CN112049801B - 一种用于海洋天然气水合物采掘的双叶轮泵 - Google Patents

Abstract

一种用于海洋天然气水合物采掘的双叶轮泵，包括内套管，外套管，传动齿轮，泵体上下两端设置有内套管和外套管，泵体外侧设置有两组与之啮合的传动齿轮，其内部由内到外依次设有外叶轮和内叶轮；外叶轮绕轴旋转时可将内套管和外套管夹层中的流体向海面方向输送，内叶轮绕轴旋转时可将内套管中的流体向海底方向输送并在内喷嘴处形成射流；采掘装置利用海水对水合物矿层进行水力破碎，并产生流化矿体供外套管收集，兼顾水合物的采掘与收集，有效提高了水合物的采掘效率，装置整体结构紧凑简单，运行可靠。

Description

一种用于海洋天然气水合物采掘的双叶轮泵

技术领域

本发明属于天然气水合物开采技术领域，特别是一种用于海洋天然气水合物采掘的双叶轮泵。

背景技术

天然气水合物被认为是21世纪最有潜力的接替能源。目前，开采海洋中天然气水合物主要采用降压、注热、注剂、置换等方法。加热开采法是提高天然气水合物储层内温度，使天然气水合物分解，但一般具有能耗大，热利用效率较低的缺陷；降压开采法是降低储层压力促使水合物分解，但采用降压法开采天然气水合物无序分解且不可控；加化学试剂开采法是向天然气水合物层中注入化学试剂，促使天然气水合物分解，但化学试剂成本较高，对天然气水合物层的作用较慢，还可能产生一些环境问题；二氧化碳置换开采法是指注入如二氧化碳等气体以置换天然气水合物中的甲烷，这种方法受到水合物储层渗透性的制约。海洋水合物大规模安全开采成为一个亟待解决的技术难题。

而固化流态开采技术作为一种新型水合物开采技术，其整个开采过程在海底水合物矿区进行，未改变海底水合物的温度、压力条件，不会引发其大量分解，可实现原位固态开发，能够避免水合物分解可能带来的工程地质灾害和温室效应，同时可以有效解决常规开采方法所面临的井底出砂、水合物无序分解等问题。

目前常见的固态流化采掘装置中，流体喷射通道与流体收集通道多为分别设置，流体喷射通道单独作为一条管路，在其管路中设有向开采区注流体的专用泵体；流体收集通道也单独设置有经开采区向海面抽吸流体的泵体，以形成从注液流化到收集流体的采掘循环；因此在前期施工时需要分别设置注液管路和采掘管路，并安装相应的注液泵和抽吸泵，使得循环装置整体结构复杂，在采掘过程中易发生故障，且单独设置注液管路与采掘管路的施工成本和采掘时对注液泵与抽吸泵单独供能的运转成本较高，同时受采掘循环管路整体体积影响，在固定范围的作业区内能够设置采掘循环管路数量也较为有限，采掘效率不高。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于海洋天然气水合物采掘的双叶轮泵，基于固化流态开采技术，采用双层套管结构，利用双叶轮泵作为动力装置的，通过内层套管底部设置的锥形内喷嘴输送海水形成的射流，破碎并流化水合物矿层形成水合物浆体，并利用设有扩径结构外喷嘴的外层套管，将破碎后的水合物浆体收集至海面水合物分离，在缩小循环管路体积，提高采集效率的同时，解决了现有天然气水合物固态流化采掘循环管路中存在的可靠性不佳、施工成本高等问题。

本发明采用的技术方案是，提供一种用于海洋天然气水合物采掘的双叶轮泵，包括上端内套管，上端外套管，密封圈，角接触球轴承，泵体，下端内套管，下端外套管，轴承固定圈，传动齿轮；

所述泵体包括外套，外叶轮，内套，内叶轮，泵轴，所述内套同轴套设于所述外套内；所述外叶轮径向环绕设置在内套外表面，且与外套内表面相连；所述泵轴同轴设置在内套内；所述内叶轮径向环绕设置在泵轴外表面，并与内套内表面相连；所述泵体中的外套外表面周向设置有啮合齿轮；所述外叶轮和内叶轮叶片旋向相反；

所述上端内套管经角接触球轴承连接在内套外表面上端；所述下端内套管经角接触球轴承连接在内套外表面下端；上端内套管、下端内套管和内套组成内套管；

所述上端外套管经角接触球轴承连接在外套外表面上端；所述下端外套管经角接触球轴承连接在外套外表面下端；上端外套管、下端外套管和外套组成外套管；

所述内套管和所述外套管中的角接触球轴承沿泵体轴线方向两侧均紧密贴设有轴承固定圈；所述轴承固定圈与内套管、外套管的间隙中均设有密封圈；

泵体中的外套外表面还设置有与所述啮合齿轮相啮合的传动齿轮。

进一步的，所述下端内套管底端经内连接管与内喷嘴连接，所述内喷嘴的喷口为倒锥形。

进一步的，所述下端外套管底端经外连接管与外喷嘴连接，所述外喷嘴的喷口为喇叭口形，所述外喷嘴喷口处与所述内喷嘴喷口处的夹层中设置有滤网。

进一步的，所述传动齿轮数量在两组以上。

进一步的，所述传动齿轮的转动轴均与泵外电机相连。

与现有技术相比，上述技术方案具有如下优点：

1、装置中使用双叶轮泵提供流体动力，只需一个泵体结构提供动力即可实现对异向流体的同时运送，装置整体结构紧凑简单，运行可靠，可有效节约施工和运行成本；而泵体采用角接触球轴承与内外套管管体分别安装连接，可在不影响结构功能的情况下将泵稳定在套管上，保证装置的正常工作

2、双叶轮泵的连接管采用内外套管的设计，兼顾水合物的采掘与收集，相比于常规采掘方法中的流化管路和采集管路分离的设计，体积结构更为精简，进而在作业区内可设置更多的双叶轮泵采掘管路，提高了水合物的采掘效率。

3、内套管底部设置有向内收缩的锥形内喷嘴，可利用海水产生高速冲击流体实现对水合物矿层水力破碎，同时注入的海水流会使得破碎后的矿物流化，从而产生便于外套管收集的矿物流体，整个过程便捷环保。

4、外套管底部设置有向外扩径扩张的外喷嘴，便于对水合物浆体的大范围吸收，提高了装置采集效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明剖视图；

图2是本发明剖视图中A处局部放大图；

图3是是本发明中喷嘴部分立体示意图；

图4是本发明中泵体立体示意图；

图5是本发明的工作流程图；

图6是本发明的装置物料流向示意图；

图中1上端内套管，2上端外套管，3密封圈，4角接触球轴承，5泵体，5.1外套、5.2外叶轮，5.3内套，5.4内叶轮，5.5泵轴，6滤网，7下端内套管，8下端外套管，9轴承固定圈，10传动齿轮，11外喷嘴，12内喷嘴，13内连接管，14外连接管。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中可以不对其进行进一步定义和解释。

实施例：

参见图1至图4，一种用于海洋天然气水合物采掘的双叶轮泵，泵体5中的外叶轮5.2径向环绕设置在内套5.3外表面，外叶轮5.2与外套5.1内表面相连；泵轴5.5同轴设置在内套5.3中心；内叶轮5.4径向环绕设置在泵轴5.5表面，并与内套5.3内表面相连；泵体5中的外套5.1外表面周向设置有啮合齿轮；内套5.3与外套5.1构成了带夹层的内外管结构，外叶轮5.2连接支撑内套5.3与外套5.1，同时外叶轮5.2在旋转时可以在内套5.3与外套5.1之间的夹层中输送流体；泵轴5.5作为旋转轴心支撑内套5.3内部的内叶轮5.4，内叶轮5.4在旋转时也可在内套5.3中输送流体；泵体5外套5.1外表面的啮合齿轮与外部动力源的齿轮啮合后，即可由外部动力源提供动力使其旋转，并分别带动外叶轮5.2、内套5.3、内叶轮5.4按相同的转速旋转。

外叶轮5.2和内叶轮叶片旋向相反；外叶轮5.2与内叶轮5.4随泵体5旋转时可分别在内套管和内套管与外套管的夹层中产生流体，由于外叶轮5.2和内叶轮5.4旋向相反，使得外叶轮5.2与内叶轮5.4叶片的倾斜方向相反，因此外叶轮5.2与内叶轮5.4在泵体5中同轴转动时，可以分别在内套管和内套管与外套管的夹层中产生流向相反的流体；通过调节泵体5的转动方向、外叶轮5.2与内叶轮5.4的叶片角度、以及内套管与外套管的管径比，使其在内套管中产生由下端内套管7顶端指向下端内套管7底端的外喷流体，在内套管与外套管的夹层中产生由下端外套管8底端指向下端外套管8顶端的内吸流体，控制外喷流体与内吸流体方向相反，且外喷流体的流量大于内吸流体；在内吸流体流量大于外喷流体流量的情况下，采集作业区中的外排流体流量将大于注入流体流量，避免采集作业区中因流体淤积妨碍内套管中流体外喷，从而保证采集作业的顺利进行。

上端内套管1经角接触球轴承4连接在内套5.3外表面上端；下端内套管7经角接触球轴承4连接在内套5.3外表面下端；上端内套管1、下端内套管7和内套5.3组成内套管；上端外套管2经角接触球轴承4连接在外套5.1外表面上端；下端外套管8经角接触球轴承4连接在外套5.1外表面下端；上端外套管2、下端外套管8和外套5.1组成外套管；上端内套管1与下端内套管7分别通过角接触球轴承4连接在内套5.3的外表面的上下两侧，从而形成了一具设有隔断的内部管体结构，而内套5.3所在位置正好填补了内部管体的隔断，使得内套5.3与上端内套管1和下端内套管一并构成了完整的内套管；同样的，上端外套管2、下端外套管8和外套5.1也形成了与内套管结构类似的带隔断的外部管体结构，并且由外套5.1对其填补形成了完整的外套管；再由于内套5.3同轴设置在外套5.1内部，使得内套管也同轴设置在外套管中，进而基于泵体5的结构形成了一种带有夹层的内外管结构；此外，上端内套管1、下端内套管7和内套5.3，上端外套管2、下端外套管8和外套5.1均是利用角接触球轴承4在进行连接，该设计使得泵体5可以在内外套管中同轴自由旋转，同时不影响内、外套管的密封性。

泵体5、内套管、外套管之间的角接触球轴承4均沿泵体5轴线方向两侧均紧密贴设有轴承固定圈9，轴承固定圈9与内套管、外套管、泵体5构成的间隙中均设有密封圈3，轴承固定圈9设在角接触球轴承4的两侧固定住角接触球轴承4，使角接触球轴承4处在轴承固定圈9、密封圈3、内套管、外套管构成的局部密封结构中，保证角接触球轴承4正常工作不受管路中的流体影响，同时起到对内套管、外套管组成的内外管套设结构防渗漏和防串流的作用。

泵体5中的外套5.1外表面还设置有与啮合齿轮相啮合的传动齿轮10，啮合齿轮与传动齿轮10相互啮合，使得泵体5由外表面的传动齿轮10获得转动动力，与常规内部动力源相比，内部结构更简单，并可将更多的管内空间用于流体输送，提高工作效率。

下端内套管7底端经内连接管13与内喷嘴12连接，即在内套管下方连接有将内部流体由海面的泵体5输送至海底作业区内喷嘴的管路，内喷嘴12的喷口为倒锥形；下端外套管8底端经外连接管14与外喷嘴11连接，则是在外套管下方连接有将外部流体自海底作业区输送至海面泵体5的管路，外喷嘴11的喷口为喇叭口形；内连接管13同样套设于外连接管14内部，与内套管和外套管的结构相匹配；内连接管13底端的锥形內缩内喷嘴12，利用节流效应，将由海面注入内套管的海水的压力能转化为动能，内套管中的外喷流体从内喷嘴12流出时，流体具有很高的动能，以此冲击破碎水合物矿层，并向矿层中注入了海水，让水合物矿体与海水混合形成流化状态；下端外套管8底端的外喷嘴11向外扩张，可保证水合物矿体与海水形成的水合物浆体能够最大限度地被外喷嘴11吸纳进外套管中；内连接管13与外连接管14之间的环空中设置有支撑杆，支撑杆同时连接内连接管13与外连接管14，用于将内连接管13固定于外连接管14中；滤网6设置在外喷嘴11喷口处与内喷嘴12喷口处的夹层中，使得外部流体进入内连接管13与外连接管14之间的夹层中时，体积过大的水合物矿体和其他固体杂质无法跟随进入，保证内连接管13与外连接管14之间的夹层中的流体正常流动。

本实施例中传动齿轮10数量为两组，且两组传动齿轮10位于穿过泵体5轴心的径向直线上，呈夹角为180°的对称绕轴分布，而两组以上的传动齿轮10可在泵体5外表面呈均匀间隔绕轴分布，均匀间隔绕轴分布可以为泵提供充足的动力，也可均匀分配泵体5转动过程中的震动，增强泵的稳定性。

传动齿轮10的转动轴均与泵外电机相连，输入外部动力带动泵体5旋转。

参见图5、图6，基于所述双叶轮泵，配合上端内套管1、上端外套管2、下端内套管7、下端外套管8、角接触轴承4、内连接管13和外连接管14，用于海洋天然气水合物的采掘的具体流程为：

(1)双叶轮泵启动工作

泵体5的位置在海面之上，装置工作前，使用海水灌泵，将海水注入到内外套管中直到将套管中的空气排尽。空气排尽后，启动泵外电机，电机的齿轮与泵外围的齿轮啮合，通过齿轮传动传递动力，泵在电机带动下开始工作。由于泵体5中内外套管中的叶片旋向相反，工作时，泵体5将内套管中的流体向海底输送，将外套管与内套管夹层中的流体向海面输送。

(2)水合物矿层破碎与流化

泵体5启动后，将内套管中的海水向海底输送。由于内套管末端的内喷嘴12采用缩径结构，通过节流效应，内套管中的海水从内连接管13末端连接的内喷嘴12喷射而出，产生射流，利用射流冲击破碎水合物矿层。同时，内套管中输出的海水为水合物矿层提供了海水，海水与破碎后的水合物矿体混合形成水合物浆体，成为流化状态，方便输运。

(3)水合物浆体举升

被破碎水合物与海水形成水合物浆体后，在泵体5外叶轮5.2的作用下，经过外套管下方连接的外连接管14末端设置的外喷嘴11，将水合物浆体吸入内连接管13与外连接管14的夹层中，并将水合物浆体先后举升至泵体5和海面分离装置。在外喷嘴11喷口与内喷嘴12喷口之间装有滤网6，过滤粒径过大的杂质，防止堵塞外套管与内套管之间夹层，影响水合物浆体输送。

(4)水合物浆体的分离

外连接管14吸入水合物浆体后，水合物浆体通过外连接管14与内连接管13之间的夹层举升至内套管与外套管的夹层中，并经过泵体5后被输送到海面的分离装置，将水合物矿体、海水及其他杂质分离。分离后，天然气水合物矿体被储存等待下一级的处理，海水进入内套管继续循环使用。

在本发明的描述中，需指出的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“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发明和简化描述，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，不能理解为对本发明的限制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种用于海洋天然气水合物采掘的双叶轮泵，其特征在于，包括上端内套管(1)，上端外套管(2)，密封圈(3)，角接触球轴承(4)，泵体(5)，下端内套管(7)，下端外套管(8)，轴承固定圈(9)，传动齿轮(10)；

所述泵体(5)包括外套(5.1)，外叶轮(5.2)，内套(5.3)，内叶轮(5.4)，泵轴(5.5)，所述内套(5.3)同轴套设于所述外套(5.1)内；所述外叶轮(5.2)径向环绕设置在内套(5.3)外表面，且与外套(5.1)内表面相连；所述泵轴(5.5)同轴设置在内套(5.3)内；所述内叶轮(5.4)径向环绕设置在泵轴(5.5)外表面，并与内套(5.3)内表面相连；所述泵体(5)中的外套(5.1)外表面周向设置有啮合齿轮；所述外叶轮(5.2)和内叶轮(5.4)叶片旋向相反；

所述上端内套管(1)经角接触球轴承(4)连接在内套(5.3)外表面上端；所述下端内套管(7)经角接触球轴承(4)连接在内套(5.3)外表面下端；上端内套管(1)、下端内套管(7)和内套(5.3)组成内套管；

所述上端外套管(2)经角接触球轴承(4)连接在外套(5.1)外表面上端；所述下端外套管(8)经角接触球轴承(4)连接在外套(5.1)外表面下端；上端外套管(2)、下端外套管(8)和外套(5.1)组成外套管；

所述内套管和所述外套管中的角接触球轴承(4)沿泵体(5)轴线方向两侧均紧密贴设有轴承固定圈(9)；所述轴承固定圈(9)与内套管、外套管的间隙中均设有密封圈(3)；

泵体(5)中的外套(5.1)外表面还设置有与所述啮合齿轮相啮合的传动齿轮(10)；

下端内套管(7)底端经内连接管(13)与内喷嘴(12)连接，内喷嘴(12)的喷口为倒锥形；

下端外套管(8)底端经外连接管(14)与外喷嘴(11)连接，外喷嘴(11)的喷口为喇叭口形，所述外喷嘴(11)喷口处与所述内喷嘴(12)喷口处的夹层中设置有滤网(6)。

2.根据权利要求1所述的一种用于海洋天然气水合物采掘的双叶轮泵，其特征在于：所述传动齿轮(10)数量在两组以上。

3.根据权利要求1所述的一种用于海洋天然气水合物采掘的双叶轮泵，其特征在于：所述传动齿轮(10)的转动轴均与泵外电机相连。

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