CN110029983A - 多级分离器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种多级分离器，它包含：钻井液注入系统和开采混合物返回系统，以及置于其间的旋流分离系统。该多级分离器具有处理量大、不易堵管、结构简单的优点，具有高的应用价值，旨在解决天然气水合物流态化开采中面临的泥沙回填问题，从而保证海底床层稳定，避免因海底泥沙无法分离造成的海底空穴导致的海啸等突发事故。

Description

多级分离器

技术领域

本公开涉及一种井下旋流分离器，具体涉及一种用于天然气水合物原位泥沙回填的多级分离器。更具体地说，本公开涉及一种用于天然气水合物原位泥沙回填的多级分离器及其应用。

背景技术

天然气水合物，又称可燃冰，是在低温高压环境下甲烷等烃类气体分子被水分子包裹而形成的笼形结晶化合物，因其分布范围广，储量规模大，能量密度高，环境污染小，逐步成为一种重要的新兴清洁能源，在未来能源战略中占有重要地位。

目前开采天然气水合物主要采用降压、注热、注剂、置换等方法，以降压法为主，且均面临着水合物分解带来的一系列问题。中国发明专利CN 105257261 B公开了一种针对海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，采用采掘设备以固态形式开发天然气水合物矿体，将含天然气水合物的沉积物粉碎成细小颗粒后，再与海水混合，采用封闭管道输送至海洋平台，将其在海洋平台上进行后期处理和加工，从而保证开采过程中，天然气水合物不会大量分解，避免了水合物分解带来的工程地质灾害和温室效应。

针对天然气水合物固态流化开采工艺，中国发明专利申请CN 108716361 A公开了一种海洋天然气水合物原位动态分离回填装置，包括一端与其他水合物开采双层管及设备连接的动力装置，与动力装置另一端连接的动密封接头，与动密封接头连接并与动力装置对接且可由动密封接头带动旋转的动态分离回填系统，以及与动态分离回填系统连接的钻头。该发明能够实现快速原位回填，但需要额外的动力装置。

中国专利CN 208456574 U公开了一种带螺旋稳流锥的海底水合物井下分离装置，包括分离器短节、分离器、螺旋稳流锥、上接头、下接头、下挂头、上固定盘、下固定盘、上固定筒、下固定筒。混合浆体在螺旋稳流锥的转向和稳流作用下进入螺旋段，使混合浆体变为螺旋运动；在旋流段内进行旋流分离。该专利分离效率高，但处理量小。

中国专利申请CN 109184658 A公开了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，将多个分离器并联且分离器呈偏置对称分布，实现在径向空间有限的条件下，达到处理量不受限制，但结构复杂、锥口较小造成固体泥沙易于堵管。

因此，针对目前存在的井下分离器处理量小、易于堵管、结构复杂等缺点，本领域迫切需要开发出一种用于天然气水合物原位泥沙回填的多级分离器，该分离器能够在保证回填速度的情况下，提高进料量且不损失分离效率；且在满足以上指标的同时，能够简化装置结构，方便加工和维修。

发明内容

本公开提供了一种新颖的用于天然气水合物原位泥沙回填的多级分离器，解决了现有技术中存在的分离效率低，处理量小，易堵塞等问题。

本公开提供了一种多级分离器，它包含：钻井液注入系统和开采混合物返回系统，以及置于其间的旋流分离系统。

在一个优选的实施方式中，所述钻井液注入系统包含上部内管和上部外管，其中，钻井液通过海面开采平台注入上部内管和上部外管之间的环隙，再从环隙流至喷嘴。

在另一个优选的实施方式中，所述开采混合物返回系统包含底部外管和底部内管，其中，注入的钻井液从环隙流至喷嘴后，由喷嘴喷出破碎的钻井液、海底泥沙及天然气水合物的混合物由底部内管返回。

在另一个优选的实施方式中，所述旋流分离系统包括一级旋流分离系统和二级旋流分离系统；所述一级旋流分离系统由底部内管和一级分离排沙系统组成，其中，底部内管和一级分离排沙系统通过外螺纹和内螺纹连接。

在另一个优选的实施方式中，所述底部内管由连接螺纹、外螺纹、旋流发生结构和强化锥构成；所述外螺纹一侧设有扩散口结构，扩散口结构角度为6-8°。

在另一个优选的实施方式中，所述一级分离排沙系统由连接螺纹、内螺纹、密封圈和排沙口组成；所述一级分离排沙系统从横截面处分为钻井液注入腔、水合物返回腔和泥沙排出腔。

在另一个优选的实施方式中，所述二级旋流分离系统由底部内管和二级分离排沙系统组成，其中，底部内管和二级分离排沙系统通过外螺纹和内螺纹连接。

在另一个优选的实施方式中，所述二级旋流分离系统和一级旋流分离系统通过螺纹串联连接。

在另一个优选的实施方式中，所述旋流分离系统多级串联使用。

在另一个优选的实施方式中，所述多级分离器用于天然气水合物原位泥沙回填。

有益效果：

本申请的用于天然气水合物原位泥沙回填的多级分离器利用轴向流转变为旋转流特殊结构设计，利用旋流场内泥沙、天然气水合物及钻井液密度不同而最终所受到离心力不同，将泥沙与钻进液和天然气水合物分离，分离后的泥沙通过特殊设计的排沙结构原位返回至地层，保证地层充实避免空穴，水合物及钻井液返回至海平面开采平台，为人类使用，钻井液可重复使用；本申请所提出的旋流分离结构可多级串联使用，通过多级分离，可使大量的泥沙返回地层，具有分离效率高的优点；此外，本申请提出的排沙结构与传统液固旋流分离器相比避免了很小的锥角结构，防止泥沙回填过程中堵管，提高安全性和可靠性；另外，本申请提出的轴流转旋流式结构与传统的液固旋流器相比具有处理量大的优点。

附图说明

附图是用以提供对本发明的进一步理解的，它只是构成本说明书的一部分以进一步解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1是根据本发明的一个优选实施方式的两级分离结构图。

图2是根据本发明的一个优选实施方式的泥沙回填结构图。

图3是根据本发明的一个优选实施方式的旋流发生结构图。

图4是根据本发明的一个优选实施方式的旋流发生结构的三维示意图。

具体实施方式

本申请的发明人经过广泛而深入的研究，针对现有技术的分离器各自的缺点，开发出了一种用于天然气水合物原位泥沙回填的多级分离器，利用轴向流转变为旋转流特殊结构设计，利用旋流场内泥沙、天然气水合物及钻井液密度不同而最终所受到离心力不同，将泥沙与钻井液和天然气水合物分离，分离后的泥沙通过特殊设计的排沙结构原位返回至地层，保证地层充实避免空穴，水合物及钻井液返回至海平面开采平台，为人类使用，钻井液可重复使用；具有分离效率高、处理量大、不易堵管、结构简单的优点，具有很高的应用价值。

本发明的技术构思如下：

多级分离器主体由内外双层管构成，内管里侧装有多级固液旋流分离结构，内管与外管环隙设置有用于泥沙外排的排沙孔；所述分离器工作流程为：海水通过双层管间隙从海面开采平台注钻井液至海底，经喷嘴破碎后钻井液携带水合物及泥沙从内管内返回，返回过程中固液两相经多级旋流分离，分离后泥沙通过排沙孔排入地层，实现泥沙开采原位回填，分离后的钻井液携带天然气水合物返回至海面开采平台。

本公开提供了一种用于天然气水合物原位泥沙回填的多级分离器，它包含：钻井液注入系统和开采混合物返回系统，以及置于其间的旋流分离系统。

在本公开中，所述钻井液注入系统包含上部内管和上部外管，其中，钻井液通过海面开采平台注入上部内管和上部外管之间的环隙，再从环隙流至喷嘴。所述内管和外管间隙一直贯穿于多级分离器，也就是说，多级分离器存在内外管环隙能够保证钻井液至分离器前端的喷嘴。

在本公开中，所述开采混合物返回系统包含底部外管和底部内管，其中，注入的钻井液从环隙流至喷嘴后，由喷嘴喷出破碎的钻井液、海底泥沙及天然气水合物的混合物由底部内管返回。作用原理为：海底地层下天然气水合物层为泥质粉砂岩，其泥沙结构强度低，钻井液通过喷嘴后能将地层泥沙及天然气水合物破碎，破碎后混合的浆体从底部内管返回。

在本公开中，所述旋流分离系统包括一级旋流分离系统和二级旋流分离系统；所述一级旋流分离系统由底部内管和一级分离排沙系统组成，其中，底部内管和一级分离排沙系统通过外螺纹和内螺纹连接。所述旋流分离系统分为进料部分和分离部分，底部内管具有一个旋流发生结构，能够将轴向流动的浆体通过两个对称的渐缩的旋转进口转变为旋转流，从而提供离心力，由于泥沙、天然气水合物及钻井液密度不同而导致的离心力不同，能够在分离部分使泥沙与其他两者分离。

在本公开中，所述底部内管由连接螺纹、外螺纹、旋流发生结构和强化锥构成；所述外螺纹一侧设有扩散口结构，扩散口结构角度为6-8°；所述强化锥能够保证浆体进入分离器后继续保持恒定的离心力，避免由于流道突然扩大造成离心力不足，从而导致分离效率降低的现象；此外，设置扩散锥能够将分离后的泥沙甩至外侧，从而使泥沙进入排沙口分离。

在本公开中，所述一级分离排沙系统由连接螺纹、内螺纹、密封圈和排沙口组成；所述一级分离排沙系统从横截面处可分为钻井液注入腔、水合物返回腔和泥沙排出腔。

在本公开中，所述二级旋流分离系统由底部内管和二级分离排沙系统组成，其中，底部内管和二级分离排沙系统通过外螺纹和内螺纹连接。

在本公开中，所述二级旋流分离系统和一级旋流分离系统通过螺纹串联连接。

在本公开中，所述旋流分离系统可多级串联使用。

以下参看附图。

图1是根据本发明的一个优选实施方式的两级分离结构图。如图1所示，该两级分离结构包括钻井液注入系统和开采混合物返回系统，以及置于其间的旋流分离系统；所述钻井液注入系统包含上部内管2和上部外管1，以及底部外管4和底部内管5，其中，钻井液通过海面开采平台注入上部内管2和上部外管1之间的环隙，再从环隙流至喷嘴；所述开采混合物返回系统包含底部外管7和底部内管8，其中，注入的钻井液从环隙流至喷嘴后，由喷嘴喷出破碎的钻井液、海底泥沙及天然气水合物的混合物由底部内管8返回；所述旋流分离系统包括一级旋流分离系统(一级分离)和二级旋流分离系统(二级分离)；所述一级旋流分离系统由底部内管8和一级分离排沙系统6组成，所述二级旋流分离系统由底部内管5和二级分离排沙系统3组成。

图2是根据本发明的一个优选实施方式的泥沙回填结构图。如图2所示，一级旋流分离系统的底部内管和一级分离排沙系统通过外螺纹和内螺纹12连接；所述一级分离排沙系统由连接螺纹9,11、内螺纹12、密封圈13,14和排沙口10组成；所述一级分离排沙系统从横截面处(A-A线)可分为钻井液注入腔15、水合物返回腔16和泥沙排出腔17。

图3是根据本发明的一个优选实施方式的旋流发生结构图。如图3所示，底部内管由连接螺纹21、外螺纹18、旋流发生结构20和强化锥19构成；所述外螺纹18一侧设有扩散口结构22，扩散口结构角度为6-8°；所述旋流发生结构20通过截面B-B得到；所述强化锥19能够保证浆体进入分离器后继续保持恒定的离心力，避免由于流道突然扩大造成离心力不足，从而导致分离效率降低的现象；此外，设置扩散锥22能够将分离后的泥沙甩至外侧，从而使泥沙进入排沙口分离。

实施例

一、工艺流程

某次天然气水合物流态化开采中，采用双层连续油管钻井工艺。工具管串从海面到海底依次为连续油管、本发明的多级分离器、喷嘴、压差滑套及螺杆钻具，开采原理为从海面开采船注入钻井液至双层管环隙，钻进液从环隙(即外管和内管间的环隙)经过多级分离器至喷嘴，在钻井管串回托过程中压差滑套工作，钻井液从喷嘴喷出，喷出的射流由于是高压流体，能够将地层里面的水合物及泥沙破碎为细小的颗粒物，钻井液与这些细小颗粒物混合成浆体，从底部内管内返回。

二、实施效果

返回后的固液两相流经过旋流发生结构，轴向流动转变为旋转流动，经过旋流作用原理，泥沙与水合物及钻井液分离，分离后的泥沙经扩散口结构至排沙口，泥沙最终排至地层，原位回填至开采部位，从而保证地层地基稳固，防止地层空穴坍塌。在旋流发生结构处设置有强化锥，能够保证进入分离器入口的旋转流体继续维持旋流强度，分离后的钻井液携带天然气水合物及部分未分离的泥沙进入二级旋流分离系统，二级旋流分离系统与一级旋流分离系统通过螺纹串联而成，并且作用原理相同，经二级旋流分离后可进一步减小泥沙量。这样以此类推，经过多级旋流分离后，泥沙能够完整的实现原位回填，钻井液携带干净的天然气水合物从内管内侧返回至海面，供生活使用。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种多级分离器，它包含：钻井液注入系统和开采混合物返回系统，以及置于其间的旋流分离系统。

2.如权利要求1所述的多级分离器，其特征在于，所述钻井液注入系统包含上部内管(2)和上部外管(1)，其中，钻井液通过海面开采平台注入上部内管(2)和上部外管(1)之间的环隙，钻进液从环隙流至喷嘴。

3.如权利要求2所述的多级分离器，其特征在于，所述开采混合物返回系统包含底部外管(7)和底部内管(8)，其中，注入的钻井液从环隙流至喷嘴后，由喷嘴喷出破碎的钻井液、海底泥沙及天然气水合物的混合物由底部内管(8)返回。

4.如权利要求1所述的多级分离器，其特征在于，所述旋流分离系统包括一级旋流分离系统和二级旋流分离系统；所述一级旋流分离系统由底部内管(8)和一级分离排沙系统(6)组成，其中，底部内管(8)和一级分离排沙系统(6)通过外螺纹(18)和内螺纹(12)连接。

5.如权利要求4所述的多级分离器，其特征在于，所述底部内管(8)由连接螺纹(21)、外螺纹(18)、旋流发生结构(20)和强化锥(19)构成；所述外螺纹(18)一侧设有扩散口结构(22)，扩散口结构角度为6-8°。

6.如权利要求4所述的多级分离器，其特征在于，所述一级分离排沙系统(6)由连接螺纹(9),(11)、内螺纹(12)、密封圈(13),(14)和排沙口(10)组成；所述一级分离排沙系统(6)从横截面处分为钻井液注入腔(15)、水合物返回腔(16)和泥沙排出腔(17)。

7.如权利要求4所述的多级分离器，其特征在于，所述二级旋流分离系统由底部内管(5)和二级分离排沙系统(3)组成，其中，底部内管(5)和二级分离排沙系统(3)通过外螺纹(18)和内螺纹(12)连接。

8.如权利要求4所述的多级分离器，其特征在于，所述二级旋流分离系统和一级旋流分离系统通过螺纹串联连接。

9.如权利要求1所述的多级分离器，其特征在于，所述旋流分离系统多级串联使用。

10.如权利要求1-9中任一项所述的多级分离器，其特征在于，所述多级分离器用于天然气水合物原位泥沙回填。