CN103717835B - 用于海底堆存的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于海底堆存的设备，所述设备具有泥浆入口和壁，所述泥浆入口经由泥浆运输管道接收来自海底工具的泥浆，所述壁与海底一起限定出具有堆存体积的空腔。所述壁大体上由诸如过滤织物或土工布之类的渗透性材料制成，所述渗透性材料收集并容纳存在于从所述泥浆入口接收的泥浆中的海底材料同时允许将水从泥浆中排出。在优选的形式中，所述海底堆存设备为具有开放的底部的罩，所述开放的底部位于海底表面上。

Description

用于海底堆存的设备及方法
技术领域
本发明总体上涉及水下采矿，尤其涉及一种用于海底堆存的设备。具体地，本发明涉及但不限于一种海底堆存设备，所述海底堆存设备接收来自至少一个海底工具的海底材料(通常为矿浆)，并且所述海底材料能够通过所述海底堆存设备被采集以转移到水面船只上。
背景技术
海床开采通常通过挖掘来进行，例如以打捞有价值的冲击砂矿或保持水路可航行。吸入式挖掘涉及对靠近待发掘的海底材料的管道或导管的采集端部进行定位和使用地面泵来产生负压差以将水和附近的移动的海底沉淀物吸进所述管道。铰吸式挖掘进一步提供了铰头，所述铰头位于吸入口处或靠近吸入口以释放被吸进所述导管的压紧的泥土、碎石或甚至硬岩石。大的铰吸式挖掘机能够应用数万千瓦的切削功率。其它的海底挖掘技术包含钻吸式、喷气升力式、气动提升式和斗式挖掘。
大多数挖掘设备通常仅在数十米的深度操作，即使非常大的挖掘机具有差不多为100米的最大挖掘深度。因此，挖掘通常限于相对浅的水域。
水下钻井(例如，油井)能够在多达数千米深度的较深水域中操作。然而，海底钻井采矿技术不能使海底采矿成为可能。
对包含在本说明书中的文件、法条、材料、设备、文献或类似物的任何讨论仅是为了提供本发明的背景。这并不表示承认任何或所有的这些内容在本申请的优先权日之前形成了现有技术基础的部分或是与本发明相关的领域中的公知常识。
在本说明书全文中，词语“包含”或例如“包括”或“含有”的变形应被理解为意指包括所述元件、整体或步骤或所述元件、整体或步骤的组，但不排除任何其它的元件、整体或步骤或元件、整体或步骤的组。
发明内容
根据一个方面，本发明提供了一种在使用中位于海底的海底堆存设备，所述设备包括：
泥浆入口，所述泥浆入口用于附连泥浆运输管道并且用于接收来自海底工具的泥浆；以及
壁，所述壁大体上限定具有堆存体积的空腔，所述壁构造成将存在于所述泥浆中的海底材料收集并保持在所述设备中同时允许将存在于所述泥浆中的水从所述设备排出。
优选地，所述海底堆存设备是罩。优选地，所述罩具有开放的底部。优选地，所述空腔由所述壁和所述海底堆存设备所位于的海底表面一起来限定。优选地，所述罩可以重新定位，并且所述壁的至少一部分是在所述海底堆存设备运动期间减小阻力载荷的可动段。所述运动可以是所述海底堆存设备的调配、海底重新定位或恢复。
优选地，所述壁的至少一部分是透水的。优选地，所述壁的至少一部分包括过滤材料(例如，土工布)和/或过滤结构(例如，倾斜板或管式沉淀器)，所述过滤结构允许水排出的同时保留所需的海底材料。在优选的形式中，所述海底堆存设备的壁包括过滤材料部分和过滤结构部分，优选地，所述过滤材料部分和所述过滤结构部分分别为土工布部分和倾斜板或管式沉淀器部分。
优选地，所述过滤材料能够翻转地安装，使得翻转安装所述过滤材料导致所述过滤材料面朝内的表面变成面朝外。所述过滤材料的可翻转的安装可存在一些优点，例如，当细粒海底材料累积在所述过滤材料上时对所述过滤材料选择性地清洁的能力(如进一步的堆存操作将易于冲洗所述累积物使其离开外表面)。
优选地，所述海底堆存设备进一步包括摩擦减小机构，所述摩擦减小机构可用来减小所述海底堆存设备和海底表面之间的干摩擦(静摩擦)，当从海底提升所述设备时，所述海底堆存设备位于所述海底表面上。所述摩擦减小机构可包括一个或多个邻近于所述设备的底部部分的流体出口。优选地，所述流体出口大致朝向海底。在使用中，优选地，所述流体出口使邻近于所述海底堆存设备的沉淀物和海底材料流化。
替代性地或附加地，所述摩擦减小机构可包括可动壁。优选地，所述可动壁容纳在所述设备的壁的内部并且包围容纳在所述设备内的海底材料。优选地，在所述设备的提升期间，所述可动壁相对于所述设备的壁枢转。随着所述可动壁枢转，优选地，所述可动壁远离容纳在所述设备内的海底材料进行侧移。
优选地，所述设备具有至少一个用于提升和操纵所述设备的提升附件。优选地，所述提升附件与至少能够提升所述设备的运动系统接合。可以提供偏离所述设备的中心轴线的、优选地位于所述设备的外边缘上或邻近于所述设备的外边缘的偏置提升附件。优选地，在所述设备的再布置期间，所述偏置提升附件导致所述设备被提升一定角度。
优选地，所述海底堆存设备由至少两个模块形成，所述至少两个模块构造成用以从水面船只单独地进行调配并且用以进行水下互连。水面船只调配系统的最大调配能力可存在对所述海底堆存设备的尺寸的约束，并且因此，在一些实施例中，所述海底堆存设备形成为两个或多个模块，所述两个或多个模块构造成用以进行单独的表面调配，并且构造成用以一旦在水下和/或在海底上进行互连。例如，在一些实施例中，一旦由两个或多个模块形成，所述模块化的海底堆存设备可达到25米的直径并且达到100吨的浮重。
在本发明的实施例中，所述海底堆存设备可包括料堆移除设备，所述料堆移除设备使堆存在所述海底堆存设备内的材料能够以泥浆的形式被移除。所述料堆移除装置可包括敞开的孔口(例如，所述海底堆存设备中的门)，当敞开时，所述孔口允许海底机器的杆式安装的吸入口被引入到所述海底堆存设备中以采集堆存的材料(优选地，呈泥浆形式)，并且当封闭时，所述孔口约束所述堆存的材料。替代性地或附加地，所述海底堆存设备的料堆移除设备可包括吸入口和被安装在所述海底堆存设备上并延伸至所述海底堆存设备中的泥浆运输管道，使得所述海底堆存设备的吸入口被放置在适当的位置以使堆存的材料移动和提取所述堆存的材料。
本发明的所述实施例承认收集海底材料所需的泥浆流速能够显著地不同于(例如，通过立管和提升系统)将泥浆提升到水面船只所需的泥浆流速，并且因此利用海底堆存设备提供了所述流速的相异(decoupling)。各自的流速可因此分别被优化。例如，到所述海底堆存设备的泥浆流速可例如为大约3000立方米/小时(矿石浓度为大约3％)，而到水面船只的泥浆流速可大约为1000立方米/小时(平均的矿石浓度大约为12％)。
在本发明的实施例中，优选地，所述海底堆存设备被配置为使得当被放置在海底的相对平坦的部分上时，所述海底堆存设备形成了罩，所述罩以最小化缓慢沉淀的微粒(在此指的是细粒)的损失的方式完全地包围堆存体积。在所述实施例中，为了容置大体积的泥浆入流量，所述罩优选地允许水从堆存体积排出，以便从泥浆中过滤和收集海底材料。为此，优选地，所述罩的壁的很大的表面面积由保留细粒的同时允许水从所述罩中排出的过滤材料形成。优选地，所述过滤材料的等级(为尺寸，低于所述尺寸时固体颗粒能够穿过所述过滤材料)被选定成最大化细粒含量的同时允许离开所述罩的必需的水流速度以适应流入所述罩中的泥浆。例如，所述过滤材料可包括50微米等级的隔泥幕。优选地，所述海底罩包括支撑所述过滤材料的空间框架，使得所述罩的壁由所述过滤材料形成。
从流入所述罩中的泥浆收集细粒会在以下两方面是有利的：环境方面，避免了海底材料的羽流状漏泄(escapeofplumes)；以及操作方面，因为这些细粒提供了30％或更多的期望被收集的海底材料。
料堆罩可具有成角度的壁，所述壁形成了大致截头圆锥形，所述壁成一角度以近似于矿石堆的预期的倾斜角，以便避免堆存的矿石堆在所述壁上施加大的向外的压力。
进一步，本发明提供了一种海底堆存设备，所述海底堆存设备在一些实施例中适于调配在很深的水域处。例如，一些实施例可在大于大约400米的深度(更优选地大于1000米并且更优选地大约1500米的深度)处操作。然而，应明白，本发明的一些实施例还可在100米浅的水中或其它相对浅的水下应用中存在有用的海底采矿选项。因此，应明白，参考海底或海床并不意在将本发明的应用排除在湖底、河底、峡湾底、海峡底、海湾底、海港底或其它(无论是盐水、淡盐水或淡水)的采矿或挖掘之外，并且这些应用包含在本说明书的范围内。
附图说明
本发明的示例将参考附图来描述，在附图中：
图1为水下系统的简化图，所述水下系统使用了根据本发明的一个实施例的堆存罩；
图2a-2f示出了根据本发明的实施例的堆存罩；
图3示出了从所述料堆进行采集；
图4a和图4b示出了重叠的料堆；
图5示出了具有倾斜的沉淀器板的堆存罩的剖视图；
图6示出了具有提升点的堆存罩的剖视图；
图7示出了具有摩擦减小机构的堆存罩的剖视图；
图8a示出了另一摩擦减小机构处于止动位置的剖视图；以及
图8b示出了图8a中示出的摩擦减小机构处于提升位置的剖视图。
具体实施方式
图1为根据本发明的一个实施例的水下系统100的示意图。油井塔102和脱水设备104被安装在远洋生产支援船只(productionsupportvessel，PSV)106的形式的水面船只上。PSV具有矿石运输设备以将打捞的矿石装载到货船108上。
本实施例提供了在2500深度附近可操作的系统100，然而，替代性的实施例可涉及用于3000米深度或更深深度的操作。在生产操作期间，一个或多个海底采矿工具(seafloorminingtool，SMT)112被使用以开采来自海床110的海底材料(优选地，矿石)。
由所述海底采矿工具112开采的矿石通过切割和泵送以泥浆的形式从所述海底采矿工具112穿过料堆运输管道(stockpiletransferpipe，STP)128采集到海底堆存设备124。所述海底堆存设备124从所述泥浆收集矿石的同时允许水排出所述泥浆。
采集工具114经由门220(见图2a)将杆式安装的吸入口插入到所述海底堆存设备124中，以从所述海底堆存设备124内部采集泥浆形式的矿石。于是，所述泥浆被运输到立管122的底部，其中，水下提升泵118经由刚性立管122(图1中中断地示出，并且在所述实施例中可达到2500米的长度)将所述泥浆提升到PSV106上。在所述PSV106处，所述泥浆通过所述设备104来脱水。废水在压力的作用下返回到海底以为所述水下提升泵118提供充装压力。脱水的矿石被卸载到运送货船108上以在被运送到加工站之前被运送到料堆设备上。
图2a-2d更详细地示出了呈堆存罩124的形式的堆存设备。所述堆存罩124包括运输管道接头202和204，所述运输管道接头202和204是水下软管接头以允许多个海底工具112同时地将矿石采集到所述堆存罩124中。泥浆流由所述运输管道接头202和204大致竖直向下引导。所述罩124进一步包括提升装置206的形式的提升附件以用于所述罩124的调配、布置和恢复。
所述堆存罩124具有包括板208的壁，所述板208与所述海底110一起限定出用于堆存海底材料的空腔(图3中示出)。所述板208可拆卸并且由框架212形成，所述框架212具有呈土工布覆盖件214的形式的透水层。
由于所述堆存罩124的大的几何形状，存在由于所述土工布覆盖件214引起的与所述设备有关的大的水的附加质量。所述附加质量引起水提升阻力显著地增加超过常规提升的阻力。因此，在此实施例中，所述土工布覆盖件214能够在任何提升操作发生之前被旋转以与运动的方向对准。所述板208能够在所述堆存罩124的运动期间被打开以减小水阻力。所述土工布覆盖件214减小了排流速度以允许较大的土石颗粒沉降并且保留大于30-60微米的细粒。在横越过滤材料的压差由于过滤孔堵塞而上升的情况下，设置有安全阀或翻板以避免破坏所述过滤材料。
如图2b所示，所述堆存罩124由两个模块124a和124b形成，所述两个模块124a和124b能够分别从水面船只调配并且接着在海底结合到一起。这种布置允许所述堆存罩124总体上超过水面船只的调配系统的质量限制。图2c为所述堆存罩124的平面视图，而图2d为所述堆存罩124的正视图。
在提升和降低的操作期间，所述罩的阻力很大。为了减少所述阻力，需要允许水穿过所述结构流动。图2e和2f示出了分别处于封闭和敞开位置的、位于所述堆存罩124的顶部的开口翻板210，所述开口翻板210减少了所述罩运动期间的阻力。
供应在所述堆存罩124的设计中形成以通过采集机器300经由呈翻板220的形式的门进入，所述翻板220包括橡胶板，所述橡胶板具有适当配置的狭缝以允许呈所述采集机器300的杆式安装的吸入口302的形式的采集部分穿过所述翻板220被插入。所述翻板220被设置在多个位置处以提供从所述料堆的所有侧部的采集，并且不需要任何动力产生作用。所述翻板220被设计为在不使用所述采集机器300时避免泥浆的过度泄露。
因此，所述实施例过滤了从一个或多个海底生产工具泵送的成流的矿浆。所述泥浆为高体积流并且泥浆速度需要被减小以允许矿石从所述流沉淀到海底上。所述堆存罩124减少了从所述泥浆流遗失的矿石的数量并且被设计为最小化在所述堆存罩124重新定位时产生的矿石堆的干扰。所述堆存罩124能够由船只上的桥式吊车来移动以便重新可用。
由于所述堆存罩124的大体积和在所述土工布覆盖件214中被覆盖的大的表面区域，泥浆的流入在所述堆存罩124内部被减慢。所述泥浆中的较大的矿石微粒在缓慢流动区域中最快沉淀到料堆上。大体积的泥浆以低速穿过所述土工布覆盖件214移动，使得所述土工布覆盖件214过滤来自所述流的缓慢沉淀的微粒。
图3示出了采集机器300，所述采集机器300从所述堆存罩124内的料堆500采集矿石。在图3中，为了清楚起见，没有所述土工布覆盖件的所述堆存罩124被示出。使所述土工布覆盖件位于合适的位置，所述采集机器300的采集部分302穿过所述堆存罩124的翻板220被插入。图3还示出了被包含在所述堆存罩124内的充满的料堆502的尺寸。
图4a和4b示出了通过使用具有刚性裙缘310的罩124来增大标准的料堆500的尺寸的方法。所述裙缘310为所述料堆500中的矿石提供支撑，从而允许所述堆存罩124超量装载，这在非承重的罩壁的情况下是不可能的。所述方法包括用满溢的料堆504来超量装载所述堆存罩124，将所述堆存罩124提升离开满溢的料堆504；允许所述满溢的料堆504滑塌成滑塌的料堆506，并且然后将所述堆存罩124放置在所述滑塌的料堆506的顶部上。
图5示出了所述堆存罩124的实施例，其中，所述土工布覆盖件214中的一些已经被呈倾斜的沉淀器216的形式的过滤结构代替。所述倾斜的沉淀器216(可以是倾斜板或倾斜的管式沉淀器)允许水向上流动离开所述堆存罩124的同时收集沿所述倾斜的沉淀其216的倾斜表面向下滑动至所述堆存罩124中并滑动到所述料堆500的固体。所述倾斜的沉淀器216具有每平方米的流出横截面积的增大的沉淀面积，这相对于仅使用土工布覆盖件214增大了沉淀速度，从而允许所述堆存罩124的沉淀能力被增大和/或保持相同的输出能力的同时所述堆存罩124的尺寸被减小。可以设想，整体上的壁能够包括倾斜的沉淀器216，如所示出的，所述倾斜的沉淀器216代替了具有土工布覆盖件214的部分。
图6示出了具有呈偏置提升点218的形式的偏置提升附件的堆存罩124。所述偏置提升点218被定位在所述堆存罩124的侧部并且允许所述堆存罩124通过提升装置218＇以一定角度被提升。通过使用所述偏置提升点218来以一定角度提升所述堆存罩124，防止所述堆存罩124被提升的静摩擦或静态阻力被减小。关于这点，少量的外围沉淀物501能够绕所述堆存罩124的周围累积，所述沉淀物501与所述料堆500一起在所述罩124和所述海底110之间产生静摩擦。
通过从偏置提升点提升所述堆存罩124，所述堆存罩124位于所述偏置提升点218下方的侧部首先被提升，从而减小了需要克服所述静摩擦的总临界摩擦力。一旦所述静摩擦被克服，所述堆存罩124于是能够通过使用中心提升装置206来被提升并且被操纵。
图7示出了同样有助于减小所述堆存罩124和所述海底110之间的静摩擦的摩擦减小机构。被连接到STP128上的运输管道接头202和204具有分流阀，所述分流阀能够被启动以将一些流量沿所述导管222向下转移到位于输送堆存罩124的底部处、呈管嘴224的形式的流体出口上。当所述分流阀被启动时，由泥浆泵系统泵送的水被泵入所述导管222中并从所述管嘴224中泵出。所述水松开绕所述堆存罩124的外围的材料(包含外围沉淀物501)，这减小了所述堆存罩124和所述海底110之间的摩擦。一旦静摩擦力被克服，所述堆存罩124相对容易操纵。可以设想，代替水的空气或其它流体能够从所述管嘴224中喷射。
图8a和8b示出了另一摩擦减小机构，所述另一摩擦减小机构可代替图7中示出的上述摩擦减小机构来被使用或除了图7中示出的上述摩擦减小机构之外被使用。图8a和8b中的摩擦减小机构具有位于所述堆存罩124的内部的可动壁230。所述可动壁230能够相对于所述堆存罩124的侧部枢转。如图8a所示，所述料堆500被保存在所述堆存罩124的可动壁230内。随着所述堆存罩124被提升，如图8b所示，所述可动壁230向下枢转并远离所述料堆500。所述动作有效地消除了所述堆存罩124和所述海底110之间的静摩擦力。
本领域技术人员应明白，在不超出如宽泛描述的本发明的实质或范围的情况下，可对如具体实施例中示出的本发明作出许多变形和/或修改。因此，本发明的实施例在所有方面都被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (25)

1.一种在使用中位于海底的海底堆存设备，所述设备包括：
泥浆入口，所述泥浆入口用于附连泥浆运输管道并且用于接收来自海底工具的泥浆；以及
具有开放底部的罩，所述罩包括壁，所述壁大体上限定具有堆存体积的空腔，所述壁构造成将存在于所述泥浆中的海底材料收集并容纳在所述设备中同时允许将存在于所述泥浆中的水从所述设备排出。
2.根据权利要求1所述的海底堆存设备，其中，所述壁和所述海底堆存设备所位于的海底表面一起限定出所述空腔。
3.根据权利要求1所述的海底堆存设备，其中，所述壁是透水的。
4.根据权利要求3所述的海底堆存设备，其中，所述壁的至少一部分包括过滤材料。
5.根据权利要求4所述的海底堆存设备，其中，所述过滤材料能够翻转地安装，使得翻转安装所述过滤材料导致所述过滤材料面朝内的表面变成面朝外。
6.根据权利要求4所述的海底堆存设备，其中，所述过滤材料为土工布。
7.根据权利要求3所述的海底堆存设备，其中，所述壁的至少一部分包括过滤结构。
8.根据权利要求7所述的海底堆存设备，其中，所述过滤结构为倾斜板或管式沉淀器。
9.根据权利要求1所述的海底堆存设备，进一步包括能够在储存位置和行进位置之间进行运动的可动部分，其中，在所述海底堆存设备运动期间的阻力载荷在处于所述行进位置时减小。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的海底堆存设备，进一步包括至少一个减小所述海底堆存设备和海底之间的静摩擦的摩擦减小机构。
11.根据权利要求10所述的海底堆存设备，其中，所述摩擦减小机构包括一个或更多个邻近所述海底堆存设备的底部部分的流体出口。
12.根据权利要求11所述的海底堆存设备，其中，所述一个或更多个流体出口经由导管流体连接到所述泥浆入口中的分流阀。
13.根据权利要求11所述的海底堆存设备，其中，所述一个或更多个流体出口大致朝向海底。
14.根据权利要求11所述的海底堆存设备，其中，所述一个或更多个流体出口包括管嘴。
15.根据权利要求10所述的海底堆存设备，其中，所述摩擦减小机构包括可动壁。
16.根据权利要求15所述的海底堆存设备，其中，所述可动壁优选地容纳在所述海底堆存设备的壁的内部并且包围容纳在所述设备内的海底材料。
17.根据权利要求15所述的海底堆存设备，其中，所述可动壁相对于所述海底堆存设备的壁枢转。
18.根据权利要求1所述的海底堆存设备，进一步包括提升附件。
19.根据权利要求1所述的海底堆存设备，进一步包括偏置提升附件，所述偏置提升附件偏离所述海底堆存设备的中心轴线。
20.根据权利要求19所述的海底堆存设备，其中，所述偏置提升附件被定位成相邻于所述海底堆存设备的外边缘。
21.根据权利要求1所述的海底堆存设备，其中，所述海底堆存设备由至少两个模块形成，所述至少两个模块构造成用以从水面船只单独地进行调配并且用以进行水下互连。
22.根据权利要求1所述的海底堆存设备，进一步包括料堆移除设备。
23.根据权利要求22所述的海底堆存设备，其中，所述料堆移除设备包括所述海底堆存设备的壁的至少一个壁中的敞开的孔口。
24.根据权利要求1所述的海底堆存设备，其中，所述壁是有角度的，从而形成了大致截头圆锥形。
25.根据权利要求1所述的海底堆存设备，进一步包括围绕所述海底堆存设备的外周的刚性裙缘。
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