CN114687710B - 一种水下热分解高效分离除砂回填装置 - Google Patents

一种水下热分解高效分离除砂回填装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下热分解高效分离除砂回填装置，由沉降排砂仓、水力旋流分离器组以及水合物气化分解室组成。沉降排砂仓设置排砂板阀，沉降排砂仓的上方为水力旋流分离器组；旋流分离器组安装在沉降排砂仓上方，主要由多个周相排列的旋流分离器组成，旋流分离器组中间为水合物上升管；水合物气化分解室安装在水力旋流分离器组上方，其内部设置有水合物热分解装置。本发明可实现天然气水合物混合浆液的加热分解、高效分离与净化，设置在天然气水合物开采海水段管柱中段位置，分离后的无污染泥砂直接排海回填。该发明具有临井天然气水合物浆液批量化集中处理能力，可有效提高天然气水合物采收效率，并减少整体开采成本，降低整体作业风险。

Description

一种水下热分解高效分离除砂回填装置
技术领域
本发明涉及天然气水合物开发领域，具体涉及一种水下热分解高效分离除砂回填装置。
背景技术
天然气水合物是由气体和水在低温高压下形成的固体冰状物质，主要存在于海洋沉积物和陆地多年冻土带中，是一种高密度、高热值的非常规清洁可替代能源，与其他化石能源相比，天然气水合物产生的甲烷(CH4)是一种碳排放相对较低的燃料。在深水海底，天然气水合物主要的存在形式有砂岩型，砂岩裂隙型、细粒裂隙型和分散型，其中细粒裂隙型和分散型天然气水合物占绝大多数。而我国南海神狐海域水合物层76.5％以上是非成岩结构，其具有埋深浅、弱胶结、不稳定、无致密盖层、含砂量高，且粉砂主要是微米级极细-细粒粉砂与中粗粒粉砂，具有粒径跨尺度、微米级极细等特点。据估计要实现天然气水合物的经济效益与商业化开采，日生产量需要大于50万方/天。天然气水合物固态流化开采法是将地层粉碎成固体颗粒,以类似泥浆的形式输送到海洋平台,再进行分解采气。
目前在天然气水合物的开采过程中，其分离泥砂的方法有两种:一种分离方法是在开采过程中进行天然气水合物中泥砂的原位分离；另外一种方法是将海水、泥砂以及天然气水合物等混合流体泵送到海平面以上，如海上平台或者钻井船在进行分离。目前水合物开采方法存在的问题如下：
(1)现有天然气水合物分离方法由于分离器尺寸的限制，造成分离效果不佳分离精度低，难以分离微米级极细粉砂，无法实现水合物混合浆液的高效分离与净化分解；
(2)将水合物与泥砂等混合的流体举升到海平面以上的海上平台或者钻井船进行分离，所需耗能大；
(3)现有的水合物海底分离装置无法实现临井天然气水合物浆液的批量化集中处理，无法实现水合物大流量的分离；
(4)目前的水合物分离方法存在水合物储层腔体垮塌、掩埋分离装置等作业风险。
综上所述，亟需一种天然气水合物分离装置，以解决现有技术中出现的问题，减少整体作业成本以早日实现天然气水合物的商业化开采。
发明内容
本发明为解决海底原位分离和水合物举升过程中能耗大的问题，提出一种水下热分解高效分离除砂回填装置，该装置可实现天然气水合物采收过程中的微米级极细-细粒粉砂与中粗粒粉砂等有效分离，减少整体作业成本。由于分离装置位于海水中上层，受洋流的影响，分离出的泥砂并不会堆积到水合物采收区，不影响水合物的继续采收。并且由于排出的泥砂无污染，可以直接排海。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种水下热分解高效分离除砂回填装置位于海洋中部，上下连接钻杆或管线，由沉降排砂仓、水力旋流分离器组以及水合物气化分解室组成,所述沉降排砂仓的上方为水力旋流分离器组，水力旋流分离器组安装在沉降排砂仓上方，水合物气化分解室安装在水力旋流分离器组上方；所述沉降排砂仓由沉降排砂仓外壳、排砂板阀、板阀弹簧组成，沉降排砂仓下端有集中输送装置，混合物输送管从沉降排砂仓中间穿过，混合物输送管下方连接浆液集输装置，连通管分别连接沉降排砂仓与水合物气化分解室，连通管内设置有止回阀；所述水力旋流分离器组位于水下热分解高效分离除砂回填装置的中部，水力旋流分离器组由水力旋流器、承重隔板、溢流口法兰接头、旋转式分砂管、水合物汇流管以及水力旋流分离器组外壳组成；所述水合物气化分解室位于水下热分解高效分离除砂回填装置的上端，水合物气化分解室由水合物回收通道、挡流板、螺旋加热管、热流体回收出口接头、注热入口接头以及分解室承压外壳组成。
所述沉降排砂仓外壳上端为平扣螺纹Ⅰ下端为公扣螺纹，混合物输送管从沉降排砂仓外壳中间穿过，所述沉降排砂仓外壳底部设置有排砂板阀。
所述水力旋流分离器组内部的水力旋流器周向分布在承重隔板上，水力旋流器下部接入沉降排砂仓。
所述水合物气化分解室内部安装有螺旋加热管，热流体回收出口接头、注热入口接头分别连接在螺旋加热管的管道两端，挡流板安装在水合物回收通道内，分解室承压外壳下端安装连通管，连通管上端设置有止回阀，连通管下端接沉降排砂仓外壳，注热入口接头注入高温海水或水蒸气到螺旋加热管中，从而加热分解水合物，气化分解后的甲烷从分解室承压外壳上端返出，泥砂与海水等杂质通过连通管排入沉降排砂仓外壳。
所述水力旋流器下部设置下锥面和固定台阶Ⅰ，水力旋流器中部设置固定台阶Ⅱ，水力旋流器入口设置有法兰连接转化接头和流体入口，水力旋流器设置可拆卸溢流口，水力旋流器下锥面焊接在沉降排砂仓外壳上，固定台阶Ⅱ安装在承重隔板上，旋转式分砂管与水力旋流器的流体入口相连。
所述旋转式分砂管和混合物输送管焊接在一起，旋转式分砂管采用多个集输法兰，旋转式分砂管螺旋安装分流管，旋转式分砂管内有环形内管，所述混合物输送管下端为水合物输送管下接头，可拆卸溢流口与水合物输送管下接头连接。
所述浆液集输装置由下部接头、集输接头Ⅰ、集输接头Ⅱ、集输拓展接头Ⅰ、集输拓展接头Ⅱ、集输拓展接头Ⅲ以及浆液集输装置法兰组成，浆液集输装置法兰。
综上所述，有益效果:
(1)本发明装置设置在海洋中部，不受分离器的尺寸限制，因而可采用多级并联旋流分离方法提高分离效率，采用大尺寸的旋流分离器，分离精度高，分离的颗粒范围较广，可实现天然气水合物采收过程中的微米级极细-细粒粉砂与中粗粒粉砂等有效分离；
(2)采收的水合物混合浆体无需将水合物与泥砂等混合的流体举升到海平面以上的海上平台或者钻井平台，并利用热分解原理使天然气水合物分解成为甲烷，海水和泥砂直接排海，避免了泵送水合物混合浆体造成的巨大能量消耗；
(3)多级并联分离的方式或与热分解设备配合应用，可实现临井天然气水合物浆液的批量化集中处理和水合物大流量的分离，提高采收效率，降低了开采成本；
(4)分离装置设置在海水中层，分离后的无污染泥砂直接利用海洋的洋流排海回填，降低整体作业风险。
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是本发明在天然气水合物开采分离作业图；
图2是本发明的整体结构图；
图3是本发明水力旋流器三维示意图；
图4是本发明旋转式分砂管和混合物输送管示意图；
图5是本发明螺旋加热管三维示意图；
图6是本发明浆液集输装置三维示意图。
1、沉降排砂仓外壳；2、排砂板阀；3、板阀弹簧；4、水力旋流器；5、承重隔板；6、溢流口法兰接头；7、旋转式分砂管；8、水合物汇流管；9、水合物回收通道；10、挡流板；11、螺旋加热管；12、热流体回收出口接头；13、注热入口接头；14、分解室承压外壳；15、止回阀；16、连通管；17、水力旋流分离器组外壳；18、混合物输送管；19、浆液集输装置；401、下锥面；402、固定台阶Ⅰ；403、固定台阶Ⅱ；404、流体入口；405、法兰连接转化接头；406、可拆卸溢流口；701、集输法兰；702、分流管；703、环形内管；1801、水合物输送管下接头；1901、下部接头；1902、集输接头Ⅰ；1903、集输拓展接头Ⅰ；1904、集输拓展接头Ⅱ；1905、集输接头Ⅱ；1906、集输拓展接头Ⅲ；1907、浆液集输装置法兰。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围包括但不局限于以下描述：
参见图1至图6所示，一种水下热分解高效分离除砂回填装置位于海洋中部，上下连接钻杆或管线，该装置由沉降排砂仓、水力旋流分离器组以及水合物气化分解室组成,所述沉降排砂仓的上方为水力旋流分离器组，水力旋流分离器组安装在沉降排砂仓上方，水合物气化分解室安装在水力旋流分离器组上方；所述沉降排砂仓由沉降排砂仓外壳1、排砂板阀2、板阀弹簧3组成，沉降排砂仓下端有集中输送装置，混合物输送管18从沉降排砂仓中间穿过，混合物输送管18下方连接浆液集输装置19，连通管16分别连接沉降排砂仓与水合物气化分解室，连通管16内设置有止回阀15；所述水力旋流分离器组位于水下热分解高效分离除砂回填装置的中部，水力旋流分离器组由水力旋流器4、承重隔板5、溢流口法兰接头6、旋转式分砂管7、水合物汇流管8以及水力旋流分离器组外壳17组成；所述水合物气化分解室位于水下热分解高效分离除砂回填装置的上端，水合物气化分解室由水合物回收通道9、挡流板10、螺旋加热管11、热流体回收出口接头12、注热入口接头13以及分解室承压外壳14组成。
所述沉降排砂仓外壳1上端为平扣螺纹Ⅰ下端为公扣螺纹，水合物、泥沙与海水的混合浆体从浆液集输装置19进入混合物输送管18，进一步的，水合物混合浆液进入旋转式分砂管7，水合物混合浆液进入旋转式分砂管7之后进入水力旋流器4的内部，净化之后的水合物从水力旋流器4的可拆卸溢流口406流出，流入水合物汇流管8并向上运输。
所述水合物气化分解室内部安装有螺旋加热管11，热流体回收出口接头12、注热入口接头13分别连接在螺旋加热管11的管道两端，挡流板10安装在水合物回收通道9内，分解室承压外壳14下端安装连通管16，连通管16上端设置有止回阀15，连通管16下端接沉降排砂仓外壳1，注热入口接头13注入高温海水或水蒸气到螺旋加热管11中，从而加热分解水合物，气化分解后的甲烷从分解室承压外壳14上端返出，泥砂与海水等杂质通过连通管16排入沉降排砂仓外壳1。泥砂与海水等杂质通过排砂板阀2排海。所述水力旋流器4下部设置下锥面401和固定台阶Ⅰ402，水力旋流器4中部设置固定台阶Ⅱ403，水力旋流器4入口设置有法兰连接转化接头405和流体入口404，水力旋流器4设置可拆卸溢流口406，水力旋流器4下锥面401焊接在沉降排砂仓外壳1上，固定台阶Ⅱ403安装在承重隔板5上。所述旋转式分砂管7和混合物输送管18焊接在一起，旋转式分砂管7采用多个集输法兰701，旋转式分砂管7螺旋安装分流管702，旋转式分砂管7内有环形内管703，所述混合物输送管18下端为水合物输送管下接头1801。所述浆液集输装置19由下部接头1901、集输接头Ⅰ1902、集输接头Ⅱ1905、集输拓展接头Ⅰ1903、集输拓展接头Ⅱ1904、集输拓展接头Ⅲ1906以及浆液集输装置法兰1907组成。
本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种水下热分解高效分离除砂回填装置，其特征在于，所述水下热分解高效分离除砂回填装置位于海洋中部，上下连接钻杆或管线，底部能够连接浮力装置来减轻钻杆所承受重量，所述水下热分解高效分离除砂回填装置由沉降排砂仓、水力旋流分离器组以及水合物气化分解室组成，所述沉降排砂仓的上方为水力旋流分离器组，水力旋流分离器组安装在沉降排砂仓上方，水合物气化分解室安装在水力旋流分离器组上方；
所述沉降排砂仓由沉降排砂仓外壳(1)、排砂板阀(2)、板阀弹簧(3)组成，沉降排砂仓下端有集中输送装置，混合物输送管(18)从沉降排砂仓中间穿过，混合物输送管(18)下方连接浆液集输装置(19)，连通管(16)分别连接沉降排砂仓与水合物气化分解室，连通管(16)内设置有止回阀(15)；
所述水力旋流分离器组位于水下热分解高效分离除砂回填装置的中部，水力旋流分离器组由水力旋流器(4)、承重隔板(5)、溢流口法兰接头(6)、旋转式分砂管(7)、水合物汇流管(8)以及水力旋流分离器组外壳(17)组成；所述水力旋流分离器组内部的水力旋流器(4)周向分布在承重隔板(5)上，水力旋流器(4)下部接入沉降排砂仓，所述旋转式分砂管(7)和混合物输送管(18)焊接在一起，旋转式分砂管(7)采用多个集输法兰(701)，旋转式分砂管(7)螺旋安装分流管(702)，旋转式分砂管(7)内有环形内管(703)，所述混合物输送管(18)下端为水合物输送管下接头(1801)；
所述水合物气化分解室位于水下热分解高效分离除砂回填装置的上端，水合物气化分解室由水合物回收通道(9)、挡流板(10)、螺旋加热管(11)、热流体回收出口接头(12)、注热入口接头(13)以及分解室承压外壳(14)组成；所述水合物气化分解室内部安装有螺旋加热管(11)，热流体回收出口接头(12)、注热入口接头(13)分别连接在螺旋加热管(11)的管道两端，挡流板(10)安装在水合物回收通道(9)内，分解室承压外壳(14)下端安装连通管(16)，连通管(16)上端设置有止回阀(15)，连通管(16)下端接沉降排砂仓外壳(1)，注热入口接头(13)注入高温海水或水蒸气到螺旋加热管(11)中，从而加热分解水合物，气化分解后的甲烷从分解室承压外壳(14)上端返出，泥砂与海水通过连通管(16)排入沉降排砂仓外壳(1)；所述水力旋流器(4)下部设置下锥面(401)和固定台阶Ⅰ(402)，水力旋流器(4)的中部设置固定台阶Ⅱ(403)，水力旋流器(4)入口设置有法兰连接转化接头(405)和流体入口(404)，水力旋流器(4)设置可拆卸溢流口(406)，可拆卸溢流口(406)与水合物汇流管(8)连接，水力旋流器(4)下锥面(401)焊接在沉降排砂仓外壳(1)上，固定台阶Ⅱ(403)安装在承重隔板(5)上，旋转式分砂管(7)与水力旋流器(4)的流体入口(404)相连。
2.根据权利要求1所述的水下热分解高效分离除砂回填装置，其特征在于，所述沉降排砂仓外壳(1)上端为平扣螺纹Ⅰ下端为公扣螺纹，混合物输送管(18)从沉降排砂仓外壳(1)中间穿过，所述沉降排砂仓外壳(1)底部设置有排砂板阀(2)。
3.根据权利要求1所述的水下热分解高效分离除砂回填装置，其特征在于，所述浆液集输装置(19)由下部接头(1901)、集输接头Ⅰ(1902)、集输接头Ⅱ(1905)、集输拓展接头Ⅰ(1903)、集输拓展接头Ⅱ(1904)、集输拓展接头Ⅲ(1906)以及浆液集输装置法兰(1907)组成。
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