CN113279731B - 一种利用天然气水合物原位分离砂的预混磨料射流工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用天然气水合物原位分离砂的预混磨料射流工具，包括旋流吸砂装置、初级分离装置、螺杆增压装置、涡轮动力装置，旋流吸砂装置位于整个装置的最下端，旋流吸砂装置的下端和外壳间通过螺纹连接，初级分离装置位于旋流吸砂装置的上端，初级分离装置和外壳之间通过螺纹连接，螺杆增压装置位于涡轮动力装置和初级分离装置之间，螺杆增压装置和外壳之间通过螺纹连接，涡轮动力装置位于整个装置的最上端，涡轮动力装置的上端和外壳之间通过螺纹连接。本发明将一直被认为是有害的原位分离砂部分利用起来，转而用作磨料颗粒，实现其与水射流预混后形成磨料水射流，以提高天然气水合物射流破碎采掘效率。

Description

一种利用天然气水合物原位分离砂的预混磨料射流工具

技术领域

本发明专利涉及海洋非成岩天然气水合物固态流化开发领域，具体涉及一种利用天然气水合物原位分离砂的预混磨料射流工具。

背景技术

天然气水合物，俗称“可燃冰”，是一种稳定存在于低温、高压条件下的笼形化合物，作为一种新型清洁能源，它具有高储气密度、高热量、可替代的特点，被认为是21世纪最理想的替代能源。其主要分布在北极地区的永久冻土区和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中，其中以海洋天然气水合物的资源储量最大，约为陆地冻土地带的100倍以上。天然气水合物主要以砂岩型、砂岩裂隙型、细粒裂隙型和分散型等方式存在于深海海底，其中，超过85％的深海水合物是具有埋藏浅(300m以内)、疏松、弱胶结或未胶结、不稳定、无致密盖层等的非成岩水合物，在使用热激法、注入化学试剂、降压法等方式进行开采时，极易引发储层发生地质灾害和环境污染等后果。为此，研究学者们提出了新的开采方法——固态流化绿色开采技术，该工艺线使用高压水射流将水合物矿体粉碎成水合物小颗粒，再与海水混合后由封闭管道输送至海洋平台，最后交由海洋平台进行后处理和加工。但是以上开采方法均存在出砂量大的现实问题，一直阻碍着水合物开采技术的发展。

公布号CN111911118A，公告日为2020年11月10日的中国专利公开了一种直切混合射流自旋转式水射流组合喷嘴装置，公布号CN111350476A,公告日为2020年6月30日的中国专利公开了一种适用于天然气水合物开采的射流破碎抽吸回收装置，公布号分别为为CN111577211A和CN110700801B，公告日分别为为2020年8月25日和2020年5月12日的两个中国专利公开了一种天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具。因而，现有公开技术仅利用传统的纯水射流水合物破碎作业，射流中未加入磨料颗粒，未将现有磨料射流的高效切割破碎技术应用到水合物开采领域，并不能适用于天然气水合物高效破岩开采作业。

针对以上问题，本发明提出一种利用天然气水合物原位分离砂的预混磨料射流工具，以提高天然气水合物射流破岩效率，实现直接利用原位分离出的砂粒当作磨料射流颗粒与地面打压的高压水预混，吸收部分分离砂，“变废为宝”，在不对正常射流作业产生负面影响的前提下，减少整体作业成本，加快水合物射流破岩速度，缩短工程项目开发周期。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用天然气水合物原位分离砂的预混磨料射流工具,该工具将一直被认为是有害的原位分离砂部分利用起来，转而用作磨料颗粒，实现其与水射流预混后形成磨料水射流，以提高天然气水合物射流破碎采掘效率。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种利用天然气水合物原位分离砂的预混磨料射流工具，其特征在于旋流吸砂装置、初级分离装置、螺杆增压装置、涡轮动力装置，所述旋流吸砂装置位于整个装置的最下端，旋流吸砂装置的下端和所述外壳间通过螺纹连接，所述初级分离装置位于所述旋流吸砂装置的上端，所述初级分离装置和所述外壳之间通过螺纹连接，所述螺杆增压装置位于所述涡轮动力装置和所述初级分离装置之间，所述螺杆增压装置和所述外壳之间通过螺纹连接，所述涡轮动力装置位于整个装置的最上端，涡轮动力装置的上端和所述外壳之间通过螺纹连接，所述利用天然气水合物原位分离砂的预混磨料射流工具，涡轮动力装置在高压水作用下转动的同时间接带动所述旋流吸砂装置、螺杆增压装置一起旋转；

进一步技术方案中，所述旋流吸砂装置包括进流板、轴承、分离叶轮，主轴，进流板位于旋流吸入装置的下端，所述进流板和所述外壳之间使用螺纹来连接，轴承安装在进流板轴承槽内，主轴端部安装在轴承内，分离叶轮通过花键方式与主轴连接，所述分离叶轮上有用以和主轴固定的周向分布花键键槽，所述主轴就可以带动分离叶轮一起转动，将产层水合物-砂-水三相混合物经由所述回收孔吸入旋流吸入装置，然后进入节流孔，并在分离叶轮的带动下一起旋转，水合物-砂-水三相混合物在离心力作用下完成初步分离，然后进入所述初级分离装置；

进一步技术方案中，所述初级分离装置包括分离挡板，所述分离挡板内部有用以通过所述主轴的通孔和吸砂孔，分离挡板和所述外壳之间通过螺纹连接，所述通孔以周向排布方式分布在分离挡板内部，其一端和位于所述外壳上的所述排屑孔导通，两一端位于分离挡板的中部，经初步分离的水合物-砂-水三相混合物中的位于中心者转速较低，经通孔排出装置内部，而以砂为主的转速较大者则由吸砂孔进入螺杆增压装置；

进一步技术方案中，所述螺杆增压装置包括主螺杆、副螺杆，下增压固定挡板、增压主体、上增压固定挡板、轴承和轴承、主轴，所述轴承安装在所述下增压固定挡板的轴承槽内，所述轴承安装在所述上增压固定挡板的轴承槽内，所述副螺杆两端分别安装在轴承和轴承内，所述主螺杆通过花键方式和所述主轴连接，主螺杆和副螺杆之间互相啮合，二者共同设置在所述增压主体的增压腔内，以砂为主的混合物经设置在下增压固定挡板内的所述进砂孔进入增压腔，所述主轴先带动主螺杆转动，主螺杆再带动副螺杆一起转动，在达到将以砂为主的混合增压的同时，相互啮合的螺杆可以将混合物进一步压碎，防止螺杆增压装置堵塞，最后将混合物送入涡轮动力装置；

进一步技术方案中，所述涡轮动力装置包括动力涡轮、动力挡板、轴承、主轴，所述动力挡板上设置有轴承槽和高压进流孔，所述轴承槽用以安装所述轴承，所述高压进流孔用以通过高压流体，高压流体推动所述动力涡轮旋转，动力涡轮以花键连接方式带动所述主轴作旋转运动，以砂为主的混合经由动力涡轮内部的出砂孔完成和高压流体的混合，达到磨料和高压流体预混的目的，然后磨料射流混合物流体经所述外壳上的所述射流孔射出，最终形成磨料射流束辅助水合物射流破岩。

综上所述，本发明具有以下增益效果：

(1)本发明提出的一种利用天然气水合物原位分离砂的预混磨料射流工具，在流破碎天然气水合物矿藏时，会有砂粒产生，出砂问题严重影响水合物正常开采作业，不但会堵塞相关井下专业开采工具、加快关键零部件的磨损损耗，还会提高水合物浆体的分离难度，本发明能够将这些原本有害的沙砾“变废为宝”。

(2)本发明利用简单的机械装置，将水合物-砂-水三相混合物初步分离，从其中分离出部分砂粒，利用增压装置将分离出的砂粒输送到高压流体处，当作磨料完成和高压流体的充分预先混合，最终实现磨料-高压流体混合射流，加快水合物射流破岩效率，且开采过程中出砂量越大，磨料浓度就越高，越能加快水合物射流破岩的速度。

(3)本发明在初步分离装置上设有与产层相连通孔，可以将吸入的较大尺寸固体物直接排出装置，提搞了防堵能力的同时，也减小了螺杆增压装置挤压破碎较大尺寸时的作业压力。

(4)本发明在设计之初考虑到了最坏的极限工况，即使本发明因意外情况导致完全不能正常运行，也不会影响到常规纯高压射流破岩作业，只是此时不再有磨料连续进入装置进行射流前预混。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所有需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1(a)是本发明的整体结构三维剖视图；

图1(b)是本发明三分之二剖视图及内部主要结构三维示意图；

图2是本发明旋流吸砂装置进流板三维结构示意图；

图3是本发明旋流吸砂装置分离叶轮三维结构示意图；

图4是本发明初级分离装置分离挡板三维结构示意图；

图5是本发明螺杆增压装置局部界面图；

图6是本发明螺杆增压装置下增压固定挡板三维结构示意图；

图7是本发明是本发明螺杆增压装置下增压固定挡板三维结构示意图

图8是本发明动力挡板三维结构示意图

图9是本发明涡轮动力装置动力涡轮三维结构示意图；

图10是本发本发明主轴三维结构示意图；

图中：1-外壳，2-进流板，3-分离叶轮，4-分离挡板，5-第一轴承，6-副螺杆，7-第二轴承，8-上增压固定挡板，9-动力涡轮，10-第三轴承，11-动力挡板，12-增压主体，13-主螺杆，14-下增压固定挡板，15-主轴，16-第四轴承，101-排屑孔，102-射流孔，103-回收孔，201-节流孔，202-进流板轴承槽，203-进流板螺纹，301-分离叶轮花键键槽，401-通孔，402-吸砂孔，403-分离挡板螺纹，801-过流孔，802-上增压固定挡板轴承槽，803-上增压固定挡板螺纹，901-出砂孔，902-动力涡轮花键键槽，1101-动力挡板轴承槽，1102-高压进流孔，1103-动力挡板螺纹，1401-进砂孔，1402-下增压固定挡板轴承槽，1403-下增压固定挡板主轴通孔，1404-下增压固定挡板螺纹，1501-第一花键，1502-第二花键，1503-第三花键。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，本发明保护范围包括但不局限于以下描述。

实施例

本发明专利的一种利用天然气水合物原位分离砂的预混磨料射流工具如图1和图2所示，其特征在于旋流吸砂装置、初级分离装置、螺杆增压装置、涡轮动力装置，所述旋流吸砂装置位于整个装置的最下端，旋流吸砂装置的下端和所述外壳1之间通过螺纹连接，所述初级分离装置位于所述旋流吸砂装置的上端，所述初级分离装置和所述外壳1之间通过螺纹连接，所述螺杆增压装置位于所述涡轮动力装置和所述初级分离装置之间，所述螺杆增压装置和所述外壳1之间通过螺纹连接，所述涡轮动力装置位于整个装置的最上端，涡轮动力装置的上端和所述外壳1之间通过螺纹连接，所述利用天然气水合物原位分离砂的预混磨料射流工具，涡轮动力装置在高压水作用下转动的同时间接带动所述旋流吸砂装置、螺杆增压装置一起旋转。

如图1至3所示，所述旋流吸砂装置包括进流板2、第四轴承16、分离叶轮3，主轴15，进流板2位于旋流吸入装置的下端，所述进流板2和所述外壳之间、分离叶轮3和主轴15之间使用螺纹来连接，第四轴承16安装在进流板2轴承槽202内，主轴15端部安装在第四轴承16内，分离叶轮3通过花键方式与主轴15连接，所述分离叶轮3上有用以和主轴15固定的周向分布花键键槽301，所述主轴15就可以带动分离叶轮3一起转动，将产层水合物-砂-水三相混合物经由所述回收孔103吸入旋流吸入装置，然后进入节流孔201，并在分离叶轮3的带动下一起旋转，水合物-砂-水三相混合物在离心力作用下完成初步分离，然后进入所述初级分离装置；

如图4所示，所述初级分离装置包括分离挡板4，所述分离挡板4内部有用以通过所述主轴15的通孔和吸砂孔402，分离挡板和所述外壳1之间通过螺纹连接，所述通孔401以周向排布方式分布在分离挡板4内部，其一端和位于所述外壳1上的所述排屑孔101导通，两一端位于分离挡板4的中部，经初步分离的水合物-砂-水三相混合物中的位于中心者转速较低，经通孔401排出装置内部，而以砂为主的转速较大者则由吸砂孔402进入螺杆增压装置；

如图1、5至7所示，所述螺杆增压装置包括主螺杆13、副螺杆6，下增压固定挡板14、增压主体12、上增压固定挡板8、第一轴承轴承5和第二轴承7、主轴15，所述第一轴承5安装在所述下增压固定挡板14的轴承槽1402内，所述第二轴承7安装在所述上增压固定挡板8的上增压固定挡板轴承槽802内，所述副螺杆6两端分别安装在第一轴承5和第二轴承7内，所述主螺杆13通过花键方式和所述主轴15连接，主螺杆13和副螺杆6之间互相啮合，二者共同设置在所述增压主体12的增压腔1201内，以砂为主的混合物经设置在下增压固定挡板14内的所述进砂孔1401进入增压腔1201，所述主轴15先带动主螺杆13转动，主螺杆再带动副螺杆6一起转动，在达到将以砂为主的混合增压的同时，相互啮合的螺杆可以将混合物进一步压碎，防止螺杆增压装置堵塞，最后将混合物送入涡轮动力装置；

如图1、8至10所示，所述涡轮动力装置包括动力涡轮9、动力挡板11、第三轴承10、主轴15，所述动力挡板上设置有轴承槽1101和高压进流孔1102，所述轴承槽1101用以安装所述第三轴承10，所述高压进流孔1102用以通过高压流体，高压流体推动所述动力涡轮9旋转，动力涡轮9以花键连接方式带动所述主轴15作旋转运动，以砂为主的混合浆体经由上增压固定挡板8的过流孔801动力涡轮9内部的出砂孔901完成和高压流体的混合，然后磨料射流混合物流体经所述外壳1上的所述射流孔102射出，最终形成磨料射流束辅助水合物射流破岩。

本发明专利的工作原理：

本发明为天然气水合物开采工具管串的射流破碎部分。上端的井下动力装置向下输送射流采掘专用的高压纯流体介质，高压流体介质带动动力涡轮9旋转，主轴15、主螺杆13、副螺杆6随之跟随旋转，高压流体经射流孔102流出将水合物破碎，位于工具最底部的旋流吸砂装置将破碎后的含砂水合物浆体吸入装置内部并在初级分离装置完成初级分离工作，将大尺寸固态物和部分水合物浆体经通孔401和排屑孔101直接排出装置，防止堵塞，分离后的含砂浓度较高的水合物浆体经螺杆增压装置增压后，从吸砂孔901进入涡轮动力装置，然后实现砂粒与高压纯流体介质完成预混，最终形成磨料射流束辅助水合物射流破岩。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用天然气水合物原位分离砂的预混磨料射流工具，其特征在于：包括旋流吸砂装置、初级分离装置、螺杆增压装置、涡轮动力装置，所述旋流吸砂装置位于整个工具的最下端，旋流吸砂装置的下端和外壳(1)之间通过螺纹连接，所述初级分离装置位于所述旋流吸砂装置的上端，所述初级分离装置和所述外壳(1)之间通过螺纹连接，所述螺杆增压装置位于所述涡轮动力装置和所述初级分离装置之间，所述螺杆增压装置和所述外壳(1)之间通过螺纹连接，所述涡轮动力装置位于整个工具的最上端，涡轮动力装置的上端和所述外壳(1)之间通过螺纹连接，涡轮动力装置在高压水作用下转动的同时间接带动所述旋流吸砂装置、螺杆增压装置一起旋转；该工具包括主轴（15），主轴由主轴一、主轴二、主轴三依次连接而成；

所述螺杆增压装置包括主螺杆(13)、副螺杆(6)、下增压固定挡板(14)、增压主体(12)、上增压固定挡板(8)、第一轴承(5)和第二轴承(7)、主轴二，所述第一轴承(5)安装在所述下增压固定挡板(14)的下增压固定挡板轴承槽(1402)内，所述第二轴承(7)安装在所述上增压固定挡板(8)的上增压固定挡板轴承槽(802)内，所述副螺杆(6)两端分别安装在第一轴承(5)和第二轴承(7)内，所述主螺杆(13)通过花键方式和所述主轴二连接，主螺杆(13)和副螺杆(6)之间互相啮合，二者共同设置在所述增压主体(12)的增压腔(1201) 内，以砂为主的混合物经设置在下增压固定挡板(14)内的进砂孔(1401)进入增压腔(1201)，所述主轴二先带动主螺杆(13)转动，主螺杆再带动副螺杆(6)一起转动，在达到将以砂为主的混合增压的同时，相互啮合的螺杆将混合物进一步压碎，防止螺杆增压装置堵塞，最后将混合物送入涡轮动力装置；

所述涡轮动力装置包括动力涡轮(9)、动力挡板(11)、第三轴承(10)、主轴一，所述动力挡板上设置有动力挡板轴承槽(1101)和高压进流孔(1102)，所述动力挡板轴承槽(1101)用以安装所述第三轴承(10)，所述高压进流孔(1102)用以通过高压流体，高压流体推动所述动力涡轮(9)旋转，动力涡轮(9)以花键连接方式带动所述主轴一作旋转运动，以砂为主的混合浆体经由上增压固定挡板(8)的过流孔(801)动力涡轮(9)内部的出砂孔(901)完成和高压流体的混合，达到磨料和高压流体预混的目的，然后磨料射流混合物流体经所述外壳(1)上的射流孔(102)射出，最终形成磨料射流束辅助水合物射流破岩。

2.根据权利要求1所述一种利用天然气水合物原位分离砂的预混磨料射流工具，其特征在于：所述旋流吸砂装置包括进流板(2)、第四轴承(16)、分离叶轮(3)，主轴三，进流板(2)位于旋流吸入装置的下端，所述进流板(2)和所述外壳之间使用螺纹来连接，第四轴承(16)安装在进流板(2)的进流板轴承槽(202)内，主轴三端部安装在第四轴承(16)内，分离叶轮(3)通过花键方式与主轴三连接，所述分离叶轮(3)上有用以和主轴三固定的周向分布花键键槽(301)，所述主轴三带动分离叶轮(3)一起转动，将产层水合物-砂-水三相混合物经由回收孔(103)吸入旋流吸入装置，然后进入节流孔(201)，并在分离叶轮(3)的带动下一起旋转，水合物-砂-水三相混合物在离心力作用下完成初步分离，然后进入所述初级分离装置。

3.根据权利要求1所述一种利用天然气水合物原位分离砂的预混磨料射流工具，其特征在于：所述初级分离装置包括分离挡板(4)，所述分离挡板(4)内部有用以通过所述主轴二的通孔(401)和吸砂孔(402)，分离挡板和所述外壳(1)之间通过螺纹连接，所述通孔(401)以周向排布方式分布在分离挡板(4)内部，其一端和位于所述外壳(1)上的排屑孔(101)导通，另一端位于分离挡板(4)的中部，经初步分离的水合物-砂-水三相混合物中的位于中心者转速较低，经通孔(401)排出装置内部，而以砂为主的转速较大者则由吸砂孔(402)进入螺杆增压装置。

Images