CN108612515A - 一种带螺旋稳流锥的海底水合物井下分离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带螺旋稳流锥的海底水合物井下分离装置包括分离器短节、分离器、螺旋稳流锥、上接头、下接头、下挂头、上固定盘、下固定盘、上固定筒、下固定筒。混合浆体从下接头的通孔进入分离器短节的内管，依次通过下挂头的通孔、下固定盘的通孔、上固定盘的通孔，最后混合浆体在螺旋稳流锥的转向和稳流作用下进入螺旋段，使混合浆体变为螺旋运动；在旋流段内进行旋流分离，分离出的泥砂通过排砂管排出，水合物浆体从溢流管流出。本发明具有以下优点：结构紧凑、效率高、成本低、内部无运动部件；实现井下分离装置内的压降降低、短路流减少、能耗减少；可与其他工具配合使用，安装方便，应用灵活。
Description
技术领域
本发明涉及到海底天然气水合物开采技术领域，尤其涉及一种带螺旋稳流锥的海底水合物井下分离装置。
背景技术
天然气水合物又称“可燃冰”，由甲烷为主的烃类气体和水在一定的温度压力条件下形成的“笼型化合物”，呈白色晶状结构。其含碳量相当于全世界已知煤炭、石油和天然气等能源总储量的两倍。因此，天然气水合物特别是海洋天然气水合物被普遍认为将是21世纪替代煤炭、石油和天然气的新型的洁净的能源资源，同时也是目前尚未开发的储量大的一种新能源。
2017年5月中旬，全球首次针对海洋弱胶结、非成岩水合物的固态流化试采工程在南海神狐海域开始试采并成功点火。固态流化开采是在基本不改变储层的温度和压力条件下，通过射流破碎方式，破碎固态水合物层，同时收集流化后的混合浆体，再继续向上返输到井下分离装置进行水合物和泥砂的分离，水合物浆体通过连续双层管向上输送至海面，分离出的泥砂回填固化开采层，防止开采层垮塌。井下分离装置的分离效果，对开采过程中设备的使用寿命也具有重要的影响。因此井下分离装置对于海底天然气水合物的开采具有重要的工程意义。目前应用于水合物固态流化开采的井下分离装置存在压降大、能耗高、分离效率低等问题。
针对现有技术存在的不足与空缺，本发明提出一种带螺旋稳流锥的海底水合物井下分离装置。
发明内容
本发明针对现有开采海底天然气水合物技术中井下分离装置的不足，提供了一种带螺旋稳流锥的海底水合物井下分离装置。
一种带螺旋稳流锥的海底水合物井下分离装置，其特征在于：包括上接头、分离器短节、螺旋稳流锥、分离器、下接头；所述的上接头上端与其它工具螺纹连接，上接头下端与分离器短节的上端螺纹连接；所述的分离器短节分为内管和外管，内管中的上部设置用于流体转向和稳流的螺旋稳流锥，设置用于压紧上固定盘的上固定筒，设置固定直筒的上固定盘；内管中的下部设置用于固定锥筒的下固定盘，设置用于压紧下固定盘的下固定筒，设置用于固定下固定筒和排砂管的下挂头；分离器短节上端与上接头下端螺纹连接，分离器短节下端与下接头上端螺纹连接；所述的下接头内设置排砂筒，排砂筒内有排砂通道，排砂通道内口连接分离器中的排砂管，外端的排出口用于连接泥砂回填的输砂装置，下接头上端与分离器短节的下端螺纹连接，下接头下端与其它工具螺纹连接。所述的分离器设置在分离器短节的内管中，分离器中的溢流管设置外螺纹与螺旋稳流锥内孔连接，分离器中的排砂管下端设置外螺纹与排砂通道内口连接；所述的上接头、分离器短节和下接头的环空为海底天然气水合物开采的进液通道，分离器短节和下接头的内腔为混合浆体的返液通道，上接头的内腔为水合物浆体的返液通道。
进一步的技术方案中，所述的上接头为双层结构，包括内接头A和外接头A，内接头A和外接头A依靠肋板A连接，内接头A的上端设置外螺纹，外接头A的上端设置外螺纹，上接头上端与其它工具螺纹连接，内接头A的下端设置内螺纹，外接头A的下端设置内螺纹，上接头下端与分离器短节的上端螺纹连接；上接头的环空为海底天然气水合物开采的进液通道，上接头的内腔为水合物浆体的返液通道。
进一步的技术方案中，所述的分离器短节包括内管和外管，内管的上端设置外螺纹与上接头的内接头A的下端连接，外管的上端设置外螺纹与上接头的外接头A的下端连接，内管的下端设置外螺纹与下接头的内接头B的上端连接，外管的下端设置外螺纹与下接头的外接头B的上端连接；分离器短节的环空为海底天然气水合物开采的进液通道，内管的内腔为混合浆体的返液通道。
进一步的技术方案中，所述的内管为双头凹形孔结构，内管上部凹形孔内嵌上固定盘，上固定盘上端是用于轴向定位上固定盘的上固定筒，上固定筒上端是用于限制上固定筒轴向移动的螺旋稳流锥；内管下部凹形孔内嵌下固定盘，下固定盘下端是用于轴向定位下固定盘的下固定筒，下固定筒下端是用于限制下固定筒轴向移动的下挂头。
进一步的技术方案中，所述的螺旋稳流锥包括端帽和螺旋锥，螺旋稳流锥设置在分离器短节的内管中，螺旋稳流锥的入口设置在分离器与内管之间的环空，流体经过螺旋稳流锥的端帽实现180度流向变化，通过螺旋锥进入到螺旋叶片。
进一步的技术方案中，所述的端帽外端设有外螺纹，外形为环形半球帽状；螺旋锥设置在螺旋叶片的入口，呈螺旋线形与螺旋叶片配合，锥段直径由上到下逐渐增大，能够缓解来液冲击并稳定流场；螺旋稳流锥的中心设有螺纹孔A，与溢流管螺纹连接。
进一步的技术方案中，所述的上固定盘中心设置用于套牢分离器直筒段的固定孔A，上固定盘中固定孔A与外环A之间设置有四个辐条A连接，辐条A之间的通孔A为混合浆体的返液通道；所述的下固定盘中心设置用于套牢分离器的锥筒段的固定孔B，下固定盘中固定孔B与外环B之间设置有四个辐条B连接，辐条B之间的通孔B为混合浆体的返液通道；所述的下挂头中心设置螺纹孔B，下挂头螺纹孔B与分离器中的排砂管上部的外螺纹连接，螺纹孔B四周设置四个用于混合浆体返液的通孔C，下挂头与内管的下端螺纹连接。
进一步的技术方案中，所述的分离器设置在分离器短节的内管中，分离器分为螺旋段和旋流段，螺旋段对混合浆体进行螺旋导流和预分离作用，旋流段对混合浆体进行旋流分离；分离器设置在螺旋稳流锥的下端，分离器中的溢流管设置外螺纹与端帽连接，分离器中的排砂管下端设置外螺纹与排砂通道内口连接。
进一步的技术方案中，所述的下接头为双层结构，包括内接头B和外接头B，内接头B和外接头B依靠排砂筒和肋板B连接；内接头B的上端设置内螺纹与分离器短节内管的下端连接，外接头B的上端设置内螺纹与分离器短节外管的下端连接，内接头B的下端设置外螺纹，外接头B的下端设置外螺纹，下接头下端与其它工具螺纹连接；排砂筒内有排砂通道，排砂通道内口设置内螺纹连接排砂管，外端的排出口用于连接泥砂回填的输砂装置；下接头的环空为海底天然气水合物开采的进液通道，下接头的内腔为混合浆体的返液通道。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明提出的带螺旋稳流锥的天然气水合物井下分离装置，结构紧凑、体积小、效率高、成本低、内部无运动部件；
（2）本发明提出的带螺旋稳流锥的天然气水合物井下分离装置，有效地实现井下分离装置内的压降降低、短路流减少、能耗减少，提高了井下分离装置的处理能力；
（3）本发明提出的带螺旋稳流锥的井下分离装置布置有上接头和下接头，可与其他工具配合使用，安装方便，应用灵活。
附图说明
图1为本发明一种带螺旋稳流锥的天然气水合物井下分离装置的剖视图；
图2为本发明一种带螺旋稳流锥的天然气水合物井下分离装置的局部开口示意图；
图3为本发明一种带螺旋稳流锥的天然气水合物井下分离装置的A-A剖视图；
图4为本发明一种带螺旋稳流锥的天然气水合物井下分离装置的B-B剖视图；
图5为本发明一种带螺旋稳流锥的天然气水合物井下分离装置中的下挂头的结构示意图；
图6为本发明一种带螺旋稳流锥的天然气水合物井下分离装置中的上固定盘的结构示意图；
图7为本发明一种带螺旋稳流锥的天然气水合物井下分离装置中的下固定盘的结构示意图；
图8为本发明一种带螺旋稳流锥的天然气水合物井下分离装置中的上接头的结构示意图；
图9为本发明一种带螺旋稳流锥的天然气水合物井下分离装置中的上接头的C-C剖视图；
图10为本发明一种带螺旋稳流锥的天然气水合物井下分离装置中的下接头的结构示意图；
图11为本发明一种带螺旋稳流锥的天然气水合物井下分离装置中的下接头的D-D剖视图；
图12为本发明一种带螺旋稳流锥的天然气水合物井下分离装置中的螺旋稳流锥的结构示意图；
图13为本发明一种带螺旋稳流锥的天然气水合物井下分离装置中的螺旋稳流锥的剖视图。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1-上接头，2-溢流管，3-螺旋稳流锥，4-内管，5-上固定盘，6-分离器，7-分离器短节，8-下固定盘，9-下挂头，10-下接头，11-外管，12-上固定筒，13-直筒，14-锥筒，15-下固定筒，16-排砂管，17-排砂筒，18-排砂通道，19-内口，20-排出口，21-螺纹孔A，22-内接头A，23-外接头A，24-肋板A，25-内接头B，26-外接头B，27-肋板B，28-端帽，29-螺旋锥，30-螺旋叶片，31-固定孔A，32-外环A，33-辐条A，34-固定孔B，35-外环B，36-辐条B，37-螺纹孔B，38-通孔，39-螺旋段，40-旋流段。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
本发明的一种带涡流发生器的天然气水合物井下分离装置结构如图1至图12所示，包括上接头1、分离器短节7、螺旋稳流锥3、分离器6、下接头10；所述的上接头1上端与其它工具螺纹连接，上接头1下端与分离器短节7的上端螺纹连接；所述的分离器短节7分为内管4和外管11，内管4中的上部设置用于流体转向和稳流的螺旋稳流锥3，设置固定直筒13的上固定盘5，设置用于压紧上固定盘5的上固定筒12；内管4中的下部设置用于固定锥筒14的下固定盘8，设置用于压紧下固定盘8的下固定筒15，设置用于固定下固定筒15和排砂管16的下挂头9；分离器短节7上端与上接头1下端螺纹连接，分离器短节7下端与下接头10上端螺纹连接；所述的下接头10内设置排砂筒17，排砂筒17内有排砂通道18，排砂通道18内口19连接分离器6中的排砂管16，外端的排出口20用于连接泥砂回填的输砂装置，下接头10上端与分离器短节7的下端螺纹连接，下接头10下端与其它工具螺纹连接。所述的分离器6设置在分离器短节7的内管4中，分离器6中的溢流管2设置外螺纹与螺旋稳流锥3螺纹孔A21连接，分离器6中的排砂管16下端设置外螺纹与排砂通道18内口19连接；所述的上接头1、分离器短节7和下接头10的环空为海底天然气水合物开采的进液通道，分离器短节7和下接头10的内腔为混合浆体的返液通道，上接头1的内腔为水合物浆体的返液通道。
进一步的技术方案中，所述的上接头1为双层结构，包括内接头A22和外接头A23，内接头A22和外接头A23依靠肋板A24连接，内接头A22的上端设置外螺纹，外接头A23的上端设置外螺纹，上接头1上端与其它工具螺纹连接，内接头A22的下端设置内螺纹，外接头A23的下端设置内螺纹，上接头1下端与分离器短节7的上端螺纹连接；上接头1的环空为海底天然气水合物开采的进液通道，上接头1的内腔为水合物浆体的返液通道。
进一步的技术方案中，所述的分离器短节7包括内管4和外管11，内管4的上端设置外螺纹与上接头1的内接头A22的下端连接，外管11的上端设置外螺纹与上接头1的外接头A23的下端连接，内管4的下端设置外螺纹与下接头10的内接头B25的上端连接，外管11的下端设置外螺纹与下接头10的外接头B26的上端连接；分离器短节7的环空为海底天然气水合物开采的进液通道，内管4的内腔为混合浆体的返液通道。
进一步的技术方案中，所述的内管4为双头凹形孔结构，内管4上部凹形孔内嵌上固定盘5，上固定盘5上端是用于轴向定位上固定盘5的上固定筒12，上固定筒12上端是用于限制上固定筒12轴向移动的螺旋稳流锥3；内管4下部凹形孔内嵌下固定盘8，下固定盘8下端是用于轴向定位下固定盘8的下固定筒15，下固定筒15下端是用于限制下固定筒15轴向移动的下挂头9。
进一步的技术方案中，所述的螺旋稳流锥3包括端帽28和螺旋锥29，螺旋稳流锥3设置在分离器短节7的内管4中，螺旋稳流锥3的入口设置在分离器6与内管4之间的环空，流体经过螺旋稳流锥3的端帽28实现180度流向变化，通过螺旋锥29进入到螺旋叶片30。
进一步的技术方案中，所述的端帽28外端设有外螺纹，外形为环形半球帽状；螺旋锥29设置在螺旋叶片30的入口，呈螺旋线形与螺旋叶片30配合，锥段直径由上到下逐渐增大，能够缓解来液冲击并稳定流场；螺旋稳流锥3的中心设有螺纹孔A21，与溢流管2螺纹连接。
进一步的技术方案中，所述的上固定盘5中心设置用于套牢分离器6直筒段13的固定孔A31，上固定盘5中固定孔A31与外环A32之间设置有四个辐条A33连接，辐条A33之间的通孔为混合浆体的返液通道；所述的下固定盘8中心设置用于套牢分离器6的锥筒段14的固定孔B34，下固定盘8中固定孔B34与外环B35之间设置有四个辐条B36连接，辐条B36之间的通孔为混合浆体的返液通道；所述的下挂头9中心设置螺纹孔B37，下挂头9螺纹孔B37与分离器6中的排砂管16上部的外螺纹连接，螺纹孔B37四周设置四个用于混合浆体返液的通孔38，下挂头9与内管4的下端螺纹连接。
进一步的技术方案中，所述的分离器6设置在分离器短节7的内管4中，分离器6分为螺旋段39和旋流段40，螺旋段39对混合浆体进行螺旋导流和预分离作用，旋流段40对混合浆体进行旋流分离；分离器6设置在螺旋稳流锥3的下端，分离器6中的溢流管2设置外螺纹与螺旋锥29中的螺纹孔A21螺纹连接，分离器6中的排砂管16下端设置外螺纹与排砂通道18内口19连接。
进一步的技术方案中，所述的下接头10为双层结构，包括内接头B25和外接头B26，内接头B25和外接头B26依靠排砂筒17和肋板B27连接；内接头B25的上端设置内螺纹与分离器短节7中内管4的下端连接，外接头B26的上端设置内螺纹与分离器短节7外管的下端连接，内接头B25的下端设置外螺纹，外接头B26的下端设置外螺纹，下接头10下端与其它工具螺纹连接；排砂筒17内有排砂通道18，排砂通道18内口19设置内螺纹连接排砂管16，外端的排出口20用于连接泥砂回填的输砂装置；下接头10的环空为海底天然气水合物开采的进液通道，下接头10的内腔为混合浆体的返液通道。
本发明的工作原理：固态流化开采海底天然气水合物时，需要引入高压海水进行射流破碎水合物层，上接头1环空、分离器短节7环空、下接头10环空组成的环空通道为高压海水的进液通道；在射流破碎之后，井下收集混合浆体，混合浆体在举升泵的作用下到达井下分离装置的下接头10，混合浆体从下接头10的内腔进入分离器短节7中内管4的内腔，然后依次通过下挂头9的通孔38、下固定盘8的通孔、上固定盘5的通孔到达螺旋稳流锥3，在螺旋稳流锥3的转向和稳流作用下进入螺旋段39，在螺旋段39的强制导流作用下，泥砂逐渐向外侧扩散，水合物颗粒向中心靠拢，实现混合浆体的预分离，然后混合浆体进入旋流段40进行旋流分离，分离出的泥砂从排砂管16排出，最终从排砂通道18回填到井底，分离出的水合物浆体从溢流管2向上流入上接头1的内腔，最后返排到海洋平台进行后期处理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种带螺旋稳流锥的天然气水合物井下分离装置，其特征在于：包括上接头（1）、分离器短节（7）、螺旋稳流锥（3）、分离器（6）、下接头（10）；所述的上接头（1）上端与其它工具螺纹连接，上接头（1）下端与分离器短节（7）的上端螺纹连接；所述的分离器短节（7）分为内管（4）和外管（11），内管（4）中的上部设置用于流体转向和稳流的螺旋稳流锥（3），设置固定直筒（13）的上固定盘（5），设置用于压紧上固定盘（5）的上固定筒（12）；内管（4）中的下部设置用于固定锥筒（14）的下固定盘（8），设置用于压紧下固定盘（8）的下固定筒（15），设置用于固定下固定筒（15）和排砂管（16）的下挂头（9）；分离器短节（7）上端与上接头（1）下端螺纹连接，分离器短节（7）下端与下接头（10）上端螺纹连接；所述的下接头（10）内设置排砂筒（17），排砂筒（17）内有排砂通道（18），排砂通道（18）内口（19）连接分离器（6）中的排砂管（16），外端的排出口（20）用于连接泥砂回填的输砂装置，下接头（10）上端与分离器短节（7）的下端螺纹连接，下接头（10）下端与其它工具螺纹连接。
2.所述的分离器（6）设置在分离器短节（7）的内管中，分离器（6）中的溢流管（2）设置外螺纹与螺旋稳流锥（3）螺纹孔A（21）连接，分离器（6）中的排砂管（16）下端设置外螺纹与排砂通道（18）内口（19）连接；所述的上接头（1）、分离器短节（7）和下接头（10）的环空为海底天然气水合物开采的进液通道，分离器短节（7）和下接头（10）的内腔为混合浆体的返液通道，上接头（1）的内腔为水合物浆体的返液通道。
3.如权利要求1所述的螺旋稳流锥包括端帽（28）和螺旋锥（29），螺旋稳流锥（3）设置在分离器短节（7）的内管（4）中，螺旋稳流锥（3）的入口设置在分离器（6）与内管（4）之间的环空，流体经过螺旋稳流锥（3）的端帽（28）实现180度流向变化，通过螺旋锥（29）进入到螺旋叶片（30）。
4.如权利要求2所述的端帽（30）外端设有外螺纹，外形为环形半球帽状；螺旋锥（29）设置在螺旋叶片（30）的入口，呈螺旋线形与螺旋叶片（30）配合，锥段直径由上到下逐渐增大，能够缓解来液冲击并稳定流场；螺旋稳流锥（3）的中心设有螺纹孔A（21），与溢流管（2）螺纹连接。
5.如权利要求1所述的分离器（6）设置在分离器短节（7）的内管（4）中，分离器（6）分为螺旋段（39）和旋流段（40），螺旋段（39）对混合浆体进行螺旋导流和预分离作用，旋流段（40）对混合浆体进行旋流分离；分离器（6）设置在螺旋稳流锥（3）的下端，分离器（6）中的溢流管（2）设置外螺纹与螺旋锥（29）连接，分离器（6）中的排砂管（16）下端设置外螺纹与排砂通道（18）内口（19）连接。
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