CN114293968B - 一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂方法及装置，该装置整体为由上到下逐渐减小呈倒置塔状设计，包括：气泡分离部分（1）、气泡生成部分（2）和旋流分离部分（3），将固态流化开采后的水合物进行气水砂三相的分离。装置由气泡生成部分产生微小气泡进入气泡分离部分并携带水砂两相上浮。而气相由于自身密度较小，在气泡分离部分上浮后大部分排出装置。上浮后的水砂混合相及少量气相进入旋流分离部分，根据旋流分离技术实现气水砂三相的精细分离。本发明装置结合气浮技术和旋流分离技术将固态流化后的水合物多级分离，有效提升了对固态流化开采后水合物的除砂效果。

Description

一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂方法及装置

技术领域

本发明涉及石油天然气水合物除砂技术领域，尤其涉及一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂方法及装置。

背景技术

随着社会经济的发展，人类对于化石能源的需求量越来越大，能源紧缺形势日益严峻，能源安全问题日益突出。2020年我国原油进口5.4×10⁸t，对外依存度73%，天然气进口1.02×10⁸t，对外依存度43%。因此非常规油气资源的开发对我国经济和社会的发展具有重要意义。其中天然气水合物因其具备储量大、储气密度高、燃烧热值高、清洁高效等特点成为缓解能源压力的新道路。但是，截止目前天然气水合物的商业化开采成为世界各国所面临的巨大难题。其中，我国采用固态流化方法对天然气水合物进行试采，并取得成功。固态流化开采方法即将海底水合物藏由固态转换为流体状态进行开采，因此在开采过程中会将海底的砂及水合物藏本身含有的大量砂同时开采上来。因此对经固态流化开采后的水合物除砂成为一个亟待解决的问题。目前，华东理工大学汪华林等提出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（申请号：CN202110420308.1），针对双层管钻井的天然气水合物进行井下除砂。中国石油大学（华东）王志远等提出天然气水合物开采过程中除砂除水装置及方法（申请号：CN201710095551.4），通过数据监测和传输并采用注气方式达到除砂目的。但是这些研究均存在普遍适用性低，操作复杂，单一分离技术分离精度差等问题。截至目前，对于经固态流化开采后水合物、气、水、砂进行简单高效除砂的装置鲜有报道。因此本发明结合气浮原理和旋流分离原理，对固态流化开采后的水合物、气、水、砂进行多级高效分离。该装置可有效提高水合物固态流化开采中的除砂效率，且不受应用场景和施工条件限制，具有较好的普遍适用性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中缺少对于经固态流化开采后水合物、气、水、砂进行简单高效除砂的装置的问题，提供一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂方法及装置。

为实现上述目的，本发明提出一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂装置，所述新型气浮旋流式天然气水合物除砂装置整体为由上到下逐渐减小呈倒置塔状设计，包括：气泡分离部分、气泡生成部分和旋流分离部分，其中，所述气泡分离部分设置于气泡生成部分上方，所述气泡生成部分设置于旋流分离部分上方；气泡分离部分包括防逆流环形槽、气泡发生筒、气泡上吹筒和固液传输筒，水合物由流化水合物入口经防逆流环形槽后依次经过气泡发生筒、气泡上吹筒和固液传输筒实现初步的气相分离；气泡生成部分包括鼓泡机固定仓、气泡发生管和两个高压鼓泡机；旋流分离部分包括三相长颈旋流分离器。

更进一步的，所述装置顶端设置有流化水合物入口，固态流化后的水合物由流化水合物入口进入装置，流化水合物入口两侧分别设置有加水加药口和加压口，方便对水合物分离过程中进行加水、加药和加压操作；所述在流化水合物入口下方设置有防逆流环形槽，用于防止经固态流化后的水合物进入装置过程中溢出装置外；所述固液传输筒顶端设置有1号气相收集口及2号气相收集口，用于对初步分离的气相进行收集；固液传输筒底部设计有1号固液传输口和2号固液传输口，用于将初步分离后的水、砂混合介质传输到下一部分，同时还设置有底部卡台，以实现与气泡上吹筒的装配固定；所述流化水合物入口、1号气相收集口、2号气相收集口、加水加药口、加压口、1号固液传输口和2号固液传输口均采用法兰接口设计，所述固液传输筒底部设计有凹形固定卡槽。

更进一步的，所述气泡分离部分内部设置有入口密封盖和刮板固定架，同时还设置有通电线圈磁体甲、通电线圈磁体乙、通电线圈磁体丙、通电线圈磁体丁，以及通过甲一轴承和甲二轴承转动的六棱刮板甲，通过乙一轴承和乙二轴承转动的六棱刮板乙，通过丙一轴承和丙二轴承转动的六棱刮板丙以及通过丁一轴承和丁二轴承转动的六棱刮板丁；在固液传输筒顶板上设置有线圈固定孔甲、线圈固定孔乙、线圈固定孔丙、线圈固定孔丁，用于将通电线圈磁体甲、通电线圈磁体乙、通电线圈磁体丙、通电线圈磁体丁固定在固液传输筒上。

更进一步的，所述入口密封盖边缘内侧与气泡发生筒上边缘外侧均设置有螺纹，入口密封盖与气泡发生筒通过螺纹连接密封；防逆流环形槽轴心处设置有环形槽中心通孔，在环形槽中心通孔处设置有内卡台，防逆流环形槽外侧设置有外卡台，气泡发生筒轴心处的发生筒中心通孔外壁设置有内卡槽，内卡台与内卡槽固定，外卡台与气泡发生筒外壁上边缘配合，从而使防逆流环形槽固定在气泡发生筒入口端；气泡发生筒外壁上设置有外卡槽，气泡上吹筒腔内固定连接有环形固定架，外卡槽卡在环形固定架上。

更进一步的，所述气泡上吹筒外壁底部设置有底部卡槽，固液传输筒底端内侧设置有底部卡台；底部卡台嵌入底部卡槽内，用于将气泡上吹筒固定在固液传输筒上；固液传输筒顶板上设置有固定圆卡槽，刮板固定架设置有固定卡柱，固定卡柱插入固定圆卡槽内，将刮板固定架安装固定在固液传输筒顶板上，同时刮板固定架上设置有甲一轴承固定槽、甲二轴承固定槽、乙一轴承固定槽、乙二轴承固定槽、丙一轴承固定槽、丙二轴承固定槽、丁一轴承固定槽、丁二轴承固定槽。

更进一步的，所述气泡上吹筒底板上设置有多个上吹筒气泡孔，同时在气泡上吹筒底板外侧边缘设置有凹形固定卡槽；鼓泡机固定仓顶部边缘设置有凸形固定卡台，凸形固定卡台卡在凹形固定卡槽内将鼓泡机固定仓与气泡上吹筒固定；同时气泡发生管上连接有与上吹筒气泡孔数量相同的气泡运移短管；气泡运移短管插入上吹筒气泡孔内，起到运移气泡连接固定的作用；鼓泡机固定仓底板上设置1号鼓泡机固定槽和2号鼓泡机固定槽；同时在鼓泡机固定仓四周挡板上设置有多个仓室进气口，鼓泡机固定仓底板中心位置还设置有供三相长颈旋流分离器穿过的固定仓中心通孔。

更进一步的，在旋流分离部分内，1号直角混合相导流管和2号直角混合相导流管与气泡分离部分内固液传输筒下端的1号固液传输口和2号固液传输口通过法兰连接，在三相长颈旋流分离器腔室内设置有切向速度转换流道，底部液相出口处固定连接空心锥，同时在空心锥上设置有液相旋入口。

一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂方法，其包括如下步骤：

S1：由加水加药口和加压口施行加水、加药和加压操作使装置内的液面达到气泡上吹筒边缘，并通过加药方式使气泡发生筒内产生气泡，此时产生的大量气泡在压力作用下通过发生筒气泡孔横向进入气泡上吹筒内；

S2：外部电源进行供电，1号高压鼓泡机和2号高压鼓泡机开始运行，将大量空气吹入气泡发生管和气泡运移短管内，并通过上吹筒气泡孔在气泡上吹筒内产生大量向上运动的气泡；

S3：将水砂混合介质由流化水合物入口经防逆流环形槽进入气泡发生筒内，气泡携带砂由发生筒气泡孔横向进入气泡上吹筒内，同时气水两相也通过发生筒气泡孔进入气泡上吹筒内；

S4：通电线圈磁体甲、通电线圈磁体乙、通电线圈磁体丙、通电线圈磁体丁由外部电源供电产生吸引力和排斥力并作用于固定有条形永磁体的六棱刮板甲、六棱刮板乙、六棱刮板丙、六棱刮板丁使其转动，将漂浮于气泡上吹筒液面顶端边缘的砂相和部分水相刮入固液传输筒内，同时少量气相也被刮入固液传输筒内；

S5：固液传输筒内的大量水和砂及少量气体通过1号固液传输口和2号固液传输口传输至三相长颈旋流分离器内；

S6：混合介质进入三相长颈旋流分离器内部后，通过切向速度转换流道将混合介质的运动方向转变为切向，并使其在三相长颈旋流分离器腔内做圆周运动，气相向上移动通过切向速度转换流道中心处的中心气相通道由长颈气相出口排出；

S7：水相由液相旋入口进入空心锥内部，最终由底部液相出口排出装置进行收集；砂相分布在三相长颈旋流分离器边壁处并由侧向固相出口排出，实现对固态流化后天然气水合物中的除砂。

本发明的有益效果：

1、结合气浮技术和旋流分离技术，将固态流化后的水合物多级分离，改变了传统单一分离技术效率低、分离精度差等不足，有效提升了对固态流化开采后水合物的除砂效果；

2、该装置可有效提高水合物固态流化开采中的除砂效率，且不受应用场景和施工条件限制，具有较好的普遍适用性。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所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示出的结构获得其他的附图。

图1是一种新型气浮旋流式天然气水合物分离装置整体外观图；

图2是一种新型气浮旋流式天然气水合物出入口分布图；

图3是一种新型气浮旋流式天然气水合物分离装置整体剖视图；

图4是气泡分离部分1整体外观图；

图5是气泡分离部分1爆炸视图；

图6是气泡分离部分1剖面图；

图7是入口密封盖171防逆流环形槽106气泡发生筒107及气泡上吹筒108装配关系示意图；

图8是固液传输筒109局部剖视图；

图9是气泡上吹筒108与固液传输筒109装配关系剖视图；

图10是固液传输筒109与刮板固定架113剖视装配关系图；

图11是刮板固定架113整体外观图；

图12是六棱刮板甲118、六棱刮板乙119、六棱刮板丙120、六棱刮板丁121与刮板固定架113及各轴承装配关系图；

图13是六棱刮板外观图；

图14是通电线圈磁体甲114整体外观图；

图15是六棱刮板甲118、六棱刮板乙119、六棱刮板丙120、六棱刮板丁121与通电线圈磁体甲114、通电线圈磁体乙115、通电线圈磁体丙116、通电线圈磁体丁117位置关系图；

图16是鼓泡机固定仓201与气泡上吹筒108连接固定方式图；

图17是气泡生成部分2内部结构图；

图18是鼓泡机固定仓201内部结构图；

图19是气泡发生管202与1号C形导气管208和2号C形导气管209装配关系图；

图20是旋流分离部分3结构分布图；

图21是三相长颈旋流分离器301内部结构图；

图中：1-气泡分离部分，101-流化水合物入口，102-1号气相收集口，103-2号气相收集口，104-加水加药口，105-加压口，106-防逆流环形槽，107-气泡发生筒，108-气泡上吹筒，109-固液传输筒，110-1号固液传输口，111-2号固液传输口，112-凹型固定卡槽，113-刮板固定架，114-通电线圈磁体甲，115-通电线圈磁体乙，116-通电线圈磁体丙，117-通电线圈磁体丁，118-六棱刮板甲，119-六棱刮板乙，120-六棱刮板丙，121-六棱刮板丁，122-甲一轴承，123-甲二轴承，124-乙一轴承，125-乙二轴承，126-丙一轴承，127-丙二轴承，128-丁一轴承，129-丁二轴承，130-发生筒气泡孔，131-上吹筒气泡孔，132-内卡台，133-外卡台，134-内卡槽，135-外卡槽，136-环形固定架，137-底部卡槽，138-环形槽中心通孔，139-发生筒中心通孔，140-上吹筒中心通孔，141-底部卡台，142-固定卡台，143-固定圆卡槽，144-甲一轴承固定槽，145-甲二轴承固定槽，146-乙一轴承固定槽，147-乙二轴承固定槽，148-丙一轴承固定槽，149-丙二轴承固定槽，150-丁一轴承固定槽，151-丁二轴承固定槽，152-甲一刮板固定槽，153-甲二刮板固定槽，154-乙一刮板固定槽，155-乙二刮板固定槽，156-丙一刮板固定槽，157-丙二刮板固定槽，158-丁一刮板固定槽，159-丁二刮板固定槽，160-线圈固定孔甲，161-线圈固定孔乙，162-线圈固定孔丙，163-线圈固定孔丁，164-条形永磁体，165-刮板，166-正旋线圈，167-反旋线圈，168-上磁体，169-下磁体，170-供电导线，171-入口密封盖，2-气泡生成部分，201-鼓泡机固定仓，202-气泡发生管，203-1号高压鼓泡机，204-2号高压鼓泡机，205-气泡运移短管，206-凸形固定卡台，207-仓室进气口，208-1号C形导气管，209-2号C形导气管，210-固定仓中心通孔，211-1号鼓泡机固定槽，212-2号鼓泡机固定槽，213-1号进气口，214-2号进气口，3-旋流分离部分，301-三相长颈旋流分离器，302-长颈气相出口，303-侧向固相出口，304-底部液相出口，305-1号直角混合相导流管，306-2号直角混合相导流管，307-1号法兰变径，308-2号法兰变径，309-1号混合相入口，310-2号混合相入口，311-空心锥，312-液相旋入口，313-切向速度转换流道，314-中心气相通道。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案精选以下详细说明。显然，所描述的实施案例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，不能理解为对本发明可实施范围的限定。基于本发明的实施例，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其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂方法及装置整体外观如图1所示。一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂方法及装置外观整体由上到下逐渐减小呈倒置塔状。由图1所示，按照装置各部分功能作用将一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂方法及装置分为气泡分离部分1，气泡生成部分2和旋流分离部分3。

图2为一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂方法及装置出入口分布。由图2可知，在装置顶端设置有流化水合物入口101，固态流化后的水合物由流化水合物入口101进入装置。同时，设置有1号气相出口102和2号气相出口103，实现对装置初步分离后的气体进行收集。在流化水合物入口101两侧分别设置有加水加药口104和加压口105，方便对水合物分离过程中进行加水、加药和加压操作。

一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂方法及装置整体剖视图如图3所示。由图3可知，气泡分离部分1内部，在流化水合物入口101下方设置有防逆流环形槽106，可防止经固态流化后的水合物进入装置过程中溢出装置外。气泡分离部分1主要由气泡发生筒107、气泡上吹筒108和固液传输筒109三部分组成。水合物由流化水合物入口101经防逆流环形槽106后依次经过气泡发生筒107、气泡上吹筒108和固液传输筒109实现初步的气相分离。气泡生成部分2主要由鼓泡机固定仓201、气泡发生管202和两个高压鼓泡机（图3中为1号高压鼓泡机203）组成。旋流分离部分3主要由三相长颈旋流分离器301组成。

图4为气泡分离部分1整体外观图。气泡分离部分1外观大致为正方体，其外部为固液传输筒109。气泡分离部分1顶端设置有流化水合物入口101，在流化水合物入口101两侧分别设置有加水加药口104和加压口105，可实现混合介质在装置中初步分离过程中的加水、加药和加压操作。固液传输筒109顶端设置有1号气相收集口102、2号气相收集口103，方便对初步分离的气相进行收集。固液传输筒109底部设计有1号固液传输口110和2号固液传输口111，可将初步分离后的水、砂混合介质传输到下一部分。其中流化水合物入口101、1号气相收集口102、2号气相收集口103、加水加药口104、加压口105、1号固液传输口110和2号固液传输口111均采用法兰接口设计，方便装置在实际应用过程中与其他装置连接。同时在气泡上吹筒109底部设计有凹形固定卡槽112可与气泡生成部分2的相关部件固定连接。

气泡分离部分1爆炸视图如图5所示。由图5可知，气泡分离部分1内部结构有入口密封盖171、防逆流环形槽106、气泡发生筒107、气泡上吹筒108、固液传输筒109、刮板固定架113。同时还设置有通电线圈磁体甲114、通电线圈磁体乙115、通电线圈磁体丙116、通电线圈磁体丁117，以及通过甲一轴承122和甲二轴承123转动的六棱刮板甲118，通过乙一轴承124和乙二轴承125转动的六棱刮板乙119，通过丙一轴承126和丙二轴承127转动的六棱刮板丙120以及通过丁一轴承128和丁二轴承129转动的六棱刮板丁121。

图6为气泡分离部分1剖面图。天然气水合物经开采后通过固态流化的方式将水合物由固体形式转化为气水砂三相混合的流体状态。一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂方法及装置处于工作状态时，首先由加水加药口104和加压口105施行加水、加药和加压操作使装置内的液面达到气泡上吹筒108边缘，并通过加入药品使气泡发生筒107内产生气泡，加压促使气泡由发生筒气泡孔130进入气泡上吹筒108内。气水砂混合介质由流化水合物入口101经防逆流环形槽106进入气泡发生筒107内，气泡发生筒107内产生的气泡携带砂相由发生筒气泡孔130进入气泡上吹筒108内，同时气水两相也通过发生筒气泡孔130进入气泡上吹筒108内。气泡上吹筒108底部设置有上吹筒气泡孔131，并由气泡生成部分2生成气泡通过上吹筒气泡孔131进入气泡上吹筒108内，从而加大气泡上吹筒108内的气泡量，进而携带砂向上漂浮，由于气体本身不溶于水，气体会自动向上运动。当气体向上漂浮到气泡上吹筒108边缘时，由于气体密度较小继续向上移动并由1号气相收集口102和2号气相收集口103排出装置进行收集。而少部分气体和大量水、砂两相由六棱刮板甲118、六棱刮板乙119、六棱刮板丙120、六棱刮板丁121刮入固液传输筒109内，然后经1号固液传输口110和2号固液传输口111进入旋流分离部分3。其中六棱刮板甲118、六棱刮板乙119、六棱刮板丙120、六棱刮板丁121分别由通电线圈磁体甲114、通电线圈乙115、通电线圈磁体丙116、通电线圈丁117驱动转动。六棱刮板甲118、六棱刮板乙119、六棱刮板丙120、六棱刮板丁121在每个刮板间固定有永磁体，通电线圈磁体甲114、通电线圈乙115、通电线圈磁体丙116、通电线圈丁117由外部电源供电后产生与永磁体相反的磁性，从而驱动六棱刮板甲118、六棱刮板乙119、六棱刮板丙120、六棱刮板丁121转动，并将气水砂混合介质刮入固液传输筒109内。

入口密封盖171、防逆流环形槽106、气泡发生筒107及气泡上吹筒108装配关系示意如图7所示。入口密封盖171边缘内侧与气泡发生筒上边缘外侧均设置有螺纹，两结构通过螺纹连接密封。防逆流环形槽106轴心处设置有环形槽中心通孔138，在环形槽中心通孔138处设置有环形凸台即内卡台132，防逆流环形槽106外侧设置有环形凸台即外卡台133。同样，气泡发生筒107轴心处的发生筒中心通孔139外壁设置有内卡槽134。内卡台132与内卡槽134固定，外卡台133与气泡发生筒107外壁上边缘配合，从而使防逆流环形槽106固定在气泡发生筒107入口端。同时气泡发生筒107外壁上设置有外卡槽135，气泡上吹筒108腔内固定连接有环形固定架136。外卡槽135卡在环形固定架136上，从而将气泡发生筒107固定在气泡上吹筒108腔室内轴向中心处。

固液传输筒109局部剖视如图8所示。由图8可知，固液传输筒109顶端设置有1号气相收集口102和2号气相收集口103，在底部设置有1号固液传输口110和2号固液传输口111。同时还设置有底部卡台141，以实现与气泡上吹筒108的装配固定。为了将通电线圈磁体甲114、通电线圈磁体乙115、通电线圈磁体丙116、通电线圈磁体丁117固定在固液传输筒109上，在固液传输筒109顶板上设置有线圈固定孔甲160、线圈固定孔乙161、线圈固定孔丙162、线圈固定孔丁163。

图9为气泡上吹筒108与固液传输筒109装配关系剖视图。气泡上吹筒108外壁底部设置有底部卡槽137，固液传输筒109底端内侧设置有底部卡台141。底部卡台141嵌入底部卡槽137内，进而实现将气泡上吹筒108固定在固液传输筒109上。

固液传输筒109与刮板固定架113剖视装配关系如图10所示。由图10可知，在固液传输筒109顶板上设置有固定圆卡槽143，刮板固定架113设置有固定卡柱142。固定卡柱142插入固定圆卡槽143内，将刮板固定架113安装固定在固液传输筒109顶板上。

刮板固定架113整体外观如图11所示。刮板固定架113四个角连接处设置有固定卡柱142，可将刮板固定架113固定在固液传输筒109顶板上。同时刮板固定架113上设置有甲一轴承固定槽144、甲二轴承固定槽145、乙一轴承固定槽146、乙二轴承固定槽147、丙一轴承固定槽148、丙二轴承固定槽149、丁一轴承固定槽150、丁二轴承固定槽151，分别用于固定甲一轴承122、甲二轴承123、乙一轴承124、乙二轴承125、丙一轴承126、丙二轴承127、丁一轴承128、丁二轴承129。

六棱刮板甲118、六棱刮板乙119、六棱刮板丙120、六棱刮板丁121与刮板固定架113及各轴承装配关系如图12所示。在图12中以六棱刮板甲118与刮板固定架113及甲一轴承122和甲二轴承123装配关系为例。由上图10可知，刮板固定架113上设置有甲一轴承固定槽144和甲二轴承固定槽145，从而使甲一轴承122和甲二轴承123固定在刮板固定架113上。同时六棱刮板甲118内壁上设置有甲一刮板轴承固定槽152和甲二刮板轴承固定槽153，使六棱刮板甲118固定在甲一轴承122和甲二轴承123上，并可随其转动。同理，六棱刮板乙119内壁设置有乙一刮板轴承固定槽154和乙二刮板轴承固定槽155，六棱刮板丙120内壁设置有丙一刮板轴承固定槽156和丙二刮板轴承固定槽157，六棱刮板丁121内壁设置有丁一刮板轴承固定槽158和丁二刮板轴承固定槽159。由于各六棱刮板装配固定原理相同，在此不再一一赘述。

六棱刮板外观如图13所示。由于六棱刮板甲118、六棱刮板乙119、六棱刮板丙120、六棱刮板丁121物理结构及工作原理相同，在图13中以六棱刮板甲118为例进行描述。六棱刮板甲118表面设置有6条刮板165，可将水、砂混合介质刮入固液传输筒109内。同时在每量条刮板之间固定有条形永磁体164，可与通电线圈磁体甲114相互作用使六棱刮板甲118转动。

图14为通电线圈磁体甲114整体外观图。由于通电线圈磁体甲114、通电线圈磁体115、通电线圈磁体116、通电线圈磁体117物理结构及工作原理相同，在图14中以通电线圈磁体甲114为例进行描述。通电线圈磁体甲114横向两个圆柱体分别为上磁体168和下磁体169，在上磁体168和下磁体169上分别缠绕有正旋线圈166和反旋线圈167。当外部电源通过供电导线170为通电线圈磁体甲114通电时，上磁体168和下磁体169产生相反的磁性，并作用于六棱刮板甲118上的条形永磁体164，在吸引力和排斥力的共同作用下促使六棱刮板甲118转动。

六棱刮板甲118、六棱刮板乙119、六棱刮板丙120、六棱刮板丁121与通电线圈磁体甲114、通电线圈磁体乙115、通电线圈磁体丙116、通电线圈磁体丁117位置关系如图15所示。当装置处于工作状态时，由外部电源为通电线圈磁体甲114、通电线圈磁体乙115、通电线圈磁体丙116、通电线圈磁体丁117通电，使其产生相反的磁力，并作用于六棱刮板甲118、六棱刮板乙119、六棱刮板丙120、六棱刮板丁121，使其在吸引力和排斥力的作用下发生转动，将水、砂混合相刮入固液传输筒109内。

鼓泡机固定仓201与气泡上吹筒108连接固定方式如图16。如图16所示，气泡上吹筒108底板上设置有多个上吹筒气泡孔131，同时在气泡上吹筒108底板外侧边缘设置有凹形固定卡槽112。鼓泡机固定仓201顶部边缘设置有凸形固定卡台206，凸形固定卡台206卡在凹形固定卡槽112内将鼓泡机固定仓201与气泡上吹筒108固定。同时气泡发生管202上连接有与上吹筒气泡孔131数量相同的气泡运移短管205。气泡运移短管205插入上吹筒气泡孔131内，可同时起到运移气泡连接固定的作用。

图17为气泡生成部分2内部结构图。当一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂方法及装置处于工作状态时，1号高压鼓泡机203和2号高压鼓泡机204由外部电源供电运行，将外部空气经鼓泡机固定仓201仓壁上的多个仓室进气口207吸入，然后将空气分别经过1号C形导气管208和2号C形导气管209导入气泡发生管202内，最后气泡经过多个气泡运移短管205进入气泡上吹筒108内并携带水、砂混合介质上浮进行初步分离。

图18为鼓泡机固定仓201内部结构图。鼓泡机固定仓201底板上设置1号鼓泡机固定槽211和2号鼓泡机固定槽212，可通过焊接方式分别将1号高压鼓泡机203和2号高压鼓泡机204稳定固定在鼓泡机固定仓201内。同时在鼓泡机固定仓201四周挡板上设置有多个仓室进气口207，可为装置工作时保证充足的气体供应。鼓泡机固定仓201底板中心位置还保留有固定仓中心通孔210，可使三相长颈旋流分离器301穿过。

气泡发生管202与1号C形导气管208和2号C形导气管209装配关系如图19所示。气体由1号高压鼓泡机203和2号高压鼓泡机204泵入1号C形导气管208和2号C形导气管209后经1号进气口213和2号进气口214进入气泡发生管202，最后由多个气泡运移短管205将气泡排出至气泡上吹筒，并携带混合介质上浮。其中1号C形导气管208、2号C形导气管209、1号进气口213和2号进气口214接口处均采用法兰设计，以保证密封性及适用性。

旋流分离部分3结构分布如图20所示。水、砂混合介质及少量气体在气泡生成部分2生成的气泡以及气泡发生筒107生成的气泡携带下经过固液传输筒109并由1号固液传输口110和2号固液传输口111进入旋流分离部分3。

在旋流分离部分3内，1号直角混合相导流管305和2号直角混合相导流管306与气泡分离部分1内固液传输筒109下端的1号固液传输口110和2号固液传输口111通过法兰连接。水、砂混合介质携带少量气体通过1号直角混合相导流管305和2号直角混合相导流管306经过1号法兰变径307和2号法兰变径308由1号混合相入口309和2号混合相入口310进入三相长颈旋流分离器301内进行分离。根据旋流分离原理，由于固液气三相介质之间存在密度差，在三相长颈旋流分离器301内会产生离心力差。最终气体由长颈气相出口302排出收集，水相由底部液相出口304排出装置，砂相由侧向固相出口303排出装置。

三相长颈旋流分离器301内部结构如图21所示。在三相长颈旋流分离器301腔室内设置有切向速度转换流道313，底部液相出口304处固定连接空心锥311，同时在空心锥311上设置有液相旋入口312。气水砂三相混合介质进入三相长颈旋流分离器301后，经过切向速度转换流道313将混合介质的轴向速度转化为切向速度，进而使混合介质在三相长颈旋流分离器301腔室内做圆周运动。由于气相密度最小，在圆周运动中产生的离心力最小，因此气相分布在三相长颈旋流分离器301腔室轴心处，且由于腔室内设置有空心锥311使气相无法向下移动，最终则气相向上移动通过切向速度转换流道313中心处的中心气相通道314由长颈气相出口302排出。砂和水的密度大于气体，其中砂的密度大于水，因此砂分布在三相长颈旋流分离器301腔室边壁处，水相则分布在气相和砂相中间位置。水，砂两相向下旋转移动，最终水相由液相旋入口312进入空心锥311内部，最终由底部液相出口304排出装置。砂相密度较大，则分布在三相长颈旋流分离器301边壁处并由侧向固相出口排出。最终实现对固态流化后天然气水合物中除砂。

一种新型天然气水合物除砂方法及装置除砂步骤：天然气水合物经固态流化方式开采后转化为气水砂三相混合状态。当本发明专利处于工作状态时，首先由加水加药口104和加压口105施行加水、加药和加压操作使装置内的液面达到气泡上吹筒108边缘，并通过加药方式使气泡发生筒107内产生气泡，此时产生的大量气泡在压力作用下通过发生筒气泡孔130横向进入气泡上吹筒108内。然后由外部电源进行供电，1号高压鼓泡机203和2号高压鼓泡机204开始运行，将大量空气吹入气泡发生管202和气泡运移短管205内，并通过上吹筒气泡孔131在气泡上吹筒108内产生大量向上运动的气泡。

将气水砂混合介质由流化水合物入口101经防逆流环形槽106进入气泡发生筒107内，气泡携带砂由发生筒气泡孔130横向进入气泡上吹筒108内，同时气水两相也通过发生筒气泡孔130进入气泡上吹筒108内。其中由于气相不溶于水且密度较小，则在气泡上吹筒108内向上移动最终由装置顶部的1号气相收集口102和2号气相收集口103排出装置进行收集，而砂相进入气泡上吹筒108后，在向上运动气泡的携带下到达气泡上吹筒108液面顶端边缘。

此时，缠绕有正旋线圈166和反旋线圈167的通电线圈磁体甲114、通电线圈磁体乙115、通电线圈磁体丙116、通电线圈磁体丁117由外部电源供电产生吸引力和排斥力并作用于固定有条形永磁体164的六棱刮板甲118、六棱刮板乙119、六棱刮板丙120、六棱刮板丁121使其转动，将漂浮于气泡上吹筒108液面顶端边缘的砂相和部分水相刮入固液传输筒109内，同时少量气相也被刮入固液传输筒109内。

固液传输筒109内的大量水和砂及少量气体通过1号固液传输口110和2号固液传输口111传输至三相长颈旋流分离器301内。混合介质在传输过程中大量势能转化为动能，因此混合介质进入三相长颈旋流分离器301内部后，通过切向速度转换流道313将混合介质的运动方向转变为切向，并使其在三相长颈旋流分离器301腔内做圆周运动。由于气相密度最小，在圆周运动中产生的离心力最小，因此气相分布在三相长颈旋流分离器301腔室轴心处，且由于腔室内设置有空心锥311使气相无法向下移动，最终气相向上移动通过切向速度转换流道313中心处的中心气相通道314由长颈气相出口302排出。砂和水的密度大于气体，其中砂的密度大于水，因此砂在圆周运动中产生的离心力最大，其分布在三相长颈旋流分离器301腔室边壁处。水相在圆周运动中产生的离心力小于砂大于气，因此分布在气相和砂相中间位置。水，砂两相向下旋转移动，最终水相由液相旋入口312进入空心锥311内部，最终由底部液相出口304排出装置进行收集。砂相密度较大，则分布在三相长颈旋流分离器301边壁处并由侧向固相出口排出。最终实现对固态流化后天然气水合物中除砂。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂装置，其特征在于，所述新型气浮旋流式天然气水合物除砂装置整体为由上到下逐渐减小呈倒置塔状，包括：气泡分离部分（1）、气泡生成部分（2）和旋流分离部分（3），其中，所述气泡分离部分（1）设置于气泡生成部分（2）上方，所述气泡生成部分（2）设置于旋流分离部分（3）上方；气泡分离部分（1）包括防逆流环形槽（106）、气泡发生筒（107）、气泡上吹筒（108）和固液传输筒（109），水合物由流化水合物入口（101）经防逆流环形槽（106）后依次经过气泡发生筒（107）、气泡上吹筒（108）和固液传输筒（109）实现初步的气相分离；气泡生成部分（2）包括鼓泡机固定仓（201）、气泡发生管（202）和两个高压鼓泡机；旋流分离部分（3）包括三相长颈旋流分离器（301）；所述气泡分离部分（1）内部设置有入口密封盖（171）和刮板固定架（113），同时还设置有通电线圈磁体甲（114）、通电线圈磁体乙（115）、通电线圈磁体丙（116）、通电线圈磁体丁（117），以及通过甲一轴承（122）和甲二轴承（123）转动的六棱刮板甲（118），通过乙一轴承（124）和乙二轴承（125）转动的六棱刮板乙（119），通过丙一轴承（126）和丙二轴承（127）转动的六棱刮板丙（120）以及通过丁一轴承（128）和丁二轴承（129）转动的六棱刮板丁（121）；在固液传输筒（109）顶板上设置有线圈固定孔甲（160）、线圈固定孔乙（161）、线圈固定孔丙（162）、线圈固定孔丁（163），用于将通电线圈磁体甲（114）、通电线圈磁体乙（115）、通电线圈磁体丙（116）、通电线圈磁体丁（117）固定在固液传输筒（109）上。

2.如权利要求1所述的一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂装置，其特征在于，所述装置顶端设置有流化水合物入口（101），固态流化后的水合物由流化水合物入口（101）进入装置，流化水合物入口（101）两侧分别设置有加水加药口（104）和加压口（105），方便对水合物分离过程中进行加水、加药和加压操作；在所述流化水合物入口（101）下方设置有防逆流环形槽（106），用于防止经固态流化后的水合物进入装置过程中溢出装置外；所述固液传输筒（109）顶端设置有1号气相收集口（102）及2号气相收集口（103），用于对初步分离的气相进行收集；固液传输筒（109）底部有1号固液传输口（110）和2号固液传输口（111），用于将初步分离后的水、砂混合介质传输到下一部分，同时还设置有底部卡台（141），以实现与气泡上吹筒（108）的装配固定；所述流化水合物入口（101）、1号气相收集口（102）、2号气相收集口（103）、加水加药口（104）、加压口（105）、1号固液传输口（110）和2号固液传输口（111）均采用法兰接口设计，所述固液传输筒（109）底部设计有凹形固定卡槽（112）。

3.如权利要求1所述的一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂装置，其特征在于，所述入口密封盖（171）边缘内侧与气泡发生筒（107）上边缘外侧均设置有螺纹，入口密封盖（171）与气泡发生筒（107）通过螺纹连接密封；防逆流环形槽（106）轴心处设置有环形槽中心通孔（138），在环形槽中心通孔（138）处设置有内卡台（132），防逆流环形槽（106）外侧设置有外卡台（133），气泡发生筒（107）轴心处的发生筒中心通孔（139）外壁设置有内卡槽（134），内卡台（132）与内卡槽（134）固定，外卡台（133）与气泡发生筒（107）外壁上边缘配合，从而使防逆流环形槽（106）固定在气泡发生筒（107）入口端；气泡发生筒（107）外壁上设置有外卡槽（135），气泡上吹筒（108）腔内固定连接有环形固定架（136），外卡槽（135）卡在环形固定架（136）上。

4.如权利要求3所述的一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂装置，其特征在于，所述气泡上吹筒（108）外壁底部设置有底部卡槽（137），固液传输筒（109）底端内侧设置有底部卡台（141）；底部卡台（141）嵌入底部卡槽（137）内，用于将气泡上吹筒（108）固定在固液传输筒（109）上；固液传输筒（109）顶板上设置有固定圆卡槽（143），刮板固定架（113）设置有固定卡柱（142），固定卡柱（142）插入固定圆卡槽（143）内，将刮板固定架（113）安装固定在固液传输筒（109）顶板上，同时刮板固定架（113）上设置有甲一轴承固定槽（144）、甲二轴承固定槽（145）、乙一轴承固定槽（146）、乙二轴承固定槽（147）、丙一轴承固定槽（148）、丙二轴承固定槽（149）、丁一轴承固定槽（150）、丁二轴承固定槽（151）。

5.如权利要求1所述的一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂装置，其特征在于，所述气泡上吹筒（108）底板上设置有多个上吹筒气泡孔（131），同时在气泡上吹筒（108）底板外侧边缘设置有凹形固定卡槽（112）；鼓泡机固定仓（201）顶部边缘设置有凸形固定卡台（206），凸形固定卡台（206）卡在凹形固定卡槽（112）内将鼓泡机固定仓（201）与气泡上吹筒（108）固定；同时气泡发生管（202）上连接有与上吹筒气泡孔（131）数量相同的气泡运移短管（205）；气泡运移短管（205）插入上吹筒气泡孔（131）内，起到运移气泡连接固定的作用；鼓泡机固定仓（201）底板上设置1号鼓泡机固定槽（211）和2号鼓泡机固定槽（212）；同时在鼓泡机固定仓（201）四周挡板上设置有多个仓室进气口（207），鼓泡机固定仓（201）底板中心位置还设置有供三相长颈旋流分离器（301）穿过的固定仓中心通孔（210）。

6.如权利要求1所述的一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂装置，其特征在于，在旋流分离部分（3）内，1号直角混合相导流管（305）和2号直角混合相导流管（306）与气泡分离部分（1）内固液传输筒（109）下端的1号固液传输口（110）和2号固液传输口（111）通过法兰连接，在三相长颈旋流分离器（301）腔室内设置有切向速度转换流道（313），底部液相出口（304）处固定连接空心锥（311），同时在空心锥（311）上设置有液相旋入口（312）。

7.如权利要求1-6任意一项所述的一种新型气浮旋流式天然气水合物除砂装置的除砂方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：由加水加药口（104）和加压口（105）施行加水、加药和加压操作使装置内的液面达到气泡上吹筒（108）边缘，并通过加药方式使气泡发生筒（107）内产生气泡，此时产生的大量气泡在压力作用下通过发生筒气泡孔（130）横向进入气泡上吹筒（108）内；

S2：外部电源进行供电，1号高压鼓泡机（203）和2号高压鼓泡机（204）开始运行，将大量空气吹入气泡发生管（202）和气泡运移短管（205）内，并通过上吹筒气泡孔（131）在气泡上吹筒（108）内产生大量向上运动的气泡；

S3：将水砂混合介质由流化水合物入口（101）经防逆流环形槽（106）进入气泡发生筒（107）内，气泡携带砂由发生筒气泡孔（130）横向进入气泡上吹筒(108)内，同时气水两相也通过发生筒气泡孔(130)进入气泡上吹筒(108)内；

S4：通电线圈磁体甲（114）、通电线圈磁体乙（115）、通电线圈磁体丙（116）、通电线圈磁体丁（117）由外部电源供电产生吸引力和排斥力并作用于固定有条形永磁体（164）的六棱刮板甲（118）、六棱刮板乙（119）、六棱刮板丙（120）、六棱刮板丁（121）使其转动，将漂浮于气泡上吹筒（108）液面顶端边缘的砂相和部分水相刮入固液传输筒（109）内，同时少量气相也被刮入固液传输筒（109）内；

S5：固液传输筒（109）内的大量水和砂及少量气体通过1号固液传输口（110）和2号固液传输口（111）传输至三相长颈旋流分离器（301）内；

S6：混合介质进入三相长颈旋流分离器（301）内部后，通过切向速度转换流道（313）将混合介质的运动方向转变为切向，并使其在三相长颈旋流分离器（301）腔内做圆周运动，气相向上移动通过切向速度转换流道（313）中心处的中心气相通道（314）由长颈气相出口（302）排出；

S7：水相由液相旋入口（312）进入空心锥（311）内部，最终由底部液相出口（304）排出装置进行收集；砂相分布在三相长颈旋流分离器（301）边壁处并由侧向固相出口排出，实现对固态流化后天然气水合物中的除砂。

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