Скважинный фильтр

 

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*^

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s Е 21 В 43/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ (22) 25.08.89 .(46) 15.02,92. Бюл. М 6 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии (72) А.Д.Башкатов, А,И.Алборов, В.С.АлЕксеев, Г,М.Панкратов, Б.B.Àðåñòîâ и В.ВлМакеев (53) 622.245.543(088.8) (56} Башкатов А.Д, Современное состояние и тенденции. развития методов и технических средств сооружения гидрогеологических скважин. M.: Техника и технология геологоразведочных работ. Организация производства. ВИЭМС, 1988, с. 39.

Гаврилко В.M. и др. Фильтры буровых. скважин. М.: Недра, 1985, с, 56. (54) СКВАЖИННЫЙ ФИЛЬТР (57) Изобретение относится к горному делу и м,б. использовано при оборудовании водозаборных, гидрогеологических, нефтяИзобретение относится к горному делу и может быть использовано при оборудован ии водо за борн ых, гидро геологичеоких, нефтяных, газовых и других скважин в интервале продуктивного пласта, сложенного слабосцементированными породами.

Известен способ оборудования фэ льт ровой скважины, заключающийся в определении свойств породы, подборе фильтра и оборудовании скважины в интервале ародуктивного пласта фильтром.

Недостатком данного способа являются высокие потери напора при турбулйзации потока в околоскважинной зоне, Крометого, поименение известного способа не обеспедуктивного пласта, сложенного слабоцементированными породами. Цель 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 скважи-, не, 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 удельные дебиты за счет снижения гидравлического сопротивления фильтрационному потоку и его стабилизации. 5 ил.,2 табл. вжав г

\ чивает совпадение направления фильтра@ ции в фильтре с направлением градиента давления, что обусловлено хаотичным изменением скорости при турбулентной фильт- CJI рации и методикой выполнения отверстий О фильтра.

° Ввввящ

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 осно1712591! стий, что способствует снижению их устойчивости, периодическому разрушению и суффозии, Известен также способ оборудования и 5 фильтровой скважины, заключающийся s и определении свойств породы, подборе е фильтра, режима фильтрзции флюида в околоскважинной зоне и оборудовании скважиа ны фильтром в интервале продуктивного м 10 пласта. Недостатком известного способа г- является дополнительное гидравлическое сопротивление фильтра, обрудованное неЗ совпадением направления фильтрации в отверстиях с направлением градиента

- 15 давления..

Р Известен также скважинный фильтр, р ось симметрии отверстий которого не совпадает ни с направлением, перпендикулярным оси скважины (плоско-параллельный х 20 поток), ни с направлением к верхним отверстиям фильтра (радиально-сферичный поток), а занимает промежуточное положение.

) Однако, направление оси симметрии фильтрационного отверстия (щели) выбирается в и 25 данном случае, не исходя из необходимости совпадения направления и градиента фильтрации, а исходя из условия формирования о либо гравитационного фильтра, либо микроворонки бесфильтровой скважины. Однако, ь 30 несмотря на это, в некотором сечении известного фильтра направление и градиент в фильтрации могут совпасть, правда не на н всем протяжении отверстия, так как оно имеет асимметричную форму. Поэтому, дах 35 же при случайном совпадении направления и градиента фильтрации на некотором учае стке отверстия, потери напора хотя и уменьв шатся, но не до возможных значений, Градиент давления или фильтрации на пот- 40 верхности фильтра ие имеет постоянного а направления по длине фильтра и изменяета ся от верхних отверстий фильтра к нижним.

Кроме того, абсолютная величина перепада давления у верхних отверстий фильтра зна50 ве, Отверстие расширяется внутрь скважи ны, что обуславливает относительно высо кие гидравлические свойства фильтра.

Недостатком известного фильтра явля ется перпендикулярность оси симметри отверстий (щели) фильтра оси симметри скважины и фильтровой колонны. Тако пространственное расположение отвер стий рационально только в том случае, когд мы имеем дело с плоско-параллельны фильтрационным потоком в скважину и ко да скорость притока в фильтр в любом сече нии независимо от длины постоянна. Н практике плоско-параллельная фильтрация как впрочем и радиально-сферичная в чис том виде не встречается. Обычно характе фильтрации носит промежуточный характе между плоско-параллельным и радиальносферичным потоком. Прямым доказательст вом этого является эпюра входны скоростей в фильтр. Максимальные скоро сти фильтрации наблюдаются в верхних се чениях фильтра и постепенно (не линейно убывают по направлению к забою скважи ны. При плоско-параллельной фильтраци входная скорость по длине фильтра являет ся постоянной величиной, а при радиальносферичной фильтрации работает тольк верхний участок фильтра высотой, соответ ствующей его радиусу (остальная част фильтра не работает}. В этой связи очевид но, что градиент фильтрационного потока реальных скважинных условиях направле не перпендикулярно оси скважины(и парал лельно пласта) и не в направлении:верхни отверстий фильтра. а занимает определен ное промежуточное положение. зависяще от свойств. пласта, его размеров, режимо эксплуатации и др.

При фильтрации потока через извес ный фильтр направление движения флюид не совпадает с направлением градиент фильтрации, который перпендикулярен ли нии постоянного давления в околоскважин ной зоне. В этой связи известная конструкция фильтра выполняет функцию местного сопротивления, зз©тавляющего поток при прохождении через фильтрующую оболочку временно изменять свое направление. Поэтому при использовании известного фильтра в реальных условиях возникают дополнительные AoTàðè напора, обсловленные несовпадением направления и градиента фильтрации, снижаются эксплуатационные хэрзктбристикя скважины, Несовпадение оси симметрии отверстия и фильтрзционного потоке в отверстиях. приводит к возникновению асимметричной нагрузки нз арочные, мостовые структуры из частиц песке вокруг отверчительно больше перепада давления на нижних отверстиях фильтра, причем зпюра абсолютного перепада давления по длине фильтра не носит линейного характера, что обусловлено степенной зависимостью потерь на гидравлическое трение. В этой связи, использование известного фильтра может лишь в определенном интервале притока да и то не не возможное значение уменьшить потери напора за счет чзстичного совмещения направления и градиента фильтрации. В остальной интервале градиент и направление фильтрации s.îòâåðñòèÿõ известного фильтра не совпадают, что обуславливает дополнительные гидравлические сопротивления и как следствие снижение

1712591 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 отвер. стия и фильтрационного потока в отверстии, что имеет место в случае выполнения отверстий действует асимметричная гидравлическая нагрузка. При асимметричной гидродинамической нагрузке арочные структуры не 15 сохраняют устойчивость, что приводит к суффозии.

Цель изобретения — снижение гидравлического сопротивления фильтра.

Поставленная цель достигается тем, что в известном скважинном фильтре, в лачающем каркас и намотанную профилированную проволоку треугольного или

20 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

30 уменьшается от нижних к верхним отверстиям фильтра, Анализ патентной документации, тех.нической литературы не позволяет выявить техническое решение, характеризующееся 35 свойствами, аналогичными свойствам предлагаемого объекта. На основании этого сдепан вывод о том, что предлагаемый скважинный фильтр обладает существенными отличиями, 40

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 45 по его длине для ламинарного и турбулентного режима фильтрации с указанием направления градиента фильтрации и скорости фильтрации; на фиг. 3 — поверх50 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; на фиг. 5- принципиальная схема фильтра.

Фильтр состоит из каркаса 1, опорных

2 штырей и проволоки 3. Скорости фильтрации в фильтр возрастаЮт от нижних к верхним отверстиям по зависимости стий фильтра в направлении, отличном от 10 направления градиента давления, на арочные структуры иэ частиц песка вокруг отвергде Y — скорость фильтрации в фильтр по высоте (от нижних отверстий или сечения, на котором начинается приток;

Че — скорость фильтрации в нижних отверстиях фильтр или в сечении, на котором осуществляется приток;

D — диаметр фильтра (скважины); рп — гидравлический параметр фильтра.

Гидравлический параметр фильтраув, в свою очередь, определяется выражением

D 1 l

p n = 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 эпюры 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 некотором 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 = р и Н2 д й; (3)

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

Но с — —,и и Н2 ц 1, 1712591 или

$Ь t;

Ч3 1,566 и Г

2 ()2сь

ТО у1 1ъ

6К 6 г г/ °

1 V0 9,9666Рл(() Закон распределения перепаде дамения на фильтрующей оболочке по длина фильтра можно получить также, используя известную формулу зависимости скорости фильтрации от длины фильтра, подчиняющуюся закону гиперсинусов где у- пзрзметр распределения притока.

Решая совместно (3) и (5), получим

6-и -=,ии gg Ь. (6)

$Ьу

Преобразуя (6), получим закон распределения давления по длине фильтра

Выражения (4) и (7) дают хорошую сходимость s реальных условиях.

Закон распределения перепаде давления на фильтре по его длине может быть получен при обработке данных рзсходометрии с учетом выражения (1).

С помощью зависимостей (1). (5), нз основании экспериментальных: денных, реальных результатов рзсходометрии, строят в масштабе эпюру распределения скоростей фильтрации по длине фильтре (фиг. 1).

По полученной эпюре с помощью выражения {3) и зависимостей (4) и (7) строя г эпюру перепада давления на йоверхности фильтре по его длине (фиг, 2), Поверхность постоянного давления в околоскважинной зоне может быть найдена . различными способами, например методом гидродинамического, математического и физического моделирования или непосредственным расчетом, Метод непосредственного расчета основан на сопоставлении . зависимостей (4), p) и уравнения изменения давления по мере удаления от скважины. Характер изменения давления с расстоянием от скважины определяется выражением

ra К+ тО 1. 1 . «m +699 К m (9

® где ъ вязкос(гь флюида;

К, К вЂ” коэффициент ламинарной и тур, булентной фильтрации соответственно;

m — мощность пласта; и — радиус влияния скважины;

5 r — расстояние от оси скважины, нз котором получено значение дзвления й.

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

10 В случае лзминарной фильтрации дав-, ление в пласте по мере удаления от оси скважины определяется первым членом уравнения (8). а при турбулентной — вторым.

Поверхность постоянного давления on15 ределяется величиной радиуса г нз некотором уровне фильтра (нзходящемся от нижних отверстий нз расстоянии ф при котором давление остзется постоянным. Зависимость гот упри условии h-const можно .

2О определить приравняв правые части уравнений (4) и (8).

Для ламинарного режима фильтрацию получим

Уо с66.566 п6 Т0, г

g g (pg )9 Тк%% fo (

1 9 SÜ Г z TQ „г

4{) 29 НО / 2ЛКа го

9 = Ъ6Я (-Я вЂ” ) ((О)

45 В случзе турбулентного режима фильтрации имеем

99mV9 96 Щg t (<>I г с . 1

ИспМьзуя (5) для турбулентного режима фильтрвции, получим

1712591

10 а = агс(ц-, Лг (15) Подставляя в (15) значения из табл. 1

5 (грэфы 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

0 к поверхности, перпендикулярной оси скважины и фильтра от 2 до 8О.

В этой связи целесообразно изменять направление отьерстий фильтра по длине фильтра на участке от 0,85 до 1,45 и. На

5 участке фильтра 0,85-0.95 м рациональный наклон отверстий к поверхности, перпендикулярной оси скважины и фильтра, составил

2О, на участке 1,15 — 1,25 м — 6, а на участке

1,35 — 1,45 — 8О.

Изготовили фильтр, в котором ось симметрии отверстий наклонена к поверхности, перпендикулярной оси скважины под расчетным углом а. 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 фильтрэция. Характер распределения входных скоростей в фильтр

0273КЕЛЬ.

Тд г7г, 50

273 К ЕЛЬ.

10 2,73 К ЕЬ Ь.

1 Sh Е у. TQ 1 1

2g (рййу) 4 т щ (i)

Формулы (9, 10) и (11, 12) характеризуют закон распределения зоны постоянного давления как функцию длины фильтра и расстояния от скважины для ламинарного и турбулентного режима фильтрации флюида в околосквэжинной зоне, В масштабе строят поверхность постоянного давления в околоскважинной зоне (фиг. 3). Проведя к полученной поверхности перпендикуляр в любой точке (фиг. 3), получим направление градиента давления в данной точке (на определенном рэсстоявйи

1 от нижних отверстий), рациональное направление фильтрационного потока в фильтре и требуемое направление выполнения отверстий фильтра. Зная рациональное направление оси симметрии отверстий фильт.ра по его длине изготавливают конструкции, (фиг. 5) и оборудуют ими скважины.

Пример. Скважина вскрыла водоносный пласт мощностью 5 м, сложенный тонкоэернистыми песками с коэффициентом фильтрации 1 м/сут, Проведенные расчеты показали, что при данной конструкции скважины при расходе 0 = 1 л/с наблюдается .ламинарный режим фильтрации в околоскважинной зоне, а при 0=2 л/с - турбулентный. При откачке с дебитом 0 -,0;8 л/с получим характер изменения скоростей фильтрации и перепадов давления на фильтре согласно данным в табл. 1.

Закон распределения скорости по длине фильтра в этом случае описывается выражением (5) с параметром y-- 1,0.

При использовании в расчетах удобных размерностей 0 л/с, l, м; К м/cyr. hh. м, е, „ м рекомендуется использовать в (8) переводной коэффициент 2,73, Тогда. первый член (8) можно. представить

1 где го — радиус скважины у нижних рабоТающих отверстий фильтра;

rp — радиус прифильтровой зоны выше нижних работающих отверстий фильтра, на котором наблюдается такое же давление, как и на удалении rp у нижних отверстий.

Подставляя в (13) исходные бранные, получим г = го 101т.оба ь (14) Расчеты по (14) позволяют определить распределение зоны постоянного давления по длине рассматриваемого интервала. Результаты расчетов представлены в табл. 1 в графе 6. Графа 5 характеризует перепад давления между различными сечениями фильтра. Так перепад давления между отверстиями нэ уровне 0,85 м и 0;95 м составляет 0,001 мм/вод.ст. В графе 6 показана величина приращения радиуса прифильтро- . вой зоны, на которую удаляется поверхность постоянного давления от скважины.

Так на интервале фильтра 0,85 — 0,95 м радиус эоны постоянного, давления увеличился с

0,089 до 0.0925, т.е. приращение радиуса Ь составило 0,0035 м.

Угол наклона градиента давления и ско- рости фильтрации поверхности, перпенди- кулярной оси скважины и фильтра составляет

1712591 — — — = 103,02 ЬЬ

1. f

ro r

Таблица 1

Таблица 2 и перепадов давления на отверстиях представлены в табл. 2.

Для удобства расчета второй член уравнения (8) преобразовали по аналогии с (13) и (14). — = — — 103.02 Ь Ь, 1 1 ге (17) г =(— -103,02hh), го

Результаты расчетов по(17) представлены в табл. 2 в графах 6 и 7. Угол наклона градиента и скорости фильтрации в околоскважинной зоне определяют по формуле (15). Результаты расчетов по (15) представлены в графе 8.

На участке фильтра 0,85-1.5 м рациональный наклон отверстий фильтра 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 фильт5 рации, а также и рационального направления выполнения отверстий фильтра более плавно изменяет свое пространственное положение по длине фильтра, чем при турбулентном режиме.

10 Экономический эффект от внедрения предложенного фильтра обеспечивается эа счет снижения гидравлического сопротивления фильтра и как следствие — повышения удельных дебитов, долговечности работы

15 скважины, суффозионной устойчивости, достоверности разведочных работ. flo одной водозаборной скважине средней глубины и типовой конструкции экономический эффект составляет 2200 руб.

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.

3712591

8Н

ЯИ

Nuz. Я фФ

$, H

Редактор И.Сегляник

Состааитель Е.Молчаноеа

Техред 54.МоpгеHтал Корректор; С.Шевкуун

Заказ 519 Тираж Присное

ВНИИПИ Государственного комитета ио изобретениям и открытиям лри ГКНТ СССР

113035; Москва, Ж-ÇS, Раувская н&б., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ,/