CN108713090A - 用于反冲立管传输管的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种将材料从海底泵送到海面上的船舶的方法，包括以下步骤：使用生产工具从海底收集材料；通过立管将生产工具连接到船舶，该立管包括立管传输管；和使用水下渣浆提升泵将材料从生产工具泵送到船舶，该水下渣浆提升泵定位在生产工具与船舶之间并且通过立管传输管附接到生产工具。该方法还包括通过使海水经由渣浆提升泵朝向生产工具流入立管传输管中来反冲立管传输管。
Description
相关申请的交叉引用
本申请主张2016年3月2日提交的共同待审的美国临时申请序列号62/302,486的优先权和权益，该申请的全部公开内容出于所有目的以全文引用的方式并入本发明中。
技术领域
本发明总体涉及用于水下应用的设备，并且具体而言，涉及用于水下开采操作的系统和方法。
背景技术
在某些水下开采操作(subsea mining operations)期间，通常从海底(seafloor)切割材料并且使用提升泵(lift pump)将该材料抬升到海面船舶(surface vessel)处。在一些情况下，收集工具能够拾取材料，该材料随后通过立管传输管(riser transferpipe)和立管被传输到海面船舶。提升泵能够定位在立管传输管与立管之间。材料能够通过立管传输管从收集工具被拉动到泵，随后通过立管被泵推送到船舶。
总体而言，材料以渣浆(slurry)的形式流过立管传输管，所述渣浆包括从海底开采的固体材料，所述固体材料混有海水或其它流体。然而，渣浆的性质使得立管传输管有时可能变得堵塞、或者可能由于渣浆中大块或不规则形状的颗粒材料的通过而由于其它方式、或者由于多块材料在渣浆内粘附在一起而减少流。穿过立管传输管的渣浆流这种堵塞和减少可能导致停机以便为恢复操作而清理立管传输管，停机是成本昂贵的。
发明内容
本发明技术的一个实施例提供一种用于将材料从海底泵送到船舶的系统。该系统包括：用于收集海底材料的水下生产工具；船舶，该船舶定位在海面上并与水下生产工具连通以接收由水下生产工具收集的材料；和附接到船舶并且朝向海底延伸的立管。该系统还包括：提升泵，该提升泵与立管和水下生产工具连通，以通过立管将在海底上收集的材料泵送到船舶；和连接水下生产工具与提升泵的立管传输管。提升泵包括附接到立管传输管的渣浆入口线路(slurry inlet line)、附接到立管的渣浆返回线路(slurry return line)、和泵室(pump chamber)，该泵室位于渣浆入口线路与渣浆返回线路之间以经由渣浆入口线路和渣浆返回线路将材料从立管传输管泵送到立管中。此外，提升泵包括：海水供给线路，该海水供给线路与泵室流体连通以提供海水从而向泵室提供动力(power)；和反冲阀(backflush valve)，该反冲阀位于渣浆入口线路与海水供给线路之间以选择性地允许渣浆入口线路与海水供给线路之间的流体连通，使得海水能够进入渣浆入口线路和立管传输管以反冲立管传输管。
本发明技术的另一个实施例提供一种将材料从海底泵送到海面上的船舶的方法。该方法包括以下步骤：使用生产工具从海底收集材料；通过立管将生产工具连接到船舶，该立管包括立管传输管；和使用水下渣浆提升泵将材料从生产工具泵送到船舶，该水下渣浆提升泵定位在生产工具与船舶之间并且通过立管传输管附接到生产工具。该方法还包括通过使海水经由渣浆提升泵朝向生产工具流入立管传输管来反冲立管传输管。
本发明技术的又一个实施例包括一种在水下开采操作期间清理(clear)立管传输管的方法。该方法包括以下步骤：提供用于从海底收集材料的生产工具、用于输送材料(convey the material)的船舶、和水下渣浆提升泵，该水下渣浆提升泵用于通过立管将材料从生产工具泵送到船舶，该立管包括立管传输管；和通过使海水经过渣浆提升泵朝向生产工具流入立管传输管来反冲立管传输管。
附图说明
在阅读本发明技术的非限制性实施例的以下详细描述并检查附图后将更好地了解本发明技术，在附图中：
图1是根据本发明技术的实施例的水下生产操作的总体系统视图，该水下生产操作包括水下渣浆提升泵(SSLP)和立管传输管(RTP)；
图2是示意性液压图，其中图示了SSLP的阀和流体线路；
图3是示意图，其中示出了处于填充周期的根据本发明技术实施例的泵送系统；
图4是示意图，其中示出了处于压缩周期的图3的泵送系统；和
图5是示意图，其中示出了处于重叠的填充周期和压缩周期的图3和4的泵送系统。
具体实施方式
当参考优选实施例的以下描述和附图考虑时将进一步了解本发明技术的前述方面、特征和优势，其中相似的附图标记表示相似的元件。在描述附图中所说明的技术的优选实施例时，为清楚起见将使用特定术语。然而，本发明并不意图限于所使用的特定术语，且应理解，每一特定术语包括以类似方式操作从而实现类似目的的等效物。
图1示出了水下生产操作(subsea production operation)的整体系统视图，该水下生产操作包括水下生产工具10，例如辅助切割器12、大型切割器14和收集机(collectingmachine)16。水下生产工具10中的一个或多个通过立管传输管(RTP)20连接到水下渣浆提升泵(SSLP)18。SSLP18接着附接到立管(riser)21的底端。立管21将SSLP18连接到位于海面24处的生产支持船舶(PSV)22。
在实践中，水下生产工具10共同从海底26采收材料。例如，在某些实施例中，辅助切割器12和大型切割器14可以利用切割过程来分解(disaggregate)来自海底26的材料。辅助切割器12例如可以通过切割台(cutting benches)来平整坑洼地形、或者在坑洼地形中形成台阶。辅助切割器12可以装配有轨道(tracks)28，并且可以具有能够移动或旋转的切割头30以用于切割的灵活性。大型切割器14例如可以具有比辅助切割器12更高的切割能力，并且可以被设计成在台、或者由辅助切割器12形成的台阶部上进行切割。与辅助切割器12类似，大型切割器14能够具有轨道32和柔性切割头34。辅助切割器12和大型切割器14二者可以将切割材料留在海底26，以由收集机16进行收集。
收集机16能够是像辅助切割器12和大型切割器14一样的机器人车辆，并且用于收集通过辅助切割器12和大型切割器14从海底26切割的材料。根据操作的位置，从海底切割的材料能够是沙子、砾石、淤泥或者任何其它的材料。收集机16通过将其与海水结合来收集切割材料并且以海水渣浆形式将其抽入机器中。海水渣浆随后经过RTP20从收集机16被抽入SSLP18。收集机16还可以装配有轨道36、和柔性(flexible)收集头38。
在某些实施例中，SSLP18包括多个泵送机构、阀、和流体线路下文均有更详细的描述，所述多个泵送机构、阀、和流体线路共同作用，以从RTP20接受渣浆并且相对于立管21将渣浆向上泵送到位于海面24处的PSV22。有时，渣浆通过RTP20的流可能由于多种原因减慢或停止，例如由于特别大或不规则形状的切割件、尽管呈海水混合物等仍然粘附在一起的切割件等。在这种经过RTP20的渣浆的流减少的情况下，SSLP18能用于反冲RTP20以恢复充足的流，如下文更详细的描述的那样。
根据本发明技术的某些实施例，PSV22能够是船，但是在其它实施例中，PSV例如能够替代地为例如平台。PSV22能够包括通海井(moonpool)40，SSLP18和立管21能够在设置期间通过该通海井组装和部署。一旦渣浆到达PSV22，可以对渣浆脱水并且随后能够将保持干燥的材料(remaining dry material)暂时存储在船体中或者卸载到运输船舶上以用于装运。脱水过程排出的海水能够以任何可接受的方式处理，其中包括被泵送回到海底26。在一些实施例中，这种海水可以用于为SSLP18的操作提供液压动力。
SSLP18本身可以被设计成由来自PSV22的海水提供动力。这种布置是有益的，原因在于其允许泵的原动机(prime movers)定位在PSV22上，以便于提供服务和维修。SSLP18的水下部件例如在图2中所示的并且包括泵室42a-j、和隔离阀(isolation valves)44。隔离阀44通过海水供给线路46、渣浆入口线路47、渣浆返回线路48、和海水出口线路49相互连接并且能够通过液压方式致动。图2中还示出了第一隔离阀51和第二隔离阀53。第一隔离阀51和第二隔离阀53中的每一个都定位在海水供给线路46中，并且能够控制海水通过海水控制线路46中的一些流向特定的泵室42或泵室42组。第一隔离阀51和第二隔离阀53有助于控制通过SSLP18的流。图2还示出了在RTP20(示于图1中)与渣浆入口线路47之间的邻近连接点57的入口压力传感器55、以及节流压力控制器(choke pressure control)、或放泄阀(dumpvalve)59、和反冲阀61，该反冲阀61在反冲操作的情况下控制海水供给线路46与渣浆入口线路47之间的流。
在实践中，放泄阀59能够用于控制SSLP18的多个流体线路内的压力。例如，能够使用压力传感器55来确定渣浆入口压力。如果渣浆入口压力达到最大预定设定点，放泄阀59能够打开，以从系统放出海水。如果渣浆入口压力下降到低于最小设定点，放泄阀59能够关闭。此外，如果周期过程超过预定设定点，放泄阀59能够保持打开并且操作者被警示(alerted)。
每一个泵室42都包含膜片(diaphragm)43(示于图3-5中)，该膜片43通常由弹性体材料(elastomeric material)制成并且在泵室42内在被泵送的流体(例如，渣浆)与动力流体(例如，海水)之间提供屏障。在操作中，动力流体、或海水经由海水供给线路46进入泵室42并且在泵室42内产生膜片移动，该膜片移动随后将被泵送的流体、或渣浆推动到渣浆返回线路48上。这种推动动作更具体地示于图3-5中。
如图3-5中所示，每一个泵室42a-c可以装配有四个隔离阀44，以用于控制进入和离开泵室42a-c的流。每一个泵室42a-c都连接到渣浆入口线路47、渣浆返回线路48、海水供给线路46、和海水出口线路49。泵室42a-c也均能够装配有压缩阀(compress valves)和减压阀(decompress valves)50(示于图2中)，该压缩阀和减压阀被设计成允许泵室42a-c内的压力升高或下降，以分别匹配排放压力或填充压力。在某些实施例中，隔离阀44能够被定时为使得泵室42a-c以重叠方式周期经过泵送操作，由此有助于在SSLP18的入口侧和出口侧上实现显著无脉动流(pulsationless flow)。在图3-5中，为了简化的目的，图示的泵室42a-c的数量为三个。然而，在实践中，泵室42的数量能够达到10个(如图2中所示)、或者任何其它合适的数量以用于特定操作。
参照图3，其中示出了处于填充周期(in a fill cycle)的泵送系统。在填充周期期间，最左侧泵室42a包括均打开的第一渣浆入口阀44a和第一海水出口阀44b、以及关闭的第一渣浆返回阀44c和第一海水入口阀44d。收集机16迫使渣浆通过RTP20进入渣浆入口线路47并且进入泵室42a中，如由泵室42a中的向上箭头所示。当泵室42a充满时，第一渣浆入口阀44a和第一海水出口阀44b关闭，如图4中所示，图4示出了压缩周期。在该点处，压缩阀50(示于图2中)打开以允许来自海水供给线路46的流，以将室压缩至排放压力，使得当渣浆返回阀44c打开时，将不存在突然的压降，原因在于泵室42a已经处于排放压力。
再次参照图3，并且具体而言参照中间泵室42b，能够看到，尽管最左侧泵室42a正在填充，中间泵室42b正在泵出。第二渣浆返回阀44e和第二海水入口阀44f打开，使得海水进入泵室42b并且沿箭头图示的方向向下推动膜片43，由此将渣浆排出到渣浆返回线路48中。在图示的实施例中，向下推动膜片并且将渣浆从泵室42b排出所需的压力由海水提供。海水的体积流量能够例如使用正排量泵(未图示)被保持为恒定。在一些实施例中，这种正排量泵(positive displacement pump)能够定位在PSV22上，并且还能够允许将压力自校正到以期望的恒定体积流量移动渣浆所需的任何压力。换句话说，当过程条件改变时，SSLP18能够通过允许压力波动来保持恒定流量。这是有利的，原因在于泵送压力能够在操作期间根据渣浆中固体的水平或浓度而发生变化。
再次参照图4，在泵室42b中的膜片43到达低点之后，该低点可以邻近泵室42b的底部，第二渣浆返回阀44e和第二海水入口阀44f能够关闭，由此保持泵室42b内的排放压力。如果第二渣浆入口阀44g此时打开(不存在一些外部控制)，压力波能够流入渣浆返回线路中，这种情况是不期望的。为了防止这种情况，减压阀50(示于图2中)能够在所有与泵室42b相关联的海水阀和渣浆阀44关闭时打开，以使泵室42b内的压力降低到渣浆入口压力。
最后，图5示出了周期重叠如何形成无脉动流。在图5中，中心泵室42b几乎不含有渣浆。在行程结束之前，第三渣浆返回阀44h和第三海水入口阀44i能够打开，以允许渣浆流出最右侧泵室42c，从而避免排放压力峰值(discharge pressure spike)。
在一些情况下，特别是在诸如上文所述的水下开采操作期间，RTP20可能由于例如不规则形状或大体积固体而趋向于变得受阻塞或堵塞。一些阻塞足以严重到造成流过RTP20的渣浆减慢或者甚至停止。可以指示流中的这种阻塞的渣浆入口处的压力能够由入口压力传感器55测量。该问题的一种解决方案是按照时间表或根据需要定期反冲RTP20。为了实现这样的反冲，与泵室42a-j相关联的阀44能够以预定顺序致动。
例如，再次参照图2，用于反冲RTP20的一种可能的控制顺序能够包括关闭第一隔离阀51并且等待规定的时间周期，如例如大约两秒。随后，关闭第二隔离阀53并且等待规定时间周期，如例如大约两秒。随后，打开反流阀61以允许来自海水供给线路46的海水首先进入渣浆入口线路47中，并且随后进入RTP20中，以由此反冲RTP20。关闭第一隔离阀51和第二隔离阀53的一个目的在于防止去往RTP20的海水进入泵室42，去往RTP20的海水进入泵室42会损坏泵室42。通过以这样的方式反冲RTP20，能够清理RTP20中的阻塞，之后能够恢复正常泵送操作。
尽管已参照特定实施例对本发明中的技术进行了描述，但是应当理解，这些实施例仅仅是对本发明技术的原理和应用的说明。因此，应当理解，在不脱离如由所附权利要求书界定的本发明的精神和范围的情况下，可对说明性实施例进行多种修改，并且可设计其它布置。
Claims (20)
1.一种用于从海底泵送材料的系统，所述系统包括：
水下生产工具，所述水下生产工具用于收集海底上的材料；
船舶，所述船舶定位在海面上并与所述水下生产工具连通，以接收由所述水下生产工具收集的材料；
立管，所述立管附接到所述船舶并且朝向海底延伸；
提升泵，所述提升泵与所述立管和所述水下生产工具连通，以通过所述立管将在海底收集的材料泵送到所述船舶；和
立管传输管，所述立管传输管连接所述水下生产工具和所述提升泵；
所述提升泵包括：
渣浆入口线路，所述渣浆入口线路附接到所述立管传输管；
渣浆返回线路，所述渣浆返回线路附接到所述立管；
泵室，所述泵室位于所述渣浆入口线路与所述渣浆返回线路之间，以经由所述渣浆入口线路和所述渣浆返回线路将材料从所述立管传输管泵送到所述立管中；
海水供给线路，所述海水供给线路与所述泵室流体连通，以提供海水从而为所述泵室提供动力；
反冲阀，所述反冲阀位于所述渣浆入口线路与所述海水供给线路之间，以选择性地允许所述渣浆入口线路与所述海水供给线路之间的流体连通，使得海水能够进入所述渣浆入口线路和立管传输管，以反冲所述立管传输管。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
隔离阀，所述隔离阀位于所述反冲阀与所述泵室之间，以在所述反冲阀打开时选择性地隔离所述泵室与所述反冲阀。
3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
压力传感器，所述压力传感器定位在所述渣浆入口线路中，以测量从所述立管传输管进入所述渣浆入口线路的渣浆的压力。
4.根据权利要求3所述的系统，进一步包括：
附接到所述海水供给线路的放泄阀，所述放泄阀可选择地打开以在如果所述渣浆入口线路中的流体压力升高到预定设定点以上时从所述海水供给线路放掉海水。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述放泄阀可关闭以防止在如果所述渣浆入口线路中的流体压力下降到预定设定点以下时从所述海水供给线路排出海水。
6.根据权利要求2所述的系统，其中所述泵室包括多个泵室并且所述隔离阀包括多个隔离阀，并且其中每一个隔离阀都与分离的泵室或者泵室组相对应。
7.一种将材料从海底泵送到海面上的船舶的方法，所述方法包括以下步骤：
a)使用生产工具从海底收集材料；
b)通过立管将所述生产工具连接到船舶，所述立管包括立管传输管；
c)使用水下渣浆提升泵将材料从所述生产工具泵送到所述船舶，所述水下渣浆提升泵定位在所述生产工具与所述船舶之间并且通过所述立管传输管附接到所述生产工具；和
d)通过使海水经由所述渣浆提升泵朝向所述生产工具流入所述立管传输管中来反冲所述立管传输管。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述水下渣浆提升泵包括：
渣浆入口线路，所述渣浆入口线路附接到所述立管传输管；
渣浆返回线路，所述渣浆返回线路附接到所述立管；
泵室，所述泵室位于所述渣浆入口线路与所述渣浆返回线路之间，以经由所述渣浆入口线路和所述渣浆返回线路将材料从所述立管传输管泵送到所述立管中；
海水供给线路，所述海水供给线路与所述泵室流体连通，以提供海水从而为所述泵室提供动力；和
反冲阀，所述反冲阀位于所述渣浆入口线路与所述海水供给线路之间，以选择性地允许所述渣浆入口线路与所述海水供给线路之间的流体连通，使得海水能够进入所述渣浆入口线路和立管传输管，以反冲所述立管传输管。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
使用隔离阀在步骤d)期间将所述泵室与所述反冲阀隔离。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述水下渣浆提升泵还包括：
压力传感器，所述压力传感器定位在所述渣浆入口线路中，以测量从所述立管传输管进入所述渣浆入口线路的渣浆的压力；和
放泄阀，所述放泄阀附接到所述海水供给线路。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
在如果所述渣浆入口线路中的流体压力升高到预定设定点以上时打开所述放泄阀以从所述海水供给线路放掉海水。
12.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
在如果所述渣浆入口线路中的流体压力下降到预定设定点以下时关闭所述放泄阀以防止从所述海水供给线路排出海水。
13.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
e)在完成步骤d)之后重新开始将材料从海底泵送到所述船舶。
14.一种在水下开采操作期间清理立管传输管的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供用于从海底收集材料的生产工具、用于输送材料的船舶、和用于通过立管将材料从所述生产工具泵送到所述船舶的水下渣浆提升泵，所述立管包括立管传输管；和
b)通过使海水经过所述渣浆提升泵朝向所述生产工具流入所述立管传输管中来反冲所述立管传输管。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述水下渣浆提升泵包括：
渣浆入口线路，所述渣浆入口线路附接到所述立管传输管；
渣浆返回线路，所述渣浆返回线路附接到所述立管；
泵室，所述泵室位于所述渣浆入口线路与所述渣浆返回线路之间，以经由所述渣浆入口线路和所述渣浆返回线路将材料从所述立管传输管泵送到所述立管中；
海水供给线路，所述海水供给线路与所述泵室流体连通，以提供海水从而为所述泵室提供动力；和
反冲阀，所述反冲阀位于所述渣浆入口线路与所述海水供给线路之间，以选择性地允许所述渣浆入口线路与所述海水供给线路之间的流体连通，使得海水能够进入所述渣浆入口线路和立管传输管，以反冲所述立管传输管。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
使用隔离阀在步骤b)期间将所述泵室与所述反冲阀隔离。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述水下渣浆提升泵还包括：
压力传感器，所述压力传感器定位在所述渣浆入口线路中，以测量从所述立管传输管进入所述渣浆入口线路的渣浆的压力；和
放泄阀，所述放泄阀附接到所述海水供给线路。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：
在如果所述渣浆入口线路中的流体压力升高到预定设定点以上时打开所述放泄阀以从所述海水供给线路放掉海水。
19.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：
在如果所述渣浆入口线路中的流体压力下降到预定设定点以下时关闭所述放泄阀以防止从所述海水供给线路排出海水。
20.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
关闭所述反冲阀预备重新开始泵送操作。
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