一种海洋天然气水合物固态流化法回收工具

1.本发明属于海洋非成岩天然气水合物固态流化开发领域，具体涉及一种海洋天然气水合物固态流化绿色法回收工具。


背景技术：

2.天然气水合物又叫做“可燃冰”，是一种热值很高的非常规能源。全球天然气水合物的储量十分可观，据统计，如果将其换算为甲烷，这相当于世界已知煤炭、石油和天然气等能源总储量的多倍。所以实现水合物的开采利用，是解决我国能源持续发展的有效办法。
3.天然气水合物现有的开采方法主要有降压法、固态流化法、热激法、co2置换法和注剂法。目前，已经被用于天然气水合物试采的主要方法是降压法和固态流化法这两种方法。降压法的本质是通过降低水合物压力层，达到破坏天然气水合物相平衡压力为目的，从而实现天然气水合物的分解。但降压法在开采的过程中，由于海底覆盖层薄弱，分解出的水合物如果溢出到大气中，还会造成严重的环境污染。针对我国水合物埋藏深、非成岩、弱胶结的特点，固态流化法可以实现更好的开采效果。但是固态流化法在开采的过程中容易造成储层坍塌，对地质环境造成一定的损坏，还有当天然气水合物 砂 水的混合物从井底向上输送时，其中还有大量的泥沙，可能会对井筒进行堵塞，影响正常的工作，还会造成开采效率低下，极大的增加了开采成本。
4.针对以上问题，本发明提出了一种海洋天然气水合物固态流化法回收工具。可以实现将原位分离出的砂进行回填储层，避免发生储层坍塌的问题，对天然气水合物 砂 水混合物多次分离，达到最大程度的分离效果，减少井筒泥沙堵塞，提高开采效率，降低开采成本，实现开采的最大效益化。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对天然气水合物固态流化开采过程中发生的储层坍塌和分离效率低的问题，提供一种海洋天然气水合物固态流化法绿色回收工具，将原位分离出的砂进行回填储层，避免发生储层坍塌的问题，对天然气水合物 砂 水混合物多次分离，达到最大程度的分离效果，减少井筒泥沙堵塞，提高开采效率。
6.本发明通过以下技术方案来实现：
7.一种天然气水合物固态流化法回收工具，初级分离装置，齿轮减速装置，螺杆增压装置，涡轮动力装置，二次分离装置，负压腔装置。所述旋流吸入装置位于图一装置的最下端，旋流吸入装置和所述外壳之间通过螺纹连接，所述初级分离装置位于图一所述旋流吸入装置的上端，所述初级分离装置轴向由阶梯轴和上部的螺杆固定装置定位，周向由花键定位，所述齿轮减速装置位于图一蜗杆固定装置中，通过花键方式与轴相连接，所述螺杆增压装置位于图一所述初级分离装置的上方，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图一装置的最上端，涡轮固定在螺杆固定装置上，螺杆固定装置通过螺纹与所述外壳相连接，涡轮动力装置在高压钻井液作用下转动，通过齿轮带动所述
旋流吸入装置、螺杆增压装置一起旋转，经过初级分离的混合物流经二次分离装置再次分离后到达负压腔，在负压腔中进一步反应；
8.进一步技术方案中，所述旋流吸入装置包括进流板、圆锥滚子轴承、分离叶轮、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通过螺纹连接，圆锥滚子轴承安装在进流板轴承槽内，分离叶轮主轴上端安装在深沟球轴承内，分离叶轮通过花方式与分离叶轮主轴连接，所述分离叶轮内部有与分离叶轮主轴固定的周向分布花键槽，所述分离叶轮主轴带动分离叶轮转动，将水合物 砂 水混合物经由所述回收孔吸入旋流吸入装置，在分离叶轮的带动下一起旋转，混合物在离心作用下完成初步分离，然后进入所述初级分离装置；
9.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分离叶轮主轴的通孔和初步分离后的水合物 砂 水混合物的通孔，分离挡板通过分离叶轮主轴上的轴肩和下齿轮固定板固定，分离挡板一侧的通道与齿轮固定板通道相通，另一侧通道和位于外壳上的所述排砂孔相导通，经过初步分离的水合物 砂 水混合物转速较低，经过通孔和通道进入螺杆增压装置，而以砂为主的转速较大的混合物由通道和排沙孔排出装置内部；
10.进一步技术方案中，所述螺杆增压装置包括下齿轮固定板、增压主体、上齿轮固定板、隔离板，轴承、齿轮，所述齿轮安装在所述下齿轮固定板中，所述深沟球轴承安装在下齿轮固定板内，所述螺杆轴与所述螺杆通过花键连接，两螺杆之间相互啮合，二者共同安置在增压主体内，经过分离后的水合物 砂 水混合物经过增压主体)水合物流孔进入增压主体内，所述螺杆轴转动从而带动螺杆转动，将进入增压主体内的水合物 砂 水混合物挤压破碎，最后混合物从出砂侧孔经过，到达通道，最后从外壳上的小孔排出螺杆增压装置；
11.进一步技术方案中，所述涡轮动力装置包括动力涡轮、动力涡轮主轴、动力涡轮固定挡板、圆柱滚子轴承，所述动力涡轮主轴上端固定在圆柱滚子轴承内，圆柱滚子轴承安装在动力涡轮固定挡板内，动力涡轮与动力涡轮主轴通过花键周向固定，动力涡轮通过动力涡轮主轴上的轴肩与上端轴承进行轴向定位，高压钻井液通过侧通道进入所述涡轮动力装置内，推动所述动力涡轮旋转，动力涡轮通过花键带动所述动力涡轮主轴旋转，动力涡轮主轴通过花键带动下方齿轮旋转，从而带动所述齿轮传动轴旋转，将动力转递到下一级；
12.进一步技术方案中，所述整体开采方法包括射流钻头、初级分离装置、二级分离装置、负压室、海底举升泵、疏水管线、气液处理装置，所述开采后的水合物 砂 水混合物经过初级分离装置初级分离后到达二级分离装置，此时进一步分离后的以天然气水合物为主的混合物继续向上输送，二次分离后的砂为主的混合物直接排除工具进行回填，以天然气水合物为主的混合物到达负压室，负压室的负压由海底举升泵提供，从负压室排出的天然气水合物气液混合物经疏水管线到达气液处理装置进行最终处理。
13.综上所述，本发明具有以下增益效果：(1)本发明提出了一种海洋天然气水合物固态流化法回收工具，经过两次分离后，最大程度的将天然气水合物 砂 水混合物中的砂分离出来，将原位分离出的砂进行回填储层，避免发生储层坍塌的问题。(2)本发明利用简单的机械设计，在初步分离时，将颗粒较大的砂分离出去，在经过增压装置时会减少增压装置的负担，经过增压装置的进一步压碎与分离，到下一级的分
离装置时，会实现更高的分离效率，增压装置处通过齿轮装置，可以达到减速增力的效果，更有利于实现天然气水合物 砂 水混合物的破碎与分离。(3)本发明除过第一级的分离破碎装置是此次自主设计，后面第二级的分离装置与其他装置均是现有的设备，可以减少成本，提高工作时的保障。
附图说明
14.为了能够更好的说明本发明，下面对所用到的附图进行简单的介绍。
15.图1是本发明主要的初级分离装置；
16.图2是本发明的整体工艺图；
17.图3是本发明一级分离装置三维剖视图；
18.图4是本发明螺杆增压装置部分截面图；
19.图5是本发明旋流吸入装置分离叶轮结构示意图；
20.图6是本发明初级分离装置分离挡板局部剖视图；
21.图7是本发明螺杆增压装置上齿轮固定板结构示意图；
22.图8是本发明螺杆增压装置增压主体结构剖视图；
23.图9是本发明旋流吸入装置动力涡轮主轴结构图；
24.图10是本发明涡轮动力装置分离叶轮主轴结构示意图；1、动力涡轮固定挡板；2、动力涡轮；3、动力涡轮主轴；4、隔离板；5、齿轮传动轴；6、增压主体；7、螺杆；8、螺杆轴；9、下齿轮固定板；10、齿轮；11、分离叶轮主轴；12、进流板；13、圆锥滚子轴承；14、分离叶轮；15、分离挡板；16、深沟球轴承；17、齿轮；18、上齿轮固定板；19、上齿轮固定板端盖；20、外壳；21、圆柱滚子轴承；22、天然气水合物储层；23、天然气水合物混合物；24、水合物上覆层；25、封隔器；26、海底举升泵；27、海水；28、钻探船；29、射流钻头；30、初级分离装置；31、二级分离装置；32、负压室；323、井口装置；34、疏水管线；35、气液处理装置；
具体实施方式
25.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。
26.本发明专利的一种海洋天然气水合物固态流化法回收工具，如图1、3和图2所示，旋流吸入装置，初级分离装置，齿轮减速装置，螺杆增压装置，涡轮动力装置，二次分离装置，负压腔装置。所述旋流吸入装置位于工具的最下端，旋流吸入装置和外壳20之间通过螺纹连接，所述初级分离装置位于所述旋流吸入装置的上端，所述初级分离装置轴向由阶梯轴和上部的螺杆固定装置定位，周向由花键定位，所述齿轮减速装置位于螺杆固定装置中，通过花键方式与轴相连接，所述螺杆增压装置位于所述初级分离装置的上方，所述螺杆增压装置和所述外壳20之间通过螺纹连接，所述涡轮动力装置位于的最上端，涡轮固定在螺杆固定装置上，螺杆固定装置通过螺纹与所述外壳20相连接，涡轮动力装置在高压钻井液作用下转动，通过齿轮带动所述旋流吸入装置、螺杆增压装置一起旋转，经过初级分离的混合物流经二次分离装置再次分离后到达负压腔，在负压腔中进一步反应。
27.如图1至图4、图10所示，所述旋流吸入装置包括进流板12、圆锥滚子轴承13、分离
叶轮14、分离叶轮主轴11，进流板12位于旋流吸入装置的下端，所述进流板12和所述外壳20之间通过螺纹连接，圆锥滚子轴承13安装在进流板轴承槽1202内，分离叶轮主轴11上端安装在深沟球轴承16内，分离叶轮14通过花键方式与分离叶轮主轴11连接，所述分离叶轮14内部有与分离叶轮主轴11固定的周向分布花键槽1401，所述分离叶轮主轴11带动分离叶轮14转动，将水合物 砂 水混合物经由回收孔1201吸入旋流吸入装置，在分离叶轮14的带动下一起旋转，混合物在离心作用下完成初步分离，然后进入所述初级分离装置。
28.如图1至图3、图6所示，所述初级分离装置包括分离挡板15、所述分离挡板15内部有用以通过所述分离叶轮主轴11的通孔和初步分离后的水合物 砂 水混合物的通孔1503，分离挡板通过分离叶轮主轴11上的轴肩和下齿轮固定板9固定，分离挡板的上板孔1502与齿轮固定板通道901相通，另一侧通道1501和位于外壳20上的所述排砂孔2002相导通，经过初步分离的水合物 砂 水混合物经过通孔1503和上板孔1502进入螺杆增压装置，而以砂为主的转速较大的混合物由通道1501和排沙孔排出装置内部。
29.如图1至图3、图5、图7至图8所示，所述螺杆增压装置包括、下齿轮固定板9、增压主体6、上齿轮固定板18、隔离板4，深沟球轴承16、齿轮10，所述齿轮10安装在所述下齿轮固定板9内，所述深沟球轴承16安装在所述下齿轮固定板9内，所述螺杆轴8与所述螺杆7通过花键连接，两蜗杆之间相互啮合，二者共同安置在增压主体6内，经过分离后的水合物 砂 水混合物经过增压主体6的水合物流孔601进入增压主体6内，所述螺杆轴8转动从而带动螺杆转动，将进入增压主体6内的水合物 砂 水混合物挤压破碎，最后混合物从出砂侧孔602经过，到达1801通道，最后从外壳20上的小孔2001排出螺杆增压装置。
30.如图1至图3、图7、图10所示，所述涡轮动力装置包括动力涡轮2、动力涡轮主轴3、动力涡轮固定挡板1、圆柱滚子轴承21，所述动力涡轮主轴3上端固定在圆柱滚子轴承21内，圆柱滚子轴承21安装在动力涡轮固定挡板1内，动力涡轮2与动力涡轮主轴通过花键周向固定，动力涡轮2通过动力涡轮主轴上的轴肩与上端轴承进行轴向定位，高压钻井液通过侧通道101进入涡轮动力装置内，推动所述动力涡轮2旋转，动力涡轮2通过花键带动动力涡轮主轴3旋转，动力涡轮主轴3通过花键带动下方齿轮旋转，从而带动齿轮传动轴5旋转，将动力转递到下一级。
31.如图2所示，整体开采方法包括开采后的水合物 砂 水混合物经过初级分离装置初级分离后到达二级分离装置31，此时分离后的以天然气水合物为主的混合物继续向上输送，二次分离后的砂为主的混合物直接排除工具进行回填，以天然气水合物为主的混合物到达负压室32，负压室32的负压由海底举升泵26提供，从负压室排出的天然气水合物气液混合物经疏水管线34到达气液处理装置35进行最终处理。
32.本发明专利的工作原理：本发明为天然气水合物固态流化法回收工具中的回收部分以及部分开采方法，通过海上钻井平台设备向井底打入高压钻井液，高压钻井液到达一级分离装置后，作用在动力涡轮2上，带动动力涡轮2及动力涡轮主轴3转动，通过齿轮传动装置，动力涡轮主轴3带动齿轮传动轴5转动，再次通过齿轮传动装置，齿轮传动轴5带动带动螺杆轴8转动，螺杆轴8通过齿轮传动装置带动分离叶轮主轴11转动，从而吸入水合物 砂 水混合物进入分离装置，经过初级分离后将颗粒较大的砂排出装置，再次通过压碎装置将混合物进一步压碎分离，经过初级分离后的水合物 砂 水混合物通过管道进入二级分
离装置31，再次降低混合物中的含砂量，经过两次分离后的水合物 砂 水的混合物最后进入负压室32，在负压室中，打破天然气水合物的相平衡，通过疏水管线将其输送至海上钻井平台的气液处理装置35中，最终完成天然气水合物的开采及处理。