一种天然气水合物原位采收分离回填一体化工具

技术领域

本发明涉及天然气水合物开发领域，具体涉及一种天然气水合物原位采收分离回填一体化工具。

背景技术

天然气水合物又称“可燃冰”，是一种高密度、高热值的非常规清洁可替代能源。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，但该类型的天然气水合物埋深浅，具有弱胶结性，开采过程中极易引发地质和环境灾害。固态流化法等现有开采方法均存在出砂量大的瓶颈问题，严重阻碍天然气水合物开采工艺及技术的发展。

公布号为CN209818045U，公告日为2019年12月20日的中国专利公开了一种使用螺旋分离器的大处理量水合物井下分离并联装置；公布号为CN109184658B，公告日为2021年1月22日的中国专利公开了一种偏置对称并联式海底浅层天然气水合物原位分离装置。因而，现有公开技术仅将传统旋流或者螺旋分离器放入管道中，然后并联设置，其流道设置复杂，容易发生泥砂的堆积，堵塞流道，并不能适用于天然气水合物高效采收、分离、破胶结、回填的一体化作业工艺。并且现有公开技术未专门设置泥砂排出机构，不能实现泥砂的高效排除与回填。

综上所述，亟需一种天然气水合物分离工具，以解决现有技术中出现的问题，实现破碎腔体内天然气水合物混合浆液的高效旋流吸入，泥砂井下原位分离，浆液弱胶结键破裂和泥砂排除与回填等采收分离回填一体化功能，提高采收效率，减少整体作业成本，并降低破碎腔体垮塌风险。

发明内容

本发明为解决泥砂堵塞流道、泥砂无法顺利实现原位分离回填的问题，提出发明一种天然气水合物原位采收分离回填一体化工具，该工具可实现天然气水合物采收过程中对泥砂等固相颗粒原位分离和水合物的破胶结，极大的降低了天然气水合物开采成本。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种天然气水合物原位采收分离回填一体化工具，其特征在于，包括旋流吸入粗分装置、喷流排砂装置、螺旋旋流精分装置，所述喷流排砂装置位于整个装置的最下端，喷流排砂装置上端与旋流吸入粗分装置通过螺纹连接，旋流吸入粗分装置通过螺纹连接在螺旋旋流精分装置的下端，所述天然气水合物原位采收分离回填一体化工具为双层管结构，最内层为动力液管；

所述喷流排砂装置包括排砂喷筒、弹簧Ⅰ、排砂滑套、弹簧Ⅱ、弹簧盖板，排砂滑套下端安装弹簧Ⅰ上端安装弹簧Ⅱ，弹簧盖板将弹簧Ⅰ、排砂滑套、弹簧Ⅱ固定在排砂喷筒内部，排砂滑套可上下滑动，动力液管最下端装配在排砂喷筒的管线密封环槽处；

所述旋流吸入粗分装置、包括锥形稳流胶筒、固定环Ⅰ、定位套管、旋流发生板、固定环Ⅱ、旋流吸入外管，稳流锥形胶筒装配在动力液管台阶上用固定环Ⅰ固定，定位套管安装在固定环Ⅰ上端，旋流发生板安装在定位套管上端用固定环Ⅱ固定；

所述螺旋旋流精分装置包括螺旋破胶结采收筒、对中支架、固定环Ⅲ，对中支架装配在螺旋破胶结采收筒内壁并用固定环Ⅲ进行轴向固定。

所述排砂喷筒上端为平扣螺纹Ⅰ下端为公扣锥螺纹，其周向有排砂孔，内部环空为弹簧放置凹槽，凹槽旁边为凹锥面，排砂喷筒内层有管线密封环槽，上端有喷筒螺纹孔。

所述排砂滑套其下端为滑套下锥面，排砂滑套下部台阶Ⅰ与弹簧Ⅰ上端接触，排砂滑套周向有泥砂排出对接喷头，排砂滑套中部台阶Ⅱ放置弹簧Ⅱ，排砂滑套最上端为滑动定位筒节与弹簧盖板内径间隙配合，并用螺栓将弹簧盖板固定在喷筒螺纹孔上。

所述锥形稳流胶筒为橡胶材料，其橡胶锥面受压力时会发生径向变形，

锥形稳流胶筒下端设置迷宫密封。

所述旋流发生板，其上部为挡流平台，中部为通孔，以及周向对中板。

所述旋流吸入外管，其上部有周向涡旋槽，所述涡旋槽其特征在于周向分布在旋流吸入外管上，流体从涡旋槽流入产生周向速度。

所述螺旋破胶结采收筒，其特征在于下部有旋流辅助流道，吸入筒接头螺纹，内部流道为锥形流道，其上部为周向分布的花键键槽用于对中支架定位，最上端为钻杆母扣螺纹。

综上所述，本发明的有益效果为：

（1） 本发明采用一种涡旋槽结构，使天然气水合物被吸入后产生周向速度，从而分离泥砂和天然气水合物，吸入口结构简单，不用设置复杂的流道，可避免泥砂的堆积、堵塞；

（2） 喷流排砂装置利用高压动力液可将分离出的泥砂直接回填到采空区，减轻了立管输送量，降低了泵输泥砂产生的消耗，提高采收效率，极大的降低了开采成本，可避免泥砂对井筒、设备等的冲蚀磨损与堵塞；

（3） 本发明利用旋流吸入粗分装置和排砂机构的特殊结构，可实现天然气水合物的采收分离一体化进行，可用于高含砂的天然气水合物矿层的持续开采，降低了天然气水合物开采成本和作业次数，从而实现天然气水合物的高效开采。

（4） 天然气水合物在旋流吸入粗分装置和螺旋旋流精分装置形成的流场中，可有效分解开水合物、泥砂及水，可实现对多相混合浆体中跨尺度粒径、微米级极细泥砂固相颗粒的有效分离，从而保证开发过程中返出天然气水合物纯度。

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是本发明的整体结构半剖图；

图2是本发明喷流排砂装置三维剖视图；

图3是本发明排砂喷筒三维示意图；

图4是本发明排砂滑套三维示意图；

图5是本发明旋流吸入粗分装置三维剖视图；

图6是本发明旋流吸入外管三维示意图；

图7是本发明螺旋破胶结采收筒示意图；

图8是本发明喷流排砂装置前后对比图；

图9是本发明螺旋旋流精分装置局部截面图；

1、排砂喷筒；2、弹簧Ⅰ；3、排砂滑套；4、弹簧Ⅱ；5、弹簧盖板；6、锥形稳流胶筒；7、固定环Ⅰ；8、定位套管；9、旋流发生板；10、固定环Ⅱ；11、旋流吸入外管；12、动力液管；13、螺旋破胶结采收筒；14、对中支架；15、固定环Ⅲ；101、平扣螺纹Ⅰ；102、排砂孔；103、公扣锥螺纹；104、管线密封环槽；105、凹槽；106、凹锥面；107、喷筒螺纹孔；301、滑套下锥面；302、台阶Ⅰ；303、泥砂排出对接喷头；304、台阶Ⅱ；305、滑动定位筒节；306、泥砂收集室；601、橡胶锥面；602、迷宫密封；901、挡流平台；902、周向对中板；1101、涡旋槽；1201、动力液喷出孔；1202、固定台阶；1301、旋流辅助流道；1302、吸入筒接头螺纹；1303、锥形流道；1304、花键键槽；1305、钻杆母扣螺纹。

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：

一种天然气水合物原位采收分离回填一体化工具，其特征在于：包括旋流吸入粗分装置、喷流排砂装置、螺旋旋流精分装置，所述喷流排砂装置位于整个装置的最下端，喷流排砂装置上端与旋流吸入粗分装置通过螺纹连接，旋流吸入粗分装置通过螺纹连接在螺旋旋流精分装置的下端，本发明下端连接动力钻具，上端连接射流破碎喷头。高含砂天然气水合物从旋流吸入外管11上部涡旋槽1101进入旋流吸入外管11的内部，高含砂天然气水合物在旋流吸入粗分装置内流经旋流辅助流道1301，由于离心原理泥砂向外移动到分离筒壁面，而流体中心轻质的天然气水合物受旋流发生板9阻挡产生向上的旋流。同时由于天然气水合物在螺旋旋流精分装置中，“颗粒公转”特性，可实现对多相混合浆体中跨尺度粒径、微米级极细泥砂固相颗粒的有效分离，从而保证开发过程中返出天然气水合物纯度高。分离到壁面的泥砂由于自身重力向下沉降，泥砂经过旋流发生板9和旋流吸入外管11之间的间隙堆积在锥形稳流胶筒6的橡胶锥面601。当堆积到橡胶锥面601的泥砂达到一定的重量，橡胶锥面601受挤压变形，泥砂落入泥砂收集室306。泥砂收集室306中泥砂累积到一定量时，泥砂的重力推动排砂滑套3向下滑动，从而动力液喷出孔1201被打开，喷出动力液。高压的动力液进一步的推动排砂滑套3向下滑动，直至排砂喷头1下端的凹锥面106和滑套下锥面301重合，此时泥砂排出对接喷头303和排砂孔102对齐。泥砂收集室306的泥砂和动力液一起排海。所述天然气水合物原位采收分离回填一体化工具为双层管结构，最内层为动力液管12；

所述天然气水合物原位采收分离回填一体化工具接入天然气水和开采工具管串当中，其下端连接动力钻具，上端连接射流破碎喷头；

所述旋流吸入粗分装置、包括锥形稳流胶筒6、固定环Ⅰ7、定位套管8、旋流发生板9、固定环Ⅱ10、旋流吸入外管11，稳流锥形胶筒6装配在动力液管12上并用固定环Ⅰ7固定，稳流锥形胶筒6起到稳流和控制流体单向流动的作用，定位套管8安装在固定环Ⅰ7上端用来对旋流发生板9进行轴向固定，旋流发生板9安装在定位套管8上端并用固定环Ⅱ10固定，旋流吸入粗分装置在天然气水合物采收过程中起到初步分离泥砂的作用；

所述喷流排砂装置包括排砂喷筒1、弹簧Ⅰ2、排砂滑套3、弹簧Ⅱ4、弹簧盖板5，排砂滑套3下端安装弹簧Ⅰ2上端安装弹簧Ⅱ4，弹簧盖板5将弹簧Ⅰ2、排砂滑套3、弹簧Ⅱ4固定在排砂喷筒1内部，排砂滑套3受泥砂的重力作用可向下滑动，动力液管12最下端装配在排砂喷筒1内，喷流排砂装置利用泥砂的重力推动排砂滑套3，动力液管12下端的周向孔中喷出高压的流体将泥砂排出喷流排砂装置；

所述螺旋旋流精分装置包括螺旋破胶结采收筒13、对中支架14、固定环Ⅲ15，对中支架14装配在螺旋破胶结采收筒13内壁并用固定环Ⅲ15进行轴向固定。

所述的排砂喷筒1上端为平扣螺纹Ⅰ101下端为公扣锥螺纹103，其周向有排砂孔102，内部环空为弹簧放置凹槽105，凹槽105旁边为凹锥面106，排砂喷筒1内层有管线密封环槽104，上端有喷筒螺纹孔107。

所述的排砂滑套3其下端为滑套下锥面301，排砂滑套3下部的台阶Ⅰ302与弹簧Ⅰ2上端接触，排砂滑套3周向有泥砂排出对接喷头303，排砂滑套3中部台阶Ⅱ304放置弹簧Ⅱ4，排砂滑套3最上端为滑动定位筒节305与弹簧盖板5内径间隙配合，并用螺栓将弹簧盖板5固定在喷筒螺纹孔107上。

所述的锥形稳流胶筒6为橡胶材料，其橡胶锥面601受压力时会发生径向变形，锥形稳流胶筒6下端设置迷宫密封602。

所述的旋流发生板9，其上部为挡流平台901，中部为通孔，以及周向对中板902。

所述的旋流吸入外管11，其上部有周向涡旋槽1101，所述涡旋槽1101其特征在于周向分布在旋流吸入外管11上，流体从涡旋槽1101流入产生周向速度。

所述的动力液管12,其下端有动力液喷出孔102可喷出动力液，动力液管12管壁焊接有固定台阶1202用于旋流发生板9的轴向固定。

所述的螺旋破胶结采收筒13，其特征在于下部有旋流辅助流道1301，吸入筒接头螺纹1302，内部流道为锥形流道1303，其上部为周向花键键槽1304用于对中支架14的定位，最上端为钻杆母扣螺纹1305。

所述的天然气水合物原位采收分离回填一体化工具，其特征在于上端连接射流滑套，下端连接动力钻具。

本发明的工作过程如下：

本发明为天然气水合物开采工具管串的采收分离部分，钻杆母扣螺纹1305连接天然气水合物开采射流破碎滑套，公扣锥螺纹103连接动力钻具。本发明与天然气水合物开采工具管串一同下入海底，适用于固态流化开采方法。首先，将工具管串钻入天然气水合物矿层，然后回拖工具管串，此时工具管串上端射流破碎滑套对天然气水合物进行破碎，破碎后的高压含砂天然气水合物通过涡旋槽1101进入旋流吸入粗分装置，由于涡旋槽1101作用，含砂天然气水合物产生切向速度，进一步的旋流辅助流道1301辅助流体形成切向速度流动，由于离心力作用，质量较大的泥砂等固体颗粒靠近旋流吸入外管11内壁，流体整体向下螺旋状流动，流体由于受到旋流发生板9的阻挡，质量较大的泥砂由于在外环流动通过旋流吸入外管11内壁和旋流发生板9之间的缝隙进入泥砂收集室306。当泥砂收集室306的泥砂积累到一定重量时，泥砂的重力大于弹簧Ⅰ2的弹力，排砂滑套3向下滑动，动力液从动力液管12中流出，将泥砂冲出排砂喷筒1。

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。