СКВАЖИННЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 2020 года по МПК E21B43/08 

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.

Задача создания изобретения: увеличение прочности скважинного фильтра на изгиб при сохранении прочности на кручение и обеспечении эффективной очистки.

Достигнутые технические результаты: увеличение прочности на изгиб и сохранении прочности на кручение и обеспечении эффективной очистки.

Решение указанных задач достигнуто в скважинном фильтре, содержащем ниппели, муфту и, по меньшей мере, один фильтрующий блок, содержащий фильтрующий элемент со стрингерами, уложенными параллельно оси скважинного фильтра между ограничительными кольцами, и намотанные на них витки профилированной проволоки, отличающийся тем, что каждый фильтрующий блок содержит внутренний стержень, установленный на ней коаксиально с предварительным натягом внешний цилиндр с радиальными отверстиями и стрингерами, выполненными заодно с внешним цилиндром, а соединение внутренней трубы и внешнего цилиндра выполнено через крестовины, установленные внутри ограничительных колец.

Внешний диаметр внутреннего стержня может быть выполнен из соотношения:

D_вн1=(0,2…0,3)D_внф, где:

D_вн1 - внешний диаметр внутреннего стержня,

D_внф - внутренний диаметр фильтра.

Высота профиля стрингеров может быть выполнена из соотношения:

Н₂=(2…5)δ₂, где:

Н₂ - высота профиля стрингера,

δ₂ - толщина внешнего цилиндра.

Толщина стрингеров может быть выполнена из соотношения:

δ_с=(0,8…1,0)δ₂, где:

δ_c - 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 может быть выполнено из условия:

R=(0,2…0,25)а, где:

R - радиус скругления вершины,

а - ширина профилированной проволоки.

D₂>D_вн.

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

D₂>D_вн.

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 с двумя фильтрующими блоками.

Обозначения, принятые в описании

ниппель 1,

муфта 2,

центратор 3,

фильтрующий блок 4,

фильтрующий элемент 5,

стрингер 6,

ограничительно кольцо 7,

профилированная проволока 8,

сварочный шов 9,

контактная сварка 10,

внутренняя полость 11,

внутренний стержень 12,

резьба 13,

внешний цилиндр 14,

радиальные отверстия 15,

контактная поверхность 16,

крестовина 17,

внешняя обойма 18,

внутренняя обойма 19,

обтекатели 20,

вырез конца стрингера 21,

головка под ключ 22,

осевая полость 23,

внутренняя проточка 24,

внутренний торец 25,

внешняя проточка 26,

внешний торец 27,

внутренняя фаска 28,

внешняя фаска 29,

внутренний сварной шов 30,

радиальный вырез 31,

внутренняя поверхность 32,

входной торец 33,

выходной торец 34,

входной обтекатель 35,

выходной обтекатель 36,

промежуточное кольцо 37.

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_м - 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,

а - 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. 3

Скважинный фильтр (фиг. 1) содержит ниппели 1, муфту 2 на верхнем ниппеле 1 и может быть установлен центратор 3. Между ниппелями 1 установлены фильтрующие блоки 4 в виде фильтрующих элементов 5.

Фильтрующий элемент 5, (фиг. 2) содержит стрингеры 6, уложенные параллельно оси ОО скважинного фильтра между ограничительными кольцами 7, и намотанные на них витки профилированной проволоки 8 треугольного сечения.

Соединения ниппелей 1 с ограничительными кольцами 6 и ограничительных колец 7 с фильтрующими элементами 5 выполнено сварочными швами 9.

Соединение профилированной проволоки 8 со стрингерами 6 выполнено контактной сваркой 10.

Внутри скважинного фильтра образована внутренняя полость 11, в которую поступает очищенный добываемый продукт.

Высота профиля стрингеров 6 может быть выполнена из соотношения:

Н₂=(3…5)δ_с, где:

Н₂ - высота профиля стрингера 6,

δ с - толщина стрингера 6.

При такой толщине стрингера 6 его вес уменьшается в 4…5 раз, а прочность на изгиб возрастает в 7 раз при условии выполнения соответствующей высоты профилей стрингеров 6 Н₁.

Сборка стрингеров 6 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 стрингера 5,

δ₂ - толщина стрингера 5.

Из этой формулы следует, что с увеличением высоты профиля стрингера 6 - 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 5 при спуске в скважину.

Более подробное обоснование высоты профиля стрингеров 6 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 6:

Допустимая максимальная высота стирнгера 7 находится в диапазоне:

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

Например, при δ₂=1,0 мм и δ_с=1,0 мм, имеем, что высота профиля стрингеров 6 будет находиться в диапазоне:

Н₂=3,0…5,0 мм.

При δ₂=2,0 мм и δ_с=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) внутренний стержень 12 с резьбой 12, установленный на ней коаксиально внешний цилиндр 14 с радиальными отверстиями 15 и стрингерами 6, выполненными заодно с внешним цилиндром 14. Контактные поверхности 16 стрингеров 6 контактируют с профилированной проволокой 8 и соединены с ней контактной сваркой 10 (фиг. 2, 5 и 6).

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

По первому варианту профилированная проволока 8 скруглена в месте контакта со стрингерами 6 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 трапециевидного поперечного сечения, при этом ее меньшее основание обращено к оси скважинного фильтра ОО.

Внутренний диаметр внутреннего цилиндра 14 может быть выполнен из соотношения:

D₁=(0,2…0,3)D₂, где:

D₁ - внутренний диаметр внутреннего стержня 12,

D₂ - внутренний диаметр внешнего цилиндра 14.

При таких соотношениях размеров загромождение сечения фильтра внутренним стержнем 12 составляет незначительную величину, а если внутренний стержень 12 выполнен в виде трубы и открыта со стороны входного и выходного торцов, то загромождение еще будет меньше. При необходимости торцы могут быть закрыты соответственно обтекателями 20.

При установке обтекателей 20 гидродинамические потри внутри скважинного фильтра во внутренней полости 11 значительно уменьшаются.

На фиг. 5 приведен стрингер 6 с вырезом конца стрингера 21 прямоугольной формы.

На фиг. 6 приведен внутренний стержень 12 с резьбами 13 на концах и с утолщением под ключ 22 и с внутренней полостью 23.

Для более удобного между ограничительными кольцами 6 в одном из вариантов могут быть выполнены радиальные вырезы 31 (фиг. 17).

Возможны 4 варианта скважинного фильтра (фиг. 8…14)

На фиг. 8 приведен первый вариант скважинного фильтра:

D₂≥D_вн, где:

D₂ - внутренний диаметр внешней трубы 13,

D_вн - внутренний диаметр фильтра.

На фиг. 9 приведен второй вариант скважинного фильтра:

D₂=D_вн,

где:

D₂ - внутренний диаметр внешней трубы 13,

D_вн - внутренний диаметр фильтра.

На фиг. 10 приведен третий вариант скважинного фильтра:

D₂≤D_вн,

где:

D₂ - внутренний диаметр внешней трубы 13,

D_вн - внутренний диаметр фильтра.

На фиг. 11 приведен конец стрингера 5, второй вариант и его установка в ограничительное кольцо 6, в котором:

D_внс < D_вн,

На фиг. 11 приведен третий вариант фиг. 11:

D₂<D_вн.

На фиг. 12 приведен первый вариант скважинного фильтра:

D₂≥D_вн,

где:

D₂ - внутренний диаметр внешней трубы 13,

D_вн - внутренний диаметр фильтра.

на фиг. 14 приведен вид В ограничительного кольца 6. Ограничительное кольцо 6 имеет внешнюю фаску 22 на большем диаметре внешнего торца 23 и кольцевую выемку 24 на меньшем диаметре для стыковки к ниппелю 1.

На фиг. 14 приведен вид В,

На фиг. 15 приведен первый вариант ограничительного кольца 7.

На фиг. 16 приведен второй вариант ограничительного кольца 7.

На фиг. 17 приведен третий вариант ограничительного кольца 7 с радиальными папами 31 и внутренней поверхностью 32 конической формы в виде усеченного конуса. На фиг. 18 приведен вид В ограничительного кольца 7, третьего варианта.

На фиг. 18 и 19 приведены два варианта сборки фильтрующих блоков 4. При этом в варианте фиг. 19 применяют только сварные швы 9 с наружной стороны. А в варианте фиг. 20 и с наружной - сварные швы 9 и внутренние сварные швы 30. Второй вариант имеет большую прочность на растяжение.

Сборка скважинного фильтра

При сборке отдельно (фиг. 1…23) изготавливают ниппели 1, ограничительные кольца 7 и фильтрующие элементы 5.

Фильтрующие элементы 5 собирают на оправке (не показано) на которой устанавливают внутренняя обойма 19 со стрингерами 6 и на них наматывают профилированную проволоку 8 периодически приваривая ее к стрингерам 6 контактной сваркой 10 (фиг. 12).

Фильтрующие элементы 5 после из сборки приваривают с обеих сторон к ограничительным кольцам 7 сварочными швами 9 (фиг. 1, 2 и 19, 20).

При помощи вращения внутреннего стержня 12 по резьбам 13, имеющим противоположное направление (правое и левое) создают осевое напряжение натяжения в стрингерах 6. Это улучшает сопротивление изгибу и сжатию скважинного фильтра.

Потом фильтрующие элементы 5 приваривают к ограничительным кольцам 7 при помощи внутренних сварочных швов 30. Ниппеля 1 вставляют во внутренние проточки 24 (фиг. 1, 2 и 19, 20) и приваривают к ограничительным кольцам 7 тоже сварочными швами 9 (фиг. 1 и 2). Возможно изготовление скважинного фильтра с двумя и более фильтрующими блоками 4 (фиг. 21), соединенными промежуточными кольцами 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 8 и далее через зазоры между стрингерами 6 - δ₂ поступает во внутреннюю полость 11 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 8 ни при изготовлении, ни при перевозке и спуске скважинного фильтра в скважину. Это достигнуто контактом профилированной проволоки 8 со стрингерами 6 при приварке, их сварке без вытяжки профилированной проволоки 6 за счет большей площади их контакта между собой.

Проходя через зазоры δ₂ между стрингерами 6 (фиг. 10) во внутреннюю полость 11 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 6 и профилированной проволоки 8.

При применении нескольких фильтрующих блоков 4, их прочность на разрыв, скручивание и вибронагрузки увеличивается.

Применение изобретения позволило:

увеличить прочность скважинного фильтра на изгиб и сохраненить прочности на растяжение и кручение,

- 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.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, конкретно - к средствам фильтрации нефти и газа. Скважинный фильтр содержит ниппели, муфту и, по меньшей мере, один фильтрующий блок, содержащий фильтрующий элемент со стрингерами, уложенными параллельно оси скважинного фильтра между ограничительными кольцами, и намотанные на них витки профилированной проволоки. Каждый фильтрующий блок содержит внутренний стержень, установленный на ней коаксиально с предварительным натягом внешний цилиндр с радиальными отверстиями и стрингерами, выполненными заодно с внешним цилиндром. Соединение внутренней трубы и внешнего цилиндра выполнено через крестовины, установленные внутри ограничительных колец. Увеличивается прочность на изгиб при сохранении прочности на кручение и обеспечении эффективной очистки. 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 23 ил.

1. Скважинный фильтр, содержащий ниппели, муфту и, по меньшей мере, один фильтрующий блок, содержащий фильтрующий элемент со стрингерами, уложенными параллельно оси скважинного фильтра между ограничительными кольцами, и намотанные на них витки профилированной проволоки, отличающийся тем, что каждый фильтрующий блок содержит внутренний стержень, установленный на нем коаксиально с предварительным натягом внешний цилиндр с радиальными отверстиями и стрингерами, выполненными заодно с внешним цилиндром, а соединение внутренней трубы и внешнего цилиндра выполнено через крестовины, установленные внутри ограничительных колец.

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

D_вн1=(0,2…0,3)D_внф, где:

D_вн1 - внешний диаметр внутреннего стержня,

D_внф - внутренний диаметр фильтра.

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

Н₂=(2…5)δ₂, где:

Н₂ - высота профиля стрингера,

δ₂ - толщина внешнего цилиндра.

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

δ_с=(0,8…1,0)δ₂, где:

δ_с - 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 скважного фильтра.

6. Скважинный фильтр по п. 7, отличающийся тем, что радиусное скругление вершины, обращенной к оси скважного фильтра выполнено из условия:

R=(0,2…0,25)а, где:

R - радиус скругления вершины,

а - ширина профилированной проволоки.

D₂>D_вн.

7. 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:

D₂>D_вн.