CN102165119B - 深海开采上升器及提升系统 - Google Patents

Abstract

申请人发明了一种深海开采的方法和系统，包括用海底开采机(105)从海底开采SMS(海底块状硫化物)矿床，从所述海底开采机通过跨接管(115)泵送固体物并且将所述固体物从所述跨接管沿着上升器(130)向上泵送到水面船(195)。进一步地，申请人发明一种配置深海开采系统的方法，包括将上升器悬挂结构(705)叠置在海底泵模块的顶部之上以形成一组件；通过悬挂机构提起所述组件，将所述组件悬挂在月池(400)上，连接第一上升器接头；使所述上升器悬挂结构(705)与所述组件断开；和连接至少一个第二上升器接头以形成上升器(130)。

Description

深海开采上升器及提升系统

联邦政府资助的研究或开发

不适用。

序列表

不适用。

技术领域

这里所披露的和所教导的发明总体上涉及深海开采；并且更具体地涉及用于开采和生产固体物包括海底块状硫化物（SMS）矿床的深海开采上升器及提升系统。

背景技术

海底块状硫化物矿床，或SMS矿床，是远古火山形成的块状硫化物矿床或VMS矿床的现代等同物。SMS矿床普遍形成在围绕海底火山弧的深海中，在那里热液出口将富硫矿物流体排出到海中。SMS矿床在侧向上是广阔的并且包括围绕这样的区域的中心出口墩，在所述区域中热液循环流出，具有沉淀在海底上的松散的硫化物淤泥或软泥的宽沉积扇。最近的发现显示，SMS矿场在非常凹凸不平的海底地形中具有大约500米宽×1000米长×大约10到20米深的典型大小。水深也在从1500米到2500米的范围内。

SMS矿床的经济性抽取主要在理论阶段，最大的复杂因素是这些矿床形成在极大的水深处。这样，存在对用于开采和生产固体物，例如海底块状硫化物(SMS)矿床的深海开采上升器及提升系统的需求。

这里所披露的和所教导的发明涉及用于开采和生产固体物包括海底块状硫化物（SMS）矿床的深海开采上升器及提升系统的改进系统和方法。

发明内容

申请人发明了一种深海开采的方法和系统，包括用海底开采机从海底开采SMS矿床，从所述海底开采机通过跨接管泵送固体物和将所述固体物从所述跨接管沿着上升器向上泵送到水面船。进一步地，申请人发明了一种配置深海开采系统的方法，包括将上升器悬挂结构叠置在海底泵模块的顶部之上以形成一组件；通过悬挂机构提起所述组件，将所述组件悬挂在月池上，连接第一上升器接头；使上升器悬挂结构与所述组件相分离；和连接至少一个第二上升器接头以形成上升器。

附图说明

图1示出了使用本发明的某些方面的深海开采上升器及提升系统的一特定实施方式；

图2示出了使用本发明的某些方面的底卸阀的连接的一特定实施方式；

图3示出了使用本发明的某些方面的深海开采上升器及提升系统的顶端末梢的一特定实施方式；

图4示出了使用本发明的某些方面的将跨接管安装在卸阀的一特定实施方式；

图5示出了使用本发明的某些方面的将海底泵安装在卸阀上的一特定实施方式；

图6示出了使用本发明的某些方面的将闩锁上升器接头安装到泵模块上的一特定实施方式；

图7示出了使用本发明的某些方面的深海开采上升器及提升系统的配置的一特定实施方式。

图8示出了使用本发明的某些方面的深海开采上升器及提升系统的配置的一特定实施方式。

图9示出了使用本发明的某些方面的深海开采上升器及提升系统的配置的一特定实施方式。

具体实施方式

上面所描述的附图以及下文中的特定结构和功能的书面描述不用来限定申请人已经发明的范围或附属权利要求的范围。相反，提供所述附图和书面描述是为了教导本领域技术人员制造和使用要求专利保护的发明。本领域技术人员将会认识到，为了清楚和理解的目的，没有描述或示出本发明的商业实施方式的所有特征。本领域技术人员也将会认识到，包括本发明的一些方面的实际商业实施方式的开发将需要许多对于实现来说特定的决策以实现开发者的对于所述商业实施方式的最终目的。这种对于实现来说特定的决策可以包括，并且同样不限于，符合系统相关的、商业相关的、政府相关的和其它约束，所述约束依据具体实现、位置和时间而变化。尽管开发者的努力在绝对感觉上可能是复杂的和耗时的，然而，对于受益于本发明的本领域普通技术人员而言，这种努力将是例行工作。必须理解，这里所披露的和教导的发明允许进行多种和各种修改和可选形式。最后，单数术语的使用，例如，但不限于，“一”，不旨在限定物品的数量。而且，有关系的术语的使用，例如，但不限于，“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”、“向下”、“向上”、“侧”以及类似术语是为了清楚地参考附图而用在书面描述中的并且不旨在限定本发明或附属权利要求的范围，

申请人已经发明了深海开采的方法和系统，包括用海底开采机从海底开采SMS矿床，通过跨接管（jumper）从所述海底开采机泵送固体物并将所述固体物从所述跨接管沿着上升器向上泵送到水面船。进一步地，申请人已经发明了一种配置深海开采系统的方法，包括将上升器悬挂结构叠置在海底泵模块的顶部上形成一组件；通过悬挂机构提起所述组件，将所述组件悬挂在月池上，连接第一上升器接头；使所述上升器悬挂结构与所述组件断开；和连接至少一个第二上升器接头以形成上升器。

图1示出了用于通过在延伸到水面船的竖直上升器的底部处动态地悬挂的海底泵开采和生产包括SMS等固体物的系统，用环境安全的水面封闭循环废水系统以给海底泵提供动力。海底开采机105可以用来从海底开采固体物，包括SMS。最近的发现显示，SMS矿场具有在非常凹凸不平的海底地形中的大约500米宽×1000米长×大约10到20米深的典型大小。水深也在从1500米到2500米的范围内。所述海底开采机105可以以高达25度的斜度工作在所述凹凸不平的地形上。因此，所述海底开采机105理想地将被设计成在这些凹凸不平的深海状况下执行。所述海底开采机105能被设计成通过执行下面的步骤的任意组合来开采SMS，所述步骤包括但不限于（1）从位于海床底上的矿场挖掘SMS，（2）用安装在挖掘机上的切割机将SMS破碎成大块大小，和（3）将SMS推到压碎机中以将所述SMS压碎成易处理的大小从而确保SMS穿过跨接管115。可以想象得到海底开采机105的多种变形和实施方式。

所述跨接管115也可以被称作水平传送管或上升器传送管。所述跨接管可以被构造成“S”形并且定位在水平方向上以消除泵运动和船运动与所述海底开采机105的相互影响。当所述跨接管被构造成“S”形时它允许在所述海底开采机105和卸阀（dump valve）组件120之间有一些松弛，使得当两个装置移动时所述海底开采机105不会由于跨接管115中的张力而倾覆、翻倒或以其它方式破坏。也可以使海底泵190施加在海底开采机105上的力最小化。在不消除运动间的相互影响的情况下，施加在海底开采机105上的拉力与高张角相配合可以倾倒所述海底开采机105。

“S”形跨接管115的其它功能是提供平缓坡度和大半径以降低穿过所述跨接管115的固体物的离心力。大半径可以降低离心力和磨损。大半径的跨接管可以使产品混合物流远离颗粒碰撞磨损机理并且进入滑动磨损机理。滑动磨损的两个主要参数是流动速度V和半径R。沿着它的轴线转动跨接管115用以补偿（make up to）卸阀组件120和海底开采机105。通过这样做，浮标部分110上的弯曲的上侧向外从一个矿场转动到另一矿场，其可以增加跨接管的使用寿命。为了保持转动的轨迹，能用特殊标记保持所述跨接管115的弯曲侧的轨迹以增加使用寿命。例如，对于200米长的跨接管，卸阀和海底挖掘机之间的标称水平距离是125米+/-25米。卸阀和挖掘机之间的高度差能是+/-25米。对于具有180米总高度变化的矿场来说，上升器130的长度可以仅仅需要改变有限的次数。

所述海底开采机105可以使用多种设备和技术维持它的水平持续时间（duration）和“S”形状。首先，弹性装置，例如浮标（共同为110）可以用来将跨接管115浮在理想位置处。其次，通过使用系统控制所述水面船195，例如动态位置船舶、船舶形船或深海驳船的位置可以维持海底开采机105和卸阀组件120之间的适当距离。为了使得生产运行时间最大化并且维持跨接管115的水平“S”形状，动态位置船追踪可以用来追踪海底开采机105。为了这样做，转发器（transponder）可以安装在海底开采机105以及卸阀组件120上。可以将海底开采机105和卸阀的位置和高度提供到水面船195例如动态定位船的船上计算机用以计算海底开采机105和卸阀组件120之间的水平和竖直距离。也可以提供水平和垂直距离的操作窗。一旦这些距离在所提供的操作窗以外，可能需要调节水面船195（并且结果是卸阀组件120）的公称（nominal）位置或者上升器130的长度。例如，对于200米长的跨接管115来说，卸阀组件120和海底开采机105之间的水平距离理想地将维持在125米+/-25米并且高度维持在30米+/-25米。应当注意，由于连接，卸阀组件120可以与水面船195一起移动。可以通过移动所述水面船195来维持水面船195（并且结果是卸阀组件120）和海底开采机105之间的水平距离。然而，如果高度差在+/-25米的操作窗以外，来自短节接头组（pop jointset）的接头可能需要被添加到所述上升器130或者从所述上升器30去除掉以改变所述上升器130的长度从而补偿高度差。

在它的代表性的实施方式中，可以有意地将跨接管115的内直径的大小设置的比垂直管小以增加流速从而防止固体物停留在水平传送管的内侧。这里相对于所描述的发明使用的术语“被连接的”、“连接的”以及类似术语包括用于固定、粘合、紧固、附连、接合、连接、插入其内，或者作为或不作为一整体部件地形成在其它相关构件上、其它相关构件内或与其它相关构件一起形成的任何方法或装置。在已经通过海底开采机105开采了固体物之后，通过跨接管115可以传送固体物，所述海底开采机105连接到跨接管115。

然后可以将固体物传送通过卸阀组件120、向上通过上升器主管125到达水面船195。海底泵190可以被构造成两个子模块，其中一个子模块对于部分生产来说是足够的。一个注水管135被布置成给一个泵子模块提供动力，用于冗余规划。卸阀组件120内侧的海底泵190可以被动地悬挂在上升器130的底部处。

为了维持上升器的形状，防止与相邻装备碰撞，并且减少沿着上升器130的循环应力强度，适当的张力对于任何竖直上升器系统，包括上升器130来说可能都是重要的，尤其是在这个水深中。通过将海底泵190放置在上升器130的底部处，由于所述海底泵190的重力，整个上升器130可以受到所需要的上升器张力。在优选实施方式中，理想的张力系数可以大于1.2。张力系数被定义为顶端张力与上升器绳的水下重量的比值。例如，如果重量为100到150吨的泵模块放置在底部处并且上升器的外直径是十三到十四英寸，其中厚度为半英寸到四分之三英寸，可以获得1.2的张力系数。

这里所描述的系统可以被理想地设计成具有将固体物，尤其是SMS从深海底提升到水面的泵送动力和功率。进一步地，竖直上升器，或者简单的上升器130可以被设计有如同上面所讨论的那样的适当张力，用以应付流动引起的振动，水流和船运动引起的疲劳。当到达所述上升器130的顶端时，可以使固体物，例如SMS脱水。脱水而得到的废水可以被泵送到水面处或者优选为被泵送到注水管135A和135B中（统称135），所述注水管135A和135B可以被挂附（piggy back）在上升器主管125上（两者都包括在上升器130中），向下到泵模块190的压缩室。废水能用来给泵190的压缩室提供动力以将固体物提升到水面船195。然后能在排到海底中之前将废水排到扩散器中以减小废水速度和压力。为了避免废水处理形成的侧载荷和铅垂（pluming），可以将海底扩散器设计在排出管的端部以水平地排出废水，并且在水平方向上排出力平衡。废水和注水管135的这种布置形成用于废水处理的水面封闭循环。在这个实施方式中，废水被用来给海底泵190提供动力并且然后在海底面处被排到海里。结果是，从海底开采的所有固体物被收集在水面船中作为固体物产品，或者作为废水残渣被排回到海底中。循环废水的过程可以发生在大约15分钟内。这种类型的布置可以形成水面封闭循环的废水系统。接近海底而不是接近海平面地排出废水是环境友好的并且允许废水给海底泵190提供动力。进一步地，因为废水沿着这个实施方式的单个上升器130向下行进，这个实施方式在没有额外的上升器的情况下在海底附近排出废水。

可能有卸阀组件120可能需要与上升器130断开并且因此与水面船195断开的情形。例如，在动态（dynamic）系统故障的情况下，卸阀组件120的顶端装备有（1）海底远程操作车（ROV）或（2）泵动力组操作的液压连接器，其能断开以防止跨接管115过渡延伸或者海底开采机105倾倒。所述ROV可以保持在备用状态以执行断开程序。为了断开卸阀组件120，ROV可以抓持海底泵190上的控制面板的跨接管把手棒。可以为紧急断开准备船上的阀顺序。所述ROV然后可以断开卸阀组件120和上升器130之间的液压连接器。如果ROV不是可用的或者所期望的，另一选项可以是将液压连接器的液压线路连接到海底泵190的控制面板。用于从泵控制面板发送液压或电信号的控制管缆可以被安装在水面船195的控制室中。一旦断开了，卸阀组件120与水平跨接管115可一起跌到海底。可以执行恢复程序以收回卸阀组件120和水平跨接管115。

在浆液的传送中有至少两种类型的磨损机理；（1）滑动磨损和（2）颗粒碰撞磨损。对于图1.0中所示的竖直上升器构造来说，除了底部处的泵出口和顶端弯管出口之外，主上升器的竖直部分主要承受滑动磨损。这些非线性区域将具有围绕突变部分的紊流和涡流，其可能引起磨损和磨耗效果。对于竖直的上升器部分来说，可以选择高强度并且仍然易延展的材料，且壁厚容许八分之一英寸的磨损容限，以应付潜在的磨损。流体中的未知的颗粒尺寸分布、硬度、PH值和体积浓度的组合都指向用于量化未来方案的磨损系数的事后（post facto）测试程序。竖直上升器的重要区域中的壁厚的外直径超声原位周期检查可以提供一种确保剩余的生产周期有足够的壁厚的方式。对于紊流可能占主导地位的泵出口来说，可是实现为具有高铬含量的锻件，半英寸磨损容限。上升器系统外直径也可以被涂覆有热喷涂的铝，且正极放置在泵模块中并且在月池附近。可以增加沿着整个上升器的电连续性以改进防腐蚀系统。用上面所描述的系统和方法可以使磨损和腐蚀的相互作用最小化。

图2示出了悬挂在海底之上，优选在海底之上大约三十米的泵的底部。这个距离对于确保在生产操作期间海底泵190的底部不接触海底来说是理想的。当上升器130中的固体物下落并堆积在上升器130的底部时，例如当水动力被中断或者泵送动作停止时，泵附近的卸阀组件120可能是所期望的。为了去除掉下落的固体物，可以打开卸阀组件120以允许卸出累积的固体物并且重新开始生产。用ROV打开手动操作阀或者来自海底泵190的动力单元协助的操作来打开和关闭卸阀组件120。可能需要全径通道和斜道以快速地卸出固体物并且将固体物引导的远离海底泵190顶部。ROV可以用来确保固体物不阻塞上升器130和关闭卸阀组件120用以恢复生产。

图3示出了用于环境安全的废水处理和提升系统冗余的双水面封闭循环注水管135。该图示出了上升器系统的顶端末梢，其中上部末梢筒或弯曲接头170被支撑在支撑容器中，所述支撑容器进而被支架梁结构145支撑。图3中也示出了从脱水系统到上升器130的顶部的双注水管135A和135B（统称135）。生产的固体物和水的混合物可以通过水面产品筒165卸到脱水漏斗中。可以通过过滤器150过滤废水并且将它泵送到注水管135中。注水管135可以被捆绑到主上升器管125。

图4到6示出了用于配置（deploy）和回收上升器及提升系统的台架及起重系统的代表性的实施方式。图4到6示出了代表性的上升器及提升系统的安装顺序。卸阀组件能是出现在月池400中并且出现到支架梁145上的第一个组件。月池可以被设计成是足够大的开口以允许海底泵190通过。跨接管115可以存储在筒上。悬缆管（messenger line）能被安装并且从月池连接到水平跨接管的拉头。在ROV的协助下，跨接管115能竖直地出现在月池，如同在图4中所示的那样。跨接管115的上端连接到卸阀组件120的侧部入口。由于偏心的载荷，支架145能被设计成将卸阀组件120和跨接管115组件支撑和保持为竖直用以连接到海底泵190。出于安全的原因，液压连接器组件能被组装在海底泵190的底部的下面，其中液压管道线接到泵控制接口（interface）。如同在图5中所示的那样，接下来能将两个注水管容器组装到凸液压连接器。液压连接器可以落在凸液压连接器上，同时将注水管插在容器中。O-环形式的密封件可以用来将注水管密封靠在它们的容器上。在液压连接器正确地位于卸阀的顶部上之后，可能需要伪ROV热插入以致动液压锁定功能。液压连接器上的指示棒能显示液压连接器的正确构成。然后可以用台架180提起海底泵190。如同在图6中所示的那样，支架梁145可以打开以允许泵穿过然后关闭以将海底泵190支撑在过渡接头处。第一上升器接头能出现在月池140然后连接到泵的顶部。同样的过程用来进行整个上升器串。

图7-9分别示出了使用本发明的某些方面的深海开采上升器及提升系统的配置的特定实施方式。图7示出了上升器悬挂结构705，其可以是焊接件，其配合在月池顶部处的凸架中并且在安装和开采操作期间支撑上升器。具有装有万向接头的上升器支架的上升器悬挂结构（RHS）705可以叠置在海底泵190的顶部上。然后作为组合后的组件，可以用台架钩700提起组合后的组件720。图8示出的组合后的组件720可以降低并且悬挂在月池140上。可以包括月池顶部处的“凸架”以容纳和支撑上升器悬挂结构705。如同在图9中所示的那样，当钩利用上升器130的第一上升器接头提起海底泵190的重量时，上升器悬挂结构705与海底泵190断开并且提起和安装上升器130的其余部分。

进一步地，塔架185能居中地设置在月池之上。可以将上升器管从狭小通道（catwalk）输送到架塔用以安装。塔架的任一侧上的狭小通道可以各自具有上升器狭小通道筒工具（candling tool），其可以接收通过吊杆起重机输送的管并且将它输送到塔架的中心。可以有在塔架前面和后面的管架715A和715B（统称715）。一个管架可以具有支撑在它上面的导轨（skid）。优选地，在配置这些管之前这些导轨是不挡道的（配置在海底或被移位）。海底泵和各导轨将经由传送滑道被输送到塔架的中心，这是与拉工作相反的。传送滑道能从甲板起重机接收装备并且能根据安装的需要将装备滑到月池的中心管或者用来支撑软管卷盘。根据需要，塔架能是包括光、通讯、工业空气和液压供应。起重装备，其能用来配置上升器和泵系统，由绞车、定滑轮、具有独轮滑台和卡板的动滑轮以及升降机组成。多功能气动绞车也可以定位在塔架下的主甲板上以帮助上升器处理操作。

将上升器悬挂结构705“叠置”在海底泵190上的过程允许简单的台架设计，而不需要具有用液压滑动的或铰接的支撑结构的复杂结构。也可能期望从下面悬挂或支撑海底泵190，同时起动液压滑动的或铰接的支撑结构。

在不脱离申请人的发明的精神的情况下能设计出使用上面所描述的发明的一个或多个方面的其它的和进一步的实施方式。进一步地，深海开采上升器及提升系统的各种方法和实施方式能被彼此结合地包含在一起以产生所披露的方法和实施方式的变形。单数元件的讨论能包括复数个元件并且反之亦然。

步骤的次序能以多种顺序进行，除非以其它方式特别限定。这里所描述的各种步骤能与其它步骤相结合、插入所陈述的步骤、和/或分成多个步骤。类似地，已经功能地描述了元件并且元件能被具体表达为独立的部件或者能被结合到具有多个功能的部件中。

在优选的和其它实施方式的上下文中已经描述了本发明并且没有描述本发明的每个实施方式。所描述的实施方式的显然的修改和改变对本领域普通技术人员而言将是显然的。所披露的和未披露的实施方式不旨在限定或限制申请人构思的发明的范围或适用性，相反，遵照专利法，申请人旨在全部保护所有这种对落入到下面的权利要求的等同权利要求的范围之内的修改和改进。

Claims (16)

1.一种在海底上深海开采的方法，包括：

用海底开采机从海底开采固体物；

从所述海底开采机通过跨接管泵送所述固体物；

将所述固体物从所述跨接管通过上升器泵送到水面船；

监测所述海底开采机和至少一个海底泵模块之间的距离；和

调节所述海底开采机和所述至少一个海底泵模块之间的距离，以确保两者之间的距离保持在容差之内，从而使作用在所述海底开采机上的力最小。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述固体物包括海底块状硫化物矿床。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括使所述固体物脱水。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述海底附近排出用来泵送所述固体物的一些废水。

5.如权利要求1所述的方法，其中由至少一个海底泵执行所述泵送。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述跨接管是“S”形。

7.如权利要求1所述的方法，进一步包括将卸阀组件连接到所述泵模块。

8.如权利要求1所述的方法，进一步包括将一些废水泵送到挂附在所述上升器上的注水管中。

9.如权利要求8所述的方法，其中从所述跨接管泵送所述固体物包括用具有压缩室的泵模块进行泵送，并且进一步包括用来自所述注水管的废水给所述压缩室提供动力。

10.一种在海底上的深海开采系统，包括：

连接到基本水平的跨接管的海底开采机，

连接到所述基本水平的跨接管且远离所述海底开采机的泵模块；

连接到所述泵模块的上升器系统；和

连接到所述上升器系统且远离所述泵模块的水面船；

其中从海底开采固体物并且将该固体物泵送到所述水面船；

其中所述水面船包括监测所述海底开采机和所述泵模块之间的距离的计算机，所述水面船适于调节所述海底开采机和所述泵模块之间的距离，以确保两者之间的距离保持在容差之内，从而使作用在所述海底开采机上的力最小。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述固体物包括海底块状硫化物矿床。

12.如权利要求10所述的系统，进一步包括用来从脱水后的固体物泵送废水的泵。

13.如权利要求10所述的系统，其中在海底附近排出一些废水。

14.如权利要求10所述的系统，其中所述泵模块是位于海底附近的海底模块。

15.如权利要求10所述的系统，进一步包括适于允许一些废水从其流过的注水管，其中所述注水管挂附在所述上升器系统上。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述废水给所述泵模块的压缩室提供动力。

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