Скважинный фильтр

Целью сооружения нефтяных, газовых и гидрогеологических скважин является получение устойчивого дебита в течение длительного времени.

Выбор фильтра является основным этапом во всем цикле строительства скважин. В связи с этим проблема обоснования параметров фильтров при проектировании скважин является весьма актуальной, также, как и проблема использования качественных фильтров, изготовленных в заводских условиях.

Массовое применение в нашей стране нашли два типа фильтров: проволочные и сетчатые фильтры на перфорированном трубчатом каркасе из углеродистой стали. Недостатки таких фильтров очевидны – это химическая коррозия металлического каркаса, усугубляемая электрохимической коррозией конструктивных элементов из-за наличия разноименных металлов, двойная фильтрующая поверхность и неопределенная из-за этого скважность, непостоянство межпроволочного зазора при намотке проволоки круглого сечения, склонность к механической закупорке щелей за счет формы входного отверстия и др. Продукты коррозии фильтров вносят значительный вклад в их кольматацию. Существенным является то, что указанные фильтры производятся в условиях механических мастерских буровых компаний. Тем не менее применение таких фильтров в проектах и на практике продолжается и в настоящее время, так как поставки качественных импортных фильтров являются проблемой из-за высокой их стоимости [1-3].

Конструктивно основное применение в мире нашли три типа фильтров: спирально-проволочные фильтры типа «Johnson» из нержавеющей стали, штампованные фильтры с мостообразными отверстиями, выполненные из углеродистой стали с антикоррозионным покрытием или из нержавеющей стали и щелевые фильтры (рис. 1).

РИС. 1. Типы фильтров

Показатели качества перечисленных фильтров – это одинарная фильтрующая поверхность, фиксированный размер щели и некоррозионные материалы. Признанным лидером является фильтр типа «Johnson», обладающий максимальной скважностью (15-40%), идеальной формой входных отверстий и широким диапазоном размеров щелей (от 0,2 до 3,0 мм). Значительно меньшим диапазоном размеров щелей обладает фильтр с мостообразными отверстиями – минимальный размер щелей составляет 1,0 мм, что ограничивает область его применения. Скважность таких фильтров изменяется от 8 до 25%. Минимальной скважностью (7-12%) обладают щелевые фильтры, что диктуется соображениями их прочности. Размер щелей варьируется от 0,3 до 3,0 мм [4-6].

Говоря о выборе типа фильтра, следует учитывать многие факторы, главными из которых являются прочность фильтра, долговечность и его скважность. Прочность фильтров не вызывает вопросов, так как она может варьироваться за счет толщины металла (штампованные фильтры) или размеров профиля проволоки и стрингеров в фильтрах типа Johnson». Как правило, прочность фильтров гарантирует производитель, которому следует лишь указать глубину его установки.

Долговечность фильтра является главным показателем качества сооружения скважин. В настоящее время известно несколько сотен конструкций различных фильтров, которые качественно выполняют свое основное назначение – фильтруют жидкость, в том числе нефть, но при этом через некоторый промежуток времени теряют свою пропускную способность, то есть колы датируются. Фильтры гидрогеологических скважин в 80% случаев кольматируются катионами солей жесткости кальциево-карбонатного класса. Фильтры нефтяных скважин кольматируются чаще всего парафино-смолистыми веществами.

В настоящее время известно большое количество фильтров различной конструкции, но все они имеют главный недостаток – в процессе эксплуатации происходит кольматация фильтрующей поверхности фильтра [7, 8].

В истинно растворенном состоянии в растворе находятся минеральные соли, обогащающие воду ионами, их источниками являются природные залежи известняка, гипсов и доломитов. Жесткость воды обусловлена наличием в ней солей кальция и магния. Жесткость природных вод не является вредной для здоровья, а скорее наоборот, так как кальций способствует выводу из организма кадмия, отрицательно влияющего на сердечнососудистую систему. Однако повышенная жесткость делает воду непригодной для хозяйственно-бытовых нужд, поэтому согласно ГОСТ 2874-82, норма общей жесткости составляет 7 мг-экв/л, а допустимая величина – 10 мг-экв/л.

Одним из традиционных способов улучшения качества воды является использование ионообменных смол, когда ионы натрия, находящиеся в смоле, замещаются на ионы кальция и магния, растворенные в воде но, к сожалению, процесс регенерации сопровождается побочным эффектом: в умягченной воде повышается содержание натрия. Можно использовать обратноосмотические мембранные установки, но они снижают содержание всех солей сразу. Альтернативным способом борьбы с отложениями бикарбонатов кальция и магния является магнитная обработка воды [9, 10, 11].

Сущность метода магнитной обработки состоит в том, что при пересечении водой магнитных силовых линий катионы солей жесткости выделяется не на поверхности фильтра, а в массе раствора.

Механизм образования зародышевых кристаллов под действием магнитного поля происходит следующим образом. Магнитное поле оказывает на диполи воды ориентационно-поляризующее действие, в результате чего происходит изменение структуры воды, заключающееся в изменении вида связи диполей воды между собой; возникает двойная водородная связь вместо одинарной.

Следствием этого является сближение гидратированных ионов Са²⁺ и СО₃^2- и образование соответствующих сочетаний ионов, а в дальнейшем – молекул. Ионы Са²⁺ и СО₃^2-, находящиеся в растворе, присоединяются к этим зародышевым молекулам, образуются местные уплотнения-пересыщения, которые в конечном итоге становятся центрами кристаллизации. Выпадение кольматантов на фильтрах скважин связано с нарушением химического равновесия в пласте и проходит при отборе подземных вод. Нарушение химического равновесия определяется десорбцией свободной углекислоты вследствие изменения ее парциального давления. Как правило, кольматант многокомпонентный, в его составе присутствует кальцит Са(СОз), сидерит Fе(СОз), магнезит Mg(C0₃), пирит FeS₂, пиролюзит Мn0₂ и другие труднорастворимые соединения, которые забивают фильтрующую сетку и фильтр выходит из строя.

Устранить отложения кольматанта, повысить удельный дебит скважин и интенсифицировать процесс отбора флюида через фильтр гидрогеологических скважин возможно за счет новых конструкций фильтра.

Нами предложена конструкция самоочищающегося фильтра гидрогеологических скважин (рис. 2) и получен патент RU №2478775 [11]. Конструкция фильтра не имеет аналогов в практике изготовления фильтрующих элементов.

РИС. 2. Самоочищающийся скважинный фильтр 1 – немагнитная фильтровая труба; 2 – кольцевые магниты; 3 – перфорационные отверстия; 4 – промывочный клапан; 5 – отстойник фильтра; полиэтиленовая или пропиленовая труба; 7 – переводник под обсадную колонну; 8 – переводник под промывочный клапан; 9 – опорные немагнитные стержни; 10 – витки капронового или нейлонового шнура; 11 – фильтрующая обмотка из капронового, нейлонового шнура или синтетической тканевой сетки

Самоочищающийся скважинный фильтр выполнен из немагнитного материала, например полиэтилена или пропилена, состоит из перфорированной трубы в виде автономных секций с фильтрующей поверхностью, прокладочных элементов (опорные стержни и витки шнура), верхних и нижних переводников с расчетной коэрцитивной силой и напряженностью магнитного поля. Фильтр отличается тем, что фильтрующая поверхность выполнена в виде обмотки перфорированной части фильтра немагнитным капроновым профильным шнуром в виде трапеции, волн или синтетической тканевой сетки, кроме того, кольцевые постоянные магниты являются одновременно центраторами фильтра. Верхний переводник выполнен как лево-правый. Левая резьба на «голове» фильтра позволяет отсоединить эксплуатационную колонну от фильтра в случае необходимости и в дальнейшем разбурить его. Трапециевидный капроновый шнур наматывается на перфорированную трубу обратной стороной, т.е. меньшее основание трапеции касается каркаса фильтра. Расстояние между постоянными магнитами подбирается в зависимости от коэрцитивной силы и напряженности магнитного поля.

В результате анализа существующих типов магнитов и предварительного моделирования в качестве основы намагничивающей системы выбрана конструкция постоянных магнитов, имеющая четыре полюса.

При выборе расположения полюсов двух магнитов, размещенных друг над другом, учитывалась необходимость обеспечения их взаимодействия для создания магнитного поля в растворе, находящейся не только во внутреннем диаметре постоянных магнитов, но и в той области трубы, где магниты отсутствуют. Пунктиром на рис. 3 показаны линии магнитного потока, замыкающиеся между полюсами постоянных магнитов.

РИС. 3. Относительное расположение полюсов S, N магнитов.

На основании анализа литературных источников [3, 5], а также предварительного моделирования сделан вывод о том, что чем больше размер поперечного сечения кольцевых постоянных магнитов, тем большее значение напряженности магнитного поля будет достигнуто в его окружении. Таким образом, получены размеры поперечного сечения, согласно наложенным ограничениям: а = 10 мм, b = 70 мм.

При моделировании рассматривались два варианта материалов постоянных магнитов:

1. Магниты NdFeB (неодим-железо-бор) – редкоземельные магниты, отличающиеся высокими магнитными свойствами и низкой стоимостью. К недостаткам магнитов NdFeB относятся: относительно высокая температурную нестабильность, сильная подверженность коррозии. Для устранения последнего постоянные магниты неодим-железо-бор покрывают цинком, никелем, медью или комбинацией этих материалов.

2. Магниты на основе сплавов SmCo (самарий-кобальт) обладают комбинацией чрезвычайно высоких магнитных свойств: высокие значения остаточной магнитной индукции, коэрцитивной силы, а также высокая температурная стабильность и устойчивостью к процессам коррозии. Недостатками магнитов SmCo являются их высокая стоимость и хрупкость. Основным отличительным параметров данных сплавов при моделировании магнитных полей является намагниченность, исходя из этого для изготовления фильтров были использованы постоянные магниты из сплава SmCo.

С целью оптимизации конструкции фильтра и его намагничивающей системы были выполнены экспериментальные исследования на лабораторной установке (рис. 4). Обработка воды осуществлялась в постоянном магнитном поле с напряженностью -320 кА/м.

РИС. 4. Лабораторная установка 1 – самоочищающийся немагнитный фильтр; 2, 5 – емкость для воды; 3 – нагнетательный шланг от насоса; 4 – сливной кран; 6 – электрический насос; 7 – кольцевые постоянные магниты

Эффективность омагничивания воды, как принято в настоящее время считать, объясняется преимущественно воздействием силы Лоренца на ионы, поляризованные молекулы и коллоидные частицы, которое приводит к определенным структурным изменениям раствора.

Было установлено, что на плотность силы Лоренца могут оказывать существенное влияние ряд факторов, в числе которых пространственное распределение магнитной индукции, форма-фактор (геометрические размеры), концентрация и подвижность ионов и коллоидных частиц, профиль скоростей раствора, магнитные свойства раствора и окружающей среды. Эффективность магнитной обработки зависит как от природы воды, ее концентрации, жесткости, температуры, величины pH, так и от режимов магнитной обработки – напряженности магнитного поля в зазоре, числа пар магнитных полюсов, пересекаемых потоком, скорости потока. Изменение одного из параметров приводит к изменению оптимальных значений других параметров.

Применение фильтров данной конструкции при сооружении скважин на нефть позволит избежать выпадения и отложения асфальтенов и парафинов в пласте.

В результате выполнения экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Разработан самоочищающийся скважинный фильтр, на котором смонтированы постоянные магниты из сплава SmCo.

2. Для обеспечения максимальной напряженности магнитного поля размер постоянных магнитов должен быть максимальный: а = 70 мм, b = 70 мм, а расстояние между магнитами – минимально.

3. Выполненное исследование по обоснованию конструкции фильтра и технологии омагничивания воды, поступающей в скважину через фильтр гидрогеологических скважин, не может претендовать на законченность, несмотря на решение целого комплекса вопросов. Работы в этом направлении необходимо расширять и перспективность их не вызывает сомнения, особенно при оборудовании скважин на нефть. Сведения, которыми сейчас располагает наука, позволяют утверждать, что изменение свойств воды и нефти под действием магнитного поля является одной из важнейших проблем современности и заслуживает самого пристального внимания и изучения.
   
   
   

Литература:

1. Третьяк А.Я., Чихоткин В.Ф., Павлунишин А.П. Техника и технология сооружения гидрогеологических скважин. ЮНЦ РАН, 2006, 408 с.

2. Алексеев B.C. Фильтры буровых скважин. Недра 1976, 344 с.

3. Ansoft Maxwell 3D [Электронный ресурс] / Электрон, дан. – Москва: 2010. –– Режим доступа: http://narod.ru/disk/9840402000/Maxwell 3D v ll full book.pdf.html.

4. Bernal J.D., Fowler R.H. A theory of water and ionic solution with particular reference to hydrogen hydroxyl ions // Journal of Chemical Physics V. 1 (8), P. 515 (1933).

5. Арнольд P.P. Расчет и проектирование магнитных систем с постоянными магнитами. – М.: Энергия, 1969. – 184 с.

6. Третьяк А. Я., Бурда М. Л., Шайхутринов Д. В., Онофриенко С. А. Выбор оптимального магнитного поля с целью регенерации фильтров гидрогеологических скважин // Изв. Вузов Сев.-Кавк. Регион. Техн. науки – 2011. – № 4. – с. 121-124.

7. Coey J.M.D., Cass Stephen. Magnetic water treatment // Journal of Magnetism and Magnetic Materials, V. 209, P. 71-74 (2000).

8. Bunyakin A.V. Tree-level discrete quantum model of ideal water chain in and constant magnetic field // International Journal of Quantum Mechanics Research V.l, N 1 October 2013, P. 1-18. http://acascipub.com/lnternational%20Journal%20of%20Quantum%20Mechanics%20Research/Current%20!ssues.php.

9. Третьяк А.Я., Сидоренко П.Ф., Коваленко А.С. Раствор для вскрытия водоносного пласта// Изв. Вузов Сев.-Кавк. Регион. Техн. науки. – 2000. – № 3. – С. 94-96.

10. Коваленко А.С. Комплексная обработка буровых растворов физическими полями // Изв. Вузов Сев.-Кавк. Регион. Техн. науки. – 2003. – № 4. – С. 103-104.

11. Скважинный фильтр, патент на изобретение № 247877 РФ / Третьяк А. Я., Бурда М. Л., Леткевич Ю. Ф. Заяв. 04.05.2011, опубл. 10.04.2013, бюл. № 10.