CN103998716A - 用于海底开采的可断开方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于海底开采的系统包括锚固到海底的竖直立管、将海底矿石输送到竖直立管的开采机、使矿石经过竖直立管的提升系统和可去除地连接到竖直立管以从竖直立管接收矿石的运输船只。

Description

用于海底开采的可断开方法和系统

技术领域

本发明涉及用于海底开采的方法和相关系统。特别是，本发明涉及在暴露于不良海况和/或气旋(或类似)天气事件的区域中用于深水海底开采的方法和相关系统。但是，应当认识到用于海底开采的所述方法和系统可用在被掩护水域或者良性海况部位。

背景技术

深海含有可用来挖掘的许多不同资源，包括银、金、铜、锰、钴和锌。在海底发现各种形式的这些原料，通常比陆地矿的浓度高。但是，大多数这些矿藏被发现位于深度在1000和6000米之间的水中。因此，从海底开采和运输矿石具有巨大的技术挑战。

为了从矿藏开采矿石，申请人已经开发了用于海底开采的方法和系统。该系统包括定位在延伸到表面船只的竖直立管的底部处的动态悬置的海底泵。一组海底生产工具挖掘矿化矿石并经由水平运输管将矿化矿石以泥浆的形式传输到泵。使用中，矿石行进经过水平运输管、顺着立管向上并进入表面船只。接着，矿石被脱水并输送到驳船。

上面的用于海底开采的方法和系统主要用于相对平静的海洋水域。即，上面的用于海底开采的方法和系统在具有在易发气旋(或台风)部位中尤其明显的大浪高波动的区域中是不切实际或者不可行的。这主要是由于立管的敏感度和与矿石从开采支持船只运输到相邻驳船相关的高立管动态加载和海况限制。

本说明书中对任何现有技术的提及不应被认为承认或以任何形式暗示现有技术在澳大利亚形成公知常识的一部分。

本发明的目的在于克服或消除所公开的一个或多个问题或者为消费者提供有用或商业的选择。

发明内容

在一种形式中，虽然不一定是唯一或最宽的形式，本发明涉及一种用于海底开采的系统，包括：

竖直立管，其锚固到海底；

开采机，将海底矿石输送到竖直立管；

提升系统，使矿石经过竖直立管；和

运输船只，其可去除地连接到竖直立管以从竖直立管接收矿石。

竖直立管优选是刚性立管的形式。但是，竖直立管也可以是柔性立管。还可想到竖直立管可以由刚性段和柔性段形成。

至少一个浮力装置可用来支持竖直立管。浮力装置可以是浮力箱的形式。浮力箱的浮力可以改变。

提升系统可以是任何合适的形式。提升系统可以是海底泵的形式。海底泵通常与竖直立管的底部相邻定位。

一种替代的提升系统可使用空气来提升矿石经过竖直立管。空气可被泵送到竖直立管中。充分的空气可以在一位置被泵送到竖直立管以提升矿石。该位置可以根据设计改变。空气供应线可沿着竖直立管向下延伸以将空气输送到竖直立管中。压缩机可附接到空气供应线以使得空气能够行进经过空气供应线。

运输船只可包括用于储存矿石的货舱。运输船只可包括用于对矿石进行脱气和/或脱水的处理设备。

跨接线可用来将开采机连接到竖直立管。跨接线可连接成与立管的底部相邻。快速联接件可用来将跨接线连接到开采机。

柔性连接软管可用来将竖直立管连接到运输船只。快速联接件可用来将跨接线连接到开采机。

支持船只可用来控制开采机的操作。支持船只可经由脐带连接到开采机。

开采机可用来挖掘矿石以供应到竖直立管。替代地，开采机可用来收回已经被挖掘的矿石并将其供应到竖直立管。应当认识到多于一个开采机可连接到竖直立管。

在另一形式中，本发明在于一种用于海底开采的方法，包括步骤：

从锚固到海底的竖直立管连接开采机；和

从竖直立管连接运输船只。

该方法可进一步包括一个或多个以下步骤：

开始提升系统的操作；

从海底降低开采机。

将开采机从锚固到海底的竖直立管断开；

将运输船只从竖直立管断开；

中断提升系统的操作；和

从海底收回开采机。

附图说明

现在将参考附图只通过例子描述本发明的实施方式，其中：

图1是根据本发明的第一实施方式的用于海底开采的操作系统的示意图；

图2是用于海底开采的非操作系统的示意图；和

图3是根据本发明的第二实施方式的用于海底开采的系统的示意图。

具体实施方式

图1显示了用于在具有大浪高度波动的区域中使用和/或定位在气旋易发区域的用于海底开采的系统10。但是，应当认识到，用于海底开采的系统10可用在低浪高度区域中。系统10包括竖直立管20、海底泵30、开采机40、运输船只50和支持船只60。

竖直立管20用来将从开采机40接收的矿石运输到运输船只50。竖直立管20由刚性管构造，其经由锚固件21锚固到海底。锚固件21可以是配重块、桩基础结构或者交替竖直加载的基础设备的形式。链26或其他合适的系绳通常用来将竖直立管20附接到锚固件21。竖直立管20的类型和尺寸可由本领域技术人员根据设计要求容易地选择。

倾泄阀24邻近竖直立管20的底部定位。倾泄阀24用来确保竖直立管20不会在不受控关停期间被堵住。在不受控关停中，倾泄阀24打开，由此经过定位在倾泄阀24下方的出口25从竖直立管20释放矿石。本领域技术人员将认识到可以具有在适当时候启动倾泄阀24的许多方式。

浮力箱23附接成与竖直立管20的顶部相邻。浮力箱23用来帮助保持竖直立管20中的张力。浮力装置23的定位在波浪不会在立管20上造成不可接受的加载或运动的深度处。因此，浮力箱23的尺寸和形式对于本领域技术人员是明白的。竖直立管20穿过浮力箱23。

浮力箱23的浮力可改变以允许竖直立管20重新定位。浮力箱23的浮力可通过改变位于浮力箱23内的水量来改变。一旦完成在一部位的开采，浮力箱23被部分充斥水以减小竖直立管20和锚固件21之间的链26的张力。为了这种操作，立管20可通过运输船只50或者支持船只60从表面支持，同时竖直立管26基部处的链26从锚固件21断开。一旦链26被去除，竖直立管20可被重新定位并在下一位置处连接到另一锚固件21。接着，可向浮力箱中添加空气以去除水并允许浮力箱支持竖直立管20。

海底泵30用来将矿石从海底泵送到运输船只50。海底泵30与竖直立管20的端部相邻定位。海底泵30的尺寸和类型将取决于设计要求，容易由本领域技术人员评估。应当认识到用来操作泵的装置可以变化。例如，泵可被电力地或者液压地驱动。

开采机40用来从海底开采矿石。含有矿石的海底的典型规模是大约500米宽×1000米长×大约10至40米深。海底地形通常非常崎岖。水深也在1000米至2500米的范围。开采机40可在坡度高达25度的崎岖地形上工作。因此，开采机40理想上被设计为在这些崎岖的深海条件下执行。开采机40可被设计成通过执行以下步骤的任意组合来开采矿石，包括但不限于：(1)从位于海床底的场地挖掘矿石；(2)使用安装在开采机40上的切割器将矿石分解成块尺寸；和(3)迫使矿石进入定位在开采机40上的破碎机中以将矿石破碎成易处理尺寸来确保矿石经过竖直立管20。应当理解，开采机40可用来简单地收集之前已经被堆存的矿石，从而矿石能够传输到运输船只50。对于开采机40可预期许多变型和实施方式。

应当认识到用于开采的系统可使用多个开采机。这些开采机可具有不同的操作，诸如挖掘矿石、堆存矿石和/或从堆存堆收集矿石。此外，可具有执行相同操作的许多不同开采机。

跨接线70用来将开采机40经由海底泵30连接到竖直立管20。跨接线70也可被称为水平运输管或立管传输管。跨接线70可被构造成弧形形状。这可减小海底泵30施加在开采机40上的力。弧形跨接线70的另一功能在于提供开采机40相对于竖直立管20运动的灵活性和范围。

跨接线70的大半径可降低离心力和磨损。诸如浮标的跨接线浮力装置71用来将跨接线保持在其弧形状态。快速释放联接件72可定位在跨接线的一个或多个端部处以使得跨接线能够从海底泵30和/或开采机40快速释放。远程操作工具(ROV)(未显示)可与跨接线70相关以实现跨接线70与泵和/或开采机40的快速释放(或连接)。

运输船只50用来储存和运输从海底去除的矿石。因此，运输船只50包括用于放置矿石的货舱51。运输船只50还包括处理设备52以在矿石被放置在货舱51中之前对矿石进行脱气和脱水。来自处理设备52的废水经由位于不具有不可接受环境影响的深度处的脱水管54泵送到海里。替代地，废水被泵送到水注射线(未显示)，该水注射线可夹衬(piggy backed)到竖直立管20上以为泵30的压缩腔供能从而将矿石提升到表面船只。

运输船只50经由柔性连接软管80附接到竖直立管20。快速释放联接件81定位在软管的端部处以将柔性连接软管80连结到运输船只50。转体83定位在运输船只50上，与快速联接件81相邻，以允许运输船只50的转动或“随风改变方向”。软管浮标82连接在连接软管80周围以实现柔性连接软管80的表面收回。应当认识到浮标82可与其他类型的浮动装置一起使用以实现柔性连接软管80的收回，例如浮动绳。

支持船只60用来运输和支持开采机40。脐带61从支持船只60延伸到开采机40以从支持船只60控制开采机40的操作。支持船只60包括部署和收回设备61以根据要求放置和收回运输船只50。

系统10通过运转海底泵30开始操作。泵的操作使得开采机40能够从海底挖掘矿石。应当认识到，开采机40的运动通过位于支持船只60内的操作者控制。一旦矿石经过开采机40，矿石接着经过跨接线70、经过海底泵30并进入竖直立管20。接着，矿石经过柔性连接软管80并进入位于运输船只50上的机载处理设备81。一旦水从矿石去除，矿石就被放置在货舱51内。

如果用于海底开采的系统10由于浪高牵连或者简单由于运输船只50已满不能够继续操作，那么柔性连接软管80从运输船只50断开联接，使得运输船只50离开开采位置。跨接线70也经由ROV与开采机40断开联接。定位在支持船只60上的放置和收回设备61用来从海底去除开采机40。一旦开采机40从海底去除，支持船只60能够行进到安全位置。

在任何大浪活动中，浮力装置23和竖直立管20定位在任何浪活动以下。因此，竖直立管20、浮力装置23、海底泵30和跨接线70能够在风暴期间保持在开采部位，如图2所示。

为了在不可接受的风暴事件或者海况条件后开始开采操作或者简单地继续开采操作，支持船只和运输船只50都返回海底矿的部位。运输船只50收回柔性连接软管80并使用运输船只60和快速联接件81联接柔性连接软管80。支持船只将开采机40部署到海底。ROV用来将跨接线70连接到开采机40。开采操作可接着开始。

还应当认识到系统10在浪高牵连变成问题时提供的优点也在正常使用中提供好处。运输船只50的快速断开允许运输船只50在减小的时段中运输和/或排出矿石。即，一旦其货舱已满，运输船只50就从柔性连接软管80断开，并将矿石运输到岸上堆存堆或者将矿石传输到受掩护水域中的单独运输船只。接着，另一运输船只50能够经由连接软管80连接到竖直立管20以允许开采操作继续。

用于开采海底的系统10能够在需要时实现开采机40、运输船只50和支持船只60的快速去除。此外，系统10允许增加的生产海况限制，并因此允许增加的生产时间。进一步，为竖直立管20提供的支持减少了动态和疲劳加载。最后，系统提供矿石在船只之间的非离岸传输。

图3显示用于海底开采的系统10的一种替代实施方式。在该实施方式中，泵30用空气提升系统90替换。空气提升系统90包括安装在运输船只50上的压缩机91。空气供应线92从压缩机91延伸，沿着柔性连接软管80并朝着竖直立管20的底部经过。空气供应软管92经由奶嘴93延伸经过竖直立管20以在竖直立管20内供应空气，从而从海底提升矿石。应当认识到供应线92在竖直立管20内的放置和压缩机91的尺寸取决于设计并能够由本领域技术人员确定。

在本说明书中，术语“包括”或类似术语意在表示非排他性的包括，从而包括一系列元件的系统、方法或设备不仅仅包括这些元件，而是可以包括没有列明的其他元件。

还将认识到可以对描述的发明进行多种其他改变和修改而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于海底开采的系统，包括：

竖直立管，其锚固到海底；

开采机，将海底矿石输送到竖直立管；

提升系统，使矿石经过竖直立管；和

运输船只，其可去除地连接到竖直立管以从竖直立管接收矿石。

2.如权利要求1所述的系统，其中，竖直立管是刚性立管的形式。

3.如权利要求1或2所述的系统，其中，至少一个浮力装置用来支持竖直立管。

4.如前述任一项权利要求所述的系统，其中，浮力装置可以是浮力箱的形式。

5.如权利要求4所述的系统，其中，浮力箱的浮力可以改变。

6.如前述任一项权利要求所述的系统，其中，提升系统可以是海底泵的形式。

7.如权利要求6所述的系统，其中，海底泵与竖直立管的底部相邻定位。

8.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，提升系统使用空气来使用压缩机将矿石提升经过竖直立管。

9.如权利要求8所述的系统，其中，空气供应线附接到压缩机并沿着竖直立管向下延伸从而将空气输送到竖直立管中。

10.如前述任一项权利要求所述的系统，其中，运输船只包括用于储存矿石的货舱。

11.如前述任一项权利要求所述的系统，其中，运输船只包括用于对矿石进行脱气和/或脱水的处理设备。

12.如前述任一项权利要求所述的系统，其中，跨接线用来将开采机连接到竖直立管。

13.如权利要求12所述的系统，其中，柔性连接软管用来将竖直立管连接到运输船只。

14.如前述任一项权利要求所述的系统，其中，支持船只用来控制开采机的操作。

15.一种用于海底开采的方法，包括步骤：

从锚固到海底的竖直立管连接开采机；和

从竖直立管连接运输船只。

16.如权利要求15所述的方法，还包括步骤：

开始提升系统的操作。

17.如权利要求15或16所述的方法，还包括步骤：

将开采机降到海底。

18.如权利要求15至17中任一项所述的方法，包括步骤：

将运输船只从竖直立管断开。

19.如权利要求15至18中任一项所述的方法，还包括步骤：

将开采机从锚固到海底的竖直立管断开；和

中断提升系统的操作。

20.如权利要求15至19中任一项所述的方法，还包括步骤：

将开采机从海底收回。