NO328880B1 - Kombinert filtersammenstilling - Google Patents

Description

OPPFINNELSESOMRÅDE

Oppfinnelsesområdet er filtrering av fluider idet disse trekkes ut fra et olje-brønn eller gassbrønn-reservoar.

Nærmere bestemt angår oppfinnelsen en kombinert filtersammenstilling, omfattende et støttelegeme, et på støttelegemet anordnet, filter og en kappe som omfatter en indre og en ytre flate som danner definerte strømningsbaner med ender som avgrenses av en innløpsåpning i den ytre flate og en utløpsåpning i den indre flate, idet hver strømningsbane strekker seg fra en åpning i den ytre flate og videre omfatter en flerhet av strukturelt atskilte baner som forløper fra åpningen i den ytre flate til en flerhet av åpningene i den indre flate, idet de definerte strøm-ningsbaner reduserer strømningshastighet og, i kraft av utformingen av strøm-ningsbaner, reorienterer retningen av vesentlig hele strømningen gjennom inn-løpsåpninger for derved å redusere erosjonsvirkninger på filtersammenstillingen.

TEKNIKKENS STAND

Olje- og gassoperatører borer ofte brønner i ukonsoliderte sandstenreser-voarer. For å oppnå høye produksjonstakter fra slike reservoarer kreves det noen midler for å filtrere sand ut fra fluidet når dette trekkes ut fra reservoaret. Operatø-rer har anvendt trådnett og gruspakking for å gjennomføre denne filtreringsprose-dyre.

Trådnett kan anvendes som filtere ved størrelsestilpasning av trådnettet for å blokkere strømmen av partikler som er større enn en gitt størrelse. Tradisjonelt gjennomføres en siktanalyse for formasjonssanden før komplettering av brønnen og størrelsesområdet for sandpartiklene i formasjonen bestemmes. En filtertråd-nettstørrelse velges som vil blokkere den største 50% andel av partikkelstørrel-sene i formasjonssanden.

Anvendelse av filtere av denne størrelse frembyr imidlertid flere problemer. For det første er det tilgjengelige innstrømningsareal for disse filtere typisk bare 3 - 6% av det totale filteroverflateareal, noe som sterkt begrenser den maksimale strømningstakt som kan oppnås fra brønnen. For det annet er trådnett anvendt i disse filtere typisk giftere med kvadratiske eller rektangulære åpninger, slik at når en partikkel tilstopper en gitteråpning tapes innstrømningsarealet for denne åpning og reduserer innstrømningstakten ytterligere. Denne mangel på alternative strøm-ningsbaner resulterer i et filter som tilstoppes meget hurtig. For det tredje er disse filtere utsatt for høye erosjonstakter på grunn av at fluidstrømmen foregår effektivt rett gjennom filtermaterialet.

Et alternativt arrangement for størrelsessortering av disse typer av filtere er å størrelsestilpasse filteret til å blokkere bare de største 10% av partikkelstørrel-sene i formasjonssanden. Denne størrelsestilpasning resulterer i filteråpninger som er omtrent dobbelt så store som dem som blokkerer de største 50% av par-tikkelstørrelsene. Denne størrelsestilpasningsteknikk hjelper til med å avhjelpe problemene med hurtig tilstopping av de mindre åpninger, men resulterer også i mye høyere erosjonstakter.

Gruspakking gjennomføres ved å anbringe et trådnett eller en oppslisset foring i borebrønnens produksjonssone hvoretter det ringformede areal mellom trådnettet eller den oppslissede foring og formasjonen fylles med en høypermea-bel sand med spesiell partikkelstørrelse. Sanden for gruspakkingen er størrelses-tilpasset slik at den ikke vil strømme inn i produksjonsutstyrsstrengen. Den blokkerer også strømmen av formasjonssand inn i produksjonsutstyrsstrengen. Selv om den er effektiv til å redusere sandtilgangen kan gruspakking være tidkrevende. Den kan også være vanskelig å gjennomføre i horisontale brønner på grunn av tilstoppingstendensen i de nå anvendte filtertrådnett.

GB A 2088421 omhandler en filtersammensetning bestående av et støtte-legeme, et filtermateriale og en kappe. Kappen er utformet slik at strømmen vil gjøre minst en vending på vei gjennom kappen.

FR 2034090 beskriver en filtersammensetning bestående av støttelegeme, et vevet vaiermaskelag og et filtermateriale.

Et formål med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en filteran-ordning for filtrering av fluider som trekkes ut av en olje- eller gassbrønn med egenskaper som tilsier form og strømningslinjer som i større grad enn tidligere skal hindre tilstopping av filteret og redusere slitasje slik at levetiden øker.

Et annet formål for den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et økono-misk filter som har et åpent strømningsareal på mer enn 30% av dets totale overflateareal.

Det er et ytterligere formål for oppfinnelsen å tilveiebringe et filter som er motstandsdyktig mot skader og som har egenskaper tilsvarende «API» standarder for strekkstyrke og sammenfalling. Det er et ytterligere mål for oppfinnelsen å til veiebringe et filter med høy erosjonsmotstand både under betingelser for strøm-ning og sirkulasjon.

Det er et ytterligere mål for oppfinnelsen å tilveiebringe et filter som er meget motstandsdyktig mot tilstopping av sand eller annet partikkelformet stoff.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

Formålene med foreliggende oppfinnelse oppnås ved en kombinert filtersammenstilling, omfattende et støttelegeme, et på støttelegemet anordnet, filter og en kappe som omfatter en indre og en ytre flate som danner definerte strøm-ningsbaner med ender som avgrenses av en innløpsåpning i den ytre flate og en utløpsåpning i den indre flate, idet hver strømningsbane strekker seg fra en åpning i den ytre flate og videre omfatter en flerhet av strukturelt atskilte baner som forløper fra åpningen i den ytre flate til en flerhet av åpningene i den indre flate, idet de definerte strømningsbaner reduserer strømningshastighet og, i kraft av utformingen av strømningsbaner, reorienterer retningen av vesentlig hele strøm-ningen gjennom innløpsåpninger for derved å redusere erosjonsvirkninger på filtersammenstillingen, kjennetegnet ved at kappen er adskilt fra filteret for å danne et ringformet rom mellom dem og at den ytre overflate av kappen med hensyn til de stansede steder, har en glatt sylindrisk overflate.

Foretrukne utførelsesformer av den kombinerte filtersammenstillingen er videre utdypet i kravene 2 til og med 5.

Det er omtalt et filter som kombinerer et vevet trådnett over et støtte-legeme. Støttelegemet er typisk et perforert metallrør som tilveiebringer fluidkommunikasjon mellom brønnhullet og produksjonsutstyrsstrengen. Den vevede trådnetting oppnår fire vesentlige hensikter. For det første virker den som et filter for å forhindre innstrømning av sandpartikler. For det annet tilveiebringer den åpninger som er orientert i forskjellige vinkler i forhold til dens overflate, slik at noe areal er tilgjengelig for fluidinngang selv når partikkelformet stoff er avsatt på overflaten over en åpning. For det tredje tilveiebringer trådnettet indre kanaler som tillater fluid å bevege seg fra et sted på trådnettoverflaten til et annet sted over en åpning inn i støttelegemet. Det andre og det tredje trekk øker det effektive åpne overflateareal av trådnettet til mer enn 30% av dets totale overflate, sammenlignet med typiske grenser på 3 - 6% for tidligere kjente trådnett-omslagsfiltere. For det fjerde tilveiebringer trådnettet ikke åpninger som går «rett gjennom» ved at fluidet tving es til å foreta flere retningsendringer for å passere gjennom trådnettet. Denne egenskap reduserer fluidets energi og øker trådnettets erosjonsmotstand.

For ytterligere å øke erosjons- og sammenfallingsmotstanden av trådnettet kan en trådviklingskappe anbringes mellom trådnettet og støttelegemet. Denne

kappe vil understøtte trådnettet over stedene med perforasjoner i støttelegemet og øker ytterligere skademotstandsevnen for trådnettet ved å forhindre svake punkter hvor der ikke er noen direkte understøttelse og hvor fluidstrømmen er den høyes-te.

En ytterligere kurvflettingskappe kan også anordnes for både å beskytte trådnettet under innføring i borehullet og å presse fluidet gjennom ytterligere retningsendringer, slik at strømningsenergien reduseres ytterligere og filterets erosjonsmotstand økes.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Fig. 1 er et sideriss med avdekkede deler av en utførelsesform av trådnett-filtreringssystemet.

Fig. 2A er en utførelsesform av den indre tråd-viklingskappe.

Fig. 2B er et tverrsnittsriss av den indre trådviklingskappe avbildet i fig. 2A. Fig. 3A er et tverrsnittsriss av en utførelsesform av det vevede trådnettlag. Fig. 3B er et planriss av utførelsesformen av det vevede trådnettlag som er avbildet i fig. 3A. Fig. 3C er et sideriss av utførelsesformen av det vevede trådnettlag avbildet i fig. 3A. Fig. 4A er et tverrsnittsriss av en tidligere kjent trådnettduk med kvadratiske masker. Fig. 4B er et planriss av den tidligere kjente trådnettduk med firkantede masker avbildet i fig. 4A.

Fig. 5A er en utførelsesform av den ytre beskyttende kappe.

Fig. 5B er et tverrsnittsriss av utførelsesformen av den ytre beskyttende kappe avbildet i fig. 5A.

DETALJERT BESKRIVELSE AV DEN FORETRUKNE UTFØRELSESFORM

Med henvisning til fig. 1 vises en utførelsesform av trådnettfilteret. Trådnett-filtreringssystemet omfatter et støttelegeme 10, for eksempel typisk et perforert rør, en indre trådviklingskappe 12, et vevet trådnettlag 14, og en beskyttelseskap-pe, som for eksempel den kurvflettede kappe 16. Den indre trådviklingskappe 12 danner en sylinder som er koaksial med og tett viklet omkring støttelegemet 10.

Med henvisning til fig. 2A-B er den indre trådviklingskappe 12 viklet slik at der er åpninger 18 mellom viklingene 20 hvorigjennom fluid kan strømme. Størrel-sen av åpningene 18 er hovedsakelig ensartet. Den indre trådviklingskappe 12 er foretrukket fremstilt av rund tråd, slik at åpningene mellom viklingene 20 inn-ganger 22 som er større enn åpningene 18.

Med henvisning på nytt til fig. 1 er det vevede trådnettlag 14 tilpasset over og i mekanisk kontakt med den indre trådviklingskappe 12. Med henvisning til fig. 3A-C er det vist en «vevet trådnetting» med såkalt «hollandsk» tvillvevning, foretrukket for anvendelse som det vevede trådnettlag 14. Som vist i fig. 1 tillater an-bringelse av det vevede trådnettlag 14 over den indre trådviklingskappe 12 at den indre trådviklingskappe 12 understøtter det vevede trådnettlag 14 i områdene over perforasjonshullene 11 i støttelegemet 10, slik at skademotstandsevnen for det vevede trådnettlag 14 mot erosjon og sammenfalling forbedres.

Med fornyet henvisning til fig. 3A-C kan fluid strømme fra den ytre overflate 24 av det vevede trådnettlag 14 til den indre overflate 26 av det vevede trådnettlag 14 bare ved å strømme i en bane som for eksempel strømningsbanen 28 som ikke er perpendikulær til den ytre overflate 24 eller den indre overflate 26. Den «hollandske» tvillvevning er derfor tilstoppingsresistent på grunn av at en partikkel 30 som blir liggende på den ytre overflate 24 ikke vil forhindre strømning omkring partikkelen inn i strømningsbanen 28. Dette trekk tillater fin filtrering av fluidet mens et stort effektivt åpent areal i filteret bibeholdes.

I motsetning til dette er det i fig. 4A-B vist en standard trådnettduk med kvadratiske masker. Åpningene 32 i de kvadratiske masker vil oppfange partikler 34 med plassering, slik at der ikke vil bli noen strøm gjennom en tilstoppet åpning. Når først en åpning i en trådnettduk med kvadratiske åpninger er tilstoppet på denne måte blir det tilgjengelige totale tilgjengelige filterareal redusert med stør-relsen av den tilstoppede åpning. Som med en åpning av en hvilken som helst størrelse vil partikler mindre enn åpningsstørrelsen («fine partikler») normalt passere gjennom trådnettduken. I tilfellet av en trådnettduk med kvadratiske masker hvor en stor partikkel blokkerer en maskeåpning er imidlertid de fine partikler ikke i stand til å nå åpningen og etter som fler av maskeåpningene blokkeres av de sto re partikler vil de fine og store partikler bygge seg opp på overflaten av trådnettet og danne en «filterkake». De fine partikler kan fylle åpningene mellom de større partikler, slik at kaken vil ha lav porøsitet og gjennomstrømningen vil bli blokkert.

De alternative strømningsbaner som er tilgjengelige i den vevede trådnetting med «hollandsk» tvillvevning hjelper til med å bekjempe denne type av tilstopping, på grunn av at selv store partikler vil bli liggende på overflaten, mens fine partikler kan strømme omkring de store partikler og inn i trådnettet med den «hollandske» tvillvevning. Filterkaken vil således ha tendens til primært å bestå av store partikler og vil ha høy porøsitet på grunn av at mellomrommene mellom de store partikler kan forbli åpne.

Me fornyet henvisning til fig. 3A-C vil trådnettet med «hollandsk» tvillvevning ytterligere skape strømningskanaler 36 som er hovedsakelig parallelle med den indre overflate 26. Hvis således en del av den indre overflate 26 blokkeres som for eksempel ved kontakt med en av viklingene 20 i den indre trådviklingskappe 12 i fig. 2A-B kan fluid bevege seg langs strømningskanalene 36 til en po-sisjon hvor fluidet kan strømme ut av den indre overflate 26. Det foretrekkes derfor at det vevede trådnettlag 14 er orientert slik at dets strømningskanaler 36 ikke er parallelle med viklingene 20 i den indre trådviklingskappe 12, slik at strømnings-kanalene 36 tillates å føre fluid fra et punkt hvor strømningen er blokkert til et punkt hvor strømningen kan nå en av åpningene 18 i den indre trådviklingskappe 12. På grunn av dens evner til å tillate strømning selv med partikler avsatt på sin overflate og å tilveiebringe strømningskanaler inne i trådnettet vil trådnettet med «hollandsk» tvillvevning i samsvar med den foreliggende oppfinnelse tillate at filteret har et effektivt åpent overflateareal på mere enn 30% av sitt totale overflateareal.

Med fornyet henvisning til fig. 1 er den kurvflettede kappe 16 konsentrisk med støttelegemet 10, den indre trådviklingskappe 12 og det vevede trådnettlag 14. Kurvflettingskappen 16 tilveiebringer et skjold for å beskytte det vevede trådnettlag 14 under innføring av filteret i borehullet. Ytterligere, med henvisning til fig. 5A-B vil kurvflettingskappen 16 tillate fluid å strømme gjennom åpningene 37 inn i det ringformede rom 38 mellom kurvflettingskappen 16 og det vevede trådnettlag 14 kun ved å utføre minst en endring i strømningsbanen 40. Kurvflettingskappen

16 vil således hjelpe til med å redusere strømningsenergien og forbedrer filterets erosjonsmotstand. Ved å endre strømningsretningen på denne måte kan fluid også tillates å feie over overflaten av det vevede trådnettlag 14, slik at tendensen til at partikler blir innleiret på den ytre overflate 24 av det vevede trådnettlag 14 reduseres og partikler som har avsatt seg der eventuelt rives løs. Som avbildet i fig. 5A er åpningene 37 i kurvflettingskappen 16 foretrukket innrettet på linje hovedsakelig langs lengdeaksen av trådnettfilteret, slik at sannsynligheten for at par-tikkeloppsamling i åpningene 37 under innsettingen i en borebrønn reduseres.

For å vise den forbedrede yteevne for trådnettingen med den «hollandske» tvillvevning i forhold til standard trådnettfiltere med kvadratiske masker ble prøver gjennomført i en Hassler-celle under anvendelse av filterprøver med diameter 3,25 cm. Forsøkene anvendte en strømningstakt på 500 ml/min av 300 ppm «SAE Coarse Test Dust» og ble avsluttet når innløpstrykket nådde 7 kg/cm<2>. To slike forsøk ble gjennomført: (I) ved sammenligning av 74 trådnett med 80 mikrometers kvadratiske masker med «hollandsk» «tvillvevning» med 80 mikrometer maskevidde; og (II) sammenligning av trådnettduk med 104 mikrometer kvadratisk maskevidde med «hollandsk» tvillvevet duk med maskevidde 110 mikrometer. På grunn av at den «hollandske» tvillvevning ikke tilveiebringer et lett målbart kvadratisk hull var mikrometerstørrelsene av filterne med «hollandsk» tvillvevning bestemt anslagsvis.

Forsøksresultatene er vist grafisk i diagrammer l-ll tilsvarende forsøkene I henholdsvis II. I begge forsøk viste den «hollandske» tvillvevning mye bedre resul-tater enn den kvadratiske vevning, ikke bare med hensyn til å motstå trykkøkning (tilstopping) i lengere perioder, men også ved å vise en saktere takt for trykkøk-ning når først tilstoppingen begynte og dette viste den høyere porøsitet i filterkaken på overflaten av den «hollandske» tvillvevning. Ytterligere fremviser trykkøk-ningskurven for den «hollandske» tvillvevning «takkete» trinn som tyder på en opptreden i samsvar med at fine partikler tvinges gjennom og spyles ut av mellomrommene mellom store partikler i den oppsamlede filterkake på grunn av det opp-bygde trykk. Denne virkning er mer uttalt for de større maskestørrelser (grafisk fremstilling II) enn forde mindre maskestørrelser (grafisk fremstilling I), et resultat som er i samsvar med de større maskers evne til å la «fine» partikler passere og derved bryte opp større «floker» av partikler. Disse forsøk viser den overlegne kvalitet av den «hollandske» tvillvevning i disse maskestørrelser for filteranvendel-ser av denne type.

Claims (5)

1. Kombinert filtersammenstilling, omfattende et støttelegeme (10), et på støt-telegemet anordnet, filter (14) og en kappe (16) som omfatter en indre og en ytre flate som danner definerte strømningsbaner med ender som avgrenses av en inn-løpsåpning i den ytre flate og en utløpsåpning i den indre flate, idet hver strøm-ningsbane strekker seg fra en åpning i den ytre flate og videre omfatter en flerhet av strukturelt atskilte baner som forløper fra åpningen i den ytre flate til en flerhet av åpningene i den indre flate, idet de definerte strømningsbaner reduserer strømningshastighet og, i kraft av utformingen av strømningsbaner, reorienterer retningen av vesentlig hele strømningen gjennom innløpsåpninger for derved å redusere erosjonsvirkninger på filtersammenstillingen,karakterisert vedat kappen (16) er adskilt fra filteret (14) for å danne et ringformet rom mellom dem og at den ytre overflate av kappen (16) med hensyn til de stansede steder, har en glatt sylindrisk overflate.

2. Kombinert filtersammenstilling ifølge krav 1, karakterisert vedat filteret (14) omfatter et vevd trådnettlag som er montert på støttelegemet (10), og som omfatter en vevnad av tråder som danner en indre og ytre flate og en flerhet av baner som løper mellom nevnte flater og generelt parallelt med disse, idet vevnaden er utformet slik at åpninger som starter ved den ytre flate er forskjøvet fra utløp på den indre flate.

3. Kombinert filtersammenstilling ifølge krav 2, karakterisert vedat det vevde trådnettlag omfatter en vevnad av tråder som danner en indre og en ytre flate (26, 24) og en flerhet av baner (38) som lø-per mellom og generelt parallelt med nevnte flater, med et første sett av hellende passasjer som forløper fra banene til de indre flatene, og med et andre sett av hellende passasjer som forløper fra banen til den ytre flaten.

4. Kombinert filtersammenstilling ifølge krav 1, karakterisert vedat den videre omfatter et vevd trådnettlag (14) som er montert på støttelegemet (10), og som videre omfatter en ytre flate (24) og en ind re flate (26), slik at fluid kan strømme fra den ytre flate til den indre flate i en bane (28) som ikke er hovedsakelig perpendikulær til den ytre flate eller den indre flate.

5. Kombinert filtersammenstilling ifølge krav 2, karakterisert vedat den videre omfatter en indre, trådviklet kappe som er montert på støttelegemet og anbrakt mellom støttelegemet og det vevde trådnettlag.