Die Erfindung betrifft einen Wickeldrahtfilter zum Filtern von Erdöl, Erdgas oder Wasser nach Anspruch 1, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Wickeldrahtfilters nach Anspruch 10.

Es sind Filter zum Filtern von Erdöl, Erdgas und Wasser aus Reservoiren bekannt. Bei den bekannten Filtern kann es zu Verstopfungen der Filter, zu Deformationen, Korrosion oder Erosion des Filters kommen. Es besteht somit Bedarf, diese Filter zu verbessern und die Standzeiten der Filter zu erhöhen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Wickeldrahtfilter sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Wickeldrahtfilters zu schaffen, der bzw. das verbessert ist und einen Wickeldrahtfilter zu schaffen, der robuster ist und im Einsatz längere Standzeiten aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale der Ansprüche 1 und 10.

Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, dass die Querschnittsprofile der Stützelemente jeweils in radialer Richtung nach außen konisch zulaufend sind und die Stützelemente derart zueinander angeordnet sind, dass diese sich nicht berühren, wobei zumindest die Tragstruktur und der zumindest eine Wickeldraht aus boriertem Stahl bestehen.

Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass der erfindungsgemäße Wickeldrahtfilter wesentlich robuster ist und im Einsatz weniger Korrosionserscheinungen sowie weniger Erosionserscheinungen aufweist. Auch weist der Wickeldrahtfilter bessere Fließeigenschaften auf, wodurch es im Einsatz zu weniger Verstopfungen des Filters kommt. Dadurch, dass der Wickeldrahtfilter aus boriertem Stahl besteht und das Bor beim Borieren in das Material des Wickeldrahtfilters eindringt, löst sich das Bor im Einsatz nicht ab. Auch die Oberflächenhärte ist insgesamt verbessert.

Das Querschnittsprofil des zumindest einen Wickeldrahts kann in radialer Richtung nach innen konisch zulaufend sein.

Zumindest bei 50% der Oberfläche des Wickeldrahtfilters kann der minimale Abstand zwischen zwei Wickeldrahtwicklungen zwischen 1 pm und 50 mm liegen. Der minimale Abstand kann auch Schlitzweite genannt werden. Das Maß des minimalen Abstandes hängt von der Korngröße des umgebenden Bereichs ab, aus dem das Medium herausgefiltert werden soll.

Auf diese Weise kann die Filterung von Erdöl, Erdgas und Wasser optimal durchgeführt werden.

Der minimale Abstand zwischen zwei benachbarten Stützelementen kann größer sein als der minimale Abstand zwischen zwei Wickeldrahtwicklungen.

Innerhalb der Tragstruktur kann ein inneres, perforiertes Rohr angeordnet sein.

Innerhalb der Tragstruktur kann das angeordnete perforierte Rohr ebenfalls mit Bor behandelt sein, bzw. aus boriertem Stahl bestehen. Der Außendurchmesser des Wickeldrahtfilters kann zwischen 30 mm und 300 mm liegen.

Der Wickeldrahtfilter kann an zumindest einem der beiden Enden mit einem Abschlussring verbunden sein, vorzugsweise verschweißt sein.

Die Stützelemente und der Wickeldraht können aus Edelstahl bestehen.

Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen eines Wickeldrahtfilters vorgesehen, das die folgenden Schritte umfasst:

- Bereitstellen von aus Stahl bestehenden Stützelementen, die jeweils Querschnittsprofile aufweisen, die jeweils konisch zulaufend sind,

- Anordnen der Stützelemente, wobei die Stützelemente derart angeordnet werden, dass die angeordneten Stützelemente die Form einer rohrförmigen Tragstruktur bilden und die Querschnittsprofile der Stützelemente jeweils in radialer Richtung nach außen konisch zulaufend sind, wobei die Stützelemente zueinander beabstandet sind und sich nicht berühren,

- Halten der Stützelemente in der angeordneten Form mit Hilfe einer Halteeinrichtung,

- Bereitstellen von zumindest einem aus Stahl bestehenden Wickeldraht,

- Wickeln des Wickeldrahts um die angeordneten und mittels der Halteeinrichtung gehaltenen Stützelemente,

- Verbinden des Wickeldrahts mit den Stützelementen mittels eines Schweißverfahrens,

- Entfernen der Halteeinrichtung,

Borieren des Wickeldrahtfilters. Das Borieren kann folgende Schritte umfassen:

- Einbringen der Stützelemente und des mit den Stützelementen verbundenen Wickeldrahts in einen abgeschlossenen Ofen,

- Erhitzen in Gegenwart eines Borierungsmittels.

Beim Erhitzen kann der Ofen auf eine Temperatur von 750 bis 950 °C erhitzt werden.

Der zumindest eine Wickeldraht kann derart hergestellt werden, dass das Querschnittsprofile des zumindest einen Wickeldrahts in radialer Richtung nach innen konisch zulaufend ist.

Der zumindest eine Wickeldraht kann derart um die Stützelemente gewickelt werden, dass zumindest bei 50 % der Oberfläche des Wickeldrahtfilters der minimale Abstand zwischen zwei Wickeldrahtwicklungen zwischen einem 1 pm und 50 mm liegen, vorzugsweise zwischen 100 und 300 pm.

Die Stützelemente können bevorzugt derart zueinander angeordnet werden und der Wickeldraht kann derart um die Stützelemente gewickelt werden, dass der minimale Abstand zwischen benachbarten Stützelementen größer ist als der minimale Abstand zwischen zwei Wickeldrahtwicklungen.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert:

Es zeigen schematisch:

Fig. 1 erfindungsgemäßer Wickeldrahtfilter mit Anschlusselementen,

Fig. 2 erfindungsgemäßer Wickeldrahtfilter, Fig. 3 Ausschnitt auf Fig. 1 auf ein Ende des Wickeldrahtfilters,

Fig. 4 Querschnittsansicht auf einen Wickeldrahtfilter gemäß Fig. 1,

Fig. 5 ein Ausschnitt eines Längsquerschnitts aus Fig. 1,

Fig. 6 Querschnitte der Stützelemente und Wickeldraht,

Fig. 7 zeigt die Oberflächen-Analyse vor einem Erosionstest,

Fig. 8 zeigt die Oberflächen-Analyse nach einem 2-stündigen Erosionstest

Fig. 9 zeigt die Oberflächen-Analyse nach einem 48-stündigen Erosionstest

Fig. 10 zeigt die Makroaufnahme nach einem 48-stündigen Erosionstest.

Fig. 1 zeigt einen Wickeldrahtfilter 1 mit Anschlusselementen 2. An den Enden des Wickeldrahtfilters 1 sind Abschlussringe 4 vorgesehen. Wickeldrahtfilter können zum Filtern von Erdöl-, Erdgas- oder Wasserreservoirs verwendet werden. Dafür können sie mit Anschlusselementen 2 verbunden werden.

Bei einem nicht dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel kann der Außendurchmesser des Wickeldrahtfilters auch an die Außendurchmesser der Anschlusselement angepasst sein. Auch kann zusätzlich der Abschlussring an den Außendurchmesser des Wickeldrahtfilters angepasst sein.

Der Wickeldrahtfilter 1 ist in Fig. 2 perspektivisch ohne die Anschlusselemente 2 dargestellt.

In Fig. 2 ist zu erkennen, dass der Wickeldrahtfilter 2 Stützelemente 6 aufweist, die eine rohrförmige Tragstruktur bilden. Ferner ist zumindest ein Wickeldraht 8 vorgesehen, der um die Tragstruktur gewickelt ist, wobei der zumindest eine Wickeldraht 8 und die aus Stützelementen 6 gebildete Tragstruktur miteinander verschweißt sind.

Die Querschnittsprofile der Stützelemente 6 laufen jeweils in radialer Richtung nach außen konisch zu und die Stützelemente 6 sind derart zueinander angeordnet, dass diese sich nicht berühren. Die zumindest eine Tragstruktur 6 und der zumindest eine Wickeldraht 8 bestehen aus boriertem Stahl.

Dadurch, dass der Wickeldrahtfilter aus boriertem Stahl besteht und das Bor in das Material des Wickeldrahtfilters eindringt, löst sich das Bor im Einsatz nicht ab. Der erfindungsgemäße Wickeldrahtfilter ist wesentlich robuster und weist im Einsatz weniger Korrosions- und Erosionserscheinungen auf. Dadurch, dass der gesamte Wickeldrahtfilter boriert wird, weist der gesamte Wickeldrahtfilter eine besonders hohe Oberflächenhärte auf. Durch das Borieren werden die Kanten des Wickeldrahts nicht abgerundet, sondern es bleiben scharfe Kanten. Dies ist anders als bei einer Beschichtung, bei der durch die Beschichtung die Kanten abgerundet werden würden. Aufgrund der scharfen Kanten des Wickeldrahts kommt es im Einsatz zu weniger Turbulenzen. Der Druckverlust ist geringer und der Durchfluss ist verbessert.

In Fig. 2 ist ferner gut zu erkennen, dass zumindest bei 50% der Oberfläche des Wickeldrahtfilters der minimale Abstand zwischen zwei Wickeldrahtwicklungen zwischen 1 pm und 50 mm liegen kann. Im dargestellte Ausführungsbeispiel ist es sogar so, dass über die gesamte Oberfläche der minimale Abstand zwischen zwei Wickeldrahtwicklungen zwischen 1 pm und 50 mm liegt. Besonders bevorzugt liegt bei 50% der Oberfläche des Wickeldrahtfilters der minimale Abstand zwischen zwei Wickeldrahtwicklungen zwischen 100 pm und 300 pm.

Auf diese Weise kann die Filterung von Erdöl, Erdgas und Wasser optimal durchgeführt werden.

In Fig. 3 ist der Ausschnitt auf ein Ende des Wickeldrahtfilters 1 aus Fig. 1 dargestellt. Dort ist ein Abschlussring 4 mit dem Wickeldrahtfilter 1 verbunden, vorzugsweise verschweißt. Ferner ist der Abschlussring 4 mit weiteren Anschlusselementen 2 verbunden. Ferner ist in Fig. 3 auch ein Ausschnitt eines Längsquerschnitt des Wickeldrahtfilters 1 zu erkennen. Ein Längsquerschnitt wird auch noch bezüglich Fig. 5 näher beschrieben. Der Wickeldrahtfilter 1 weist einen Außendurchmesser D und einen Innendurchmesser d auf. Ferner ist in Fig. 3 der Schnitt durch den Wickeldrahtfilter 8 zu sehen. Ferner verläuft der Querschnitt zwischen zwei benachbarten Stützelementen 6, so dass in Fig. 3 die Seitenansicht auf ein Stützelement 6 zu erkennen ist.

Die Außendurchmesser von Wickeldrahtfilter werden üblicherweise in Zoll angegeben. 1" entspricht 2,54 cm. Die Durchmesser des erfindungsgemäßen Wickeldrahtfilters können einen Außendurchmesser vorzugsweise zwischen 1" und 15", insbesondere zwischen 1,5" und 10", besonders bevorzugt zwischen 1.9" und 7 5/8". Insbesondere kann der Wickeldrahtfilter die folgenden Außendurchmesser aufweisen 1.9" 2 3/8" 2 7/8" 3 1/2" 4 1/2" 5 1/2"

7.00" 7 5/8". Der Wickeldrahtfilter kann jedoch auch jeden gewünschten

Außendurchmesser dazwischen aufweisen.

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht auf einen Wickeldrahtfilter 1. Dort sind die Stützelemente 6, die eine rohrförmige Tragstruktur bilden im Querschnitt dargestellt. Ebenso ist eine Ansicht auf den zumindest einen Wickeldraht 8 zu erkennen. In radialer Richtung R nach außen verlaufen die Stützelemente 6 konisch zu. Ferner ist zu erkennen, dass die Stützelemente voneinander beab- standet sind.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Querschnittsprofile und der Anordnung der Stützelemente und Wickeldraht zueinander weist der Wickeldrahtfilter besonders gute Fließeigenschaften auf. Aufgrund der guten Fließeigenschaften kommt es zu weniger Erosionserscheinungen.

In Fig. 5 ist eine Längsquerschnitt des Wickeldrahtfilters 1 dargestellt. Der zumindest eine Wickeldraht 8 ist jeweils geschnitten dargestellt und es ist eine Ansicht auf zumindest ein Stützelement 6 zu erkennen. Bei 50 % der Oberfläche des Wickeldrahtfilters 1 kann der minimale Abstand A zwischen zwei Wickeldrahtwicklungen 8a, 8b, zwischen 1 pm und 50 mm liegen. Auch das Querschnittsprofil des zumindest einen Wickeldrahts 8 kann in radialer Richtung B nach innen konisch zulaufend sein. Somit verlaufen die Querschnittsprofile der Stützelemente in radialer nach außen R konisch zu, wohingegen die Querschnittsprofile des zumindest einen Wickeldrahtfilters in radialer Richtung B nach innen konisch zulaufend sind.

Fig. 6 zeigt die Querschnittsprofile des zumindest einen Wickeldrahts 8 und der Stützelemente 6. Die Breite des Wickeldrahts C ist vorzugweise kleiner als die Breite F der Stützelemente. Ferner ist auch die Höhe E des zumindest einen Wickeldrahts 8 vorzugsweise kleiner als die Höhe H der Stützelemente 6. Die Querschnittsprofile des zumindest einen Wickeldrahts und des zumindest einen Stützelementes weisen eine ähnliche Form, nämlich eine konisch zulaufende Form auf. Wie bereits zu den vorherigen Figuren beschrieben, sind die Querschnittsprofile jedoch unterschiedlich angeordnet, so dass das Querschnittsprofil der Stützelemente konisch nach außen hin zulaufen, wohingegen das Querschnittsprofiei des zumindest einen Wickeldrahts konisch nach innen zulaufend ist.

Fig. 7 zeigt die Schritte eines Verfahrens zu Herstellung eines Wickeldrahtfilters. Im ersten Schritt werden Stützelemente aus Stahl hergestellt, deren Querschnittsprofil konisch zulaufend sind.

Dann werden die Stützelemente derart angeordnet, dass die angeordneten Stützelemente die Form einer rohrförmigen Tragstruktur bilden und die Querschnittsprofile der Stützelemente jeweils in radialer Richtung nach außen konisch zulaufend sind, wobei die Stützelemente zueinander beabstandet sind und sich nicht berühren.

Diese Stützelemente werden in der angeordneten Form mit Hilfe einer nicht dargestellten Halteeinrichtung gehalten.

In einem weiteren nicht dargestellten Schritt wird zumindest eine aus Stahl bestehender Wickeldraht hergestellt. Dieser wird um die mittel der Halteeinrichtung gehaltenen Stützelemente gewickelt und der Wickeldraht wird mit den Stützelementen mittels eines Schweißverfahrens verbunden. Im zweiten Bild sind die Stützelemente mit dem Wickeldraht nach dem Verschweißen dargestellt.

Nachfolgend wird die Halteeinrichtung entfernt und der Wickeldrahtfilter bor- riert. Dabei wird der Wickeldrahtfilter vorzugsweise in einem geschlossenen Ofen 10 angeordnet und der Ofen 10 wird in Gegenwart eines Boriermittels erhitzt. Dies ist im dritten Bild dargestellt. Die Ofentemperatur beim Erhitzen liegt vorzugsweise zwischen 750 und 950 °C. Der Wickeldrahtfilter wird somit vorzugsweise bei Temperaturen von 750 bis 950 °C mit dem chemischen Element Bor behandelt, so dass Bor in die oberen Schichten des Wickeldrahtfilters eindringt. Diese Schichten sind vorzugsweise 100 bis 250 pm dick. Auf diese Weise entsteht ein robuster Wickeldrahtfilter.

Mit dem erfindungsgemäßen Wickeldrahtfilter wurde eine Erosionstest durchgeführt. Es wurde ein Erosionstest wie in der Veröffentlichung "Performance of Ceramic Sand Screen for High Rate Gas Application - Gas Sand Screen Erosion Testing" Nickolas Manning; Paul Cadogan; Peter Barth; Ben Hoskin; Trent Read; David Manning; Richard Jackson; Bhargava Gundemoni; SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition, Brisbane, Australia, October 2018. Paper Number: SPE-191942-MS beschrieben, durchgeführt.

In der Veröffentlichung wird ein Erosionstest und dessen Anwendung zur Bewertung der Erosionsbeständigkeit beschrieben. Der Erosionstest wurde entwickelt, um "beschleunigte" Erosionsbedingungen in einem Bohrloch zu simulieren. Ein Gas-Sand-Gemisch wird mit hoher Durchflussrate in einem Beschleunigungsrohr zusammengeführt. Die Sandpartikel treffen mit hoher Geschwindigkeit (>80m*s ^-1 ) auf den zu untersuchenden Filter. In dieser Arbeit wurde der Erosionstest 48 Stunden lang bei maximaler Geschwindigkeit (>80m*s ^-1 ) und einer Sandkonzentration von 750 ppmw durchgeführt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die in diesem Bericht genannten Geschwindigkeiten deutlich höher sind als die, die ein herkömmliches Reservoirsystem tolerieren müsste. Bei dem Erosionstest wird die Testanlage mit Druckluft betrieben. Der Hauptluftstrom wird über einen Volumenstromregler gesteuert. Ein Sekundärluftstrom wird dem Regler im Bypass zugeführt und für die Sandeindüsung genutzt. Der Sandmassenstrom wird über ein Sanddosiergerät mit Schneckengetriebe eingestellt und dem Bypass mit Umgebungsdruck zugeführt. Nach der Zusammenführung von Haupt- und Nebenluftstrom wird das Luft-Sand-Ge- misch durch eine horizontale Rohrstrecke geleitet, in der die Partikel beschleunigt werden und so die vorgegebene Aufprallgeschwindigkeit erreicht wird. Die Erosion von Testfiltern findet in einer Probenkammer am Ende der Rohrstrecke statt, wo das Luft-Sand-Gemisch senkrecht auf die Filteroberfläche auftrifft. Die Konstruktion der Probenkammer sorgt dafür, dass der Großteil der Partikel direkt am Boden der Kammer abgeschieden wird. Die in der Luft verbleibenden Partikel werden in einem nachgeschalteten Zyklon aus dem Abluftstrom entfernt.

Versuchsbedingungen für die Erosionsversuche: Gasdurchflussmenge 102 m ³ /h Sandeinspritzmenge 1,48 g/min Gewichtsprozent des 750 ppmw Sandes

Prüftemperatur 298.15 K

Korngröße (Sand) 100 pm

Aufprallgeschwindigkeit 80 m/s bis 100 m/s

Aufprallwinkel 90°

Für den Versuch wurden die Oberflächenprofile von Abschnitten des erfindungsgemäßen Wickeldrahtfilters mit einem Mikroskop Keyence VHX 2000 vor und nach den Erosionstests erstellt. Es wurden zwei Erosionstest durchgeführt, einmal ein Erosionstest von 2 Stunden Länge und ein Erosionstest von 48 Stunden Länge. Alle Erosionstests wurden unter den oben genannten Bedingungen durchgeführt.

Zunächst wird die erste Oberflächenprofile-Analyse vor dem ersten Erosionstest durchgeführt, um den Filter mit späteren Messungen vergleichen zu können und mögliche Schäden zu erkennen. Bei dieser Analyse wird ein Streifen entlang der Filteroberfläche gemessen und ein 3D-Modell erstellt. Anschließend wird der Wickeldrahtfilter in die Prüfkammer eingesetzt. Er wird mit einem weiteren Flansch am Deckel der Probenkammer befestigt, so dass sich der Filter nicht bewegen kann und der Volumenstrom ungehindert auf den Filter treffen kann.

Um das Versuchsgerät in Betrieb nehmen zu können, wird zunächst der Volumenstromregler auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Sobald dieser Wert erreicht ist, wird der erforderliche Massenstrom an Sand über einen Ejektor mit Hilfe eines Sanddosierers in den Luftstrom eingedüst. Die Bestrahlung des Filters erfolgt - wie angegeben - entweder über einen Zeitraum von 2 Stunden oder 48 Stunden.

Vor der Durchführung eines Erosionstests zeigt die Oberflächen-Analyse einen Höhenunterschied von bis zu 100 pm zwischen den Stegen des Wickeldrahtfilters an (vgl. Fig. 8).

Fig. 9 zeigt das Oberflächenprofil desselben Filterabschnitts nach dem 2-stün- digen Erosionstest. Eine deutliche Veränderung der Oberfläche ist nicht zu erkennen. Der Höhenunterschied der einzelnen Stege ist sogar etwas geringer als zuvor. Auch nach dem 48-stündigen Erosionstest kann keine Oberflächenerosion entlang der Profillinie gemessen werden. Die Rauigkeit der einzelnen Stege wird sogar noch geringer. Der Höhenunterschied von der erhöhten zur nicht erhöhten Oberfläche beträgt weniger als 50 pm. Die drei verschiedenen Linien in den Figuren zeigen die Ergebnisse von drei parallelen Vergleichsmessungen. Es ist zu beachten, dass der Maßstab der Messung in den Figuren 8- 10 variiert.

Fig. 10 zeigt eine Makroaufnahme des Filters nach dem 48-stündigen Erosionstest. An der Stelle, an der der Sandstrom auf den Filter trifft, ist eine leichte Abnutzung der Oberfläche zu erkennen. Ein Vergleich der bestrahlten mit der unbestrahlten Filteroberfläche zeigt keinen signifikanten Höhenunterschied, der auf Erosion hinweist. Sowohl bei einer zweistündigen als auch bei einer 48- stündigen Behandlung ist die Erosion so gering, dass sie durch die anfänglichen Unebenheiten der einzelnen Stege überdeckt wird. Lediglich eine Oberflächenmessung an der 48 Stunden bestrahlten Filterprobe zeigt eine etwas gleichmäßigere Oberfläche als die Originalprobe, was auf einen marginalen Abrieb hinweisen könnte.

Insgesamt weist der Wickeldrahtfilter jedoch eine sehr gute Erosionsbeständigkeit auf.