一种海底浅层非成岩天然气水合物举升方法及装置与流程

本发明涉及到天然气水合物开采技术领域，尤其涉及到海底浅层非成岩天然气水合物举升方法及装置。

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。天然气水合物特别是海洋水合物是目前尚未开发的储量最大的一种新能源，其储量相当于全世界已知煤炭、石油和天然气等能源储量的两倍，但要实现水合物有效可控的商业开采是目前全世界面临的难题。

水合物的主要存在形式有砂岩型、砂岩裂隙型、细粒裂隙型和分散型，其中细粒裂隙型和分散型水合物占绝大多数。目前为止，在我国海域所取得的天然气水合物样品均为非成岩天然气水合物，全球成功获取的天然气水合物绝大多数也是非成岩天然气水合物。深水非成岩天然气水合物具有储量大、弱胶结、稳定性差的特点，一旦所在区域的温度、压力条件发生变化，就可能导致海底非成岩天然气水合物的大量分解、气化和自由释放，存在潜在的风险。水合物传统开采方法中的降压法、注热法、化学抑制剂法和co2置换开采法等方法对极地砂岩和海域砂岩储层天然气水合物进行了短期试采技术示范验证，其安全性有待深入研究，并且单井测试产量距离商业开采门限还有很大距离。因此，对于储存在海底表层几米到200米之内深水浅层、弱胶结的天然气水合物的开发则需要考虑一种全新的开采模式。周守为等根据世界海域水合物取样和我国海域水合物取样情况，首次提出了深水浅层天然气水合物固态流化开采技术，减少浅层水合物分解可能带来的环境风险，达到绿色可控开采的目的。但针对浅层水合物固态流化之后，混合浆体的收集、水合物颗粒与砂粒的分离、水合物浆体的举升，目前还没有比较完善的方法及装置。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种海底浅层非成岩天然气水合物举升方法及装置，压力泵将海水注入双层管的环空，海水通过上桥式通道进入螺杆马达的内腔，进而驱动螺杆马达的转子转动，将海水挤入下桥式通道，海水改变流道进入螺杆泵外的环空，环空中的海水通过喷嘴射流破碎水合物层，生成水合物和砂粒的混合浆体；同时螺杆马达的转子通过万向轴与螺杆泵的转子中心轴联接，将动力和扭矩传递给螺杆泵，带动螺杆泵旋转，在螺杆泵下端形成负压区；混合浆体通过收集口进入二次破碎装置，将射流破碎之后的大颗粒进一步粉碎成细小颗粒；然后经过螺旋管切向进入分离器，在分离器中以螺旋涡方式运动，外旋流携带砂粒由沉砂口排出，回填到井底，内旋流携带水合物浆体由溢流管排出，排出后的水合物浆体经扩口短节进入螺杆泵；然后水合物浆体在螺杆泵的作用下向上举升，水合物浆体通过下桥式通道向上进入螺杆马达外的环空，然后再通过上桥式通道进入双层管的内管，最后泵送到海洋平台上的固控系统，做进一步处理。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于海底浅层非成岩天然气水合物举升方法，主要用于海底浅层非成岩天然气水合物的举升，其特征在于，所述的海底浅层非成岩天然气水合物举升方法主要包括以下步骤：

步骤1：启动海洋平台上的压力泵，将海水泵送到双层管的环空，海水由环空通过上桥式通道的ⅰ-ⅴ和ⅲ-ⅴ流道进入螺杆马达；海水驱动螺杆马达的转子在定子中转动，并将海水挤入下桥式通道，海水通过下桥式通道的b-e和c-h流道进入螺杆泵外的环空；

步骤2：螺杆泵外的环空中的海水通过喷嘴射流破碎水合物层，生成水合物颗粒和砂粒的混合浆体；在环空中的海水和螺杆泵下端的压差作用下，混合浆体依次通过收集口、二次破碎装置、螺旋管、分离器，进行二次破碎和分离，分离出的泥砂通过钻头中间的排砂眼回填到井底，水合物浆体从溢流管排出，经过扩口短节进入螺杆泵；

步骤3：在螺杆泵的作用下，水合物浆体被向上举升；水合物浆体到达下桥式通道，并通过下桥式通道的f-a和g-d流道进入螺杆马达外的环空；水合物浆体在螺杆马达外的环空中继续向上举升，并通过上桥式通道的ⅳ-ⅱ和ⅵ-ⅱ流道进入双层管的内管，最后泵送到海洋平台上的固控系统，做进一步处理。

一种用于实现海底浅层非成岩天然气水合物举升方法的装置，包括压力泵、固控系统、双层管、上桥式通道、螺杆马达、下桥式通道、万向轴、螺杆泵、喷嘴、扩口短节、收集口、二次破碎装置、螺旋管、分离器、溢流管、排砂眼、钻头。

高压泵与双层管的环空相连，固控系统与双层管的内管相连；上桥式通道上端联接双层管，下端联接螺杆马达；螺杆马达的转子下端穿过下桥式通道，并用万向轴联接螺杆泵的转子中心轴；下桥式通道上端联接螺杆马达，下端联接螺杆泵；螺杆泵的外筒布置有喷嘴，螺杆泵下端与扩口短节联接；二次破碎装置上端与扩口短节联接，下端与分离器联接，在二次破碎装置的外筒布置有收集口，并且通过螺旋管使混合浆体切向流入分离器；分离器上端与二次破碎装置联接，下端与钻头联接，钻头中心有排砂眼，与分离器的沉砂口相通，作为分离出的泥砂的回填通道；分离器中的溢流管穿过二次破碎装置中心与扩口短节联接，作为水合物浆体的溢流通道，使水合物浆体进入到螺杆泵，经过螺杆泵举升，最后泵送到固控系统进行后期处理。

本发明具有以下优点：（1）整个工艺简单，能够有效地实现海底浅层非成岩水合物的破碎、分离和举升；（2）螺杆泵装置结构紧凑，体积小，自吸能力强，运转平稳，工作寿命长；（3）上桥式通道和下桥式通道巧妙地实现了海水和水合物浆体的泵送和举升，节省了井下空间。

附图说明

图1为海底浅层非成岩天然气水合物举升工艺示意图；

图中，1-固控系统，2-压力泵，3-海洋平台，4-双层管，5-隔水导管，6-封隔器，7-上桥式通道，8-定子，9-转子，10-螺杆马达，11-万向轴，12-转子中心轴，13-定子，14-转子，15-扩口短节，16-收集口，17-螺旋管，18-下桥式通道，19-螺杆泵，20-喷嘴，21-二次破碎装置，22-溢流管，23-分离器，24-钻头，25-排砂眼，26-沉砂口。

图2为上桥式通道示意图；

图中，ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ、ⅵ分别为流道口名称。

图3为下桥式通道示意图；

图中，a、b、c、d、e、f、g、h分别为流道口名称。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

本发明实例所述的海底浅层非成岩天然气水合物举升方法主要包括以下步骤（如图1所示）：

步骤1：下放隔水导管5，采用钻头24打领眼井，当钻头24钻进到工作深度时，钻头24停止钻进；

步骤2：启动海洋平台3上的压力泵2，将海水输送到双层管4的环空，环空中的海水通过上桥式通道7改变流道进入螺杆马达10；

步骤3：海水驱动螺杆马达10的转子9在定子8中转动，将海水挤入下桥式通道18，进而改变流道进入螺杆泵19外的环空；

步骤4：螺杆马达10的转子9通过万向轴11与螺杆泵19的转子中心轴12联接，将扭矩和转速传递给螺杆泵19的转子14，使螺杆泵19的转子14在定子13中转动，在螺杆泵19下端形成负压区；

步骤5：螺杆泵19外的环空中的海水通过喷嘴20射流破碎水合物层，生成水合物和砂粒的混合浆体；

步骤6：水合物和砂粒的混合浆体通过收集口16进入二次破碎装置21，将射流破碎之后的大颗粒进一步破碎成细小颗粒；

步骤7：二次破碎之后的混合浆体经过螺旋管17切向进入分离器23，在分离器23中以螺旋涡方式运动，外旋流携带砂粒由沉砂口26排出，通过钻头24中间的排砂眼25回填到井底，内旋流携带水合物浆体由溢流管22排出，经扩口短节15进入螺杆泵19；

步骤8：在螺杆泵19的作用下，水合物浆体被向上举升，水合物浆体到达下桥式通道18，改变流道向上进入螺杆马达10外的环空；

步骤9：水合物浆体在螺杆马达10外的环空中继续向上举升，再通过上桥式通道7进入双层管4的内管，最后泵送到海洋平台3的固控系统1，做进一步处理；

下放隔水导管5，将双层管4与海水隔开，在隔水导管5的外部下方放置封隔器6，将海水层与水合物层分隔开，保证下部开采空间为封闭状态；

钻头24打领眼井，当钻进到工作深度时，钻头24停止钻进，启动海洋平台3上的压力泵2，压力泵2工作将高压海水输送到双层管4的环空，提供整个举升工艺过程中所需的压头；

当海水到达上桥式通道7时，由环空通过上桥式通道7的ⅰ-ⅴ和ⅲ-ⅴ流道（如图2所示）进入螺杆马达10的内腔，海水迫使螺杆马达10中的转子9在定子8中旋转，从而将海水向下输送到下桥式通道18，海水通过下桥式通道18的b-e和c-h流道（如图3所示）进入螺杆泵19外的环空；

螺杆马达10的转子9的下端伸长的光杆穿过下桥式通道18，通过万向轴11与螺杆泵19的转子中心轴12联接，将螺杆马达10产生的扭矩和转速通过万向轴11传递到螺杆泵19，作为螺杆泵向上举升的动力来源；

海水从下桥式通道18流入螺杆泵19外的环空，打开喷嘴20，进行射流破碎水合物层，生成水合物和砂粒的混合浆体，经过收集口16的收集作用进入二次破碎装置21；

混合浆体中的大颗粒在二次破碎装置21中进一步被粉碎成细小颗粒，通过螺旋管17螺旋输送，然后切向进入分离器23中；

混合浆体在分离器23中以螺旋涡方式运动，由于离心作用，外旋流携带砂粒由沉砂口26排出，通过钻头24中间的排砂眼25回填到井底，内旋流携带水合物浆体由溢流管22排出，经扩口短节15进入螺杆泵19的内腔；

分离之后的水合物浆体在螺杆泵19的举升作用下到达下桥式通道18，通过下桥式通道18的f-a和g-d流道（如图3所示）进入螺杆马达10外的环空，水合物浆体沿着环空通道向上被螺杆泵19举升到上桥式通道7，通过上桥式通道7的ⅳ-ⅱ和ⅵ-ⅱ流道（如图2所示）进入双层管4的内管；

水合物浆体沿着双层管4的内管继续被举升到海洋平台3上的固控系统1，做进一步的处理。

一种用于实现海底浅层非成岩天然气水合物举升方法的装置，包括压力泵2、固控系统1、隔水导管5、封隔器6、双层管4、上桥式通道7、螺杆马达10、下桥式通道18、万向轴11、螺杆泵19、喷嘴20、扩口短节15、收集口16、二次破碎装置21、螺旋管17、分离器23、溢流管22、排砂眼25、钻头24；

隔水导管5放置在覆盖泥层中，在隔水导管5外部采用封隔器6，形成封闭空间，可以将双层管4与海水进行隔离；

海洋平台3上的压力泵2与双层管4的环空相连，将海水泵入到环空，提供举升工艺所需的压头，海洋平台3上的固控系统1与双层管4的内管相连，回收举升上来的水合物浆体；

上桥式通道7的上端联接双层管4，下端联接螺杆马达10，并且上桥式通道7的流道口ⅰ、ⅲ与上端双层管4的环空相通，流道口ⅱ与上端双层管4的内管相通，流道口ⅳ、ⅵ与下端螺杆马达10外的环空相通，流道口ⅴ与下端螺杆马达10的内腔相通（如图2所示）；

螺杆马达10的上端与上桥式通道7联接，下端与下桥式通道18联接，螺杆马达10的定子8固定在内筒，转子9下端伸长出部分光杆穿过下桥式通道18，并用万向轴11联接螺杆泵19的转子中心轴12，将扭矩和转速传递给螺杆泵19，作为螺杆泵19的动力来源；

下桥式通道18的上端联接螺杆马达10，下端联接螺杆泵19，并且下桥式通道18的流道口a、d与上端螺杆马达10外的环空相通，流道口b、c与上端螺杆马达10的内腔相通，流道口e、h与下端螺杆泵19外的环空相通，流道口f、g与下端螺杆泵19的内腔相通（如图3所示），螺杆泵19的外筒布置有喷嘴20，螺杆泵19的上端与下桥式通道18联接，下端与扩口短节15联接，螺杆泵19的转子中心轴12装配在螺杆泵19空心的转子14中，定子13固定在内筒；

二次破碎装置21的上端与扩口短节15联接，下端与分离器23联接，在二次破碎装置21的外筒布置有收集口16，收集破碎之后的混合浆体，二次破碎装置21将混合浆体中的大颗粒粉碎成细小颗粒，并且通过螺旋管17将混合浆体切向流入分离器23；

分离器23的上端与二次破碎装置21联接，下端与钻头24联接，分离器23的沉砂口26与钻头24中心的排砂眼25相通，作为分离出的泥砂的回填通道；

分离器23中的溢流管22穿过二次破碎装置21中心与扩口短节15联接，作为水合物浆体的溢流通道，使水合物浆体进入到螺杆泵19，再经螺杆泵19的举升作用泵送到海洋平台3上的固控系统1，做进一步的处理。

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。