CN113090246B - 一种用于双层管钻井的天然气水合物井下原位除砂装置及除砂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于双层管钻井的天然气水合物井下原位除砂装置及除砂方法，属天然气水合物破胶除砂技术领域。本发明通过内筒与外筒组成双层管结构；工作过程中，通过旋流器将混合浆料轴向流动转化为旋转流动，从而使胶结态颗粒在旋流场内利用自转产生的离心力与流体剪切力，使天然气水合物与泥沙剥离，进而使天然气水合物返回至海上平台供人类使用的情况下将泥沙原位回填至地层，本发明在保证天然气水合物开采安全性与可靠性的同时；不仅为液固两相提供了分离条件，又自带颗粒排序及旋流破胶结的优点，解决了现有天然气水合物流态化开采中面临的泥沙与水合物胶结的问题，并具有可连续开采，实现泥砂原位回填、破胶除砂旋流分离效果好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于双层管钻井的天然气水合物井下原位除砂装置及除砂方法，属天然气水合物破胶除砂技术领域。
背景技术
天然气水合物（Natural gas hydrate，NGH，又称可燃冰）是一种储量巨大的清洁能源，勘探结果表明全球NGH的资源总量换算成甲烷为(1.8~2.1)×1016 m3，相当于全世界已知煤炭、石油和天然气等能源总量的2倍，其中海底天然气水合物的储量占总储量的99%以上。
现有海底天然气水合物分离技术主要有重力和旋流离心分离两种方式，主要用在常规海洋油气开采中。Statoil公司于2001年在挪威北海的Troll油田投产了世界上第一个水下分离与注水系统(SUBSI),该分离器属于常规的卧式液-液重力分离器，理论处理量为417 m3/h ，分离器分离效率要高于传统重力分离器。Petrobras公司于2011年在巴西里Marimba油田投入一种气液两相分离系统,该分离器在温度为20℃和压力为9.8×104 Pa的工况下，液相流量为62.5 m3/h，气相流量为7917 m3/h。以上装置都属于大型水下固定分离装备，无法跟随钻柱一起运动，因此需设计一种针对天然气水合物固态流化开采的井下分离器，可满足天然气水合物固态流化开采的在线原位分离需求。而旋流器结构简单易集成，分离强度远大于重力沉降，常规油气开采使用的井下旋流分离器就是进行油-水-固三相分离的典型，与天然气水合物固态流化开采中水合物-钻井液-泥砂的分离类似。同时旋流器内形成的三维旋转湍流场，具有强剪切流的特性，这一性质对于使用絮凝剂的微米级、亚微米级颗粒的团聚体具有一定的破碎作用。因此利用旋流场进行弱胶结水合物颗粒的破胶结，将旋流分离技术应用于深水浅层水合物开采过程的原位分离，具有极大的可行性。
CN104533367A公开了一种火驱开采天然气水合物的方法，在井底安装泵和点火装置完成开采过程。CN111550222A公开了注蒸汽开采天然气水合物的方法，使用有效的井网组合方式，改善注入的蒸汽热利用率，降低携砂产出的风险。CN207568572U公开了一种模拟注入二氧化碳和生石灰粉开采天然气的实验装置，但是缺乏工业应用。因此，为我国天然气水合物大规模安全开采所亟需的钻采装备提供技术储备。
发明内容
本发明的目的在于：提公一种用于天然气水合物自转破胶结旋流器，旨在解决天然气水合物流态化开采中面临的泥沙与水合物胶结问题的用于双层管钻井的天然气水合物井下原位除砂装置及方法。
本发明的技术方案是：
一种用于双层管钻井的天然气水合物井下原位除砂装置，包括内筒和外筒，其特征在于：外筒内通过多个上安装块和多个下安装块固装有内筒，内筒内设置有锥套，锥套下方的内筒内固装有装配盘，装配盘的中心部位设置有旋流器，上安装块对应的内筒圆周上均布有排砂孔，排砂孔的一端穿过上安装块延伸至外筒外端。
所述的旋流器由装配柱和装配柱上螺旋安装的导叶旋流片构成，旋流器通过装配柱与装配盘固定连接。导叶旋流片夹角为20-40°。所述的装配柱外围的装配盘上均布有装配盘通孔。
所述的导叶旋流片的外沿与内筒内壁密封接触连接；导叶旋流片与内筒内壁，之间设置有由导叶旋流片配合内筒内壁形成的螺旋通道；螺旋通道与装配盘通孔连通。
所述的装配柱为锥形圆柱体，装配柱的锥角为5-20°。
所述的多个上安装块和多个下安装块呈上下状设置，多个上安装块和多个下安装块分别在内筒的圆周上呈间隔状设置，上安装块和下安装块的一端与内筒外壁 固定连接，上安装块和下安装块的另一端与外管内壁固定连接。
所述的排砂孔数量与上安装块数量对应，以将排砂孔延伸至外筒外端，使分离出的泥沙顺利排出。
所述的排砂孔直径为5-50mm，排砂孔法向与外筒（4）轴向方向夹角为45-60度。
所述的锥套的底端直径为内筒直径的20-80%，锥段与水平面的夹角为10-40°。
所述的内筒直径为50-500 mm，外筒的直径为内筒直径的110-130%。
该除砂装置的除砂方法包括以下步骤：
1）、首先将该除砂装置与油管和螺杆钻具组装成工具管串，然后下入至井内；下入至井内后，通过油管注入钻井液；
2）、注入的钻井液在内筒和外筒之间的环空内穿过上安装块和下安装块由环空下端口喷出，从而将海底的天然气水合物和泥沙喷射破碎；
3）、高压高速喷出的钻井液将海底的天然气水合物和泥沙喷射破碎后，形成包含天然气水合物和泥沙的混合浆料，然后经内筒的下端口进入至该装置的内筒内；
4）、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；由于装配盘通孔相加的过流面积远大于螺旋通道的过流量，因此，进入螺旋通道的混合浆料形成憋压，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；
5）、由于进入螺旋通道的混合浆料沿通道螺旋上行，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；
6）、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，
7）、由于在旋流自转中，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回填，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返回地面进行后续处理，由此实现混合浆料破胶除砂旋流分离目的。
本发明的有益效果在于：
本发明通过内筒与外筒组成双层管结构；工作过程中，通过旋流器将混合浆料轴向流动转化为旋转流动，从而使胶结态颗粒在旋流场内利用自转产生的离心力与流体剪切力，使天然气水合物与泥沙剥离，进而使天然气水合物返回至海上平台供人类使用的情况下将泥沙原位回填至地层，本发明在保证天然气水合物开采安全性与可靠性的同时；不仅为液固两相提供了分离条件，又自带颗粒排序及旋流破胶结的优点，解决了现有天然气水合物流态化开采中面临的泥沙与水合物胶结的问题，并具有可连续开采，实现泥砂原位回填、破胶除砂旋流分离效果好的特点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中的A—A向的截面示意图；
图3为图1中的B—B向的截面示意图。
图中：1、内筒，2、外筒，3、上安装块，4、下安装块，5、锥套，6、装配盘，7、装配柱，8、导叶旋流片，9、装配盘通孔，10、排砂孔。
具体实施方式
该用于双层管钻井的天然气水合物井下原位除砂装置，包括内筒1和外筒2，外筒2内通过多个上安装块3和多个下安装块4固装有内筒1，内筒1直径为50-500 mm，外筒2的直径为内筒1直径的110-130%。内筒1内设置有喇叭口状的锥套5，锥套5与内筒1为一体结构；锥套5的底端直径为内筒1直径的20-80%，锥套5的锥段与水平面的夹角为10-40°。
锥套5下方的内筒1内固装有装配盘6，装配盘6的中心部位设置有旋流器，旋流器由装配柱7和装配柱7上螺旋安装的导叶旋流片8构成，旋流器通过装配柱7与装配盘6固定连接。装配柱8为锥形圆柱体，装配柱8的锥角为5-20°；装配柱7外围的装配盘6上均布有装配盘通孔9。导叶旋流片8的夹角为20-40°；导叶旋流片8的外沿与内筒1内壁密封接触连接；导叶旋流片8与内筒1内壁之间设置有由导叶旋流片8配合内筒1内壁形成的螺旋通道；螺旋通道的下端口与装配盘通孔9连通，螺旋通道的上端口与旋流器上方的旋流腔（内筒1内腔）连通。
上安装块3和下安装块4的数量分别为4—8个；上安装块3和下安装块4之间在内筒1轴向上呈上下状间隔设置，多个上安装块3和多个下安装块4分别在内筒1的圆周上均布设置，上安装块3和下安装块4的一端与内筒1外壁固定连接，上安装块3和下安装块4的另一端与外筒2内壁 固定连接，从而实现内筒1在外筒2内的固定。
上安装块3对应的内筒1圆周上均布有排砂孔10，排砂孔10数量与上安装块3数量对应，以将排砂孔10延伸至外筒4外端，排砂孔10直径为5-50mm，排砂孔法10向与外筒1轴向方向夹角为45-60度。排砂孔10的一端穿过上安装块3延伸至外筒2外端；以在工作中使分离出的泥沙顺利排出。
该天然气水合物井下原位除砂装置通过内筒1与外筒2组成双层管结构；工作时，首先将该除砂装置与油管和螺杆钻具组装成工具管串，然后下入至井内；下入至井内后，通过油管注入钻井液；注入的钻井液在内筒1和外筒2之间的环空内穿过上安装块3和下安装块4由环空的下端口喷出，从而将海底的天然气水合物和泥沙喷射破碎；高压高速喷出的钻井液将海底的天然气水合物和泥沙喷射破碎后，形成包含天然气水合物和泥沙的混合浆料，然后经内筒1的下端口进入至该装置的内筒1内。
进入内筒1内的混合浆料通过装配盘通孔9进入到导叶旋流片10配合内筒1内壁构成的螺旋通道；由于装配盘通孔10相加的过流面积远大于螺旋通道的过流量，因此，进入螺旋通道的混合浆料形成憋压，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1内的混合浆料由轴向流动转化为旋转流动；由于进入螺旋通道的混合浆料螺旋上行，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1内形成旋流，进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。即，混合浆料离心分离过程中，混合浆料在旋流器上方的内筒1内形成旋流自转，通过混合浆料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；
由于混合浆料在旋流自转中，混合浆料中的天然气水合物与泥沙所受离心力不同，混合浆体在内筒1内旋流的过程中，密度和粒径大的泥沙由于离心力相对更大被甩向边壁，天然气水合物由于密度和离心力相对更小靠近内部，密度大的泥砂被甩到内筒1边壁逐步下沉进入排砂孔，并在离心力作用下从排沙口10排出原位回填，密度小的天然气水合物迁移至内旋流中，并从锥套5的中心通孔内排出返回地面进行后续处理，由此实现混合浆料破胶除砂旋流分离和分离出的泥砂原位回填的目的。
本发明通过旋流器将混合浆料的轴向流动转化为旋转流动，从而使胶结态颗粒在旋流场内利用自转产生的离心力与流体剪切力，使天然气水合物与泥沙剥离，进而使天然气水合物返回至海上平台供人类使用的情况下将分离的泥沙原位回填至地层。通过旋流器将混合浆料的轴向流动转化为旋转流动作用，不仅使得不同密度两相混合物的分离，同时实现了天然气水合物颗粒的排序，以及水合物颗粒的破胶结作用，使得排出的天然气水合物含杂质少。本发明在保证天然气水合物开采安全性与可靠性的同时；为液固两相提供了分离条件，同时具有颗粒排序及旋流破胶结的优点，解决了现有天然气水合物流态化开采中面临的泥沙与水合物胶结的问题，并具有可连续开采，实现泥砂原位回填、破胶除砂旋流分离效果好的特点。
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)
1.一种用于双层管钻井的天然气水合物井下原位除砂装置，包括内筒（1）和外筒（2），其特征在于：外筒（2）内通过多个上安装块（3）和多个下安装块（4）固装有内筒（1），内筒（1）内设置有锥套（5），锥套（5）下方的内筒（1）内固装有装配盘（6），装配盘（6）的中心部位设置有旋流器，旋流器由装配柱（7）和装配柱（7）上螺旋安装的导叶旋流片（8）构成，旋流器通过装配柱（7）与装配盘（6）固定连接；导叶旋流片（8）的夹角为20-40°；装配柱（7）为锥形圆柱体，装配柱（7）的锥角为5-20°；所述的装配柱（7）外围的装配盘（6）上均布有装配盘通孔（9）；所述的导叶旋流片（8）的外沿与内筒（1）内壁密封接触连接；导叶旋流片（8）与内筒（1）内壁，之间设置有由导叶旋流片（8）配合内筒（1）内壁形成的螺旋通道；螺旋通道与装配盘通孔（9）连通；上安装块（3）对应的内筒（1）圆周上均布有排砂孔（10），排砂孔（10）的一端穿过上安装块（3）延伸至外筒（2）外端；
该除砂装置的除砂方法包括以下步骤：
1）、首先将该除砂装置与油管和螺杆钻具组装成工具管串，然后下入至井内；下入至井内后，通过油管注入钻井液；
2）、注入的钻井液在内筒（1）和外筒（2）之间的环空内穿过上安装块（3）和下安装块（4）由环空下端口喷出，从而将海底的天然气水合物和泥沙喷射破碎；
3）、高压高速喷出的钻井液将海底的天然气水合物和泥沙喷射破碎后，形成包含天然气水合物和泥沙的混合浆料，然后经内筒（1）的下端口进入至该装置的内筒（1）内；
4）、进入内筒（1）内的混合浆料通过装配盘通孔（9）进入到导叶旋流片（8）配合内筒（1）内壁构成的螺旋通道；由于装配盘通孔（9）相加的过流面积远大于螺旋通道的过流量，因此，进入螺旋通道的混合浆料形成憋压，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（1）内的混合浆料由轴向流动转化为旋转流动；
5）、由于进入螺旋通道的混合浆料沿通道螺旋上行，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（1）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；
6）、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（1）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，
7）、由于在旋流自转中，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（1）边壁，并在离心力作用下从排沙口排出回填，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返回地面进行后续处理，由此实现混合浆料破胶除砂旋流分离目的。
2.根据权利要求1所述的一种用于双层管钻井的天然气水合物井下原位除砂装置，其特征在于：所述的多个上安装块（3）和多个下安装块（4）之间呈上下状设置，多个上安装块（3）和多个下安装块（4）分别在内筒（1）的圆周上均布设置，上安装块（3）和下安装块（4）的一端与内筒（1）外壁 固定连接，上安装块（3）和下安装块（4）的另一端与外筒（4）内壁固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于双层管钻井的天然气水合物井下原位除砂装置，其特征在于：所述的排砂孔数量（10）与上安装块（3）数量对应，以将排砂孔（10）延伸至外筒（2）外端，使分离出的泥沙顺利排出。
4.根据权利要求3所述的一种用于双层管钻井的天然气水合物井下原位除砂装置，其特征在于：所述的排砂孔（10）直径为5-50mm，排砂孔（10）法向与外筒（2）轴向方向夹角为45-60度。
5.根据权利要求1所述的一种用于双层管钻井的天然气水合物井下原位除砂装置，其特征在于：所述的锥套（5）的底端直径为内筒（1）直径的20-80%，锥套（5）的锥段与水平面的夹角为10-40°。
6.根据权利要求1所述的一种用于双层管钻井的天然气水合物井下原位除砂装置，其特征在于：所述的内筒（1）直径为50-500 mm，外筒（2）的直径为内筒（1）直径的110-130%。
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