一种水合物浆体气‑沙分离系统的制作方法

本发明涉及海底水合物浆体的气体分离和固相泥沙分离技术领域，特别是一种水合物浆体气-沙分离系统。

背景技术：

天然气水合物具备能量密度高、资源储量大等优点，水合物的勘探和开发已成为科学界的研究热点。现有的海底天然气开采大多采用热开采、降压开采、注化学剂开采、CO₂置换开采等常规开采方法，但是对于海底非成岩水合物层的开采，这些常规开采方法都存在开采效率低、难度大、成本高等缺点，而且水合物浆体通常是气、水、水合物、沙等多相混合液，如何对开采出的多相混合液中的气沙进行分离，是亟需克服的难点。

专利CN103628844A提出“深海海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法”，该发明以固态形式采掘所述天然气水合物藏，将含所述天然气水合物的固体物质进行收集并粉碎为颗粒物，将海水与所述颗粒物通过引射混合形成气液固多相混合物流；为节省能源，需要高效地在海底对所形成的气液固多相混合物浆体进行分离, 以便除去泥沙，从而获取浆体中的天然气。

专利CN 101160448A“管式分离器入口”装置属于气体分离装置，其结构特点是普通T型管的组合, 能适当提高气体分离效果。专利CN 1146526A“原油井口管流除砂器”属于泥沙分离装置, 其结构特点是在螺旋管上开小孔接分支管导出泥沙，无专门的捕沙结构和排沙结构，容易造成泥沙的堵塞, 分离泥沙效果有限。

为此，本发明提出了一种能提高气体和泥沙分离效率，且工作可靠的组合式的高效的气-沙分离系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种分离效率高、结构简单且不易沙堵的水合物浆体气-沙分离系统。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种水合物浆体气-沙分离系统，包括气体分离子系统和泥沙分离子系统，所述气体分离子系统的入口与多相混合浆体储罐的出口连接，所述气体分离子系统的气相出口与储气罐连接，所述气体分离子系统的非气相出口与泥沙分离子系统的入口连接，所述泥沙分离子系统的泥沙出口与泥沙泵送装置的入口连接，泥沙泵送装置的出口与储砂罐连接，所述泥沙分离子系统的水和水合物出口与水和水合物浆体储罐连接。

所述气体分离子系统由至少一级气体分离弧形分支管结构和一根集气管组成，气体分离弧形分支管结构的气体出口与集气管的入口连接，集气管的出口与储气罐连接。

所述气体分离子系统包括三级气体分离弧形分支管结构，其中，

第一级气体分离弧形分支管结构由水平直管段、过渡管段A、下沉弧形管段A下坡段以及气体分离弧形支管A组成，水平直管段的入口与多相混合浆体储罐连接，水平直管段的出口与过渡管段A的入口连接，过渡管段A的气相出口与气体分离弧形支管A的下端连接，过渡管段A的非气相出口与下沉弧形管段A下坡段入口连接；

第二级气体分离弧形分支管结构由下沉弧形管段A上坡段、过渡管段B、下沉弧形管段B下坡段以及气体分离弧形支管B组成，下沉弧形管段A上坡段出口与过渡管段B的入口连接，过渡管段B的气相出口与气体分离弧形支管B的下端连接，过渡管段B的非气相出口与下沉弧形管段B下坡段入口连接；

第三级分离弧形分支管结构由下沉弧形管段B上坡段、过渡管段C、过渡直线管以及气体分离弧形支管C组成，下沉弧形管段B上坡段出口与过渡管段C的入口连接，过渡管段C的气相出口与气体分离弧形支管C的下端连接，过渡管段C的非气相出口与过渡直线管的入口连接；

气体分离弧形支管A的上端、气体分离弧形支管B的上端以及气体分离弧形支管C的上端分别与集气管连接。

所述泥沙分离子系统由至少一级泥沙分离结构和一根水和水合物浆体出口管组成，泥沙分离结构的泥沙出口与泥沙泵送装置的入口连接，泥沙分离结构的水和水合物浆体出口与水和水合物浆体出口管的一端连接，水和水合物浆体出口管的另一端与水和水合物浆体储罐连接。

所述泥沙分离子系统包括两级泥沙分离结构，其中，

第一级泥沙分离结构由泥沙分离螺旋上升管段A、捕沙结构A、排沙分支管A和泥沙分离螺旋上升管段B前半段组成，泥沙分离螺旋上升管段A的入口与气体分离子系统的非气相出口连接，泥沙分离螺旋上升管段A的出口处设置有捕沙结构A，捕沙结构A的第一出口与排沙分支管A的上端连接，捕沙结构A的第二出口与泥沙分离螺旋上升管段B前半段的入口连接；

第二级泥沙分离结构由泥沙分离螺旋上升管段B后半段、捕沙结构B、排沙分支管B和泥沙分离螺旋上升管段C组成，泥沙分离螺旋上升管段B后半段出口处设置有捕沙结构B，捕沙结构B的第一出口与排沙分支管B的上端连接，捕沙结构B的第二出口与泥沙分离螺旋上升管段C的入口连接，泥沙分离螺旋上升管段C的出口与水和水合物浆体出口管连接。

所述捕沙结构A包括捕沙槽A和捕沙漏斗A，捕沙槽A处流体截面大于泥沙分离螺旋上升管段A的流体截面，捕沙漏斗A设置于捕沙槽A的下方，并将捕沙槽A收集的泥沙通过捕沙漏斗A流进排沙分支管A内。

所述捕沙结构B包括捕沙槽B和捕沙漏斗B，捕沙槽B处流体截面大于泥沙分离螺旋上升管段B的流体截面，捕沙漏斗B设置于捕沙槽B的下方，并将捕沙槽B收集的泥沙通过捕沙漏斗B流进排沙分支管B内。

所述泥沙泵送装置包括泵、集砂管和螺旋推料器，泵安装在集砂管的一端，螺旋推料器置于集砂管内，泵的输出端与螺旋推料器传动连接。

本发明具有以下优点：

1、本发明由于采用气体分离子系统和泥沙分离子系统，同时配有多相混合浆体储罐、储气罐、储沙罐、水和水合物浆体储罐、以及泥沙泵送装置等，其结构较简单，无运动部件，分离效率高，不易沙堵，摩阻小等特点。

2、本发明由于气体分离子系统中采用了气体分离弧形支管和下沉弧形管段。由于下沉弧形管段的上坡段用于气体分离弧形分支管结构的入口端，有利于将入口管段上部的气体导入气体分离弧形支管；由于下沉弧形管段的下坡段用于气体分离弧形分支管结构的出口端，使得气体不易进入气体分离弧形分支管结构的出口管段；此外气体分离弧形支管具有比直管具有较高的捕气效果，从而提高气体的分离效率，减少气体分离级数。

3、本发明由于泥沙分离子系统的进口和出口采用了泥沙分离螺旋上升管段，在重力作用下泥沙更易被捕沙结构捕捉，提高泥沙的分离效率。捕沙结构中采用了捕沙槽，使得捕沙槽处流体截面突然扩大，导致浆体流速降低，泥沙流动减缓，泥沙易于沉降和被捕捉。捕沙结构还采用了捕沙漏斗与捕沙槽相组合的结构，使得捕沙槽内的泥沙不会形成堆积，使得捕沙和排沙过程流畅。

4、本发明气体分离结构级数和泥沙分离结构级数，可以根据气体和泥沙分离效率要求进行调整，或增加或减少。

5、本发明特别适用于海底水合物浆体的气体分离和固相泥沙分离，同时也可以用于海上生产平台和陆上油气井口的气-固-液三相分离。

6、本发明可广泛应用在各种气-固-液浆体分离系统中，有很好的工业应用前景。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图；

图2 为本发明的弧形分支管结构的示意图；

图3 为本发明的捕沙结构的示意图；

图中：1-多相混合浆体储罐，2-气体分离子系统，201-水平直管段，202-过渡管段A，203-下沉弧形管段A，204-过渡管段B，205-下沉弧形管段B，206-过渡管段C，207-气体分离弧形支管A，208-气体分离弧形支管B，209-气体分离弧形支管C，210-集气管，3-泥沙分离子系统，301-泥沙分离螺旋上升管段A，302-捕沙结构A，302a-捕沙槽A，302b-捕沙漏斗A，303-排沙分支管A，304-泥沙分离螺旋上升管段B，305-捕沙结构B，306-排沙分支管B，307-泥沙分离螺旋上升管段C，4-过渡直管段，5-泥沙泵送装置，501-泵，502-集砂管，6-储沙罐，7-水和水合物浆体出口管，8-水和水合物浆体储罐，9-储气罐。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种水合物浆体气-沙分离系统，包括气体分离子系统2和泥沙分离子系统3，所述气体分离子系统2的入口与多相混合浆体储罐1的出口连接，所述气体分离子系统2的气相出口与储气罐9连接，所述气体分离子系统2的非气相出口与泥沙分离子系统3的入口连接，所述泥沙分离子系统3的泥沙出口与泥沙泵送装置5的入口连接，泥沙泵送装置5的出口与储砂罐6连接，所述泥沙分离子系统3的水和水合物出口与水和水合物浆体储罐8连接。

所述气体分离子系统2由至少一级气体分离弧形分支管结构和一根集气管210组成，气体分离弧形分支管结构的气体出口与集气管210的入口连接，集气管210的出口与储气罐9连接。

作为优选地，所述气体分离子系统2包括三级气体分离弧形分支管结构，其中，第一级气体分离弧形分支管结构由水平直管段201、过渡管段A202、下沉弧形管段A203下坡段以及气体分离弧形支管A207组成，水平直管段201的入口与多相混合浆体储罐1连接，水平直管段201的出口与过渡管段A202的入口连接，过渡管段A202的气相出口与气体分离弧形支管A207的下端连接，过渡管段A202的非气相出口与下沉弧形管段A203下坡段入口连接；如图2所示，第二级气体分离弧形分支管结构由下沉弧形管段A203上坡段、过渡管段B204、下沉弧形管段B205下坡段以及气体分离弧形支管B208组成，下沉弧形管段A203上坡段出口与过渡管段B204的入口连接，过渡管段B204的气相出口与气体分离弧形支管B208的下端连接，过渡管段B204的非气相出口与下沉弧形管段B205下坡段入口连接；第三级分离弧形分支管结构由下沉弧形管段B205上坡段、过渡管段C206、过渡直线管4以及气体分离弧形支管C209组成，下沉弧形管段B205上坡段出口与过渡管段C206的入口连接，过渡管段C206的气相出口与气体分离弧形支管C209的下端连接，过渡管段C206的非气相出口与过渡直线管4的入口连接；气体分离弧形支管A207的上端、气体分离弧形支管B208的上端以及气体分离弧形支管C209的上端分别与集气管210连接。

所述泥沙分离子系统3由至少一级泥沙分离结构和一根水和水合物浆体出口管7组成，泥沙分离结构的泥沙出口与泥沙泵送装置5的入口连接，泥沙分离结构的水和水合物浆体出口与水和水合物浆体出口管7的一端连接，水和水合物浆体出口管7的另一端与水和水合物浆体储罐8连接。

作为优选地，所述泥沙分离子系统3包括两级泥沙分离结构，其中，第一级泥沙分离结构由泥沙分离螺旋上升管段A301、捕沙结构A302、排沙分支管A303和泥沙分离螺旋上升管段B304前半段组成，泥沙分离螺旋上升管段A301的入口与气体分离子系统2的非气相出口连接，泥沙分离螺旋上升管段A301的出口处设置有捕沙结构A302，捕沙结构A302的第一出口与排沙分支管A303的上端连接，捕沙结构A302的第二出口与泥沙分离螺旋上升管段B304前半段的入口连接；第二级泥沙分离结构由泥沙分离螺旋上升管段B304后半段、捕沙结构B305、排沙分支管B306和泥沙分离螺旋上升管段C307组成，泥沙分离螺旋上升管段B304后半段出口处设置有捕沙结构B305，捕沙结构B305的第一出口与排沙分支管B306的上端连接，捕沙结构B305的第二出口与泥沙分离螺旋上升管段C307的入口连接，泥沙分离螺旋上升管段C307的出口与水和水合物浆体出口管7连接。

如图3所示，所述捕沙结构A302包括捕沙槽A302a和捕沙漏斗A302b，捕沙槽A302a处流体截面大于泥沙分离螺旋上升管段A301的流体截面，捕沙漏斗A302b设置于捕沙槽A302a的下方，并将捕沙槽A302a收集的泥沙通过捕沙漏斗A302b流进排沙分支管A303内。

所述捕沙结构B305包括捕沙槽B和捕沙漏斗B，捕沙槽B处流体截面大于泥沙分离螺旋上升管段B304的流体截面，捕沙漏斗B设置于捕沙槽B的下方，并将捕沙槽B收集的泥沙通过捕沙漏斗B流进排沙分支管B306内。

所述泥沙泵送装置5包括泵501、集砂管502和螺旋推料器，泵501安装在集砂管502的一端，螺旋推料器置于集砂管502内，泵501的输出端与螺旋推料器传动连接。

本发明的工作过程如下：水合物浆体储罐1中气-水-水合物-沙浆体经过水平直管段201进入气体分离子系统2中的第一级气体分离弧形分支管结构，由于气体分离弧形支管207的作用，导致其与过渡管段A202的连接处压降很大，气体被“吸入”气体分离弧形支管207。由于第一级气体分离弧形分支管的出口是下沉弧形管段A203下坡段，使得主管上部的气体滞留，不易进入下沉弧形管段A203，从而提高气体进入气体分离弧形支管A207的效果。而后水合物浆体进入第二级气体分离弧形分支管结构。其入口是下沉弧形管段A203的上坡段，由于浆体经过该管段时，其上部的气体容易进入气体分离弧形支管B208，提高了弧形分支管结构气体分离效果；其出口是下沉弧形管段B205下坡段，具有与第一级气体分离弧形分支管结构中的下沉弧形管段A203下坡段的同样分离效果。再后水合物浆体进入第三级气体分离弧形分支管结构，该结构与前两级的气体分离弧形分支管结构具有类似的分离功能和效果。三级气体分离弧形分支管结构所分离出来的气体，经过集气管210输送到储气罐9。主管中所剩下的水-水合物-沙的混合浆体进入过渡直管段4。完成气体分离后，过渡直管段4中的水合物浆体进入第一级泥沙分离结构，在第一级泥沙分离结构的泥沙分离螺旋上升管段A301内，由于沙的密度较大，在离心力的作用下，泥沙沿分离螺旋上升管段A301的外壁下部流动，在捕沙结构A302中，捕沙槽A302a使得流动截面扩大，并在其内形成了局部螺旋流动，泥沙在局部螺旋流和重力的共同作用下，经过捕沙漏斗A302b收集，沿排沙分支管A303流入集砂管502内。同时由于捕沙结构A302的出口为泥沙分离螺旋上升管段B304，在重力的作用下，阻止了泥沙进入主流管道，进一步提高了泥沙分离效果。同理，经过第一级分离泥沙后的水合物浆体进入第二级泥沙分离结构，其分离泥沙的功能和效果与第一级的相同。

完成泥沙分离后水-水合物沿水和水合物浆体出口管7进入水和水合物浆体储罐8，第一级和第二级泥沙分离结构分离出的泥沙流入集砂管502内，通过泥沙泵501驱动集砂管502内的螺旋推料器转动并将泥沙输送到储沙罐6内。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。