DE3345796A1 - Filter zur abtrennung von feststoffteilchen aus einem fluidstrom - Google Patents

Filter zur abtrennung von feststoffteilchen aus einem fluidstrom

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Description

Filter zur Abtrennung von Feststoffteilchen aus einem Fluidstrom
Jedes Fluid, das durch eine Bohrung oder anderweitig aus einer untert'agigen Lagerstätte gefördert wird, weist einen gewissen Anteil an Feststoffen auf, die in dem Fluidstrom mitgeführt werden. Im Fall einer Bohrung, deren ünterende in einem Flüssigkeitsbecken, z. B. Wasser, endet, ist der Feststoffanteil begrenzt.
Im Fall einer Kohlenwasserstoff-Förderbohrung endet diese jedoch normalerweise nicht in einem Becken, sondern in einem Kohlenwasserstoff führenden Substrat. Dieses besteht üblicherweise aus einer untert'agigen Formation, die ein Agglomerat von Materialien, z. B. Sande, Tone usw. umfaßt.
Die in einer untert'agigen Lagerstätte herrschenden Drücke sind eine Funktion der Tiefe des Deckgebirges sowie der Menge des vorhandenen eingeschlossenen Gases. Trotzdem wird der Kohlenwasserstoffgehalt der Lagerstätte in den Poren des Erdmaterials gehalten, bis er freigesetzt und zur Erdoberfläche transportiert wird.
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Bei der Förderung werden die Kohlenwasserstoffe durch den Untergrunddruck in Richtung zu der perforierten Verrohrung einer Bohrung im Deckgebirge, die einen Bereich niedrigen Drucks darstellt, getrieben. Von dort wird der Kohlenwasserstoff zur Förderbohrung getrieben und in üblicher Weise gefördert.
Der Kohlenwasserstoff-Förderstrom enthält üblicherweise flüssiges Rohöl in Verbindung mit Gas oder auch nur Gas. In der Praxis werden die beiden Bestandteile an der Erdoberfläche voneinander getrennt. Das Gas wird entweder zur Verwendung zurückbehalten oder abgefackelt, während die Flüssigkeit zusammen mit den von ihr möglicherweise mitgeführten Feststoffen weiter aufbereitet wird.
Bestimmte Substratformen sind infolge der Bewegung des Kohlenwasserstoffelements durch sie einer stärkeren Erosion als andere Substrattypen ausgesetzt. In hauptsächlich sandiger Umgebung, die größtenteils aus nichtverfestigtem Sand besteht, wird dieser in großen Mengen im Fluidstrom mitgeführt.
Die Fähigkeit von Feststoffteilchen, in dem passierenden Kohlenwasserstoff- oder Gasstrom mitgeführt zu werden, hängt in hohem Maß von einer Anzahl Faktoren ab, z. B. vom Gasdruck, von der Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstoffs oder des Gases beim Eintritt in die Förderbohrung und auch der Größenverteilung der Feststoffteilchen in der Lagerstätte.
C 33A579S
Einige der Teilchen sind so klein, daß sie zum Kopf der Bohrung mitgenommen und anschließend aus dem Kohlenwasserstoffstrom abgetrennt werden. Dies erfolgt normalerweise durch ein Absetzsystem, durch Schwerkraft od. dgl. Andere Sandteilchen dagegen, die zu groß sind, um von dem Kohlenwasserstoff strom mitgenommen zu werden, bleiben Untertage.
In manchen Fällen führt der Strom von sandbeladenem Kohlenwasserstoff dazu, daß Sandteilchen entlang der normalen Strömungsbahn des Fluids abgelagert werden. Z. B. können sich die Teilchen in den vielen Durchlässen, Verbindungen und Anschlußstellen im Unterende der Verrohrung und am Bohrungskopf fangen und dort zurückgehalten werden.
Um diese Behinderung oder Verstopfung der Durchlässe einer Bohrung zu vermeiden, werden häufig Mittel vorgesehen, um die Bewegung der Feststoffe physisch zu blockieren. Dies muß jedoch unter gleichzeitigem Durchlassen nur der Flüssigkeit erreicht werden. Eine solche Möglichkeit besteht in der üblichen Kiespacklage der Bohrung oder auch in Filtern von unterschiedlicher Größe und Konstruktion, die in der Bohrung angeordnet sind, um so eine kontinuierliche Abtrennung zu verbessern.
Es sind verschiedene Ausf'uhrungsformen von Sandfiltern bekannt und werden mit einigem Erfolg in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen, unter denen das Kohlenwasserstofffluid extrahiert wird, eingesetzt.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Filters, mit dem die Feststoffanteile aus einem Fluidstrom abtrennbar sind. Dabei soll dieser Filter ein Bett aus willkürlich angeordneten Fasern aufweisen, die eine Vielzahl von Durchlässen definieren, in denen Feststoffteilchen zurückgehalten werden können und die das feststoffteilchenfreie Fluid durchlassen. Ferner soll der Filter bei erhöhten Temperaturen funktionsfähig sein und Feststoffteilchen aus einem fluidischen Medium abtrennen, wobei diese Feststoffteilchen üblicherweise in solcher Weise mitgeführt werden, daß sie physisch zurückgehalten und akkumuliert werden können.
Zur Lösung oder wenigstens Minderung des Problems der Sandansammlung in einer untertägigen Bohrung sieht die Erfindung einen dauerhaften Filter vor, der primär aus einem langen Rohr mit einem Außenrohrteil besteht, dessen Wandungen perforiert sind, so daß ein Fluid wie Rohöl oder Gas nach innen strömen kann. Das einwärts strömende Fluid wird durch ein Filterbett geleitet, das aus einer metallischen Masse besteht, die eine große Vielzahl von Durchlässen definiert. Gemäß einer Ausführungsform umfaßt die metallische Masse ein verdichtetes wolleartiges Medium, das durch einen es umgebenden Mantel in erwünschter Form und Dichte gehalten wird.
Das Filterbett ist in einer ringförmigen Filterkammer untergebracht, die sich im wesentlichen in Längsrichtung des Filters erstreckt.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 im Querschnitt einen Vertikalschnitt durch eine Bohrung mit dem Filter nach der Erfindung;
Fig. 2 eine größere Teilquerschnittsansicht des Filters;
Fig. 3 ein Segment des Filters entlang der Schnittlinie 3-3 von Fig. 2;
Fig. 4 in grafischer Darstellung mit stark vergroßer- und 5 tem Maßstab einen Teilchen mitführenden Fluidstrom.
Fig. 1 zeigt eine Kohlenwasserstoff-Förderbohrung 10, die im wesentlichen vertikal angeordnet ist und sich in eine Unterschicht bzw. ein Substratum erstreckt. Normalerweise ist die Verrohrung 12 der Bohrung, die das Bohrgestänge bildet, auf denjenigen vertikalen Niveaus, an denen festgestellt wurde, daß Kohlenwasserstoff wie Rohöl oder Gas vorhanden ist, mit einer Serie von Perforationen versehen.
J- Γ ' .;..::. ":..:·..: 33Α5796 9
Ein oder mehrere Filter 14 sind in der Verrohrung 12 bevorzugt an separaten Abschnitten der Unterschicht angeordnet. Insbesondere sind sie auf Pegeln positoniert, an denen einströmende Kohlenwasserstoffströme eine gewisse Menge an Feststoffteilchen wie etwa Sandteilchen in den Mittelkanal 16 der Verrohrung mitführen. Der Kohlenwasserstoffstrom, aus dem die Feststoffe abgetrennt sind, wird dann durch den Lagerstättendruck nach oben zum Bohrlochkopf 17 gepreßt, wo er gefördert und in einem geeigneten Abtrennverfahren weiter aufbereitet wird.
In vielen Anwendungsfällen ist die Verrohrung 12 nicht in dem Bohrloch vorhanden, und in einem solchen Fall ist das bzw. sind die Filter 14 in der Bohrung im direkten Kontakt mit dem Substratum angeordnet.
Der nachstehend beschriebene Filter 14 ist in das Bohrgestänge 15 eingebaut, das normalerweise aus einzelnen Rohrabschnitten 12 besteht, die an ihren jeweiligen Enden miteinander verbunden sind. Im vorliegenden Fall ist der Filter 14 mit seinem oberen und seinem unteren Ende jeweils mit angrenzenden Rohrabschnitten verbunden. Zwei jeweils an den Filterenden positionierte Bunde 18 und 19 sind auf den Filter 14 geschraubt und verbinden ihn mit den jeweiligen Rohrabschnitten.
Wie Fig. 2 zeigt, umfaßt eine bevorzugte Ausführungsform des Filters 14 ein langes Verbundrohr 21, das jede für einen bestimmten Anwendungsfall erforderliche Länge haben kann.
Jedes Ende des Verbundrohrs 21 weist ein Anschlußstück 22 mit einem Gewindeabschnitt 23 auf, wobei letzterer mit einem Verbindungsbund 18 od. dgl. verschraubbar ist.
Das Verbundrohr 21 besteht aus einem perforierten bzw. gelochten Innenrohr 24, das im wesentlichen konzentrisch mit einem Außenrohr 26 angeordnet ist. Beide Teile sind so ausgebildet, daß ein Strom von Kohlenwasserstoff-Flüssigkeit ohne weiteres seitlich durchströmen kann. Zwischen dem Innen- und dem Außenrohr ist eine Ringkammer 27 ausgebildet. Diese kann eine kombinierte Filterbetteinheit 28 aufnehmen, die von dem Kohlenwasserstoff-Fluidstrom durchsetzt wird.
Das Innenrohr 24 des Verbundrohrs besteht aus einem langen metallischen Rohrabschnitt mit einer Serie von in den Wandungen ausgebildeten Öffnungen bzw. Durchlässen 29. Diese Öffnungen können in einem bestimmten Muster oder willkürlich vorgesehen sein. Im vorliegenden Fall sind die Öffnungen 29 kreisrund; sie können aber jede gewünschte Form aufweisen und z. B. Langlöcher sein, die entweder in ümfangsrichtung oder in Längsrichtung entlang dem Filter 14 verlaufen.
Das Innenrohr 24 hat gemeinsam mit dem Außenrohr 26 eine ausreichende Festigkeit und kann funktionsmäßig einen integralen Bestandteil des Bohrgestänges 15 bilden. In dieser Funktion ist der Filter zur Aufnahme von Belastungen entsprechend den Einsatzbedingungen ausgelegt.
Bei der gezeigten Anordnung kann ein Löcher aufweisendes Stahlrohr 24 die Standardwandst'ärke normaler Bohrlochrohre haben. Diese Wandstärke hängt zum Teil von der Tragfähigkeit des äußeren Rohrsegments 26 ab.
Jedes Ende des Innenrohrs 24 ist mit einem Rohrverbindungsstück 31 verbunden. Diese Verbindung kann eine Schweißverbindung oder eine lösbare Verbindung sein. Das Rohrverbindungsstück 31 besteht aus einem ringförmigen Teil mit einer konisch zulaufenden Innenlippe 32, die am einen Ende entlang einer Umfangswand 33 endet. Die ümfangswand 33 dient zur Aufnahme eines dünnen Dichtrings 34, der damit verschweißt ist und sich über mehrere cm in Anlage an dem Innenrohr 24 erstreckt. Der Dichtring hat die Funktion, ein Austreten der Teilchen vorbei an der Verbindungsstelle zwischen dem Rohrverbindungsstück 31 und dem Innenrohr 24 zu vermeiden oder zu minimieren.
Ebenso ist ein Ende des Innenrohrs 24 bevorzugt an einer ümfangs-Schweißverbindung 46 an der Wandung 33 des Rohrverbindungsstücks 31 befestigt.
Die Außenseite des Rohrverbindungsstücks 31 weist eine zweite konische Fläche 36 auf, die an einem nach innen zurückgesetzten zylindrischen Rand 37 endet. Dieser ist ausreichend weit zurückgesetzt, um das Ende des Außenrohrs 26 aufzunehmen und gleichzeitig einen Mantel 44 festzulegen, der noch im einzelnen erläutert wird.
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Das Außenrohr 26 besteht gemäß einer Ausführungsform aus einer Mehrzahl einzelner beabstandeter langer Stäbe oder Stangen 39. Das Ende jedes Stabs ist in dem ausgesparten Rand 37 des Rohrverbindungsstücks 31 aufgenommen. Bevorzugt sind die Stäbe 39 in ihrer Lage um den Rand 37 herum angeschweißt und verlaufen in Längsrichtung des Filters 14 unter Bildung einer Mehrzahl von Längsschlitzen 47 zwischen sich.
Eine Hauptfunktion des Außenrohrs 26 besteht darin, die strukturelle Integrität des Filters sicherzustellen, dessen Außenwandung normalerweise an einer Wandung einer Verrohrung oder einer Bohrung anliegt. Ferner ist es beständig gegen die Abriebwirkung, die auftritt, wenn das Bohrgestänge 15 in einer Verrohrung oder Förderbohrung verschoben wird. Die Stäbe 39 können kreisrunde Stahlstäbe oder Rechteckstäbe sein. Jede dieser Konfigurationen erfüllt ihren Zweck als ein integrales Segment der Filterkonstruktion.
Bevorzugt sind das Innen- und das Außenrohr koaxial und ausreichend weit voneinander beabstandet, so daß die zwischen ihren einander benachbarten Wandungen gebildete Ringkammer 27 im wesentlichen gleichmäßig ist. Diese Ringkammer 27 ist am einen Ende durch die Endwand 41 des Rohrverbindungsstücks 31 und am anderen Ende durch ein ringähnliches Stütz- und Abstandselement 42 abgeschlossen. Letzteres ist an der Außenseite des Innenrohrs 24 festgelegt und liegt an dem Außenrohr 26 an, wodurch der Filter in radialer Richtung mechanische Festigkeit erhält.
Das Außenrohr 26 ist zwar im vorliegenden Fall als aus einzelnen Stäben bestehend beschrieben; eine solche Funktion kann aber auch durch eine modifizierte Ausführungsform, z. B. durch ein einziges langes und gelochtes Rohrstück, erzielt werden, das in ähnlicher Weise wie die Stäbe 39 an dem Rohrverbindungsstück 31 positioniert werden würde. Die Löcher in einem solchen Rohr müßten natürlich ausreichend groß sein, um ohne weiteres einen Sandteilchen mitführenden Fluidstrom nach innen durch das Außenrohr und in das umschlossene Filterbett 28 durchzulassen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Filterbett 28 durch eine Serie von ringförmigen, in Längsrichtung positionierten Einheiten gebildet, deren jede in einer gesonderten Filterkammer 27 angeordnet ist. Jedes Filterbett 28 besteht aus einer Masse willkürlich angeordneter Metallfäden, die eine sehr große Vielzahl von gewundenen Durchgängen durch das Filterbett definieren.
Ein Beispiel für eine solche, Filtereigenschaften aufweisende Masse ist Metallwolle od. dgl., die in der Filterkammer 27 zu vorbestimmter Dichte komprimiert ist.
Die Umgebungstemperatur, die für die Bohrungstiefe, durch die das Kohlenwasserstofffluid extrahiert wird, spezifisch ist, kann mehrere hundert Grad betragen. Außerdem wird die
Förderung häufig durch Injektion eines heißen Fluids gesteigert, und dieser Faktor kann zur Bildung einer noch höheren untertägigen Temperatur führen.
Die das Filterbett 28 bildenden Metallfaden müssen somit über einen längeren Zeitraum gegen eine thermische Formänderung unter diesen Bedingungen beständig sein. Ferner kann die in dem Filterbett 28 durch heißes oder erwärmtes strömendes Fluid ausgebildete Umgebung korrodierend wirken. Somit besteht das faserige Filtermedium bevorzugt aus einem nichtkorrodierenden oder korrosionsbeständigen metallischen Werkstoff.
Ein Beispiel für die Werkstoffart, aus der das Filterbett bestehen kann, ist eine aus Stahlfasern, rostfreien Stahlfasern, Messingfasern od. dgl. bestehende wolleartige Struktur. Die Fasern bzw. Fäden sind zwar willkürlich angeordnet, sie sind jedoch hinreichend stark verdichtet, um zwischen sich einen offenen Durchlaßquerschnitt zu definieren, der zum Zurückhalten oder Blockieren des Durchtritts von Sandteilchen einer bestimmten Teilchengröße geeignet ist. Ferner gestatten die Durchlässe im Filterbett 28 den Durchtritt des teilchenfreien Kohlenwasserstoff-Fluidstroms in den Mittelkanal 16. Das Äußere des Filterbetts28 ist von einem Mantel 44 umgeben, der das Filterbett eng umschließt, nachdem es zur erwünschten Dichte komprimiert wurde. Der Mantel 44 besteht bevorzugt aus einem Metallgewebe aus Stahl, rostfreiem Stahl oder einem ähnlichen
.:..:.. -..·-..· 3345796 Metall. Das Gewebe ist gegenüber der vorgenannten erhöhten Temperatur und der häufig schädlichen Umgebung des Untergrundsubstrats beständig.
Die erwünschte Sandabtrennfunktion des Verbundbetts 28 wird erzielt durch das koordinierte Zusammenwirkens des eine Vielzahl Durchlässe aufweisenden wolleartigen Teils des Betts mit der Teilchenrückhaltewirkung des äußeren Mantels 44. Dabei ist zu beachten, daß das eine Vielzahl Durchlässe aufweisende Segment des Betts dem Durchlaß des Sandgehalts des Fluidstroms Widerstand entgegensetzt und wenigstens einen Teil dieses Sandanteils zurückhält. Unter diesen Bedingungen würde ein üblicher Filter nach nur kurzer Einsatzdauer verstopft werden.
Um jedoch die Ansammlung größerer Sandteilchen vor deren Eintritt in das Filterbett 28 zu unterstützen, besteht der Mantel 44 bevorzugt, wie erwähnt, aus einem nachgiebigen Metallgewebe, das engpassend das Äußere des Filterbetts umschließt. Das Gewebe hat eine Maschenweite von ca. 4-5 mm; dieser Bereich wird durch die Größe der größeren zurückzuhaltenden Teilchen bestimmt.
Nach den Fig. 4 und 5 gelangen mit Sandteilchen beladene Ströme 51 und 52 (die durch den Richtungspfeil bezeichnet sind), die Sandteilchen unterschiedlicher Größen mitführen, aus dem Substrat 11 durch Öffnungen 41 im Außenrohr 26. Anschließend kontaktiert der Strom das Maschengewebe des Mantels 44. Während einer gewissen Wirkzeit tendieren die
-:- "-""-' 3345736
größeren Sandteilchen 51 zum Zusammenballen und Ansammeln in den offenen Bereichen des Mantels 44. Schließlich (vgl. Fig. 5) überbrücken diese größeren Teilchen 51, wenn sie in Kontakt miteinander und mit den Fäden des Gewebes gepreßt werden, diesen offenen Bereich unter Bildung einer relativ festen fluiddurchlassigen Sperrschicht 54.
Diese Brücke oder Sperrschicht 54 weist Zwischenräume auf, die nur kleinere Teilchen - wie die Teilchen 52 - als diejenigen, aus denen die Sperrschicht besteht, durchlassen können. Der ständige Strom des teilchenbeladenen Fluids führt zu einem stetigen Aufbau bzw. einer Erweiterung der festen Sperrschicht 54 nach außen in Richtung zu der das Außenrohr 26 querenden Verrohrung.
Der Größenbereich der von dem Filter zurückgehaltenen oder durchgelassenen Teilchen kann durch eine Änderung der Dichte des aus Metallwolle bestehenden Filtermediums sowie der Öffnungsweite in dem Stahlgewebe kontrolliert werden.
Der Reststrom des Förderfluids, der nunmehr nur feinere Teilchen 52 mitführt, tritt in die Vielzahl Durchlässe des durch das Filtermedium gebildeten Teils des Filterbetts 28 ein. In diesem Filterbett, das zu erwünschter Dichte komprimiert ist, werden die feineren Teilchen 52 aus dem Fluidstrom abgetrennt.
33Α5796
An der inneren oder Abstromseite des Filterbetts 28 werden von dem Fluidstrom nur die feinsten Teilchen in den Mittelkanal 16 mitgenommen. Dieser Strom wird nunmehr gefördert und einem Absitzvorgang od. dgl. unterworfen, so daß die verbliebenen Teilchen ohne weiteres abgetrennt werden können.
Es ist zu beachten, daß durch Justierung der Maschenweite des Gewebes im Mantel 44 sowie der Dichte der komprimierten Metallwolle 28 das Filterbett optimal für die Aufnahme des Förderfluids an einer bestimmten Förderstelle ausgelegt werden kann. Insbesondere durch Anpassung der Öffnungen des Mantels 44 an die Dichte der Metallwolle ist eine optimale Filterwirkung unter größtmöglicher Fluidförderung erzielbar.
Λ8
- Leerseite

Claims (9)

  1. μ <■ * ·
    ( 1.J Filter zur Abtrennung von Feststoffteilchen aus einem Fluidstrom,
    gekennzeichnet durch - ein Rohr (21), das aus wenigstens zwei konzentrischen langen perforierten Teilen (24, 26) besteht, die zwischen ihren benachbarten Wandungen eine Ringkammer (27) sowie einen in Axialrichtung verlaufenden zentralen Strömungsdurchlaß begrenzen,
    - je ein mit den benachbarten gemeinsamen Enden der jeweiligen perforierten Teile (24, 26) verbundenes Anschlußstück (31), die entgegengesetzte Endverschlüsse der Ringkammer (27) bilden,
    in jedem Anschlußstück (31) ausgebildete und mit dem in Axialrichtung verlaufenden zentralen Strömungsdurchlaß in Fluidverbindung stehende Öffnungen,
    - ein in der Ringkammer (27) diese im wesentlichen ausfüllend angeordnetes Filterbett (28), das einen ersten Filterabschnitt darstellt und aus einer Masse willkürlich angeordneter Fasern oder Fäden besteht, die ausreichend komprimiert sind, so daß sie eine große Vielzahl gewundener Durchlässe durch das Filterbett definieren, und
    - einen, zweiten Filterabschnitt aus einem perforierten Mantel (44), der die willkürlich angeordneten Fasern umgibt und deren Masse unter Erzielung einer erwünschten Dichte eng umschließt.
  2. 2. Filter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Fasermasse des Filterbetts (28) aus Metallfäserchen besteht.
  3. 3. Filter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Fasermasse des Filterbetts (28) aus nichtkorrodierenden Metallfäserchen besteht.
  4. 4. Filter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Fasermasse des Filterbetts (28) aus Stahlfäserchen besteht.
  5. 5. Filter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Fasermasse des Filterbetts (28) aus rostfreien Stahlfäserchen besteht.
  6. 6. Filter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der die Fasermasse umgebende perforierte Mantel (44) aus nichtkorrodierenden Metalldrähten besteht.
  7. 7. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der perforierte Mantel (44) aus Stahlfäden besteht.
  8. 8. Filter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der perforierte Mantel (44) aus rostfreiem Stahldraht besteht.
  9. 9. Filter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der perforierte Mantel ein Metalltuch bzw. -gewebe mit einer Maschenweite im Bereich von 4-5 nun ist.
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