Сравнительные характеристики скважинных фильтров

Как уже было отмечено ранее, наиболее распространенным средством защиты внутрискважинного оборудования от механических примесей являются фильтры.

Скважинные фильтры имеют неодинаковую протяженность (от метра до нескольких сотен метров) и конструкцию фильтрующих элементов.

К основным типам конструкций фильтров можно отнести следующие:

1) сетчатые фильтры,

2) проволочные фильтры,

3) щелевые фильтры,

4) гравийные фильтры.

В сетчатых фильтрах фильтрующая поверхность, иногда многослойная, выполнена в виде сетки (см. рис. 3). Данные фильтры позволяют задерживать

остаточно мелкие частицы (до 50 мкм и менее), поэтому довольно часто применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую степень очистки скважинной продукции (см., например, фильтр тонкой очистки). Из недостатков следует выделить сравнительно большие входные сопротивления на сетчатых фильтрах и их низкую ремонтопригодность в случае повреждения или засорения фильтрующих элементов.

Рис. 3. Сетчатый фильтр. а) Общий вид фильтра, б), детали фильтра, в). 1 – опорный каркас, 2 – подкладочная сетка, 3 – проволочная спираль, 4 – фильтрационная сетка, 5 – накладные планки

Основным элементом проволочных фильтров является профилированная проволока, которая наматывается на каркас, состоящих из параллельных стержней. Использоваться треугольные профили проволоки, причем одна из вершин треугольника направлялась внутрь фильтра, а две другие располагались на его внешней стороне. В процессе откачки пластовой жидкости с твердыми частицами поверхность таких щелей не способствует цементации и уплотнению породы, а напротив, стимулирует вынос частиц, меньших по размеру щели, и очищение профильтрованной зоны от шлама, мелких фракций и кольматантов.

Рис. 4 Скважинные фильтры.

Конструкция щелевых (безпроволочных) фильтров имеют много общего с конструкцией проволочных фильтров (см. рис. 5), поскольку и в том и в другом случае пластовая жидкость и механические примеси фильтруются через узкие щели (довольно часто используется название проволочно-щелевой фильтр). В отличие от проволочного фильтра ширина щели для щелевого фильтра всегда строго фиксирована. Основным недостатком классических щелевых фильтров является их низкая скважность – отношение суммарной площади фильтрующих отверстий к общей площади поверхности фильтра. Для увеличения скважности в современных щелевых фильтрах (например, ВМТФ) используется технология, аналогичная той, которая применяется для проволочных фильтров, когда профилированные элементы (кольца или стержни) привариваются к опорным конструкциям. Это препятствует смятию фильтра в процессе спуско-подъемных операций на скважине, делают его конструкцию устойчивой по отношению к внешним воздействиям.

Рис. 5. Щелевые фильтры. а) щели расположены симметрично, б) щели расположены в шахматном порядке, в) двойные щели, г) горизонтальные щели

К гравийным относятся фильтры, у которых поверхность, контактирующая с породой, состоит из искусственно вводимого гравия, расположенного вокруг опорных фильтровых каркасов. Гравийные фильтры собираются на устье скважины, либо намываются непосредственно на забое. Основным преимуществом гравийных фильтров по сравнению с фильтрами других конструкций является то, что они могут успешно применяться при большой неоднородности частиц коллектора.

Рис. 6. Гравийный фильтр

Фильтры устанавливаются в скважину с целью очистки добываемой из пласта жидкости от песка, проппанта и других механических примесей и должны выполнять две основные функции: 1) защита от проникновения твердой фазы, 2) создание минимального гидравлического сопротивления.

Расчет пропускной способности фильтра в зависимости от создаваемого на нем перепада давления в общем случае является сложной задачей, требующей знания геометрических характеристик фильтра, физико-химических свойств пластовой жидкости и гранулометрического состава твердой породы. Простейшая зависимость дебита от перепада давления основана на использовании формулы истечения из затопленного отверстия:

,

где – скорость истечения из отверстия, – коэффициент расхода, – скважность фильтра, – перепад давления в фильтре, – плотность жидкости. Как следует из формулы, скорость и соответственно дебит пропорционален квадратному корню из с коэффициентом , который называется гидравлическим параметром фильтра.

Как показывают многочисленные эксперименты, гидравлический параметр изменяется в широких пределах от 0.2 до 0.9, что объясняется разнообразием условий работы фильтров в реальных условиях и сложностью их классификации и типизации. В таблице 6 приведены данные измерения гидравлического параметра и скважности для фильтров различных конструкций при контакте с породой с разным гранулометрическим составом.

Таблица 6. Результаты промысловых испытаний