CN103967473B - 一种海洋天然气水合物开采井除砂的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种海洋天然气水合物开采井离心除砂装置与方法，该装置包括砾石填充组、离心除砂器、潜水泵和连接法兰，砾石填充组设置在开采井底部，离心除砂器和潜水泵用连接法兰连接好整体降至开采井底部，导流室的外壁与砾石填充组内壁贴合；采用该装置进行离心除砂时，先分解气水砂向井筒流动，较大的沉积层砂被砾石填充组阻隔，含细粉砂的气水进入井筒；含细粉砂的气水经过导流室、流入口进入上集箱，并产生旋流；在离心力的作用下细粉砂向沉降室内壁聚集并下降到集砂箱中。本发明采用二级除砂方法，提高了除砂效率，又不会显著影响水合物沉积层的渗透率；通过旋流离心方式可以将细粉砂与分解气水有效分离，阻止细粉砂进入潜水泵，降低设备磨损。

Description

一种海洋天然气水合物开采井除砂的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种海洋天然气水合物开采井除砂的装置与方法，属于海洋油气藏(包括天然气水合物等新型油气藏资源)开采技术领域。

背景技术

油气井出砂是由于开采井底部附近岩层结构发生破坏而造成砂颗粒随流体向井筒移动，严重状态下会造成渗透率降低、堵塞油管，使生产量下降。天然气水合物开采过程伴随水合物层的分解，原始的胶结状态发生变化，开采井附近产生大量可以随分解气、水流动的沉积层颗粒，出砂问题相对常规油气开采更加严重。因此，需要采取有效方法避免或降低水合物开采井出砂，保证水合物正常开采作业。

油气井防砂方法主要包括：机械防砂、化学防砂、焦化防砂以及工艺防砂(桑义敏等,油气田系统除砂技术探讨,石油化工安全环保技术,2007,23(4):5-11)等。机械防砂包括砾石充填和衬管、筛管、滤砂管防砂；化学防砂包括人工胶结防砂、人工井壁化学防砂；焦化防砂包括注热空气固砂、短期火烧油层固砂；工艺防砂主要有降低流速、增大射孔段长度、增加射孔密度、控制产量等方法。由于天然气水合物开采过程与传统油气开采有较大区别，是边分解边开采的过程，上述传统油气井的除砂方法无法适用。通常海洋天然气水合物层处在泥砂交互的沉积层中，砂粒直径要小于传统油气层，天然气水合物开采过程产生大量可随分解气水流动的砂粒。通常较大粒径的砂能够被砾石充填防砂装置和滤砂管阻挡，不会进入井筒。但是为了不影响开采效率，滤砂管的过滤孔径不能太小，所以还是无法避免较小粒径的砂进入井筒，而细小粒径的粉砂对于井筒和泵的磨损影响是不容忽视的，因此有必要进一步隔离细粉砂向井筒的移动。传统的机械除砂装置大多采用过滤方法(如ZL99254473.4)，然而过滤效果受到滤网孔眼大小的限制，过大则无法过滤细粉砂；过小则易造成堵塞。无法满足除砂要求。此外还有采用旋流方式除砂的方法(ZL00215037.9,ZL200820122916.4,CN203214037)，但该类装置受到结构限制大多数只能布置在地面上井出口处，没有在根本上解决井前除砂问题。因此，有必要针对海洋天然气水合物的开采，采取井下布置的除砂装置有效去除气、水中夹带的粉砂，从而使开采过程能够高效、安全的实施。

发明内容

针对海洋天然气水合物开采过程中可能出现的上述问题，本发明提供一种海洋天然气水合物开采井除砂的装置和方法，通过砾石填充组阻挡较大颗粒的沉积层进入井筒，通过旋流方法分离气、水中含有的细粉砂并使其沉淀，有效防止砂粒进入水泵等下游设备，降低设备磨损，实现海洋天然气水合物的安全、高效开采。

为了实现上述功能，本发明采取以下技术方案：

一种海洋天然气水合物开采井除砂的装置，该装置包括：砾石填充组、离心除砂器、潜水泵和法兰。

砾石填充组设置在开采井底部，离心除砂器和潜水泵用连接法兰连接好整体降至开采井底部坐底，离心除砂器的导流室的外壁与砾石填充组内壁贴合；

所述的砾石填充组采用粒径为地层砂粒度中值3～5倍的砾石堆积而成，用于阻挡较大的沉积物颗粒；

所述的离心除砂器包括导流室、流入口、上集箱、沉降室、阻流板、上升管、下集箱、集砂箱，用于使流入的含粉砂气、水产生旋流，通过离心力作用分离气、水中含有的细粉砂；导流室的流入口切向设置在上集箱上，导流室可以设置为圆筒状，流入口可以根据气、水流量设置1个以上；上集箱连接沉降室，上升管设在沉降室内；阻流板用支撑架安装在下集箱上，处于下集箱和沉降室的连接处，对旋转水流进行阻挡减速。旋转水流被阻流板阻挡减速，经过上升管被潜水泵抽提上升至开采平台。集砂箱用于收集下集箱的沉降粉砂。

所述的潜水泵用于将气、水抽提至开采平台，并提供一定的旋流动力。

所述的连接法兰用于连接离心除砂器和潜水泵。

采用所述装置进行海洋天然气水合物开采井除砂的方法，包括以下步骤：分解气、水、砂向井筒流动，较大的沉积层砂被砾石填充组阻隔，含细粉砂的天然气和水进入井筒；含细粉砂的气、水经过离心除砂器的导流室、流入口进入上集箱，并产生旋流；在离心力的作用下细粉砂向沉降室内壁聚集并下降到集砂箱中；旋转水流被阻流板阻挡减速，经过上升管被潜水泵抽提上升至开采平台。

本发明采用二级除砂方法，按照砂粒度等级分段除砂，即提高了除砂效率，又不会显著影响水合物沉积层的渗透率；通过旋流离心方式可以将细粉砂与分解天然气和水有效分离，阻止细粉砂进入潜水泵，降低设备磨损。

附图说明

图1是本发明的应用流程图。

图2是离心除砂器的结构图。

图3(a)是流入口和上集箱的俯视图。

图3(b)是流入口和上集箱的结构示意图。

图4(a)是阻流板和下集箱的俯视图。

图4(b)是阻流板和下集箱的结构示意图。

图中：1砾石填充组；2离心除砂器；3潜水泵；4连接法兰；21导流室；22流入口；23上集箱；24沉降室；25上升管；26阻流板；27下集箱；28集砂箱。

具体实施方案

下面结合图1、图2和实施例对本发明进行详细描述。

1.钻井完成后首先将砾石填充组1降至井筒底部，然后将离心除砂器2和潜水泵3用连接法兰4连接好整体降至井筒底部坐底，如图1所示，此时离心除砂器的导流室21的外壁与砾石填充组1内壁贴合；

2.开采开始后，天然气水合物层分解后产生的气、水和可移动砂向井筒流动，较大的沉积层颗粒被砾石填充组1阻挡，较小颗粒的粉砂随分解气水进入离心除砂器2；

3.含粉砂的分解气、水通过离心除砂器的导流室21进入流入口22，如图3所示，流入口22切向设置在上集箱23上，使流入的气、水产生旋流，并通过沉降室24上方的孔道进入沉降室24内；

4.进入沉降室24的含粉砂气、水在旋流离心力的作用下，细粉砂在沉降室24内壁上聚集并下沉；

5.阻流板26用支撑架安装在下集箱27上，位置处于下集箱和沉降室的连接处，如图4所示，气、水旋流在阻流板的作用下旋转速度迅速降低，形成负压带，通过潜水泵4的抽吸，不含粉砂的气、水通过上升管25被抽提上升；

6.沉降的粉砂通过下集箱27流入到集砂箱28中。

Claims (7)

1.一种海洋天然气水合物开采井除砂的装置，其特征在于，该海洋天然气水合物开采井除砂的装置包括砾石填充组、离心除砂器、潜水泵和连接法兰，砾石填充组设置在开采井底部，离心除砂器和潜水泵用连接法兰连接好整体降至开采井底部坐底，离心除砂器的导流室的外壁与砾石填充组内壁贴合；

所述的砾石填充组采用粒径为地层砂粒度中值3～5倍的砾石堆积而成，用于阻挡较大的沉积物颗粒；

所述的离心除砂器包括导流室、流入口、上集箱、沉降室、阻流板、上升管、下集箱和集砂箱，用于使流入的含粉砂气、水产生旋流，通过离心力作用分离气、水中含有的细粉砂；导流室的流入口切向设置在上集箱上，上集箱连接沉降室，上升管设在沉降室内；所述阻流板用支撑架安装在下集箱上，处于下集箱和沉降室的连接处，对旋转水流进行阻挡减速；旋转水流被阻流板阻挡减速，经过上升管被潜水泵抽提上升至开采平台；集砂箱用于收集下集箱的沉降粉砂；

所述的潜水泵用于将气、水抽提至开采平台，并提供旋流动力；

所述的连接法兰用于连接离心除砂器和潜水泵。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导流室为圆筒状。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述流入口根据气水流量设置1个以上。

4.采用权利要求1或2所述的海洋天然气水合物开采井除砂的装置进行海洋天然气水合物开采井除砂的方法，其特征包括以下步骤：

(1)分解气、水、砂向井筒流动，较大的沉积层砂被砾石填充组阻隔，含细粉砂的气、水进入井筒；

(2)含细粉砂的气、水经过离心除砂器的导流室、流入口进入上集箱，并产生旋流；

(3)在离心力的作用下细粉砂向沉降室内壁聚集并下降到集砂箱中；

(4)旋转水流被阻流板阻挡减速，经上升管被潜水泵抽提上升至开采平台。

5.采用权利要求3所述的海洋天然气水合物开采井除砂的装置进行海洋天然气水合物开采井除砂的方法，其特征包括以下步骤：

(1)分解气、水、砂向井筒流动，较大的沉积层砂被砾石填充组阻隔，含细粉砂的气、水进入井筒；

(2)含细粉砂的气、水经过离心除砂器的导流室、流入口进入上集箱，并产生旋流；

(3)在离心力的作用下细粉砂向沉降室内壁聚集并下降到集砂箱中；

(4)旋转水流被阻流板阻挡减速，经上升管被潜水泵抽提上升至开采平台。

6.采用权利要求1或2所述的海洋天然气水合物开采井除砂的装置进行海洋天然气水合物开采井除砂的方法，其特征包括以下步骤：

(1)钻井完成后首先将砾石填充组降至井筒底部，然后将离心除砂器和潜水泵用连接法兰连接好整体降至井筒底部坐底；离心除砂器的导流室的外壁与砾石填充组内壁贴合；

(2)开采开始后，天然气水合物层分解后产生的气、水和可移动砂向井筒流动，较大的沉积层颗粒被砾石填充组阻挡，较小颗粒的粉砂随分解气水进入离心除砂器；

(3)含粉砂的分解气、水通过离心除砂器的导流室进入流入口；流入口切向设置在上集箱上，使流入的气、水产生旋流，并通过沉降室上方的孔道进入沉降室内；

(4)进入沉降室的含粉砂气、水在旋流离心力的作用下，细粉砂在沉降室内壁上聚集并下沉；

(5)阻流板用支撑架安装在下集箱上，位置处于下集箱和沉降室的连接处，气、水旋流在阻流板的作用下旋转速度迅速降低，形成负压带，通过潜水泵的抽吸，不含粉砂的气、水通过上升管被抽提上升；

(6)沉降的粉砂通过下集箱流入到集砂箱中。

7.采用权利要求3所述的海洋天然气水合物开采井除砂的装置进行海洋天然气水合物开采井除砂的方法，其特征包括以下步骤：

(1)钻井完成后首先将砾石填充组降至井筒底部，然后将离心除砂器和潜水泵用连接法兰连接好整体降至井筒底部坐底；离心除砂器的导流室的外壁与砾石填充组内壁贴合；

(2)开采开始后，天然气水合物层分解后产生的气、水和可移动砂向井筒流动，较大的沉积层颗粒被砾石填充组阻挡，较小颗粒的粉砂随分解气水进入离心除砂器；

(3)含粉砂的分解气、水通过离心除砂器的导流室进入流入口；流入口切向设置在上集箱上，使流入的气、水产生旋流，并通过沉降室上方的孔道进入沉降室内；

(4)进入沉降室的含粉砂气、水在旋流离心力的作用下，细粉砂在沉降室内壁上聚集并下沉；

(5)阻流板用支撑架安装在下集箱上，位置处于下集箱和沉降室的连接处，气、水旋流在阻流板的作用下旋转速度迅速降低，形成负压带，通过潜水泵的抽吸，不含粉砂的气、水通过上升管被抽提上升；

(6)沉降的粉砂通过下集箱流入到集砂箱中。