RU2190758C2

RU2190758C2 - Well strainer

Info

Publication number: RU2190758C2
Application number: RU2000127955/03A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Коршунов; В.А. Машков; В.М. Щапин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью совместное предприятие "Акселсон-Кубань"
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2000-11-08
Publication date: 2002-10-10

Abstract

FIELD: construction and operation of oil and gas wells, containment of mechanical impurities and filtration of formation fluid. SUBSTANCE: proposed well strainer comprises body with perforation holes, filtering jacket formed by turns of wire put of longitudinal bars-stringers, enclosure forming chamber jointly with body hydraulically coupled through perforation holes to axial conduit. Enclosure comes in the form of sectional elements placed beneath turns of filtering jacket. Sectional elements have shape of semi-cylinder, triangle or trapezium and are positioned with clearance with reference to turns of wire. EFFECT: simplified design, raised porosity. 1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к строительству и эксплуатации нефтяных и газовых скважин, продуктивные пласты которых склонны к пескопроявлению, а именно к устройствам для удержания механических примесей и фильтрации пластового флюида. The invention relates to the construction and operation of oil and gas wells, productive formations of which are prone to sand, and in particular to devices for retaining mechanical impurities and filtering formation fluid.

Анализ существующего уровня техники в данной области показал следующее. Analysis of the current level of technology in this field showed the following.

Известен каркасно-проволочный фильтр, состоящий из перфорированного трубного каркаса, на котором с внешней стороны установлены и закреплены с определенным шагом металлические продольные стержни. На последних выполнена с определенным шагом винтовая спиральная канавка, в которой закреплены витки обмоточной проволоки с образованием между ними щелевого зазора расчетного размера. Витки обмоточной проволоки в месте контакта с продольными стержнями связаны с ними посредством контактной сварки. Перфорационные отверстия в трубном каркасе выполнены в пазах между продольными стержнями равномерно по всей длине [1]. A wire-frame filter is known, consisting of a perforated tube frame, on which metal longitudinal rods are mounted and fixed at a certain step from the outside. On the latter, a helical spiral groove is made with a certain step, in which the coils of the winding wire are fixed with the formation of a gap between them of the calculated size. The turns of the winding wire in contact with the longitudinal rods are connected with them by resistance welding. Perforation holes in the tube frame are made in the grooves between the longitudinal rods evenly over the entire length [1].

Недостатком конструкции каркасно-проволочного фильтра, помимо сложной технологии изготовления, является также несовершенство в гидродинамике. Оно заключается в том, что в процессе фильтрации пластового флюида через фильтрующую поверхность повышенные скорости фильтрации имеют место в районе расположения перфорационных отверстий на каркасе с соответствующим увеличением абразивного износа витков обмоточной проволоки в этих местах, вплоть до ее обрыва. В результате чего фильтр не может выполнять свою функцию - надежное удержание механических частиц в зоне продуктивного пласта. The design drawback of the wire-frame filter, in addition to the complex manufacturing technology, is also an imperfection in hydrodynamics. It consists in the fact that during the filtration of the formation fluid through the filter surface, increased filtration rates occur in the area of the perforation holes on the frame with a corresponding increase in the abrasive wear of the turns of the winding wire in these places, up to its breakage. As a result, the filter cannot fulfill its function - reliable retention of mechanical particles in the zone of the reservoir.

При таком расположении перфорационных отверстий на каркасе, в режиме фильтрации пластового флюида находится только зона фильтрующей поверхности, прилегающая к перфорационному отверстию, т.е. тем самым искусственно снижается скважность фильтра. With this arrangement of perforation holes on the frame, in the mode of filtering the formation fluid, there is only a zone of the filtering surface adjacent to the perforation hole, i.e. thereby artificially reduced filter duty.

Для снижения негативного влияния эрозионного воздействия газожидкостного потока с механическими частицами на витки фильтрующей обмотки обычно увеличивают количество перфорационных отверстий на каркасе. Но это количество не может быть достаточно большим, поскольку каркас должен выдерживать осевые растягивающие и сжимающие нагрузки, внешнее воздействие избыточного давления, в случае кольматации фильтра. To reduce the negative impact of the erosive effect of the gas-liquid flow with mechanical particles on the turns of the filter winding, the number of perforation holes on the frame is usually increased. But this amount cannot be large enough, since the frame must withstand axial tensile and compressive loads, external pressure, in the case of filter clogging.

Известна конструкция скважинного фильтра, включающая перфорированный трубный каркас с фильтрующей оболочкой в виде витков обмоточной проволоки, навитых на продольные стержни с переменным шагом. В средней части фильтра установлена уравновешивающая глухая вставка, по длине превышающая длину скважинного насоса, причем скважность фильтрующей оболочки, над и под глухой вставкой, принята равной скважности, площади перфорационных отверстий на трубном каркасе [2]. A well-known design of the downhole filter, including a perforated tube frame with a filter sheath in the form of turns of a winding wire, wound on longitudinal rods with a variable pitch. In the middle part of the filter, a balancing blank insert is installed that is longer than the length of the downhole pump, and the duty cycle of the filter shell, above and below the blank insert, is assumed to be equal to the duty cycle, the area of the perforation holes on the tube frame [2].

Недостатком конструкции является следующее. The disadvantage of the design is the following.

Наличие перфорационных отверстий по длине каркаса под фильтрующей оболочкой (как и в предыдущем случае) приводит к увеличению скорости фильтрации пластового флюида от среднего значения и, как следствие, повышенному эрозионному износу при воздействии газожидкостного потока, содержащего механические частицы на витки обмоточной проволоки фильтрующей оболочки. The presence of perforations along the length of the frame under the filter shell (as in the previous case) leads to an increase in the rate of filtration of the formation fluid from the average value and, as a result, increased erosion wear when exposed to a gas-liquid stream containing mechanical particles on the turns of the winding wire of the filter shell.

Наличие зоны, перекрытой глухой вставкой, не влияет на повышение эксплуатационных характеристик устройства. The presence of a zone covered by a blank insert does not affect the improvement of the operational characteristics of the device.

Известна конструкция фильтра для горизонтальной скважины, представляющая собой трубный каркас с продольными пазами по периметру. На внешней стороне трубного каркаса сделана винтовая нарезка с расчетным шагом, в которой установлена обмоточная проволока, формирующая фильтрующую оболочку в виде отдельных секций, разделенных кольцевыми проточками, перекрытыми с внешней стороны непроницаемыми кольцевыми перегородками-кожухами, опирающимися на конечные витки фильтрующей оболочки соседних секций. Перфорационные отверстия в трубном каркасе выполнены под кольцевыми кожухами-перегородками и снабжены непроницаемыми пробками. A known filter design for a horizontal well, which is a tube frame with longitudinal grooves around the perimeter. On the outside of the tube cage, a screw thread was made with a calculated step, in which a winding wire was installed, forming a filter sheath in the form of separate sections, separated by annular grooves, closed from the outside by impermeable annular partition walls-casings, resting on the end turns of the filter shell of neighboring sections. Perforation holes in the tube frame are made under the annular casings, partitions and equipped with impermeable plugs.

Длина каждого участка между кожухами на фильтрующей оболочке выбирается из условия неразрывности потока - равенства площади сечения продольных пазов между стрингерами, площади сечения перфорационных отверстий в трубном каркасе под кожухом, площади сечения щелей фильтрующей оболочки. The length of each section between the housings on the filter shell is selected from the condition of continuity of flow - equality of the cross-sectional area of the longitudinal grooves between the stringers, the cross-sectional area of the perforations in the tube frame under the casing, the cross-sectional area of the slots of the filter shell.

Длина фильтрующей оболочки выбирается исходя из конкретных условий эксплуатации, в том числе фракционного состава механических частиц, слагаемых пласт и выносимых из продуктивного пласта при добыче пластового флюида. The length of the filter shell is selected based on specific operating conditions, including the fractional composition of mechanical particles composing the reservoir and removed from the reservoir during the production of reservoir fluid.

При добыче пластового флюида и удержания механических частиц на поверхности фильтрующей оболочки происходит формирование гравийной набивки и увеличение перепада давления, что необходимо учитывать при проектировании фильтра. When producing reservoir fluid and retaining mechanical particles on the surface of the filtering shell, gravel packing is formed and the pressure drop increases, which must be taken into account when designing the filter.

Недостатком конструкции щелевого фильтра является перекрытие непроницаемыми кожухами участков фильтра, под которыми выполнены перфорационные отверстия в каркасе, выключает часть площади фильтра из режима фильтрации, что снижает эффективность работы, особенно в скважинах с малым интервалом перфорации и достаточно большим дебитом, поскольку увеличивается скорость фильтрации и увеличивается эрозионный износ витков проволоки фильтрующей оболочки [3]. The drawback of the design of the slotted filter is the overlapping by impermeable covers of the filter sections, under which the perforations in the frame are made, turns off part of the filter area from the filtration mode, which reduces the working efficiency, especially in wells with a short perforation interval and a sufficiently large flow rate, since the filtration rate increases and increases erosive wear of the turns of the wire of the filter shell [3].

Известен скважинный фильтр. Он состоит из корпуса с перфорационными отверстиями. На корпусе установлена фильтрующая оболочка, сформированная витками обмоточной проволоки на продольных стержнях-стрингерах. Торцевая поверхность фильтрующего элемента жестко закреплена кольцевым бандажом на корпусе. Устройство снабжено кожухом, образующим с корпусом циркуляционную камеру, гидравлически связанную перфорационными отверстиями с осевым каналом, с размещенной в ней перекрывающей втулкой с радиальными отверстиями и упорными элементами. Одна часть упорных элементов установлена в радиальных отверстиях втулки, другая - в циркуляционных отверстиях корпуса. Кожух и втулка соединены срезными элементами. Сообщение внутритрубного и межтрубного пространства скважины осуществляется продольным перемещением втулки путем подачи избыточного давления в межтрубное пространство скважины [4]. Known downhole filter. It consists of a housing with perforations. A filter shell formed by turns of a winding wire on longitudinal stringer rods is installed on the housing. The end surface of the filter element is rigidly fixed with an annular bandage on the housing. The device is equipped with a casing, which forms a circulation chamber with the housing, hydraulically connected by perforations with an axial channel, with an overlapping sleeve placed in it with radial holes and thrust elements. One part of the thrust elements is installed in the radial holes of the sleeve, the other in the circulation holes of the housing. The casing and the sleeve are connected by shear elements. Communication of the annular and annular space of the well is carried out by the longitudinal movement of the sleeve by supplying excess pressure to the annular space of the well [4].

Недостатком конструкции скважинного фильтра является открытие гидродинамической связи между полостью скважины и лифтовой колонной путем создания избыточного давления в межтрубном пространстве, что возможно лишь при отсутствии пакера, перекрывающего кольцевой зазор над фильтром. Возврат втулки в исходное положение для прекращения гидродинамической связи межтрубного и внутритрубного пространства более чем проблематичен, поскольку сложно создать избыточное давление в осевом канале лифтовой колонны, достаточное, чтобы осуществить перемещение втулки при наличии песка в кольцевой камере и существовании расхода рабочей жидкости через перфорационные отверстия в межтрубное пространство. Выполнение перфорационных отверстий в фильтре-каркасе под непроницаемыми для пластового флюида кожухами улучшает гидродинамические характеристики, но, как и в предыдущем случае, часть длины секции фильтра выключена из режима фильтрации, что снижает скважность фильтра на единицу длины. The drawback of the design of the downhole filter is the opening of a hydrodynamic connection between the well cavity and the lift string by creating excess pressure in the annulus, which is possible only in the absence of a packer that covers the annular gap above the filter. Returning the sleeve to its original position to stop the hydrodynamic connection between the annulus and the annulus is more than problematic, since it is difficult to create an excess pressure in the axial channel of the elevator column that is sufficient to move the sleeve in the presence of sand in the annular chamber and the existence of a flow of working fluid through the perforations in the annulus space. The implementation of the perforation holes in the filter frame under the enclosures impermeable to the formation fluid improves the hydrodynamic characteristics, but, as in the previous case, part of the length of the filter section is turned off from the filtration mode, which reduces the filter duty cycle per unit length.

При достаточно большой мощности продуктивного пласта необходимо применение нескольких секций фильтра, что подразумевает для создания устойчивой гидродинамической связи открытие перфорационных отверстий одновременно на всех секциях, что сделать практически невозможно, поскольку при открытии даже одного ряда перфорационных отверстий произойдет падение давления в затрубном пространстве, что затруднит или даже сделает невозможным образование гидродинамической связи на последующих секциях фильтра. With a sufficiently large capacity of the reservoir, it is necessary to use several sections of the filter, which implies opening perforations at all sections simultaneously to create a stable hydrodynamic connection, which is practically impossible, since opening even one row of perforations will cause a pressure drop in the annulus, which will make it difficult or even makes it impossible to form a hydrodynamic bond in subsequent sections of the filter.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции, увеличение скважности. The objective of the present invention is to simplify the design, increase the duty cycle.

Сущность изобретения заключается в том, что в скважинном фильтре, состоящем из корпуса с перфорационными отверстиями, фильтрующей оболочки, сформированной витками обмоточной проволоки на продольных стержнях-стрингерах, кожуха, образующего с корпусом камеру, гидравлически связанную перфорационными отверстиями с осевым каналом, согласно изобретению кожух выполнен в виде отдельных составных элементов, установленных между стрингерами или в виде полуколец, охватывающих корпус. При этом составные элементы установлены под витками фильтрующей оболочки. При этом составные элементы кожуха выполнены в сечении в виде полуцилиндра, треугольника (треугольной формы) или трапеции (трапецеидальной формы) и установлены с зазором относительно витков обмоточной проволоки. The essence of the invention lies in the fact that in the downhole filter, consisting of a housing with perforation holes, a filter shell formed by turns of a winding wire on longitudinal rod-stringers, a casing forming a chamber with the casing, hydraulically connected by perforation holes with an axial channel, according to the invention, the casing is made in the form of separate components installed between the stringers or in the form of half rings covering the body. In this case, the constituent elements are installed under the turns of the filter shell. In this case, the constituent elements of the casing are made in cross section in the form of a half cylinder, triangle (triangular shape) or trapezoid (trapezoidal shape) and are installed with a gap relative to the turns of the winding wire.

Формирование фильтрационного потока на фильтрующей оболочке осуществляется по всей длине секции с одинаковой скоростью фильтрации в каждом сечении, что повышает надежность работы за счет сведения к минимуму эрозионного износа, поскольку нет прямого фильтрационного потока в месте выполнения перфорационных отверстий на трубном каркасе. The formation of the filtration flow on the filter shell is carried out along the entire length of the section with the same filtration rate in each section, which increases the reliability by minimizing erosion wear, since there is no direct filtration flow at the place of perforation holes on the tube frame.

Технический результат достигается с помощью выполнения на трубном каркасе перфорационных отверстий между стрингерами, которые перекрыты глухими непроницаемыми перегородками, например в виде половины полого цилиндра, и установлены таким образом, что витки обмоточной проволоки располагаются с внешней стороны. The technical result is achieved by performing perforations on the tube frame between the stringers, which are blocked by blind impenetrable partitions, for example, in the form of a half hollow cylinder, and are installed in such a way that the turns of the winding wire are located on the outside.

Расположение перфорационных отверстий под глухими непроницаемыми перегородками-кожухами и наличие фильтрующей оболочки над ними с одной стороны исключает прямой фильтрационный поток, а с другой - увеличивает суммарную площадь фильтрации на единицу длины секции фильтра. Анализ изобретательского уровня показал следующее. The location of the perforations under the blind impermeable partitions-casings and the presence of a filter shell above them exclude direct filtration flow on the one hand and, on the other hand, increase the total filtration area per unit length of the filter section. An analysis of the inventive step showed the following.

Иизвестно техническое решение, направленное на обеспечение формирования структуры потока за счет перекрытия перфорационных отверстий в трубном каркасе непроницаемыми перегородками, устанавливаемыми на фильтрующей оболочке. Однако в этом случае часть длины трубного каркаса не участвует в процессе фильтрации. A technical solution is known aimed at ensuring the formation of a flow structure due to the overlapping of the perforation holes in the tube frame with impermeable partitions mounted on the filter sheath. However, in this case, part of the length of the tube frame is not involved in the filtering process.

Не выявлено техническое решение установки и расположения непроницаемых перегородок-кожухов над перфорационными отверстиями под витками обмоточной проволоки. No technical solution was found for the installation and location of impermeable partitions-casings above the perforations under the turns of the winding wire.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что предлагаемое изобретение обладает изобретательским уровнем. Based on the foregoing, we can conclude that the invention has an inventive step.

Конструкция скважинного фильтра поясняется нижеследующими чертежами, где на фиг. 1 показана в разрезе секция фильтра, на фиг.2 - разрез продольный в месте расположения кожуха, на фиг.3 - поперечный разрез секции фильтра с кожухом в виде полуколец, на фиг.4 - поперечный разрез секции фильтра. The design of the downhole filter is illustrated by the following drawings, where in FIG. 1 shows a section of the filter section, FIG. 2 is a longitudinal section at the location of the casing, FIG. 3 is a cross section of the filter section with the casing in the form of half rings, and FIG. 4 is a cross section of the filter section.

Скважинный фильтр состоит из трубного каркаса 1 с продольными пазами 2 на внешней поверхности. На стрингерах 3 выполнена винтовая нарезка, в которую уложены витки обмоточной проволоки 4 специального профиля с образованием фильтрующей оболочки. В теле трубного каркаса 1 внутри продольных пазов 2 на расчетном расстоянии от муфты 5 выполнены перфорационные отверстия 6, перекрытые в исходном положении глухими, непроницаемыми перегородками-кожухами 7. Расстояние между соседними рядами перфорационных отверстий 6 выбирается из условия равенства площади сечения винтовой фильтрующей щели, на этом участке площади сечения продольных пазов 2 и площади сечения перфорационных отверстий 6 под кожухами 7. Нижний конец проволоки винтовой спиральной обмотки 4 заделан в отверстие 8 трубного каркаса 1 и защищен бандажом 9. The downhole filter consists of a tube frame 1 with longitudinal grooves 2 on the outer surface. On the stringers 3, a screw thread is made in which the turns of the winding wire 4 of a special profile are laid with the formation of a filter sheath. In the body of the tube cage 1, inside the longitudinal grooves 2, perforations 6 are made at the calculated distance from the sleeve 5, blocked in the initial position by blind, impermeable partitions-casings 7. The distance between adjacent rows of perforation holes 6 is selected from the condition that the cross-sectional area of the screw filter slit is equal, at this section of the cross-sectional area of the longitudinal grooves 2 and the cross-sectional area of the perforations 6 under the covers 7. The lower end of the wire of the helical spiral winding 4 is embedded in the hole 8 of the tube frame and 1 and 9 is protected by the shroud.

Составные элементы кожуха выполнены в виде полуцилиндра треугольной или трапецеидальной формы. The constituent elements of the casing are made in the form of a half-cylinder of a triangular or trapezoidal shape.

Работа скважинного фильтра. Well filter operation.

В зависимости от условий эксплуатации продуктивного пласта, а именно дебита, фракционного состава механических частиц, вязкости, обводненности и т. п. , осуществляют подбор количества секций, их диаметр, размер фильтрующей щели. Depending on the operating conditions of the reservoir, namely flow rate, fractional composition of mechanical particles, viscosity, water cut, etc., the number of sections, their diameter, and the size of the filtering gap are selected.

Компоновка внутрискважинного противопесочного оборудования спускается в скважину на необходимую глубину. Осуществляют монтаж устьевого оборудования и запуск скважины. При этом пластовый флюид с механическими примесями проходит через щели в фильтрующей оболочке (фиг.2) и поступает в продольные пазы 2 трубного каркаса 1, по которым транспортируется к перфорационным отверстиям 6, перекрытым кожухами 7, и далее в осевой канал лифтовой колонны труб. Благодаря наличию кожухов 7 под фильтрующей оболочкой фильтрация пластового флюида происходит и над ними с обтеканием кожухов 7 и попадания в продольные пазы 2 и далее через перфорационные отверстия 6 в лифтовую колонну. The layout of downhole sand control equipment is lowered into the well to the required depth. Wellhead equipment is installed and a well is launched. In this case, the formation fluid with mechanical impurities passes through the slots in the filter shell (Fig. 2) and enters into the longitudinal grooves 2 of the tube frame 1, through which it is transported to the perforation holes 6 covered by the casings 7, and then into the axial channel of the pipe tubing string. Due to the presence of casings 7 under the filtering shell, the formation fluid is also filtered above them with the flow around the casings 7 and falling into the longitudinal grooves 2 and then through the perforations 6 in the lift column.

Фильтрация пластового флюида происходит с одинаковой скоростью по всей фильтрующей поверхности, что сводит к минимуму местный эрозионный износ витков обмоточной проволоки. Следует отметить, что скорость перемещения пластового флюида в продольных пазах 2 может несколько отличаться от скорости фильтрации в щелях фильтрующей оболочки в сторону увеличения, что приводит к эффекту самоочистки продольных пазов 2 от механических частиц, которые прошли внутрь фильтра с выносом их в осевой канал лифтовой колонны. Filtration of the formation fluid occurs at the same rate over the entire filtering surface, which minimizes local erosion wear of the turns of the winding wire. It should be noted that the velocity of the formation fluid in the longitudinal grooves 2 may slightly differ from the filtration rate in the slots of the filtering shell upwards, which leads to the effect of self-cleaning of the longitudinal grooves 2 from mechanical particles that have passed inside the filter with their removal into the axial channel of the lift column .

Источники информации
1. Гаврилко В. М. и др. Фильтры водозаборных, водопонизительных и гидрогеологических скважин, М. 1961, с. 92-93.Sources of information
1. Gavrilko V.M. et al. Filters for water intake, water-reducing and hydrogeological wells, M. 1961, p. 92-93.

2. Патент США 3958634. Мкл. Е 21 В 43/08, 1976. 2. US patent 3958634. Ml. E 21 B 43/08, 1976.

3. Конструкция фильтров горизонтальных скважин. Сборник научных трудов. Строительство газовых и газоконденсатных скважин. СевКавНИПИгаз. Москва, 1997, с. 14-18. 3. The design of filters horizontal wells. Collection of scientific papers. Construction of gas and gas condensate wells. SevKavNIPIgaz. Moscow, 1997, p. 14-18.

4. Патент РФ 2102585, Е 21 В 43/08, 1998 - прототип. 4. RF patent 2102585, E 21 V 43/08, 1998 - prototype.

Claims

1. A downhole filter, consisting of a housing with perforation holes, a filter shell formed by turns of a winding wire on longitudinal stringer rods, a casing forming a chamber hydraulically connected with perforation holes with an axial channel, characterized in that the casing is made in the form of constituent elements installed under the turns of the filter shell.

2. The downhole filter according to claim 1, characterized in that the constituent elements of the casing are made in the form of a half-cylinder of a triangular or trapezoidal shape and are installed with a gap relative to the turns of the winding wire.