CN103930641A - 用于将泥浆从毗邻海床的位置运送到毗邻海面的位置的立管系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将泥浆从海床运送至海面的立管系统。所述立管系统包括：第一立管和第二立管；将泥浆顺着立管中的一根向上运送的泥浆泵系统（17）；和将废水顺着立管中的一根向下返回的废水泵系统（107）。所述泥浆泵系统和所述废水泵系统可选择性地连接到所述立管之一，以允许各立管或者是泥浆立管（1）或者是废水立管（2）。在这种布置的情况下，如果泥浆立管沿着其长度中途出现泄漏，则可将废水立管转换成泥浆立管，以使得操作可继续进行。

Description

用于将泥浆从毗邻海床的位置运送到毗邻海面的位置的立管系统

技术领域

本发明涉及一种用于将泥浆从毗邻海床的位置运送到毗邻海面的位置的立管系统。

背景技术

在WO2010/000289中，公开了一种用于开采海底矿藏的方法和设备。其由横过海床行进的履带式车辆构成，所述履带式车辆搅动并且抽取沉积物。然后将所形成的泥浆顺着立管系统向上运送至水面船舶，用于进行进一步处理。

立管系统必须能够尽可能可靠地将泥浆运送到水面，原因在于任何停工都意味着收益蒙受巨大损失。同时，为了跟随履带式车辆和水面船舶，立管系统旨在运动通过海洋，因此需要尽可能是轻且轮廓小。

发明内容

本发明旨在提供一种可在这些情况下有效操作的立管系统。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于将泥浆从毗邻海床的位置运送至毗邻海面的位置的立管系统，所述立管系统包括：第一立管和第二立管；泥浆泵系统，所述泥浆泵系统用于将泥浆顺着立管中的一根向上运送；和废水泵系统，所述废水泵系统用于将废水顺着立管中的一根向下返回；其中，泥浆泵系统和废水泵系统可选择性地连接到立管之一，以允许各立管或者是泥浆立管或者是废水立管。

利用这种布置，如果泥浆立管沿着其长度中途出现泄漏，则可将废水立管转换成泥浆立管，以使得操作可以继续进行。在这些情况下，发生泄漏的泥浆立管可转变成废水管路，原因在于少量水泄漏是可以接受的。可替代地或者另外地，如下文讨论的那样，可以设置一根或者多根另外的立管。这种布置在生产中提供了附加的灵活性。

优选地，所述系统还包括第三立管，泥浆泵系统和废水泵系统可选择性地连接到第三立管。第三立管在正常使用中可以操作，以例如作为第二泥浆立管。可替代地，其可以处于闲置状态。取决于哪根立管出现问题，泥浆泵系统和水泵系统可以选择性地连接到三根立管，以使得发生泄漏的立管或闲置或者用于使废水返回。

更优选地，存在第四立管，泥浆泵系统和废水泵系统可选择性地连接到所述第四立管。在四根立管的情况下，可能具有两根泥浆立管和两根废水立管，或者两根泥浆立管、一根废水立管和一根闲置立管。取决于哪个立管发生泄漏，可以重新配置系统，以使得发生泄漏的立管或者闲置或者成为废水立管中的一根。

可以存在多于四根立管，以根据期望提供额外的泥浆立管或者废水立管。

泥浆泵可以呈单泵形式。然而，优选地，每个泥浆泵系统均由沿着立管长度间隔开的多个泵构成。

这形成本发明的第二方面，所述本发明的第二方面广义限定为一种用于将泥浆从毗邻海床的位置运送至毗邻海面的位置的立管系统，所述立管系统包括多根立管，每根立管均包括用于沿着立管泵送泥浆的泵系统；每个泵系统均包括沿着立管间隔开的多个泵。

以这种方式沿着立管分布多个泵允许使用已知的泵技术。重量的分散提供了一种可更易于运动通过海洋的平衡的立管。

泵可以朝向立管系统的顶部形成泵组，在这种情况中，已证明可使用浅水泵。然而，这使得立管系统顶部的压力严重不足，所述立管系统顶部需要壁厚更厚的分段以阻止塌陷。这导致立管系统较重并且成本增加。因此，优选地，泵沿着立管基本均匀地间隔开。这还允许更加“模块化”的系统，在所述模块化系统中，初始可以使用具有较少泵的较短立管分段来开采较浅的水域，随后可以将具有相联泵的额外立管添加到所述较短立管分段上。

每个泵均优选地设置有连接到泥浆立管的枢转连接件，并且布置成使得一旦枢转地安装到泥浆立管之后，围绕枢轴进行的枢转运动使得泵上的入口端口和出口端口与立管系统上的对应端口相接合。这种结构允许通过ROV使得泵仅仅摇摆到合适位置中，使得当泵摇摆到合适位置中时，泵上的端口自动与泥浆立管上的端口对准和配合。

为了促进将泥浆泵固定到先前作为废水返回管路的管路，每条废水返回管路均优选地设置有：针对泵的部位，所述部位具有构造成可附接到泵的入口端口和出口端口；和旁通管，所述旁通管可移除地连接在入口端口与出口端口之间。这种旁通管在以废水返回模式操作时，其允许水向下流动通过废水返回管路。当期望将废水返回管路切换成泥浆立管时，移除旁通管并且优选地使用上述提及的枢转连接件将泵固定到合适位置中。

立管和返回管路优选地利用多个支撑件相互连接起来，所述支撑件沿着立管系统的长度布置，其中，每个支撑件均定位在大体水平平面中。这种支撑件非常适于设计成运动通过海洋的未栓系立管，这是因为所述支撑件提供了可靠且始终如一的支撑，而不受运动方向和洋流的影响。

每根立管或者水返回管路均可以是单根连续管。然而，优选地，立管系统由多个立管模块构成，所述每个立管模块首尾相接地连接以形成泥浆立管和水返回管路。每个模块均由四根导管构成，其中，两根导管构成泥浆立管而且两根导管构成水返回管路。应当理解的是，根据需要可使用多于四根导管。在此，描述仅仅旨在描述必需的最少数量的导管。而且，尽管描述了偶数根导管，但是这不是必需的，例如可以设有三根立管和两条水返回管路。

优选地，两种不同类型的模块构成立管系统，即，导管模块，所述导管模块包括没有侧向端口的至少四根导管；和泵模块，所述泵模块除了导管中的至少一根设置有侧向入口端口和侧向出口端口之外具有与导管模块类似的构造。这些端口或者在泥浆立管的情况中可以连接到泵，或者在水返回管路的情况中可以连接到旁通管。因此，在仅仅两种模块的情况中，可建立完整立管系统，其中，足够的泵模块沿着立管长度间隔开，以容纳期望数量的泵。实际上，即使在泥浆立管的情况中，旁通管也可以连接到入口端口和出口端口中的一些，以便在需要其它泵或者需要移除现有泵的情况中提供冗余（redundancy）。

优选地，立管至少部分地从浮箱悬垂下来。

本发明还扩展到一种开采系统，所述开采系统包括根据本发明的上述任一方面所述的立管系统，所述立管系统在其顶端部处联接到移动的水面船舶，而在其底端处联接到移动的海底开采工具。

根据本发明的另一方面，提供了一种立管系统，所述立管系统包括至少两根泥浆立管和至少两根水返回管路，所述立管系统包括：多个模块，所述多个模块首尾相接地连接，每个模块均包括至少一对泥浆导管和一对水返回导管，所述模块选自下述模块：导管模块，所述导管模块包括不具有侧向端口的至少四根导管；和泵模块，所述泵模块的导管中的至少一根具有侧向入口端口和侧向出口端口，用于连接泵。

为了减小因立管材料和泥浆的重量而引起的作用在立管上的应力，期望向立管提供浮力。

对于模块化构造，模块中的一些设置有浮箱，并且根据需要使用这些浮动模块中的多个。这可通过上述设置有浮箱的导管或者泵模块中任一种来实施。然而，为了使灵活性最大化，优选地，设置有第三种类型的模块，所述第三种类型的模块将被称作浮力模块，所述浮力模块设置有浮箱。

浮箱可设置在泵模块上。然而，优选地，浮动模块实际上是导管模块和浮箱的组合体。这避免在侧向端口与浮箱之间发生任何可能的干扰。

优选地，浮箱与立管导管一样多，其中，所述浮箱是放置在毗邻导管之间的细长箱体。

本发明还扩展到一种构造立管系统的方法，所述立管系统包括:一对的泥浆立管，所述一对立管系统均具有泵系统，以便将泥浆沿着立管向上运送；和一对废水返回管路，所述废水返回管路均具有废水泵，以便将废水沿着废水返回管路向下返回，所述方法包括：使得废水泵系统与废水返回管路中的一条脱开连接，并且将泥浆泵系统连接到废水返回管路，从而将废水返回管路转换成泥浆立管。除非例如无义务使废水流回到海床，否则可由某些其它设施处置废水，所述方法优选地还包括使得泵系统与泥浆立管中的一根脱开连接，并且将废水泵系统连接到该泥浆立管以使其转换成废水返回管路。

立管系统优选地是未栓系的立管系统。这意味着其附接到移动的海床车辆，而不是附接到固定的海床结构，诸如井口。

附图说明

参照附图描述了根据本发明的立管系统和方法的示例，在所述附图中：

图1是立管系统的泵模块的一部分的透视图；

图2是没有附接泵或者旁通阀的处于水平平面中的立管系统的截面；

图3是包含入口端口和出口端口的立管系统的一部分的处于竖直平面中的截面；

图4是入口端口/出口端口与泵之间的分界面的截面；

图5A、5B和5C分别是导管模块的处于水平面中的截面、侧视图和透视图；

图6A、6B和6C是浮力模块的类似视图；

图7A-7C是示出了安全阀的操作的示意性简图；以及

图8是整个开采系统的示意性简图。

具体实施方式

在WO2010/000289中总体描述了整个系统（包括水面船舶和海底开采车辆）。在图9中给出了整个系统的示意图。

整个系统包括位于海面102处的水面船舶100和一辆或多辆开采车辆103，所述开采车辆103移动通过海床4，以从海床拾取沉积物，并且形成泥浆，沿着挠性立管105抽吸所述泥浆。在待决申请（代理编号：P113709GB00）中描述了所述车辆。挠性立管105由可转动的球和球窝接头连接到相应的泥浆立管1，所述泥浆立管1向下延伸至海床上方约200米处的位置。这里应注意的是，如果遇到问题，则倾泄阀106允许从立管1倾泄泥浆。这些阀106开口于水返回管路上，用于喷出水。扩散器定位在每根立管的底部处，以减小水的排出速度。如在下文更加详细描述的那样，泵17沿着立管1间断地布置。一条或者多条水返回管路1与立管1平行（而且，在下文将更加详细地描述），废水返回泵107顺着所述水返回管路向下泵送从泥浆中提取的废水。这可用于驱动开采车辆103。水返回管路具有衬套，所述衬套允许所述水返回管路根据需要连接到挠性立管105。然而，当构造成水返回管路时，堵塞这些衬套。由立管1和废水返回管路2构成的立管管束被支撑在环形浮箱108中，所述环形浮箱108通过升沉补偿系统109悬置在水面船舶100的下方。通过径向支撑件110将立管管束支撑在浮箱108内。通过挠性连接件连接的挠性泥浆软管111（例如，橡胶疏浚软管）位于每根立管1的顶部处，所述挠性泥浆软管111经由月池引导到泥浆处理设备113。挠性水返回软管114处于每条水返回管路2的顶部，所述挠性水返回软管114经由月池112连接到泵107。用于开采车辆103的下水和收回系统115设置在船的船尾处。

现在转到立管系统，其广义上包括一对泥浆立管1和一对废水返回管路2。如图2最好地示出的，它们布置成大体正方形构造，其中，一对泥浆立管彼此相对且一对废水返回管路彼此相对。本发明同样可应用于设置有多于两根泥浆立管或废水返回管路的情况并且所述泥浆立管和废水返回管路不必成对。

立管系统由首尾相接地连接的多个模块构成。使用了三种不同类型的模块，即，图5中示出的导管模块3、图1中示出的泵模块4和图6中示出的浮力模块5。

将在下文更加详细地描述每个模块的个体特征。

然而，每个模块均设置有多个共用特征件，所述共用特征件存在于导管模块3中。现在将对其进行描述，此后将描述浮力模块和泵模块所需的其它特征件。

每个模块均由四根导管6构成，所述四根导管6分别形成泥浆立管1或者水返回管路2。在每根导管的端部处均设置有凸缘7，所述凸缘用于连接到毗邻的模块，或者在存在最上游模块和最下游模块的情况中连接到用于毗邻部件的联接件。如可看到的，凸缘适于带螺栓的连接件。四根导管6通过多个间隔开的侧向连接器8连结在一起。存在四个相连接的开口环，每个所述开口环均布置成接收导管并且用螺栓围绕导管栓接。非常严格地控制制造公差，以保持开口环与导管之间充足的接触面积。设计的基本对称性质有益于立管的受力，立管承受的力无论行进方向和洋流如何而均保持大体恒定。

除了浮力模块设置有如图6A和6C所示的多个浮力囊10之外，浮力模块5与立管模块3基本上相同。为每个模块设置四个这样的囊10并且所述囊10嵌套在每对立管与返回管路2之间，以便提供如图6A所示的紧凑构造。如图6C所示，囊10与凸缘7之间有空档，以使得所述囊10不会对毗邻模块之间的连接产生干扰。可使用改型的连接头8'，所述改型的连接头8'与连接头8类似，但是设置有用于接收囊10的另外开口环。另外，例如由钛和氯丁橡胶制成的一根或者多根带11可以围绕管束缠绕，以提供增强的稳定性。

现在将参照图1至图4来描述泵模块4。

泵模块的基本结构与上述立管模块相同，其中，添加的加强部允许附接可互换的泵组。模块上的每根导管6均设置有一对侧向端口，即，出口端口15和位于出口端口15上方的入口端口16。

出口端口15处的端口设计意味着其是当立管构造成泥浆立管时泥浆从其流出而进入到泵17中的端口。类似地，当立管构造成泥浆立管时，入口端口16是泥浆通过其从泵17再次流回到导管6中的端口。当立管构造成废水返回管路2时，流向相反，以使得实际上流从入口端口16流出而进入到连接在端口15和16之间的旁通导管18中并且经由出口端口15流回到立管中。然而，为了术语的一致性，如果它们处于泵构造中，端口将被称作出口端口15和入口端口16。

如从图2最清楚地看到的，出口端口15与导管6排成一直线。然而，入口端口16经由入口歧管19相对于导管6侧向偏置。这允许从上方接近下出口端口15，而不会受到入口端口16的干扰。

泵17是离心疏浚泵。该泵由电动马达驱动。泵具有通常为4.00m3/s的流量和478Kpa的压头。

泵和马达一起内置于支撑框架24中，以形成模块。水封泵和油压补偿系统装配在泵框架24上。每个泵均具有其自己的用于进行控制和监控的单独控制管缆。每个控制管缆均存储在单独控制管缆操纵绞车上，所述控制管缆操纵绞车安装在水面船舶的甲板上。使用变频驱动装置来控制泵速，所述变频驱动装置安装在生产船上。

当泵处于深水中时，并不认为气穴现象构成问题。然而，小气泡可能导致泵送效率稍微下降。通过使用变频驱动装置改变频率从水面调节每个单独泵的速度控制。由这些传感器来监测每个泵和马达的性能、负荷和状态，所述传感器为针对速度、抽吸侧和压力侧上的泵压力、泵振动、油补偿油舱内液面、马达温度和马达振动的传感器。传感器信号通过马达控制管缆。

作为电动离心泵的替代方案，立管泵可例如是由机械驱动的离心泵或者基于水力的泵驱动系统。

泵框架24在其上端部处设置有钩25。泵框架24在钢丝绳上被下放在合适位置上，使得钩25与导管6上的枢轴26相接合。然后泵摇摆到合适位置中，使得引入到泵入口的泵进入导管27和从切向泵出口引出的泵排出导管分别与图4中示出的泵出口端口15和入口端口16相汇合。端口15/16具有大体球形截面，而相应的进入导管27/排出导管28具有向外展开的端部部分29，以适应在泵17与导管6之间可能出现的任何小幅错位。连接件还设置有橡胶密封元件。泵模块具有ROV配接站，以允许通过ROV推进器作用力操纵模块，以用于定位。使用升沉补偿起重机在钢丝绳上提升泵模块。由ROV辅助钢丝绳的连接/脱开连接以及联接件的连接/脱开连接。

废水泵呈在水面船舶100的甲板上的电驱动的离心泵107组的形式，所述废水泵用于泵送废水返回立管2中的水。当废水返回管路转换成用作泥浆立管时，这些泵107与现有的挠性水软管114脱开连接并且连接到接下来将用作废水返回管路的任一根导管。

为了构造立管系统，在水面船舶上的甲板操纵设备上由起重机一个接一个竖直部署立管分段。每个分段均被竖直支撑，与此同时将其连结到位于下方的分段。为组合结构称重并且将其下沉通过月池。每个立管分段均应当具有适于在甲板区域中操纵的长度和重量。每个分段的长度典型地为12米至18米长，其中由船只操纵设备来限定最大操纵重量。当立管长度随着其下放到海洋中而增加时，由存在的浮力模块5减小部署钩负荷。

漂浮箱108悬挂完整的立管管束，所述漂浮箱108承担所述立管管束的大部分重量。所述漂浮箱继而由升沉补偿系统109支撑至生产船。漂浮箱装配有主动压载补偿系统和推进器，以便允许整个立管系统围绕其竖直轴线转动，以使得立管与井架中心线对齐并且在操作期间控制漂浮箱航向。一旦已经使得立管系统转动到正确的角度位置中，便如上所述安装泵。分隔开漂浮箱108，以针对泄漏或者损坏提供某些防护措施并且压载压缩空气。虽然可使用注水来控制浮力，但是漂浮箱设计成使得其浮力永远不会足以允许漂浮箱浮出水面。

为了启动系统，使得立管和泵充满海水。包括海底车辆上的那些泵的所有泵缓慢加速直到车辆开始抽吸泥浆为止。当泥浆密度逐渐增大时，用于离心泵的控制系统记录泵负荷并且控制每个泵的各自速度，以便在启动期间以最有效的方式泵送泥浆。

假设一个泵17发生故障，其通常会是这样的情况，即，立管中的剩余泵不能产生足够的压头将泥浆泵送至水面。这意味着受到影响的立管中的生产停止。必须用清洁的海水冲刷有效立管，以允许更换发生故障的泵。在冲刷之后，可更换泵并且可开始泵送。

为了允许冲刷立管，将一系列控制阀安装在立管中。下文描述在泵发生故障时实施的立管冲刷。

在需要进行定期维护时，这可通过使得海底车辆行驶以仅仅产生清洁的海水来冲刷立管而得以避免。随着泥浆密度逐渐减小，立管中的剩余泵应当能够从顶部至底部冲刷立管。为了简化这种处理，泵将具有足够高的额定功率，以允许在发生故障的离心泵保持在适当位置时泵送泥浆。

离心疏浚泵具有相对平坦的操作曲线，从而使得它们耐受泥浆密度变化。由于层结构的变化、现场密度的变化、海底车辆的速度、海底车辆的调遣和由车辆构造变化而引起的变化而使得泥浆密度在生产期间持续变化。

因为在泵中使用的叶轮22具有相当大的通道，所以即使大颗粒，诸如气态水合物也能够轻易地通过。疏浚泵专门针对此设计，因为疏浚的泥浆中的这些颗粒在疏浚行业中是常见的。立管中的最下方的泵趋于在撞击时破碎较大的水合物部分。因为泵沿着水深度分布，所以较之所有泵均位于立管底部的系统，立管中的主压力将较小。这意味着进入到系统中的任何气态水合物都将在接近水面期间在压力减小的影响下分离。所有颗粒具有大的表面积/体积比这一事实促进这种分离。

如图8A至图8C所示，在每个泵的前方和后方均装配有安全阀30、31。在正常操作期间，闭合两个安全阀30、31（图8A）。当泵堵塞时，泵前方的安全阀用于避免产生超压（图8B）的泥浆脉动。当泥浆速度因泵的不适当运行而变得过低时，打开安全阀和泵，使得泥浆不会停滞在立管中（图8C）。泵前方的安全阀用于在这种情况中避免立管中欠压。实际中，安全阀用于清空立管，以避免立管中欠压或者超压。

通过在管道安全阀操作时改变各个泵的速度的组合来监控和控制立管欠压/过压。连同于此，通过以上提到的用于保持稳定浮力的补偿系统和漂浮箱的组合来控制因立管中的泥浆密度变化而引发的立管浮力的任何变化。

Claims (16)

1.一种用于将泥浆从毗邻海床的位置运送到毗邻海面的位置的立管系统，所述立管系统包括：第一立管和第二立管；泥浆泵系统，所述泥浆泵系统将泥浆顺着所述第一立管和第二立管中的一根向上运送；和废水泵系统，所述废水泵系统将废水顺着所述第一立管和第二立管中的一根向下返回；其中，所述泥浆泵系统和所述废水泵系统能够选择性地连接到第一立管和第二立管之一，以允许各立管或者是泥浆立管或者是废水立管。

2.根据权利要求1所述的立管系统，所述立管系统还包括第三立管，所述泥浆泵系统和所述废水泵系统能够选择性地连接到所述第三立管。

3.根据权利要求2所述的立管系统，所述立管系统还包括第四立管，所述泥浆泵系统和所述废水泵系统能够选择性地连接到所述第四立管。

4.根据前述权利要求中的任意一项所述的立管系统，其中，每个泥浆泵系统均由沿着立管的长度间隔开的多个泵构成。

5.一种用于将泥浆从毗邻海床的位置运送到毗邻海面的位置的立管系统，所述立管系统包括多根立管，每根立管均包括用于沿着所述立管泵送泥浆的泵系统；每个泵系统均包括沿着所述立管间隔开的多个泵。

6.根据权利要求5所述的立管系统，其中，每个泵均设置有连接到泥浆立管的枢转连接件，并且布置成使得一旦所述泵枢转安装到所述泥浆立管，则围绕枢轴进行的枢转运动使得所述泵上的入口端口和出口端口与所述立管系统上的对应端口相接合。

7.根据权利要求5或6所述的立管系统，其中，每条废水返回管路均设置有：针对泵的部位，所述部位具有构造成能够附接到所述泵的入口端口和出口端口；和旁通管，所述旁通管能够移除地连接在所述入口端口与所述出口端口之间。

8.根据前述权利要求中的任意一项所述的立管系统，其中，立管管路和废水返回管路利用多个支撑件相互连接起来，所述多个支撑件沿着所述立管系统的长度布置，其中所述每个支撑件均定位在大体水平平面中。

9.根据前述权利要求中的任意一项所述的立管系统，其中，所述立管系统由多个立管模块构成，所述多个立管模块各个首尾相接地连接以形成泥浆立管和废水返回管路。

10.根据权利要求9所述的立管系统，其中，两种不同类型的模块构成所述立管系统：即，导管模块，所述导管模块包括没有侧向端口的至少四根导管；和泵模块，所述泵模块包括至少四根导管，所述泵模块的所述至少四根导管中的至少一根设置有侧向入口端口和侧向出口端口。

11.根据前述权利要求中的任意一项所述的立管系统，所述立管系统还包括浮箱，所述立管至少部分地从所述浮箱悬垂下来。

12.一种开采系统，所述开采系统包括根据前述权利要求中的任意一项所述的立管系统，所述立管系统在其顶端处联接到移动的水面船舶而在其底端处联接到移动的海底开采工具。

13.一种立管系统，所述立管系统包括至少两根泥浆立管和至少两条水返回管路，所述立管系统包括首尾相接地连接的多个模块，每个所述模块均包括至少一对泥浆立管导管和一对水返回管路，所述模块选自：导管模块，所述导管模块包括没有侧向端口的至少四根导管；和泵模块，所述泵模块的导管中的至少一根具有侧向入口端口和侧向开口，用于连接泵。

14.根据权利要求9至13中的任意一项所述的系统，其中，所述模块中的一些设置有浮箱。

15.一种用于构造立管系统的方法，所述立管系统包括：一对泥浆立管，所述泥浆立管均具有泵系统，以便将泥浆顺着所述立管向上运送；和一对废水返回管路，所述废水返回管路均具有废水泵，以便将废水顺着所述废水返回管路向下返回，所述方法包括：使得所述废水泵系统与所述废水返回管路中的一根脱开连接，并且将所述泥浆泵系统连接到所述废水返回管路，从而使得所述废水返回管路转换成泥浆立管。

16.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括：使得所述泵系统与所述泥浆立管中的一根脱开连接；以及将废水泵系统连接到该泥浆立管以使其转换成废水返回管路。