В работе [1] приведена статистика причин отказов, на базе которой проводится анализ и разрабатываются мероприятия по снижению аварий. В работах [2, 3] представлен обзор существующих методов борьбы с механическими примесями. Одним из методов ограничения попадания механических примесей в насос является применение в установке электроприводных лопастных насосов (УЭЛН) специальных фильтров. С 1993 г. ООО «РЕАМ-РТИ» освоены технологии, заимствованные из авиакосмической отрасли, и созданы, и совершенствуются собственные технологии для серийного производства изделий из проволочно-проницаемых материалов (ППМ).
На основе технологий изготовления изделий из ППМ Общество «РЕАМ-РТИ» занимается проектированием и изготовлением фильтрующих элементов (ФЭ) для скважинных фильтров, а также предлагает на рынке фильтры собственной разработки и производства в условных габаритах 4, 5, 5А и 7А – фильтров – входных модулей (рис. 1) и подвесных фильтров (рис. 2) для УЭЛН. Фильтры изготавливаются в коррозионностойком и некоррозионностойком исполнении и предназначены для фильтрации из пластового флюида механических примесей размером более 100 мкм.
Успешный опыт эксплуатации УЭЛН с фильтроэлементами из ППМ показал эффективность этих фильтров, а также возможность их применения в осложненных условиях, где наблюдаются такие явления, как сульфидное коррозионное растрескивание под напряжением (СКРН).
Основываясь на требовании заказчиков по увеличению надежности и ремонтопригодности оборудования, в «РЕАМ-РТИ» разработаны и предлагаются потребителю новые конструкции фильтров – входных модулей с бесперфорированным корпусом. На рис 3, 4 представлены конструктивные схемы старого и нового фильтров.
Развитость поверхности ППМ и низкое гидравлическое сопротивление позволили уменьшить в 1,5…2 раза габаритную длину фильтра по сравнению с фильтрующими системами на щелевых решетках. Однако этого оказалось недостаточно.
В соответствии с требованиями «НК «Роснефть», а  именно АО «РН – Самаранефтегаз», с целью снижения затрат возникла необходимость в разработке короткого фильтра, который должен максимально быть приближен к требуемым расходам пластовой жидкости от 250 м³ сут и выше и с высокой способностью к регенерации.
С целью снижения гидравлического сопротивления при высоких подачах и повышенной тонкости фильтрации менее 100 мкм специалистами ООО «РЕАМ-РТИ» разработан инновационный фильтрующий блок, с использованием новой фильтрующей структуры из проволочных материалов с упруго растянутыми проницаемыми материалами ( ППМ-УР), играющими роль фильтрующих экранов с малым гидравлическим сопротивлением.
Блок предназначен для использования в составе фильтров – входных модулей и фильтров подвесных для УЭЛН и встраивания их в уже имеющиеся системы очистки с номинальной подачей до 1000 м³/сут и тонкостью фильтрации от 100 до 300 мкм. На данную разработку подана патентная заявка.
Для решения достаточно специфичных и сложных задач в области фильтрации сред (таких, как улучшение регенерации фильтра и увеличение его срока службы) возможно комбинированное послойное исполнение фильтрующей структуры ППМ-УР с добавлением современных технологичных материалов и покрытий.
Для подтверждения свойств фильтрующей структуры ППМ-УР были проведены испытания блоков длиной 500 мм в РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина.
На базе учебно-научной лаборатории кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности была разработана методика и создан стенд для проведения испытаний сепараторов МП и фильтрующих систем. Стенд сертифицирован и входит в аккредитованный межкафедральный центр исследования новых материалов для объектов ТЭК РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина (рис. 5).
На стенде возможно проведение испытаний в широком диапазоне выбора модельных жидкостей и механических примесей, различных подач и условий эксплуатации. В качестве модельной жидкости возможно использование: технической воды (для моделирования условий работы в высокообводненных скважинах и системах ППД), смеси вязких жидкостей с вязкостью до 200 сП (для моделирования условий работы в скважинах с высоковязкой нефтью).
Модельные механические примеси (МП) представлены наиболее часто используемыми марками пропантов и песком с гранулометрическим составом, близким к пластовым МП (рис. 6). За счет использования виброситовой установки существует возможность проведения испытаний при наличии механических примесей отдельно взятого гранулометрического состава.
Для проведения испытаний в РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина были предоставлены блоки с фильтрующей структурой ППМ-УР. БФСР4.02.000 (в дальнейшем – Блок 1) состоит из слоя проволочно-проницаемого материала, с двух сторон зафиксированного сетчатым материалом.
БФСР4.02.000-01 (в дальнейшем – Блок 2) отличается от Блока 1 наличием дополнительного слоя базальтовой ткани, расположенной с внутренней стороны фильтрующей структуры ППМ.
Первым этапом проведения стендовых испытаний является получение гидравлической характеристики исследуемых образцов (рис. 7). Изменяя подачу модельной жидкости при помощи насосной установки, строятся представленные зависимости. Также отдельно проводится снятие гидравлической характеристики стенда без установленного испытываемого образца. На графике (рис. 8) представлены зависимости Блоков 1 и 2 без учета гидравлических сопротивлений деталей стенда.
Испытания показали, что при подачах до 120 м³/сут наличие базальтового фильтрующего слоя не приводит к заметному росту перепада давления. При дальнейшем увеличении подачи происходит заметный рост перепада давления и при подаче 350 м³/сут перепад давления на Блоке 2 превышает в 2, 3 раза перепад давления на Блоке 1.
Следующим этапом является определение коэффициента фильтрации. Он определяется по методике, разработанной в РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина [4].
После проведения испытаний механические примеси, прошедшие через исследуемые Блоки, были проанализированы по гранулометрическому составу, результаты замеров представлены на рис. 9, 10.
Результатом обработки опытных данных является получение зависимости коэффициента фильтрации Кфил от гранулометрического состава механических примесей (рис. 9, 10). Синей линией показано значение коэффициента фильтрации механических примесей определенного гранулометрического состава при фильтрации 95 % этих примесей, что соответствует понятию «тонкость очистки». Для Блока 1 тонкость очистки составила 280 мкм, для Блока 2 – 100 мкм.
Завершающим этапом испытания является определение степени регенерации фильтрующих свойств фильтроэлементов. Эти испытания моделируют условия работы фильтрующих систем при эксплуатации на объектах, оборудованных скважинными штанговыми насосными установками (СШНУ) или при периодической эксплуатации скважин УЭЛН. Граничным условием является рост перепада давления на исследуемом образце на 60 % от номинального (первоначального). Как видно из графиков (рис. 11), рост перепада давления при прохождении потока модельной жидкости через Блок 1 составляет 5 кПа (0,05 кгс/см²), т.е. 11 % от первоначального перепада давлений. По окончанию цикла всасывания при работе СШНУ перепад давления на фильтре снижается до начального уровня.
Рост перепада давления при прохождении потока модельной жидкости через Блок 2 с базальтовой тканью (рис. 12) составляет 27 кПа (0,27 кгс/см²) за 440 се­кунд эксперимента. По окончанию цикла всасывания перепад давления также снижается до начального уровня. Это говорит о хорошей регенеративной способности Блоков при работе в высокообводненных скважинах.
Выводы
1. Выявлено, что Блоки 1 и 2 обладают низкими гидравлическими сопротивлениями. Так, при длине блоков 500 мм и подаче модельной жидкости 250 м³/ сут перепад давления для Блока 1 составляет 0,3 атм., а для Блока 2 – 0,75 атм.
2. Блоки 1 и 2 имеют высокие показатели коэффициента фильтрации механических примесей. Так, тонкость фильтрации Блока 1 составляет 280 мкм. Тонкость фильтрации Блока 2 составляет 100 мкм. Выбор блоков фильтрующих из ППМ-УР и материала внутреннего фильтрующего слоя зависит от условий эксплуатации, в первую очередь – от гранулометрического состава механических примесей.
3. Определена эффективность работы блока фильт­рующего в циклическом режиме, свойственном режиму работы СШНУ. При работе в высокообводненных скважинах такой режим работы повысит время заиливания блока ФЭ за счет самоочищения при движении плунжера насоса вниз.
4. В процессе циклической работы Блоков 1 и 2 выявлена 100 %-ная регенерация пропускной способности после 10 циклов при промывке обратным потоком.
Выбор типа блоков фильтрующих из ППМ-УР и материала внутреннего фильтрующего слоя зависит от условий эксплуатации, в первую очередь – от гранулометрического состава механических примесей (рис. 9 и 10). На основе концепций фильтрующих блоков из ППМ-УР изготовлены блоки на тонкую фильтрацию — менее 5 мкм в габарите 7А для полевых испытаний в составе фильтров для очистки воды при использовании технологий ППД.
Фильтрующие структуры на основе технологий ППМ-УР открывают возможность повысить экономическую привлекательность применения механической очистки скважинной жидкости при добыче нефти в осложненных условиях.
Фильтрующие структуры на основе технологий ППМ-УР защищаются патентами.