一种用于天然气水合物固态流化开采的井上三相分离装置的制作方法

本实用新型涉及一种用于天然气水合物固态流化开采的井上三相分离装置，属天然气水合物开采技术领域。

背景技术：

进入21世纪以来，社会经济飞速发展，能源消耗与日俱增，随之而来的环境问题日益严峻。据英国石油公司（bp）的世界能源统计，目前化石燃料的主要构成为石油（35.8%）、煤（28.4%）和天然气（23.7%）。能源消耗量以每年1.8%的速度增加，按照目前水平，全球探明石油储备能够满足40年的消费需求。随着经济社会的发展，有限的资源难以维持国民经济的迅速发展，并且石油、煤炭等传统化石能源的大量消耗造成了严重的环境污染问题，因而寻求清洁高效的新能源来缓解经济快速发展所带来的压力迫在眉睫。

天然气水合物（naturalgashydrate，简称ngh）是低温高压环境下因甲烷等气体分子被水分子包裹形成的笼型结晶化合物，因其可直接被点燃，也叫“天然气水合物”。天然气水合物以其能源储备量大、能量密度高、环境污染小等优势逐渐成为了一种重要的未来能源，引起了世界各国的广泛研究。天然气水合物是目前尚未开发的储量巨大的一种新能源，其勘探和开发都面临着巨大的挑战，一方面是海底天然气水合物的分解对全球气候变化会产生很大的影响；另一方面是勘探、开采方法、钻井等。国内周守为院士开发一种深水浅层天然气水合物固态流化开采技术，即将深水浅层不可控的非成岩天然气水合物储藏通过海底采掘、密闭流化举升系统变为可控的天然气水合物资源，从而保证生产安全，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。

目前，国外常规的三相分离器研究已经比较成熟，三相分离器的生产也已实现标准化、系列化。比较知名的三相分离器生产厂家有英国的expro公司、美国cameron公司、schlumberger公司、bakerhughes公司等，这些公司都有自己完善的技术支持，可以根据用户的需求生产多相分离设备。我国对于油田地面设备的研究起步较晚，但自80年代开始引进国外先进技术以来，我国的分离器制造水平得到了很大提高，特别是近些年随着国内外需求的增加，涌现了许多有着较高技术水平的新的分离器生产厂家。我国有十几家实力较强的分离器生产企业，部分产品分离效果已经达到了世界先进水平，有些产品甚至远销北美、南美、中东等地区，但国内所生产的三相分离器大多结构相似，技术单一，产品适应性较差，因此，分离器技术的丰富与发展还需要更多的研究与创新。

专利cn104895546a提供一种基于固态流化开采的天然气水合物海底分离工艺，此工艺用于海底浅表层非成岩天然气水合物固态流化开采。该工艺包括以下步骤:①将海底采掘机开采后泵送而来的水合物原浆输送至海底筛分装置进行筛分处理;②将筛分处理后得到的大固体颗粒输送至海底破碎装置进行破碎处理;③将破碎处理后的水合物混合物再次进行筛分处理;④对筛分处理后的大、小固体颗粒混合物分别进行分离处理;⑤对分离得到的泥沙进行海底回填。此发明可实现在海底浅表层非成岩天然气水合物藏固态流化开采过程中水合物的海底分离。整个过程安全、高效，并且可以有效控制分离后泥沙中水合物的含量。

专利cn207315341u提供了一种模块化海底天然气水合物井下分离装置，包括总装柱体，设置在总装柱体内的锥形分离器安装槽，设置在分离器安装槽中的分离器，设置在锥形分离器安装槽上部第一密封盘，设置在总装柱体内的进液流道、排砂流道、出液流道,设置在进液流道上端的进液连接管，设置在排砂流道上端的排砂连接管，设置在总装柱体上端与进液流道连通的进液环空，设置在进液环空内壁的进液孔，设置在进液环空上的连接环，设置在连接环中心的出液通过孔，设置在连接环内的连接管安装孔，设置在总装柱体下端沉砂槽，设置在沉砂槽下第二密封盘。通过上述方案，能达到装置模块化、结构紧凑、安装方便、分离效率高，具有很大的实用价值和推广价值。

专利cn107542431a公开了一种天然气水合物海底气液固多相流化分离的方法，主要包括流化床、进料锁斗、旋风分离器、砂粒锁斗、气体分布板、加热板和控制阀等。首先水合物沉积物经机械破碎成水合物颗粒并与适量海水混合形成水合物浆体储存于进料锁斗中，水合物浆体再通过进料闸阀进入流化床内而流化气甲烷则通过流化床底部经气体分布板进入流化床内水合物颗粒、海水和流化气在流化床内形成稳定的气一液一固多相流态化水合物颗粒在高温海水和内加热构件作用下发生热分解并释放出甲烷气体，粗甲烷气体经旋风分离器进一步分离后输送至海上平台，而分解残留的泥砂经砂粒锁斗回填至海底。

专利cn107543009a公开了一种输气管道水合物颗粒分离装置，其特征在于:所述装置包括螺旋流发生器、一级管道、二级管道、三级管道、导流条、太阳能储热箱、光伏太阳能板、空气压缩机;一级管道、二级管道、三级管道依次相连;螺旋流发生器位于一级管道中，由圆柱体、颗粒破碎器、螺旋流维持器和扭带组成，颗粒破碎器焊接在圆柱体前端，扭带环绕焊接在圆柱体周围，螺旋流维持器焊接在圆柱体后端;导流条位于二级管道中，并焊接在二级管道内壁;水合物颗粒分别通过一级管道与二级管道的下端连接缝隙、二级管道与三级管道的下端连接缝隙流入到太阳能储热箱中;光伏太阳能板与太阳能储热箱连接，两个太阳能储热箱连通，并通过空气压缩机与三级管道后端连接;一级管道、三级管道分别通过进口法兰和出口法兰与输气管道连接。

20世纪50年代晚期，美国hydrocarbonresearchinc.(hri)公司和城市服务公司首先开发了商业化的“h-oil”沸腾床技术，并申请了美国专利us25770。在美国专利us25,770的基础上，围绕沸腾床反应器的气-液-固分离问题，大致出现了5种结构形式的分离结构，分别是：（1）空塔沉降结构；（2）分腔沉降结构；（3）循环杯结构；（4）旋风分离器结构；（5）惯性分离结构。

空塔沉降结构是指反应器顶部的三相分离通过气液固三相混合物在空塔结构中发生重力沉降实现；气相产品从反应器顶部的气相出口排出，液相产品从反应器中的自由空间区域上层的澄清液体中水平引出或在水平引出。分腔沉降结构是指在反应器中优先对气液固三相混合物进行脱气，而后将脱除气相的液固两相混合物进入一定体积的沉降区域内再进行沉降。循环杯结构是在空塔沉降结构上进行的改进，在反应器中设置漏斗形空间，专门用于气液两相停留分离，以获得含气率较低或者不含气体的液相产品去往循环泵。旋风分离器结构是在反应器中应用旋风分离器代替原来的分离结构，进一步强化气液分离，提高分离效率。惯性分离结构是在反应器顶部设置缓冲挡板改变流体和颗粒的运动方向，限制催化剂继续向上膨胀、引导颗粒向下沉降，实现颗粒从流体中的分离，获得的不含固体的气液两相产品经反应器顶部排出。

天然气水合物储层与常规油气储层相比，不仅泥砂量大，且泥砂粒径40μm以下占83.25%、10μm以下占40%、中值粒径20μm，用于油气田开发的传统分离装置难以分离跨尺度细砂。因此，研制针对天然气水合物固态流化开采工艺的高效、低耗的三相分离设备，对净化天然气、降低气体输送过程的能耗、减少运行成本具有一定的指导意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于：提供一种结构紧凑，可有效强化水合物的分解汽化，以及微米级细砂与天然气、水的分离精度；从而提高天然气产量；解决现有分离器气、液、水处理效率不高，细砂与天然气、水的分离精度较低问题的用于天然气水合物固态流化开采的井上三相分离装置。

本实用新型的技术方案是：

一种用于天然气水合物固态流化开采的井上三相分离装置，包括裙座、分离罐体、气液旋流器和液固旋流器；其特征在于：裙座上固装有分离罐体，分离罐体内由上至下间隔设置有顶部盲板、中部盲板和下部盲板，顶部盲板和中部盲板之间安装有多个气液旋流器，下部盲板下方的分离罐体内安装有液固旋流器，液固旋流器的顶部延伸至中部盲板上方，液固旋流器的底部设置有固相出口管；固相出口管一端穿过分离罐体延伸至裙座外端，液固分离器一侧的分离罐体底部设置有下连通管，下连通管的一端延伸至裙座外端，所述的分离罐体顶部设置有上连通管。

所述的气液旋流器在顶部盲板5和中部盲板上呈环形设置，其数量为2—8个。

所述的气液旋流器顶部与顶部盲板上方的分离罐体内腔连通；气液旋流器底部与中部盲板和下部盲板之间的分离罐体内腔连通。

所述的中部盲板和下部盲板之间对应的分离罐体上设置有中部连通管。

所述的气液旋流器由旋流管和溢流管构成，旋流管为锥形体，旋流管的顶端设置有溢流管，溢流管一侧的旋流管上设置有气液旋流进口；气液旋流进口与旋流管连通。

所述的溢流管顶部和旋流管底部圆周上分别设置有法兰盘。

所述的液固旋流器由旋流器壳体、液固溢流管和旋流叶片构成，旋流器壳体为漏斗状。

旋流器壳体的中心部位设置有液固溢流管，液固溢流管与旋流器壳体上端口的内壁之间均布有多个旋流叶片，旋流器壳体的底部固装有固相出口管。

上述天然气水合物井上三相分离装置的分离方法包括以下步骤：

1）、在一定压力下，天然气水合物（包括气、液、固三态）由三相分离器底部的进料口（下连通管8）进入下部盲板7下方的分离罐体的内腔；

2）、进入分离罐体底部的天然气水合物随着天然气水合物的不断进入液面不断抬升，抬升的液面逐步淹没液固旋流器的旋流器壳体，并经旋流叶片之间的间隙进入旋流器壳体进入至旋流器壳体内；

3）、天然气水合物经旋流叶片进入至旋流器壳体内的过程中；由于旋流叶片呈倾斜状设置，天然气水合物在旋流叶片的引流作用下，在液固旋流器的壳体与液固溢流管之间形成的环形流动空间做三维螺旋旋转流动，其中，固体颗粒在液固旋流器旋流分离过程中受到的径向力主要为惯性离心力、向心浮力和流体曳力且大小不同，受离心沉降作用，相对较大直径的粗颗粒（重相）和部分液体由底部的固相出口管排出，相对细颗粒（轻相）和部分液体由液固溢流管排出进入顶部盲板与中部盲板之间的分离罐体内；实现分级分离的目的。同时固体颗粒在液固旋流场中以1000rad/s至3000rad/s的速度高速自转，可进一步强化水合物的破胶结和分解；

4）、进入顶部盲板与中部盲板之间的分离罐体内的水合物汇集一定量后，由气液旋流进口以一定压力切向进入锥形体的旋流管内；并产生强烈的三维椭圆型强旋转剪切湍流运动；

5）、这一过程中，由于水合物中的粗颗粒（或重相）与细颗粒（或轻相）之间存在着粒度差（或密度差），其受到的离心力、向心浮力、流体曳力等大小不同，受离心沉降作用，大部分粗颗粒（或重相）和液体经气液旋流器底流口排出，进入至中部盲板和下部盲板之间的分离罐体内，然后经中部连通管排出；

6）、细颗粒（或重相）和液体经气液旋流器底流口排出的同时，气体（或轻相）由上连通管排出并收集，从而达到分离气液的目的，至此，一个工作循环完成。

为了表明该井上三相分离装置的分离效果：本申请的发明人在气体流动速度ug分别为6mm/s，8mm/s，10mm/s，15mm/s，的条件下进行了天然气水合物的三相分离实验，实验过程中对于惯性分离入口（即旋流分离器锥段和反应器器壁形成的内凹圆锥面）、旋流分离器入口和溢流口的固含量情况。实验发现，在气速条件低于15mm/s、液速条件低于8mm/s，旋流分离器的溢流口都达到不夹带固体颗粒的要求。具体结果参照附图4—7。

由实验结果可以得出，本实用新型的三相分离装置针对井上开采出的天然气水合物的三相分离，海水中携带固体颗粒浓度能够降低到10ppm，天然气中携带液滴小于气体含量3%(w)。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图;

图2为本实用新型的气液旋流器的剖视结构示意图;

图3为本实用新型的液固旋流器的剖视结构示意图;

图4为本实用新型在气速ug为6mm/s时的三相分离实验结果图；

图5为本实用新型在气速ug为8mm/s时的三相分离实验结果图；

图6为本实用新型在气速ug为10mm/s时的三相分离实验结果图；

图7为本实用新型在气速ug为15mm/s时的三相分离实验结果图。

图中：1、裙座，2、分离罐体，3、气液旋流器，4、液固旋流器，5、顶部盲板，6、中部盲板，7、下部盲板，8、下连通管，9、上连通管，10、旋流管，11、溢流管，12、气液旋流进口，13、中部连通管，14、旋流器壳体，15、液固溢流管，16、旋流叶片，17、固相出口管。

具体实施方式

该用于天然气水合物固态流化开采的井上三相分离装置包括裙座（1）、分离罐体（2）、气液旋流器（3）和液固旋流器（4）；裙座（1）上固装有分离罐体（2），分离罐体（2）内由上至下间隔设置有顶部盲板（5）、中部盲板（6）和下部盲板（7），顶部盲板（5）和中部盲板（6）之间安装有多个气液旋流器（3），气液旋流器（3）在顶部盲板（5）和中部盲板（6）上呈环形设置，其数量为（6）个。气液旋流器（3）由旋流管（10）和溢流管（11）构成，旋流管（10）为锥形体，旋流管（10）的顶端设置有溢流管（11），溢流管（11）一侧的旋流管（10）上设置有气液旋流进口12；气液旋流进口12与旋流管（10）连通，所述的溢流管（11）顶部和旋流管（10）底部圆周上分别设置有法兰盘。气液旋流器（3）顶部与顶部盲板（5）上方的分离罐体内腔连通；气液旋流器（3）底部与中部盲板（6）和下部盲板（7）之间的分离罐体内腔连通。中部盲板（6）和下部盲板（7）之间对应的分离罐体（2）上设置有中部连通管（13）。

下部盲板（7）下方的分离罐体（2）内安装有液固旋流器（4），液固旋流器（4）由旋流器壳体（14）、液固溢流管（15）和旋流叶片（16）构成，旋流器壳体（14）为漏斗状，旋流器壳体（14）的中心部位设置有液固溢流管（15），液固溢流管（15）与旋流器壳体（14）之间均布有多个旋流叶片（16），旋流器壳体（14）的底部固装有固相出口管（17）。液固旋流器（4）的液固溢流管（15）延伸至中部盲板（6）上方，液固旋流器（4）的底部设置有固相出口管（17）；固相出口管（17）一端穿过分离罐体（2）延伸至裙座（1）外端，液固分离器（4）一侧的分离罐体（2）底部设置有下连通管（8），下连通管（8）的一端延伸至裙座（1）外端，分离罐体（2）顶部设置有上连通管（9）（参见附图1—3）。

该天然气水合物三相分离装置的分离方法为：

在一定压力下，天然气水合物（包括气、液、固三态）由三相分离器底部的下连通管（8）进入下部盲板（7）下方的分离罐体（2）的内腔，进入分离罐体（2）底部的天然气水合物随着天然气水合物的不断进入液面不断抬升，抬升的液面逐步淹没液固旋流器（4）的旋流器壳体（14），并经旋流叶片（16）之间的间隙进入旋流器壳体（1）进入至旋流器壳体（14）内；天然气水合物经旋流叶片进入至旋流器壳体内的过程中；由于旋流叶片（16）呈倾斜状设置，天然气水合物在旋流叶片（16）的引流作用下，在液固旋流器（4）的壳体与液固溢流管（15）之间形成的环形流动空间做三维螺旋旋转流动，其中，固体颗粒在液固旋流器（4）旋流分离过程中受到的径向力主要为惯性离心力、向心浮力和流体曳力且大小不同，受离心沉降作用，相对较大直径的粗颗粒（重相）和部分液体由底部的固相出口管（17）排出，相对细颗粒（轻相）和部分液体由液固溢流管（15）排出进入顶部盲板5与中部盲板6之间的分离罐体（2）内；实现分级分离的目的；同时固体颗粒在液固旋流场中以1000rad/s至3000rad/s的速度高速自转，可进一步强化水合物的破胶结和分解；

进入顶部盲板5与中部盲板6之间的分离罐体2内的天然气与液体、少量细泥砂在气流拖拽下，由气液旋流进口12以一定压力切向进入锥形体的旋流管14内；并产生强烈的三维椭圆型强旋转剪切湍流运动，这一过程中，由于三维旋流场作用，细颗粒和液体经气液旋流器底流口排出，进入至中部盲板6和下部盲板7之间的分离罐体2内，然后经中部连通管13排出，同时固体颗粒在气固旋流场中以10000rad/s以上的速度高速自转，可进一步强化泥砂孔隙中天然气的有效脱附、分离；细颗粒（或重相）和液体经气液旋流器底流口排出的同时，气体（或轻相）由上连通管9排出并收集，从而达到分离气液的目的，至此，一个工作循环完成。