RU2715774C1

RU2715774C1 - Slot-type filter

Info

Publication number: RU2715774C1
Application number: RU2019134083A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Игоревич Шишлянников; Анна Викторовна Шавалеева; Юрий Григорьевич Коротков; Максим Олегович Перельман; Евгений Вячеславович Пошвин
Original assignee: Акционерное общество "Новомет-Пермь"
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2020-03-03

Abstract

FIELD: oil and gas industry; mining.

SUBSTANCE: invention relates to mining and oil producing industries and can be used for protection of well pump installations during oil production in conditions complicated by high content of mechanical impurities in formation fluid. Device contains a pipe with perforation in the form of holes and a filter element installed concentrically to the pipe and provided with end rings on ends. Filter element is made of longitudinal rods fixed with formation of slots between them in end rings, and transverse fastening strips forming gap between outer surface of pipe and filtering element. Filter is equipped with a device for removal of mechanical impurities, which is in form of a movable ring fitted on the filter element. On the periphery of the movable ring there is an elastic element resting on the production string and having through holes, channels or cavities. On inner side of movable ring there are support-cleaning means.

EFFECT: improved convenience of service and efficiency of slot-type filter operation in the well due to reduced time for its cleaning and, as a result, increased time of the well pump unit for failure.

4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к горной и нефтедобывающим отраслям и может быть использовано для защиты установок скважинных насосов при добыче нефти в условиях, осложненных высоким содержанием механических примесей в пластовой жидкости.The invention relates to the mining and oil industries and can be used to protect well pump installations during oil production under conditions complicated by a high content of solids in the reservoir fluid.

Известен скважинный щелевой фильтр, включающий фильтрующий элемент, ведущий и ведомый валы, соединенные между собой посредством редуктора, лопасть и средства очистки, установленные на ведомом валу. Ведомый вал окружен фильтрующим элементом, нижний торец которого открыт, а верхний торец закрыт крышкой, через которую проходит ведомый вал. На ведущем валу расположена лопасть, заключенная в корпус с входными отверстиями внизу и выходными отверстиями вверху. На корпусе выше входных отверстий и на нижнем конце фильтрующего элемента установлены уплотнительные кольца. Средства очистки непрерывно взаимодействуют с фильтрующим элементом при вращении ведомого вала, тем самым осуществляя его очистку в процессе работы в скважине. Устройство предназначено для продолжительной защиты электроцентробежных насосов от попадания механических примесей [Пат. RU №2618248 С1, МПК Е21В 43/08, опубл. 03.05.2017].Known downhole slit filter, including a filter element, drive and driven shafts, interconnected by means of a gear, a blade and cleaning tools mounted on a driven shaft. The driven shaft is surrounded by a filter element, the lower end of which is open, and the upper end is closed by a cover through which the driven shaft passes. On the drive shaft is a blade enclosed in a housing with inlet openings at the bottom and outlet openings at the top. O-rings are installed on the housing above the inlets and on the lower end of the filter element. Cleaning agents continuously interact with the filter element during rotation of the driven shaft, thereby cleaning it during operation in the well. The device is intended for long-term protection of electric centrifugal pumps from mechanical impurities [US Pat. RU No. 2618248 C1, IPC Е21В 43/08, publ. 05/03/2017].

К недостаткам известного фильтра относится то, что его область применения ограничена скважинными насосными установками, укомплектованными погружными электродвигателями с двухсторонним выходом вращающихся приводных валов. Конструкция фильтра усложнена входящим в ее состав редуктором. Непрерывный контакт фильтрующего элемента с вращающимися средствами очистки, выполненными в виде реечных щеток или подпружиненных бойков, обусловливает ускоренный износ последних, что снижает ресурс устройства в целом.The disadvantages of the known filter include the fact that its scope is limited to downhole pumping units equipped with submersible electric motors with two-way output of rotating drive shafts. The design of the filter is complicated by its gearbox. Continuous contact of the filter element with rotating cleaning agents, made in the form of rack brushes or spring-loaded strikers, causes accelerated wear of the latter, which reduces the resource of the device as a whole.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности признаков является щелевой фильтр, содержащий трубу с перфорацией в виде отверстий и фильтрующий элемент, выполненный из продольных стержней и поперечных крепежных полос, снабженный по торцам концевыми кольцами. Фильтрующий элемент установлен между концевыми кольцами концентрично трубе. Между продольными стержнями фильтрующего элемента образованы щели, ширина которых определяет тонкость фильтрации пластовой жидкости. Концы продольных стержней жестко соединены с концевыми кольцами, а на их внутренней поверхности, с образованием колец, закреплены продольные полосы, обеспечивающие жесткость фильтрующего элемента и формирующие зазор между внешней поверхностью трубы и фильтрующим элементом [пат. RU 2147676 С1, МПК Е21В 43/08, опубл. 20.04.2000].Closest to the claimed combination of features is a slit filter containing a pipe with perforation in the form of holes and a filter element made of longitudinal rods and transverse fastening strips, provided with end rings at the ends. The filter element is installed between the end rings concentrically to the pipe. Gaps are formed between the longitudinal rods of the filter element, the width of which determines the fineness of the formation fluid filtration. The ends of the longitudinal rods are rigidly connected to the end rings, and on their inner surface, with the formation of rings, longitudinal strips are fixed, providing rigidity of the filter element and forming a gap between the outer surface of the pipe and the filter element [US Pat. RU 2147676 C1, IPC Е21В 43/08, publ. 04/20/2000].

При работе описываемого щелевого фильтра пластовая жидкость проходит через щели фильтрующего элемента между продольными стержнями, а содержащиеся в ней частицы механических примесей задерживаются на внешней поверхности стержней, создавая со временем отложения и снижая пропускную способность фильтрующего элемента. Таким образом, осуществляется очистка пластовой жидкости. Кольца, образованные поперечными полосами, формируют зазор между трубой и продольными стержнями фильтрующего элемента, что обеспечивает очистку пластовой жидкости от механических примесей всей поверхностью фильтрующего элемента. Далее очищенная пластовая жидкость поступает через отверстия в трубе к скважинному насосу.During the operation of the described slotted filter, the formation fluid passes through the slots of the filter element between the longitudinal rods, and the particles of mechanical impurities contained in it are retained on the outer surface of the rods, creating deposits over time and reducing the filtering element throughput. Thus, the treatment of formation fluid is carried out. The rings formed by the transverse bands form a gap between the pipe and the longitudinal rods of the filter element, which ensures that the formation fluid is cleaned of mechanical impurities by the entire surface of the filter element. Next, the purified reservoir fluid enters through the holes in the pipe to the downhole pump.

Данное устройство принято в качестве прототипа.This device is adopted as a prototype.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства для очистки добываемой жидкости, являются: наличие трубы с перфорацией в виде отверстий с неподвижно закрепленными концевыми кольцами; установленный концентрично трубе фильтрующий элемент в виде продольных стержней со щелями между ними и поперечных крепежных полос.The signs of the prototype, coinciding with the essential features of the claimed device for cleaning produced fluid, are: the presence of a pipe with perforation in the form of holes with fixed end rings; a filter element mounted concentrically to the pipe in the form of longitudinal rods with slots between them and transverse mounting strips.

К недостаткам известного устройства следует отнести то, что для очистки фильтрующего элемента от отложений механических примесей, образующихся на его поверхности при очистке пластовой жидкости, требуется выполнять обратную промывку фильтра, что затруднительно, а зачастую невозможно, осуществлять в условиях нефтяных скважин. Насосную установку приходится останавливать и поднимать из скважины для очистки фильтра, а это влечет за собой существенные временные и материальные затраты.The disadvantages of the known device include the fact that to clean the filter element from deposits of mechanical impurities that form on its surface when cleaning the formation fluid, it is necessary to perform backwashing of the filter, which is difficult, and often impossible, to carry out in oil wells. The pump installation must be stopped and raised from the well to clean the filter, and this entails significant time and material costs.

Задачами, на решение которых направленно предлагаемое изобретение, являются: повышение удобства обслуживания и эффективности работы щелевого фильтра в скважине за счет сокращения времени на его очистку и, как следствие, увеличение наработки скважинной насосной установки на отказ.The tasks to which the invention is directed are to: increase the serviceability and efficiency of the slit filter in the well by reducing the time to clean it and, as a result, increasing the time between the well pump installation for failure.

Указанный результат достигается тем, что щелевой фильтр, включающий трубу с перфорацией в виде отверстий и установленный концентрично трубе фильтрующий элемент, снабженный по торцам концевыми кольцами и выполненный из продольных стержней, закрепленных с образованием щелей между ними в концевых кольцах, и поперечных крепежных полос, формирующих зазор между внешней поверхностью трубы и фильтрующим элементом, согласно изобретению, снабжен приспособлением для очистки от механических примесей, выполненным в виде надетого на фильтрующий элемент подвижного кольца, по периферии которого закреплен упругий элемент, опирающийся на эксплуатационную колонну и имеющий сквозные отверстия, каналы или полости, а на внутренней стороне расположены опорно-очищающие средства.This result is achieved by the fact that a slotted filter including a pipe with perforations in the form of holes and a filter element mounted concentrically to the pipe is provided with end rings at the ends and made of longitudinal rods fixed with gaps between them in the end rings and transverse fastening bands forming the gap between the outer surface of the pipe and the filter element, according to the invention, is equipped with a device for cleaning from mechanical impurities, made in the form of a filter a movable ring element, on the periphery of which an elastic element is mounted, resting on a production casing and having through holes, channels or cavities, and supporting cleaning agents are located on the inside.

При этом в качестве опорно-очищающих средств использованы расположенные по концентричной окружности скребки или щетки.At the same time, scrapers or brushes located along a concentric circle are used as supporting and cleaning agents.

При использовании щелевого фильтра в качестве входного фильтра через трубу дополнительно пропускают приводной вал, который устанавливают в подшипниковых узлах.When using a slotted filter as an inlet filter, a drive shaft is additionally passed through the pipe, which is installed in the bearing units.

Использование в конструкции предлагаемого щелевого фильтра концентрично установленного подвижного приспособления для очистки от механических примесей позволяет восстанавливать пропускную способность фильтрующего элемента при работе в составе насосной установки непосредственно в скважине, без извлечения установки на дневную поверхность, что исключает выполнение дорогостоящих спускоподъемных операций и длительную остановку процесса добычи пластовой жидкости.The use of a concentric mounted movable device for cleaning mechanical solids in the design of the proposed slotted filter allows to restore the filtering capacity of the filter element when working as a part of a pumping unit directly in the well, without removing the unit to the surface, which eliminates the cost of tripping and prolonged shutdown of the reservoir mining process liquids.

Применение упругого элемента позволяет осуществлять движение приспособления для очистки вдоль продольных щелей фильтрующего элемента за счет трения упругого элемента о стенки эксплуатационной колонны при перемещении насосной установки в скважине. При этом размещенные на внутренней стороне приспособления для очистки опорно-очищающие средства увеличивают удельные нагрузки на отложения механических примесей, что способствует облегчению удаления последних.The use of an elastic element allows the movement of the cleaning device to move along the longitudinal slots of the filter element due to the friction of the elastic element against the walls of the production string when moving the pump unit in the well. At the same time, support-cleaning agents located on the inside of the cleaning device increase the specific load on the deposits of mechanical impurities, which helps to facilitate the removal of the latter.

Наличие сквозных отверстий, каналов или полостей в упругом элементе обеспечивает беспрепятственное поступление пластовой жидкости к фильтрующему элементу и удаление частиц механических примесей в зумпф скважины при очистке фильтрующего элемента.The presence of through holes, channels or cavities in the elastic element ensures unhindered flow of formation fluid to the filter element and the removal of particles of mechanical impurities in the sump of the well when cleaning the filter element.

Варианты исполнения предусматривают изготовление заявляемого устройства в качестве скважинного фильтра и входного фильтра скважинного насоса.Options for the manufacture of the inventive device as a downhole filter and an inlet filter of a downhole pump.

На основании изложенного заявляемый фильтр является техническим решением, обладает новизной и имеет изобретательский уровень, так как он не известен из уровня техники и для специалистов он явным образом не следует из уровня техники с более ранним приоритетом. Промышленная применимость щелевого фильтра подтверждается возможностью его реализации с использованием известных средств, применяемых в нефтедобывающей промышленности, и материалов.Based on the foregoing, the claimed filter is a technical solution, has novelty and has an inventive step, since it is not known from the prior art and for specialists it does not explicitly follow from the prior art with an earlier priority. The industrial applicability of the slit filter is confirmed by the possibility of its implementation using well-known tools used in the oil industry and materials.

Сущность устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен продольный разрез заявляемого щелевого фильтра в варианте исполнения в качестве скважинного фильтра.The essence of the device is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a longitudinal section of the inventive slotted filter in the embodiment as a downhole filter.

На фиг. 2 изображен продольный разрез заявляемого щелевого фильтра в варианте исполнения в качестве входного фильтра скважинного насоса.In FIG. 2 shows a longitudinal section of the inventive slotted filter in an embodiment as an inlet filter of a well pump.

На фиг. 3 изображен продольный разрез подвижного приспособления для очистки фильтрующего элемента с опорно-очищающими средствами в виде концентрических скребков.In FIG. 3 shows a longitudinal section of a movable device for cleaning the filter element with support cleaning agents in the form of concentric scrapers.

На фиг. 4, 5 изображен продольный разрез подвижного приспособления для очистки фильтрующего элемента с опорно-очищающими средствами в виде щеток.In FIG. 4, 5 shows a longitudinal section of a movable device for cleaning the filter element with support cleaning agents in the form of brushes.

Щелевой фильтр (фиг. 1, 2) содержит трубу 1, на которой выполнена перфорация в виде сквозных отверстий 2. На окончаниях вокруг трубы 1 смонтированы верхнее 3 и нижнее 4 концевые кольца, между внутренней поверхностью стенок которых и наружной поверхностью трубы 1 образованы кольцевые зазоры. Вокруг трубы 1 концентрично установлен фильтрующий элемент 5, выполненный из продольных стержней 6, между которыми сформированы щели 7. Для придания жесткости в конструкции фильтрующего элемента 5 предусмотрены поперечные крепежные полосы 8 в виде колец, скрепленные с внутренней поверхностью продольных стержней 6, которые формируют зазор между внешней поверхностью трубы 1 и фильтрующим элементом 5. Концы продольных стержней 6 фильтрующего элемента 5 закреплены внутри кольцевых зазоров концевых колец 3 и 4.The slotted filter (Fig. 1, 2) contains a pipe 1, on which perforation is made in the form of through holes 2. At the ends around the pipe 1, upper 3 and lower 4 end rings are mounted, annular gaps are formed between the inner surface of the walls of which and the outer surface of the pipe 1 . Around the pipe 1, a filter element 5 is concentrically mounted, made of longitudinal rods 6, between which slots are formed 7. To impart rigidity, the design of the filter element 5 has transverse mounting strips 8 in the form of rings, fastened to the inner surface of the longitudinal rods 6, which form a gap between the outer surface of the pipe 1 and the filter element 5. The ends of the longitudinal rods 6 of the filter element 5 are fixed inside the annular gaps of the end rings 3 and 4.

На внешней поверхности фильтрующего элемента 5 концентрично установлено подвижное приспособление 9 для очистки от механических примесей, выполненное в виде кольца 10, по периферии которого закреплен упругий элемент 11, имеющий сквозные отверстия 12. Упругий элемент 11 контактирует с внутренними стенками эксплуатационной колонны 13 и может быть выполнен, например, в виде усеченного конуса со сквозными отверстиями 12, либо в виде плоского диска со сквозными отверстиями или каналами, либо иметь сложную форму в поперечном сечении, составную конструкцию с отдельными лепестками, пластинами и сквозными полостями для беспрепятственного прохождения скважинной жидкости к фильтрующему элементу 5.On the outer surface of the filter element 5, a movable device 9 for cleaning from mechanical impurities is concentrically mounted, made in the form of a ring 10, on the periphery of which an elastic element 11 is installed, having through holes 12. The elastic element 11 is in contact with the inner walls of the production string 13 and can be made , for example, in the form of a truncated cone with through holes 12, or in the form of a flat disk with through holes or channels, or to have a complex cross-sectional shape, composite a section with separate petals, plates and through cavities for unhindered passage of the well fluid to the filter element 5.

Подвижное приспособление 9 для очистки от механических примесей установлено с возможностью перемещения вдоль продольных стержней 6 и щелей 7 фильтрующего элемента 5. На внутренней стороне кольца 10 расположены опорно-очищающие средства 14, предназначенные для взаимодействия и удаления отложений механических примесей. Опорно-очищающие средства 14 могут быть выполнены в виде расположенных по концентрической окружности скребков (фиг. 3) или щеток (фиг. 4, 5).A movable device 9 for cleaning mechanical impurities is installed with the possibility of movement along the longitudinal rods 6 and slots 7 of the filter element 5. On the inner side of the ring 10 are supporting cleaning agents 14 designed to interact and remove deposits of mechanical impurities. Supporting cleansing means 14 can be made in the form of scrapers arranged along a concentric circle (Fig. 3) or brushes (Fig. 4, 5).

При использовании заявляемого щелевого фильтра в качестве входного фильтра скважинного насоса (см. фиг. 2) внутри трубы 1 жестко устанавливаются подшипниковые узлы 15, которые служат опорами для приводного вала 16, проходящего через них.When using the inventive slotted filter as an input filter for a borehole pump (see Fig. 2), bearing assemblies 15 are rigidly mounted inside the pipe 1, which serve as supports for the drive shaft 16 passing through them.

Заявляемый щелевой фильтр работает следующим образом.The inventive slit filter operates as follows.

Щелевой фильтр в составе компоновки погружной насосной установки спускается в скважину. Пластовая жидкость, содержащая механические примеси, поступает к поверхности фильтрующего элемента 5, в том числе через сквозные отверстия 12 упругого элемента 11 (фиг. 1, 2). Проходя через щели 7 между продольными стержнями 6 фильтрующего элемента 5, пластовая жидкость очищается, освобождаясь от механических примесей, и попадает в зазор между трубой 1 и продольными стержнями 6, откуда через отверстия 2 подается вовнутрь трубы 1, по которой далее поднимается в скважинный насос (не показан). Верхнее 3 и нижнее 4 концевые кольца фиксируют фильтрующий элемент 5 неподвижно относительно трубы 1.The slot filter in the layout of the submersible pump unit is lowered into the well. Formation fluid containing mechanical impurities enters the surface of the filter element 5, including through the through holes 12 of the elastic element 11 (Fig. 1, 2). Passing through slots 7 between the longitudinal rods 6 of the filter element 5, the formation fluid is cleaned, freed from mechanical impurities, and falls into the gap between the pipe 1 and the longitudinal rods 6, from where through the holes 2 it is fed into the pipe 1, through which it then rises to the well pump ( not shown). The upper 3 and lower 4 end rings fix the filter element 5 motionless relative to the pipe 1.

Частицы механических примесей, отделенные от пластовой жидкости, оседают на внешней поверхности продольных стержней 6 фильтрующего элемента 5, создавая «мостики» отложений и снижая со временем его проницаемость (пропускную способность). Увеличивающийся перепад давлений на внешней и внутренних поверхностях фильтрующего элемента 5 ведет к увеличению нагрузки на внешнюю поверхность, но благодаря поперечным полосам 8 деформации продольных стержней 6 удается избежать.Particles of mechanical impurities, separated from the reservoir fluid, settle on the outer surface of the longitudinal rods 6 of the filter element 5, creating “bridges” of deposits and reducing its permeability (throughput) over time. The increasing pressure drop on the outer and inner surfaces of the filter element 5 leads to an increase in the load on the outer surface, but thanks to the transverse strips 8, the deformation of the longitudinal rods 6 can be avoided.

При кольматации фильтрующего элемента 5 отбор скважинной жидкости прекращают, отключая привод скважинного насоса. Всю компоновку погружной насосной установки перемещают вдоль эксплуатационной колонны 13 в сторону устья скважины на величину, равную длине 1-2 насосно-компрессорных труб. Во время подъема насосной установки упругий элемент 11 контактирует с внутренней поверхностью эксплуатационной колонны 13. За счет действия силы трения, возникающей при контакте упругого элемента 11 и внутренней поверхности эксплуатационной колонны 13, приспособление для очистки 9 перемещается вдоль продольных щелей 7 фильтрующего элемента 5, при этом опорно-очищающие средства 14, выполненные в виде расположенных по концентрической окружности скребков или щеток, разрушают отложения механических примесей и очищают поверхность фильтрующего элемента 5, восстанавливая тем самым его проницаемость (пропускную способность). Таким образом осуществляется механическая очистка заявляемого щелевого фильтра.When mudding the filter element 5, the selection of the borehole fluid is stopped, disabling the drive of the borehole pump. The entire layout of the submersible pump unit is moved along the production string 13 towards the wellhead by an amount equal to the length of 1-2 tubing. During the lifting of the pumping unit, the elastic element 11 is in contact with the inner surface of the production casing 13. Due to the frictional force arising from the contact of the elastic element 11 and the inner surface of the production casing 13, the cleaning device 9 moves along the longitudinal slots 7 of the filter element 5, while support-cleaning means 14, made in the form of scrapers or brushes arranged on a concentric circle, destroy deposits of mechanical impurities and clean the surface of the filter element 5, thereby restoring its permeability (throughput). Thus, the mechanical cleaning of the inventive slotted filter is carried out.

Отделенные от поверхности фильтрующего элемента 5 частицы механических примесей через отверстия 12 в упругом элементе 11 оседают в зумпф скважины.Particles of mechanical impurities separated from the surface of the filtering element 5 through holes 12 in the elastic element 11 are deposited in the sump of the well.

Для возвращения приспособления для очистки 9 на прежнее место компоновку погружной насосной установки перемещают вдоль эксплуатационной колонны 13 в сторону забоя скважины на величину, равную длине 1-2 насосно-компрессорных труб, при этом происходит изменение направление силы трения, создаваемой при контакте стенок эксплуатационной колонны 13 и упругого элемента 11. Приспособление для очистки 9 перемещается вдоль поверхности фильтрующего элемента 5 на прежнее место.To return the cleaning device 9 to its original place, the submersible pump unit layout is moved along the production casing 13 towards the bottom of the well by an amount equal to the length of 1-2 tubing, with a change in the direction of the friction force generated by the contact of the walls of the production casing 13 and the elastic element 11. The cleaning device 9 moves along the surface of the filter element 5 to its original place.

Таким образом, за счет периодического проведения механических очисток фильтрующего элемента увеличивается время работы щелевого фильтра в скважине и повышается наработка скважинной насосной установки на отказ.Thus, due to the periodic mechanical cleaning of the filter element, the operating time of the slit filter in the well increases and the MTBF of the well pump installation increases.

Claims

1. A slit filter containing a pipe with perforations in the form of holes and a filter element mounted concentrically to the pipe, provided with end rings at the ends and made of longitudinal rods fixed to form gaps between them in the end rings, and transverse fixing strips forming a gap between the outer surface pipe and filter element, characterized in that it is equipped with a device for cleaning from mechanical impurities, made in the form of a movable ring worn on the filter element, on the periphery and which is fixed to an elastic element resting on a production casing and having through holes, channels or cavities, and supporting cleaning agents are located on the inside.

2. The slit filter according to claim 1, characterized in that the scrapers arranged along a concentric circle are used as supporting cleaning agents.

3. The slit filter according to claim 1, characterized in that the brushes located along the concentric circle are used as supporting and cleaning agents.

4. The slotted filter according to claim 1, characterized in that for performing the function of the inlet filter it further comprises bearing assemblies and a drive shaft mounted inside the pipe.