RU2422622C2

RU2422622C2 - Filter for well fluid purification

Info

Publication number: RU2422622C2
Application number: RU2009135006/03A
Authority: RU
Inventors: Наталья Анатольевна Антипина (RU); Наталья Анатольевна Антипина; Сергей Николаевич Пещеренко (RU); Сергей Николаевич Пещеренко; Александр Исаакович Рабинович (RU); Александр Исаакович Рабинович; Анатолий Васильевич Сергиенко (RU); Анатолий Васильевич Сергиенко; Александр Леонидович Каплан (RU); Александр Леонидович Каплан
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Новомет-Пермь"
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2011-06-27

Abstract

FIELD: oil and gas production.

SUBSTANCE: filter for purification of well fluid from impurities consists of perforated tube with mechanical filter and of gravitation filter element connected to mechanical filter. The gravitation filter element consists of internal and external pipes installed concentrically and forming a circular gap between them. Also, at least one orifice for inlet of fluid flow is made in an upper portion of the external pipe. There is provided supply of fluid flow into the circular gap or into the internal pipe. The mechanical and gravitation filters are arranged so, as to let an incoming flow of fluid into only one of filters; while resistance of the gravitation filter element is at least 1.5 times higher, than resistance of the mechanical filter. A container collecting separated mechanical impurities is attached to a lower part of the gravitation filter element.

EFFECT: upgraded fine purification of produced fluid and increased service life of immersion unit.

5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для защиты УЭЦН от воздействия механических примесей: засорения и гидроабразивного износа.The invention relates to the oil industry and can be used to protect the ESP from the effects of mechanical impurities: clogging and waterjet wear.

Известен фильтр объемного действия, который монтируется на приеме насоса (патент РФ №2258131 C1, E21B 43/08, 2005). Он представляет собой цилиндрическую трубу с перфорированной боковой поверхностью, внутри которой вставлен цилиндрический фильтрующий элемент с внутренним коаксиальным отверстием. Фильтрующий элемент выполнен из пористого материала с порами, уменьшающимися в радиальном направлении от наружной поверхности к внутренней.Known filter volumetric action, which is mounted on the intake of the pump (RF patent No. 2258131 C1, E21B 43/08, 2005). It is a cylindrical pipe with a perforated side surface, inside which a cylindrical filter element with an internal coaxial hole is inserted. The filter element is made of porous material with pores decreasing radially from the outer surface to the inner one.

Недостатком известной конструкции является быстрая потеря проницаемости при засорении порового пространства механическими примесями в скважинах с высоким выносом пропанта и породы.A disadvantage of the known design is the rapid loss of permeability during clogging of the pore space with mechanical impurities in wells with high removal of proppant and rock.

Известно устройство скважинное пескозащитное, включающее в себя гравитационный сепаратор с контейнером для сбора механических примесей, снабженный байпасным клапаном и пакером (Якимов С., Афанасьев А., Шмонин П. Применение десендеров для защиты ЭЦИ на пластах Покурской свиты // Новатор. - 2009 г. - №27. - С.27-31). Гравитационный сепаратор представляет собой концентрично установленные трубы, образующие кольцевой зазор. Пластовая жидкость из скважины попадает во внутреннюю трубу, в которой поток ускоряется, разворачивается на 180 градусов и поднимается по кольцевому зазору. При развороте струи происходит сброс частиц песка в контейнер. Недостатком устройства является низкая степень сепарации частиц песка, а также то, что при заполнении контейнера гравитационного фильтра жидкость двигается через байпасный клапан и не осуществляется очистка от механических примесей.A well-known sandblasting device including a gravity separator with a container for collecting mechanical impurities, equipped with a bypass valve and a packer (Yakimov S., Afanasyev A., Shmonin P. The use of desenders to protect ECI on the layers of the Pokurskaya Formation // Novator. - 2009 . - No. 27. - P.27-31). The gravity separator is a concentrically mounted pipe forming an annular gap. The formation fluid from the well enters the inner pipe, in which the flow is accelerated, rotated 180 degrees and rises along the annular gap. When the jet is turned, sand particles are dumped into the container. The disadvantage of this device is the low degree of separation of sand particles, as well as the fact that when the gravity filter container is filled, the fluid moves through the bypass valve and no mechanical impurities are removed.

В последнее время для очистки скважинной жидкости широко применяются щелевые фильтры различных конструкций, в которых фильтрация происходит на поверхности фильтра, а не в его объеме. Известен спирально-щелевой фильтр скважинного глубинного насоса (патент РФ №56947 U1, E21B 43/08, 2006), имеющий цилиндрический корпус, в боковой поверхности которого выполнены сквозные отверстия. Снаружи корпуса размещен спирально-щелевой фильтрующий элемент. Геометрия фильтрующего элемента подобрана так, что механические частицы, прижимаемые потоком жидкости к щели фильтрующего элемента, опираются на две острые кромки щели фильтра. При двух точках опоры частицы не могут находиться в состоянии устойчивого равновесия, поэтому не накапливаются на фильтрующей поверхности.Recently, slotted filters of various designs are widely used to clean wellbore fluids, in which filtration occurs on the surface of the filter, and not in its volume. Known spiral slotted filter of a downhole well pump (RF patent No. 56947 U1, E21B 43/08, 2006) having a cylindrical body, through holes are made in the side surface of which. Outside the casing there is a spiral-slotted filter element. The geometry of the filter element is selected so that the mechanical particles pressed by the fluid flow to the slit of the filter element rest on two sharp edges of the filter slit. At two points of support, the particles cannot be in a state of stable equilibrium; therefore, they do not accumulate on the filtering surface.

Однако из-за присутствия в нефтяных скважинах солей, отлагающихся на погружном оборудовании, в том числе и на фильтрующих поверхностях, щелевые фильтры также засоряются.However, due to the presence in the oil wells of salts deposited on submersible equipment, including filter surfaces, slotted filters are also clogged.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является фильтр для очистки скважинной жидкости от примесей, содержащий механический и присоединенный к нему гравитационный фильтрующий элемент, в нижней части которого закреплен контейнер для сбора отделенных механический примесей (патент РФ №51096 U1, E21B 43/08, 2006). Гравитационный фильтрующий элемент выполнен в виде концентрически расположенных наружной, внутренней и промежуточной труб, наружная и внутренняя трубы заглушены снизу, промежуточная труба заглушена сверху конусом, наружная труба снабжена входными патрубками для ввода потока в центр промежуточной трубы, в пространстве между внутренней и наружной трубой расположены прямые и обратные конусы. Механический фильтр представляет собой фильтрующую сетку.The closest in technical essence to the claimed device is a filter for cleaning well fluid from impurities, containing a mechanical and gravitational filter element attached to it, in the lower part of which is fixed a container for collecting separated mechanical impurities (RF patent No. 51096 U1, E21B 43/08, 2006). The gravity filter element is made in the form of concentrically arranged outer, inner and intermediate pipes, the outer and inner pipes are muffled from below, the intermediate pipe is muffled from above by a cone, the outer pipe is equipped with inlet pipes for the flow into the center of the intermediate pipe, in the space between the inner and outer pipes there are straight and reverse cones. The mechanical filter is a filter mesh.

Недостатком устройства является ограниченный ресурс работы, так как при засорении механического фильтра подача потока жидкости на прием насоса прекращается.The disadvantage of this device is the limited service life, since when the mechanical filter is clogged, the flow of fluid to the pump intake stops.

Техническим преимуществом предлагаемого фильтра для очистки скважинной жидкости является исключение возможности отказа из-за засорения механическими примесями и солями при сохранении приемлемого качества очистки добываемой жидкости от твердых частиц.The technical advantage of the proposed filter for cleaning well fluid is the elimination of the possibility of failure due to clogging with mechanical impurities and salts while maintaining an acceptable quality of cleaning the produced fluid from solid particles.

Указанный результат достигается тем, что в фильтре для очистки скважинной жидкости от примесей, содержащем перфорированную трубу с механическим фильтром и присоединенный к механическому фильтру гравитационный фильтрующий элемент, в нижней части которого закреплен контейнер для сбора отделенных механических примесей, согласно изобретению гравитационный фильтрующий элемент состоит из концентрично установленных внутренней и наружной труб, образующих между собой кольцевой зазор, при этом в верхней части наружной трубы выполнено, по меньшей мере, одно отверстие для входа потока жидкости с возможностью подачи потока жидкости в кольцевой зазор или во внутреннюю трубу, механический и гравитационный фильтры расположены таким образом, что входящий поток жидкости проходит только через один из фильтров, а сопротивление гравитационного фильтрующего элемента, как минимум, в 1,5 раза больше сопротивления механического фильтра.This result is achieved in that in the filter for cleaning the wellbore fluid from impurities, containing a perforated pipe with a mechanical filter and a gravity filter element attached to the mechanical filter, in the lower part of which a container for collecting separated mechanical impurities is fixed, according to the invention, the gravity filter element consists of concentric installed inner and outer pipes, forming between themselves an annular gap, while in the upper part of the outer pipe is made, at least one hole for the entrance of the fluid flow with the possibility of feeding the fluid flow into the annular gap or into the inner tube, the mechanical and gravity filters are arranged so that the incoming fluid flow passes only through one of the filters, and the resistance of the gravity filter element is at least 1.5 times the resistance of a mechanical filter.

Для улучшения сепарации гравитационного элемента в кольцевом зазоре гравитационного элемента может быть размещена направляющая лопасть в форме шнека. К днищу контейнера для сбора отделенных механических примесей может быть прикреплена коаксиальная труба, обеспечивающая отвод механических примесей. В качестве механического фильтра может быть использован фильтр объемного или поверхностного действия, например щелевой фильтрующий элемент.To improve the separation of the gravitational element in the annular gap of the gravitational element can be placed guide vane in the form of a screw. A coaxial pipe can be attached to the bottom of the container to collect the separated mechanical impurities, which ensures the removal of mechanical impurities. As a mechanical filter, a volumetric or surface filter, for example a slit filter element, can be used.

Для пояснения сущности заявленного изобретения рассмотрим конструкцию с щелевым фильтром поверхностного действия. На фиг.1 показан вариант, когда в гравитационный сепаратор жидкость поступает в кольцевой зазор, на фиг.2 - во внутреннюю трубу.To clarify the essence of the claimed invention, we consider a design with a slit filter of surface action. Figure 1 shows a variant when the fluid enters the gravity separator into the annular gap, figure 2 - into the inner tube.

Устройство состоит из перфорированной трубы 1 с отверстиями 2, на которой установлен щелевой фильтрующий элемент 3. Снизу крепится гравитационный фильтрующий элемент, имеющий две концентрично установленные трубы 4 и 5, между которыми образован кольцевой зазор 6. В верхней части наружной трубы 4 выполнены отверстия 7 для входа жидкости в гравитационный фильтрующий элемент. Ширина и длина кольцевого зазора 6 подбираются так, чтобы его гидравлическое сопротивление, как минимум, в 1,5 раза больше, чем щелевого фильтрующего элемента 3. При таком подборе основной поток жидкости будет первоначально проходить через щелевой фильтрующий элемент. Гравитационный и щелевой фильтры расположены таким образом, что поток добываемой жидкости проходит только через один из фильтров. Согласно расчетам, основанным на предположении, что сопротивление пропорционально расходу проходящей через фильтр жидкости, устойчивое улучшение сепарации начинает наблюдаться при превышении сопротивления гравитационного фильтрующего элемента по отношению к сопротивлению механического фильтра, «как минимум, в 1,5 раза». Снизу к гравитационному фильтрующему элементу жестко прикреплен контейнер 8, в котором накапливаются твердые частицы. Для предотвращения переполнения контейнер 8 может быть оснащен трубой 9. В первом варианте (см. фиг.1) поток входит в гравитационный фильтрующий элемент через отверстие 7, попадает в кольцевой зазор 6, а затем двигается вверх по внутренней трубе 4. Во втором варианте (см. фиг.2) вход в гравитационный фильтрующий элемент выполнен таким образом, что поток сначала попадает во внутреннюю трубу 4 через отверстие 7 с помощью соединения 10, а затем поднимается по кольцевому зазору 6. Второй вариант исполнения гравитационного элемента повышает тонкость очистки устройства, однако его изготовление более трудоемко. С целью улучшения сепарации гравитационного элемента в кольцевом зазоре 6 может быть размещена направляющая лопасть в форме шнека (не показана).The device consists of a perforated pipe 1 with holes 2, on which a slotted filter element 3 is installed. A gravity filter element is mounted below, having two concentrically mounted pipes 4 and 5, between which an annular gap is formed 6. In the upper part of the outer pipe 4, holes 7 are made for fluid inlet into the gravity filter element. The width and length of the annular gap 6 are selected so that its hydraulic resistance is at least 1.5 times greater than the slotted filter element 3. With this selection, the main fluid flow will initially pass through the slotted filter element. Gravity and slot filters are located so that the flow of produced fluid passes through only one of the filters. According to calculations based on the assumption that the resistance is proportional to the flow rate of the liquid passing through the filter, a steady improvement in separation begins to be observed when the resistance of the gravitational filter element in relation to the resistance of the mechanical filter is “at least 1.5 times”. From below, a container 8 is rigidly attached to the gravitational filtering element, in which solid particles accumulate. To prevent overflow, the container 8 can be equipped with a pipe 9. In the first embodiment (see Fig. 1), the flow enters the gravity filter element through the hole 7, enters the annular gap 6, and then moves up the inner pipe 4. In the second embodiment ( see figure 2) the entrance to the gravitational filter element is made in such a way that the flow first enters the inner pipe 4 through the hole 7 using the connection 10, and then rises along the annular gap 6. The second embodiment of the gravitational element increases the fineness the source of the device, however, its manufacture is more time-consuming. In order to improve the separation of the gravitational element in the annular gap 6 can be placed a guide blade in the form of a screw (not shown).

Фильтр для очистки скважинной жидкости работает следующим образом. После установки фильтра в скважине большая часть входящего потока жидкости фильтруется через щелевой фильтрующий элемент 3, поскольку сопротивление щелевого фильтрующего элемента меньше, чем гравитационного. Тонкость очистки на этой стадии определяется размером щели. По мере засорения щелевого фильтрующего элемента 3 к работе начинает подключаться гравитационный фильтрующий элемент, жидкость в который поступает через отверстие 7. В первом варианте исполнения (фиг.1) входящий поток жидкости поступает через отверстия 7 в кольцевой зазор 6 гравитационного фильтрующего элемента, спускается по кольцевому зазору 6 и, огибая нижний конец наружной трубы 4, поднимается вверх по ее внутренней полости. В другом варианте исполнения (фиг.2) входящий поток жидкости попадает в гравитационный элемент через отверстие 7, проходит через соединение 10 и спускается по внутренней трубе 4, затем огибает нижний конец трубы 4 и поднимается вверх по кольцевому зазору 6. При повороте потока крупные частицы примесей под действием силы тяжести опускаются вниз, накапливаясь на дне контейнера 8 вокруг трубы 9. При переполнении контейнера 8, когда уровень примесей становится выше верхнего конца трубы 9, твердые частицы сбрасываются в зумпф через трубу 9.The filter for cleaning well fluid works as follows. After installing the filter in the well, most of the incoming fluid flow is filtered through the slotted filter element 3, since the resistance of the slotted filter element is less than the gravitational one. The fineness of cleaning at this stage is determined by the size of the slit. As the slit filter element 3 becomes clogged up, a gravity filter element starts to work, the liquid into which enters through the opening 7. In the first embodiment (Fig. 1), the incoming liquid stream enters through the openings 7 into the annular gap 6 of the gravity filter element, descends along the annular the gap 6 and, enveloping the lower end of the outer pipe 4, rises up its inner cavity. In another embodiment (FIG. 2), the incoming fluid stream enters the gravitational element through the hole 7, passes through the connection 10 and descends through the inner pipe 4, then it goes around the lower end of the pipe 4 and rises up the annular gap 6. When the flow turns, large particles impurities under the influence of gravity fall down, accumulating on the bottom of the container 8 around the pipe 9. When the container 8 is full, when the level of impurities becomes higher than the upper end of the pipe 9, solid particles are discharged into the sump through the pipe 9.

Тонкость очистки будет определяться соотношением сил вязкого трения частиц о жидкость, архимедовой силы и веса частиц. Выходящий из гравитационного фильтра поток жидкости смешивается с очищенной жидкостью, находящейся внутри щелевого фильтрующего элемента 3, и поступает в насосную установку. Размещение внутри кольцевого зазора 6 направляющей лопасти в форме шнека улучшает сепарацию механических примесей за счет центробежной силы, прижимающей механические примеси к стенкам внешней трубы 5.The fineness of cleaning will be determined by the ratio of the forces of viscous friction of particles on a liquid, Archimedean force and particle weight. The liquid stream leaving the gravity filter is mixed with the purified liquid inside the slotted filter element 3 and enters the pumping unit. The placement inside the annular gap 6 of the guide blade in the form of a screw improves the separation of mechanical impurities due to the centrifugal force pressing mechanical impurities to the walls of the outer pipe 5.

Разработанное устройство обеспечивает тонкость очистки добываемой жидкости и малое гидравлическое сопротивление на уровне щелевых фильтров, пока щелевой фильтрующий элемент не засорен. Затем, когда щелевой фильтр засорится и возрастет гидравлическое сопротивление щелевого фильтра, основной поток жидкости пойдет через гравитационный фильтрующий элемент. Благодаря поочередному подключению к работе фильтров разного типа для очистки скважинной жидкости удалось создать устройство с качественно новым уровнем - незасоряющийся фильтр. Таким образом, будет предотвращено закупоривание фильтра механическими примесями и солями и увеличен срок службы погружной установки.The developed device provides the fineness of purification of the produced fluid and low hydraulic resistance at the level of the slit filters, while the slit filter element is not clogged. Then, when the slit filter becomes clogged and the hydraulic resistance of the slit filter increases, the main fluid flow will go through the gravity filter element. Due to the alternate connection of various types of filters for cleaning the well fluid, it was possible to create a device with a qualitatively new level - a non-clogging filter. Thus, clogging of the filter by mechanical impurities and salts will be prevented and the service life of the submersible installation will be increased.

Claims

1. A filter for cleaning well fluid from impurities, containing a perforated pipe with a mechanical filter and a gravity filter element attached to the mechanical filter, in the lower part of which a container for collecting separated mechanical impurities is fixed, characterized in that the gravity filter element consists of a concentrically installed internal and the outer pipes forming an annular gap between themselves, while at least one hole for the flow inlet is made in the upper part of the outer pipe with the possibility of supplying a fluid flow to the annular gap or into the inner tube, the mechanical and gravity filters are arranged so that the incoming fluid flow passes through only one of the filters, and the resistance of the gravity filter element is at least 1.5 times the resistance of the mechanical filter.

2. The filter according to claim 1, characterized in that in the annular gap of the gravitational element is placed a guide vane in the form of a screw.

3. The filter according to claim 1, characterized in that a coaxial pipe is attached to the bottom of the container for collecting the separated mechanical impurities, which ensures the removal of mechanical impurities.

4. The filter according to claim 1, characterized in that a slotted filter element is used as a mechanical filter.