本發(fā)明涉及海底水合物漿體的氣體分離和固相泥沙分離技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種水合物漿體氣-沙分離系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

天然氣水合物具備能量密度高、資源儲(chǔ)量大等優(yōu)點(diǎn)，水合物的勘探和開發(fā)已成為科學(xué)界的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有的海底天然氣開采大多采用熱開采、降壓開采、注化學(xué)劑開采、CO₂置換開采等常規(guī)開采方法，但是對(duì)于海底非成巖水合物層的開采，這些常規(guī)開采方法都存在開采效率低、難度大、成本高等缺點(diǎn)，而且水合物漿體通常是氣、水、水合物、沙等多相混合液，如何對(duì)開采出的多相混合液中的氣沙進(jìn)行分離，是亟需克服的難點(diǎn)。

專利CN103628844A提出“深海海底淺層非成巖天然氣水合物的綠色開采方法”，該發(fā)明以固態(tài)形式采掘所述天然氣水合物藏，將含所述天然氣水合物的固體物質(zhì)進(jìn)行收集并粉碎為顆粒物，將海水與所述顆粒物通過引射混合形成氣液固多相混合物流；為節(jié)省能源，需要高效地在海底對(duì)所形成的氣液固多相混合物漿體進(jìn)行分離, 以便除去泥沙，從而獲取漿體中的天然氣。

專利CN 101160448A“管式分離器入口”裝置屬于氣體分離裝置，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是普通T型管的組合, 能適當(dāng)提高氣體分離效果。專利CN 1146526A“原油井口管流除砂器”屬于泥沙分離裝置, 其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在螺旋管上開小孔接分支管導(dǎo)出泥沙，無專門的捕沙結(jié)構(gòu)和排沙結(jié)構(gòu)，容易造成泥沙的堵塞, 分離泥沙效果有限。

為此，本發(fā)明提出了一種能提高氣體和泥沙分離效率，且工作可靠的組合式的高效的氣-沙分離系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種分離效率高、結(jié)構(gòu)簡單且不易沙堵的水合物漿體氣-沙分離系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種水合物漿體氣-沙分離系統(tǒng)，包括氣體分離子系統(tǒng)和泥沙分離子系統(tǒng)，所述氣體分離子系統(tǒng)的入口與多相混合漿體儲(chǔ)罐的出口連接，所述氣體分離子系統(tǒng)的氣相出口與儲(chǔ)氣罐連接，所述氣體分離子系統(tǒng)的非氣相出口與泥沙分離子系統(tǒng)的入口連接，所述泥沙分離子系統(tǒng)的泥沙出口與泥沙泵送裝置的入口連接，泥沙泵送裝置的出口與儲(chǔ)砂罐連接，所述泥沙分離子系統(tǒng)的水和水合物出口與水和水合物漿體儲(chǔ)罐連接。

所述氣體分離子系統(tǒng)由至少一級(jí)氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)和一根集氣管組成，氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)的氣體出口與集氣管的入口連接，集氣管的出口與儲(chǔ)氣罐連接。

所述氣體分離子系統(tǒng)包括三級(jí)氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)，其中，

第一級(jí)氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)由水平直管段、過渡管段A、下沉弧形管段A下坡段以及氣體分離弧形支管A組成，水平直管段的入口與多相混合漿體儲(chǔ)罐連接，水平直管段的出口與過渡管段A的入口連接，過渡管段A的氣相出口與氣體分離弧形支管A的下端連接，過渡管段A的非氣相出口與下沉弧形管段A下坡段入口連接；

第二級(jí)氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)由下沉弧形管段A上坡段、過渡管段B、下沉弧形管段B下坡段以及氣體分離弧形支管B組成，下沉弧形管段A上坡段出口與過渡管段B的入口連接，過渡管段B的氣相出口與氣體分離弧形支管B的下端連接，過渡管段B的非氣相出口與下沉弧形管段B下坡段入口連接；

第三級(jí)分離弧形分支管結(jié)構(gòu)由下沉弧形管段B上坡段、過渡管段C、過渡直線管以及氣體分離弧形支管C組成，下沉弧形管段B上坡段出口與過渡管段C的入口連接，過渡管段C的氣相出口與氣體分離弧形支管C的下端連接，過渡管段C的非氣相出口與過渡直線管的入口連接；

氣體分離弧形支管A的上端、氣體分離弧形支管B的上端以及氣體分離弧形支管C的上端分別與集氣管連接。

所述泥沙分離子系統(tǒng)由至少一級(jí)泥沙分離結(jié)構(gòu)和一根水和水合物漿體出口管組成，泥沙分離結(jié)構(gòu)的泥沙出口與泥沙泵送裝置的入口連接，泥沙分離結(jié)構(gòu)的水和水合物漿體出口與水和水合物漿體出口管的一端連接，水和水合物漿體出口管的另一端與水和水合物漿體儲(chǔ)罐連接。

所述泥沙分離子系統(tǒng)包括兩級(jí)泥沙分離結(jié)構(gòu)，其中，

第一級(jí)泥沙分離結(jié)構(gòu)由泥沙分離螺旋上升管段A、捕沙結(jié)構(gòu)A、排沙分支管A和泥沙分離螺旋上升管段B前半段組成，泥沙分離螺旋上升管段A的入口與氣體分離子系統(tǒng)的非氣相出口連接，泥沙分離螺旋上升管段A的出口處設(shè)置有捕沙結(jié)構(gòu)A，捕沙結(jié)構(gòu)A的第一出口與排沙分支管A的上端連接，捕沙結(jié)構(gòu)A的第二出口與泥沙分離螺旋上升管段B前半段的入口連接；

第二級(jí)泥沙分離結(jié)構(gòu)由泥沙分離螺旋上升管段B后半段、捕沙結(jié)構(gòu)B、排沙分支管B和泥沙分離螺旋上升管段C組成，泥沙分離螺旋上升管段B后半段出口處設(shè)置有捕沙結(jié)構(gòu)B，捕沙結(jié)構(gòu)B的第一出口與排沙分支管B的上端連接，捕沙結(jié)構(gòu)B的第二出口與泥沙分離螺旋上升管段C的入口連接，泥沙分離螺旋上升管段C的出口與水和水合物漿體出口管連接。

所述捕沙結(jié)構(gòu)A包括捕沙槽A和捕沙漏斗A，捕沙槽A處流體截面大于泥沙分離螺旋上升管段A的流體截面，捕沙漏斗A設(shè)置于捕沙槽A的下方，并將捕沙槽A收集的泥沙通過捕沙漏斗A流進(jìn)排沙分支管A內(nèi)。

所述捕沙結(jié)構(gòu)B包括捕沙槽B和捕沙漏斗B，捕沙槽B處流體截面大于泥沙分離螺旋上升管段B的流體截面，捕沙漏斗B設(shè)置于捕沙槽B的下方，并將捕沙槽B收集的泥沙通過捕沙漏斗B流進(jìn)排沙分支管B內(nèi)。

所述泥沙泵送裝置包括泵、集砂管和螺旋推料器，泵安裝在集砂管的一端，螺旋推料器置于集砂管內(nèi)，泵的輸出端與螺旋推料器傳動(dòng)連接。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明由于采用氣體分離子系統(tǒng)和泥沙分離子系統(tǒng)，同時(shí)配有多相混合漿體儲(chǔ)罐、儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)沙罐、水和水合物漿體儲(chǔ)罐、以及泥沙泵送裝置等，其結(jié)構(gòu)較簡單，無運(yùn)動(dòng)部件，分離效率高，不易沙堵，摩阻小等特點(diǎn)。

2、本發(fā)明由于氣體分離子系統(tǒng)中采用了氣體分離弧形支管和下沉弧形管段。由于下沉弧形管段的上坡段用于氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)的入口端，有利于將入口管段上部的氣體導(dǎo)入氣體分離弧形支管；由于下沉弧形管段的下坡段用于氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)的出口端，使得氣體不易進(jìn)入氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)的出口管段；此外氣體分離弧形支管具有比直管具有較高的捕氣效果，從而提高氣體的分離效率，減少氣體分離級(jí)數(shù)。

3、本發(fā)明由于泥沙分離子系統(tǒng)的進(jìn)口和出口采用了泥沙分離螺旋上升管段，在重力作用下泥沙更易被捕沙結(jié)構(gòu)捕捉，提高泥沙的分離效率。捕沙結(jié)構(gòu)中采用了捕沙槽，使得捕沙槽處流體截面突然擴(kuò)大，導(dǎo)致漿體流速降低，泥沙流動(dòng)減緩，泥沙易于沉降和被捕捉。捕沙結(jié)構(gòu)還采用了捕沙漏斗與捕沙槽相組合的結(jié)構(gòu)，使得捕沙槽內(nèi)的泥沙不會(huì)形成堆積，使得捕沙和排沙過程流暢。

4、本發(fā)明氣體分離結(jié)構(gòu)級(jí)數(shù)和泥沙分離結(jié)構(gòu)級(jí)數(shù)，可以根據(jù)氣體和泥沙分離效率要求進(jìn)行調(diào)整，或增加或減少。

5、本發(fā)明特別適用于海底水合物漿體的氣體分離和固相泥沙分離，同時(shí)也可以用于海上生產(chǎn)平臺(tái)和陸上油氣井口的氣-固-液三相分離。

6、本發(fā)明可廣泛應(yīng)用在各種氣-固-液漿體分離系統(tǒng)中，有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1 為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2 為本發(fā)明的弧形分支管結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖3 為本發(fā)明的捕沙結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖中：1-多相混合漿體儲(chǔ)罐，2-氣體分離子系統(tǒng)，201-水平直管段，202-過渡管段A，203-下沉弧形管段A，204-過渡管段B，205-下沉弧形管段B，206-過渡管段C，207-氣體分離弧形支管A，208-氣體分離弧形支管B，209-氣體分離弧形支管C，210-集氣管，3-泥沙分離子系統(tǒng)，301-泥沙分離螺旋上升管段A，302-捕沙結(jié)構(gòu)A，302a-捕沙槽A，302b-捕沙漏斗A，303-排沙分支管A，304-泥沙分離螺旋上升管段B，305-捕沙結(jié)構(gòu)B，306-排沙分支管B，307-泥沙分離螺旋上升管段C，4-過渡直管段，5-泥沙泵送裝置，501-泵，502-集砂管，6-儲(chǔ)沙罐，7-水和水合物漿體出口管，8-水和水合物漿體儲(chǔ)罐，9-儲(chǔ)氣罐。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述。

如圖1所示，一種水合物漿體氣-沙分離系統(tǒng)，包括氣體分離子系統(tǒng)2和泥沙分離子系統(tǒng)3，所述氣體分離子系統(tǒng)2的入口與多相混合漿體儲(chǔ)罐1的出口連接，所述氣體分離子系統(tǒng)2的氣相出口與儲(chǔ)氣罐9連接，所述氣體分離子系統(tǒng)2的非氣相出口與泥沙分離子系統(tǒng)3的入口連接，所述泥沙分離子系統(tǒng)3的泥沙出口與泥沙泵送裝置5的入口連接，泥沙泵送裝置5的出口與儲(chǔ)砂罐6連接，所述泥沙分離子系統(tǒng)3的水和水合物出口與水和水合物漿體儲(chǔ)罐8連接。

所述氣體分離子系統(tǒng)2由至少一級(jí)氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)和一根集氣管210組成，氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)的氣體出口與集氣管210的入口連接，集氣管210的出口與儲(chǔ)氣罐9連接。

作為優(yōu)選地，所述氣體分離子系統(tǒng)2包括三級(jí)氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)，其中，第一級(jí)氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)由水平直管段201、過渡管段A202、下沉弧形管段A203下坡段以及氣體分離弧形支管A207組成，水平直管段201的入口與多相混合漿體儲(chǔ)罐1連接，水平直管段201的出口與過渡管段A202的入口連接，過渡管段A202的氣相出口與氣體分離弧形支管A207的下端連接，過渡管段A202的非氣相出口與下沉弧形管段A203下坡段入口連接；如圖2所示，第二級(jí)氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)由下沉弧形管段A203上坡段、過渡管段B204、下沉弧形管段B205下坡段以及氣體分離弧形支管B208組成，下沉弧形管段A203上坡段出口與過渡管段B204的入口連接，過渡管段B204的氣相出口與氣體分離弧形支管B208的下端連接，過渡管段B204的非氣相出口與下沉弧形管段B205下坡段入口連接；第三級(jí)分離弧形分支管結(jié)構(gòu)由下沉弧形管段B205上坡段、過渡管段C206、過渡直線管4以及氣體分離弧形支管C209組成，下沉弧形管段B205上坡段出口與過渡管段C206的入口連接，過渡管段C206的氣相出口與氣體分離弧形支管C209的下端連接，過渡管段C206的非氣相出口與過渡直線管4的入口連接；氣體分離弧形支管A207的上端、氣體分離弧形支管B208的上端以及氣體分離弧形支管C209的上端分別與集氣管210連接。

所述泥沙分離子系統(tǒng)3由至少一級(jí)泥沙分離結(jié)構(gòu)和一根水和水合物漿體出口管7組成，泥沙分離結(jié)構(gòu)的泥沙出口與泥沙泵送裝置5的入口連接，泥沙分離結(jié)構(gòu)的水和水合物漿體出口與水和水合物漿體出口管7的一端連接，水和水合物漿體出口管7的另一端與水和水合物漿體儲(chǔ)罐8連接。

作為優(yōu)選地，所述泥沙分離子系統(tǒng)3包括兩級(jí)泥沙分離結(jié)構(gòu)，其中，第一級(jí)泥沙分離結(jié)構(gòu)由泥沙分離螺旋上升管段A301、捕沙結(jié)構(gòu)A302、排沙分支管A303和泥沙分離螺旋上升管段B304前半段組成，泥沙分離螺旋上升管段A301的入口與氣體分離子系統(tǒng)2的非氣相出口連接，泥沙分離螺旋上升管段A301的出口處設(shè)置有捕沙結(jié)構(gòu)A302，捕沙結(jié)構(gòu)A302的第一出口與排沙分支管A303的上端連接，捕沙結(jié)構(gòu)A302的第二出口與泥沙分離螺旋上升管段B304前半段的入口連接；第二級(jí)泥沙分離結(jié)構(gòu)由泥沙分離螺旋上升管段B304后半段、捕沙結(jié)構(gòu)B305、排沙分支管B306和泥沙分離螺旋上升管段C307組成，泥沙分離螺旋上升管段B304后半段出口處設(shè)置有捕沙結(jié)構(gòu)B305，捕沙結(jié)構(gòu)B305的第一出口與排沙分支管B306的上端連接，捕沙結(jié)構(gòu)B305的第二出口與泥沙分離螺旋上升管段C307的入口連接，泥沙分離螺旋上升管段C307的出口與水和水合物漿體出口管7連接。

如圖3所示，所述捕沙結(jié)構(gòu)A302包括捕沙槽A302a和捕沙漏斗A302b，捕沙槽A302a處流體截面大于泥沙分離螺旋上升管段A301的流體截面，捕沙漏斗A302b設(shè)置于捕沙槽A302a的下方，并將捕沙槽A302a收集的泥沙通過捕沙漏斗A302b流進(jìn)排沙分支管A303內(nèi)。

所述捕沙結(jié)構(gòu)B305包括捕沙槽B和捕沙漏斗B，捕沙槽B處流體截面大于泥沙分離螺旋上升管段B304的流體截面，捕沙漏斗B設(shè)置于捕沙槽B的下方，并將捕沙槽B收集的泥沙通過捕沙漏斗B流進(jìn)排沙分支管B306內(nèi)。

所述泥沙泵送裝置5包括泵501、集砂管502和螺旋推料器，泵501安裝在集砂管502的一端，螺旋推料器置于集砂管502內(nèi)，泵501的輸出端與螺旋推料器傳動(dòng)連接。

本發(fā)明的工作過程如下：水合物漿體儲(chǔ)罐1中氣-水-水合物-沙漿體經(jīng)過水平直管段201進(jìn)入氣體分離子系統(tǒng)2中的第一級(jí)氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)，由于氣體分離弧形支管207的作用，導(dǎo)致其與過渡管段A202的連接處壓降很大，氣體被“吸入”氣體分離弧形支管207。由于第一級(jí)氣體分離弧形分支管的出口是下沉弧形管段A203下坡段，使得主管上部的氣體滯留，不易進(jìn)入下沉弧形管段A203，從而提高氣體進(jìn)入氣體分離弧形支管A207的效果。而后水合物漿體進(jìn)入第二級(jí)氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)。其入口是下沉弧形管段A203的上坡段，由于漿體經(jīng)過該管段時(shí)，其上部的氣體容易進(jìn)入氣體分離弧形支管B208，提高了弧形分支管結(jié)構(gòu)氣體分離效果；其出口是下沉弧形管段B205下坡段，具有與第一級(jí)氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)中的下沉弧形管段A203下坡段的同樣分離效果。再后水合物漿體進(jìn)入第三級(jí)氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與前兩級(jí)的氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)具有類似的分離功能和效果。三級(jí)氣體分離弧形分支管結(jié)構(gòu)所分離出來的氣體，經(jīng)過集氣管210輸送到儲(chǔ)氣罐9。主管中所剩下的水-水合物-沙的混合漿體進(jìn)入過渡直管段4。完成氣體分離后，過渡直管段4中的水合物漿體進(jìn)入第一級(jí)泥沙分離結(jié)構(gòu)，在第一級(jí)泥沙分離結(jié)構(gòu)的泥沙分離螺旋上升管段A301內(nèi)，由于沙的密度較大，在離心力的作用下，泥沙沿分離螺旋上升管段A301的外壁下部流動(dòng)，在捕沙結(jié)構(gòu)A302中，捕沙槽A302a使得流動(dòng)截面擴(kuò)大，并在其內(nèi)形成了局部螺旋流動(dòng)，泥沙在局部螺旋流和重力的共同作用下，經(jīng)過捕沙漏斗A302b收集，沿排沙分支管A303流入集砂管502內(nèi)。同時(shí)由于捕沙結(jié)構(gòu)A302的出口為泥沙分離螺旋上升管段B304，在重力的作用下，阻止了泥沙進(jìn)入主流管道，進(jìn)一步提高了泥沙分離效果。同理，經(jīng)過第一級(jí)分離泥沙后的水合物漿體進(jìn)入第二級(jí)泥沙分離結(jié)構(gòu)，其分離泥沙的功能和效果與第一級(jí)的相同。

完成泥沙分離后水-水合物沿水和水合物漿體出口管7進(jìn)入水和水合物漿體儲(chǔ)罐8，第一級(jí)和第二級(jí)泥沙分離結(jié)構(gòu)分離出的泥沙流入集砂管502內(nèi)，通過泥沙泵501驅(qū)動(dòng)集砂管502內(nèi)的螺旋推料器轉(zhuǎn)動(dòng)并將泥沙輸送到儲(chǔ)沙罐6內(nèi)。

以上所述僅是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施方式而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施方式所做的任何簡單修改，等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍。