RU2729299C1

RU2729299C1 - Скважинный фильтр

Info

Publication number: RU2729299C1
Application number: RU2020107082A
Authority: RU
Inventors: Николай Борисович Болотин
Original assignee: Николай Борисович Болотин
Priority date: 2020-02-14
Filing date: 2020-02-14
Publication date: 2020-08-05

Abstract

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, конкретно к средствам фильтрации нефти и газа. Скважинный фильтр, содержащий ниппели, муфту и фильтрующий элемент со стрингерами, уложенными параллельно оси скважинного фильтра между ограничительными кольцами, и намотанные на них витки профилированной проволоки, внутреннюю трубу, установленную внутри фильтрующего элемента, внешний цилиндр с радиальными отверстиями и стрингерами, выполненными заодно с внешним цилиндром, выполненным с предварительным осевым натягом за счет соединения внутренней трубы и внешнего цилиндра через две крестовины: нижнюю и верхнюю, установленные внутри ограничительных колец. Соединение с нижней крестовиной выполнено жестким, с верхней - с возможностью взаимного осевого перемещения и к ней присоединен вибратор с штуцером БРС. Увеличивается прочность на изгиб, обеспечивается эффективная очистка. 7 з.п. ф-лы, 23 ил.

Description

Изобретение относится к нефтегазобобывающей промышленности, конкретно - к средствам фильтрования нефти и газа.

Известен щелевой скважинный фильтр по патенту РФ на полезную модель №71694, МПК Е21В 43/08, опубл. 20.03.2008 г.

Фильтр содержит перфорированную трубу, на которой установлены продольные опорные элементы, на внешней поверхности которых намотана проволока с образованием зазоров между витками, при этом проволока приварена или припаяна к продольным элементам, а соотношение шага установки продольных элементов к их высоте выполнено в диапазоне от 1,0 до 10. Между трубой и продольными опорными элементами установлена фильтрующая сетка. Между опорными продольными элементами и фильтрующей сеткой намотана проволока, выполняющая роль дренажного слоя. Между трубой и фильтрующей сеткой установлена дренажная сетка. Между продольными опорными элементами и фильтрующей сеткой установлена дренажная сетка.

Недостатками фильтра являются сложность конструкции скважинного фильтра, трудоемкость изготовления, низкая надежность и быстрый абразивный износ фильтрующего элемента.

Известен скважинный фильтр по патенту РФ на изобретение №2507384, МПК Е21В 43/08, опубл. 20.02.2014 г.

Этот щелевой скважинный фильтр содержит перфорированную несущую трубу и щелевой фильтрующий элемент, выполненный из проволоки, намотанной на продольные элементы по спирали, причем поперечное сечение проволоки, намотанной по спирали выполнено пятигранным, одна из граней проволоки выполнена параллельно продольной оси фильтра и образует его наружную поверхность, а каждая боковая сторона выполнена с двумя гранями, верхние образуют фильтрующий зазор, а нижние сходятся, образуя острый угол.

Недостатки: низкая прочность проволоки фильтрующего элемента, что приводит к изменению зазоров при спуске скважинного фильтра, и быстрый абразивный износ «самого узкого места» фильтрующего элемента.

Известен бескаркасный скважинный фильтр по патенту РФ на изобретение №2606470, МПК В21В 43/08, опубл. 10.01.2017 г., прототип.

Этот бескаркасный скважинный фильтр содержит два ниппеля и, по меньшей мере, один фильтрующий элемент, закрытый защитным кожухом, имеющим отверстия, и выполненным между ограничительными кольцами, тем, что каждый фильтрующий элемент уложен на продольные элементы, а оба ниппеля приварены к крайним ограничительным кольцам, внутри фильтра без кольцевого зазора установлен кольцевой кожух, внутри которого с кольцевым зазором установлено средство закрутки добываемого продукта. Фильтрующий элемент может быть выполнен щелевым в виде проволоки, намотанной на продольные элементы по спирали.

Недостатки: низкая прочность скважинного фильтра на изгиб и неэффективная очистка добываемого продукта.

Задачи создания изобретения: увеличение прочности на изгиб и обеспечение эффективной очистки.

Решение указанных задач достигнуто в скважинном фильтре, содержащем ниппели, муфту и фильтрующий элемент со стрингерами, уложенными параллельно оси скважинного фильтра между ограничительными кольцами, и намотанные на них витки профилированной проволоки, тем, что он содержит внутреннюю трубу, установленную внутри фильтрующего элемента, внешний цилиндр с радиальными отверстиями и стрингерами, выполненными заодно с внешним цилиндром выполнен с предварительным осевым натягом за счет соединения внутренней трубы и внешнего цилиндра через две крестовины: нижнюю и верхнюю, установленные внутри ограничительных колец, при этом соединение с нижней крестовиной выполнено жестким, с верхней - с возможностью взаимного осевого перемещения и к ней присоединен вибратотор с штуцером БРС.

Внешний диаметр внутренней трубы может быть выполнен из соотношения:

где:

D_вн1 - внешний диаметр внутренней трубы,

D_внф - внутренний диаметр фильтра.

Высота профиля стрингера может быть выполнена из соотношения:

Н₂=(2…5)δ₂ где:

Н₂ - высота профиля стрингера,

δ₂ - толщина внешнего цилиндра.

Толщина стрингеров сожжет быть выполнена из соотношения:

где:

δс - толщина стрингера,

δ₂ - толщина внешнего цилиндра.

Профилированная проволока может быть выполнена треугольного поперечного сечения с радиусным скруглением вершины, обращенной к оси скважного фильтра.

Радиусное скругление вершины, обращенной к оси скважного фильтра выполнено из условия:

R=(0,2…0,25) а, где:

R - радиус скругления вершины,

α - ширина профилированной проволоки.

Укладка внешнего цилиндра со стингерами при сборке может быть выполнена таким образом, чтобы внутренний диаметр внешнего цилиндра был больше внутреннего диаметра фильтра:

Укладка внешнего цилиндра со стингерами при сборке может быть выполнена таким образом, чтобы внешний диаметр фильтрующего элемента был меньше внешнего диаметра муфты:

Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1-23, где:

- на фиг. 1 приведен скважный фильтр,

- на фиг. 2 приведен фильтрующий элемент,

- на фиг. 3 приведена внутренняя труба с продольными ребрами,

- на фиг. 4 приведено внешний цилиндр со стрингерами,

- на фиг. 5 приведен конец внешнего цилиндра со стрингерами,

- на фиг. 6 приведен конец продольного ребра на внутренней трубе,

- на фиг. 7 приведен первый вариант профилированной проволоки,

- на фиг. 8 приведен второй вариант профилированной проволоки,

- на фиг. 9 приведена сборка внутренней трубы и внешнего цилиндра,

- на фиг. 10 приведен первый вариант стрингера и его установка в ограничительное кольцо,

- на фиг. 11 приведен второй вариант стрингера и его установка в ограничительное кольцо,

- на фиг. 12 приведен третий вариант стрингера и его установка в ограничительное кольцо,

- на фиг. 13 приведен четвертый вариант стрингера и его установка в ограничительное кольцо,

- на фиг. 14 приведен пятый вариант стрингера и его установка в ограничительное кольцо,

- на фиг. 15 приведен шестой вариант стрингера и его установка в ограничительное кольцо,

- на фиг. 16 приведен вид А,

- на фиг 17 приведено ограничительное кольцо в разрезе, первый вариант,

- на фиг. 18 приведено ограничительное кольцо в разрезе, второй вариант,

- на фиг. 19 приведено ограничительное кольцо в разрезе, третий вариант,

- на фиг. 20 приведен вид В,

- на фиг. 21 приведен первый вариант сборки фильтрующего блока,

- на фиг. 22 приведен второй вариант сборки фильтрующего блока,

- на фиг. 23 приведен скважинный фильтр ч присоединенным к нему колтюбингом.

Обозначения, принятые в описании:

ниппель 1,

муфта 2,

центратор 3,

фильтрующий элемент 4,

стрингер 5,

ограничительное кольцо 6,

профилированная проволока 7,

сварочный шов 8,

контактная сварка 9,

внутренняя полость 10,

внутренний стержень 11,

нижняя крестовина 12,

верхняя крестовина 13,

жесткое соединение 14,

скользящая посадка 15,

вибратор 16,

внешний цилиндр 17,

радиальные отверстия 18,

внешняя обойма 19,

внутренняя обойма 20,

стойка крестовины 21,

внутренняя проточка 22,

внутренний торец 23,

внешняя проточка 24,

внешний торец 25,

внутренняя фаска 26,

внешняя фаска 27,

внутренний сварной шов 28,

вторая внутренняя проточка 29,

внутренняя поверхность 30,

входной обтекатель 31,

штуцер быстроразъемного соединение 32,

ответный штуцер быстроразъемного соединение 33.

колтюбинг 34,

шайба 35.

Н₀ - высота фильтрующего элемента в поперечном сечении,

H₁ - основной зазор,

Н₂ - высота профиля стрингера,

Н₃- высота поперечного сечения профилированной проволоки,

D₁ - внутренний диаметр внутренней трубы,

D₂ - внутренний диаметр наружного цилиндра,

D_M - наружный диаметр муфты,

D_ф - наружный диаметр фильтрующего элемента,

δ₁ - толщина внутренней трубы,

δ_с - толщина стрингера,

δ₂ - толщина наружного цилиндра,

δ_пр - боковой зазор между рядами профилированной проволоки,

t - шаг установки стрингеров,

α - ширина профилированной проволоки,

R - радиус скругления контактной поверхности профилированной проволоки,

r₁ - радиус скругления вершины поперечного сечения профилированной проволоки.,

Скважинный фильтр (фиг. 1…23) предназначен для очистки нефти или газа.

Скважинный фильтр (фиг. 1) содержит ниппели 1, муфту 2 на верхнем ниппеле 1 и может быть установлен центратор 3.

Фильтрующий элемент 4, (фиг. 2) содержит стрингеры 5, уложенные параллельно оси 00 скважинного фильтра между ограничительными кольцами 6, и намотанные на них витки профилированной проволоки 7 треугольного сечения.

Соединения ниппелей 1 с ограничительными кольцами 6 и ограничительных колец 6 с фильтрующими элементами 4 выполнено сварочными швами 8.

Соединение профилированной проволоки 7 со стрингерами 5 выполнено контактной сваркой 9.

Внутри скважинного фильтра образована внутренняя полость 10, в которую поступает очищенный добываемый продукт.

Высота стрингеров 5 может быть выполнена из соотношения:

где:

Н₂ - высота стрингера 5,

δ_С- толщина стрингера 5.

При такой толщине стрингера 5 его вес уменьшается в 4…5 раз, а прочность на изгиб возрастает в 7 раз при условии выполнения соответствующей высоты профилей стрингеров 5 Н).

Сборка стрингеров 5 показана на фиг. 5, 18 и 19.

Доказательство оптимальности указанного соотношения размеров для определения высоты стрингера Н₂.

Из сопротивления материалов известно (для прямоугольного профиля):

W - момент сопротивления изгибу,

Н₂ - высота профиля стрингера 5,

δ₂ - толщина стрингера 5.

Из этой формулы следует, что с увеличением высоты профиля стрингера 5 - Н₂ его сопротивление изгибу возрастает с квадратичной зависимостью. Однако верхний передел ограничен наружным диаметральным габаритом скважинного фильтра: сделать фильтрующий элемент 4 диаметром больше внешнего диаметра муфты 7 D_м нельзя из-за возможности разрушения фильтрующего элемента 4 при спуске в скважину.

Более подробное обоснование высоты стрингеров 5 с использованием некоторых данных, частично позаимствованных из ГОСТ 633- 80. Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Технические условия, приведено в табл.1.

Также возможно применение на практике труб по ГОСТ 632 - 80. Трубы обсадные и муфты к ним. Технические условия.

Из табл. 1 следует, что высота фильтрующего элемента Н₀=13,5…16, 0 мм.

При высоте профилированной проволоки 7 - Н₃ равной 3 мм, учитывая, что Н₀=Н₃+Н₂ имеем высоту Н₂ (фиг. 3) профиля стрингеров 5:

Н₂=10,5…13,0 мм, что вполне достаточно для изготовления внешней трубы со стрингерами.

Например, при δ₂=1,0 мм и δ_c=1,0 мм, имеем, что высота профиля стрингеров 5 будет находиться в диапазоне: Н₂=3,0…5,0 мм. При δ₂=2,0 мм и δ_c=2,0 м

Н₂=6,0…10,0 мм, что немного меньше максимально-допустимого диапазона Н₂=10,5…13,0 мм.

Кроме того, скважинный фильтр содержит (фиг. 5 и 6) внутреннюю трубу 11, нижнюю крестовину 12 и верхнюю крестовину 13, в которых внутренняя труба 11 установлена.

При этом внутренняя труба 11 соединена с нижней крестовиной 12 жестким соединением 14, а в верхней крестовине 13 установлена с возможностью осевого перемещения внутренней трубы 11 по скользящей посадке 15. К внутренней трубе 11 со стороны верхней крестовины 13 жестко присоединен вибратор 16.

Коаксиально внутренней трубе 11 установлен внешний цилиндр 17 с радиальными отверстиями 18 и стрингерами 5, выполненными заодно с внешним цилиндром 17.

Стрингеры 5 контактируют с профилированной проволокой 7 и соединены с ней контактной сваркой 9 (фиг. 2, 5 и 6).

Возможны два варианта выполнения профилированной проволоки 7 фиг. 7 и 8.

По первому варианту профилированная проволока 7 скруглена в месте контакта со стрингерами 5 радиусом R.

Радиусное скругление вершины, обращенной к оси скважного фильтра может быть выполнено из условия:

R=(0,2…0,25) а, где:

R -радиус скругления вершины,

а - ширина профилированной проволоки. По второму варианту (фиг. 8) возможно применение проволоки трапациевидного поперечного сечения, при этом ее меньшее основание обращено к оси скважинного фильтра OO.

Внешний диаметр внутреннего стержня 11 может быть выполнен из соотношения:

D,=(0,2…0,3) D₂,где:

D₁ - внешний диаметр внутренней трубы,

D₂- внутренний диаметр внешнего цилиндра.

При таких соотношениях размеров загромождение сечения фильтра внутренней трубы 11 составляет незначительную величину.

При установке входного обтекателя 31 гидродинамические потери внутри скважинного фильтра во внутренней полости 10 значительно уменьшаются.

Нижняя и верхняя крестовины 12 и 13 одинаковые по конструкции и содержат внешнюю обойму 19 и внутреннюю 20.

На фиг. 5 приведен конец стрингера 5 с вырезом стрингера прямоугольной формы.

На фиг. 6 приведен внутренний стержень 11 с жестким соединением 14 и скользящей посадкой 15 на концах.

Возможны 5 вариантов скважинного фильтра (фиг. 9…15)

На фиг. 9, 10 и 13 приведен первый вариант скважинного фильтра:

где:

D₂ - внутренний диаметр внешней трубы 17,

D_вн - внутренний диаметр фильтра.

В крестовинах 12 и 13 (фиг. 9) выполнены стойки крестовины 21. Они выполнены радиально между внешними и внутренними обоймам 19 и 20 обеих крестовин 19 и 20. На фиг. 11 и 12 приведен второй вариант скважинного фильтра:

D₂=D_вн, где:

D₂ - внутренний диаметр внешней трубы 17,

D_вн - внутренний диаметр фильтра.

На фиг. 14…16 приведен третий вариант скважинного фильтра:

где:

D₂ - внутренний диаметр внешней трубы 17,

D_вн - внутренний диаметр фильтра.

На фиг. 17 приведено ограничительное кольцо 6, первый вариант.

На фиг. 18 приведено ограничительное кольцо 6, второй вариант.

На фиг. 19 приведен третий вариант ограничительного кольца 6 внутренней поверхностью 30 конической формы в виде усеченного конуса.

На фиг. 20 приведен вид В ограничительного кольца 6, третьего варианта.

На фиг. 21 и 22 приведены два варианта сборки фильтрующих элементов 4.

При этом в варианте фиг. 21 в крестовинах 12 и 13 применяют только внутренние обоймы 20. А в варианте фиг. 22 наружные обоймы 19 и внутренние обоймы 20.

На фиг. 23 приведено присоединение колтюбинга 34 при помощи штуцера БРС 32 и ответного штуцера БРС 33.

Регулировка натяжения фильтрующего элемента 4 может быть выполнена любым способом. Например, на внутреннем стержне 11 могут быть выполнены нижний и верхний упоры 35 и 36 (фиг. 9 и 23), а регулировка может быть выполнена шайбой 37, которая устанавливается между нижним упором 35 и нижней крестовиной 12.

Сборка скважинного фильтра

При сборке отдельно (фиг. 1… 23) изготавливают ниппели 1, ограничительные кольца 6 и фильтрующие элементы 4.

Фильтрующие элементы 4 собирают на оправке (не показано) на которой устанавливают внутренний цилиндр 17 со стрингерами 5 и на них наматывают профилированную проволоку 7 периодически приваривая ее к стрингерам 5 контактной сваркой 9 (фиг. 12).

Фильтрующие элементы 4 после из сборки приваривают с обеих сторон к ограничительным кольцам 6 сварочными швами 8 (фиг. 1, 2 и 19, 20).

При помощи жесткого соединения 14 (установкой прокладок 35 на внутренний стержень), создают осевое напряжение натяжения в стрингерах 5.

Это улучшает сопротивление изгибу и сжатию скважинного фильтра.

До этого или потом фильтрующие элементы 4 приваривают к ограничительным кольцам 6 при помощи внутренних сварочных швов 28.

Ниппеля 1 вставляют во внутренние проточки 22 (фиг. 1, 2 и 19,20) и приваривают к ограничительным кольцам 6 тоже сварочными швами 8 (фиг. 1 и 2).

Регулировка натяжения фильтрующего элемента 4 выполнена шайбой 37.

РАБОТА СКВАЖИНОГО ФИЛЬТРА

Скважинный фильтр предназначен для очистки нефти или газа от посторонних примесей (фиг. 1…23). Для этого скважинный фильтр устанавливают в состав эксплуатационной колонны (не показано). Нефть (газ) через зазор δ₁ между витками профилированной проволоки 7 и далее через зазоры между стрингерами 5-δ₂ поступает во внутреннюю полость 10 с высокой степенью очистки.

Степень фильтрации зависит преимущественно от зазора δ₁ и задается заказчиком обычно в диапазоне от 0,1 до 1,0 мм. При этом не допустима деформация витков профилированной проволоки 7 ни при изготовлении, ни при перевозке и спуске скважинного фильтра в скважину. Это достигнуто контактом профилированной проволоки 7 со стрингерами 5 при приварке, их сварке без вытяжки профилированной проволоки 7 за счет большей площади их контакта между собой.

Проходя через зазоры 5[между стрингерами 5 (фиг. 10) во внутреннюю полость 10 добываемый продукт очищается.

Предложенная конструкция обеспечивает улучшение фильтрации за счет стабильности бокового зазора между рядами профилированной проволоки δ₁ (фиг. 10) и повышает его прочность за счет предложенного профиля стрингеров 5 и профилированной проволоки 7.

При применении таких фильтрующих элементов 4 с вибраторами позволяет периодически по мере их кольматации подводить пульсирующее давление через штуцер БРС 32 к вибратору 16 для передачи осевых колебания через внутреннюю трубу 11 на фильтрующий элемент 4 для его очистки.

Применение изобретения позволило:

- увеличить прочность скважинного фильтра при воздействии изгибающих и сжимающих нагрузок,

- улучшить очистку добываемого продукта за счет уменьшение деформации витков профилированной проволоки при сварке и при спуске скважинного фильтра в скважину.

Claims

1. Скважинный фильтр, содержащий ниппели, муфту и фильтрующий элемент со стрингерами, уложенными параллельно оси скважинного фильтра между ограничительными кольцами, и намотанные на них витки профилированной проволоки, отличающийся тем, что он содержит внутреннюю трубу, установленную внутри фильтрующего элемента, внешний цилиндр с радиальными отверстиями и стрингерами, выполненными заодно с внешним цилиндром, выполненным с предварительным осевым натягом за счет соединения внутренней трубы и внешнего цилиндра через две крестовины: нижнюю и верхнюю, установленные внутри ограничительных колец, при этом соединение с нижней крестовиной выполнено жестким, с верхней - с возможностью взаимного осевого перемещения и к ней присоединен вибратор с штуцером БРС.

2. Скважинный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что внешний диаметр внутренней трубы выполнен из соотношения:

D_вн1=(0,2…0.3)D_внф, где:

D_вн1 - внешний диаметр внутренней трубы,

D_внф - внутренний диаметр фильтра.

3. Скважинный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что высота профиля стрингеров выполнена из соотношения:

Н₂=(2…5)δ_{2 ,}где:

Н₂ - высота профиля стрингера,

δ₂ - толщина внешнего цилиндра.

4. Скважинный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что толщина стрингеров выполнена из соотношения:

δс=(0,8…1,0)δ₂, где:

δс - толщина стрингера,

δ₂ - толщина внешнего цилиндра.

5. Скважинный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что профилированная проволока выполнена треугольного поперечного сечения с радиусным скруглением вершины, обращенной к оси скважинного фильтра.

6. Скважинный фильтр по п. 5, отличающийся тем, что радиусное скругление вершины, обращенной к оси скважинного фильтра, выполнено из условия:

R=(0,2…0,25) а, где:

R - радиус скругления вершины,

а - ширина профилированной проволоки.

7. Скважинный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что укладка внешнего цилиндра со стингерами при сборке выполнена таким образом, чтобы внутренний диаметр внешнего цилиндра был больше внутреннего диаметра фильтра:

D_вн2>D_вн.

8. Скважинный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что укладка внешнего цилиндра со стингерами при сборке выполнена таким образом, чтобы внешний диаметр фильтрующего элемента был меньше внешнего диаметра муфты:

D_вн2≤D_м.