Фильтр с радиальным потоком текучей среды для подземной скважины и способ его изготовления - RU2159143C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к фильтру с радиальным потоком текучей среды для подземной скважины и способу его изготовления.

Впуск многих подземных скважин для текучей среды (нефти, газа, серы, воды и т. д.) часто включает в себя фильтр для отфильтровывания песка и иных примесей из текучей среды, перед тем как текучая среда нагнетается к поверхности. Если для текучей среды, поступающей в скважину, не обеспечена определенная форма фильтра, песок и иные примеси, обычно переносимые текучей средой, могут заметно уменьшить эффективный срок службы скважинного насоса и/или других устройств, с которыми связана скважина.

Входной фильтр для подземной скважины часто представляет собой фильтр с радиальным потоком текучей среды. Обычно этот тип фильтра имеет трубчатую конфигурацию и окружает производственную трубу, которая имеет большое количество перфораций для обеспечения радиального движения текучей среды в производственный трубопровод. От места ввода текучая среда течет далее, перемещаясь в осевом направлении внутри трубы. Когда труба представляет собой часть производственной трубы для подземных скважин, текучая среда течет вверх к поверхности земли, при этом обычно требуется нагнетание. Безусловно, направление потока в иных случаях применения может быть изменено на обратное. Итак, текучая среда, предназначенная для фильтрации, может поступать в трубу и течь наружу через перфорации трубы, и через окружающий фильтр в камеру или канал для отфильтрованной текучей среды.

Один из предпочтительных вариантов фильтра с радиальным потоком, применяемого для надежного использования в подземных скважинах для текучей среды, раскрыт в патенте США N 2217370 на имя Johnston. В этом патенте фильтр из металлической сетки навит по спирали на перфорированную трубу, при этом может быть применено большое количество слоев сетки. Сетка должна иметь весьма малые отверстия, чтобы отфильтровывать песок и иные мелкие частицы, а следовательно, может быть довольно дорогостоящей и сложной в изготовлении, если должен быть создан эффективный фильтр. Кроме того, фильтр обычно имеет малые размеры в осевом направлении. Длинные фильтры этого типа трудно изготавливать. При коммерческом использовании фильтры этого типа часто создают существенные проблемы как в отношении их работы, так и в отношении экономики.

Другой материал, который используют в фильтрах с радиальным потоком, включая входные фильтры, используемые в подземных скважинах, представляет собой сжатую, войлокообразную фильтровальную пряжу. Пряжа может быть изготовлена из обычных стальных волокон, волокон из нержавеющей стали, волокон из других металлов (например, из латуни) или даже из неметаллических волокон. Наилучший срок службы обычно достигается в случае нержавеющей стали, при этом оправдана относительно высокая цена. В случае фильтровального материала в виде металлической пряжи затруднения в отношении ограничения размера прохода незначительны, так что песок и подобные примеси не могут проходить через фильтр, при этом поток текучей среды не блокируется. Однако фильтры с радиальным потоком для скважин, для которых требуются или необходимы фильтры длиной свыше пяти футов (150 см), по-прежнему имеют ощутимые проблемы в отношении работы, стоимости и изготовления.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание нового, усовершенствованного, простого и недорогого способа изготовления длинного фильтра с радиальным потоком, приемлемого для использования в качестве входного фильтра для подземной скважины с текучей средой, имеющего неизвестную ранее конструкцию, простого, недорогого и долговечного.

Этот технический результат достигается тем, что способ изготовления фильтра с радиальным потоком, пригодного для использования в качестве входного фильтра для производственной трубы подземной скважины для текучей среды с заданным наружным диаметром, согласно изобретению содержит следующие стадии:
а) обеспечение участка трубы выбранной длины L с большим количеством перфораций, имеющей наружный диаметр D1, соответствующий диаметру производственной трубы для подземной скважины с текучей средой;
б) установка участка трубы выбранной длины L с большим количеством перфораций в токарном станке между передней бабкой и задней бабкой токарного станка;
в) расположение полосы фильтровальной пряжи так, чтобы участок полосы пряжи проходил под острым углом X к оси трубы с большим количеством перфораций;
г) крепление одного конца полосы фильтровальной пряжи к одному концу участка трубы;
д) приведение в действие токарного станка для вращения трубы и одновременного перемещения полосы фильтровальной пряжи по пути, параллельному трубе, от одного конца участка трубы выбранной длины L к другому концу так, чтобы полоса фильтровальной пряжи наматывалась по спирали относительно трубы от одного конца участка трубы к другому с сохранением натяжения полосы фильтровальной пряжи;
е) повторение стадии;
д) для наложения большого количества слоев фильтровальной пряжи на внешнюю часть отрезка трубы, при этом полоса формирует поочередные слои фильтровальной пряжи, смещенные друг от друга на угол 2X.

На стадии в) можно использовать полосу фильтровальной пряжи, представляющую собой непрерывную войлокообразную полосу из плотных, беспорядочно направленных волокон, при этом полоса может иметь равномерную толщину и равномерную ширину.

На стадии в) можно использовать полосу пряжи, представляющую собой металлическую пряжу в рулоне, имеющем заданную ось, при этом ось рулона может быть расположена под острым углом X оси трубы с большим количеством перфораций.

Можно использовать на стадии а) трубу с большим количеством перфораций длиной L, составляющей, по меньшей мере, 150 см.

На стадии а) можно использовать трубу с большим количеством перфораций длиной L, составляющей, по меньшей мере, 300 см.

Желательно обеспечить заданный наружный диаметр D2, наружного слоя пряжи, образованного на стадии д), и включить следующую дополнительную стадию:
ж) установка оболочки с большим количеством перфораций вокруг наружного слоя пряжи, при этом оболочка имеет внутренний диаметр, приблизительно равный наружному диаметру D2 наружного слоя пряжи.

Целесообразно стадию е) повторить, по меньшей мере, девять раз, так что на внешнюю часть участка трубы наносят, по меньшей мере, десять слоев металлической пряжи.

Способ может дополнительно содержать стадии:
з) перемещение задней бабки токарного станка в направлении от передней бабки и продвижение трубы в осевом направлении через токарный станок к положению второго участка трубы выбранной длины L с большим количеством перфораций между передней бабкой и задней бабкой токарного станка,
и) повторение стадий в), г), д) для второго участка трубы, для нанесения большого количества налагаемых друг на друга слоев металлической пряжи на его внешнюю поверхность.

Вышеуказанный технический результат достигается также и тем, что фильтр с радиальным потоком текучей среды для подземной скважины, согласно изобретению содержит участок трубы выбранной длины L с большим количеством перфораций, большое количество налагаемых друг на друга слоев из полосы металлической пряжи, навиваемых по спирали под натяжением вокруг внешней части участка трубы с большим количеством перфораций, трубчатую оболочку длиной L с большим количеством перфораций, плотно установленную вокруг внешнего слоя металлической пряжи.

Фильтр может дополнительно содержать трубчатую металлическую сетку, охватывающую внешнюю часть трубы, находящуюся между трубой и, по меньшей мере, некоторыми из слоев металлической пряжи.

Фильтр также может дополнительно содержать трубчатую металлическую сетку, охватывающую внешнюю часть трубы между трубой и внутренним слоем металлической пряжи.

Металл металлической пряжи может представлять собой нержавеющую сталь.

Металл трубчатой металлической сетки может представлять собой нержавеющую сталь.

Трубчатая сетка может представлять собой спряденную сетку из нержавеющей стали.

Далее приводится более подробное описание настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает упрощенный, частично схематический вид в вертикальном сечении обычной подземной скважины;
фиг. 2 - упрощенный, частично схематический вид в плане промежуточной стадии предпочтительного варианта осуществления способа изготовления согласно настоящему изобретению;
фиг. 3 - упрощенный вертикальный вид устройства согласно фиг. 2, причем для лучшей иллюстрации остальной конструкции часть этого устройства не показана;
фиг. 4 - схематический вид в вертикальном сечении по линии IV-IV на фиг. 2;
фиг. 5 - вид в сечении фильтра с радиальным потоком, сконструированного согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.

На фиг. 1 представлен упрощенный, частично схематический вид в вертикальном сечении подземной скважины 1. Скважина 1 может представлять собой нефтяную скважину, газовую скважину, скважину с серой, либо даже водяную скважину, хотя конструкция скважины, показанная на фиг.1, более сложна, чем большинство водяных скважин. Скважина 1 начинается над поверхностью 2 земли и содержит буровой канал, проходящий вниз через покровные формации (верхнюю пустую породу) 3 и формацию 4 залегания текучей среды в формацию 5 подземной (нижней) пустой породы. Канал скважины 1 может быть облицован обсадной трубой 6, которая имеет большое количество отверстий или прорезей 7 в продуктивной зоне или формации 4. Вокруг внешней части обсадной трубы 6 может находиться цементный раствор 8. Обсадная труба 6 обычно представляет собой стальную трубу, хотя части обсадной трубы могут быть покрыты электроизоляцией, либо участки обсадной трубы сами по себе могут быть изготовлены из изолятора, например из пластика, усиленного волокном. Цементный раствор 8 может быть достаточно пористым для возможности прохождения текучей среды, может быть перфорированным для обеспечения допуска текучей среды к отверстиям 7 в обсадной трубе 6, либо его вообще может не быть вокруг всей обсадной трубы или ее части, расположенной в производственной зоне - формации 4 залегания текучей среды. Можно заметить, что для удобства иллюстрации размеры на фиг. 1-5 в некоторых случаях искажены.

Текучая среда из скважины 1 нагнетается вверх через верхнюю часть производственной трубы 9 посредством насоса 10 и наружу через выход 11. Выход 11 проходит через головную часть 12 скважины, которая включает в себя рабочие механизмы скважины, в частности штангу 13 насоса, которая проходит вниз от головной части 12 к насосу 10.

Согласно фиг. 1 ниже насоса 10 находится трубный участок 14 с большим количеством перфораций, то есть фактически перфорированный участок трубы 9. Трубный участок 14 расположен внутри формации 4 залегания текучей среды в той же самой части скважины 1, что и перфорации 7 обсадной трубы. Трубный участок 14 и его перфорации 15 находятся внутри фильтра 16 с радиальным потоком, который может иметь конструкцию, показанную в вышеупомянутом патенте США N 2217370.

При работе скважины 1 текучая среда из формации 4 проходит через цементный раствор 8 и перфорации 7 во внутреннюю часть обсадной трубы 6, как указано стрелкой А. Текучая среда проходит через фильтр 16, который задерживает песок и иные примеси, переносимые текучей средой. Отфильтрованная текучая среда поступает во внутреннюю часть участка 14 производственной трубы 9 через перфорации 15 этой части производственной трубы. От участка 14 трубы текучую среду нагнетают вверх к уровню поверхности 2 земли через внутреннюю часть производственной трубы 9 посредством насоса 10, при этом она вытекает через выходное отверстие 11, как указано стрелками В и С. Поскольку фильтр 16 имеет относительно малую длину L в осевом направлении, он функционирует удовлетворительным образом и может быть изготовлен обычными средствами, причем быстро и экономично. Однако, если длина L, требуемая для фильтра 16, превышает примерно пять футов (150 см), возникают ощутимые проблемы, что обсуждено выше. Цель настоящего изобретения заключается в решении этих проблем.

На фиг. 2 и 3 представлены упрощенные схематические виды устройства для изготовления длинного фильтра с радиальным потоком согласно настоящему изобретению, пригодного для использования на входе производственной трубы подземной скважины для текучей среды. Устройство согласно фиг. 2 и 3 содержит универсальный токарно-винторезный станок 17, включающий в себя переднюю бабку 18, отстоящую от задней бабки 19, которые находятся на противоположных концах станины 20 (фиг. 2). Станина 20 токарного станка может включать в себя участки 21, 22 (фиг.3). Задняя бабка 19 токарного станка 17 может быть установлена на тележке 23, в свою очередь удерживаемую колесами 24, входящими в соприкосновение с направляющим рельсом 25.

Устройство, представленное на фиг. 2, кроме того, включает в себя два дополнительно направляющих рельса 26, 27, которые параллельны рельсу 25, но отстоят от него. Также имеются две тележки 28, 29, которые перемещаются по рельсам соответственно 26, 27 и направляются ими. Тележка 29 удерживает подающий рулон 30 полосы 31 фильтровальной пряжи, что более подробно описано ниже. Полоса 31 предпочтительно имеет равномерную толщину и равномерную ширину. Ось 32 рулона 30 проходит на тележке 29 таким образом, что полоса 31 составляет острый угол X по отношению к оси 33 токарного станка 17. Тележка 28 на рельсе 26 удерживает нажимной цилиндр 34 для текучей среды, имеющий поршневой шток 35, который несет на себе нажимную пластину 36, что ниже будет описано дополнительно. Могут быть установлены два стопорных элемента 37 с тем, чтобы обеспечить точное расположение тележки задней бабки вдоль рельса 25.

По способу согласно изобретению первая стадия заключается в обеспечении выбранной длины L трубы с большим количеством перфораций, имеющей наружный диаметр D1, которая служит в качестве центральной опоры для фильтра с радиальным потоком. На фиг. 2, 3 труба с большим количеством перфораций представляет собой промежуточный участок 38 длиной L и наружным диаметром D1 более длинной трубы 39, которая далее служит в качестве производственной трубы для подземной скважины. Длина L обычно превышает пять футов (150 см). Чтобы в полном объеме реализовать преимущества изобретения, требуемая длина L фильтра должна составлять десять футов (300 см) или более. Вначале трубу 39 устанавливают в токарный станок 17 так, что перфорированный участок 38 располагается между передней бабкой 18 и задней бабкой 19, как показано на фиг. 2 и 3.

В этот момент перед дальнейшими действиями обычно желательно установить на участок 38 трубы 39 между передней бабкой и задней бабкой токарного станка 17 основание 40 из однослойной металлической сетки. Как вариант, основание 40 из металлической сетки может быть установлено на участок 38 трубы 39 перед установкой трубы в токарный станок 17. На фиг. 2, 3 основание 40 из сетки не показано.

Следующая стадия способа согласно изобретению заключается в расположении полосы 31 фильтровальной пряжи под острым углом X к оси 33 трубы. Затем конец полосы фильтровальной пряжи (обычно металлической пряжи) крепят к одному концу участка 38 трубы 39. Согласно фиг. 2 это выполняется посредством установки рулона 30 полосы пряжи на тележке 29 таким образом, что его ось 32 проходит под желаемым углом к положению полосы 31 для пересечения оси 33 трубы под острым углом X. Теперь токарный станок 17 приводится в действие для вращения трубы 39 так, как указано стрелкой D, фиг. 2-4. При вращении трубы 39 происходит стягивание полосы 31 фильтровальной пряжи с подающего рулона 30 в направлении стрелки E, фиг. 2,4. Полоса 31 удерживается в натянутом состоянии и при этом навертывается по спирали вокруг участка 38 трубы. Промежуточный момент навертывания первого слоя полосы фильтровальной пряжи на трубу представлен на фиг. 2. На всем протяжении операции навертывания цилиндр 34 и шток 35 толкают плиту 36 к трубе в направлении стрелки H (фиг. 2, 4) для содействия сохранению натяжения полосы 31 и обеспечения плотной намотки слоев полосы вокруг трубы.

Первый слой полосы фильтровальной пряжи навертывают на перфорированный участок 38 трубы 39 по всей его длине L. На протяжении этой операции полоса 31 должна удерживаться в натянутом состоянии. Для этой цели достаточно плиты 36 и ее рабочего механизма 34, 35, однако для сохранения натяжения полосы 31 может оказаться необходимым некоторое натягивание при вращении рулона 30 с подаваемой пряжей, либо иное средство. На протяжении наматывания всех слоев полосы пряжи на трубу 39 тележки 34 должны перемещаться по путям, параллельным трубе (см. стрелки F и G на фиг. 2), с тем, чтобы осуществлялось равномерное наматывание по спирали. В этом состоит предназначение направляющих рельсов 26, 27 и их зацепления с тележками, соответственно 28, 29.

Когда готовый первый слой полосы 31 фильтровальной пряжи плотно навит по всей длине L перфорированного участка 38 трубы, перемещение тележек 28, 29, которое, как видно на фиг. 2, имело направление слева направо, меняется на обратное. В результате на перфорированную трубу плотно наматывается по спирали второй слой фильтровальной пряжи. Когда второй слой готов, направление перемещения тележек 28, 29 вновь меняется на обратное и начинается намотка третьего слоя. Поочередные перемещения тележек вперед-назад повторяются, при этом труба 39 непрерывно вращается в токарном станке 17 до тех пор, пока желаемое количество спиральных слоев пряжи не будет наложено друг на друга вокруг трубы 39, а точнее на перфорированный участок 38 этой трубы 39. Количество используемых слоев таково, чтобы оно отвечало требованиям, предъявляемым для данного случая применения; предпочтительно, чтобы имелось, по меньшей мере, пять слоев, а часто до пятнадцати слоев или более, в результате чего получают наружный диаметр D2 наружного слоя пряжи.

В некоторых случаях, особенно в некоторых подземных скважинах для текучих сред, таких как "горизонтальные" нефтяные скважины, могут потребоваться длинные фильтры с длиной до нескольких сотен метров или более. Обычно неприемлемо изготовление фильтров, имеющих длину L, фактически составляющую более десяти метров (1000 см). В этом случае приходится использовать подвижный тип задней бабки 19. Задняя бабка 19 перемещается вправо по направляющему рельсу 25, как видно на фиг. 2, 3 с тем, чтобы привести дополнительный участок трубы 39 в положение между задней бабкой 19 и передней бабкой 18 токарного станка 17. При таком изменении положения задней бабки 19 процесс, который описан выше, может быть повторен для формирования второго фильтра, смещенного в осевом направлении вдоль трубы 39 от предыдущего фильтра. Между смежными фильтрами обычно устанавливают уплотнительное кольцо определенной формы (не показано).

На фиг. 5 представлен вид в продольном сечении фильтра 41 с радиальным потоком, сконструированного согласно изобретению. Он включает в себя участок трубы 42 с большим количеством перфораций, имеющим длину L, наружный диаметр DI которого соответствует диаметру трубы 43 без перфораций. Труба 43 может представлять собой производственную трубу скважины с текучей средой. В качестве соединения встык трубы 42, имеющей большое количество перфораций, и неперфорированной трубы 43 показана сварка 44, при этом труба 42 является продолжением трубы 43.

Вокруг внешней части трубы 42 с большим количеством перфораций имеется трубчатая металлическая сетка 45, например спряденная сетка из нержавеющей стали, причем она проходит по всей длине L, на которой имеются перфорации 46. Снаружи от сетки 45 находится большое количество слоев 47 пряжеобразных фильтровальных волокон, расположенных так, что они перекрывают друг друга. Каждый из слоев 47 образован из полосы, состоящей из волокон, обычно металлических волокон, с натяжением навитых по спирали вокруг трубы 42 с перфорациями способом, который описан выше. На фиг. 5 показаны три слоя; в зависимости от предлагаемого использования фильтра 41 может быть применено гораздо большее количество слоев фильтровальной пряжи. Слои пряжи отфильтровывают песок и другие примеси из текучей среды, проходящей во внутреннюю часть фильтра и выходящую наружу через трубу 43. Трубчатая оболочка 48, имеющая длину L и большое количество отверстий или прорезей 49, плотно устанавливается поверх наружного слоя 47 фильтровальной пряжи, имеющей наружный диаметр D2. На конце участка трубы 42, противоположном выходу из трубы 43, может быть установлена крышка 50.

Работа фильтра 41 согласно фиг. 5 весьма проста. Текучая среда с песком или иными несомыми ею примесями входит в отверстия 49 в оболочке 48, как указано стрелками М. Текучая среда проходит через большое количество слоев 47 фильтровальной пряжи, оставляя позади песок и иные примеси. Отфильтрованная текучая среда поступает в центральную открытую зону в трубе 42 через ее перфорации 46 и вытекает из фильтра, как указано стрелками N. Безусловно, для длительного непрерывного потока необходима разность давления поперечно большому количеству слоев фильтра 41, однако это необходимо фактически для любого фильтра. Кроме того, поток может быть обратимым, причем с тем же самым эффектом фильтрации.

Сетка 45 может быть расположена между трубой 42 и, по меньшей мере, некоторые из многочисленных слоев 47 фильтровальной пряжи имеет в фильтре 41 определенное предназначение. Если сетка 45 отсутствует, текучая среда может стремиться временами развивать относительно большие проходы между, по меньшей мере, некоторыми из наружных отверстий 49 в оболочке 48 и внутренними перфорациями 46 в трубе 42. Это увеличение каналов может уменьшить эффективность фильтра 41, в результате чего меньшее количество песка и иных примесей отфильтровывается из текучей среды, проходящей через фильтр.

Во всех вариантах осуществления конструкции предпочтительна пряжа из нержавеющей стали. Полоса пряжи может иметь размеры, приемлемые для данного применения. В нефтяных скважинах полоса из металлической пряжи образуется из волокон, имеющих среднюю толщину порядка 85 микрон и среднюю длину порядка одного метра. Полоса фильтровальной пряжи часто имеет ширину порядка четырех дюймов (10 см) и толщину порядка 0,125 дюйма (0,3 см), однако эти размеры подвергаются значительным изменениям. Обычный диаметр расходного рулона с полосой из волокон пряжи составляет порядка 1,5 фута (0,5 метра), когда рулон полон.

Реферат

Изобретение предназначено для использования в качестве входного фильтра в подземной скважине для текучей среды (нефти, газа, воды). Способ изготовления фильтра с радиальным потоком начинается с обеспечения отрезка трубы с большим количеством перфораций, который может представлять собой единую часть производственной трубы скважины. Трубу устанавливают в универсальный токарно-винторезный станок, при этом перфорированный отрезок находится между передней бабкой и задней бабкой токарного станка. При вращении трубы полоса из металлической (стальной) пряжи навивается вокруг трубы повторяющимися, налагаемыми друг на друга слоями, каждый из которых расположен под острым углом Х к оси трубы, при этом смежные слои смещены на угол 2Х. Готовый фильтр имеет трубчатую проволочную сетку вокруг трубы, расположенную между трубой и внутренним слоем из стальной пряжи, и оболочку с большим количеством перфораций поверх наружного слоя пряжи. Изобретение обеспечивает создание усовершенствованного, простого и недорогого способа изготовления длинного фильтра с радиальным потоком, приемлемого для использования в качестве входного фильтра для подземной скважины с текучей средой, имеющего неизвестную ранее конструкцию, простого, недорогого и долговечного. 2 с. и 12 з.п.ф-лы, 5 ил.

Формула