationen der Lagerstätte, Sandkörner vom Eintritt in das Innere des Filters zurückzuhalten. Bei so genannten „Festgestein”, d. h. konsolidierten Formationen, wo kein Sand anfällt und das Produkt aus Spalten anfällt, wirkt der Filter durch seine hervorragenden Strömungseigenschaften als Einströmungs-Kontrolle.
Bei dem erfindungsgemäßen Strömungs-Kontroll-Filter ist weder ein inneres Stützrohr, noch ein äußeres Schutzrohr notwendig. Die innere Stützkonstruktion in axialer Richtung ist mechanisch so stark gewählt, dass sie die Stützfunktion eines Rohres kompensiert und nicht mehr notwendig macht.
Das äußere Schutzrohr wird durch das starke und fusionsverschweißte Mantelprofil kompensiert.
Der erhebliche Vorteil ist ein laminares Strömungsverhalten bei dem Strömungs-Kontroll-Filter während bei den sogenannten „Premium Screens” oder „Premium Filtern” turbulent geströmt wird.
Ein Nachteil der bekannten „Premium Screens” besteht ferner darin dass sie beim Durchströmen des Schutzrohres, die Ummantelung des Stützrohres und beim Durchströmen des Stützrohres eine turbulente Strömung erzeugen, die darauf zurückzuführen ist, dass sich das Produkt nach dem Durchströmen des äußeren Schutzrohres erst einen Weg durch das Mantelprofil und dann durch die Bohrungen des Stützrohrs suchen muss, ehe eine Vergleichmäßigung der Strömung einsetzen kann. Die dabei entstandene turbulente Strömung führt jedoch zu Erosionen und auch zu Korrosion am Schutzrohr, am Mantelprofil, und am inneren Stützrohr und konsequenterweise zu einer Sandproduktion und Ausscheiden von Stoffen aus der Lagerstätte, was einerseits zu erhöhter Erosion, anderseits zu einem Verstopfen der „Premium Filter” durch beispielsweise Paraffin oder Asphalt führt.
All diese negativen Eigenschaften, hervorgerufen durch die turbulente Strömung, treten bei dem oben beschrieben Strömungs-Kontroll-Filter nicht auf, da noch immer bei über dreifacher Leistung im laminaren Bereich geströmt wird.
Dies ist auch bei Versuchen im Rogaland Research Institute in Stavanger, Norwegen, der Fall gewesen, bei denen während der Dauer der Versuche bei den „Premium Filtern” Erosionserscheinungen auftraten, die bei dem erfindungsgemäßen Strömungs-Kontroll-Filter ausblieben.
Ein weiterer positiver Effekt des laminaren Strömens ist die Stabilisierung der Einströmung über die Länge des eingebauten Stranges und damit die gleichmäßige Drainage der Lagerstätte. In Lagerstätten mit Lockergestein wird die Kornstruktur der Formation nicht beansprucht und die vorhandene Porosität nicht nachteilhaft verändert.
Heutzutage wird fast ausschließlich „abgelenkt” gebohrt, d. h. es wird über einen Radius von der Vertikalen in die Horizontale gebohrt. Dabei ist es von Vorteil, einen möglichst geringen Radius zu erzielen, um dadurch die Möglichkeit der Ausbeutung von Lagerstätten geringer Mächtigkeit zu erreichen.
Durch die Konstruktionsmerkmale des Strömungs-Kontroll-Filters im Vergleich zu den „Premium Screens” mit der behindernden Konstruktion des Schutzrohres und des Stützrohres ist bei ersterem die Möglichkeit zu einer wesentlich geringeren Ablenkung bzw. Radius gegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:
1 ein mit Maßen in mm versehenes Filterrohr;
1A einen Ausschnitt aus dem Bereich X von 1; und
2 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts des erfindungsgemäßen Strömungs-Kontroll-Filters.
1 zeigt ein beispielsweise 10,05 m langes Filterrohr 1, das aus einem Siebrohrabschnitt 2 gebildet ist. Jeder Siebrohrabschnitt hat beispielsweise eine Länge von etwa 8,5 m. Man erkennt ferner, dass an die beiden äußeren Enden der Siebrohrabschnitts 2 Anschlussstücke 11 und 11' angeschweißt sind, mit denen die Verbindung zu benachbarten Filterrohren hergestellt werden kann. Man sieht ferner, dass in einer Ausführungsform der Außendurchmesser des Filterrohrs 1 etwa 200 mm groß ist (im Beispiel angegeben sind 187 mm), während der Innendurchmesser im Bereich von etwa 150 mm (genau 150,6 mm) liegt. Diese Angaben sind nur rein beispielhaft, um dem Leser eine Vorstellung über die Größe des erfindungsgemäßen Strömungs-Kontroll-Filters zu geben. Der Fachmann weiß, welche Abmessungen für den jeweiligen Einsatz in Frage kommen. Die Abmessungen sind für einen Durchmessertyp angegeben. Die unterschiedlichen Abmessungen richten sich nach API-Norm 5 CT (API = American Petroleum Institute).
1A zeigt einen Ausschnitt X aus der 1, wobei der Übergang des Filterrohrs 1 mit einem spiralförmig gewickelten Mantelprofil 7 dargestellt ist. Man erkennt darin auch, dass das Mantelprofil 7 im Querschnitt die Form eines Dreiecks hat, wobei die Scheitelpunkte 13 der Dreiecke radial nach innen gerichtet sind.
2 zeigt einen Ausschnitt aus den Siebrohrabschnitten 2 von 1 in perspektivischer Darstellung, der den erfindungsgemäßen Strömungs-Kontroll-Filter dadurch bildet, dass ein äußeres, spiralförmig gewickeltes Mantelprofil 7 an der Innenseite mit Stützprofilen 6 versehen ist, die mit dem Mantelprofil 7 fest verbunden sind. Die Verbindung der Stützprofile 6 mit dem Mantelprofil 7 ist im Allgemeinen eine im speziellen Verfahren hergestellte Schweißverbindung.
Das Mantelprofil 7 ist im Querschnitt etwa dreiecksförmig, wobei die Basis radial nach außen gerichtet ist und damit eine Außenseite 4 des Filters bildet. Demzufolge ist die Scheitellinie des Mantelprofils 7 radial nach innen gerichtet und bildet eine Innenseite 5 des Strömungs-Kontroll-Filters.
Zum Eintritt des Produkts haben benachbarte Spirallinien des Mantelprofils 7 einen Abstand voneinander, so dass zwischen einzelnen Gängen des Mantelprofils ein Eintrittsspalt 8 gebildet ist, der in der Regel über die gesamte Länge des Siebrohrabschnitts 2 die gleiche Breite von beispielsweise 0,1 bis 0,3 mm hat. Zum besseren Verständnis der Größenverhältnisse sei ausgeführt, dass bei einem Außendurchmesser des Siebrohrabschnitts 2 von etwa 150 mm die Breite eines Ganges der Schraubenlinie an der Außenseite 4 etwa 4–5 mm beträgt und der Eintrittsspalt 8 eine Breite von 0,1–0,2 mm hat. Die radiale Dicke des Mantelprofils 7 beträgt bei diesem Beispiel 6 mm.
An der Innenseite des Mantelprofils 7 ist eine Anzahl von Stützprofilen 6 angeschweißt, die in Achsrichtung des Siebrohrabschnitts 2 parallel zueinander und in gleichen Abständen über den Umfang des Mantelprofils 7 verteilt verlaufen. Dargestellt sind in der beispielhaften Zeichnung 32 im Querschnitt dreiecksförmige Stützprofile 6, während es bei einer in der Praxis verwirklichten Ausführungsform mit den angegebenen Maßen von etwa 150 mm Außendurchmesser tatsächlich 52 Stützprofile 6 waren. Die Anzahl der Stützprofile richtet sich nach dem jeweiligen Durchmesser des Filterkörpers und ist gewählt, um dem Körper die gleichen mechanischen Festigkeiten wie ein gelochtes Stützrohr zu geben.
Die dreiecksförmigen Stützprofile 6 kontaktieren mit ihren radial nach außen gerichteten Spitzen 12 die Scheitelpunkte 13 des Mantelprofils 7 und sind in diesem Bereich mit dem Mantelprofil 7 fest verbunden, und zwar mit einem speziellen Verfahren widerstandsverschweißt. Es ist dem Fachmann klar, wie eine derartige Schweißverbindung hergestellt werden kann, nämlich indem induktiver Schweißstrom von außen über eine Elektrodenrolle durch das Mantelprofil 7 und das Stützprofil 6 geleitet wird, wodurch die Spitzen 12 und 13 der beiden Profile durch entsprechend eingestellten Schweißdruck miteinander verschmelzen.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Stützprofile 6 mit radial nach außen gerichteten Spitzen 12 und damit radial innen liegender Basis 14 sind im Bereich des äußeren Umfangs des Siebrohrabschnitts 2 dreiecksförmige Kanäle 15 gebildet, die in Längsrichtung des Siebrohrabschnitts 2 gleiche Querschnitte haben, die sich aber in radialer Richtung und damit zur Mitte des Siebrohrabschnitts 2 hin allmählich verjüngen, wodurch sie die Strömung des von außen in den Innenraum des Siebrohrabschnitts 2 einströmenden Produkts entsprechend einer Venturi-Düse vergleichmäßigen und damit eine laminare Strömung einrichten, die die Gefahr von Erosion, Korrosion und Ablagerung gegenüber den bekannten „Premium Screens” für die Erdöl- oder Erdgas-Förderung verhindern.

Claims

Strömungs-Kontroll-Filter für ein Erdöl- oder Erdgas-Förderbohrung, in Form eines Siebrohrabschnitts (2) mit einer Wand, die eine Außenseite (4) und eine Innenseite (5) aufweist und die mit einer Anzahl von in axialer Richtung verlaufenden Stützprofilen (6) versehen ist, die mit der Innenseite (5) des Siebrohrabschnitts (2) fest verbunden sind, wobei die Wand von einem spirallinienförmig gewickelten Mantelprofil (7) gebildet ist, das zwischen benachbarten Spirallinien einen Eintrittsspalt (8) für Erdöl oder Ergas aufweist, und wobei das Mantelprofil (7) im Querschnitt dreiecksförmig und die Spitze des dreiecksförmigen Mantelprofils (7) radial nach innen gerichtet ist, und wobei die Stützprofile (6) im Querschnitt ebenfalls dreiecksförmig sind; dadurch gekennzeichnet, dass die Stützprofile (6) im Bereich ihrer radial nach außen gerichteten Spitzen (9) mit dem Mantelprofil (7) fest verbunden sind, so dass sowohl beim Durchströmen des Strömungs-Kontroll-Filters durch die Spalten als auch im Inneren des Siebrohrabschnitts (2) eine laminare Erdgas- oder Erdöl-Strömung entsteht; und dass der Eintrittsspalt (8) über die gesamte Länge des Siebrohrabschnitts (2) die gleiche Breite von 0,1 bis 0,3 mm hat.
Strömungs-Kontroll-Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützprofile (6) im Querschnitt die Form von gleichschenkeligen Dreiecken haben.
Strömungs-Kontroll-Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützprofile (6) im Querschnitt tropfenförmig sind.
Strömungs-Kontroll-Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützprofile (6) in Längsrichtung des Filterrohrabschnitts (2) parallel zueinander verlaufen und in Umfangsrichtung des Siebrohrabschnitts (2) voneinander gleichmäßig beabstandet sind und somit gleiche mechanische Festigkeiten aufweisen, wie ein gelochtes Stützrohr beim „Premium Screen”.
Strömungs-Kontroll-Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teile aus dem gleichen Stahl hergestellt sind.
Strömungs-Kontroll-Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teile aus gleichem Edelstahl hergestellt sind, beispielsweise aus Austenit oder aus sogenannten Duplex-Edelstählen, das sind Ferrite-Austenite oder Martensite-Austenite.
Strömungs-Kontroll-Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützprofile (6) mit dem Mantelprofil (7) in einem speziellen dafür entwickelten Verfahren fusionsverschweißt sind.
Strömungs-Kontroll-Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass maximal ein einziger Filterrohrabschnitt (2) im Strömungs-Kontroll-Filter verwendet ist.
Strömungs-Kontroll-Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an jedes Ende des Filterrohrs (1) ein Anschlußstück (11) zur Verbindung mit einem benachbarten Filterrohr oder einem anderen Bauteil eines Fördergestanges ansetzt, wobei die Verbindungsgewinde der API-Norm entsprechen.
Strömungs-Kontroll-Filter nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Innendurchmesser, als auch die Außendurchmesser der API-Norm entsprechen und damit für alle weiteren standardisierten Werkzeuge kompatibel sind.