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: высокий вес, соизмеримый с весом каркасного фильтра и сложность конструкции.

Задача создания изобретения уменьшение веса и упрощение конструкции скважинного фильтра при обеспечении эффективной очистки.

Решение указанной задачи достигнуто в скважинном фильтре, содержащем ниппели, муфту и фильтрующий элемент, содержащий стрингеры, уложенные параллельно оси скважинного фильтра между ограничительными кольцами, и намотанные на них витки профилированной проволоки, отличающийся тем, что стрингеры выполнены «S» - образного или "Z" - образного поперечного сечения, размещены радиально и одно их основание контактирует с витками профилированной проволоки.

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:

R₁=(0,2…0,25)а, где:

R₁ -радиус скругления вершины,

а - ширина профилированной проволоки.

Укладка стингеров может быть выполнена таким образом, чтобы внутренний диаметр установки стрингеров был больше внутреннего диаметра ограничительных колец:

D_внс>D_вн.

Укладка стингеров может быть выполнена таким образом, чтобы внутренний диаметр установки стрингеров был равен внутреннему диаметру ограничительных колец:

D_внс=D_вн,

где: D_внс - внутренний диаметр установки стрингеров,

D_вн, - внутренний диаметр ограничительных колец.

Укладка стингеров может быть выполнена таким образом, чтобы внутренний диаметр установки стрингеров был меньше внутреннего диаметра ограничительных колец:

D_внс<D_вн.

Вешний диаметр фильтрующего элемента может быть выполнен меньше внешнего диаметра муфты:

D_ф<D_м.

Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1-13, где:

- на фиг. 1 приведена скважный фильтр,

- на фиг. 2 приведен фильтрующий элемент,

- на фиг. 3 приведен первый вариант укладки стрингеров,

- на фиг. 4 приведен второй вариант укладки стрингера,

- на фиг. 5 приведен третий вариант укладки стрингеров,

- на фиг. 6 приведен первый вариант профилированной проволоки,

- на фиг. 7 приведен второй вариант профилированной проволоки,

- на фиг. 8 приведен конец стрингера и его установка в ограничительное кольцо, первый вариант,

- на фиг. 9 приведен конец стрингера и его установка в ограничительное кольцо, второй вариант,

- на фиг. 10 приведена сборка фильтрующего элемента,

- на фиг. 11 приведен вид А,

- на фиг. 12 приведено ограничительное кольцо,

- на фиг. 13 приведен вид В.

Обозначения, принятые в описании:

ниппель 1,

муфта 2,

центратор 3,

фильтрующий элемент 4,

стрингер 5,

ограничительно кольцо 6,

профилированная проволока 7,

сварочный шов 8,

контактная сварка 9,

внутренняя полость 10,

стойка 11,

внутреннее основание 12,

внешнее основание 13,

контактная поверхность 14,

внешняя грань 15,

внутренняя грань 16,

боковая грань 17,

конец стрингера 18,

радиальный паз 19,

внутренний торец 20,

внутренняя фаска 21,

внешний торец 22,

внешняя фаска 23,

внутренняя проточка 24,

вырез 25,

Н₀ - высота фильтрующего элемента,

H₁ - высота поперечного сечения профилированной проволоки.

Н₂ - высота профиля стрингера,

D_вн - внутренний диаметр фильтра,

D_фнс - внутренний диаметр установки стрингеров,

D_м - наружный диаметр муфты,

D_ф - диаметр фильтрующего элемента,

а - ширина профиля поперечного сечения профилированной проволоки

b - ширина стрингера,

b₁ - минимальная ширина стрингера в сечении,

b₂ - максимальная ширина стрингера в сечении,

δ₁ - фильтрующий зазор,

δ₂ - зазор между стрингерами,

t - шаг установки стрингеров,

R₁ - радиус скругления контактной поверхности,

r - радиус скругления вершины.

Скважинный фильтр (фиг. 1…13) 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 ОО 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 выполнено контактной сваркой 9.

Внутри фильтра образована внутренняя полость 10, в которой находится очищенный добываемый продукт.

Стрингеры 5 (фиг. 3) выполнены «S» - образной или « Z» - образной формы в поперечном сечении.

Высота стрингеров может быть выполнена из соотношения:

Н₁=(2,3…2,8)в₁ где:

H₁ - высота стрингера,

в₁ - ширина большего основания стрингера.

H₁ - высота стингеров 5.

Толщина стрингеров 5 (фиг. 3) δ может быть выполнена из соотношения:

δ=(0,2…0,3)в₁ где:

δ - толщина стрингера 3,

δ₁ - зазор между рядами профилированной проволоки,

δ₂ - зазор между рядами стрингеров,

в₁ - ширина большего основания стрингера.

Доказательство оптимальности указанного соотношения размеров для определения высоты стрингера Н₁.

Из сопротивления материалов известно (для прямоугольного профиля):

, где:

W - момент сопротивления изгибу,

H₁ - высота стрингера 5,

b₁ - минимальная ширина стрингера 5.

Если ширина стрингера 5 постоянная, то принимают b (фиг. 4 и 5).

Из этой формулы следует, что с увеличением высоты стрингера 5 - H₁ его сопротивление изгибу возрастает с квадратичной зависимостью (Табл. 1). Однако верхний передел ограничен наружным диаметральным габаритом скважинного фильтра: сделать фильтрующий элемент 4 диаметром больше внешнего диаметра муфты 7 нельзя из-за возможности разрушения фильтрующего элемента при спуске в скважину.

Более подробно доказательство оптимальности заявленного соотношений размеров и возможности реализации приведены некоторые данные в табл.1, частично позаимствованных из ГОСТ 633 - 80 Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Технические условия. Возможно применение 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 H₁ равной 3 мм, учитывая, что Н₀=H₁+Н₂, имеем высоту Н₂ (фиг. 3) стрингеров 5:

Н₂=10,5…13,0 мм, что вполне достаточно для изготовления тонкостенного профилированного проката.

Технологии изготовления тонкостенного профилированного проката известны из пат. РФ №2163869, МПК B21D 26/06, опубл. 10.03.2001 и пат. РФ №2338620, МПК B21J 5/12, опубл. 10.10.2007.

Стрингеры 5 имеют стойку 11, первое основание 12 и второе основание 13, контактную поверхность 14, которая может быть выполнена со скруглением радиусом R (фиг. 3).

Профилированная проволока 7 сечения может быть выполнена двух вариантах (фиг. 5 и 6).

Первый вариант профилированной проволоки 7 (фиг 5) выполнена треугольного поперечного сечения, имеющий внешнюю грань 15, внутреннюю грань 16, а также две боковые грани 17 и радиусное скругление.

Радиусное скругление, выполнено радиусом r₁ (фиг. 5), при том оптимальный радиус скругления:

г₁=(0,2…0,25)а,

Где: r₁ - радиус радиусного скругления при вершине поперечного сечения профилированной проволоки 7, где:

а - ширина профилированной проволоки 7.

Высота H₁ приблизительно равна 3 мм.

На фиг. 6 приведен второй вариант профилированной проволоки 7 выполненной в поперечном сечении в форме трапеции, большее основание 15 которой обращено в сторону профилированной проволоки 7. меньшее основание 16 обращено в сторону оси ОО скважинного фильтра и две боковые грани 17.

На фиг. 7 приведен конец 18 стрингера 5 с выемкой 25 и его установка в ограничительное кольцо 6, первый вариант, в котором:

D_внс≥D_вн,

где: D_внс - внутренний диаметр установки стрингеров 5,

D_вн, - внутренний диаметр ниппелей 1 и ограничительных колец 6.

Концы 18 стрингеров 5 могут быть перед приваркой уложены в выполненные с равномерным шагом радиальные пазы 19 на торцах 20 ограничительных колец 6.

Ограничительное кольцо 6 имеет на внешнем торце 22 внешнюю фаску 23 и внутреннюю проточу 24.

Внутренняя фаска 21 предназначена для сварочного шва 8.

На фиг. 8 приведен конец 18 стрингера 5 с вырезом 25 и его установка в ограничительное кольцо 6, первый вариант, в котором:

D_внс=D_вн,

где: D_внс - внутренний диаметр установки стрингеров 5,

D_вн, - внутренний диаметр ниппелей 1 и ограничительных колец 6.

Концы 18 стрингеров 5 могут быть перед приваркой уложены в выполненные с равномерным шагом радиальные пазы 19 на торцах 20 ограничительных колец 6. Внутренняя фаска 21 предназначена для сварочного шва 8.

На фиг. 9 приведен конец стрингера 5, второй вариант и его установка в ограничительное кольцо 6, в котором:

D_внс≤D.

На фиг. 10 приведена соединение фильтрующего элемента 4 с ограничительным кольцом 6,а на фиг. 11 - вид В, при этом необходимо соблюдать соотношение:

D_макс≤D_м,

где: D_макс - максимальный диаметр фильтрующего элемента,

D_м - внешний диаметр муфты 2

На фиг. 12 приведено ограничительное кольцо 6, а на фиг. 13 приведен вид В ограничительного кольца 6. Ограничительное кольцо 6 имеет внутреннюю и внешнюю фаски 21 и 23 и внутреннюю проточку 24 на меньшем диаметре для стыковки к ниппелю 1.

Сборка скважинного фильтра

При сборке отдельно (фиг. 1…13) изготавливают ниппели 1, ограничительные кольца 6 и фильтрующие элементы 4.

Фильтрующие элементы 4 приваривают с обеих сторон к ограничительным кольцам 6 сварочными швами 8.

Ниппеля 1 приваривают к ограничительным кольцам 6 тоже сварочными швами 8.

РАБОТА СКВАЖИНОГО ФИЛЬТРА

Скважинный фильтр предназначен для очистки нефти или газа от посторонних примесей (фиг. 1…13). 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.

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 при изготовлении, при перевозке и спуске скважинного фильтра в скважину. Это достигнуто контактом профилированной проволоки 7 со стрингерами 5 при приварке их сварке за счет большей площади их контакта.

Проходя через зазоры δ₂ между стрингерами 5, (фиг. 11) во внутреннюю полость 10 добываемый продукт очищается.

Предложенная конструкция обеспечивает улучшение фильтрации за счет стабильности бокового зазора δ₁ и повышает его прочность за счет предложенных профилей стрингеров 5 и профилированной проволоки 7.

Применение изобретения позволило:

- уменьшить вес скважинного фильтра на 30…50% при сохранении его прочности,

- простить конструкцию скважинного фильтра,

- улучшить очистку добываемого продукта за счет уменьшение деформации витков профилированной проволоки при сборке 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 фильтрующий элемент, содержащий стрингеры, уложенные параллельно оси скважинного фильтра между ограничительными кольцами, и намотанные на них витки профилированной проволоки. Стрингеры выполнены «S»-образного или "Z"-образного поперечного сечения, размещены радиально и одно их основание контактирует с витками профилированной проволоки. Обеспечивается снижение веса фильтра при сохранении прочности. 7 з.п. ф-лы, 1 табл., 13 ил.

1. Скважинный фильтр, содержащий ниппели, муфту и фильтрующий элемент, содержащий стрингеры, уложенные параллельно оси скважинного фильтра между ограничительными кольцами, и намотанные на них витки профилированной проволоки, отличающийся тем, что стрингеры выполнены «S»-образного или "Z"-образного поперечного сечения, размещены радиально и одно их основание контактирует с витками профилированной проволоки.

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

3. Скважинный фильтр по п. 2, отличающийся тем, что радиусное скругление вершины, обращенной к оси скважного фильтра, выполнено из условия:

R₁=(0,2…0,25) а, где:

R₁ -радиус скругления вершины,

а - ширина профилированной проволоки.

4. Скважинный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что укладка стингеров при сборке выполнена таким образом, чтобы внутренний диаметр установки стрингеров был больше внутреннего диаметра ограничительных колец:

D_внс>D_вн.

5. Скважинный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что укладка стингеров при сборке выполнена таким образом, чтобы внутренний диаметр установки стрингеров был равен внутреннему диаметру ограничительных колец:

D_внс=D_вн.

где: D_внс - внутренний диаметр установки стрингеров,

D_вн, - внутренний диаметр ограничительных колец.

6. Скважинный фильтр по п.1, отличающийся тем, что укладка стрингеров при сборке выполнена таким образом, чтобы внутренний диаметр установки стрингеров был меньше внутреннего диаметра ограничительных колец:

D_внс < D_вн

7_. Скважинный фильтр по п.1, отличающийся тем, что внешний диаметр фильтрующего элемента меньше внешнего диаметра муфты:

D_ф < D_м.