一种天然气水合物井下水力破碎回收分离装置

本发明涉及石油和天然气水合物开发领域，具体涉及一种天然气水合物井下水力破碎回收分离装置。

背景技术：

天然气水合物(以下称水合物)是一种在特定温压下赋存的具有密度高、分布广、埋藏浅、规模大特点的新型“清洁能源”。理论标准状态下，1m3的天然气水合物可以释放164m3的甲烷气体，因其能量巨大而备受关注，但是这些特点也给水合物开发过程带来了潜在的危险和新的技术要求。目前大部分天然气水合物其具有埋深浅、弱胶结、不稳定、无致密盖层、且含砂量高(主要是微米级极细-细粒粉砂与中粗粒粉砂)具有粒径跨尺度、微米级极细等特点，而现有天然气水合物多类开发方式中，包括降压法、注热法和固态流化开采法等，出砂量大导致管输效率低、持续产能差、采空区储层垮塌、设备堵塞及磨损等生产经济效率、工程地质风险、以及设备失效等问题，严重阻碍了海洋天然气水合物开采相关技术和装备发展，甚至成为实现水合物商业开采必须突破的堡垒，目前水合物开采面临的问题有：

(1)水合物开采过程中可能会存在大块状的泥砂混合固体物，现有分离装置未考虑水合物的二次破碎；

(2)现有的海底水合物除砂装置结构复杂，而在深海的水合物分离作业过程中容错率低、可靠性不好；

(3)在实际的开采过程当中，在钻头或射流破碎水合物层后往往还存在较大块状的水合物泥沙混合物，容易发生堵塞流道；

综上所述，为解决目前天然气水合物开采中出砂严重的问题，亟需一种可以实现水合物破胶结的井下泥砂分离器，以实现常规水合物采收过程中高含砂混合流体井下原位实时分离与回填。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明通过发明一种天然气水合物井下水力破碎回收分离装置，可实现天然气水合物井下实时分离与回填，可减少举升返出物所需要的泵输功率，节约能耗，提高产量，可实现水合物的破胶结，并且能避免泥砂对运输管道的冲蚀磨损与堵塞，所分离出的泥砂在井下可被直接回填至采空区。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种天然气水合物井下水力破碎回收分离装置，其特征在于：包括螺旋分离部分、内外流体转换装置、管式旋流分离装置三部分；所述螺旋分离部分由内管下部密封塞、轴承组ⅰ、螺旋破碎铰刀、螺旋破碎外壳组成；所述内外流体转换装置安装在螺旋分离部分的上端；所述管式旋流分离装置由旋流分离外壳、对中环、旋流分离内管、旋流分离器、轴承组ⅱ、水力螺旋叶片、轴端固定接头。

所述的螺旋破碎铰刀，其特征在于：其中心通道为钻井液通道，外层为螺旋状叶片，螺旋破碎铰刀其内部加工有螺线槽用于水力螺旋叶片的装配，中部为动力液通道ⅰ。

所述的螺旋破碎外壳，其特征在于：其壳体表面有水合物吸入口ⅰ。

所述的内外流体转换装置其内部有转换通道ⅰ、转换通道ⅱ，内外流体转换装置有锥螺纹公扣ⅰ、锥螺纹母扣、平扣螺纹。

所述的轴端固定接头其上部设置锥螺纹公扣ⅱ，中部为动力液通道ⅱ。

综上所述，本发明实施例的天然气水合物井下水力破碎回收分离装置，至少具有如下有益效果：

天然气水合物开采方面：

(1)本发明设置有螺旋破碎铰刀可实现对大块状的泥砂混合固体物实现二次破碎；

(2)本发明适用于固态流化开采工艺，无复杂的机械结构，实现了水力驱动和破碎铰刀的一体化，适用于深海的恶劣环境，并且分离方式简单可靠。

(3)采用螺旋-旋流耦合原理打破水合物固态颗粒与泥砂颗粒之间的“弱胶结键”，从而实现水合物的破胶结，并可实现天然气水合物混合浆体跨尺度微米级颗粒的分离，以提高返出水合物浆体清洁度，达到提高产能的效果；

本发明利用铰刀二次破碎，除砂后将泥砂原位排出，减轻了立管输送量，降低了泥砂对井筒、设备等的冲蚀磨损与堵塞，并且将原位分离出的泥砂及时回填可以防止打破水合物储层动态平衡，也可以防止采油时发生坍塌事故。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的螺旋破碎铰刀示意图；

图3是本发明内外流体转换装置示意图；

图4是本发明水力螺旋叶片三维视图；

图5是本发明轴端固定接头示意图。

1-内管下部密封塞、2-轴承组ⅰ、3-螺旋破碎铰刀、4-螺旋破碎外壳、5-内外流体转换装置、6-旋流分离外壳、7-对中环、8-旋流分离内管、9-旋流分离器、10-轴承组ⅱ、11-水力螺旋叶片、12-轴端固定接头、301-钻井液通道、302-螺旋状叶片、303-螺线槽、304-动力液通道ⅰ、4-螺旋破碎外壳、401-水合物吸入口ⅰ、501-转换通道ⅰ、502-转换通道、503-ⅱ锥螺纹公扣ⅰ、504-锥螺纹母扣、505-平扣螺纹、1201-锥螺纹公扣ⅱ、1202-动力液通道ⅱ。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

如图1～图5所示，一种天然气水合物井下水力破碎回收分离装置，其特征在于：包括螺旋分离部分、内外流体转换装置、管式旋流分离装置三部分；所述螺旋分离部分由内管下部密封塞1、轴承组ⅰ2、螺旋破碎铰刀3、螺旋破碎外壳4组成；所述内外流体转换装置5安装在螺旋分离部分的上端；所述管式旋流分离装置由旋流分离外壳6、对中环7、旋流分离内管8、旋流分离器9、轴承组ⅱ10、水力螺旋叶片11、轴端固定接头12。所述的螺旋破碎铰刀3，其特征在于：其中心通道为钻井液通道301，外层为螺旋状叶片302，螺旋破碎铰刀3其内部加工有螺线槽303用于水力螺旋叶片11的装配，中部为动力液通道ⅰ304。所述的螺旋破碎外壳4，其特征在于：其壳体表面有水合物吸入口ⅰ401。所述的内外流体转换装置5其内部有转换通道ⅰ501、转换通道ⅱ502，内外流体转换装置5有锥螺纹公扣ⅰ503、锥螺纹母扣504、平扣螺纹505。所述的轴端固定接头12其上部设置锥螺纹公扣ⅱ1201，中部为动力液通道ⅱ1202。

本发明的工作过程如下：

动力液驱动螺旋破碎铰刀过程：

动力液从上端旋流分离外壳6和旋流分离内管8环空注入，经过内外流体转换装置5，进入转换通道ⅱ502，进入螺旋破碎铰刀3内部，驱动水力螺旋叶片11，进一步的带动螺旋破碎铰刀3旋转从而破碎块状泥砂或水合物。动力液最终流经轴端固定接头12内部，继续向下流动。

天然气水合物的分离过程：

天然气水合物泥砂混合液(以下简称采出液)从吸入口进入，进入螺旋破碎外壳4。采出液经过螺旋破碎铰刀3的破碎作用，大块状的泥砂被破碎成细小颗粒，并且因离心力作用，螺旋破碎铰刀3对于天然气水合物也起到破胶结的作用。采出液通过转换通道ⅰ501，进入旋流分离内管8内部，经过旋流分离器9的分离作用，泥砂直接排海，分离后的采出液继续向上流动。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。