CN113338869B - 一种深水可燃冰沉降防砂开采装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深水可燃冰沉降防砂开采装置，属开采设备技术领域。含增压筒、射流筒、沉降筒、排渣筒，增压筒内装有空心轴，并通过径向轴承、调整套b和调整套c装有涡轮组，涡轮定子与增压筒装接，涡轮转子与空心轴装接；空心轴延伸至沉降筒的一端制有孔，并通过键a、轴套a装有小齿轮；射流筒上制有射流孔，沉降筒上制有水合物吸口，沉降筒与其内装的支撑筒间构成沉降区域，支撑筒内安装的蛟龙轴左端面上通过挡泥板、轴套b和键b装有大齿轮，蛟龙轴延伸至排渣筒的限位轴肩上经锁紧套和紧定螺钉装有滚动轴承，排渣筒上制有排渣孔。实现砂石沉降分离，携可燃冰流体回流，采空区回填防坍塌，开采纯度高，结构简单，安全可靠，降低开采成本。

Description

一种深水可燃冰沉降防砂开采装置

技术领域

本发明涉及一种深水可燃冰沉降防砂开采装置，属开采设备 技术领域。

背景技术

可燃冰又称天然气水合物，它是由水和天然气在高温和低压条件时形成的非化学计量的笼形结晶化合物，化学式为CH₄·nH₂O，广泛分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，使用方便，燃烧值高且清洁无污染。但开采这种优质新能源也给人类带来了新的挑战，由于全球约90%储存在深水区泥线以下几米到200米范围内的细粒裂缝型和分散型天然气水合物总量巨大，其胶结性差、非成岩、无致密盖层，因此开发难度高。该区域可燃冰呈固态，不会像石油开采那样自喷流出，从海底至海面的运输过程中易挥发为气体，钻井或采气不当将引起海底压力减低或温度上升，可燃冰刚性底层就会分解成天然气和水，最终使其上部的沉积层失稳而产生滑坡，最直接后果就是损坏海底电缆和管道，大规模滑坡则会引发海啸，且滑进深海里的沉积物中含有的可燃冰将因压力释放而分解，释放出的甲烷气体通过海水排放到空气中造成温室效应。目前，综合各国科学家提出的天然气水合物开发技术，包括热解法、降温法、固态流化法、化学注剂开采法和置换法；上述方法各有利弊，有待进一步改善；其中固态流化法是在不改变可燃冰储层温度和压力条件下，通过射流破碎流化开采可燃冰,提高了可燃冰开采的生产效率，保护了储层底层的安全,但开采的可燃冰中含砂量大，对环境污染大，开采成本高，开采质量差强人意。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种实现沉降区域沉降分离，海水携带可燃冰颗粒回流区别处理，采空区实时砂土回填不坍塌，开采的可燃冰颗粒泥砂、碎石含量低、纯化度高，结构简单，开采安全可靠，有效降低开采成本的深水可燃冰沉降防砂开采装置；以解决现有技术开采的可燃冰中含砂量大，对环境污染大，开采成本高，严重影响可燃冰开采质量的问题。

本发明是通过如下的技术方案来实现上述目的的：

一种深水可燃冰沉降防砂开采装置,包括增压筒、射流筒、沉降筒、排渣筒、导向头、涡轮组和减速齿轮组，所述涡轮组由涡轮定子和涡轮转子组成，所述减速齿轮组由小齿轮和大齿轮组成；其特点是：所述增压筒通过锥形螺纹、调整套a装接有射流筒，所述射流筒通过密封板a、锥形螺纹与沉降筒装接，所述沉降筒通过锥形螺纹、密封板b装接有排渣筒，所述排渣筒通过锁紧板、锥形螺纹装有导向头；所述增压筒内通过径向轴承装有空心轴，并通过径向轴承、调整套b和调整套c装有涡轮组，所述涡轮组的涡轮定子与增压筒内壁装接，涡轮组的涡轮转子与空心轴装接；所述空心轴左端面上安装有圆螺栓和垫片，空心轴延伸至沉降筒的一端开制有孔，并通过键a、轴套a安装有减速齿轮组的小齿轮；所述射流筒上开制有射流孔，所述沉降筒上开制有水合物吸口，沉降筒内安装有支撑筒，沉降筒与支撑筒间构成沉降区域，所述支撑筒内安装有蛟龙轴，所述蛟龙轴的左端面上通过挡泥板、轴套b和键b安装有大齿轮，所述小齿轮与大齿轮啮合连接；所述蛟龙轴延伸至排渣筒的限位轴肩上通过锁紧套和紧定螺钉安装有滚动轴承，所述排渣筒上开制有排渣孔。

所述的增压筒制作有入水口和水合物出口，增压筒通过管螺纹连接钻杆，通过水合物出口螺纹连接油管。

所述的空心轴上安装的圆螺栓a和垫片a，抵靠于增压筒的内台阶，圆螺栓a用于空心轴及其轴上零件的轴向限位，垫片a用于增大接触面积，减小局部压力。

所述的调整套a用于减小空心轴与射流筒之间的环空；所述调整套b和调整套c配合使用，用于径向轴承的轴向限位。

所述的减速齿轮组驱动蛟龙轴缓慢运转，使排渣筒通过排渣孔只排出固态沉砂，不排出卸压后的流体。

所述的密封板b上设置有O型密封圈，约束可燃冰颗粒和固态沉砂与卸压后流体的运动路径。

所述的挡泥板设置于沉降筒中，用于约束固态沉渣的运动路径和装置滚动轴承。

所述的支撑筒抵靠于挡泥板安装，用于支撑蛟龙轴，并作为排放固态沉渣的通道。

所述的水合物吸口开制于沉降筒上，经射流孔高压射流击落的可燃冰颗粒和固态沉砂通过水合物吸口掉入支撑筒内，固态沉砂开始沉降。

所述的排渣筒上开制有排渣孔，当蛟龙轴将沉降的固态沉砂输送至排渣筒时，通过所述排渣孔掉落至采空区进行回填。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

该深水可燃冰沉降防砂开采装置，通过增压筒的入水口、水合物出口，增压筒内安装的空心轴、涡轮组，使海水通过钻杆与油管间的环空输入，并经由所述入水口流入本发明装置，通过涡轮组增大水压，经射流孔形成高压射流，击落固态可燃冰颗粒和砂土掉入沉降筒的沉降区域进行沉降分离：密度比水小的可燃冰颗粒分布在沉降区域上端由卸压后的流体携带回流至空心轴中通过油管输出；与此同时，减速齿轮组带动蛟龙轴低速转动，使得大部分携带可燃冰颗粒的流体不会从排渣孔流出，只有分离后的固态沉渣从排渣孔排出，这些固态沉渣落入采空区进行回填，实现了对可燃冰颗粒和固态砂土沉渣的实时分离和回填处理。开采的可燃冰纯度高，运输和操作方便，结构简单，体积小，机动性强，可任意摆放在深水水平井中预设位置，便于可燃冰运输且输出的可燃冰净化程度高，排出的固态沉渣实时原位回填，避免采空地层坍塌，安全性高，有效降低了开采成本。解决了现有技术开采的可燃冰中含砂量大，对环境污染大，耗时长，开采成本高，严重降低可燃冰的开采质量的问题。

附图说明

图1为本发明的装配结构示意图；

图2为本发明的主视结构示意图；

图3为本发明的图2中的A-A截面图；

图4为本发明的图2中的B-B截面图；

图5为本发明的图2中的C-C截面图；

图6为本发明的图2中的D-D截面图；

图7为本发明的支撑筒的左视结构示意图；

图8为本发明的支撑筒的轴测结构示意图；

图9为本发明的涡轮组的装配结构示意图；

图10为本发明的挡泥板的轴测结构示意图；

图11为本发明的挡泥板的左视结构示意图。

图中：1、增压筒，2、射流筒，3、沉降筒，4、排渣筒，5、导向头，6、销钉，7、O型密封圈；

100、调整套a，101、空心轴，102、径向轴承，103、调整套b，104、调整套c，105、涡轮定子，106、涡轮转子，107、圆螺栓a，108、垫片a，109、孔，110、键a，111、轴套a，112、小齿轮，113、入水口，114、水合物出口；

200、密封板a，201、射流孔；

300、密封板b，301、支撑筒，302、沉降区域，303、蛟龙轴，304、挡泥板，305、轴套b，306、键b，307、大齿轮，308、垫片b，309、圆螺栓b，310、水合物吸口；

400、锁紧板，401、限位轴肩，402、锁紧套，403、紧定螺钉，404、滚动轴承，405、排渣孔。

具体实施方式

为克服当下开采可燃冰装置的安全性低、开采的可燃冰含砂量高、对环境污染大、开采成本高的问题，同时为破解深水可燃冰矿物不易开采的难题，本发明提供了一种深水可燃冰沉降防砂开采装置。本发明装置充分利用可燃冰颗粒、海水、泥砂的密度差，使得泥砂在本发明装置所设沉降区域沉降分离，海水则可携带可燃冰颗粒进行回流；结构简单、安全性高，采空区同步进行砂土回填避免其坍塌，既能低成本开采深水地层冻土中的可燃冰，又使得可燃冰颗粒的纯化效果好，便于连接油管将携带有可燃冰颗粒的流体运输至钻井平台上的可燃冰处理系统进行处理。实践表明，本发明装置具有广阔的应用前景。

下面结合附图对该深水可燃冰沉降防砂开采装置的实施方式作进一步详细说明（参见图1～11）：

该深水可燃冰沉降防砂开采装置,包括增压筒1、射流筒2、沉降筒3、排渣筒4、导向头5、涡轮组和减速齿轮组，所述涡轮组由涡轮定子105和涡轮转子106组成，所述减速齿轮组由小齿轮112和大齿轮307组成；所述增压筒1通过锥形螺纹、调整套a100装接有射流筒2，所述射流筒2通过密封板a200、锥形螺纹与沉降筒3装接，所述沉降筒3通过锥形螺纹、密封板b300装接有排渣筒4，所述排渣筒4通过锁紧板400、锥形螺纹装有导向头5；所述增压筒1内通过径向轴承102装有空心轴101，并通过径向轴承102、调整套b103和调整套c104装有涡轮组，所述涡轮组的涡轮定子105与增压筒1内壁装接，涡轮组的涡轮转子106与空心轴101装接；所述空心轴101左端面上安装有圆螺栓a107和垫片a108，空心轴101延伸至沉降筒3的一端开制有孔109，并通过键a110、轴套a111安装有减速齿轮组的小齿轮112；所述射流筒2上开制有射流孔201，所述沉降筒3上开制有水合物吸口310，沉降筒3内安装有支撑筒301，沉降筒3与支撑筒301间构成沉降区域302，所述支撑筒301内安装有蛟龙轴303，所述蛟龙轴303的左端面上通过挡泥板304、轴套b305和键b306安装有大齿轮307，所述小齿轮112与大齿轮307啮合连接，所述蛟龙轴303延伸至排渣筒4的限位轴肩401上通过锁紧套402和紧定螺钉403安装有滚动轴承404，所述排渣筒4上开制有排渣孔405。

进一步的，所述增压筒1通过入水口113的管螺纹连接钻杆，通过水合物出口114螺纹连接油管，作为输入海水和排出可燃冰颗粒的通道；增压筒1内部装有涡轮组，用于增大流入海水的压力；所述涡轮组由涡轮定子105与涡轮转子106组装而成，涡轮定子105与增压筒1相连接，涡轮转子106与空心轴101相连接，用于对空心轴101提供转速和增大流体压力；所述圆螺栓a107安装在增压筒1内，抵靠于增压筒1的内台阶，圆螺栓a107通过螺纹与空心轴101相连接，用于空心轴101及其轴上零件的轴向限位；所述垫片a108用于增大接触面积、减小局部压力；所述空心轴101安装在增压筒1内，用于对减速齿轮组提供转矩、支撑轴上零件并作为卸压流体与可燃冰颗粒的排出通道。

进一步的，所述射流筒2通过左端锥形螺纹与增压筒1连接，射流筒2通过右端锥形螺纹与沉降筒3连接，射流筒2上开制的射流孔201作为高压射流的出口；所述调整套a100安装于空心轴101上，用于减小该处空心轴101与射流筒2间的环空；所述密封板a200设置在射流筒2内，用于约束可燃冰颗粒与卸压流体的运输路径；所述减速齿轮组由小齿轮112和大齿轮307组成，用于传递力矩，小齿轮112与空心轴101通过键a110、轴套a111进行连接，大齿轮307与蛟龙轴303通过键b306、轴套b305进行连接，小齿轮112与大齿轮307啮合连接，使蛟龙轴303减速缓慢转动，进而使排渣筒4只能通过排渣孔405排出固态沉砂，不会排出卸压后的流体；所述轴套a111安装在空心轴101上，用于小齿轮112的轴向限位；所述挡泥板304设置在沉降筒3中，用于约束固态沉渣的运动路径和安放滚动轴承404；所述支撑筒301抵靠于挡泥板304，用于支撑蛟龙轴303；所述沉降筒3和支撑筒301之间的空间构成沉降区域302，作为沉降与排放固态沉渣的通道。

所述销钉6有多个，所述挡泥板304与沉降筒3之间、密封板b300与沉降筒3之间、锁紧板400与排渣筒4之间分别通过销钉6固定连接，销钉6用于挡泥板304、密封板b300、锁紧板400的周向限位。

进一步的，所述排渣筒4通过锥形螺纹与沉降筒3相连接，用于密封板b300的轴向限位，排渣筒4上开制有排渣孔405，通过排渣孔405排出固态沉砂至采空区进行回填；所述锁紧板400设置在排渣筒4内，抵靠于排渣筒4的内台阶，用于支撑筒301的轴向限位；所述滚动轴承404用于支承蛟龙轴303及其轴上零件；所述锁紧套402通过紧定螺钉403安装于锁紧板400上，用于滚动轴承404的轴向限位；所述限位轴肩401用于滚动轴承404的轴向限位。

所述O型密封圈7有多个，所述支撑筒301与沉降筒3之间、支撑筒301与排渣筒4之间分别通过销钉6固定连接，用于支撑筒301的周向限位；所述O型密封圈7用于密封增压筒1与密封板a200之间的间隙，及密封沉降筒3与密封板b300之间的间隙。

进一步的，所述沉降筒3与射流筒2通过锥形螺纹连接，用于沉降固态沉砂；所述密封板b300设置于沉降筒3内，用于约束、区分可燃冰颗粒、固态沉砂与卸压后流体的运动路径；所述蛟龙轴303与支撑筒301配合使用，用于搅动并输送固态沉砂；所述轴套b305安装在蛟龙轴303上，用于大齿轮307的轴向限位；所述圆螺栓b309通过螺纹与蛟龙轴303相连接，用于轴上零件的限位；所述垫片b308设置在圆螺栓b309与大齿轮307之间，用于增大两者间的接触面积，减小局部压力。

进一步的，所述导向头5通过锥形螺纹与排渣筒4相连接，用于本发明装置前进时的分流导向。

进一步的，所述孔109开制在空心轴101上，作为卸压流体携带可燃冰颗粒进入空心轴101的入口；所述径向轴承102安装有空心轴101，用于支承空心轴101及其轴上零件；所述调整套b103与调整套c104配合使用，用于径向轴承102的轴向限位；所述入水口113制作于增压筒1上，呈圆弧状，作为海水流入本发明装置的通道；所述水合物出口114制作于增压筒1上，水合物出口114处加工有内螺纹，与外部油管螺纹连接，作为固态可燃冰颗粒运出本发明装置的出口，并通过油管输送至水合物处理系统进行后续处理。

所述射流孔201开制于射流筒2上，在所述涡轮组对流入的海水进行增压后，增压后的海水流经该射流孔201，以高压射流作用于可燃冰层，击落可燃冰颗粒及固态沉砂；所述水合物吸口310制作于沉降筒3上，高压射流击落的可燃冰颗粒及固态沉砂经过该水合物吸口310掉入支撑筒301内，固态沉砂开始沉降；所述排渣孔405开制于排渣筒4上，当蛟龙轴303将沉降的固态沉砂输送至该排渣孔405时，由该排渣孔405掉落至采空区进行回填。

以上所述只是本发明的较佳实施例而已，上述举例说明不对本发明的实质内容作任何形式上的限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了本说明书后依据本发明的技术实质对以上具体实施方式所作的任何简单修改或变形，以及可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施例，均仍属于本发明技术方案的范围内，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (10)

1.一种深水可燃冰沉降防砂开采装置,包括增压筒（1）、射流筒（2）、沉降筒（3）、排渣筒（4）、导向头（5）、涡轮组和减速齿轮组，所述涡轮组由涡轮定子（105）和涡轮转子（106）组成，所述减速齿轮组由小齿轮（112）和大齿轮（307）组成；其特征在于：所述增压筒（1）通过锥形螺纹、调整套a（100）装接有射流筒（2），所述射流筒（2）通过密封板a（200）、锥形螺纹与沉降筒（3）装接，所述沉降筒（3）通过锥形螺纹、密封板b（300）装接有排渣筒（4），所述排渣筒（4）通过锁紧板（400）、锥形螺纹装有导向头（5）；所述增压筒（1）内通过径向轴承装有空心轴（101），并通过径向轴承（102）、调整套b（103）和调整套c（104）装有涡轮组，所述涡轮组的涡轮定子（105）与增压筒（1）内壁装接，涡轮组的涡轮转子（106）与空心轴（101）装接；所述空心轴（101）左端面上安装有圆螺栓a（107）和垫片a（108），空心轴（101）延伸至沉降筒（3）的一端开制有孔（109），并通过键a（110）、轴套a（111）安装有减速齿轮组的小齿轮（112）；所述射流筒（2）上开制有射流孔（201），所述沉降筒（3）上开制有水合物吸口（310），沉降筒（3）内安装有支撑筒（301），沉降筒（3）与支撑筒（301）间构成沉降区域（302），所述支撑筒（301）内安装有蛟龙轴（303），所述蛟龙轴（303）的左端面上通过挡泥板（304）、轴套b（305）和键b（306）安装有大齿轮（307），所述小齿轮（112）与大齿轮（307）啮合连接；所述蛟龙轴（303）延伸至排渣筒（4）的限位轴肩（401）上通过锁紧套（402）和紧定螺钉（403）安装有滚动轴承（404），所述排渣筒（4）上开制有排渣孔（405）。

2.根据权利要求1所述的一种深水可燃冰沉降防砂开采装置，其特征在于：所述的增压筒（1）制作有入水口（113）和水合物出口（114），增压筒（1）通过管螺纹连接钻杆，通过水合物出口（114）螺纹连接油管。

3.根据权利要求1所述的一种深水可燃冰沉降防砂开采装置，其特征在于：所述的空心轴（101）上安装的圆螺栓a（107）和垫片a（108），抵靠于增压筒（1）的内台阶，圆螺栓a（107）用于空心轴（101）及其轴上零件的轴向限位，垫片a（108）用于增大接触面积，减小局部压力。

4.根据权利要求1所述的一种深水可燃冰沉降防砂开采装置，其特征在于：所述的调整套a（100）用于减小空心轴（101）与射流筒（2）之间的环空；所述调整套b（103）和调整套c（104）配合使用，用于径向轴承（102）的轴向限位。

5.根据权利要求1所述的一种深水可燃冰沉降防砂开采装置，其特征在于：所述的减速齿轮组驱动蛟龙轴（303）缓慢运转，使排渣筒（4）通过排渣孔（405）只排出固态沉砂，不排出卸压后的流体。

6.根据权利要求1所述的一种深水可燃冰沉降防砂开采装置，其特征在于：所述的密封板b（300）上设置有O型密封圈（7），约束可燃冰颗粒和固态沉砂与卸压后流体的运动路径。

7.根据权利要求1所述的一种深水可燃冰沉降防砂开采装置，其特征在于：所述的挡泥板（304）设置于沉降筒（3）中，用于约束固态沉渣的运动路径和安放滚动轴承（404）。

8.根据权利要求1所述的一种深水可燃冰沉降防砂开采装置，其特征在于：所述的支撑筒（301）抵靠于挡泥板（304）安装，用于支撑蛟龙轴（303），并作为排放固态沉渣的通道。

9.根据权利要求1所述的一种深水可燃冰沉降防砂开采装置，其特征在于：所述的水合物吸口（310）开制于沉降筒（3）上，经射流孔（201）高压射流击落的可燃冰颗粒和固态沉砂通过水合物吸口（310）掉入支撑筒（301）内，固态沉砂开始沉降。

10.根据权利要求1所述的一种深水可燃冰沉降防砂开采装置，其特征在于：所述的排渣筒（4）上开制有排渣孔（405），当蛟龙轴（303）将沉降的固态沉砂输送至排渣筒（4）时，通过所述排渣孔（405）掉落至采空区进行回填。

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