Скважинный фильтр Российский патент 2023 года по МПК E21B43/08 E03B3/18 

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности, точнее к оборудованию добывающих скважин.

Проблема выноса механических частиц и песка в работающую скважину является одной из наиболее острых для добывающих скважин. Основным техническим решением для ограничения выноса песка в скважину является установка противопесочного фильтра.

Известен скважинный фильтр (патент РФ №2209299), содержащий частично перфорированный трубчатый каркас с продольными опорными стержнями, имеющими по наружной поверхности резьбовую нарезку под витки обмоточной проволоки, жестко закрепленные в месте изгиба, отличающийся тем, что частично перфорированный трубчатый каркас между двумя любыми продольными опорными стержнями в месте отсутствия перфорации имеет симметричный продольный паз и дополнительный опорный стержень, жестко закрепленный в нем, а толщина дополнительного опорного стержня меньше толщины продольных опорных стержней на глубину паза резьбовой нарезки, обеспечивая технологический зазор под изгиб.

Недостатками известного скважинного фильтра являются сложность конструкции, способа его изготовления и ограниченная эффективность.

Большая эффективность фильтрации достигается при использовании различных конструкций скважинных гравийных фильтров, описанных в действующих стандартах (ГОСТ 32504-2013 (ISO 17824:2009). Однако, несмотря на разные схемы фильтров, гравийные фильтры имеют общие черты, к которым можно отнести наличие в качестве фильтрующего элемента гранул твердого материала (гравия) и каркаса фильтра. Известны конструкции различных типов гравийных фильтров для гидрогеологических исследований для водосодержащих грунтов, содержащих пески, в которых более 50% частиц размером 0,25-0,5 мм. Рекомендуются фильтры трубчатые с водоприемной поверхностью из проволочной обмотки, сетки или тонкого штампованного листа с гравийной обсыпкой (в книге «Рекомендации по выбору типов и конструкций фильтров для производства инженерных гидрогеологических исследований в строительстве. ПНИИИС Госстроя СССР. Издательство литературы по строительству, Москва - 1972 г. 48 стр.).

Известный гравийный кожуховый фильтр [см. Справочник по оборудованию буровых скважин обсыпными фильтрами / Ю.В. Пятикоп, И.Н. Бандырский, В.Д. Дяченко, В.В. Сенченко.- М.: Колос, 1983. - 96 с], состоящий из следующих основных элементов: опорного перфорированного трубчатого или стержневого каркаса; сетки или проволочной обмотки, предохраняющей скважину от проникновения в нее гравийной обсыпки через отверстия в каркасе; стержней, служащих опорной конструкцией для сетки или проволочной обмотки; гравийной обсыпки, обычно однослойной, толщиной 30-50 мм; кожуха из сетки, штампованного листа или трубы с щелями (щелистые трубы применяют в глубоких скважинах); хомутов, которыми сетчатый кожух притягивается по краям к каркасу (вместо хомутов можно крепить сетку проволокой); поясов жесткости из проволоки, служащих для предохранения сетки от выпучивания в отдельных местах; муфты, если фильтровая колонна собирается с помощью резьбового соединения.

Недостатками фильтра являются сложность, малый ресурс работы и трудоемкость создания и демонтажа фильтра.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является фильтр для ограничения выноса песка в скважину, предложенный в работе (патент US 20020/0378219). В данном скважинном гравийном фильтре упаковку гранул, представляющих собой спроектированную пористую структуру, называемую цифровой упаковкой, изготавливают из материала с памятью формы - полимера, металла или металлического сплава с помощью 3D-печати. В одном из примеров упаковка представляет собой структуру из гранецентрированных сфер, имеющих пористость около 26%. Структура гранецентрированных сфер может быть напечатана как непрерывный блок, в котором каждая из сфер находится в контакте с соседними сферами и сформирована как часть их.

Недостатком известного скважинного фильтра является малая пористость и по этой причине высокая материалоемкость фильтра и ограниченный ресурс работы фильтра.

Для устранения указанных недостатков предлагается скважинный цилиндрический фильтр, включающий массив однотипных фильтрующих элементов из водостойкого материала, упакованных и изготовленных по цифровой 3D-модели методом 3D-печати, и открытое поровое пространство, отличающийся тем, что фильтрующие элементы образованы множеством вертикальных экранов, перекрывающих прямой радиальный приток жидкости и связанных в пространственный каркас коническими поверхностями усеченных конусов с большими основаниями, направленными на забой, при этом доля объема открытого порового пространства в рабочем объеме фильтра составляет не менее 30%.

Изображение конструкции предлагаемого фильтра в виде различных проекций представлено на фиг 1. Вид сбоку (фиг 1.1.) демонстрирует внешний вид фильтра из множества вертикальных экранов. Сечение фильтра по центральной оси цилиндрического фильтра (фиг 1.2, сечение А-А) демонстрирует пересечение конических поверхностей с вертикальными экранами. Сечение, перпендикулярное оси фильтра, представлено на фиг 1.3. (сечение Б-Б).

Сущность изобретения состоит в том, что структура порового пространства фильтра создает максимальные ограничения к попаданию механических частиц внутрь фильтра. С этой целью имеется система вертикальных экранов, ограничивающих движение взвешенных частиц (песка) к внутреннему объему фильтра. Оседающие частицы песка при контакте с экранами оседают на коническую поверхность, с которой скатываются к внешней границе фильтра и далее оседают на забой скважины. Чем круче коническая поверхность, тем больше вероятность оседания песка на забой. Расстояние между экранами определяется конкретным фракционным составом песчаных гранул.

Вместе с тем предлагаемая конструкция фильтра образует связанный пространственный каркас. Этот каркас может быть создан в тех же габаритах, что и известные скважинные фильтры. При этом расход материалов для изготовления фильтра снижается за счет изготовления фильтра с высокой пористостью и с более высокой долей свободного порового пространства в общем рабочем объеме фильтра. При изготовлении фильтра методом 3D-печати пористость можно сделать высокой при изготовлении элементов фильтра (экранов и конусов) минимальной толщины. Это важно в случае изготовления фильтра из металла, так как 3D-печать металлом более дорогая по сравнению с печатью полимерами. Пористость предлагаемой конструкции фильтра составляет не менее 30%, что выше, чем у известного фильтра - 26%. Максимальная пористость ограничена только прочностными свойствами материала и конструкцией фильтра.

Пример работоспособности описываемого скважинного фильтра.

Собран модельный стенд, включающий сосуд объемом 5 литров с 5%-ой суспензией песка фракции 0.1-0.2 мм. Работой мешалки обеспечивалось взвешенное состояние частиц песка в воде. В ту же емкость помещался изготовленный фильтр, спроектированный под внешний диаметр 50 мм с расположением экранов согласно фиг. 1. Из внутреннего объема фильтра всасывающим насосом отбиралась со дна жидкость и определялось содержание в ней песка. Отсутствие частиц песка во внутреннем объеме фильтра доказало работоспособность фильтра.

Применение описываемого технического решения позволит ограничить или исключить попадание механических частиц в поток добываемого флюида - жидкости или газа.

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности, к оборудованию добывающих скважин и может быть также использовано в вододобывающих скважинах. Устройство включает массив однотипных фильтрующих элементов из водостойкого материала, упакованных и изготовленных по цифровой 3D-модели методом 3D-печати. Фильтрующие элементы образованы множеством вертикальных экранов, перекрывающих прямой радиальный приток жидкости и связанных в пространственный каркас коническими поверхностями усеченных конусов с большими основаниями, направленными на забой. Доля объема открытого порового пространства в рабочем объеме фильтра составляет не менее 30%. Повышается пористость, снижается материалоемкость, повышается ресурс работы фильтра. 3 ил.

Скважинный цилиндрический фильтр, включающий массив однотипных фильтрующих элементов из водостойкого материала, упакованных и изготовленных по цифровой 3D-модели методом 3D-печати, и открытое поровое пространство, отличающийся тем, что фильтрующие элементы образованы множеством вертикальных экранов, перекрывающих прямой радиальный приток жидкости и связанных в пространственный каркас коническими поверхностями усеченных конусов с большими основаниями, направленными на забой, при этом доля объема открытого порового пространства в рабочем объеме фильтра составляет не менее 30%.