Скважинный фильтр

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, конкретно к средствам фильтрации нефти и газа. Устройство содержит ниппели и фильтрующий элемент, содержащий стрингеры, уложенные параллельно оси скважинного фильтра между ограничительными кольцами, и намотанные на них витки профилированной проволоки. Стрингеры выполнены в виде балки двутаврового поперечного сечения с двумя основаниями, размещены радиально и одно их основание контактирует с витками профилированной проволоки, при этом высота стрингеров выполнена из соотношения: Н₂=(2,3…2,8)в₁, где H₁ - высота стрингера, в₁ - ширина меньшего основания стрингера. Уменьшается вес, упрощается конструкция при увеличении прочности на изгиб, сохранении прочности на кручение и обеспечении эффективной очистки. 6 з.п. ф-лы, 15 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей 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 увеличении прочности на изгиб, сохранении прочности на кручение и обеспечении эффективной очистки.

Решение указанной задачи достигнуто в скважинном фильтре, содержащем ниппели, и фильтрующий элемент, содержащий стрингеры, уложенные параллельно оси скважинного фильтра между ограничительными кольцами, и намотанные на них витки профилированной проволоки, тем, что стрингеры выполнены в форме балки двутаврового поперечного сечения с двумя основаниями и одно их основание контактирует с витками профилированной проволоки, при этом высота стрингеров выполнена из соотношения:

Н₂=(2,3…2,8) в₁, где:

H2₁ - высота стрингера,

в₁ - ширина большего основания стрингера.

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

δ=(0,2…0,3) в₁, где:

δ - толщина стрингера 5,

в₁ - ширина меньшего основания 11 стрингера 5.

Профилированная проволока 5 может быть выполнена треугольного поперечного сечения с радиусным скруглением вершины, обращенной к оси скважного фильтра (фиг. 3).

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.

Укладка стингеров при сборке может быть выполнена таким образом, чтобы внутренний диаметр установки стрингеров был равен внутреннему диаметру ограничительных колец (фиг. 8):

D_внс=D_вн,

где: D_внс- внутренний диаметр установки стрингеров,

D_вн, - внутренний диаметр ограничительных колец.

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

D_внс<D_вн.

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

D_внс>D_вн.

Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1-15, где:

- на фиг. 1 приведен скважный фильтр,

- на фиг. 2 приведен фильтрующий элемент,

- на фиг. 3 приведен первый вариант стрингера,

- на фиг. 4 приведен второй вариант стрингера,

- на фиг. 5 приведена укладка третьего варианта стрингеров со скруглением контактной поверхности полок стрингеров,

- на фиг. 6 приведен стрингер с вырезами,

- на фиг. 7 приведен первый вариант профилированной проволоки,

- на фиг. 8 приведен второй вариант профилированной проволоки,

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

- на фиг. 10 приведен второй вариант стрингера и его установка в ограничительное кольцо,

- на фиг. 11 приведен третий вариант стрингера и его установка в ограничительное кольцо,

- на фиг. 12 приведен вид А,

- на фиг 13 приведено ограничительное кольцо в разрезе,

- на фиг. 14 приведен вид В на ограничительное кольцо,

- на фиг. 15 приведен вид В на ограничительное кольцо в сборе со стрингерами.

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,

меньшее основание 12,

большее основание 13,

контактная поверхность 14,

внешняя грань 15,

внутренняя грань16,

боковая грань 17,

конец стрингера 18,

радиальный паз 19,

торец 20,

внутренняя фаска 21,

внешняя фаска 22,

внешний торец 23,

кольцевая проточка 24,

вырез 25.

Н₀ - высота фильтрующего элемента,

H₁ - высота поперечного сечения профилированной проволоки.

Н₂ - высота стрингера,

D_вн - внутренний диаметр фильтра,

D_внс - 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,

R - радиус скругления контактной поверхности,

r₁ - радиус скругления вершины поперечного сечения профилированной проволоки.

Скважинный фильтр (фиг. 1…15) 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 00 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 и 4) выполнены в форме балки двутаврового поперечного сечения.

- стандартный профиль конструктивных элементов из черного проката или дерева, имеющий сечение, близкое по форме к букве «Н», повернутой на 90°. Балка двутаврового профиля в тридцать раз жестче и в семь раз прочнее балки квадратного профиля аналогичной площади сечения, что превосходит прочность швеллера.

Стрингер 5 имеет стойку 11, меньшее основание 12, большее основание 13,

контактная поверхность 14 на большем основании 13, которое может быть выполнено по радиусу R.

При этом возможны три варианта (фиг. 3…5).

Первый вариант, когда ширина стрингеров 5 постоянная и равна в (фиг. 3), Второй вариант, когда стрингер 1 имеет меньшую ширину в₁, с внутренней стороны (ближе к оси ОО фильтра, фиг. 4) контактирующую с профилированной проволокой 7 и большую в₂, контактирующую с профилированной проволокой 7 по контактной поверхности 14 (фиг. 5).

Третий вариант, когда контактная поверхность 15 скруглена радиусом R (фиг. 5).

Высота стрингеров 5 может быть выполнена из соотношения:

Н₂=(2,3…2,8)в₁, где:

Н₂ - высота стрингера 5,

в₁ - ширина меньшего основания 11 стрингера 5.

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 5,

в₁ - ширина меньшего основания 12 стрингера 5.

При такой толщине стрингера 5 его вес уменьшается в 4…5 раз, а прочность на изгиб возрастает в 7 раз при условии выполнения соответствующей высоты профилей стрингеров 5 H₁.

Сборка стрингеров 5 показана на фиг. 5 и 16.

Доказательство оптимальности указанного соотношения размеров для определения высоты стрингера Н₂.

Из сопротивления материалов известно (для прямоугольного профиля):

где:

W - момент сопротивления изгибу,

Н₂ - высота стрингера 5,

b₂ - 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 - 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 нельзя из-за возможности разрушения фильтрующего элемента при спуске в скважину.

Более подробное обоснование высоты стрингеров 5 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 равной 3 мм, учитывая, что Н₀=H₁+Н₂ имеем высоту Н₂ (фиг. 3) стрингеров 5:

H₁=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, внутреннюю полку 12 и внешнюю полку 13, контактную поверхность 14, которая может быть выполнена со скруглением радиусом R (фиг. 5) для лучшего контакта с профилированной проволокой 7 и исключения ее провисания после сварки.

На фиг. 6 приведен стрингер 5 с вырезами 25 прямоугольной формы на концах 19.

Профилированная проволока 7 треугольного сечения может быть выполнена в двух вариантах фиг. 7 и 8.

Первый вариант профилированной проволоки 7 (фиг 7) треугольного поперечного сечения, имеющий внешнюю грань 15, внутреннюю грань 16, а также две боковые грани 17 и радиусное скругление. Радиусное скругление выполнено радиусом R (фиг. 7), притом оптимальный радиус скругления:

R=(0,2…0,25)a,

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

а - ширина профилированной проволоки 7.

Высота профилированной проволоки 6 в поперечном сечении H₁ приблизительно равна 3 мм.

На фиг. 8 приведен второй вариант профилированной проволоки 7, выполненной в поперечном сечении в форме трапеции, меньшее основание 16 которой обращено в сторону оси OO скважинного фильтра, а большее основание 17 - в противоположную сторону.

На фиг. 9 приведен первый вариант укладки конца 18 стрингера 5 и его установка в выемку 19 ограничительное кольцо 6, первый вариант, в котором:

D_внc=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 в радиальные пазы 18 на торцах 20 ограничительных колец 6.

Внутренняя фаска 21 предназначена для сварочного шва 8.

На фиг. 10 приведен второй вариант укладки конца 18 стрингера 5 в ограничительное кольцо 6, в котором:

D_внс<D_вн,

где: D_внс - внутренний диаметр установки стрингеров 5.

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

D_внс<D_вн,

На фиг. 12 приведен вид А варианта фиг. 11:

D_внс<Dвн.

На фиг 13 приведено ограничительное кольцо 6, а 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, а на фиг. 15 - сборка скважинного фильтра.

Сборка скважинного фильтра

При сборке отдельно (фиг. 1…15) изготавливают ниппели 1, ограничительные кольца 6 и фильтрующие элементы 4.

Фильтрующие элементы 4 собирают на оправке (не показано) на которой устанавливают стрингеры 5 на них наматывают профилированную проволоку 7 периодически приваривая ее к стрингерам 5 контактной сваркой 9 (фиг. 12).

Фильтрующие элементы 4 приваривают с обеих сторон к ограничительным кольцам 6 сварочными швами 8 (фиг. 1 и 2).

Ниппеля 1 вставляют в кольцевые выемки 22 (фиг. 13) и приваривают к ограничительным кольцам 6 тоже сварочными швами 8 (фиг. 1 и 2).

РАБОТА СКВАЖИНОГО ФИЛЬТРА

Скважинный фильтр предназначен для очистки нефти или газа от посторонних примесей (фиг. 1…15). 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 9.

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

Проходя через зазоры δ₂ между стрингерами 5, (фиг. 12) во внутреннюю полость 10 добываемый продукт очищается.

Предложенная конструкция обеспечивает улучшение фильтрации за счет стабильности бокового зазора δ_{1 (фиг.} 10) и повышает его прочность за счет предложенного профиля стрингеров 5 и профилированной проволоки 7.

Применение изобретения позволило:

- уменьшить вес скважинного фильтра на 30…50% при увеличении его прочности на изгиб и сохранении прочности на кручение,

- простить конструкцию скважинного фильтра,

- улучшить очистку добываемого продукта за счет уменьшение деформации витков профилированной проволоки при сварке и при спуске скважинного фильтра в скважину.

1. Скважинный фильтр, содержащий ниппели 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 в форме балки двутаврового поперечного сечения с двумя основаниями, размещены радиально и одно их основание контактирует с витками профилированной проволоки, при этом высота стрингеров выполнена из соотношения

Н₂=(2,3…2,8)в₁,

где H₁ - высота стрингера,

в₁ - ширина меньшего основания стрингера.

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

δ=(0,2…0,3) в₁,

где δ - толщина стрингера,

в₁ - ширина меньшего основания стрингера.

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

4. Скважинный фильтр по п. 3, 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.

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 стингеров 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 укладка стингеров при сборке выполнена таким образом, чтобы внутренний диаметр установки стрингеров был больше внутреннего диаметра ограничительных колец:

D_внc>D_вн.