一种串并结合实现多级水合物原位分离除砂装置

1.本发明属于石油钻井技术领域，具体地讲，是涉及一种串并结合实现多级水合物原位分离除砂装置。


背景技术：

2.能源安全是保障国家可持续发展的基础，随着我国经济的蓬勃发展，对能源的消耗量急剧增加。天然气水合物又称“可燃冰”，是一种高密度、高热值的非常规清洁能源(1m3天然气水合物可以释放出164m3甲烷气体和0.8m3水)，其储量巨大，且具备可观的商业开发前景，高效开发天然气水合物能保障我国能源安全，实现经济可持续发展。近几年中国在南海海域试采结果显示，试采过程中持续出砂，浆体中含砂量巨大，造成管输困难、管输能耗大等问题。传统防砂方法和设备无法满足水合物长期商业开采。为保证海洋水合物可持续商业开采，急需新型除砂设备。
3.针对中国水合物储层砂粒(粒径主要集中在20～30μm)去除，已提出基于固态流化开采方法的原位分离技术，对应此技术已发明一些装置。如中国专利，申请号为201811412136.8的一种偏置对称并联式海底浅层天然气水合物原位分离装置，该专利中提到的偏执对称大处理量，还有申请号为202210423852.6的一种双层管式串联螺旋水合物原位分离除砂装置，以上专利中提到采用螺旋分离器或旋流分离器串联或并联方式，在管径相同情况下单个旋流分离器具有分离精度高、螺旋分离器具有处理量大的特点。并联式多层管式旋流分离装置理论上能解决处理量不够大的问题，但在有限的管径时造成管串长度急剧增大。串联螺旋分离装置解决了分离精度不够高的问题，但同时造成管串长度急剧增大。以上装置虽然已解决处理量大或分离精度高，但无法同时满足处理量大且处理精度高，没有专门的排砂结构，故分离后的砂无法排到接近钻头端进行实时回填。因此，如何解决现有技术中存在的问题是本领域技术人员亟需解决问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种串并结合实现多级水合物原位分离除砂装置，主要解决现有技术中存在分离装置不能同时满足处理量且处理精度高，并且砂无法实时回填等问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种串并结合实现多级水合物原位分离除砂装置，包括外管，套置在外管两端且同时具有射流通道和回收通道的顶部接头和底部接头，套置在外管外周并与外管形成排砂通道的排砂管，多段设置在外管内部并与外管形成环空管道的内管，安装在内管内部且与底部接头连接的螺旋分离器，一端与螺旋分离器连接的第一类中部接头，以及一端与第一类中部接头连接、另一端与顶部接头连接并与螺旋分离器实现串联的旋流分离装置；其中，所述旋流分离装置采用并联输入的方式对从螺旋分离器分离出来的初级水合物浆体进行二次分离。
7.进一步地，所述螺旋分离器包括位于前端的螺旋分离入口，位于中部并与螺旋分离入口连通的螺旋分离腔，以及位于后端并与螺旋分离腔连通的分离器回收通道和螺旋排砂通道，其中，所述螺旋排砂通道与排砂通道连通且外接单向阀防止分离的水合物浆体回流。
8.进一步地，所述旋流分离装置包括多个相互并联输入且位于内管中的旋流分离器，以及用于连接相邻两个旋流分离器的第二类中部接头，所述旋流分离器包括溢流口和底流口，以及多个均匀分布在旋流分离器圆柱段顶部的分离器入口，其中，第一级旋流分离器的底流口与第一类中部接头的另一端连接，最后一级旋流分离器的溢流口与顶部接头连接。
9.进一步地，所述第一类中部接头包括多个间隔设置在第一类中部接头外周并与外管实现密封的第一类凸棱，开设在第一类中部接头底部一端并用于连接分离器回收通道且用于将第一次提纯后的水合物混合浆体排入第一级旋流分离器中的第一串联通道，开设在第一类中部接头内部并与第一串联通道连通且呈“z”型结构的第二串联通道，开设在第一类中部接头顶部一端并用于连通第一级旋流分离器底流口的底流口第一通道，开设在第一类中部接头内部且一端与排砂通道连通、另一端与底流口第一通道连通的第一类排砂通道，开设在第一类中部接头底部一端并用于连通螺旋排砂通道的中部排砂通道，以及开设在第一类中部接头底部并用于安装内管的中部内管安装槽，其中，所述第二串联通道开口朝向顶部接头一端，所述相邻第一类凸棱的间隙与外管形成射流通道。
10.进一步地，所述第二类中部接头包括开设在第二类中部接头底部一端并用于连接第一级旋流分离器溢流口的第一溢流通道，开设在第二类中部接头内部并与第一溢流通道连通且呈类“z”型结构的溢流连接通道，开设在第二类中部接头顶部一端并用于连接最后一级旋流分离器底流口的底流口第二通道，开设在第二类中部接头内部且一端与排砂通道连通、另一端与底流口第二通道连通的第二类排砂通道，贯穿开设在第二类中部接头中部并用于将第一次提纯后的水合物混合浆体排入后级旋流分离器中的混合浆体通道，开设在第二类中部接头两端外侧并用于与内管螺纹连接的螺纹槽，多个间隔设置在第二类中部接头外周并与外管实现密封的第二类凸棱，两个开设在第二类中部接头外周的中部安装槽，以及安装在中部安装槽中并将相邻两个接头空腔分成两个独立区域的中部限位板；其中，所述溢流连接通道开口朝向顶部接头一端；所述溢流连接通道和混合浆体通道分别位于中部限位板构成的两个区域内，所述相邻第二类凸棱的间隙与外管形成射流通道。
11.具体地，所述顶部接头包括用于连接上部旋流分离器溢流口的水合物浆体排出通道，开设在顶部接头内部且一端与水合物浆体排出通道连通、另一端开口位于旋流分离器一端并与溢流连接通道连通的水合物浆体通道，设置在顶部接头位于旋流分离器一端并用于安装内管的顶部凸台，多个间隔设置在顶部接头外周并与外管实现密封的顶部凸棱，两个开设在顶部接头外周的顶部安装槽，以及安装在顶部安装槽中并将相邻两个接头空腔分成两个独立区域的顶部限位板，其中，所述相邻顶部凸棱的间隙与外管形成射流通道。
12.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
13.(1)本发明设置串并结合的分离器，通过螺旋分离器将采集的水合物混合浆体进行初次分离后，初次分离后的水合物浆体在旋流分离装置进行二次分离，由于螺旋分离器的处理量大于旋流分离器的处理量，因此旋流分离装置采用并联输入，即可以满足大处理。
同时旋流分离器的能够将初次分离出来水合物浆体中的砂再次分离排出，从而得到高精度的水合物。
14.(2)本发明在外管的外周设置排砂管与之形成排砂通道，从分离器中分离出来的砂在离心的作用下排至排砂通道中，并在自身重力的作用下向下运动，由于设置的排砂管底部安装在底部接头上，所以分离出来的砂可以对开采水合物所形成的储层踩空腔体进行实时回填，从而保证了储层的稳定性。
附图说明
15.图1为本发明的结构示意图。
16.图2为图1的剖视图。
17.图3为图1旋转后的剖视图。
18.图4为本发明顶部接头的结构示意图。
19.图5为图4的俯视图。
20.图6为本发明第一类中部接头的俯视图。
21.图7为本发明第一类中部接头的剖视图。
22.图8为本发明第二类中部接头的俯视图。
23.图9为图8中a-a处的剖视图。
24.图10为图8中b-b处的剖视图。
25.上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
26.1-外管，2-顶部接头，21-水合物浆体排出通道，22-水合物浆体通道，23-顶部凸台，24-顶部限位板，25-顶部凸棱，26-顶部安装槽，3-底部接头，4-排砂管，5-内管，6-螺旋分离器，61-螺旋分离入口，62-分离器回收通道，63-螺旋排砂通道，7-第一类中部接头，71-第一类凸棱，72-第一串联通道，73-第二串联通道，74-第一通道，75-第一类排砂通道，76-中部排砂通道，77-中部内管安装槽，8-旋流分离器，81-溢流口，82-底流口，83-分离器入口，9-第二类中部接头，91-第一溢流通道，92-溢流连接通道，93-底流口第二通道，94-第二类排砂通道，95-混合浆体通道，96-螺纹槽，97-第二类凸棱，98-中部安装槽，99-中部限位板。
具体实施方式
27.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。
28.实施例
29.如图1至图10所示，一种串并结合实现多级水合物原位分离除砂装置，包括外管1，套置在外管1两端且同时具有射流通道和回收通道的顶部接头2和底部接头3，套置在外管1外周并与外管1形成排砂通道的排砂管4，多段设置在外管1内部并与外管1形成环空管道的内管5，安装在内管5内部且与底部接头3连接的螺旋分离器6，一端与螺旋分离器6连接的第一类中部接头7，以及一端与第一类中部接头7连接、另一端与顶部接头2连接并与螺旋分离器6实现串联的旋流分离装置；其中，所述旋流分离装置采用并联输入的方式对从螺旋分离器6分离出来的初级水合物浆体进行二次分离。
30.安装步骤：安装原则为从内到外，从下到上。首先在底部接头3上安装螺旋分离器6，将分离器回收通道62与底部接头3的水合物混合浆体回收通道连通，将位于螺旋分离器6外部的内管5套置在螺旋分离器6的外部，并将第一类中部接头7安装好且接口处做防水处理。然后在第一类中部接头7的上端安装第一级旋流分离器，将第一级旋流分离器的底流口82与第一通道74连接，将中部限位板99的一端安装在中部安装槽98的槽口中进行限位分流，然后在第一级旋流分离器外套置内管，如果旋流分离装置只装两级，则用于连接两级旋流分离器的第二类中部接头9则按照附图9和附图10所示结构进行安装，如果超过两级旋流分离器，则从第二个第二类连接头则需要在溢流连接通道92一侧贯穿开设一条用于将前级旋流分离器分离出来的水合物浆体排至水合物浆体通道22的贯穿通道。安装好最后一级旋流分离器则在内管外部安装外管1，所有的排砂通道口安装单向阀，防止砂回流。然后在其上部安装好顶部接头2，顶部接头2的水合物浆体排出通道21与最后一级旋流分离器的分离器回收通道62连通，最后在外管1外部安装排砂管4，排砂管4底部安装在底部接头上，且底部接头上有排砂通道。其中，所有接口处都做密封处理，从第二串联通道73进入的初级水合物浆体自进入旋流分离装置后就通过中部限位板分割成的两个区域进行区分，因此在安装时需要注意第二类中部接头的安装位置，从而保证一个区域是初级水合物浆体，一个区域是二次分离后的水合物浆体。管道之间都通道螺钉进行紧固。
31.工作过程：底部接头3外接喷嘴、钻头、泵等所需井下工具，在顶部接头2的水合物浆体排出通道21外接双层连续管，双层连续管与船或钻井平台上的泵组出口连接，由海面船上泵组提供动力。首先启动泵，射流浆体由双层连续管内外管环空泵入，通过顶部射流通道、射流通道和底部射流通道到达到射流破碎喷嘴和导向钻头等井下工具处，为射流破碎喷嘴提供破碎动力，达到对水合物储层的射流破碎，让其形成水合物混合浆体。
32.从储层中开采出来的水合物混合浆体通过底部接头3进入螺旋分离器6的螺旋分离入口61进入到螺旋分离腔中进行初次分离，初次分离出来的砂通道螺旋排砂通道63将砂排入排砂通道中，初次分离的水合物浆体从分离器回收通道62经第一串联通道72和第二串联通道73进入到旋流分离装置中，初次分离后的水合物浆体在进入到内管5与旋流分离器及两块限位板所构成的初级水合物腔体中，在流入第一级旋流分离器的分离器入口83时，初次分离的水合物浆体，一部分进入到第一级旋流分离器中进行分离，另外一部分继续自下而上通过混合浆体通道95进入到第二级旋流分离器中，当初次分离后的水合物浆体流入第二级旋流分离器的分离器入口时，一部分进入到第二级旋流分离器中进行分离，当有不少于三级旋流分离器时，初次分离的水合物浆体还将继续重复之前的操作继续向上流入后级旋流分离器中，直至到最后一级旋流分离器。从旋流分离器分离出来的砂经第二类排砂通道94排入排砂管道中，从第一级旋流分离器分离出来的水合物浆体从第一溢流通道91和第二溢流通道流入第二级旋流分离器、内管及两侧限位板的形成的二次分离后的水合物浆体腔体中，当只有两级旋流分离器时，分离后的水合物经水合物浆体通道22和水合物浆体排出通道21经与之外接的双层连续管排至海面的收集装置中。如果旋流分离器不止两级，从第一级至倒数第二级旋流分离器分离出来的水合物浆体则通过第二类中部接头上的贯穿通道向上排，直至最后一级旋流分离器，最后所有分离出来的水合物经水合物浆体通道22和水合物浆体排出通道21经与之外接的双层连续管排至海面的收集装置中。
33.本技术中提到的“内”、“外”、“上”、“下”的方位词语是根据本技术装置的具体的安
装位置(如图2、图3)进行描述的，其中，水合物回收通道为图3中箭头向上指引的通道和图2中箭头所指通道，射流通道(射流通道用于海水或钻井液从海面传输到喷嘴和钻头，为射流破碎水合物储层提供动力，为钻头钻进降温和携带岩屑)为图3中两侧箭头向下(内周)指引的通道，排砂通道为图3中箭头向下(外周)指引的通道。
34.上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。