CN113090244B - 一种天然气水合物旋流自转破胶分离方法及分离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种天然气水合物旋流自转破胶分离方法及分离装置，属海底天然气水合物分离技术领域。本发明通过由旋流破胶筒和旋流分离筒构成的分离装置实现含天然气水合物沉积物的浆料的破胶及分离。工作中，含天然气水合物沉积物的浆料通过进料管进入到旋流破胶筒内，在强剪切流动以及与壁面的碰撞条件下发生高速的自转运动，克服泥质粉砂与天然气水合物颗粒间的弱胶结力，在重力、流体曳力以及浮力的作用下实现颗粒的破胶结；破胶结后的混合浆料通过造旋进口进入到旋流分离筒，利用自转产生的离心力与流体剪切力分离泥质粉砂和天然气水合物，解决了现有装置由于大粒径颗粒流动跟随性差，以及影响分离性能的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气水合物旋流自转破胶分离方法及分离装置，属海底天然气水合物分离技术领域。
背景技术
天然气水合物(Natural gas hydrate，NGH)，俗称“可燃冰”，是水和天然气在高压低温环境条件下形成的冰态、笼形化合物。NGH被认为是21世纪最有可能接替煤炭、石油等常规能源的新型绿色能源。近年来，已经提出几种天然气水合物的开采方法，如降压法、热刺激法、注射抑制剂法、二氧化碳置换法等，然而由于深海浅层的天然气水合物储层具有非成岩、弱胶结等特点，利用上述开采方法及现有海洋钻采技术设备会破坏水合物储层的压力和温度平衡状态，导致天然气水合物层分解形成空穴从而引发海洋地质环境灾害针对这一问题，周守为提出了固态流化开采法。该方法的核心思想是将深水浅层不可控的非成岩NGH通过海底采掘、密闭流化、气液固多相举升系统变为可控的NGH资源，从而避免原位分解可能带来的环境风险。2017年5月，中国海油在中国南海北部荔湾3站位依托深水工程勘察船“海洋石油708”，利用完全自主研制技术、工艺和装备，在水深1310 m、水合物矿体埋深117~196 m处，全球首次成功实施海洋浅层非成岩天然气水合物固态流化试采作业。但是从试采结果来看，对采出液中的大量泥质粉砂进行原位预分离是保障固态流化开采顺利实施的关键。因此，如何实现水合物与泥质粉砂之间破胶结，实现高效分离称为核心问题。
专利CN107448176A提出一种实现海底浅层非成岩天然气水合物机械射流联合开采方法及装置，智能导向钻进工具领眼钻进，机械破碎刀臂展开，进行旋转切削破碎，喷嘴开始射流破碎，同时整流装置打开，隔离采收区与采空区，井下分离器分离水合物和泥质粉砂，向泥质粉砂通入二氧化碳，起到固化回填颗粒的作用，最后将泥质粉砂原位回填。该发明可以增大破碎半径，防止破碎颗粒与回填颗粒之间掺混。但是破碎颗粒中大粒径质量占比过大，由于大粒径颗粒流动跟随性差，不利于抽吸回收，造成流化采掘效率不高；
专利CN109882147A提出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。该装置通过在一体式外管串内并联多个分离器，提高分离器的工作能力，但是NGH开采产生的钻采废水属于多相非牛顿流体，成分复杂、黏度高，因此高速旋流湍流支配分离器内的流动行为，影响分离性能。因此，有必要对其进行改进。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种针对目前海底天然气水合物取芯获得的大多是弱胶结泥质水合物或粉砂质未成岩水合物，利用旋流场的强剪切作用进行弱胶结天然气水合物的破胶分离，由此获得取出天然气水合物，解决现有装置由于大粒径颗粒流动跟随性差，以及影响分离性能问题的天然气水合物旋流自转破胶分离方法及分离装置。
本发明的技术方案是：
一种天然气水合物旋流自转破胶分离方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1）、将含天然气水合物沉积物的浆料由增压泵通过进料管在15m3/h~60m3/h的条件下进入到分离装置，进行浆料的预破胶结；分离装置由旋流破胶筒、旋流分离筒、溢流管和进料管构成，旋流破胶筒为圆筒状的密封体，旋流破胶筒内固装有旋流分离筒，旋流分离筒的顶部与旋流破胶筒顶部内壁密封连接；旋流分离筒的底部穿过旋流破胶筒的底部延伸至旋流破胶筒外端，旋流分离筒的顶端圆周上对称设置有造旋进口，造旋进口呈切向设置；旋流破胶筒的顶部固装有溢流管，溢流管的底端穿过旋流破胶筒顶板进入旋流分离筒并延伸至造旋进口下方，旋流破胶筒的下端设置有进料管；进料管为渐缩管，管型为矩形，端口为斜型，以利于减少能量消耗和削弱紊流干扰，进料管长边同旋流破胶筒1内壁平行，对应进料管端口的内壁上装有初步破胶器；
2）、由进料管进入到分离装置的旋流破胶筒的浆料在增压泵的作用下由进料管喷出后，首先冲（撞）击初步破胶器，以对浆料中的大粒径颗粒物进行破碎，以将颗粒物粒径控制在设定范围内；
3）、完成冲（撞）击初步破胶器后的浆料，继续以强剪切流动状态沿旋流破胶筒的内高速自转运动，并与旋流破胶筒的壁面不断碰撞，从而克服泥质粉砂与天然气水合物颗粒间的弱胶结力，同时在重力、流体曳力以及浮力的作用下实现浆料中颗粒的破胶结；
4）、随着浆料的不断进入，旋流破胶筒内的浆料在旋流破胶筒内高速自转运动的同时其液面不断上升，当液面上升至造旋进口处时，通过造旋进口进入旋流分离筒；
5）、由于浆料在造旋进口的作用下切向进入旋流分离筒，进入旋流分离筒的浆料沿旋流分离筒内壁高速旋转，这一过程中，浆料利用自转产生的离心力与流体剪切力分离浆料中的泥质粉砂和天然气水合物；
6）、浆料在旋流分离筒分离的过程中，密度小的水合物进入内层旋流，最终由顶部溢流管排出；密度大的且经破胶后的泥质粉砂颗粒随外层旋流从旋流分离筒的底部端口排出，从而在分离装置内实现含天然气水合物沉积物的浆料的破胶及分离。
所述的旋流分离筒为锥形喇叭状，旋流分离筒的锥度为5~15°。
所述的旋流破胶筒的内壁锥角为10~30°。
所述的溢流管底部端口设置有伞状的溢流罩，溢流罩的伞状角度为30~60°。
所述的初步破胶器由安装板和破胶杆构成，安装板为U形体，安装板的一端呈上下间隔状安装有多个破胶杆，破胶杆的截面呈锥形，初步破胶器通过安装板固装在进料管对应的旋流破胶筒的内壁上，工作时，进入的浆料首先冲击初步破胶器，由此将浆料中的大粒径物通过破胶杆破碎，使其浆料中的料物料粒径保持在设计范围，以提高分离效果。
本发明的有益效果在于：
本发明通过由旋流破胶筒和旋流分离筒构成的分离装置实现含天然气水合物沉积物的浆料的破胶及分离。工作中，含天然气水合物沉积物的浆料通过进料管进入到旋流破胶筒内，在强剪切流动以及与壁面的碰撞条件下发生高速的自转运动，克服泥质粉砂与天然气水合物颗粒间的弱胶结力，在重力、流体曳力以及浮力的作用下实现颗粒的破胶结；破胶结后的混合浆料通过造旋进口进入到旋流分离筒，利用自转产生的离心力与流体剪切力分离泥质粉砂和天然气水合物，密度小的水合物进入内旋流，由顶部溢流罩排出；而密度大的经破胶后的泥质粉砂颗粒随外旋流从旋流分离筒底部流出，从而在分离装置内实现含天然气水合物沉积物的破胶及分离；解决了现有装置由于大粒径颗粒流动跟随性差，以及影响分离性能的问题。
附图说明
图1为本发明分离装置的结构示意图；
图2为本发明分离装置的俯视结构示意图；
图3为分离装置的旋流分离筒的立体结构示意图；
图4为分离装置的初步破胶器的立体结构示意图；
图5为初步破胶器的截面结构示意图。
图中：1、旋流破胶筒，2、旋流分离筒，3、溢流管，4、进料管，5、造旋进口，6、初步破胶器，7、安装板，8、破胶杆,9、溢流罩。
具体实施方式
该天然气水合物旋流自转破胶分离方法包括以下步骤：
将含天然气水合物和沉积物的混合浆料由增压泵通过进料管4进入到分离装置，进行混合浆料的预破胶结。分离装置由旋流破胶筒1、旋流分离筒2、溢流管3和进料管4构成，旋流破胶筒1为圆筒状的密封体，旋流破胶筒1内固装有旋流分离筒2，旋流分离筒2为锥形喇叭状，旋流分离筒2的锥度为5~15°，旋流分离筒2的顶部与旋流破胶筒1顶部内壁密封连接；旋流分离筒2的底部穿过旋流破胶筒1的底部延伸至旋流破胶筒1外端。
旋流分离筒2的顶端圆周上对称设置有造旋进口5，造旋进口5呈切向设置；旋流破胶筒1的顶部固装有溢流管3，溢流管3底部端口设置有伞状的溢流罩9，溢流罩9的伞状角度为30~60°。溢流管3的底端穿过旋流破胶筒1顶板进入旋流分离筒2并延伸至造旋进口5下方。旋流破胶筒1的下端设置有进料管4；进料管4为渐缩管，管型为矩形，端口为斜型，以利于减少能量消耗和削弱紊流干扰，进料管4长边同旋流破胶筒1内壁平行，旋流破胶筒1的内壁锥角为10~30°。对应进料管4端口的旋流破胶筒1内壁上装有初步破胶器6。
初步破胶器6由安装板7和破胶杆8构成，安装板7为U形体，初步破胶器6通过安装板7固装在进料管4对应的旋流破胶筒1的内壁上，从而配合旋流破胶筒1的内壁形成破胶通道，安装板7的一端端口内壁上呈上下间隔状安装有多个破胶杆8，破胶杆8的截面呈锥形，工作时，进入的混合浆料首先冲击初步破胶器6，由此将浆料中的大粒径物通过破胶杆8破碎，以提高后续的分离效果。
由进料管4进入到分离装置旋流破胶筒1的混合浆料在增压泵的作用下由进料管4喷出后，首先冲（撞）击初步破胶器6，这一过程中，初步破胶器6通过破胶杆8的锥部对浆料中的大粒径颗粒物形成撞击裁切，使其破碎，以将颗粒物粒径控制在设定范围内；从而解决大粒径颗粒物流动跟随性差、不利于回收的问题。
完成冲（撞）击初步破胶器6后的混合浆料，继续以强剪切流动状态沿旋流破胶筒1的内壁高速自转运动，并与旋流破胶筒1的壁面不断碰撞，从而克服泥质粉砂与天然气水合物颗粒间的弱胶结力，同时在重力、流体曳力以及浮力的作用下实现浆料中颗粒的破胶结。
随着混合浆料的不断进入，旋流破胶筒1内的混合浆料在旋流破胶筒1内高速自转运动的同时其液面不断上升，当液面上升至造旋进口5处时，通过造旋进口5进入旋流分离筒2内，由于旋流分离筒2设置在旋流破胶筒1内，且旋流分离筒2为锥形喇叭状，因此旋流分离筒2安装在旋流破胶筒1内后，使旋流破胶筒1的内腔形成一个中心部位呈锥形的空腔；混合浆料在旋流破胶筒1内高速自转运动且液面不断上升的过程中，其上端的混合浆料径向旋流厚度受旋流分离筒2的挤压逐步减小；由此可增加混合浆料与旋流分离筒2、旋流破胶筒1的壁面再次不断碰撞的几率，增加混合浆料中颗粒的破胶结效果，进而增强后续分离效能。同时，由于旋流分离筒2与旋流破胶筒1相互独立，由此为混合浆料的破胶结提供了足够的时间。
由于造旋进口5在旋流分离筒2上呈切向设置，混合浆料在造旋进口5的作用下切向进入旋流分离筒2后，沿旋流分离筒2内壁高速旋转，这一过程中，混合浆料利用自转产生的离心力与流体剪切力分离浆料中的泥质粉砂和天然气水合物；
混合浆料在旋流分离筒2内分离的过程中，密度小的水合物进入内层旋流，最终由顶部的溢流管3排出；密度大的且经破胶后的泥质粉砂颗粒随外层旋流，逐步从旋流分离筒2的底部端口排出，从而在分离装置内实现含天然气水合物沉积物的浆料的破胶及分离。其中，由于溢流管3底部端口设置有伞状的溢流罩9，溢流罩9在混合浆料旋流分离过程中，可对旋流的混合浆料在轴向上起一个分切的作用，即，保证内层旋流中密度小的水合物顺利进入溢流管3排出，防止密度大的泥质粉砂颗粒随外层旋流进入溢流管3。
本发明通过由旋流破胶筒1和旋流分离筒2构成的分离装置实现含天然气水合物沉积物的浆料的破胶及分离。解决了现有装置由于大粒径颗粒流动跟随性差，以及影响分离性能的问题，对海底天然气水合物的分离具有积极的意义。
为了表明本发明除砂装置的除砂分离效果，发明人进行了实验论证，其结果如下：
实验例未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
其具体运作过程及效果描述如下：
1.物料性质及相关参数
实验材料选择石英砂和聚丙烯粉末（PP）分别作为中国南海深水浅层天然气水合物储藏中泥砂和水合物的替代物，其中石英砂和PP的质量比为4:1，选择水泥作为胶结剂以制备石英砂和PP的胶结态混合物。石英砂密度为2510kg/m3，中值粒径70.4μm；PP密度910kg/m3，中值粒径47.6μm；水泥密度3100kg/m3，中值粒径15.2μm。配置25g相似材料，抗压强度为0.2~1.5MPa，粘聚力为0.5~1.05MPa，内摩擦角为10~40°。在0.4m3/h和0.6m3/h两个工况下进行水合物模拟物胶结体的破胶分离实验。
2. 除砂装置
采用本发明的用于双层管钻井的天然气水合物井下原位除砂装置。
3.实施过程
混合浆料通过进料管进入到该装置的内筒内进入内筒内的混合浆料通过装配盘通孔进入到导叶旋流片配合内筒内壁构成的螺旋通道；并以射流的形态在螺旋通道内螺旋上行；由此将进入至内筒内的混合浆料由轴向流动转化为旋转流动；混合浆料由螺旋通道的上端口喷出后，以切向的方式在旋流器上方的内筒内形成旋流，从而利用密度差对混合浆料中的天然气水合物和泥沙进行离心分离；对混合浆料离心分离过程中，混合浆料在旋流器上方的内筒内形成旋流自转，通过自转旋流产生的离心力作用对混合浆料中的天然气水合物与泥沙剥离，混合浆料中的天然气水合物与泥沙所受离心力不同，密度大的泥砂被甩到内筒边壁，并在离心力作用下从排沙口排出，密度小的天然气水合物迁移至内旋流中，并从锥套的通孔内排出，由此实现混合浆料破胶除砂旋流分离目的。
4.结果分析
破胶分离实验评估两个分离效率，石英砂分离效率和PP分离效率。在0.4m3/h的工况下，石英砂的平均分离效率为87.73%，PP的分离效率为98.12%；在0.6m3/h的工况下，石英砂的平均分离效率为89.28%，PP的分离效率为98.65%。除砂装置压降损失小于0.1MPa，实现低能耗稳定运行，并且石英砂分离效率高于85%，PP的分离效率达到98%以上。
Claims (6)
1.一种天然气水合物旋流自转破胶分离方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1）、将含天然气水合物沉积物的混合浆料由增压泵通过进料管（4）进入到分离装置，进行混合浆料的预破胶结；分离装置由旋流破胶筒（1）、旋流分离筒（2）、溢流管（3）和进料管（4）构成，旋流破胶筒（1）为圆筒状的密封体，旋流破胶筒（1）内固装有旋流分离筒（2），旋流分离筒（2）的顶部与旋流破胶筒（1）顶部内壁密封连接；旋流分离筒（2）的底部穿过旋流破胶筒（1）的底部延伸至旋流破胶筒（1）外端，旋流分离筒（2）的顶端圆周上对称设置有造旋进口（5），造旋进口（5）呈切向设置；旋流破胶筒（1）的顶部固装有溢流管（3），溢流管（3）的底端穿过旋流破胶筒（1）顶板进入旋流分离筒（2）并延伸至造旋进口（5）下方，旋流破胶筒（1）的下端设置有进料管（4）；进料管（4）为渐缩管，管型为矩形，端口为斜型，以利于减少能量消耗和削弱紊流干扰，进料管（4）长边同旋流破胶筒（1）内壁平行，对应进料管（4）端口的内壁上装有初步破胶器（6）；
2）、由进料管（4）进入到旋流破胶筒（1）的浆料在增压泵的作用下由进料管（4）喷出后，首先冲击初步破胶器（6），以对浆料中的大粒径颗粒物进行破碎，从而将颗粒物粒径控制在设定范围内；
3）、完成冲击初步破胶器（6）后的浆料，继续以强剪切流动状态沿旋流破胶筒（1）的内壁高速自转运动，并与旋流破胶筒（1）的壁面不断碰撞，从而克服泥质粉砂与天然气水合物颗粒间的弱胶结力，同时在重力、流体曳力以及浮力的作用下实现浆料中颗粒的破胶结；
4）、随着浆料的不断进入，旋流破胶筒（1）内的浆料在旋流破胶筒（1）内高速自转运动的同时其液面不断上升，当液面上升至造旋进口（5）处时，通过造旋进口（5）进入旋流分离筒（2）；
5）、由于浆料在造旋进口（5）的作用下切向进入旋流分离筒（2），进入旋流分离筒（2）的浆料沿旋流分离筒（2）内壁高速旋转，这一过程中，浆料利用自转产生的离心力与流体剪切力分离浆料中的泥质粉砂和天然气水合物；
6）、浆料在旋流分离筒（2）内分离的过程中，密度小的水合物进入内层旋流，最终由顶部的溢流管（3）排出；密度大的且经破胶后的泥质粉砂颗粒随外层旋流从旋流分离筒（2）的底部端口排出，从而在分离装置内实现含天然气水合物和沉积物的浆料的破胶及分离。
2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物旋流自转破胶分离方法，其特征在于：所述的旋流分离筒（2）为锥形喇叭状，旋流分离筒（2）的锥度为5~15°。
3.根据权利要求1所述的一种天然气水合物旋流自转破胶分离方法，其特征在于：所述的旋流破胶筒（1）的内壁锥角为10~30°。
4.根据权利要求1所述的一种天然气水合物旋流自转破胶分离方法，其特征在于：所述的溢流管（3）底部端口设置有伞状的溢流罩（9），溢流罩（9）的伞状角度为30~60°。
5.根据权利要求1所述的一种天然气水合物旋流自转破胶分离方法，其特征在于：所述的初步破胶器（6）由安装板（7）和破胶杆（8）构成，安装板（7）为U形体，安装板（7）的一端呈上下间隔状安装有多个破胶杆（8），破胶杆（8）的截面呈锥形。
6.根据权利要求5所述的一种天然气水合物旋流自转破胶分离方法，其特征在于：所述的初步破胶器（6）通过安装板（7）固装在进料管（4）端口对应的旋流破胶筒的内壁上，工作时，进入的浆料首先冲击初步破胶器（6），由此将浆料中的大粒径物通过破胶杆（8）破碎，使其浆料中的物料 料粒径保持在设计范围，以提高分离效果。
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