Скважинный фильтр Советский патент 1992 года по МПК E21B43/08 

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

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

Недостатком данного способа явля10тся высокие потери напора при турбул1й ц и потока в околоскважинной зоне. Кроме того, применение известного способа не обесйечивает совпадение направления фильтрации в фильтре с направлением градиента давления, что обусловлено хаотичным изменением скорости при турбулентной фильтрации и методикой выполнения отверстий фильтра.

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

Недостатком известного фильтра является перпендикулярность 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 постоянна. Нд практике плоска-параллельная фильтрация, как впрочем и радиально-сферичная в чистом виде не встречается. Обычно характер фильтрации носит промежуточный характер между плоско-параллельным и радиальносферичным потоком. Прямым доказательством этого является эпюра входных скоростей в фильтр. Максимальные скорости фильтрации наблюдаются в верхних сечениях фильтра и постепенно (не линейно) убывают по направлению к забою скважины. При плоско-параллельной фильтрации входная скорость по длине фильтра является постоянной величиной, а при радиальносферичной фильтрации работает только верхний участок фильтра высотой, соответствующей его радиусу (остальная часть фильтра не работает). В этой связи очевидно, что градиент фильтрационного потока в реальных скважинных условиях направлен не перпендикулярно оси скважины (и параллельно пласта) и не в направлении верхних отверстий фильтра, а занимает определенное промежуточное положение, зависящее от свойств пласта, его размеров, режимов эксплуатации и др.

При фильтрации потока через известный фильтр направление движения флюида не совпадает с направлением градиента фильтрации, который перпендикулярен линии постоянного давления в околоскважинной зоне. В этой связи известная конструкция фильтра выполняет функцию местного сопротивления, заставляющего поток при прохождении через фмльт эующую оболочку временно изменять свое направление. Поэтому при использовании известного фильтра в реальны х условиях возникают дополнительные потери напора, обсяовленные несовпадением направления и градиента фильтрд«{ии, снижаются экс ппуатационные характеристики скважины.

Несовпадение оси симметрии отверстия и фильтрацион(4Ого потока в отверсти ях 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 оборудования

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

0 пласта. Недостатком известного способа является дополнительное гидравлическое сопротивление фильтра, обрудованное несовпадением направления фильтрации в отверстиях с направлением градиента

5 давления.

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

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

5 данном случае, не исходя из необходимости совпадения направления и градиента фильтрации, а исходя из условия формирования либо гравитационного фильтра, либо микроворонки бесфильтровой скважины. Однако,

0 несмотря на это, в некотором сечении известного фильтра направление и градиент фильтрации могут совпасть, правда не на всем протяжении отверстия, так как оно имеет асимметричную форму. Поэтому, даже при случайном совпадении направления и градиента фильтрации на некотором участке отверстия, потери напора хотя и уменьшатся, но не до возможных значений. Градиент давления или фильтрации на поверхности фильтра не имеет постоянного направления по длине фильтра и изменяется от верхних отверстий фильтра к нижним. Кроме того, абсолютная величина перепада давления у верхних отверстий фильтра значительно больше перепада давления на нижних отверстиях фильтра, причем эпюра абсолютного перепада давления по длине фильтра не носит линейного характера, что обусловлено степенной зависимостью поO терь на гидравлическое трение. В этой связи, использование известного фильтра может лишь в определенном интервале притока да и то не на возможное значение уменьшить потери напора за счет частичного совмещений направления и градиента фильтрации. В остальном интервале градиент и направление фильтраций в.отверстиях известного фильтра не совпадают, что обуславливает дополнительные гидравлические сопротивления и как следствие снижение

эксплуатационных характеристик скважины.

Кроме того, использование известных способов оборудования скважины и фильтров снижает суффозионную устойчивость скважины при эксплуатации. Дело в том, что при несовпадении оси симметрии отверстия и фильтрационного потока в отверстии, что имеет место в случае выполнения отверстий фильтра в направлении, отличном от направления градиента давления, на арочные структуры из частиц песка вокруг отверстий действует асимметричная гидравлическая нагрузка. При асимметричной г11дроДинамической нагрузке арочные структуры не сохраняют устойчивость, что приводит к суффозии.

Цель изобретения - снижение гидравлического сопротивления фильтра.Поставленная цель достигается тем, что в известном скважинном фильтре, в1 л1Очающем каркас и намотанную профилированную проволоку треугольного или трапецеидального сечения с.опорными штырями, образующую между собой,щели, профиль проволоки выполнен меняющимся по длине фильтра, а ось симметрии щелей наклонена под острым углом к оси фильтра, причем угол наклона щелей постепенно уменьшается от нижних к верхним отверстиям фильтра.

Анализ патентной документации, тех.нической литературы не позволяет выявить техническое решение, характеризующееся свойствами, аналогичными свойствам предлагаемого объекта. На основании этого сделан вывод о том, что предлагаемый скважинный фильтр обладает существенными отличийми.

На фиг. 1 представлена характерная эпюра входных скоростей по длине фильтра для ламинарного и турбулентного режима фильтрации; на фиг. 2 - характерная эпюра перепада давления на поверхности фильтра по его длине для ламинарного и турбулентного режима фильтрации с указанием направления градиента фильтрации и скорости фильтрации; на фиг. 3 - поверх ность давления в околоскважинной зоне, На фиг. 4 - график зависимости угла наклона градиента и скорости фильтрации на поверхности фильтра к поверхности, перпендикулярной оси скважины для ламинарного и турбулентного режимов; )а фиг. 5 - принципиальная схема фильтра.

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

:VoCh 6 (1)

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

Vo - скорость фильтрации в нижних отверстиях фильтр или в сечении, на котором осуществляется приток;

D - диаметр фильтра (скважины); fin - гидравлический параметр фильтра. Гидравлический параметр фильтра/гп, в свою очередь, определяется 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 усугубляется по мере уменьшения диаметра фильтра (скважины) при заданном расходе откачки. С удалением от оси скважины эпюра скоростей фильтрации по мощности пласта выравниваются, а на некотрром удалении (близком к радиусу влияния скважины) скорость фильтрации по мощности пласта постоянна..

Увеличение скорости фильтрации в верхних сечениях фильтра и соответственное уменьшение в нижних, вызвано перетеканием жидкости из нижних сечений пласта в верхние по мере фильтрации, т.е. наличием вертикальной составляющей скорости потока. Переток жидкости-из нижних в верхние сечения пласта и фильтра, наличие вертикальной составляющей скорости фильтрации, обусловлено наличием перепада давления между верхними и нижними сечениями пласта и фильтра, наличием вертикальной составляющей градиента давления. Перепад давления на верхних отверстиях фильтра значительно выше, чем на нижних. Величину перепада давления на фильтре как функцию высоты отверстий можно определить, пользуясь известной формулой истечения жидкости из затопленного отверстия.

V ;un 2gh .

(3)

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

.. . е „ VoTiT Vocn-i-- ,м n 2 g h ,

или

2 .

2g ftn}

Закон распределения перепада давления на фильтрующей оболочке по длине фильтра можно получить также, используя известную формулу зависимости скорости фильтрации от длины фильтра, подчиняющуюся закону гиперсинусов

x/.Shyt

(5) V- .

где у- параметр распределения притока. Решая совместно (3) и (1, получим

(6)

ftn 2 g h .

Shy

Преобразуя (6), получим закон распределения давления по длине фильтра - 1 / ShyEx -Tg Выражения (4) и (7) дают хорошую сходимость в реальных условиях. Закон распределения перепада давле- 3€ ния-на фильтре по его длине может быть получен при обработке данных р1асходометрии с учетом выражения (1). С помощью зависимостей (1), (5), на основании зкспериментальных данных, ре- 35 альных результатов расходометрии, строят в масштабе зпюру распределения скоростей фильтрации по длине фильтра (фиг. 1). По полученной эпюре с помощью выраже-. ния (3) и зависимостей (4) и (7) строят эпюру 40 перепада давления на поверхности фильтра по его длине (фиг. 2). Поверхность постоянного давления в околоскважинной зоне может быть найдена различными способами, напри 4ер методом 45 гидродинамического, математического и физического моделирования или непосредственным расчетом. Метод непосредственного расчета основан на сопоставлении .зависимостей (4), ( и уравнения измене- 50 ния давления по мере удаления оТ скважиHbi. Характер изменения давления с расстоянием от скважины определяется выражением . 55 TQ /1 Tf lins T дя кт Лг- ;где т вязкость флюида;

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

m - мощность пласта;

R - радиус влияния скважины; г - расстояние от оси скважины, на котором получено значение давления h.

Оценка режима фильтрации флюида в околоскважинной зоне осуществляется по известной методике.

В случае ламинарной фильтрации давление в пласте по мере удаления от оси скважины определяется первым членом уравнения (8). а при турбулентной - вторым.

Поверхность постоянного давления определяется- величиной радиуса г на некотором уровне фильтра (находящемся от нижних отаерстий на расстоянии Q, при котором давление остается постоянным. Зависимость г от при условии h - const можно определить приравняв правые части уравнений (4) и (8}.

Для ламинарного режима фильтрации получим; g(ftn) ,р ( f- „/..v.,Z 9()nqr С учетом (7) получим формулу поверхнопостоянного давления в околоскважинзоне, используя гиперсинусоидальный н распределения скорости по длине ьтра 1 7 Shyt ч 2 T.Q .. г 2g mSRyУ 2ягКп1; 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 -« Используя ) для 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 распределения зоны постоянногй давления как функцию длины фильтра и расстояния от скважины для ламинарного и турбулентного режима фильтрации флюида в околоскважинной зоне. В масштабе строят поверхность постоянного давления в околоскважй1 ой зоне (фиг, 3). Проведя к полученной поверхности перпендикуляр в любой точке (фиг. 3). получим направление градиента-давлен лй в данной точке (на определенном расстоякйн I от нижних отверстий), рациональное направление фильтрационного потока в фильтре и требуемое направление выполнения отверстий фильтра. Зная 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 наблюдается ламинарный режим фильтрации в околоскважинной зоне, а при л/с -турбулентный. При откачке с Дебитом Q ,0,8 л/с получим характер изменения скоростей фильтрации и перепадов давления на фильтре согласно данным в табл. 1. Закон распределения скоррсти по длине фильтра в этом случае описывается 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 рекомендуется 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 наблюдается такое же давление, как и на удалении го у нижних отверстий. Подставляя в (13) исходные Данные, получим 17.06 А h Расчеты по (14) позволяют определить распределение зоны постоянного давления по длине рассматриваемого интервала. Результаты расчетов представлены в табл. 1 в графё 6. Графа 5 характеризует перепад давления между различными сечениями фильтра. Так перепад давления между отверстиями на уровне 0,85 м и м составляет 0,001 мм/вод.ст. В графе б показана величина приращения радиуса прифильтровой зоны, на которую удаляется поверхность постоянного давления от скважины. Так на интервале фильтра 0,85-0,95 м радиус зоны постоянного, давления увеличился с 0,089 до 0.0925, т.е. приращение радиуса Дг составило 0,0035 м. . Угол наклона градиента давления и скорости фильтрации поверхности, перпендикулярной оси скважины и фильтра составляет « arctg (15) Подставляя в (15) значения 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 изменяет угол наклона к поверхности, перпендикулярной оси скважины и фильтра от 2 до 8°. В этой связи целесообразно изменять 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, перпендикулярной 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, перпендикулярной 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 турбулентная фильтрация. Характер распределения входных скоростей в фильтр и перепадов давления на отверстиях представлены в табл. 2. Для удобства расчета второй член уравнения (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 определяют 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, перпендикулярной его продольной оси изменяется от 2,0 до 64°. Изготовили фйльтр : с углом наклона отверстий на участке 0,85-1,45 м. соответствующим значениям а в табл. 2. Изготовленным фильтром оборудовали скважину. Сопоставляя ламинарный и турбулентный режим фильтрации флюида к скважине, становится очевидным, что при ламинарном режиме вектор градиента и скорости фильтрации, а также и рационального направления выполнения отверстий фильтра более плавно изменяет свое пространственное положение по длине фильтра, чем при турбулентном режиме. Экономический эффект от внедрения предложенного фильтра обеспечивается за счет снижения гидравлического сопротивления фильтра и как следствие - повышения удельных дебитов. долговечности работы скважины, суффозионной устойчивости, достоверности разведочных работ. По одной водозаборной скважине средней глубины и типовой конструкции экономический эффект составляет 2200 руб. Ф о р м у л а и 3 о б р е т е н и я Скважинный фильтр, включающий каркас и намотанную профилированную проволоку треу|;ольного или трапецеидального сечения с опорными штырями, образующую 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 к оси фильтра, причем угол наклона щелей постепенно уменьшается от нижних к верхним щелям фильтра.

Изобретение относится к горному делу и м.б. использовано при оборудований водозаборных, гидрогеологических, нефтяных, газовых и др. скважин в интервале продуктивного пласта, сложенного слабоцементированными породами. Цел'Ь - снижение гидравлического сопротивления. Фильтр состоит из перфорированного каркаса 1 с опорными стержнями 3 и намотанной на них профилированной проволокой 2 треугольного или трапецеидального сечения, профиль по длине фильтра. Ось симметрии щелей наклонена под острым угом к оси фильтра, Угол наклона щелей постепенно уменьшается от нижних к верхним щелям фильтра. Фильтр устанавливают в скважине. При такой конструкции фильтра направление движения фильтрационного потока в щелях совпадает с направлением градиента давления, что снижает потери напора в местных сопротивлениях. Изобретение позволяет увеличить суффозионную устойчивость скважины и удельнь^е дебиты за счет снижения гидравлического сопротивления фильтрационному потоку и его стабилизации. 5 йл.,2 табл.41^•^с*^

Таблица1

Та б лица 2

i.M

(

0.1

tm

«р

/r/

0.1

фиг.

ГЬм Т

Фиг фиг. 2

W У

фиг.4 h,H