CN214091833U - 破胶分离机构及天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了破胶分离机构及天然气水合物‑砂胶结颗粒破胶分离装置，其中破胶分离机构，包括依次设置的溢流管、直筒段、锥筒段、螺旋入口、底流管；所述锥筒段从靠近直筒段的一端至靠近螺旋入口的一端，内径逐渐减小；所述螺旋入口外表面设置若干螺旋流道，所述锥筒段与底流管通过螺旋入口内部进行连通；所述直筒段表面开设内部入口。本实用新型提供破胶分离机构及天然气水合物‑砂胶结颗粒破胶分离装置，以解决现有技术破胶力较小且影响井壁稳定性的问题，实现避免井下复杂的流道设计，提高井壁稳定性，提高对胶结颗粒的破胶及分离动力的目的。

Description

破胶分离机构及天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置

技术领域

本实用新型涉及天然气水合物开采领域，具体涉及破胶分离机构及天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置。

背景技术

天然气水合物又称“可燃冰”，是一种由甲烷为主的烃类气体和水在低温高压的条件下，形成的类冰状固体。天然气水合物特别是海洋天然气水合物，是目前尚未规模化开发的储量最大的一种新型能源，其储量大约相当于全世界已知煤炭、石油等传统化石能源的两倍。

基于我国南海非成岩天然气水合物的弱胶结、稳定性差、无致密盖层等储层特性，现有技术提出了固态流化开采的新方法，并于2017年6月在我国南海成功进行了天然气水合物试采。固态流化开采方法的核心思想是在不改变温压条件的基础上，利用水射流破碎水合物储层并流化成浆体，再经过回收、分离和举升将水合物采收至平台。在微观结构上，水合物赋存形式主要分为填充型、支撑型和胶结型，其中胶结型水合物的胶结强度最大。对于胶结型水合物而言，由于水合物和砂的胶结作用，会造成回填至井底的砂中携带有大量的水合物颗粒，并且采收的水合物浆体中夹带有砂颗粒，极大地降低了水合物的采收效率，因此如何实现水合物和砂的破胶和分离是流化开采过程中的关键环节。

现有技术中，公布号为CN109882147A的中国专利公开了一种大处理量的一体式水合物井下原位分离并联装置，主要解决了水合物开采过程中，出砂严重和现有分离器分离效率低的问题。但是这种装置是以分散的水合物和砂颗粒为分离对象，并未考虑两者胶结的情况。公布号为CN113090244A的中国专利公开了一种天然气水合物旋流自转破胶分离方法及分离装置，由初步破胶器、旋流破胶筒和旋流分离筒构成的分离装置实现天然气水合物沉积物浆料的破胶及分离。但是这种装置的旋流破胶筒模块采用切向进口方式，造成井筒直径增大，导致钻井井眼直径增大，降低了储层稳定性，增加了井壁储层垮塌的风险；此外，切向进口使浆体产生的切向速度相对于螺旋进口产生的切向速度较小，进而产生的破胶力也是相对较小。

实用新型内容

本实用新型提供破胶分离机构及天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置，以解决现有技术破胶力较小且影响井壁稳定性的问题，实现避免井下复杂的流道设计，提高井壁稳定性，提高对胶结颗粒的破胶及分离动力的目的。

本实用新型通过下述技术方案实现：

破胶分离机构，包括外部管道，还包括依次设置在外部管道内的溢流管、直筒段、锥筒段、螺旋入口、底流管；所述锥筒段从靠近直筒段的一端至靠近螺旋入口的一端，内径逐渐减小；所述螺旋入口外表面设置若干螺旋流道，所述锥筒段与底流管通过螺旋入口内部进行连通；所述直筒段表面开设内部入口。

针对现有技术中采用切向进口方式导致破胶力较小且影响井壁稳定性的问题，本实用新型首先提出一种破胶分离机构，本机构中溢流管、直筒段、锥筒段、螺旋入口、底流管依次连接且均位于外部管道内部，此处的外部管道可为用于破胶领域中的任意容纳破胶机构的管道，其具体管道类型在此不做限定。其中锥筒段的锥度缩小方向是从靠近直筒段的一端至靠近螺旋入口的一端。其中螺旋入口能够连通位于两侧的锥筒段与底流管，并且螺旋入口外表面设置若干螺旋流道供上返流体进入本机构；直筒段表面开设内部入口，通过螺旋入口外表面的螺旋流道进入本机构的流体经内部入口进入直筒段内。本机构使用时装配在破胶筒等现有外部管道内部，其工作原理为：水合物混合浆体自下而上进入外部管道，经过螺旋入口外表面的螺旋流道，轴向流动的混合浆体转变成具有切向速度的螺旋流动，然后进入锥筒段外壁与外部管道内壁之间的区域；由于锥筒段的锥形结构存在，使得锥筒段外部的过流面积自下而上逐渐缩小，进而流体流速逐渐增大，混合浆体在锥筒段外部高速旋转，水合物-砂胶结颗粒在离心力和流体剪切力的作用下破胶***，胶结大颗粒破碎成分散的小颗粒，即砂颗粒和水合物颗粒；破胶之后的颗粒随着流体通过内部入口进入直筒段内部，在旋流离心分离的作用下，水合物随着内旋流从溢流管流出，进行正常举升即可；砂随着外旋流从底流管排出、回填至井底。可以看出，本机构摒弃了现有技术中的切向进口方式，避免了井下复杂的流道设计，缩减了井筒直径，进而提高了井壁稳定性；并且，本机构采用在螺旋入口外表面设置若干螺旋流道的方式，螺旋流道所形成的入口可以产生的较大的切向速度，进而可以提供浆体足够的离心力和剪切力，可以有效提高胶结颗粒的破胶率以及砂和水合物的分离效率。

进一步的，所述内部入口在过直筒段任意轴线的平面上的投影均呈矩形。本申请中内部入口开设在直筒段表面，随直筒段具有一定弧度，因此本方案对其投影进行限定，使其在过直筒段任意轴线的平面上的投影均呈矩形，有效保证了破胶之后的颗粒与流体稳定进入直筒段内部。

进一步的，所述溢流管、直筒段、锥筒段、螺旋入口、底流管均同轴；所述溢流管***至直筒段内部，以保证破胶后的水合物在旋流离心分离的作用下顺利进入溢流管；所述锥筒段、底流管分别***至螺旋入口的两端，以保证破胶后的砂随着外旋流通过锥筒段进入螺旋入口，再经过螺旋入口内部进入底流管中。

用于流化开采的天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置，包括依次连接的上部双层管、上接头、中部双层管、下接头、下部双层管；

所述上部双层管包括第一钻井液通道、第一内部流道；

所述上接头包括第二钻井液通道；

所述中部双层管包括第三钻井液通道；

所述下接头包括第四钻井液通道、第二内部流道、排砂通道；

所述下部双层管包括泵送流道、第五钻井液通道，所述泵送流道与第二内部流道连通；

所述第一钻井液通道、第二钻井液通道、第三钻井液通道、第四钻井液通道、第五钻井液通道依次连通；

还包括如前所述的破胶分离机构；所述中部双层管作为破胶分离机构中的外部管道；

破胶分离机构中的螺旋流道位于第二内部流道的出口端，所述溢流管与第一内部流道连通，所述底流管与排砂通道连通。

本申请将前述记载的破胶分离机构用于天然气水合物的双层管开采技术中，形成一种用于流化开采的天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置，双层管技术为天然气水合物开采领域现有技术，顾名思义具有两层管体即内管和外管，内外管之间的环空是钻井液流道，内管内部为上返通道。本申请中，上部双层管与中部双层管之间通过上接头进行连接，中部双层管与下部双层管之间通过下接头进行连接。其中第一钻井液通道、第二钻井液通道、第三钻井液通道、第四钻井液通道、第五钻井液通道依次连通，构成了完整的水合物上返通道、便于举升至海上平台。下部双层管的泵送流道作为本装置的进液口，水合物混合浆体从泵送流道进入本装置后进入第二内部流道，通过第二内部流道后到达螺旋入口外部，从螺旋入口外表面的螺旋流道进入中部双层管内。本申请中，以中部双层管作为破胶分离机构中的外部管道，因此破胶分离机构中的溢流管、直筒段、锥筒段、螺旋入口和底流管均位于中部双层管内。溢流管与上部双层管中的第一内部流道连通，破胶后的水合物通过溢流管进入第一内部流道直接举升；底流管与排砂通道连通，破胶后的砂通过底流管直接进入排砂通道，自动回填至井底。需要说明的是，本申请中的上/顶、下/底等方向，是钻井工程中的惯用方向，即朝向井口方向为上/顶，朝向井底方向为下/底。

进一步的，所述上部双层管包括内、外分布的上部内管、上部外管，所述第一内部流道位于上部内管内部，所述第一钻井液通道位于上部内管与上部外管之间。

进一步的，所述上接头的顶端与所述上部外管的底端螺纹连接、并与所述上部内管过盈配合。上接头的顶端需要同时与上部双层管的上部内管和上部外管进行稳定连接，以保证整个装置的运行稳定，确保双层管技术中内外两层流道的通畅。

进一步的，所述中部双层管包括内、外分布的中部内管、中部外管，所述第三钻井液通道位于中部内管和中部外管之间；所述破胶分离机构位于中部内管内部。

进一步的，破胶分离机构的锥筒段内部为分离腔，锥筒段与中部内管之间为破胶腔，所述分离腔、破胶腔均与内部入口连通。天然气水合物砂胶结物在破胶腔内进行破胶，破胶后经内部入口进入分离腔内进行分离。

进一步的，所述底流管***至下接头内，所述下接头的顶端与所述中部外管的底端螺纹连接、并与所述中部内管过盈配合。下接头的顶端需要同时与中部双层管的中部内管和中部外管进行稳定连接，以保证整个装置的运行稳定，确保双层管技术中内外两层流道的通畅。

进一步的，所述下部双层管包括内、外分布的下部内管、下部外管，所述第五钻井液通道位于下部内管和下部外管之间，所述泵送流道位于下部内管内部。同理，下接头的底端需要同时与下部双层管的下部内管和下部外管进行稳定连接，在此不做赘述。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本实用新型破胶分离机构及天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置，避免了砂胶结型天然气水合物开采时井下复杂的流道设计，缩减了井筒直径，使得对应钻井井眼直径不会过大，进而有效保证了储层稳定性、显著提高了井壁稳定性。

2、本实用新型破胶分离机构及天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置，相对于现有技术中的切向入口方式而言，可以产生的较大的切向速度，进而可以提供浆体足够的离心力和剪切力，能够显著提高胶结颗粒的破胶率以及砂和水合物的分离效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型具体实施例中破胶分离机构的结构示意图；

图2为本实用新型具体实施例中天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置的结构示意图；

图3为本实用新型具体实施例中天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置的局部剖视图；

图4为本实用新型具体实施例中天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置的剖视图；

图5为本实用新型具体实施例中天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置的剖视图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-下部双层管，2-下接头，3-排砂通道，4-破胶分离机构，5-中部双层管，6-上接头，7-上部双层管，11-下部外管，12-第五钻井液通道，13-下部内管，14-泵送流道，21-第四钻井液通道，22-第二内部流道，41-底流管，42-螺旋入口，43-破胶腔，44-锥筒段，45-分离腔，46-直筒段，47-内部入口，48-溢流管，51-中部外管，52-第三钻井液通道，53-中部内管，61-第二钻井液通道，71-第一钻井液通道，72-第一内部流道，73-上部内管，74-上部外管，81-第一密封圈，82-第二密封圈，83-第三密封圈，84-第四密封圈，85-第五密封圈，86-第六密封圈。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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申请保护范围的限制。

实施例1：

如图1所示的破胶分离机构，包括依次设置在外部管道内的溢流管48、直筒段46、锥筒段44、螺旋入口42、底流管41；锥筒段44从靠近直筒段46的一端至靠近螺旋入口42的一端，内径逐渐减小；螺旋入口42外表面设置若干螺旋流道，锥筒段44与底流管41通过螺旋入口42内部进行连通；直筒段46表面开设内部入口47。其中溢流管48、直筒段46、锥筒段44、螺旋入口42、底流管41均同轴；溢流管48***至直筒段46内部；锥筒段44、底流管41分别***至螺旋入口42的两端。

优选的，内部入口47为矩形入口，在过直筒段46任意轴线的平面上的投影均呈矩形。

本实施例中，螺旋入口42内部具有用于连通锥筒段44与底流管41的通道。

本实施例中，外部管道可为现有技术内用于破胶领域中的任意容纳破胶机构的管道。

本实施例中的破胶分离机构不仅可用于天然气水合物-砂胶结颗粒的破胶分离，也可用于其余有破胶需求的钻采领域内。

实施例2：

用于流化开采的天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置，如图2所示，包括依次连接的上部双层管7、上接头6、中部双层管5、下接头2、下部双层管1；

上部双层管7包括第一钻井液通道71、第一内部流道72；

上接头6包括第二钻井液通道61；

中部双层管5包括第三钻井液通道52；

下接头2包括第四钻井液通道21、第二内部流道22、排砂通道3；

下部双层管1包括泵送流道14、第五钻井液通道12，泵送流道14与第二内部流道22连通；

第一钻井液通道71、第二钻井液通道61、第三钻井液通道52、第四钻井液通道21、第五钻井液通道12依次连通；

如图3所示，本实施例包括了实施例1中所记载的破胶分离机构，其中以中部双层管5作为实施例1中的外部管道进行使用；螺旋入口42外表面的螺旋流道位于第二内部流道22的出口端，溢流管48与第一内部流道72连通，底流管41与排砂通道3连通。

如图4与图5所示，上部双层管7包括内、外分布的上部内管73、上部外管74，第一内部流道72位于上部内管73内部，第一钻井液通道71位于上部内管73与上部外管74之间。上接头6的顶端与上部外管74的底端螺纹连接、并与上部内管73过盈配合。

中部双层管5包括内、外分布的中部内管53、中部外管51，第三钻井液通道52位于中部内管53和中部外管51之间；

破胶分离机构4的锥筒段44内部为分离腔45，锥筒段44与中部内管53之间为破胶腔43，分离腔45、破胶腔43均与内部入口47连通。底流管41***至下接头2内，下接头2的顶端与中部外管51的底端螺纹连接、并与中部内管53过盈配合。

下部双层管1包括内、外分布的下部内管13、下部外管11，第五钻井液通道12位于下部内管13和下部外管11之间，泵送流道14位于下部内管13内部；下接头2的底端与下部外管11的上端螺纹连接、并与下部内管13过盈配合。

如图4和图5所示，泵送流道14、第二内部流道22、螺旋流道、破胶腔43、矩形入口47和分离腔45依次连通；在破胶腔43中，水合物-砂胶结颗粒在离心力和流体剪切力的作用下破胶***；在分离腔45中，水合物和砂在旋流离心分离的作用下，水合物随着内旋流从溢流管48流出，经第一内部流道72举升至海洋平台；砂随着外旋流从底流管41排出，经下接头2内部的排砂通道3回填至井底。

本实施例的工作原理：水合物混合浆体从泵送流道14沿着第二内部流道22轴向流动到达破胶分离机构4底部的螺旋入口42处；经过螺旋入口42外表面的螺旋流道后，轴向流动的混合浆体转变成具有切向速度的螺旋流动，然后进入破胶腔43；由于锥筒段44的存在，使得破胶腔43的过流面积逐渐缩小，进而流体流速逐渐增大，混合浆体在破胶腔中高速旋转；水合物-砂胶结颗粒在离心力和流体剪切力的作用下破胶***，胶结大颗粒破碎成分散的小颗粒，即砂颗粒和水合物颗粒；破胶之后的颗粒随着流体通过矩形入口进入分离腔45，在旋流离心分离的作用下，水合物随着内旋流从溢流管48流出，经上部双层管7的第一内部流道72举升至海洋平台；砂随着外旋流从底流管41排出，经下接头2内部的排砂通道3回填至井底。

更为优选的实施方式如图4与图5所示，上接头6上端与上部内管73之间设置有第一密封圈81，溢流管48与上接头6之间设置有第二密封圈82，上接头6下端与中部内管53之间设置有第三密封圈83，下接头2上端与中部内管53之间设置第四密封圈84，底流管41与下接头2之间设置有第五密封圈85，下接头2下端与下部内管13之间设置有第六密封圈86。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。

Claims (10)

1.破胶分离机构，包括外部管道，其特征在于，还包括依次设置在外部管道内的溢流管（48）、直筒段（46）、锥筒段（44）、螺旋入口（42）、底流管（41）；所述锥筒段（44）从靠近直筒段（46）的一端至靠近螺旋入口（42）的一端，内径逐渐减小；所述螺旋入口（42）外表面设置若干螺旋流道，所述锥筒段（44）与底流管（41）通过螺旋入口（42）内部进行连通；所述直筒段（46）表面开设内部入口（47）。

2.根据权利要求1所述的破胶分离机构，其特征在于，所述内部入口（47）在过直筒段（46）任意轴线的平面上的投影均呈矩形。

3.根据权利要求1所述的破胶分离机构，其特征在于，所述溢流管（48）、直筒段（46）、锥筒段（44）、螺旋入口（42）、底流管（41）均同轴；所述溢流管（48）***至直筒段（46）内部；所述锥筒段（44）、底流管（41）分别***至螺旋入口（42）的两端。

4.用于流化开采的天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置，其特征在于，包括依次连接的上部双层管（7）、上接头（6）、中部双层管（5）、下接头（2）、下部双层管（1）；

所述上部双层管（7）包括第一钻井液通道（71）、第一内部流道（72）；

所述上接头（6）包括第二钻井液通道（61）；

所述中部双层管（5）包括第三钻井液通道（52）；

所述下接头（2）包括第四钻井液通道（21）、第二内部流道（22）、排砂通道（3）；

所述下部双层管（1）包括泵送流道（14）、第五钻井液通道（12），所述泵送流道（14）与第二内部流道（22）连通；

所述第一钻井液通道（71）、第二钻井液通道（61）、第三钻井液通道（52）、第四钻井液通道（21）、第五钻井液通道（12）依次连通；

还包括如权利要求1~3中任一项所述的破胶分离机构；所述中部双层管（5）作为破胶分离机构中的外部管道；

破胶分离机构中的螺旋流道位于第二内部流道（22）的出口端，所述溢流管（48）与第一内部流道（72）连通，所述底流管（41）与排砂通道（3）连通。

5.根据权利要求4所述的用于流化开采的天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置，其特征在于，所述上部双层管（7）包括内、外分布的上部内管（73）、上部外管（74），所述第一内部流道（72）位于上部内管（73）内部，所述第一钻井液通道（71）位于上部内管（73）与上部外管（74）之间。

6.根据权利要求5所述的用于流化开采的天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置，其特征在于，所述上接头（6）的顶端与所述上部外管（74）的底端螺纹连接、并与所述上部内管（73）过盈配合。

7.根据权利要求4所述的用于流化开采的天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置，其特征在于，所述中部双层管（5）包括内、外分布的中部内管（53）、中部外管（51），所述第三钻井液通道（52）位于中部内管（53）和中部外管（51）之间；所述破胶分离机构位于中部内管（53）内部。

8.根据权利要求7所述的用于流化开采的天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置，其特征在于，破胶分离机构的锥筒段（44）内部为分离腔（45），锥筒段（44）与中部内管（53）之间为破胶腔（43），所述分离腔（45）、破胶腔（43）均与内部入口（47）连通。

9.根据权利要求7所述的用于流化开采的天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置，其特征在于，所述底流管（41）***至下接头（2）内，所述下接头（2）的顶端与所述中部外管（51）的底端螺纹连接、并与所述中部内管（53）过盈配合。

10.根据权利要求4所述的用于流化开采的天然气水合物-砂胶结颗粒破胶分离装置，其特征在于，所述下部双层管（1）包括内、外分布的下部内管（13）、下部外管（11），所述第五钻井液通道（12）位于下部内管（13）和下部外管（11）之间，所述泵送流道（14）位于下部内管（13）内部。

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