CN103857922A - 气泡举升系统以及气泡举升方法 - Google Patents

气泡举升系统以及气泡举升方法 Download PDF

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Abstract

在气泡举升系统(10)中，在上升管(11)上端部设置加压室(21)，通过将上升管(11)上部的内部加压，抑制浅水深区域处的在上升管(11)内上升的混合流体中的气泡的体积比例增加。由此，不将上升管(11)的上端大气开放，而是引导至压力高的加压室(21)内部，从而抑制气泡以及气体的膨胀，另外，在上升管(11)中途的浅水深区域处还设置将离心分离的气泡脱气的脱气装置(14)，在上升管(11)的内部整体，使气泡更均等地分布。由此，成为高效且在大水深区域处也能够采用的气泡举升系统(10)以及气泡举升方法。

Description

气泡举升系统以及气泡举升方法
技术领域
本发明涉及用于将水深较深的海底、湖底、河底等水底、或者进而将水底下方的地中的沙、堆积物、矿物等固态状物质、液体状物质提升至水面上的气泡举升(気泡リフト)系统以及气泡举升方法。
背景技术
为了从缺乏自喷压力的海底油田高效地提升与海水相比轻一些的重质油，气体举升技术广泛地利用于原油生产。该技术通过将质量相对地小到能够忽视的程度的气体注入上升管(ライザー管)内部的液体中，来使管内的液柱压力降低该体积比例量，在上升管的下端部处产生由上升管外部的海水的压力、油层压力引起的挤压力。确认了在比重较大的矿物中，也能够通过使之成为较细地打碎并与海水等混合的泥浆(slurry)而有效地使用气泡举升(包括空气举升或者气体举升)技术。
作为此种示例，例如，如日本申请的特开2005-291171号公报所记载的那样，提案有以能够去除在海、湖、水坝、储液槽的底部沉淀并压缩的沙土、污泥等堆积物，并且扬液能力高的高效的装置为目的的气泡喷流式空气举升泵等，该气泡喷流式空气举升泵包括用于使水和空气在内部上升的空气举升上升器(ライザー)(上升管)、以及在空气举升上升器的底部设置的用于喷出混合了气泡的水的气泡喷流发生装置。
在此种比重与周围的液体(海水、水)相比相当大的泥浆、沙土、污泥等(以下，统称为泥浆)的情况下，若不注入相当的量的气泡，则不能够使管内的由泥浆与气体形成的混合流体的平均比重为周围的液体以下，不能够在上升管内产生上升流，因而不能够产生上升管的下端部处的因内外的压力差而引起的挤压力。
另一方面，在大水深区域、中水深区域处注入上升管内的气泡随着由气泡和泥浆形成的混合流体上升至浅水深区域而其压力降低，气泡的体积增加，但是液体、固体的体积几乎不增加，因而该气泡在混合流体中的体积比例加速度地增加。其结果，随着接近上升管的上端部，上升流的流速变得过大，或者混合流体中的提升对象物的量的比例相对地降低，提升效率恶化，在最坏的情况下，导致完全不能够提升提升对象物等问题。由于气泡的体积与水深的关系大致成反比例的关系，故提升对象物所存在的水深越大，则该问题越显著，而且，关于上升管内的上下位置，在气泡上浮到浅水深区域时显著地产生。
例如，在利用气泡举升从海底100m提升提升对象物的情况下，在上升管的下端部处注入的气泡在上升管的上端部也只变为10倍的体积。但是在从水深5000m的海底提升提升对象物的情况下，在上升管的下端部处注入的气泡的体积在上升管的上端部处变为500倍。若更详细地观察，则在水深5000m处注入的气泡的体积在上浮至水深4000m期间只增加25%，但是若水深变为1000m则增加至5倍，在水深100m处变为50倍，而且，在水面附近处变为500倍。
因此，若以典型的例子估算，则在仅仅吸入了海水的情况下，考虑侵蚀(erosion)等，在欲以上升管上端处的流速例如不超过10m/秒的方式设定气泡流量并固定的条件下提升比海水重的泥浆的情况下，假设在欲将气泡在上升管内的上端处在混合流体中占有的比例(以下称为气泡比例)抑制到90%以下的情况下，只能够提升比周围的海水仅重数个百分点的泥浆。
另外，在相同条件下从水深1000m的海底提升泥浆的情况下，最大也只能够提升到比海水重约两成的泥浆。因此为了提升比重大的矿物等，必须以泥浆比重为1.2以下的方式保持泥浆中的海水比例，若矿物比例变大则卡住(スタック)，像这样管理深海中的混合比例一般而言是不容易的。
即，在现有技术的气泡举升中，若在上升管下侧处注入的气泡上浮至上升管上端附近，则与水深大致成反比例地增加体积，因而在大水深区域处，不能够注入提升比重比周围的海水等高的物体的量的气泡，存在不能够进行气泡举升或效率非常差的缺点。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本申请特开2005-291171号公报。
发明内容
发明要解决的问题
本发明鉴于上述状况而完成，其目的在于提供一种气泡举升系统以及气泡举升方法，其不将上升管的上端大气开放，而是引导至压力高的加压室内部，从而抑制气泡以及气体的膨胀，另外，在上升管中途的浅水深区域处还设置将离心分离的气泡脱气的脱气装置，在上升管的内部整体，使气泡更均等地分布，且效率较好，在大水深区域处也能够采用。
即，提供一种气泡举升系统以及气泡举升方法，其在从大水深区域提升与周围的海水等相比平均比重大的泥浆状等的对象物的气泡举升中，为了降低上升管内的平均液柱压力，即使将有效的量的气泡在大水深区域或中水深区域处注入上升管内，也能够避免如下情况，即，在浅水深区域，例如上升管的上侧的1/10左右的部分，即，若为水深1000m则在上侧的100m左右的部分即从水面下100m左右开始到水面附近的部分处，气泡的体积成为超过混合流体的体积的例如90%那样过剩的气泡比例。
而且，另一个目的是提供一种气泡举升系统以及气泡举升方法，其能够用于将包含各种大小的粒子的泥、碎成小石头程度的大小的矿物等混入海水的泥浆并连续地提升的用途，因而即使泥浆中的固态物浓度降低，比重变为与海水为相同程度，流速也不会变得使侵蚀成为问题，相反地，即使泥浆的比重接近固态物单体的比重也不会卡住。
而且，又一个目的是提供一种气泡举升系统以及气泡举升方法，其不需要为了处理此种泥浆，而将因破损折损、咬住(噛み付き)、咬入(噛みこみ)等而不工作的可能性高的旋转设备、隔断阀、压力调整阀、节流阀、节流孔等设于上升管内、接收装置的泥浆系统。
用于解决问题的方案
用于实现上述目的的本发明的气泡举升系统为了将水底或者该水底下方的固态状物质或液体状物质通过上升管而提升至水面附近，在所述上升管的下侧部分处注入气体，并使该气体在气泡状态下上升，通过因该气体而引起的上升管内的流体柱压力减压效果来在所述上升管的下端部处将提升对象物吸引至上升管，并提升至水面上，在该系统中，以如下方式构成，即，在所述上升管的上端部设置加压室，通过将所述上升管上部的内部加压来抑制浅水深区域处的在所述上升管内上升的混合流体中的气泡的体积比例增加。
根据该构成，不将上升管的上端部在大气压下释放，而是引导至内部加压了的加压室，并在该加压室内部释放。在气泡举升中，例如，在从水深5000m的海底提升比重接近1.5的泥浆时，若将加压室内部加压至与其1/25的水深200m处的水压相当的20个气压左右，则在上升管的下端部处注入的气泡的体积在上升管的上端附近也只变为25倍，与在大气压下释放的情况的500倍相比较，能够显著地抑制气泡的膨胀。
此外，在该情况下，在距上升管的上端200m下，上升管内的压力为25个气压左右，上升管的外部水压为20个气压左右。此种在浅水深区域中上升管的内部压力变得比上升管外部的水压高的现象是在具有加压室之后才产生的现象。
另外，能够使该加压室具有作为如下分离器的功能，该分离器通过利用了流体流速的离心分离、重力分离等而分离为气体和包含提升对象物的泥浆，能够将分离的气体在不设为大气压并使其膨胀的情况下，在加压的状态下送至压缩机并作为气泡举升用的压缩空气来再利用。
另外，在上述气泡举升系统中，在所述上升管的上端部附近的中途设有脱气装置而构成，该脱气装置使所述上升管内的混合流体产生旋转以利用离心力效果使混合流体中的气泡以及气体集中在旋转中心，并且从该旋转中心将气泡以及气体排出至所述上升管外部。
根据该构成，通过将脱气装置例如设置在水深200m附近等适当的位置，能够利用漩涡形状部分(蜗形(volute)部分)螺旋状地引导在上升管的内部与气泡一同上升的混合流体并使其产生旋转，通过利用离心力将混合流体中的包含提升对象物的泥浆推抵于外壁的离心分离效果，使气泡以及气体集中于旋转中心部，并从插入该旋转中心部的脱气管(通气管)将剩余的气泡以及气体通过脱气装置排出至上升管外部，能够在该深度处降低气体体积。为了在该处的上部也高效地提升消灭了气泡之后的混合流体，利用在管内设置的固定叶片等将泥浆与气泡再次较好地混合。
本发明的脱气装置还可以在不同的水深处设置多个，以分别少量脱气(通气)。通过该构成，能够从大水深区域到浅水区域使气泡所占有的体积比例均等化，而且，使流体流速更为均等化，能够使流体的提升效率最大化。
另外，在上述气泡举升系统中，以如下方式构成：使所述加压室的加压压力为预先设定的压力范围内的压力，在该压力下，不需要对在所述上升管的下侧部分处注入的气体注入量进行与吸引状况对应的动态控制，并且，即使只吸引周围的水，混合流体的流速也控制为预先设定的范围，并且，即使只吸引所述提升对象物，也具有超过其比重的设计上限比重。
根据该构成，考虑提升深度、提升对象物的比重等，将加压室的加压压力设定在通过事前的计算模拟等而预先设定的压力范围内，仅仅以成为该压力范围内的方式调整加压室的加压压力，就能够高效地提升提升对象物。
另外，在上述气泡举升系统中，以如下方式构成，即，将所述加压室的压力调整为所述上升管下端部的水压的1/50以上且1/3以下，更优选地为1/50以上且1/10以下的压力。若该压力比1/50小，则加压室的气泡体积抑制效果变小，设置加压室的优点丧失。另外，若该压力比1/3大，则加压室的耐压性能变大，仅压缩机的必要能力变大，无法期待提升能力的进一步提高。另外，通过设上限值为1/10，能够降低加压室的耐压性能，能够使接收装置整体紧凑，并且通过根据需要兼用脱气系统，能够获得足够的提升性能。
另外，在上述气泡举升系统中，以如下方式构成，即，将在所述加压室处分离的气体在加压的状态下引导至压缩机以再次压缩并送入所述上升管的下侧。根据该构成，能够减少压缩所需要的能量。
另外，在上述气泡举升系统中，以如下方式构成，即，为了将所述加压室的压力保持在设计范围内，在所述加压室的下游设置单级或多级(或2级以上)包括压力容器和泥浆管的回溯堰，通过包含所述泥浆管上端的所述压力容器的气相部的压力控制来将各级所述回溯堰的所述泥浆管下游的压力保持在预先设定的压力范围(设计范围)内。
在该加压室下部积存的泥浆被加压室的内部压力推出，沿在下游的专用压力容器内设置的回溯堰的泥浆管回溯，但是通过沿泥浆管回溯，泥浆失去该柱的量的压力而相应地减压，但是收容了泥浆管的压力容器内部以与该减压后的泥浆的压力大致平衡的方式被保持为比加压室低一级的内部压力。
泥浆在沿回溯堰的泥浆管回溯之后，在压力容器内部下落，积存于压力容器底部的泥浆被推出至位于更下游的具有下个泥浆管的另外的压力容器。重复该过程，泥浆的压力最终地降低至大气压。在本发明中，在该过程中，不需要将因破损折损、咬住、咬入等而不工作的可能性高的旋转设备、隔断阀、压力调整阀、节流阀、节流孔等设于上升管内、接收装置的泥浆系统。
另外，在上述气泡举升系统中，以如下方式构成，即，设置将所述回溯堰的所述压力容器的所述气相部与U形密封件的上部连通的连通管，通过设置单级或多级的利用液体柱的压力的所述U形密封件来进行所述气相部的压力控制。根据该构成，各回溯堰的具有泥浆管的各压力容器的运转压力能够通过控制各压力容器内的气相压力来保持。虽然该气相压力的控制还可以依靠设于气相的压力调整阀等，但是还可以依靠使级数与回溯堰的级数一致，并利用液柱压力的多级U形密封件。利用该多级U形密封件，能够避免例如因雾状地飘荡的沙、泥等而引起的压力调整阀等的故障。
根据上述构成，不需要将因破损折损、咬住、咬入等而阻塞或不工作的可能性高的旋转设备、隔断阀、压力调整阀、节流阀、节流孔等用于泥浆系统，即使泥浆比重稍微变化也能够将加压室的运转压力保持为设计范围，具有能够进行免维护的连续运转的效果。
因而，在从水深较深的海底、湖底、河底等、或者更下方的地中提升沙、堆积物、矿物等固态物的情况下，不需要一般被认为困难的泥浆中的固态物与海水的混合比例控制，并且，能够对应泥浆所包含的固态物粒子的大小、硬度、泥浆的比重等时时刻刻变化的状况。
在理想的情况下，期待在保持某个一定的气泡注入量的状态下，即使在仅仅吸入海水的情况下，上升管上端的混合流体的流速也控制在设计最大流速内，并且，即使只吸引固体也能够在不卡住(停滞)的情况下进行提升的性能。
根据本发明，由于在与流速的平方大致成比例的压力损耗变得过大之前室压力阻止流速上升，故即使吸引比设计比重轻的泥浆，流速也不会过剩地提高。例如，在水深5000m处的气泡举升中，在提升比重超过海水的两倍的固态物时，即使泥浆中的海水浓度变为100%，另外，即使固态物的浓度变为100%，将气泡注入量的设定量固定的状态下的连续运转在实用上也是可能的。
另外，在上述气泡举升系统中，以如下方式构成，即，在所述脱气装置中，将排出至所述上升管外部的气泡或气体利用与所述脱气管连接的脱气移送管而引导至所述加压室内部。根据该构成，将排出的气体在不膨胀至大气压的情况下与在所述加压室处分离的气体一同送至压缩机，并作为气泡举升用的气泡而再利用，从而能够减少压缩所需要的能量。
另外，在上述气泡举升系统中，以使用多级压缩机将在所述加压室处分离的气体压缩并再次送入所述上升管下侧的方式构成，并且在所述脱气装置处利用所述脱气管排出至所述上升管外部的气泡或气体利用与所述脱气管连接的脱气移送管而引导至所述多级压缩机的与来自所述加压室的气体相比高压的级。根据该构成，将排出的气体在更高压力的状态下送至压缩机，以作为气泡举升用的气泡而再利用，从而能够进一步减少压缩所需要的能量。
另外，在上述气泡举升系统中，以如下方式构成，即，在所述脱气移送管中，通过在水面上设置压力调整阀、节流阀、节流孔等来在水面上控制脱气量。
另外，在上述气泡举升系统中，以如下方式构成，即，将所述脱气装置设于由于所述加压室的效果故所述上升管的管内压力与管外压力相比变高的浅水深区域，利用内外的压力差，将气泡或气体排出至上升管外部的水中。在该情况下，能够不需要从脱气装置延伸至水面上的脱气移送管，能够使系统的构成单纯化。
另外，在上述气泡举升系统中，以如下方式构成，即，在所述脱气装置中，在所述脱气管设置基于所述上升管的管内外的压力差而工作的压力释放阀，利用该压力释放阀控制脱气量，以调整所述上升管内的压力。根据该构成，通过在脱气装置的脱气管设置压力释放阀，该压力释放阀在上升管内外的压力差例如与最初相同的5个气压的情况下开闭，即使从上升管的下侧部分注入更多的气泡，在该气泡的体积在上升管上部处变得过剩之前，也能够将气泡排出，直到在具有脱出装置的深度处与最初同样地变为5个气压的压力差。
即，利用脱气移送管(通气专用管)将从该脱气装置排出的气泡或气体引导至水面上并在大气压下释放也可，或者，在加压室内部的加压下释放或引导至压缩机以再利用也可。另外，还能够利用如上所述的上升管的内部压力变得比管外的水压高的具有加压室时的固有现象来排出至上升管外的水中。
用于实现上述目的的本发明的气泡举升方法从水面附近使上升管下降至水底或该水底下方，使气体气泡状地注入所述上升管的下侧并使该气体上升，利用由该气泡引起的所述上升管内的流体柱压力减压效果，在上升管的下端侧处吸引在所述上升管的下端附近捕集的提升对象物，将包含提升对象物的混合流体提升至在所述上升管的上端设置的接收装置，其特征在于，在该方法中，利用在所述上升管上端部设置的加压室对所述上升管的上端内部施加压力。
根据该方法，能够抑制上升管的上端附近的混合流体中的气泡或气体的体积比例的增加。另外，通过控制加压室的加压，即使不对注入空气量进行与吸引状况对应的动态控制，另外，即使仅仅吸引海水(比重变得最低)，流速也控制为设计范围，而且，即使仅仅吸引比重较大的固态部分，也能够控制为设计上限比重。
另外，在上述气泡举升方法中，若利用在所述上升管上侧设置的脱气装置将混合流体中的气泡或气体的一部分脱气，则能够进一步抑制上升管的上端附近的混合流体中的气泡或气体的体积比例增加。
发明的效果
在现有技术中，由于大水深区域，例如水深5000m处的气泡举升在气泡的体积在上升管的上端部处成为下端部的500倍，故现实地只能够提升到比海水仅重数个百分点的流体，实际上是不能够实现的，在该情况下，根据本发明的气泡举升系统以及气泡举升方法，通过在上升管的上端部设置加压室，也能够将气泡在上升管的上端部处占有的体积比例的增加抑制在实用的数十倍以下。
由此，与现有技术的情况相比，在飞跃性地较深的大水深处，也能够利用气泡举升系统提升提升对象物，能够提升比重更高的对象物。另外，具有能够使与流速的平方大致成比例的压力损耗降低以高效地提升的效果。例如在水深5000m处的气泡举升中，比重超过海水的两倍的流体的提升在实用上是充分可能的。
而且，通过在上升管的中途设置脱气装置，能够将该最大气泡比例产生的场所不仅在上升管上端部，还在浅水深区域设置多处，因而能够在从大水深区域到浅水深区域的上升管整体使气泡占有的体积比例均等化，故能够在不提高最大流速的情况下使气泡的比例平均地提高。
由此，能够大幅地抑制上升管内整体的流速，特别是上升管上端部处的流速，因而能够使侵蚀的问题剧减，能够在上升管本身、从其上端向下游的处理的结合部分等使用硬度更低的金属，或者使用塑料、弹性体等轻量材料、耐蚀性材料，或者使用涂层、衬套材料、防振性材料、振动衰减性材料、能够吸收挠曲的弹性材料等。
其结果，通过使用轻量上升管，能够实现能够对应更大水深的效果、基于廉价的耐蚀性涂层、衬套的使用的成本降低效果、避免因材料变更而引起的与波周期的纵向振动共振、涡激振动等的效果。另外，能够使用在内表面使用壁厚较薄的金属板的柔性上升器、波纹管(bellows)等，能够不需要高价且复杂的上升器张紧器、伸缩式接头(telescoping joint)等。
另外，由于上升管内的流速由此均等化，故能够解决上升管内的流动的脉动导致的问题、泥浆和气泡的双相流的流动样式(气泡流、段塞(slug)流、环状流、喷雾流等)的转化的问题、由停滞引起的泥浆中的固液分离的问题等，高效地实现长且大的上升管。
而且，若利用本发明的气泡举升系统以及气泡举升方法进行大水深区域处的提升作业，则能够不需要深海部、中间水深部的泵等需要动力、控制的高功能部件、重部件，另外，由于利用气泡将上升管内的混合流体的比重降低至周围的海水、水等液体的比重以下，故能够大幅地抑制支撑上升管的自重和流体重量、潮流力等的合力的钻探设备所需要的设计载荷。
另外，在提升作业中，在海洋气象状态变差时需要进行脱离，但是根据本发明的气泡举升系统以及气泡举升方法，仅仅通过与现有技术的钻探设备完全相同地提升上升管就能够进行脱离。另外，即使在意外的异常时，船体外的部件分离并脱离，发生如不能够回收分离的物体的事态，也能够将高价的高功能部件等分离的可能性排除或降低至最低限度。
而且，由于能够利用比较细且从下端到上端直径相同的上升管来高效地进行提升，故能够在直接使用现有技术的钻井船的上升管、操作上升管的钻井设备系统的情况下实现大水深区域处的提升。因此，能够大幅地削减开发成本。
附图说明
图1是示意性地示出本发明所涉及的实施方式的气泡举升系统的构成的图。
图2是示意性地示出脱气装置的构成的图。
图3是示意性地示出具备加压室、回溯堰等的接收装置的构成的图。
图4是示出加压室的设定压力与能够提升的泥浆的最大比重的关系的图。
图5是示出能够以加压室的设定压力提升的泥浆的最大比重与水深的关系的图。
具体实施方式
以下，说明本发明所涉及的实施方式的气泡举升系统以及气泡举升方法。在此，以在海洋使用钻井船(drill ship)提升海底的资源的示例进行说明，但是本发明不限于海洋，还能够适用在湖、河等中。
本发明所涉及的实施方式的气泡举升系统10具备如图1所示的构成。为用于利用浮在海面(水面)2的钻井船(挖掘船)1来提升处于海底(水底)3或海底3下方的资源的系统，具备上升管11、捕集装置12、气体送入装置13、脱气装置14、接收装置20而构成。
该气泡举升系统10是如下系统，该系统为了将海底、湖底、河底等水底3、或者该水底3下方的沙、堆积物、矿物等固态状物质或液体状物质(提升对象物)通过上升管11提升至水面2附近，在上升管11的下侧部分处注入气体并使其上升，通过因该气体而引起的上升管11内的流体柱压力减压效果，在上升管11的下端部处将提升对象物与周围的水一同吸引至上升管11，并将提升对象物与水、气体一同提升至水面2上。
在该钻井船1，为了提升大水深的海底的堆积物，使用具备自动船位保持系统的钻井船。另外，作为气泡举升系统10的上升管11，利用钻井船1的上升管11。该钻井船1的上升管11通常在使用钻探泥(drilling mud)的施工方法的挖掘时用于回收钻探泥。此外，不需要使用钻井船1所具备的钻探设备(drilling rig)的挖掘功能自身。
该上升管11例如利用凸缘连结多个内径50cm、长度27cm左右的短管而构成。优选地，对该上升管11，在流速比较高的浅水深区域处使用耐侵蚀的材质，在中水深区域、大水深区域处使用轻量材料。在该上升管11，在下端设有捕集装置12，气体送入装置13在下侧，脱气装置14在上侧分别设于单个或多个部位。该上升管11的上端侧连接于接收装置20的加压室21。此外，在上升管11的最低端、中间部处，根据需要，还可以兼用辅助性的泵、粉碎机等。在该上升管11的下端部，设置滤器(strainer)等捕集装置12。在该气泡举升系统10中，由于为最小限度的装备即可，故不需要下部海洋上升器套件(LMRP，Lower Marine Riser Package)等那样的重物、高功能部件，与该重量的量相应地，能够增长上升管11，因而能够对应更深的水深。另外，为了对抗潮流力等以获得稳定性，考虑在大水深部处减少对上升管11给予浮力的浮力体(未图示)。
作为用于对在上升管11的下侧部分设置的气体送入装置13给送气泡举升用的压缩空气的配管，通常在上升管11的主管外侧配置并保持用于喷出防止装置的被称为压井管线(kill line)、扼流管线(choke line)的细管，因而使用与它们同样地配置并保持的高压细管。另外，气体送入装置12由将压缩空气注入上升管11内部的带有空气举升阀的特别规格的短管构成，作为该气体送入装置13的短管用于在大水深部、中水深部处使用的短管中的数根。
另外，将如图2所示的设有脱气装置14的特别规格的短管用于在浅水深部使用的短管中的数根。该脱气装置14具备外壁14a、漩涡状配管14b、脱气管14c、以及脱气移送管(通气专用管)14d而构成。此外，有时还设置压力释放阀来替代脱气移送管(通气专用管)14d。在图2中，白圈表示气泡，施有交叉的影线的部分表示例如混合了海水和对象物(沙、碎的矿物等)的泥浆，施有单向影线的部分表示只有海水的部分，白色的部分表示气体部分。
外壁14a与上升管11的主管相比直径较粗地形成，且由圆筒部、其下侧的下侧锥部、以及圆筒部上侧的上侧锥部构成。在该外壁14a的内部收容漩涡状配管14b的全部和脱气管14c的一部分，并且形成为能够将从下侧的上升管11的短管流入来的混合流体的旋流内包的大小。
漩涡状配管14b的下端连接于下侧的上升管11的主管，为沿外壁14a的下侧锥部内侧螺旋状地配置的配管，在进入外壁14a的圆筒部的位置具有开口部。以从该漩涡状配管14b流出的混合流体沿外壁14a形成旋流的方式构成。即，通过螺旋状地引导上升管11内的混合流体来产生旋流。
脱气管14c由如下配管构成，该配管在相对于外壁14a的圆筒部的截面的中心部分具有开口，且贯通外壁14a并露出至外部。该脱气管14c与在上升管11的主管外侧设置的脱气移送管(通气专用管)14d连接。
即，该脱气装置14以如下方式构成，即，在上升管11的上侧部分，即，在上升管11的上端附近的中途，使在上升管11的内部上升的混合流体产生旋流以利用离心力效果使气泡集中在旋转中心，并且将集中的气泡从在该旋转中心设有开口部的脱气管14c排出至上升管11外部。
利用该脱气装置14，能够在螺壳(巻貝)形状的漩涡状配管(蜗形)14b内螺旋状地引导在上升管11的内部与气泡一同上升的混合流体并使其产生旋转，通过利用离心力将泥浆等提升对象物推抵外壁14a的离心分离效果，使气泡集中于旋转中心部，并从插入该旋转中心部的脱气管14c将过剩的气泡排出至脱气装置14外部。
在该脱气装置14中，排出至上升管11外部的气泡或气体可以利用与脱气管14c连接的脱气移送管14d引导至水面2上并在大气中在大气压下释放，但是也可以利用与脱气管14c连接的脱气移送管14d引导至加压室21内部并在加压下释放。在该情况下，不使排出的气体膨胀至大气压，而是与在加压室处分离的气体一同循环至压缩机并作为空气举升用的气泡而再利用，从而能够减少压缩所需要的能量。
而且，对于脱气移送管14d，为了能够调节流入加压室21、压缩机的脱气量，还可以在水面2上设置压力调节阀、节流阀、节流孔。根据该构成，能够根据需要在水面2上调节脱气量。
另外，为了将压缩空气注入上升管11下侧，使压缩空气的压缩机为多级压缩机构成，以将在加压室21处分离的空气(气体)压缩并再次送入上升管11下侧的方式构成，且将在脱气装置14处利用脱气管14c排出至上升管11外部的气泡或气体利用与脱气管11c连接的脱气移送管11d引导至多级压缩机的与来自加压室21的气体相比高压的级。由此，将排出的气体在更高压力的状态下送至压缩机，以作为气泡举升用的气泡而再利用，从而能够进一步减少压缩所需要的能量。
通过在上升管11的上端设置加压室21，能够利用上升管11的内部压力变得比管外水压高的固有现象，因而还可以将脱气装置14设于在加压室21的效果下上升管11的管内压力变得比管外压力高的浅水深区域，利用内外的压力差将气泡或气体排出至上升管11外部的海中(水中)。在该情况下，能够不需要脱气移送管14d。
而且，以如下方式构成，即，在脱气管14c设置基于上升管11管内外压力差而工作的压力释放阀(未图示)，利用该压力释放阀控制脱气量，以调整上升管11内的压力。根据该构成，能够以非常单纯的构成调整上升管11内的压力。
而且，优选地，为了使利用脱气装置14消灭了气泡之后的混合流体在与消灭了气泡的部分相比上侧也能够高效地上升，在上升管11内部设置固定叶片(vane)等来将提升对象物、气泡以及海水再次较好地混合。
还可以将该脱气装置14变换水深设于多处(在图1中为两处)，以多个阶段缓缓地脱气(通气)。通过该构成，气泡在上升管11内部上升的混合流体中占有的体积比例从大水深区域到浅水区域大致均等化，而且，能够使混合流体的流速更为均等化，能够使流体的提升效率最大化。
通过该构成，例如，若在水深200m附近等适当的位置设置脱气装置14，在脱气管14c设置压力释放阀，该压力释放阀在上升管11的内外压力差例如与最初相同的5个气压的情况下开闭，则即使从上升管11的下侧部分注入更多的气泡，在该气泡的体积在上升管11的上部处变得过剩之前，在水深200m的位置处，能够将脱气装置14内的气泡排出至外部，直到内外压力差与最初同等地变为5个气压。
如图3所示，在与上升管11的上端部相当的钻井船1上，搭载接收装置(提升对象物接收系统)20和发生气泡举升用的压缩空气的压缩机(未图示)等，接收装置20包括加压室21、多级回溯堰22A、22B、22C、分离用槽23、U形密封液体补给泵24、U形密封液体补给管25、U形密封液体积存器26、U形密封件(气阱(air trap))27A、27B等，将上升管11的主管连接于接收装置20的加压室21，用于将压缩空气给送至气体送入装置12的压缩机的送风侧配管(未图示)与在上升管11的主管外侧配置的高压细管(未图示)连接。
在该上升管11的上端部设置加压室21，并以如下方式构成，即，将上升管11的上部的内部加压，从而抑制浅水深区域处的在上升管11内上升的混合流体中的气泡体积比例增加。
以如下方式构成：使该加压室21的加压压力为预先设定的压力范围内的压力，在该压力下，不需要对在上升管11的下侧部分处注入的气体注入量进行与吸引状况对应的动态控制，并且，即使只吸引周围的水，混合流体的流速也控制为预先设定的范围，并且，即使只吸引提升对象物，也具有超过其比重的设计上限比重。根据该构成，考虑提升深度、提升对象物的比重等，将加压室21的加压压力设定在通过事前的计算模拟等而预先设定的压力范围内，仅仅以为成该压力范围内的方式调整加压室21的加压压力，就能够高效地提升提升对象物。
另外，优选地，该加压室21的压力调整为上升管11的下端部的水压的1/50以上且1/3以下，更优选地为1/50以上且1/10以下的压力。若该压力比1/50小，则加压室21的气泡体积抑制效果变小，设置加压室21的优点丧失。另外，若该压力比1/3大，则加压室21的耐压性能变大，仅压缩机的必要能力变大，无法期待提升能力的进一步提高。另外，通过设上限值为1/10，能够降低加压室21的耐压性能，能够使接收装置20整体紧凑，并且通过根据需要兼用脱气系统，能够获得足够的提升性能。
另外，如图3所示，通过以如下方式构成，即，使加压室21为旋风(cyclone)形状，以将来自上升管11的混合流体从切线方向导入加压室21内，从而产生旋流，通过利用了该混合流体流速的离心分离效果，能够使其具有作为将气体与含有提升对象物的泥浆分离的分离器的功能。在该情况下，还能够将分离的气体A从加压室21的顶部抽出，不设为大气压并使其膨胀，而是在加压的状态下送至压缩机并作为气泡举升用的压缩空气来再利用。此外，在图3中，白圈表示气泡，施有交叉影线的部分表示例如混合了海水和对象物(沙、碎的矿物等)的泥浆，施有单向影线的部分表示只有海水，白色的部分表示气体部分。
另外，为了将加压室21的压力保持在设计范围内，在加压室21的下游单级或多级(在图3中为3级)地设置回溯堰22A、22B、22C而构成，回溯堰22A、22B、22C包括压力容器22a和收纳于该压力容器22a的泥浆管22b。以如下方式构成，即，将该各级回溯堰22A、22B、22C的泥浆管22b的下游压力通过包含泥浆管22b上端的压力容器22a的气相部的压力控制来保持为设计范围。而且，以如下方式构成，即，设置将回溯堰22A、22B、22C的压力容器22a的气相部与U形密封件27A、27B的上部连通的连通管28A、28B，通过设置单级或多级(在图3中为2级)的利用液体柱的压力的U形密封件27A、27B来进行该压力容器22a的气相部的压力控制。
该回溯堰22A、22B、22C的各泥浆管22b与前级的加压室21、压力容器22b的下部连通，将从它们导入的泥浆从泥浆管22b的下部引导至内部并使其在上部处溢出至压力容器22b内。能够通过该泥浆管22b的高度和泥浆的比重来调整各级的压力减少量。另外，泥浆管22b的下部压力为压力容器22a的气相部压力与泥浆管22b的泥浆的液压之和，因而通过调整压力容器22a的气相部压力，能够调整控制前级的压力室21或压力容器22b的内部压力。
即，各回溯堰22A、22B、22C的各压力容器22a的运转压力能够通过控制各压力容器22a内的气相压力来保持。虽然该气相压力的控制还可以依靠设于气相的压力调整阀等，但是还可以依靠与回溯堰22A、22B、22C级数一致，并利用液柱压力的多级U形密封件27A、27B。通过该多级U形密封件27A、27B，能够避免例如因雾状地飘荡的沙、泥等而引起的压力调整阀等的故障。
在图3所示的构成中，第一级回溯堰22A的压力容器22a的上部利用连通管28A而与第一级U形密封件27A的上部连通，第二级回溯堰22B的压力容器22a的上部利用连通管28B而与第二级U形密封件27B的上部连通，第三级回溯堰22C的压力容器22a的上部利用开放管28C而大气开放。
根据该构成，第三级回溯堰22C的压力容器22a的内部压力P3为大气压Po，第二级回溯堰22B的压力容器22a的内部压力P2为大气压Po与第二级U形密封件27B的液柱压力Pb之和。另外，第一级回溯堰22A的压力容器22a的内部压力P1为压力P2与第一级U形密封件27A的液柱压力Pa之和。即，为P3＝Po，P2＝Po＋Pb，P1＝P2＋Pa＝Po＋Pa＋Pb。因而，通过控制U形密封件27A、27B的液柱压力Pa、Pb，能够控制各压力容器22a内的压力P1、P2。
在该回溯堰22A、22B、22C的最终级的回溯堰22C的出口连接并设置分离用槽23，暂时储藏包含提升对象物的泥浆，并且使提升对象物沉淀以与海水分离。在泥浆状的提升对象物自身为泥浆状的情况下，考虑沉淀的时间并从下侧抽出沉淀物B。该沉淀物B积存于分离槽23的下方，通过由分离槽23内的自重引起的压力而从下部的出口被推出，但是还可以利用未图示的泥浆泵等排出。另外，去除了沉淀物B的液体(海水)C变清并从上部出口排出至分离槽23外部，在进行混合物的去除等必要的后处理之后放回海洋。另外，利用U形密封液体补给泵24从分离槽23的上侧将液体(海水)C的一部分排出，并从U形密封液体补给管25抽出至液体积存器26。该液体用于U形密封件27A、27B的液柱。
根据上述气泡举升系统10，由于能够采用如下气泡举升方法，故能够抑制上升管11的上端附近的混合流体中的气泡或气体的体积比例增加，该方法从浮在海面(水面)2的钻井船1等的海面2上使上升管11下降至海底3或海底3下方，使气体气泡状地注入在上升管11下侧设置的气体送入装置13并使该气体上升，利用由该气体引起的上升管11内的流体柱压力减压效果，在上升管11的下端侧吸引利用在上升管11下端设置的捕集装置12而捕集的提升对象物，在将包含提升对象物的混合流体提升至在上升管11的上端设置的接收装置20时，利用在上升管11的上端侧设置的脱气装置14，将混合流体中的气泡或气体的一部分脱气，并且利用在上升管11的上端部设置的加压室21对上升管11的上端的内部施加压力。
另外，在该加压室21的下部积存的泥浆等提升对象物被加压室21的内部压力推出，沿回溯堰22A、22B、22C回溯，即，沿在下游的专用压力容器22a内设置的泥浆管22b回溯，但是包含提升对象物的泥浆通过沿回溯堰22A、22B、22C的各泥浆管22b回溯而失去该液柱量的压力，并相应地减压，但是回溯堰专用的压力容器22a的内部以与该减压后的泥浆的压力大致平衡的方式被保持为比加压室21的内部压力低一级的内部压力。
泥浆在沿回溯堰22A、22B、22C的各泥浆管22b回溯之后，在各压力容器22a内部下落，积存于压力容器22a底部的泥浆被推出至位于更下游的下个回溯堰22B或22C的另外的压力容器22a。重复该过程，包含提升对象物的泥浆的压力最终地降低至大气压。
接着，说明使用了上述气泡举升系统10的本发明所涉及的实施方式的气泡举升方法。该气泡举升方法为如下方法，即，从水面2附近使上升管11下降至水底3或该水底3下方，使气体气泡状地注入上升管11下侧并使气体上升，利用由该气泡引起的上升管11内的流体柱压力减压效果，在上升管11的下端侧吸引在上升管11的下端附近捕集的提升对象物，将包含提升对象物的混合流体提升至在上升管11上端设置的接收装置20，且是如下方法，即，利用在上升管11上端部设置的加压室21对上升管11的上端内部施加压力。
另外，在该气泡举升方法中，利用在上升管11上侧设置的脱气装置14将混合流体中的气泡或气体的一部分脱气。
根据上述构成的气泡举升系统10以及气泡举升方法，在提升对象物的提升过程中，不需要将因破损折损、咬住、咬入等而不工作的可能性高的旋转设备、隔断阀、压力调整阀、节流阀、节流孔等设于泥浆系统。
在图4以及图5中示出计算模拟结果。图4是示出加压室21的设定压力与能够提升的混合流体的最大比重的关系的图，横轴表示加压室21的设定压力，纵轴表示水深5000m的气泡举升下的上限的泥浆比重。另外，图5是示出能够以加压室21的设定压力提升的泥浆的最大比重与水深的关系的图，横轴表示水深，纵轴表示加压室21的设定压力为20个气压的情况下的上限的泥浆比重。
在该计算模拟中，在上述从水底3提升对象物的气泡举升系统10中，设加压室21的压力和气泡注入量固定。气泡注入量设定为上限量，在该上限量下，在泥浆中的水浓度变为100%的情况下，上升管11的上端处的混合流体流速也不超过10m每秒。若在该设定的状态下固态物浓度上升而泥浆的比重上升，则流速降低，另一方面气泡比例上升。设如上升管11的上端处的气泡比例达到90%的泥浆比重为在该气泡举升系统10中能够提升的泥浆比重的实用上限。
在图4中，示出在水深5000m的情况下，使加压室21的压力设定变化时的性能变化。可知在未实施本发明的情况下，本发明的加压室21的压力相当于大气压的情况，在该情况下可以说不能够提升比重比海水大的泥浆，但是若将本发明的加压室21的压力设定为20个气压左右，则能够提升海水的1.5倍左右比重的泥浆。而且可知，若较高地设定加压室21的压力，则能够提升海水的2倍以上比重的泥浆，但是同样的效果在加压室21的压力为20个气压的状态下也能够仅仅通过设置一级脱气装置14而获得(未图示)。
另外，在图5中，示出在各种水深处使用使加压室21的压力为20个气压的气泡举升系统10时的性能变化。示出在水深1000m处，能够提升海水的三倍左右比重的泥浆，若水深更深，则上限比重变小，但是在水深5000m处也能够如前所述地提升水海水的1.5倍左右的泥浆。
在现有技术中，由于大水深区域，例如水深5000m处的气泡举升在气泡所占有的体积比例在上升管11的上端部处成为下端部的500倍，故现实地只能够提升到比海水仅重数个百分点的泥浆，实际上是不能够实现的，在该情况下，根据上述构成的发明的气泡举升系统10以及气泡举升方法，通过在上升管11的上端部设置加压室21，也能够将气泡在上升管11的上端部处所占有的体积比例的增加抑制在实用的数十倍以下。
由此，与现有技术的情况相比，在飞跃性地较深的大水深处，也能够利用气泡举升系统10提升提升对象物，能够提升比重更高的对象物。另外，具有能够使与流速的平方大致成比例的压力损耗降低以高效地提升的效果。例如在水深5000m处的气泡举升中，比重超过海水的两倍的泥浆的提升在实用上是充分可能的。
而且，通过在上升管11的中途设置脱气装置14，能够将该最大气泡比例产生的场所不仅在上升管11上端部，还在浅水深区域设置多处，因而能够在从大水深区域到浅水深区域的上升管11整体使气泡占有的体积比例均等化，故能够在不提高最大流速的情况下使气泡的比例平均地提高。
由此，能够大幅地抑制上升管11内整体的流速，特别是上升管11上端部处的流速，因而能够使侵蚀的问题剧减，能够在上升管11本身、从其上端向下游的处理的结合部分等使用硬度更低的金属，或者使用塑料、弹性体等轻量材料、耐蚀性材料，或者使用涂层、衬套材料、防振性材料、振动衰减性材料、能够吸收挠曲的弹性材料等。
其结果，通过使用轻量上升管，能够实现能够对应更大水深的效果、由廉价的耐蚀性涂层、衬套的使用带来的成本降低效果、避免因材料变更而引起的与波周期的纵向振动共振、涡激振动等的效果。另外，能够使用在内表面使用壁厚较薄的金属板的柔性上升器、波纹管等，能够不需要高价且复杂的上升器张紧器、伸缩式接头等。
而且，若利用上述构成的气泡举升系统10以及气泡举升方法进行大水深区域处的提升作业，则能够不需要深海部、中间水深部的泵等需要动力、控制的高功能部件、重部件，另外，由于利用气泡将上升管11内的混合流体的比重降低至周围的海水、水等液体的比重以下，故能够大幅地抑制支撑上升管11的自重和流体重量、潮流力等的合力的钻探设备所需要的设计载荷。
另外，在提升作业中，在海洋气象状态变差时需要进行脱离，但是根据上述构成的气泡举升系统10以及气泡举升方法，只要与现有技术的钻探设备完全相同地提升上升管11就能够进行脱离。另外，即使在意外的异常时，船体外的部件分离并脱离，发生如不能够回收分离的物体的事态，也能够将高价的高功能部件等分离的可能性排除或降低至最低限度。
而且，由于能够利用比较细且从下端到上端直径相同的上升管11高效地进行提升，故能够在直接使用现有技术的钻井船的上升管11、操作上升管11的钻井设备系统的情况下实现大水深区域处的提升。因此，能够大幅地削减开发成本。
产业上的利用可能性
根据本发明的气泡举升系统以及气泡举升方法，通过在上升管的上端部设置加压室，在大水深区域处的气泡举升中也能够将气泡在上升管上端部占有的体积比例的增加抑制在实用的数十倍以下，因而能够利用在海底热水矿床、锰结核(manganese nodule)、甲烷气水合物(methane gas hydrate)、稀土、稀有金属、富钴结壳(cobalt rich crust)、钻石等海底资源的采集、沙、沙砾等的采集、用于海洋构造物设置工程等的修整等从海底、湖底、河底、更下方的地中等提升固态物、液体、泥浆的全部产业中。
符号说明
1 钻井船
2 海面(水面)
3 海底(水底)
10 气泡举升系统
11 上升管
12 捕集装置
13 空气供给装置
14 脱气装置(通气系统)
14a 外壁
14b 漩涡形状部分(蜗形部分)
14c 脱气管
14d 脱气移送管(通气专用管)
20 接收装置
21 加压室(兼具气体、泥浆分离功能的类型)
22A、22B、22C 回溯堰
22a 压力容器
22b 泥浆管
23 分离槽
24 U形密封液体补给泵
25 U形密封液体补给管
26 U形密封液体积存器
27A、27B U形密封件(气阱)
28A、28B 连通管
A 气体(气泡以及气体)
B 固态部分
C 液体(海水)。

Claims (12)

1. 一种气泡举升系统，为了将水底或者该水底下方的固态状物质或液体状物质通过上升管而提升至水面附近，在所述上升管的下侧部分处注入气体，并使该气体在气泡状态下上升，通过因该气泡而引起的上升管内的流体柱压力减压效果来在所述上升管的下端部处将提升对象物吸引至上升管，并提升至水面上，其特征在于，在所述气泡举升系统中，
在所述上升管的上端部设置加压室，通过将所述上升管的上部的内部加压，来抑制浅水深区域处的在所述上升管内上升的混合流体中的气泡的体积比例增加。
2. 根据权利要求1所述的气泡举升系统，其特征在于：在所述上升管的上侧部分设有脱气装置，该脱气装置使在所述上升管的内部上升的混合流体产生旋流以利用离心力效果使气泡以及气体集中在旋转中心，并且将集中的气泡以及气体从在所述旋转中心设有开口部的脱气管排出至所述上升管的外部。
3. 根据权利要求1或2所述的气泡举升系统，其特征在于以如下方式构成：使所述加压室的加压压力为预先设定的压力范围内的压力，在该压力下，不需要对在所述上升管的下侧部分处注入的气体注入量进行与吸引状况对应的动态控制，并且，即使只吸引周围的水，混合流体的流速也控制为预先设定的范围，并且，即使只吸引所述提升对象物，也具有超过其比重的设计上限比重。
4. 根据权利要求1～3中的任一项所述的气泡举升系统，其特征在于：将所述加压室的压力调整为所述上升管的下端部的水压的1/50以上且1/3以下的压力。
5. 根据权利要求1～4中的任一项所述的气泡举升系统，其特征在于以如下方式构成，即，将在所述加压室处分离的气体在加压的状态下引导至压缩机以再次压缩并送入所述上升管的下侧。
6. 根据权利要求1～5中的任一项所述的气泡举升系统，其特征在于：为了将所述加压室的压力保持在设计范围内，在所述加压室的下游设置单级或多级回溯堰，该回溯堰包括压力容器和泥浆管，通过包含所述泥浆管的上端的所述压力容器的气相部的压力控制来将各级所述回溯堰的所述泥浆管的下游的压力保持在预先设定的压力范围内。
7. 根据权利要求6所述的气泡举升系统，其特征在于：设置将所述回溯堰的所述压力容器的所述气相部与U形密封件的上部连通的连通管，通过设置单级或多级的利用液体柱的压力的所述U形密封件来进行所述气相部的压力控制。
8. 根据权利要求2～7中的任一项所述的气泡举升系统，其特征在于：在所述脱气装置中，将排出至所述上升管的外部的气泡或气体利用与所述脱气管连接的脱气移送管而引导至所述加压室的内部。
9. 根据权利要求2～7中的任一项所述的气泡举升系统，其特征在于：以使用多级压缩机将在所述加压室处分离的气体引导至所述多级压缩机并压缩且再次送入所述上升管的下侧的方式构成，并且在所述脱气装置处利用所述脱气管排出至所述上升管的外部的气泡或气体利用与所述脱气管连接的脱气移送管而引导至所述多级压缩机的与来自所述加压室的气体相比高压的级。
10. 根据权利要求2～7中的任一项所述的气泡举升系统，其特征在于：将所述脱气装置设于由于所述加压室的效果故所述上升管的管内压力与管外压力相比变高的浅水深区域，利用内外的压力差将气泡或气体排出至上升管的外部的水中。
11. 一种气泡举升方法，从水面附近使上升管下降至水底或该水底下方，使气体气泡状地注入所述上升管的下侧并使该气体上升，利用由该气泡引起的所述上升管内的流体柱压力减压效果，在上升管的下端侧吸引在所述上升管的下端附近捕集的提升对象物，将包含提升对象物的混合流体提升至在所述上升管的上端设置的接收装置，其特征在于，在所述气泡举升方法中，利用在所述上升管的上端部设置的加压室对所述上升管的上端的内部施加压力。
12. 根据权利要求11所述的气泡举升方法，其特征在于：利用在所述上升管的上侧设置的脱气装置将混合流体中的气泡或气体的一部分脱气。
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