SU1712591A1 - Скважинный фильтр - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к горному делу и м.б. использовано при оборудований водозаборных, гидрогеологических, нефт ных, газовых и др. скважин в интервале продуктивного пласта, сложенного слабоцементированными породами. Цел'Ь - снижение гидравлического сопротивлени . Фильтр состоит из перфорированного каркаса 1 с опорными стержн ми 3 и намотанной на них профилированной проволокой 2 треугольного или трапецеидального сечени , профиль по длине фильтра. Ось симметрии щелей наклонена под острым угом к оси фильтра, Угол наклона щелей постепенно уменьшаетс  от нижних к верхним щел м фильтра. Фильтр устанавливают в скважине. При такой конструкции фильтра направление движени  фильтрационного потока в щел х совпадает с направлением градиента давлени , что снижает потери напора в местных сопротивлени х. Изобретение позвол ет увеличить суффозионную устойчивость скважины и удельнь^е дебиты за счет снижени  гидравлического сопротивлени  фильтрационному потоку и его стабилизации. 5 йл.,2 табл.41^•^с*^

Description

Изобретение относитс  к горному делу и может быть использовано при оборудовании водозаборных, гидрогеологиче(51КИх, нефт ных, газовых и других скважин тервале продуктивного пласта, сложенного слабосцементированными породами.

Известен способ оборудовани  фцльтровой скважины, заключающийс  бапреде лении свойств породы, подборе фильтре и оборудовании скважины в интервале ri(K дуктивного пласта фильтром.

Недостатком данного способа  вл 10тс  высокие потери напора при турбул1й ц и потока в околоскважинной зоне. Кроме того, применение известного способа не обесйечивает совпадение направлени  фильтрации в фильтре с направлением градиента давлени , что обусловлено хаотичным изменением скорости при турбулентной фильтрации и методикой выполнени  отверстий фильтра.

Известны устройства дл  осуществлени  известного способа оборудовани  фильтровой скважины, в частности фильтры конструкций фирм Johnston, Nagaoka, включающие фильтрующую оболочку из профилированной проволоки трехугольного или трапециевидного сечени ,приваренной с выдержанным зазором между витками одной из вершин к каркасно-стержневой основе , Отверстие расшир етс  внутрь скважины , что обуславливает относительно высокие гидравлические свойства фильтра.

Недостатком известного фильтра  вл етс  перпендикул рность оси симметрии отверстий (щели) фильтра оси симметрии скважины и фильтровой колонны/Такое пространственное расположение отверстий рационально только в том случае, когда мы имеем дело с плоско-параллельным фильтрационным потоком в скважину и когда скорость притока в фильтр в любом сечении независимо от длины посто нна. Нд практике плоска-параллельна  фильтраци , как впрочем и радиально-сферична  в чистом виде не встречаетс . Обычно характер фильтрации носит промежуточный характер между плоско-параллельным и радиальносферичным потоком. Пр мым доказательством этого  вл етс  эпюра входных скоростей в фильтр. Максимальные скорости фильтрации наблюдаютс  в верхних сечени х фильтра и постепенно (не линейно) убывают по направлению к забою скважины . При плоско-параллельной фильтрации входна  скорость по длине фильтра  вл етс  посто нной величиной, а при радиальносферичной фильтрации работает только верхний участок фильтра высотой, соответствующей его радиусу (остальна  часть фильтра не работает). В этой св зи очевидно , что градиент фильтрационного потока в реальных скважинных услови х направлен не перпендикул рно оси скважины (и параллельно пласта) и не в направлении верхних отверстий фильтра, а занимает определенное промежуточное положение, завис щее от свойств пласта, его размеров, режимов эксплуатации и др.

При фильтрации потока через известный фильтр направление движени  флюида не совпадает с направлением градиента фильтрации, который перпендикул рен линии посто нного давлени  в околоскважинной зоне. В этой св зи известна  конструкци  фильтра выполн ет функцию местного сопротивлени , заставл ющего поток при прохождении через фмльт эующую оболочку временно измен ть свое направление . Поэтому при использовании известного фильтра в реальны х услови х возникают дополнительные потери напора, обс овленные несовпадением направлени  и градиента фильтрд«{ии, снижаютс  экс ппуатационные характеристики скважины.

Несовпадение оси симметрии отверсти  и фильтрацион(4Ого потока в отверсти  х приводит к возникновению асимметричной нагрузки на арочные, мостовые структуры из частиц песка вокруг отверстий , что способствует снижению их устойчивости , периодическому разрушению и суффозии.

Известен также способ оборудовани 

фильтровой скважины, заключающийс  в определении свойств породы, подборе фильтра, режима фильтрации флюида в околоскважинной зоне и оборудовании скважины фильтром в интервале продуктивного

0 пласта. Недостатком известного способа  вл етс  дополнительное гидравлическое сопротивление фильтра, обрудованное несовпадением направлени  фильтрации в отверсти х с направлением градиента

5 давлени .

Известен также скважинный фильтр, ось симметрии отверстий которого не совпадает ни с направлением, перпендикул рным оси скважины (плоско-параллельный

0 поток), ни с направлением к верхним отверсти м фильтра (радиально-сферичный поток ), а занимает промежуточное положение. Однако, направление оси симметрии фильтрационного отверсти  (щели) выбираетс  в

5 данном случае, не исход  из необходимости совпадени  направлени  и градиента фильтрации , а исход  из услови  формировани  либо гравитационного фильтра, либо микроворонки бесфильтровой скважины. Однако,

0 несмотр  на это, в некотором сечении известного фильтра направление и градиент фильтрации могут совпасть, правда не на всем прот жении отверсти , так как оно имеет асимметричную форму. Поэтому, даже при случайном совпадении направлени  и градиента фильтрации на некотором участке отверсти , потери напора хот  и уменьшатс , но не до возможных значений. Градиент давлени  или фильтрации на поверхности фильтра не имеет посто нного направлени  по длине фильтра и измен етс  от верхних отверстий фильтра к нижним. Кроме того, абсолютна  величина перепада давлени  у верхних отверстий фильтра значительно больше перепада давлени  на нижних отверсти х фильтра, причем эпюра абсолютного перепада давлени  по длине фильтра не носит линейного характера, что обусловлено степенной зависимостью поO терь на гидравлическое трение. В этой св зи , использование известного фильтра может лишь в определенном интервале притока да и то не на возможное значение уменьшить потери напора за счет частичного совмещений направлени  и градиента фильтрации. В остальном интервале градиент и направление фильтраций в.отверсти х известного фильтра не совпадают, что обуславливает дополнительные гидравлические сопротивлени  и как следствие снижение

эксплуатационных характеристик скважины .

Кроме того, использование известных способов оборудовани  скважины и фильтров снижает суффозионную устойчивость скважины при эксплуатации. Дело в том, что при несовпадении оси симметрии отверсти  и фильтрационного потока в отверстии, что имеет место в случае выполнени  отверстий фильтра в направлении, отличном от направлени  градиента давлени , на арочные структуры из частиц песка вокруг отверстий действует асимметрична  гидравлическа  нагрузка. При асимметричной г11дроДинамической нагрузке арочные структуры не сохран ют устойчивость, что приводит к суффозии.

Цель изобретени  - снижение гидравлического сопротивлени  фильтра.Поставленна  цель достигаетс  тем, что в известном скважинном фильтре, в1 л1Очающем каркас и намотанную профилированную проволоку треугольного или трапецеидального сечени  с.опорными штыр ми, образующую между собой,щели, профиль проволоки выполнен мен ющимс  по длине фильтра, а ось симметрии щелей наклонена под острым углом к оси фильтра, причем угол наклона щелей постепенно уменьшаетс  от нижних к верхним отверсти м фильтра.

Анализ патентной документации, тех .нической литературы не позвол ет вы вить техническое решение, характеризующеес  свойствами, аналогичными свойствам предлагаемого объекта. На основании этого сделан вывод о том, что предлагаемый скважинный фильтр обладает существенными отличийми.

На фиг. 1 представлена характерна  эпюра входных скоростей по длине фильтра дл  ламинарного и турбулентного режима фильтрации; на фиг. 2 - характерна  эпюра перепада давлени  на поверхности фильтра по его длине дл  ламинарного и турбулентного режима фильтрации с указанием направлени  градиента фильтрации и скорости фильтрации; на фиг. 3 - поверх ность давлени  в околоскважинной зоне, На фиг. 4 - график зависимости угла наклона градиента и скорости фильтрации на поверхности фильтра к поверхности, перпендикул рной оси скважины дл  ламинарного и турбулентного режимов; )а фиг. 5 - принципиальна  схема фильтра.

Фильтр состоит из каркаса 1, опорных 2 штырей и проволоки 3. Скорости фильтрации в фильтр возрастают от нижних к отверсти м по зависимости

:VoCh 6 (1)

где V - скорость фильтрации в фиhьтp по высоте ioT нижних отверстий или сечени , на котором начинаетс  приток; ,

Vo - скорость фильтрации в нижних отверсти х фильтр или в сечении, на котором осуществл етс  приток;

D - диаметр фильтра (скважины); fin - гидравлический параметр фильтра. Гидравлический параметр фильтра/гп, в свою очередь, определ етс  выражением

цг( 5 arctg 0,246

(2)

где h - разность пьезометрических уровней снаружи и внутри фильтра в конечном сечении;

Q - расход через фильтр.

Из выражений (1) и (2) следует, что неравномерность зпюры входных скоростей усугубл етс  по мере уменьшени  диаметра фильтра (скважины) при заданном расходе откачки. С удалением от оси скважины эпюра скоростей фильтрации по мощности пласта выравниваютс , а на некотрром удалении (близком к радиусу вли ни  скважины ) скорость фильтрации по мощности пласта посто нна..

Увеличение скорости фильтрации в верхних сечени х фильтра и соответственное уменьшение в нижних, вызвано перетеканием жидкости из нижних сечений пласта в верхние по мере фильтрации, т.е. наличием вертикальной составл ющей скорости потока . Переток жидкости-из нижних в верхние сечени  пласта и фильтра, наличие вертикальной составл ющей скорости фильтрации , обусловлено наличием перепада давлени  между верхними и нижними сечени ми пласта и фильтра, наличием вертикальной составл ющей градиента давлени . Перепад давлени  на верхних отверсти х фильтра значительно выше, чем на нижних. Величину перепада давлени  на фильтре как функцию высоты отверстий можно определить , пользу сь известной формулой истечени  жидкости из затопленного отверсти .

V ;un 2gh .

(3)

Приравнива  правые части выражений (1) и (3), получим

.. . е „ VoTiT Vocn-i-- ,м n 2 g h ,

или

2 .

2g ftn}

Закон распределени  перепада давлени  на фильтрующей оболочке по длине фильтра можно получить также, использу  известную формулу зависимости скорости фильтрации от длины фильтра, подчин ющуюс  закону гиперсинусов

x/.Shyt

(5) V- .

где у- параметр распределени  притока. Реша  совместно (3) и (1, получим

(6)

ftn 2 g h .

Shy

Преобразу  (6), получим закон распределени  давлени  по длине фильтра - 1 / ShyEx -Tg Выражени  (4) и (7) дают хорошую сходимость в реальных услови х. Закон распределени  перепада давле- 3€ ни -на фильтре по его длине может быть получен при обработке данных р1асходометрии с учетом выражени  (1). С помощью зависимостей (1), (5), на основании зкспериментальных данных, ре- 35 альных результатов расходометрии, стро т в масштабе зпюру распределени  скоростей фильтрации по длине фильтра (фиг. 1). По полученной эпюре с помощью выраже-. ни  (3) и зависимостей (4) и (7) стро т эпюру 40 перепада давлени  на поверхности фильтра по его длине (фиг. 2). Поверхность посто нного давлени  в околоскважинной зоне может быть найдена различными способами, напри 4ер методом 45 гидродинамического, математического и физического моделировани  или непосредственным расчетом. Метод непосредственного расчета основан на сопоставлении .зависимостей (4), ( и уравнени  измене- 50 ни  давлени  по мере удалени  оТ скважиHbi . Характер изменени  давлени  с рассто нием от скважины определ етс  выражением . 55 TQ /1 Tf lins T д  кт Лг- ;где т в зкость флюида;

К, К - коэффициент ламинарной и турбулентной фильтрации соответственно; .

m - мощность пласта;

R - радиус вли ни  скважины; г - рассто ние от оси скважины, на котором получено значение давлени  h.

Оценка режима фильтрации флюида в околоскважинной зоне осуществл етс  по известной методике.

В случае ламинарной фильтрации давление в пласте по мере удалени  от оси скважины определ етс  первым членом уравнени  (8). а при турбулентной - вторым.

Поверхность посто нного давлени  определ етс - величиной радиуса г на некотором уровне фильтра (наход щемс  от нижних отаерстий на рассто нии Q, при котором давление остаетс  посто нным. Зависимость г от при условии h - const можно определить приравн в правые части уравнений (4) и (8}.

Дл  ламинарного режима фильтрации получим; g(ftn) ,р ( f- „/..v.,Z 9()nqr С учетом (7) получим формулу поверхнопосто нного давлени  в околоскважинзоне , использу  гиперсинусоидальный н распределени  скорости по длине ьтра 1 7 Shyt ч 2 T.Q .. г 2g mSRyУ 2 гКп1; го , , рЯКт / Shyf ч 2цп -/ Tgir prSTy)) В с лучае турбулентного режима фильтй имеем .,566/tne, Го г / . Г K4jymV) . 283дп ,..v gTQ(;in) Го -« Использу  ) дл  турбулентного режиильтрации , получим/ J / Shyf V 2 TQ U rj: 2g UnShy; ,2 / / 1 K / Shyt 2jrm42 (( Q ) ) Формулы(9,10)и(11,12) характеризуют закон распределени  зоны посто нногй давлени  как функцию длины фильтра и рассто ни  от скважины дл  ламинарного и турбулентного режима фильтрации флюида в околоскважинной зоне. В масштабе стро т поверхность посто нного давлени  в околоскважй1 ой зоне (фиг, 3). Провед  к полученной поверхности перпендикул р в любой точке (фиг. 3). получим направление градиента-давлен лй в данной точке (на определенном рассто кйн I от нижних отверстий), рациональное направление фильтрационного потока в фильтре и требуемое направление выполнени  отверстий фильтра. Зна  рациональное направление оси симметрии отверстий фильтра по его длине изготавливают конструкции (фиг. 5) и оборудуют ими скважины. П р и м е р. Скважина вскрыла водоносный пласт мощностью 5 м, сложенный тонкозернистыми песками с коэффициентом фильтрации 1 м/сут. Проведенные расчеты показали, что приданной конструкции скважины при расходе Q 1 л/с наблюдаетс  ламинарный режим фильтрации в околоскважинной зоне, а при л/с -турбулентный . При откачке с Дебитом Q ,0,8 л/с получим характер изменени  скоростей фильтрации и перепадов давлени  на фильтре согласно данным в табл. 1. Закон распределени  скоррсти по длине фильтра в этом случае описываетс  выражением (5) с параметром у 1,0. При использовании в расчетах удобных размерностей Q л/с, I, м; К м/cyt, ЛЬ. м, т. м рекомендуетс  использовать в (б) переводной коэффициент 2,73. Тогда первый член (8) можно представить -. 273KEAh Ig г/Го 2.73KEAh 10 Q 2,73 К Дh г Го 10 Q где го - радиус скважины у нижних работающих отверстий фильтра; го - радиус прифильтровой зоны выше нижних работающих отверстий филь-тра, на котором наблюдаетс  такое же давление, как и на удалении го у нижних отверстий. Подставл   в (13) исходные Данные, получим 17.06 А h Расчеты по (14) позвол ют определить распределение зоны посто нного давлени  по длине рассматриваемого интервала. Результаты расчетов представлены в табл. 1 в графё 6. Графа 5 характеризует перепад давлени  между различными сечени ми фильтра. Так перепад давлени  между отверсти ми на уровне 0,85 м и м составл ет 0,001 мм/вод.ст. В графе б показана величина приращени  радиуса прифильтровой зоны, на которую удал етс  поверхность посто нного давлени  от скважины. Так на интервале фильтра 0,85-0,95 м радиус зоны посто нного, давлени  увеличилс  с 0,089 до 0.0925, т.е. приращение радиуса Дг составило 0,0035 м. . Угол наклона градиента давлени  и скорости фильтрации поверхности, перпендикул рной оси скважины и фильтра составл ет « arctg (15) Подставл   в (15) значени  из табл. 1 ( графы 2 и 7), получим угол наклона градиента и скорости фильтрации к оси симметрии пласта а. Как показали расчеты, вектор скорости и градиента фильтрации на интервале фильтра 0,85-1,45 м измен ет угол наклона к поверхности, перпендикул рной оси скважины и фильтра от 2 до 8°. В этой св зи целесообразно измен ть направление отверстий фильтра по длине фильтра на участке от 0,85 до 1,45 м. На участке фильтра 0,85-0,95 М рациональный наклон отверстий к поверхности, перпендикул рной оси скважины и фильтра, составил 2°, на участке 1,15-1.25 м - 6°. а на участке 1,35-1,45-8°. Изготовили фильтр, в котором ось симметрии отверстий наклонена к поверхности, перпендикул рной оси скважины под расчётным углом П, Оборудовали скважину новой конструкцией фильтра.. Рассмотрим турбулентный приток к фильтру на участке 0,85-0,45 м. При расходе 2,04 л/с в околоскважинной зоне наблюдалась турбулентна  фильтраци . Характер распределени  входных скоростей в фильтр и перепадов давлени  на отверсти х представлены в табл. 2. Дл  удобства расчета второй член уравнени  (8) преобразовали по аналогии с (13) и{14). Ah 9.7-10- (1-1), .02 Ah 1-± -103.02 Ah. г (±-103.02 Ah ) Результаты расчётов по (17) представлены в табл. 2 в графах 6 и 7. Угол наклона градиента и скорости фильтрации в околоскважинной зоне определ ют по формуле (IS). Результаты расчетов по (15) представлены в графе 8. На участке фильтра 0.85-1.5 м рациональный наклон отверстий фил ьтра к поверхности , перпендикул рной его продольной оси измен етс  от 2,0 до 64°. Изготовили фйльтр : с углом наклона отверстий на участке 0,85-1,45 м. соответствующим значени м а в табл. 2. Изготовленным фильтром оборудовали скважину. Сопоставл   ламинарный и турбулентный режим фильтрации флюида к скважине, становитс  очевидным, что при ламинарном режиме вектор градиента и скорости фильтрации , а также и рационального направлени  выполнени  отверстий фильтра более плавно измен ет свое пространственное положение по длине фильтра, чем при турбулентном режиме. Экономический эффект от внедрени  предложенного фильтра обеспечиваетс  за счет снижени  гидравлического сопротивлени  фильтра и как следствие - повышени  удельных дебитов. долговечности работы скважины, суффозионной устойчивости, достоверности разведочных работ. По одной водозаборной скважине средней глубины и типовой конструкции экономический эффект составл ет 2200 руб. Ф о р м у л а и 3 о б р е т е н и   Скважинный фильтр, включающий каркас и намотанную профилированную проволоку треу|;ольного или трапецеидального сечени  с опорными штыр ми, образующую между собой щели, отличающийс  тем. что, с целью снижени  гидравлического сопротивлени , профиль проволоки выполнен мен ющимс  по длине фильтра, а ось симметрии щелей наклонена под острым углом к оси фильтра, причем угол наклона щелей постепенно уменьшаетс  от нижних к верхним щел м фильтра.

Таблица1

Та б лица 2

i.M

(

0.1

tm

1.0

«р

/r/

0.1

фиг.

ГЬм Т

Фиг фиг. 2

W У

фиг.4 h,H

Claims (1)

1. 20 Формула изобретения

   Скважинный фильтр, включающий каркас и намотанную профилированную проволоку треугольного или трапецеидального сечения с опорными штырями, образующую 25 между собой щели, отличающийся тем, что, с целью снижения гидравлического сопротивления, профиль проволоки выполнен меняющимся по длине фильтра, а ось симметрии щелей наклонена под острым углом 30 к оси фильтра, причем угол наклона щелей постепенно уменьшается от нижних к верхним щелям фильтра.

   Таблица 1

   1, м Al, м V см/с h, м Ah, м г, Μ Аг, м α° 0,85 0,95 t,05 1,15 1,25 1,35 1.45 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,26 0,30 0,347 0,405 0,475 0,57 0.675 0,017 0,0027 0,0039 0,0056 0,0074 0,0105 0,0132 0,001 0,0012 0,0017 0,0023 0,0026 0,0027 0,089 0,0925 0,097 0,104 0.114 0,126 0,14 0,0035 0.0045 0,007 0.01 0.012 0.014 2 2.5 4 6 7 8

   Таблица 2

   1, μ ΑΙ. μ Vcm/c h, м Ah, м * Γ, Μ Ar, μ «° 0,85 0,95 1,05 1,15 1,25 1,35 1,45 0.1 0,1 0,1 0,1 0,1 0.1 0,705 0,835 0,975 1,102 1,29 1,465 1,655 0.0125 0,0167 0.0233 0,0337 0,0477 0,0697 0 0978 0.0042 0,0066 0,0104 0,014 0,022 0,0281 0,089 0,092 0,098 0,109 0,129 0,182 0,384 0,003 0,006 0,009 0.02 0,053 0,202 2 3,5 5.2 1.2 0.8 | 64,0