EA022124B1 - Износостойкое разделительное устройство для отделения частиц песка и горной породы - Google Patents

Abstract

Предметом изобретения является разделительное устройство для отделения частиц песка и горной породы, которое пригодно для использования в качестве интегральной составляющей части оборудования для добычи жидкостей или газов из глубоких скважин, при этом разделительное устройство содержит по меньшей мере один керамический фильтровальный модуль (1), при этом фильтровальный модуль (1) содержит: а) кольцевой штабель (6) из хрупко-твердых кольцеобразных дисков (7), верхняя сторона (16) которых имеет по меньшей мере три возвышения (8), равномерно распределенных по круговому периметру дисков, при этом диски (7) штабелированы и стянуты так, что между отдельными дисками (7) имеется разделительная щель (9) для отделения частиц песка и горной породы, b) соединительный элемент (10) на верхнем конце и соединительный элемент (11) на нижнем конце кольцевого штабеля (6), с) стяжное устройство (14, 15) для осевого стягивания кольцевого штабеля (6), d) наружную клетку (5) для механической защиты фильтровального модуля (1), е) сцепной элемент (12) на верхнем конце и сцепной элемент (13) на нижнем конце фильтровального модуля (1) для соединения фильтровального модуля (1) с другими компонентами добычного оборудования. Предметом изобретения является также применение разделительного устройства согласно изобретению для отделения частиц песка и горной породы в способе добычи жидкостей или газов из скважин в горной породе или глубоких скважин.

Description

Изобретение относится к разделительному устройству нового типа с улучшенным сопротивлением эрозии и истиранию, которое пригодно в качестве интегральной составляющей части добывающего оборудования для использования при добыче смесей нефти, воды и газа или их отдельных компонентов из глубоких скважин, с помощью которого можно отделять твердые материалы, такие как частицы песка и горной породы, от подлежащих добыче жидкостей и газов. Разделительное устройство служит, в частности, для предотвращения абразивного износа добывающего оборудования за счет частиц песка и горной породы. Одновременно разделительное устройство является коррозионно-стойким относительно обрабатывающих жидкостей.

При добыче жидкостей и газов, таких как нефть и природный газ, из глубоких скважин часто недостатком является то, что приток песка из залежей нефти и газа затрудняют добычу. Это, в частности, происходит, когда добыча углеводородов осуществляется из неконсолидированных формаций месторождений нефти и газа или когда с увеличением срока службы месторождений увеличиваются скорости течения и тем самым заводнение добываемых углеводородов и вызывается приток песка так, что все больше увлекается частиц из месторождений.

Для предотвращения притока песка из месторождений используется специальное фильтровальное оборудование, такое как, например, шлицевые фильтры или фильтры с обмотками из металлической проволоки, которая, как правило, состоит из стали, и имеют тот недостаток, что на основе больших сил течения они не могут длительно выполнять задачу отделения песка, поскольку они быстро подвергаются эрозии. Выходом является регулярная замена песочных фильтровальных устройств, которая выполняется при капитальном ремонте скважины.

Обычно для этого применяют металлические проволочные ткани, или металлические проволочные сетки, или металлические проволочные обмотки. Описание решения с проволочной тканью приведено в И§ 5624560. В этих решениях проволочные ткани или проволочные сетки опираются еще на металлическую опорную структуру, такую как перфорированная труба, с целью обеспечения механической стабильности.

В И§ 5890533 приведено описание решения с проволочной обмоткой, при этом несколько фильтровальных блоков с металлическими проволочными обмотками могут быть соединены друг с другом с помощью соединительных элементов с резьбой.

В И§ 5515915 приведено решение с проволочной обмоткой на перфорированной трубе, в котором для опоры проволочной обмотки между внутренней перфорированной трубой и проволочной обмоткой установлены еще распорные и опорные стержни. Кроме того, между перфорированной трубой и проволочной обмоткой установлен еще дополнительно пакет фильтровального гравия.

Существенным недостатком этих конструкций с металлическими проволочными тканями, проволочными сетками или проволочными обмотками является их невысокая стойкость износу. Вследствие абразивного, соответственно эрозивного, действия втекающих с большой скоростью частиц песка и горной породы фильтры разрушаются и повреждаются добычные трубы. Одновременно снижается производительность добычи, поскольку песок больше не отфильтровывается эффективно, а транспортируется вместе с добываемой средой. Другим недостатком является возникающий за счет использования обрабатывающих жидкостей коррозионный износ фильтров и добычных труб. Этот коррозионный износ усиливает в свою очередь абразивный износ. Обрабатывающие жидкости, такие как, например, кислоты, щелочи, вода или горячий пар, используются для очистки разделительного устройства и для возбуждения скважины.

Необходимо улучшать стойкость оборудования скважины относительно абразивного, соответственно эрозионного, износа, а также обеспечивать отсутствие коррозии.

В И§ 20040050217 А1 и \УО 2008080402 А1 приведено описание решений, в которых вместо металлических щелевых сит используются разделительные устройства из пористых проницаемых материалов. В И§ 20040050217 А1 пористые фильтровальные материалы могут быть металлическими, керамическими или органическими, а в \УО 2008/080402 А1 используются пористые керамические материалы.

Недостатком указанных в этих обеих публикациях решений является то, что фильтры из пористых керамических материалов вследствие их небольшой вязкости разрушения склонны к разрушению за счет нагрузок на изгиб. Стойкость к разрушению при изгибе составляет, как правило, значительно меньше 30% стойкости соответствующего плотного материала и поэтому не достаточна для механических нагрузок в условиях использования в скважинах в горных породах.

Другой недостаток состоит в том, что устойчивость к истиранию пористых керамических материалов значительно меньше стойкости плотных керамических материалов.

Описание другого решения с разделительным устройством из пористых материалов приведено в \УО 2004099560 А1, при этом оно также имеет указанные выше недостатки. В другом варианте выполнения (стр. 7, строка 24 - стр. 8, строка 2 и п.20 формулы изобретения) в \УО 2004099560 А1 предусмотрена дополнительно защита обычного фильтра для песка снаружи с помощью манжеты из стойких к эрозии плотных колец, которые на своих верхних и нижних поверхностях имеют дополнительно ребра или канавки. На штабелированных друг над другом кольцах образуется спиральный канал для жидкости, на стенках которого уменьшается энергия протекающей среды за счет соударения, так что уменьшается

- 1 022124 износ лежащего под ним обычного фильтра для песка. Предпочтительно кольца выполнены из карбидов или нитридов, таких как карбид кремния или карбид вольфрама. Недостатком этого решения является то, что улучшение защиты от износа сопровождается рассеянием энергии протекающей среды; наружная манжета действует не в качестве фильтра, а как сопротивление потоку, которое ухудшает производительность добычи. Не раскрывается, как манжета крепится на добычной трубе.

В И8 5249626 представлен цилиндрический ситовый фильтр, который имеет множество штабелированных кольцеобразных фильтровальных сегментов. Кольцевой штабель удерживается вместе с помощью нескольких резьбовых стержней с резьбовыми гайками или двойными гайками из нержавеющей стали на верхнем и нижнем конце. Отделение частиц происходит в изменяющемся кольцевом зазоре, который образован между противоположно лежащими фильтровальными сегментами. Кольца выполнены из пластмассы, предпочтительно из армированного стеклом полипропилена (колонка 4, строки 50-54). Резьбовые стержни проходят через предусмотренные для этого отверстия в кольцах (колонка 4, строки 31-33). Это решение не может быть реализовано для изделий из керамики. Переходы поперечного сечения имеют грани; фильтровальные сегменты имеют типичную для пластмассы конструкцию. Средние проходы для резьбовых стержней приводили бы к ослаблению керамических элементов и уменьшению стойкости к нагрузкам. Распорки выполнены плоскими, так что напряжения на изгиб не могут быть компенсированы. Другими недостатками указанного в И8 5249626 ситового фильтра из армированного стеклом полипропилена состоят в недостаточной стойкости к эрозии/истиранию, а также к коррозии.

В \УО 99/06669 приведено описание другого решения со спирально изогнутой металлической проволочной обмоткой. Кроме того, для второго варианта выполнения (стр. 3, строки 8-14 и стр. 10, строки 8-10) сформированы посредством сварки кольца из У-образной проволоки. Эти кольца затем соединяют друг с другом с помощью распорок с верхними и нижними поверхностями, при этом распорки своей верхней поверхностью неподвижно соединяются посредством сварки с верхним проволочным кольцом, а своей нижней поверхностью - с нижним проволочным кольцом так, что получается механически прочная и жесткая структура. Для этой конструкции упомянута возможность использования для нее керамики. Однако жесткое выполнение с неподвижно соединенными плоскими распорками приводило бы при использовании керамики к невозможности восприятия возникающих напряжений на растяжение и изгиб, что приводило бы к значительной опасности поломки и к возможно полному разрушению фильтра для песка. Дополнительно к этому изготовление такой конструкции из керамики было бы очень трудоемким.

В основу изобретения положена задача создания с преодолением недостатков уровня техники разделительного устройства для отделения частиц песка и горной породы при добыче жидкостей или газов из скважин в горной породе, которое имеет лучшую стойкость к износу, соответственно истиранию, и меньшую склонность к разрушению, чем известные из уровня техники разделительные устройства, и которое дополнительно является стойким к коррозии, вызываемой обрабатывающими жидкостями, и которое может выдерживать возникающие при добыче нагрузки, имеет более длительный срок службы, и с помощью которого достижимы более высокие скорости добычи. Кроме того, разделительное устройство должно быть пригодно для использования в качестве интегральной составляющей части оборудования для добычи жидкостей или газов из глубоких скважин.

Указанная выше задача решена согласно изобретению с помощью разделительного устройства согласно п. 1 формулы изобретения, а также его применения согласно п.27 формулы изобретения. Предпочтительные и особенно целесообразные варианты выполнения предмета заявки приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Таким образом, предметом изобретения является разделительное устройство для отделения частиц песка и горной породы, которое пригодно для использования в качестве интегральной составляющей части оборудования для добычи жидкостей или газов из глубоких скважин, при этом разделительное устройство содержит по меньшей мере один фильтровальный керамический модуль, при этом фильтровальный модуль содержит:

a) кольцевой штабель из хрупко-твердых кольцеобразных дисков, верхняя сторона которых имеет по меньшей мере три возвышения, равномерно распределенных по круговому периметру дисков, при этом диски штабелированы и стянуты так, что между отдельными дисками имеется разделительная щель для отделения частиц песка и горной породы,

b) соединительный элемент на верхнем конце и соединительный элемент на нижнем конце кольцевого штабеля,

c) стяжное устройство для осевого стягивания кольцевого штабеля,

й) наружную клетку для механической защиты фильтровального модуля,

е) сцепной элемент на верхнем конце и сцепной элемент на нижнем конце фильтровального модуля для соединения фильтровального модуля с другими компонентами добычного оборудования.

Предметом изобретения является также применение разделительного устройства согласно изобретению для отделения частиц песка и горной породы в способе добычи жидкостей или газов из скважин в горной породе или глубоких скважин.

Кольцеобразные диски разделительного устройства согласно изобретению штабелированы и стянуты так, что они фиксированы в осевом направлении, и между отдельными дисками образуется заданная

- 2 022124 разделительная щель для отделения частиц песка и горной породы. Однако в радиальном и тангенциальном направлении кольца в определенной степени подвижны относительно друг друга, за счет чего эффективно уменьшается образование напряжений в кольцевом штабеле за счет внешних нагрузок, таких как сгибание.

Кольцевой штабель с помощью стяжного устройства лишь фиксирован сам по себе, фильтровальный модуль для песка не нуждается в дополнительной механической опоре. Он не закреплен, например, на внутренней добычной трубе, которая несет собственный вес кольцевого штабеля и стяжного устройства и при необходимости других соединительных элементов, промежуточных модулей и/или вершины фильтровального модуля.

В одном предпочтительном варианте выполнения разделительное устройство дополнительно содержит одну или несколько защитных оболочек для защиты промежуточных модулей и соединительных элементов.

Выполненное из хрупко-твердых кольцевых элементов разделительное устройство согласно изобретению является более стойким к истиранию и коррозии, чем обычные устройства для борьбы с песком. Поэтому оно имеет по сравнению с фильтрами для песка согласно уровню техники более длительный срок службы. Поэтому в противоположность фильтрам для песка согласно уровню техники нет необходимости в замене разделительного устройства согласно изобретению с равномерными интервалами времени так, что становятся более длительными интервалы между капитальными ремонтами существующих скважин.

За счет более эффективной по сравнению с фильтрами согласно уровню техники фильтрации достигается более высокая производительность добычи.

Данное изобретение позволяет за счет соответствующего керамике конструктивного решения использовать благоприятные свойства керамических материалов, в частности их стойкость к истиранию и их высокое сопротивление деформации для высоконагружаемых абразивно фильтров для песка. Неблагоприятные для этого класса нагрузки, в частности точечные, на изгиб, на растяжение и ударные нагрузки, конструктивно предотвращаются с помощью решения согласно изобретению.

Вследствие высокого сопротивления хрупко-твердых кольцевых дисков деформации нет необходимости в противоположность уровню техники (как, например, в И8 5515915) в опоре кольцевых дисков с помощью распорных и опорных стержней на внутреннюю трубу с целью повышения их стабильности в штабеле и относительно друг друга. Они могут быть образованы свободно стоящими.

При стягивании кольцевых дисков в осевом направлении они образуют очень стабильную разделительную щель, которая имеет небольшое поле допусков, которое обусловлено лишь допусками изготовления колец, а не деформацией материала. При этом допуски ширины разделительных щелей соответствуют стандартным инструкциям ΑΡΙ (Атепсап Рс1го1снт ПъОййс) и могут даже превышать эти стандарты.

Высокое сопротивление механической деформации, например, вызванной встречающимися слоями песка, предотвращает изменение разделительных щелей. В противоположность фильтрам для песка согласно уровню техники из проволочных тканей и проволочных обмоток предотвращается закупоривание разделительных щелей.

При ударном входе песка хрупко-твердые кольцевые диски также не деформируются, установленная ширина разделительных щелей сохраняется.

В металлических фильтровальных тканях согласно уровню техники обычно необходимы многослойные фильтровальные ткани для защиты тонкого фильтра. Однако за счет многослойного расположения ткани повышается сопротивление потоку. Многослойные ткани склонны также к закупориванию за счет отложений песка в полых пространствах и, тем самым, к дальнейшему повышению сопротивления потоку. В противоположность этому керамические фильтровальные модули для песка согласно изобретению можно благодаря хорошей стойкости при истирании и высокому сопротивлению деформации хрупко-твердого кольцевого штабеля выполнять однослойными и непосредственно нагружать добываемым потоком. В керамических фильтровальных модулях для песка согласно изобретению нет также необходимости в дополнительно устанавливаемых пакетах фильтровального гравия между фильтром и внутренней трубой в качестве вторичного фильтра. Вместо этого подлежащие отделению частицы песка и горной породы могут образовывать на наружной окружной поверхности стабильных хрупко-твердых кольцевых дисков вторичный фильтровальный осадок. Этой стабильности способствует разделительное устройство согласно изобретению, что приводит к повышению целостности скважины.

Отделение частиц обеспечивается в непосредственном обтекающем потоке и проходящем потоке, без оказания отрицательного влияния на поток за счет отклонения или рассеяния энергии. Потеря давления в разделительном устройстве согласно изобретению пренебрежительно мала, и через разделительное устройство согласно изобретению проходит ламинарный поток.

Другим преимуществом является то, что для разделительного устройства согласно изобретению не требуется механическая опора, такая как пластмассовые фильтровальные сегменты в И8 5249626 или металлические проволочные решетки в И8 5624560. Кольцевой штабель согласно изобретению с помощью стяжного устройства лишь фиксирован сам по себе и не поддерживается или опирается на внутрен- 3 022124 нюю добычную трубу. Поскольку отпадает внутренняя добычная труба, то тем самым увеличивается имеющееся внутри свободное добычное поперечное сечение и тем самым производительность добычи.

Пружинная опора кольцевого штабеля обеспечивает восприятие изгибов и компенсацию различных тепловых расширений различных материалов.

Кольца штабелированы и стянуты так, что они в определенной мере подвижны относительно друг друга в радиальном и тангенциальном направлении, за счет чего эффективно уменьшается образование напряжений в кольцевом штабеле за счет внешних нагрузок, таких как изгиб.

С помощью сцепных элементов можно использовать обычные промежуточные модули. Фильтровальные модули для песка можно закреплять на добычных агрегатах с помощью обычных способов соединения. Это относится как к закреплению на конце колонны, так и последующей установке фильтровальных модулей и подвески на посадочном ниппеле.

Отдельные фильтровальные модули для песка можно соединять с помощью сцепных элементов и промежуточных модулей в фильтровальные системы любой длины.

Разделительное устройство согласно изобретению можно использовать при любом отклонении скважины как в горизонтальной, так и вертикальной скважине, а также при любом другом наклоне скважины, например при наклоне скважины 60°. Это является преимуществом по сравнению с обычно используемыми металлическими проволочными решетками.

Для предотвращения преждевременного прекращения использования стойких к истиранию и тем самым имеющих длительный срок службы фильтровальных модулей для песка согласно изобретению за счет абразивного повреждения, соответственно разрушения, обычной вершины фильтровального модуля, разделительное устройство согласно изобретению предпочтительно содержит вершины фильтровальных модулей с повышенной защитой от истирания.

Ниже приводится более подробное пояснение изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг. 1 - общий вид разделительного устройства согласно изобретению, включая вершину фильтровального модуля;

фиг. 2а-2б - кольцеобразный диск согласно первому варианту выполнения изобретения в различных проекциях;

фиг. 3а-3б - кольцеобразный диск согласно второму варианту выполнения изобретения в различных проекциях;

фиг. 4а-4с - кольцевой штабель с соединительными элементами согласно первому варианту выполнения в различных проекциях;

фиг. 5а-5с - кольцевой штабель с соединительными элементами согласно второму варианту выполнения в различных проекциях;

фиг. 6 - продольный разрез разделительного устройства согласно первому варианту выполнения изобретения;

фиг. 7 - продольный разрез разделительного устройства согласно второму варианту выполнения изобретения;

фиг. 8а-8с - детали продольного разреза разделительного устройства согласно фиг. 6; фиг. 9а-9с - детали продольного разреза разделительного устройства согласно фиг. 7; фиг. 10 - продольный разрез предпочтительной вершины фильтровального модуля согласно изобретению.

Ниже приводится более подробное пояснение предпочтительных вариантов выполнения и подробностей разделительного устройства согласно изобретению для отделения частиц песка и горной породы со ссылками на чертежи.

На фиг. 1 показан общий вид разделительного устройства согласно изобретению, которое выполнено модульно по меньшей мере из одного керамического фильтровального модуля 1 (называемого в последующем также фильтровальным модулем для песка).

В соответствии с условиями скважины разделительное устройство может быть расширено за счет модульной конструкции. Обычно разделительное устройство содержит на нижнем конце самого нижнего фильтровального модуля для песка и тем самым в конце колонны вершину 2 фильтровального модуля. При этом керамические фильтровальные модули для песка выполняют функцию отделения песка, соответственно, борьбы с песком.

Фильтровальные модули для песка могут быть также соединены с помощью промежуточных модулей 3 с другими фильтровальными модулями для песка. Промежуточные модули могут выполнять различные задачи, например, обеспечение достаточного изгиба при введении разделительного устройства в скважину, центрирование разделительного устройства в обсадной трубе скважины или крепление разделительного устройства на добычной трубе или на обсадной трубе скважины. В качестве промежуточных модулей можно также использовать активные элементы, с помощью которых можно реализовывать обратную промывку или встряхивание засоренных фильтровальных элементов.

Разделительное устройство согласно изобретению можно устанавливать в добычной системе как при новом оборудовании имеющих песок скважин, так и при капитальном ремонте существующих сква- 4 022124 жин, кроме того, его можно также вводить в существующую скважину через внутреннее пространство добычной трубы и закреплять на посадочном ниппеле обсадной трубы скважины. В зависимости от варианта использования, различаются промежуточные модули, а также геометрические данные керамических фильтровальных модулей для песка, однако могут сохраняться принципы конструкции.

Ниже приводится описание различных вариантов выполнения фильтровальных модулей для песка согласно изобретению, при этом керамические фильтровальные модули для песка всегда содержат следующие имеющие соответствующую материалу конструкцию, согласованные друг с другом основные элементы:

кольцевой штабель 6 (см. фиг. 4 и 5) из хрупко-твердых кольцеобразных дисков 7 (см. фиг. 2 и 3), верхняя сторона 16 которых имеет по меньшей мере три равномерно распределенных по окружности диска возвышений 8. Предпочтительный вариант выполнения с тремя выполненными в виде участков шара возвышениями 8 предотвращает приложение точечных нагрузок к хрупко-твердым фильтровальным дискам. Диски штабелированы и стянуты так, что они фиксированы в осевом направлении и между отдельными дисками образуется заданная разделительная щель 9 для отделения частиц песка и горной породы. Однако в радиальном и тангенциальном направлении кольца подвижны в определенной мере относительно друг друга, за счет чего эффективно уменьшается образование напряжений в кольцевом штабеле за счет внешних нагрузок, таких как изгиб;

два соединительных элемента 10, 11 (см. фиг. 4 и 5) на верхнем и нижнем конце кольцевого штабеля 6;

стяжное устройство для осевого стягивания кольцевого штабеля; наружная клетка 5 (см. фиг. 1);

два сцепных элемента 12, 13 (см. фиг. 6 и 7) на верхнем и нижнем конце фильтровального модуля для песка для соединения фильтровальных модулей для песка с другими компонентами добычного оборудования, такого как, например, вершина фильтровального модуля и промежуточные модули.

Кольцевой штабель.

Установленные в керамическом фильтровальном модуле для песка кольцеобразные диски 7 показаны на фиг. 2а-24 и 3а-34 для двух предпочтительных вариантов выполнения фильтровального модуля для песка. На фиг. 2 показана конструкция кольцеобразных дисков для первого варианта выполнения, в котором для стягивания кольцевого штабеля применяются лежащие внутри стяжные стержни 14 (см. фиг. 6). Во втором варианте выполнения кольцевой штабель выполнен и стянут на внутренней перфорированной трубе 15 (см. фиг. 7), применяемые для этого кольца показаны на фиг. 3.

Кольцеобразные диски изготовлены из хрупко-твердого материала, предпочтительно из керамического материала, который является стойким к истиранию и эрозии относительно частиц песка и горной породы, а также стойким к коррозии со стороны добываемой среды и применяемых для чистки сред, таких как, например, кислоты.

Отделение частиц песка и горной породы происходит на внутренней, предпочтительно сужающейся щели 9 (см. фиг. 5 и 6), которая образована между двумя прилегающими друг к другу стянутыми кольцевыми элементами. Кольцевые элементы имеют соответствующую керамике, соответственно хрупкотвердым материалам, конструкцию, т.е. переходы поперечного сечения выполнены без надрезов, и образование напряжений изгиба предотвращается или компенсируется конструктивно.

Высота (толщина) кольцеобразных дисков зависит от требуемой интенсивности потока.

Кольцеобразные диски 7 имеют на своей верхней стороне 16 по меньшей мере три равномерно распределенных по окружности дисков возвышения 8 заданной высоты, с помощью которых устанавливается высота разделительной щели (ширина щели). Возвышения не являются отдельно установленными или приваренными распорками. Они образованы непосредственно при изготовлении во время формирования кольцеобразных дисков.

При штабелировании друг на друга отдельные возвышения расположены в штабеле соосно друг над другом.

Возвышения предпочтительно выполнены в форме участков шара с целью достижения точечного контакта между лежащими противоположно кольцеобразными дисками и предотвращения контактов по поверхности.

Кольцеобразные диски имеют на своей наружной окружной поверхности предпочтительно выемку/маркировочную канавку 17, благодаря которой можно легче соосно позиционировать кольцеобразные диски при установке и тем самым обеспечивать безошибочный монтаж. Маркировочная канавка предпочтительно имеет скругленную форму.

Верхняя сторона 16 кольцеобразных дисков может быть выполнена под прямым углом к оси диска или с наклоном внутрь или наружу с плоской или изогнутой поверхностью.

Нижняя сторона 18 кольцеобразных дисков может быть наклонена внутрь или наружу, предпочтительно с наклоном внутрь, особенно предпочтительно она выполнена вогнутой. Выполнение с наклоном внутрь является предпочтительным относительно уменьшения склонности к закупориванию разделительного устройства. Вогнутая форма относится в целом к кольцеобразному дну, как показано на фиг. 24 и 34. Здесь кольцеобразное дно выполнено с радиусом К.

- 5 022124

Кольцеобразные диски в кольцевом штабеле подвижны относительно друг друга в осевом и тангенциальном направлении, за счет чего эффективно уменьшается возникновение напряжений в кольцевом штабеле за счет нагрузок, таких как изгиб.

Кроме того, за счет вогнутого выполнения кольцеобразного дна в комбинации с трехточечным прилеганием можно легко компенсировать возможные отклонения формы и размеров.

Форма поперечного сечения кольцеобразных дисков предпочтительно не прямоугольная и не трапециевидная за счет вогнуто изогнутых поверхностей. Кроме того, она не имеет острых кромок и переходов поперечного сечения.

В одном предпочтительном варианте выполнения наружные контуры 19 кольцеобразных дисков выполнены с фаской, как показано на фиг. 24 и 34. Согласно другому предпочтительному варианту выполнения кромки могут быть также скруглены. Это обеспечивает еще лучшую защиту кромок от критичной для хрупко-твердых материалов нагрузки кромок.

Окружные поверхности (боковые поверхности) кольцеобразных дисков предпочтительно цилиндрические (плоские). Однако можно также выполнять окружные поверхности, например, выпуклыми наружу, с целью обеспечения лучшего обтекания.

Радиальная толщина стенки кольцеобразных дисков предпочтительно составляет по меньшей мере 2 мм, более предпочтительно по меньшей мере 5 мм. Высота, соответственно толщина, дисков предпочтительно составляет 1-20 мм, особенно предпочтительно 1-10 мм.

Наружный диаметр кольцеобразных дисков меньше внутреннего диаметра скважины, соответственно, внутреннего диаметра обсадной трубы скважины. Он составляет обычно 50-200 мм. Возможны также диаметры меньше 50 мм и больше 200 мм.

Внутренний диаметр кольцеобразных дисков предпочтительно составляет меньше 90%, более предпочтительно меньше 85% наружного диаметра кольцеобразных дисков. В качестве альтернативного решения контур внутреннего диаметра кольцеобразных дисков может быть приближен с помощью многоугольника, например шестиугольника.

В варианте выполнения со стяжными стержнями необходимо лишь учитывать соотношение с наружным диаметром. В варианте выполнения со стяжной трубой внутренний диаметр кольцеобразных дисков должен быть дополнительно больше диаметра лежащей внутри перфорированной трубы. Кольцеобразные диски не должны прилегать к внутренней трубе. Таким образом, обеспечивается, что возникающие при введении в скважину изгибы воспринимаются конструкцией кольцевого штабеля и предотвращается поломка керамических элементов.

В варианте выполнения со стяжными стержнями 14 (см. фиг. 6) кольцеобразные диски предпочтительно имеют дополнительно на своей внутренней окружной поверхности по меньшей мере три выемки/канавки 20 (см. фиг. 2а), которые служат для размещения стяжных стержней. Если контур внутреннего диаметра кольцеобразных дисков выполнен в виде многоугольника, то от выемок можно отказаться, поскольку стяжные стержни могут проходить в углах. Эти выемки 20 выполнены со смещением относительно распределенных на верхней стороне возвышений 8. В одном предпочтительном варианте выполнения на окружной поверхности выполнено шесть канавок 20. При этом три возвышения 8 на верхней стороне 16 расположены так, что они находятся каждое в каждом втором промежуточном пространстве между двумя канавками 20. Выемки 20 предпочтительно имеют скругленную форму (см. фиг. 2а).

В варианте выполнения со стяжной трубой 15 (см. фиг. 7) на внутренней окружной поверхности кольцеобразных дисков выемки/канавки отсутствуют.

В варианте выполнения со стяжными стержнями обеспечивается возможность очень простого монтажа дисков с помощью канавок на внутреннем диаметре кольцеобразных дисков. Однако поскольку толщина стенки в зоне канавок уменьшается, то в этом варианте выполнения специально при небольших диаметрах обсадной трубы скважины или добычной трубы скважины происходит уменьшение стабильности колец и тем самым возникают ограничения в использовании. В противоположность этому в варианте выполнения со стяжной трубой диски имеют почти равномерную толщину стенки по всей окружности и тем самым могут применяться также при экстремальных геометрических требованиях.

В варианте выполнения со стяжной трубой на нижней стороне 18 колец имеются дополнительно по меньшей мере три углубления 21 (см. фиг. 3с), в которых могут быть позиционированы возвышения 8 противоположной верхней стороны следующего кольцевого сегмента. Количество и расстояние между углублениями соответствует количеству и расстоянию между возвышениями на верхней стороне колец. Выполненные углубления служат в качестве защиты от проворачивания колец и поддерживают самоцентрирование колец в штабеле.

В варианте выполнения со стяжными стержнями нет необходимости в углублениях, поскольку в этом случае защита от проворачивания обеспечивается в достаточной мере с помощью стяжных стержней. Однако на нижней стороне колец могут быть выполнены углубления. Однако поскольку они связаны с дополнительными затратами при изготовлении, то они предпочтительно не выполняются.

Углубления предпочтительно являются сдвинутыми параллельно радиусу К поверхностями (см. фиг. 3 а). Таким образом, здесь обеспечивается точечный контакт с возвышениями, и за счет трехточечного прилегания компенсируются возможные отклонения формы и размеров. Углубления могут быть

- 6 022124 выполнены также в форме участков шара или цилиндра. Возможна также скругленная трапециевидная форма или волнообразная структура.

Ширина щели 9 (см. фиг. 4 и 5) выбирается в зависимости от подлежащей отделению фракции песка. У наружного диаметра ширина щели наименьшая с целью предотвращения закупоривания кольцевой щели. Ширина щели устанавливается с помощью высоты возвышений на верхней стороне колец, глубины углублений на нижней стороне колец (когда имеются) и формы нижней стороны колец, т.е. с помощью радиуса вогнуто-изогнутой поверхности. Выбранная геометрия щели обеспечивает ламинарный поток в щели и небольшую потерю давления между наружным и внутренним диаметром.

Предусмотрена возможность обратной промывки разделительного устройства с помощью жидких обрабатывающих средств, так что возможно попавшие в разделительную щель частицы можно вымывать.

Хрупко-твердый материал кольцеобразных дисков предпочтительно выбран из оксидных или не оксидных керамических материалов, смешанной керамики из этих материалов, керамических материалов с добавлением вторичных фаз, смешанных материалов с долей керамических твердых материалов и с металлической связывающей фазой, подвергнутых преципитационной закалке литых материалов, порошковых металлургических материалов с образованными на месте фазами твердого материала, и армированных длинным и/или коротким волокном керамических материалов.

Примерами оксидных керамических материалов являются Л1₂0з, ΖγΟ₂, муллит, шпинель и смешанные оксиды. Примерами не оксидных керамических материалов являются δίϋ, В₄С, ΤίΒ₂ и δί₃Ν₄. Керамическими твердыми материалами являются, например, карбиды и бориды. Примерами смешанных материалов с металлической соединительной фазой являются \УС-Со. ПС-Ре и Т1В₂-Ре№Сг. Примерами для образованных в замкнутом объеме фазами твердого материала являются карбиды хрома. Примером армированных волокном керамических материалов является С-ШС.

Указанные выше материалы отличаются тем, что они более твердые, чем обычно встречающиеся частицы горной породы, т.е. значения твердости по Виккерсу НУ или по Роквеллу ИКС этих материалов выше соответствующих значений окружающей горной породы. Подходящие для керамических фильтровальных модулей для песка материалы имеют значения твердости по Виккерсу НУ больше 15 ГПа, предпочтительно больше 23 ГПа.

Все эти материалы отличаются одновременно тем, что они имеют более высокую хрупкость, чем типичные не закаленные стальные сплавы. В этом смысле эти материалы называются здесь хрупкотвердыми.

Дополнительно к этому все эти материалы имеют очень высокую стойкость к деформации, которая отражается в их модуле упругости. Высокая жесткость положительно сказывается на характеристиках истирания материалов. Отслаивание материала и пластическая деформация, как у металлов, здесь невозможны.

Высокое сопротивление деформации оказывает также положительное влияние на конструкцию фильтровального модуля для песка. Кольцевые диски из этих материалов не должны опираться с помощью перемычек на внутреннюю трубу с целью повышения их стабильности в штабеле и относительно друг друга. Они могут быть выполнены свободно стоящими. При их стягивании в осевом направлении они образуют очень стабильную разделительную щель, которая имеет очень небольшое поле допусков, которое обусловлено лишь допусками на изготовление колец, а не деформацией материала. При ударных нагрузках они также не деформируются, установленная ширина разделительной щели сохраняется.

Дополнительно к этому жесткие кольцевые элементы могут образовывать очень стабильный, гомогенный кек втекающего песка.

Пригодные для керамических фильтровальных модулей для песка материалы имеют модуль упругости больше 200 ГПа, предпочтительно больше 350 ГПа.

Предпочтительно используются материалы с плотностью по меньшей мере 90%, более предпочтительно по меньшей мере 95% теоретической плотности с целью достижения возможно более высоких значений твердости и высоких сопротивлений истиранию и коррозии. Предпочтительно в качестве хрупко-твердого материала используется спеченный карбид кремния (881С) или карбид бора. Эти материалы являются не только стойкими к истиранию, но также стойкими к коррозии относительно обычных применяемых для промывки разделительного устройства и возбуждения скважины обрабатывающих жидкостей, таких как кислоты, например НС1, щелочи, например ΝαΟΗ, или же водяной пар.

Особенно пригодными являются, например, материалы 881С с мелкозернистой структурой (средняя величина зерна <5 мкм), такие как, например, предлагаемые под названием ЕКа81ѮРи ЕКа81ѮРр1ик фирмы Е8К Сегат1С8 СтЬН&Со. КС. Кроме того, можно использовать также крупнозернистые материалы 881С, например, с бимодальной структурой, при этом предпочтительно 50-90 об.% распределения величины зерна состоит из призматических, имеющих форму пластинок кристаллитов 81С с длиной от 100 до 1500 мкм, и 10-50 об.% состоит из призматических, имеющих форму пластинок кристаллитов 81С с длиной от 5 до менее 100 мкм (ЕКа81С®С фирмы Е8К Сегатюк СтЬН&Со. КС).

Изготовление кольцеобразных дисков возможно с помощью порошковых металлургических или

- 7 022124 керамических способов в автоматизированном массовом производстве. Кольцеобразные диски можно изготавливать в так называемом процессе обработки до окончательной формы, в котором кольцеобразные диски (включая возвышения) прессуют из порошка с близким к окончательному контуру контуром. Требующая больших затрат механическая обработка кольцеобразных дисков не требуется. Частично неизбежные в процессе спекания отклонения формы и размеров отдельных кольцеобразных дисков допустимы в конструкции разделительного устройства согласно изобретению.

Кольцеобразные диски из хрупко-твердых материалов монтируют вместе с соединительными элементами в виде кольцевого штабеля любой высоты. Высота кольцевого штабеля и тем самым длина фильтровального модуля для песка определяется обусловленными скважиной требованиями к диаметру, ожидаемыми нагрузками, требуемым изгибом и несущей способностью металлической стяжной конструкции. Предпочтительная высота кольцевого штабеля, соответственно длина фильтра, составляет 1000 мм.

Соединительные элементы.

На фиг. 4а-4с и 5а-5с показан кольцевой штабель 6 согласно изобретению с соединительными элементами 10 и 11. На фиг. 4а-4с показан вариант выполнения со стяжными стержнями 14 (см. фиг. 6). На фиг. 5а-5с показан вариант выполнения с внутренней стяжной трубой 15 (см. фиг. 7). На фиг. 4а и 5а показан соединительный элемент 10 на виде сверху. На фиг. 4Ь, 4с, 5Ь и 5с показан разрез по лини В-В на фиг. 4а и 5а, соответственно по линии А-А на фиг. 4а и 5а.

Соединительные элементы образуют каждый расположенные на торцевой стороне боковые окончания кольцевого штабеля, с помощью которых кольцевой штабель соединяется со стяжным устройством. Они выполнены так, что силы стягивания равномерно передаются на кольцевой штабель.

Соединительные элементы предпочтительно выполнены из того же материала, что и кольца. Однако в качестве альтернативного решения можно использовать также антикоррозионные стали и пластмассы, такие как, например, эластомеры на основе фтора или РЕЕК (полиэфиркетон).

Верхняя поверхность соединительных элементов 10, которая обращена к стяжному устройству, имеет предпочтительно плоскую поверхность. Обращенная к кольцевому штабелю поверхность, т.е. нижняя сторона соединительного элемента 10, предпочтительно выполнена по радиусу, т.е. вогнутой, как и кольцевые элементы. Наружная окружная поверхность предпочтительно имеет окружную канавку 22 (см. фиг. 4 и 5) для размещения уплотнения (кольца с круглым поперечным сечением) 23 (см. фиг. 8а и 9а), а также предпочтительно выемку/маркировочную канавку 24 (см. фиг. 4 и 5) для позиционирования соединительных элементов относительно кольцевых элементов. Маркировочная канавка 24 имеет предпочтительно скругленную форму.

Нижняя поверхность нижнего соединительного элемента 11, которая обращена к стяжному устройству, предпочтительно имеет плоскую поверхность. Обращенная к кольцевому штабелю поверхность, т.е. верхняя поверхность соединительного элемента 11, имеет по меньшей мере три равномерно распределенных по окружности дисков возвышения. Наружная окружная поверхность предпочтительно имеет окружную канавку 22 для размещения уплотнения (кольца с круглым поперечным сечением) 23 (см. фиг. 8а и 9а), а также предпочтительно выемку/маркировочную канавку 24 для позиционирования соединительных элементов относительно кольцевых элементов. Маркировочная канавка 24 имеет предпочтительно скругленную форму.

Внутренний диаметр соединительных элементов соответствует диаметру кольцевых элементов. Наружный диаметр соединительных элементов предпочтительно равен или больше диаметра кольцеобразных дисков (см. фиг. 4, соответственно 5). Однако в соответствии с имеющимися геометрическими требованиями может быть конструктивно необходимо выполнять наружный диаметр немного меньше наружного диаметра кольцеобразных дисков. Однако это возможно лишь когда толщина стенки не меньше 2 мм и не создается опасности для стабильности конструктивного элемента.

В варианте выполнения согласно фиг. 4 со стяжными стержнями 14 на внутренней окружной поверхности соединительных элементов 10 и 11 предпочтительно предусмотрено по меньшей мере три выемки/канавки 25, которые служат для размещения стяжных стержней. Эти выемки выполнены со смещением относительно распределенных на верхней стороне кольцеобразных дисков возвышений. В одном предпочтительном варианте выполнения на внутренней окружной поверхности выполнено шесть канавок 25. При этом три возвышения на верхней стороне расположены так, что они находятся каждое в каждом втором промежуточном пространстве между двумя канавками. Выемки 25 предпочтительно имеют скругленную форму (см. фиг. 4а).

В варианте выполнения согласно фиг. 5 со стяжной трубой 15 на внутренней окружной поверхности выемки/канавки не образованы.

Допуски обоих соединительных элементов 10, 11 выбраны более узкими, чем допуски кольцеобразных дисков, с целью оптимального сцепления хрупко-твердых компонентов с металлическими компонентами стяжного устройства; в противоположность не обработанным (спеченным) кольцеобразным дискам, соединительные элементы необходимо механически обрабатывать.

В альтернативном варианте выполнения верхняя поверхность верхнего соединительного элемента 10 и/или нижняя поверхность нижнего соединительного элемента 11 выполнена не плоской, а в виде по- 8 022124 душки для пружины. Таким образом, обеспечивается непосредственное размещение пружин сжатия и дополнительная защита от добываемой среды.

Стяжное устройство для осевого стягивания кольцевого штабеля.

Кольцеобразные диски вместе с соединительными элементами монтируются в виде кольцевого штабеля любой высоты и внутренне фиксируются с помощью стяжного устройства.

Задачей стяжного устройства является внутреннее стягивание штабелированных в осевом направлении друг над другом кольцевых элементов и установка заданным образом образованной между отдельными дисками разделительной щели. Ширина разделительной щели предпочтительно имеет значение в диапазоне 0,05-1 мм, более предпочтительно 0,05-0,5 мм.

Кольцевой штабель в фильтровальном модуле для песка согласно изобретению с помощью стяжного устройства фиксирован лишь внутренне, фильтровальный модуль для песка не нуждается в дополнительной опоре. Например, он не закреплен на внутренней добычной трубе, которая несет собственный вес кольцевого штабеля и стяжного устройства и при необходимости других соединительных элементов, промежуточных модулей и/или вершины фильтровального модуля. По этой причине стяжное устройство должно воспринимать результирующиеся из собственного веса нагрузки растяжения.

Стяжное устройство предпочтительно состоит из верхнего и нижнего стяжного комплекта, а также одного или нескольких стяжных элементов, которые соединяют стяжные комплекты и проходят вдоль внутреннего периметра кольцевого штабеля. В предпочтительных вариантах выполнения стяжной элемент может быть реализован, например, в виде стяжной трубы 15 (см. фиг. 7) или с помощью по меньшей мере трех равномерно распределенных стержней 14 (см. фиг. 6). Стяжной комплект состоит из стяжной втулки 26, пружин 27 сжатия (см. фиг. 6 и 7) и стяжных гаек 28 (в варианте выполнения со стяжными стержнями на фиг. 6), соответственно стяжного кольца 29 (в варианте выполнения со стяжной трубой на фиг. 7).

Стяжное устройство обеспечивает возможность контролируемого и равномерного введения силы в соединительные элементы и тем самым в кольцевой штабель. Это достигается большей частью с помощью по меньшей мере трех равномерно распределенных пружин 27 сжатия. В одном предпочтительном варианте выполнения предусмотрено шесть равномерно распределенных пружин 27 сжатия.

С помощью пружин 27 сжатия можно дополнительно компенсировать различные тепловые расширения различных материалов, а также различные за счет допусков изготовления высоты кольцеобразных дисков. За счет этого достигается равномерное в течение срока службы распределение нагрузки. Равномерное распределение нагрузки является важным, поскольку иначе существует повышенная опасность разрушения керамических элементов.

Пружины сжатия предпочтительно выполнены из антикоррозионной стали, стали с покрытием или антикоррозионного эластомера, такого как, например, резина или Витон.

Стяжные элементы предпочтительно изготовлены из стали, более предпочтительно из антикоррозионной стали. Поскольку стяжные элементы проходят во внутреннем пространстве кольцевого штабеля из хрупко-твердого материала, то они защищены от истирания и тем самым обеспечивают стягивание внутри фильтровального модуля для песка в течение всего его срока службы.

В одном предпочтительном варианте выполнения стяжной элемент реализован в виде стяжной трубы 15 (см. фиг. 7 и 9), при этом она должна иметь сквозные отверстия для добычи смесей нефти, воды и газа или их отдельных компонентов из глубоких скважин. При этом это может быть перфорированная или шлицованная труба или цилиндрический металлический лист с отверстиями. Форма, расположение и количество сквозных отверстий определяются, с одной стороны, требуемым расходом и, с другой стороны, желаемой прочностью на растяжение и кручение стяжной трубы. В предпочтительном варианте выполнения на фиг. 9а сквозные отверстия выполнены в виде скругленных прорезей 41. Они выполнены в стяжной трубе лишь в зоне кольцеобразных дисков, начиная от соединительных сегментов окружная поверхность состоит из сплошного материала. На верхней и нижней окружной поверхности стяжной трубы 15 предпочтительно находится наружная резьба 30 для крепления на стяжном кольце.

В качестве альтернативы стяжной трубе можно выполнять и применять также сито с большими ячейками или жесткое проволочное плетение в виде трубы.

Наружный диаметр стяжной трубы 15 меньше внутреннего диаметра кольцеобразных дисков, так что между стяжной трубой и кольцевым штабелем имеется щель. Кольцеобразные диски не должны прилегать к стяжной трубе, для того чтобы внешние нагрузки, такие как изгиб, не могли передаваться за счет ввода нагрузки от металлической стяжной трубы в кольца. Для обеспечения этого между стяжной трубой и кольцевым штабелем установлены распорки 31 (см. фиг. 9Ь и 9с) из эластичного сжимаемого полимерного материала. При этом это может быть намотанная полимерная лента, полимерные кольца или полимерные планки. Предпочтительно используются по меньшей мере 3 смещенные на 120° относительно друг друга, закрывающие всю длину кольцевого штабеля и соединительные элементы полимерные планки, за счет чего кольцеобразные диски дополнительно центрируются на стяжной трубе.

В другом предпочтительном варианте выполнения имеется несколько стяжных элементов в виде стяжных стержней 14 (см. фиг. 6 и 8), которые равномерно распределены по внутренней окружности кольцевого штабеля. Стяжные стержни могут быть размещены в выемках/канавках 20 кольцеобразных

- 9 022124 дисков и соответствовать по своему количеству всегда количеству выемок/канавок 20. Предпочтительно имеется по меньшей мере три стяжных стержня, более предпочтительно шесть стяжных стержней. Количество стяжных стержней выбирается в зависимости от требуемого напряжения кольцевого штабеля и возможности восприятия результирующихся из собственного веса модулей нагрузок на растяжение.

Стяжные стержни 14 могут быть выполнены с круглой или эллипсоидной поверхностью поперечного сечения. Для увеличения поперечного сечения материала и тем самым прочности на растяжение, а также скручивание стяжные стержни предпочтительно выполнены в виде профилированных стержней 32 (см. фиг. 8Ь и 8с). Поверхность поперечного сечения профилированных стержней может соответствовать, например, поперечному сечению кругового сегмента или как в предпочтительном варианте выполнения на фиг. 8Ь или 8с - комбинации из кольцевых и круговых сегментов.

Стяжные стержни могут быть снабжены порошковым покрытием с целью предотвращения непосредственного прилегания стального материала стержней к керамическим кольцевым элементам.

На обоих концах стяжных стержней должна обеспечиваться возможность соединения со стяжными гайками. Поэтому в показанном предпочтительном варианте выполнения (фиг. 8а) профилированное поперечное сечение не проходит по всей длине стяжных стержней, а переходит в зоне стяжных втулок в круглую поверхность 33 поперечного сечения (см. фиг. 8а). Точнее, круговой сегмент профиля удлинен в круглую поверхность поперечного сечения. На верхнем и нижнем конце стяжных стержней находятся резьба 34 (см. фиг. 8а) для крепления стяжных гаек.

Стяжная втулка служит, с одной стороны, в качестве подушки для пружины сжатия и имеет внутренние направляющие 35 (см. фиг. 8а, 8с, 9а) для размещения пружин сжатия, с другой стороны, она обеспечивает возможность стягивания с помощью стяжного элемента/стяжных элементов. Стяжное устройство герметизировано наружу, т.е. между стяжной трубой и соединительным элементом, с помощью колец с круглым поперечным сечением (23 на фиг. 9а). Стяжная втулка предпочтительно изготовлена из стали, предпочтительно из антикоррозионной стали.

Стяжные втулки для обоих предпочтительных вариантов выполнения стяжных элементов выполнены различно. В варианте выполнения, в котором стяжной элемент реализован в виде стяжной трубы, стяжная втулка выполнена цилиндрической (см. фиг. 9а). Параллельно наружной окружной поверхности проходит наружная клетка, параллельно внутренней окружной поверхности которой проходит стяжная труба. На обращенной к стяжному кольцу поверхности предпочтительно находится окружная канавка для приема уплотнительного кольца (кольца 36 с круглым поперечным сечением на фиг. 9а).

В варианте выполнения со стяжными стержнями стяжная втулка является цилиндрической на своей внутренней окружной поверхности, снаружи имеются три различные зоны: наружная направляющая 37 (см. фиг. 8а) для размещения наружной клетки, углубление 38 (см. фиг. 8а) для размещения кольца с круглым поперечным сечением, а также резьба 39 для крепления на соединительном элементе. Дополнительно к этому, в стяжной втулке в этом варианте выполнения выполнены сквозные отверстия 40 (см. фиг. 8с) для прохождения тяговых стержней. Отверстия выполнены на обращенной к стяжным гайкам стороне в виде круглых отверстий, на обращенной к соединительным элементам стороне они имеют профиль, который соответствует возможному профилю стяжных элементов.

В варианте выполнения со стяжной трубой для стягивания предпочтительно применяется стяжное кольцо (29 на фиг. 9а). Оно выполнено на внутренней окружной стороне цилиндрическим и имеет на обращенной к кольцевому штабелю стороне углубление с внутренней резьбой 42 для свинчивания со стяжной трубой. Снаружи имеются три различных зоны: наружная направляющая 43 для размещения наружной клетки, углубление 44 для размещения кольца с круглым поперечным сечением, а также резьба для крепления на сцепном элементе.

Стягивание кольцевого штабеля осуществляется параллельно монтажу.

За счет свинчивания верхнего стяжного кольца со стяжной трубой можно заданным образом стягивать кольцевой штабель. Поскольку стяжное кольцо и стяжная втулка не образуют соединения, то обеспечивается, что при стягивании нагрузка от пружин сжатия не передается на соединительные элементы и они остаются не поврежденными.

Фиксация стяжных стержней, соответственно стяжной трубы, предпочтительно осуществляется с помощью стяжных гаек, соответственно стяжного кольца, поскольку тем самым можно прикладывать заданный момент затягивания и компенсировать допуски по длине. Альтернативными относительно резьбы и стяжных гаек видами крепления являются комбинации из канавки и фиксирующего кольца, а также зенкованного отверстия и потайного винта. Возможно также крепление посредством сварки, зажимания или усадки.

В варианте выполнения со стяжными стержнями кольцевой штабель стягивается с помощью в определенной степени эластичных стяжных стержней более эластично по сравнению с вариантом выполнения со стяжной трубой. Хотя прочность на растяжение и скручивание в варианте выполнения со стяжной трубой выше, однако за счет профилированного поперечного сечения стяжных стержней обеспечивается достаточная прочность на растяжение для выдерживания собственной нагрузки. Стяжные стержни имеют достаточную прочность для предотвращения проворачивания конструкции по большой поверхности. Однако небольшие деформации возможны и позволяют кольцам в кольцевом штабеле в опре- 10 022124 деленной степени двигаться в радиальном и тангенциальном направлении. Таким образом, можно более эффективно уменьшать возникновение напряжений в кольцевом штабеле, чем в варианте выполнения со стяжной трубой.

В качестве альтернативы к указанным выше предпочтительным вариантам выполнения фильтровального модуля для песка, в частности для варианта выполнения со стяжной трубой, возможен другой вариант выполнения, в котором стяжное устройство и сцепной элемент комбинируются на одной стороне 46 (см. фиг. 7) или на обеих сторонах. Кроме того, в комбинированном варианте выполнения стяжного устройства и соединительного элемента можно отказаться от стяжного кольца. В этих случаях нет разделения функций отдельных компонентов, однако максимально сохраняется принцип стягивания.

Наружная клетка.

Фильтровальный модуль для песка предпочтительно защищен от повреждений при установке, таких как соударения или трение с обсадной трубой скважины, а также при запуске добычи за счет быстрого течения частиц горной породы с помощью свободно пропускающей поток наружной клетки 5 (см. фиг. 1).

Она может быть выполнена, например, в виде сита с большими ячейками и предпочтительно в виде перфорированного металлического листа. В качестве материала предпочтительно применяется сталь, более предпочтительно антикоррозионная сталь. Однако в качестве альтернативного решения возможно также использование армированных волокном полимерных материалов, поскольку в этом случае можно устанавливать способность воспринимать нагрузки и сопротивление моментам кручения и изгиба в соответствии с требованиями.

Наружная клетка лежит подвижно зажатой в наружном диаметре стяжного устройства, однако для придания жесткости разделительному устройству относительно моментов изгиба и кручения, а также напряжений растяжения и сжатия может быть также неподвижно соединена со стяжным устройством. Эта фиксация возможна, например, посредством склеивания, соединения с помощью винтов, штифтов или посредством горячей запрессовки, предпочтительно наружная клетка после монтажа сваривается со стяжным устройством.

Сцепные элементы (для соединения фильтровальных модулей для песка с другими компонентами добычного оборудования).

Сцепные элементы 12, 13 (см. фиг. 6 и 7) служат для соединения стянутого кольцевого штабеля/фильтровального модуля для песка с другими компонентами добычного оборудования, такими как, например, вершина 2 фильтровального модуля и промежуточные модули. Отдельные фильтровальные модули для песка можно с помощью сцепных элементов и промежуточных модулей соединять в фильтровальные системы любой длины.

Сцепные элементы предпочтительно выполнены из стали, более предпочтительно из антикоррозионной стали.

Они имеют идентичный со стяжным устройством наружный диаметр и выполнены снаружи цилиндрическими. В направлении промежуточного модуля они имеют предпочтительно наружную коническую клиновидную поверхность 47 (см. фиг. 6 и 7). Внутренняя окружная поверхность разделена на три зоны: в средней зоне сцепной элемент является трубчатым и имеет одинаковую толщину стенки. В направлении стяжного устройства труба сужается и уменьшается толщина стенки. В этой зоне находится резьба 48 (см. фиг. 6 и 7) для крепления на стяжном устройстве. На наружном конце имеется другое углубление 49 (см. фиг. 7), в котором расположено уплотнительное кольцо (кольцо с круглым поперечное сечением) 50. На обращенной к промежуточному модулю стороне внутренняя окружная поверхность в предпочтительном варианте выполнения имеет внутреннюю резьбу 51 (см. фиг. 6 и 7). Однако возможно также выполнение резьбы в виде наружной резьбы на наружной окружной поверхности.

Для экономии места сцепные элементы, которые примыкают к вершине 2 фильтровального модуля, выполнены более короткими, чем сцепные элементы для промежуточных модулей. В качестве альтернативы выполнения с внутренней резьбой возможно здесь также выполнение с внутренним конусом 52 (см. фиг. 6, 7 и 10) и по меньшей мере с одной окружной канавкой 53, 54 (см. фиг. 6, 7 и 10) для размещения уплотнительного кольца (кольца с круглым поперечным сечением) 55 (см. фиг. 6, 7 и 10) или пружинного стопорного кольца 56 (см. фиг. 6, 7 и 10).

Длина сцепных элементов, которые принимают промежуточные модули, не является критичной и предпочтительно выбирается более длинной, поскольку сцепные элементы и промежуточные модули в зависимости от выбранного варианта выполнения и тем самым жесткости стяжного устройства должны дополнительно способствовать восприятию внешних нагрузок, таких как изгиб, и результирующихся из собственно веса нагрузок растяжения.

В качестве альтернативы указанным предпочтительным вариантам выполнения фильтровального модуля для песка с двумя сцепными элементами, в частности при стяжном устройстве со стяжной трубой, возможен другой вариант выполнения, в котором стяжное устройство и сцепной элемент комбинируются друг с другом на верхнем и/или нижнем конце фильтровального модуля для песка (46 на фиг. 7). В этом случае нет разделения функций отдельных компонентов, однако максимально сохраняется принцип соединения.

- 11 022124

Защитная оболочка.

Наружная, коническая клиновидная поверхность сцепных элементов, а также промежуточные модули предпочтительно защищены с помощью одной или нескольких защитных оболочек 4 (см. фиг. 1) от износа, вызванного истиранием/эрозией частицами песка и горной породы, а также коррозией.

Предпочтительно защита от износа указанных выше металлических зон осуществляется с помощью пластмассового покрытия, например с помощью усадочного рукава. Однако возможно также достижение защиты от износа с помощью (порошковых) покрытий или лакирования, с помощью закрывающих матов или пленок, которые фиксированы, например, с помощью механических зажимов или с помощью других фасонных частей.

Для предотвращения повреждения защитной оболочки при установке могут быть установлены подходящие распорки, которые могут быть реализованы, например, в виде утолщения скольжения на перфорированном металлическом листе.

Материалы для пластмассового покрытия предпочтительно выбраны из группы материалов, содержащей полиолефины, предпочтительно полиэтилен, полипропилены и поли(изо)бутилан, поскольку они, с одной стороны, имеют достаточное сопротивление истиранию/эрозии и коррозии и, с другой стороны, обеспечивают возможность нанесения в виде усадочного рукава. Другими возможными материалами для пластмассовых покрытий, соответственно усадочных рукавов, являются РУЭР, νίΐοη. РУС и РТРЕ.

Толщина стенки усадочных рукавов меньше 7 мм, обычно лежит в диапазоне от 1 до 3 мм.

Применение усадочного рукава имеет по сравнению с другими решениями следующие преимущества.

Возможна реализация плотных, не проницаемых покрытий, возможно разделение функций за счет покрытия усадочными рукавами из различных материалов. Так, например, можно снаружи наносить материал с высоким сопротивлением эрозии, а внутри материал с высоким сопротивлением коррозии.

Соединение с подлежащими защите зонами осуществляется с геометрическим замыканием. Добываемые или чистящие среды не могут проникать под покрытие. Дополнительное уплотнение покрытия не требуется.

За счет соединения (с перекрытием) сегментов рукава можно осуществлять защиту на любой длине.

Можно преодолевать переходы между диаметрами и поперечными сечениями, как в данном случае на зажимных комплектах, за счет степени усадки до 3:1 (изменение диаметра). Решение экономично, поскольку можно использовать коммерчески доступные усадочные рукава.

Вершина фильтровального модуля с повышенной защитой от истирания.

Обращенный к нижнему концу скважины последний фильтровальный модуль для песка должен быть выполнен с возможностью закрывания. На практике это реализуется с помощью вершины 2 фильтровального модуля (см. фиг. 1). С ее помощью должно обеспечиваться, что добыча смесей нефти, воды и газа или их отдельных компонентов из глубокой скважины всегда осуществляется через фильтровальные модули, а имеющийся в скважине песок удерживается на фильтровальном модуле. Однако дополнительно необходимо обеспечивать возможность при необходимости открывания или отделения вершины фильтровального модуля. Это возможно, например, посредством отрывания взрывом вершины фильтровального модуля. Часто используются также копья, которые вводятся через внутреннее пространство фильтровальных модулей для песка и выталкивают с большой силой вершину фильтровального модуля.

Для этого вершины фильтровальных модулей предпочтительно изготавливаются из ударопрочного материала. В уровне техники часто применяются металлические материалы. Однако особенно пригодными являются также полимерные материалы, предпочтительно высокоэластичные материалы, которые обеспечивают эффективное уменьшение ударных нагрузок. За счет высокой эластичности и связанной с этим низкой твердостью все эти материалы подвергаются сильному абразивному износу частицами песка и горной породы.

Использование стойких к истиранию и тем самым имеющих длительный срок службы фильтровальных модулей для песка предотвращает абразивное повреждение, соответственно разрушение вершины фильтровального модуля. Поэтому в комбинации с керамическими фильтровальными модулями для песка предпочтительно используются вершины фильтровальных модулей для песка с повышенной защитой от истирания. Это может быть реализовано, например, посредством вложения защищающей от износа пластины 57 (см. фиг. 10) в вершину фильтровального модуля. Пластина защиты от износа выполнена из хрупко-твердого материала, предпочтительно из того же материала, что и кольца. После истирания мягкой вершины в режиме добычи защищающая от износа пластина предотвращает дальнейший абразивный износ за счет частиц песка и горной породы. В качестве альтернативы использованию защищающей от износа пластины можно также изготавливать вершину фильтровального модуля из хрупкотвердого материала. Однако в этом случае вершина должна быть снабжена предпочтительно полимерным защитным слоем для демпфирования ударов во время введения в скважину.

Предпочтительный вариант выполнения вершины 2 фильтровального модуля с повышенной защитой от истирания показан на фиг. 10. Она выполнена из сплошного материала и состоит, по существу, из двух зон. В задней, обращенной к фильтровальному модулю для песка зоне она имеет форму цилиндра; в передней зоне она сужается в острие. В переходе между двумя зонами образована окружная канавка 58

- 12 022124 для размещения пружинного стопорного кольца 56.

Вершина фильтровального модуля с помощью этого пружинного стопорного кольца запрессована в сцепной элемент. В качестве альтернативного решения, крепление на сцепном элементе может быть также реализовано с помощью защелкивающегося соединения или посредством усадки.

Защищающая от износа пластина 57 в пригодном для изготовления из керамики варианте выполнения не является полностью цилиндрической, а конически сужается к вершине фильтровального модуля. Таким образом, она может быть фиксирована в соединительном элементе с помощью соединения 52 конус в конус. Для повышения стабильности крепления между защищающей от износа пластиной и канавкой 53 сцепного элемента может проходить уплотнительное кольцо 55. Дополнительно к этому между защищающей от износа пластиной и стяжным элементом находится распорное кольцо 59, которое предотвращает соударение защищающей от износа пластины при ударных нагрузках со стяжным устройством. Эта конструкция обеспечивает наряду с простым монтажом также выталкивание вершины с помощью ударного давления или копья. За счет величины конусного угла можно изменять силу прижимания.

В качестве альтернативного решения вершину фильтровального модуля можно фиксировать также с помощью пружинного стопорного кольца или кольца с круглым поперечным сечением.

В другом варианте выполнения можно также комбинировать вершину фильтровального модуля и сцепные элементы.

Многослойная конструкция фильтра.

В металлических фильтровальных тканях согласно уровню техники обычно применяются необходимые для защиты тонкого фильтра многослойные фильтровальные ткани. За счет многослойной ткани повышается сопротивление потоку. Многослойные ткани склонны также к закупориванию за счет отложения песка в полых пространствах и тем самым к дальнейшему повышению сопротивления потоку.

Благодаря хорошей стойкости к истиранию и высокому сопротивлению деформации хрупкотвердого кольцевого штабеля можно выполнять керамические фильтровальные модули для песка однослойными и непосредственно нагружать добываемым потоком.

Однако для улучшения степени отделения при добыче нефти и газа и для специальных задач фильтрации в других областях, например для максимально тонкой фильтрации, можно выбирать также конструкцию в виде многослойного фильтра.

Так, например, в варианте выполнения со стяжной трубой второй фильтровальный элемент устанавливается между стяжной трубой и кольцевым штабелем. Этот вторичный фильтр может быть выполнен согласно уровню техники из проволочной ткани, проволочной обмотки, шлицевого фильтра, фильтровального пакета для песка или же для максимально тонкой фильтрации в виде фильтровальной ткани. Возможен также вариант выполнения с интегрированием в конструкцию лежащего между ними второго кольцевого штабеля.

В варианте выполнения со стяжной трубой функцию вторичного фильтра может выполнять при соответствующем выполнении шлицованная труба или проволочная ткань, а также сама стяжная труба.

Приведенный ниже пример служит для дальнейшего пояснения изобретения.

Сопротивление эрозии.

Для определения вызванного эрозией износа подвергались пескоструйному испытанию пластины (примерно 75x75x15 мм) из стали, пористой спеченной керамики из карбида кремния и из мелкозернистой, плотно спеченной керамики из карбида кремния (δδίϋ) типа ЕКа§1с®Р (фирмы Е8К Сегат1с8 СтЬН&Со. КС). При этом стальная проба служила в качестве сравнения.

Испытания проводились с помощью пескоструйной установки. В качестве струйной среды служили четыре различные опорные среды, которые обычно применяются в морских скважинах: (1) песок 100 МекЬ Ргас, (2) песок 16/20 МекЬ Ргас, (3) песок 20/40 МекЬ Ргас, (4) песок 20/40 МекЬ Ргас Ηί§1ι §1геи§1й. Давление струи составляло 2 бар и длительность обработки 2 ч, при этом струя проходила, по существу, точечно под углом 90° к поверхности. Глубина и ширина оттиска струи характеризуют износ вследствие эрозии (см. таблицу).

- 13 022124

Результаты пескоструйных испытаний

Пример	Материал	Среда	Глубина (мм)	Ширина (мм)
1 . 1	ЕКа31С©Е (551С)	1	0, 1	14
1.2	ЕКазтс©Г (ЗЗтС)	2	Не измеряема	12
1.3	ЕКа31С©Е (331С)	3	Не измеряема	12
1.4	ЕКаз1С®Е (331С)	4	0,2	8

1.5	Пористый ЗЮ	1	10	19
1.6	Пористый ЗЮ	2	10	16
1.7	Пористый ЗтС	3	10	19
1.8	Пористый 51С	4	10	15
1.9	Сталь (сравнение)	1	5, 3	17
1.10	Сталь (сравнение)	2	0, 8	18
1.11	Сталь (сравнение)	3	5, 3	18
1.12	Сталь (сравнение)	4	4,4	19

Испытания показывают, что плотно спеченная керамика из карбида кремния по сравнению с пористой спеченной керамикой из карбида кремния, а также с обычной сталью является значительно более стойкой относительно износа за счет эрозии. В то время как пористые спеченные из карбида кремния пластины уже через 5 с имели отверстие, ЕКа8Ю®Р даже после 2 ч не проявлял измеряемого износа или проявлял пренебрежительно малый износ вследствие эрозии.

Перечень ссылочных позиций

- Фильтровальный модуль для песка,

- вершина фильтровального модуля,

- промежуточный модуль,

- защитная оболочка,

- наружная клетка,

- кольцевой штабель,

- кольцеобразный диск,

- возвышения,

- разделительная щель,

- соединительный элемент,

- соединительный элемент,

- сцепной элемент,

- сцепной элемент,

- стяжной стержень,

- стяжная труба,

- верхняя сторона диска 7,

- выемка/маркировочная канавка,

- нижняя сторона диска 7,

- наружный контур с фаской диска 7,

- выемки/канавки внутренней окружной поверхности,

- углубления на нижней стороне 18,

- окружная канавка соединительных элементов 10, 11,

- уплотнительное кольцо (кольцо с круглым поперечным сечением),

- выемка/маркировочная канавка,

- выемки/канавки,

- стяжная втулка,

- пружины сжатия,

- стяжные гайки,

- стяжное кольцо,

- наружная резьба,

- распорка,

- профилированные стержни,

- круглая поверхность поперечного сечения,

- резьба,

- внутренние направляющие,

- 14 022124

- кольцо с круглым поперечным сечением,

- наружная направляющая,

- углубление,

- резьба,

- сквозные отверстия,

- скругленные шлицы,

- внутренняя резьба,

- наружная направляющая,

- углубление,

- резьба,

- комбинированный со стяжным устройством сцепной элемент,

- коническая клиновидная поверхность,

- резьба,

- углубление,

- уплотнение (кольцо с круглым поперечным сечением),

- внутренняя резьба,

- внутренний конус,

- окружная канавка,

- окружная канавка,

- уплотнение (кольцо с круглым поперечным сечением),

- пружинное стопорное кольцо,

- защищающая от износа пластина,

- окружная канавка,

- распорное кольцо.

Claims (27)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Разделительное устройство для отделения частиц песка и горной породы, которое пригодно для использования в качестве интегральной составляющей части оборудования для добычи жидкостей или газов из глубоких скважин, причем это разделительное устройство содержит по меньшей мере один керамический фильтровальный модуль (1), причем фильтровальный модуль (1) содержит:

   a) кольцевой штабель (6) из хрупко-твердых кольцеобразных дисков (7), верхняя сторона (16) которых имеет по меньшей мере три возвышения (8), равномерно распределенных по круговому периметру дисков, причем диски (7) штабелированы и стянуты так, что между отдельными дисками (7) имеется разделительная щель (9) для отделения частиц песка и горной породы,

   b) соединительный элемент (10) на верхнем конце и соединительный элемент (11) на нижнем конце кольцевого штабеля (6),

   c) стяжное устройство (14, 15) для осевого стягивания кольцевого штабеля (6), б) наружную клетку (5) для механической защиты фильтровального модуля (1),

   е) сцепной элемент (12) на верхнем конце и сцепной элемент (13) на нижнем конце фильтровального модуля (1) для соединения фильтровального модуля (1) с другими компонентами добычного оборудования.
2. 2. Разделительное устройство по п.1, в котором диски (7) в кольцевом штабеле (6) штабелированы и стянуты так, что они подвижны относительно друг друга в радиальном и тангенциальном направлении.
3. 3. Разделительное устройство по п.1 или 2, в котором стяжное устройство содержит расположенные внутри кольцевого штабеля (6) стяжные стержни (14).
4. 4. Разделительное устройство по п.1 или 2, в котором стяжное устройство содержит расположенную внутри кольцевого штабеля (6) стяжную трубу (15).
5. 5. Разделительное устройство по любому из пп.1-4, в котором дополнительно предусмотрена одна или несколько защитных оболочек (4).
6. 6. Разделительное устройство по любому из пп.1-5, в котором на нижнем конце дополнительно предусмотрена вершина (2) фильтровального модуля с повышенной защитой от истирания.
7. 7. Разделительное устройство по любому из пп.1-6, в котором на верхней стороне (16) дисков (7) образованы возвышения (8) в виде участков шара.
8. 8. Разделительное устройство по любому из пп.1-3 или 5-7, в котором кольцеобразные диски (7) на своей внутренней окружной поверхности имеют по меньшей мере три выемки (20), которые служат для размещения стяжных стержней (14).
9. 9. Разделительное устройство по любому из пп.1-8, в котором кольцеобразные диски (7) имеют на своей нижней стороне (18) по меньшей мере три углубления (21), предназначенные для позиционирования возвышений (8).
10. 10. Разделительное устройство по любому из пп.1-9, в котором верхняя сторона (16) кольцеобразных дисков (7) выполнена под прямым углом к оси диска.

    - 15 022124
11. 11. Разделительное устройство по любому из пп.1-10, в котором нижняя сторона (18) кольцеобразных дисков выполнена с наклоном наружу или внутрь, предпочтительно с наклоном внутрь, более предпочтительно выполнена вогнутой.
12. 12. Разделительное устройство по любому из пп.1-11, в котором радиальная толщина стенки кольцеобразных дисков (7) составляет по меньшей мере 2 мм, предпочтительно по меньшей мере 5 мм.
13. 13. Разделительное устройство по любому из пп.1-12, в котором толщина кольцеобразных дисков (7) составляет 1-20 мм, предпочтительно 3-10 мм.
14. 14. Разделительное устройство по любому из пп.1-13, в котором разделительная щель (9) между отдельными дисками (7) имеет высоту 0,05-1 мм, предпочтительно 0,05-0,5 мм.
15. 15. Разделительное устройство по любому из пп.1-14, в котором хрупко-твердый материал кольцеобразных дисков (7) выбран из группы, включающей оксидные или не оксидные керамические материалы, смешанную керамику из этих материалов, керамические материалы с добавлением вторичных фаз, смешанные материалы с долей керамических твердых материалов и с металлической связующей фазой, термически упрочненные литые материалы, порошковые металлургические материалы с образованными на месте фазами твердого материала и армированные длинным и/или коротким волокном керамические материалы.
16. 16. Разделительное устройство по любому из пп.1-15, в котором хрупко-твердые материалы кольцеобразных дисков (7) имеют значения твердости по Виккерсу НУ >15 ГПа, предпочтительно >23 ГПа.
17. 17. Разделительное устройство по любому из пп.1-16, в котором хрупко-твердые материалы кольцеобразных дисков (7) имеют модуль упругости >200 ГПа, предпочтительно >350 ГПа.
18. 18. Разделительное устройство по любому из пп.1-17, в котором хрупко-твердые материалы имеют плотность по меньшей мере 90%, предпочтительно по меньшей мере 95% теоретической плотности.
19. 19. Разделительное устройство по любому из пп.1-18, в котором хрупко-твердый материал является спеченным карбидом кремния (δδίϋ) или карбидом бора.
20. 20. Разделительное устройство по любому из пп.1-19, в котором соединительные элементы (10, 11) на своей наружной окружной поверхности имеют по меньшей мере одну окружную канавку (22) для размещения уплотнительного кольца (23).
21. 21. Разделительное устройство по любому из пп.1-19, в котором наружный диаметр соединительных элементов (10, 11) равен или больше наружного диаметра кольцеобразных дисков (7).
22. 22. Разделительное устройство по любому из пп.1-19, в котором соединительные элементы (10, 11) выполнены из того же хрупко-твердого материала, что и кольцеобразные диски (7).
23. 23. Разделительное устройство по любому из пп.1-22, в котором стяжное устройство (14, 15) дополнительно содержит стяжной комплект, содержащий стяжную втулку (26), пружины (27) сжатия и стяжные гайки (28) для стяжных стержней (14) или стяжные кольца (29) для стяжной трубы (15).
24. 24. Разделительное устройство по любому из пп.1-23, в котором стяжные стержни (14) или стяжная труба (15) выполнены из стали, предпочтительно антикоррозионной стали.
25. 25. Разделительное устройство по любому из пп.1-24, в котором сцепные элементы выполнены из стали, предпочтительно антикоррозионной стали.
26. 26. Разделительное устройство по любому из пп.1-25, в котором наружная клетка образована в виде сита с большими ячейками или перфорированного металлического листа и предпочтительно выполнена из стали, более предпочтительно из антикоррозионной стали.
27. 27. Способ добычи жидкостей или газов из скважин в горной породе или глубоких скважин, при котором отделяют частицы песка и горной породы в разделительном устройстве по любому из пп.1-26.