JP6161075B2 - 海底採掘のための連結解除可能な方法及び連結解除可能なシステム - Google Patents

Description

本発明は、海底採掘方法及びこれに関連するシステムに関する。特に、本発明は、穏やかでない海上状況、並びに低気圧性又は同様の天気事象の少なくとも一つに晒される領域における深海の海底採掘方法及びこれに関連するシステムに関する。しかし、海底採掘方法及び海底採掘システムは、風雨に晒されない海水又は穏やかな海上状況の場所において利用されてもよいことが理解されるべきである。

深海には、銀、金、銅、マンガン、コバルト、及び亜鉛を含む採収物を入手可能な様々な資源が含まれている。これらの原料は、陸上の採鉱場よりも通常高濃度で、海底において種々の形態で発見される。しかし、これらの鉱床のほとんどは、１，０００〜６，０００メートルの深さを有する海中で発見される。したがって、海底から鉱石を採掘かつ輸送するという大きな技術的な課題が存在する。

鉱床から鉱石を採掘するために、本出願人は、海底採掘方法及び海底採掘システムを発明した。システムは、水上艦まで延設される垂直ライザの下部に設置される動的浮遊海中ポンプを備える。海底生産手段の組み合わせは、泥水状の鉱物を含む鉱石を掘削し、水平輸送パイプを経由してポンプまで送出する。使用時において、鉱石は、輸送パイプを通過し、ライザを通過し、水上艦内まで移動する。その後に、鉱石は、脱水され、バージ船に移送される。

上記の海底採掘方法及び海底採掘システムは、比較的穏やかな海洋の海において主に利用される。すなわち、上記の海底採掘方法及び海底採掘システムは、低気圧又は台風が発生しやすい場所において特に明白であるように、波高変動が大きい領域では非実用的又は実行不可能である。このことは、主に、ライザの感度及びライザの高い動荷重に起因し、採掘補助船から隣接するバージ船までの鉱石の移送に関わる海上状況を制限することになる。

本明細書におけるいかなる先行技術の参照も、先行技術がオーストラリアにおける技術常識の一部を形成するという認定又はいかなる示唆を形成するものでもないとともに、上記の認定、又はいかなる示唆を形成するものとしてもみなされるべきでない。

［発明の目的］
本発明の目的は、一つ又はそれ以上の公表された内容を克服又は緩和すること、もしくは有益又は商業的な選択肢を消費者に提供することにある。

一態様において、必ずしも唯一の態様又は最も広範囲な態様ではないが、本発明は、海底に固定された垂直ライザと、前記垂直ライザに海底鉱石を送出するための採掘機械と、前記垂直ライザを介して前記鉱石を通過させるための引き上げシステムと、前記垂直ライザから前記鉱石を受け取るために、前記垂直ライザに着脱可能に連結される輸送船とを備える海底採掘のためのシステムに関する。

垂直ライザは、剛体ライザの形態であることが望ましい。しかし、垂直ライザは、柔軟性を有するライザであることも可能である。また、垂直ライザが剛性を有する部分及び柔軟性を有する部分から形成され得ることも想起される。

垂直ライザを保持するために、少なくとも一つの浮力装置が用いられてもよい。浮力装置は、浮揚性タンクの形態であってもよい。浮揚性タンクの浮力は、変更されてもよい。
引き上げシステムは、任意の適切な形態であってもよい。引き上げシステムは、海中ポンプの形態であってもよい。一般的には、海中ポンプは、垂直ライザの下部近辺に設置される。

代替的な引き上げシステムは、垂直ライザを介して鉱石を引き上げるために、空気を利用してもよい。空気は、垂直ライザ内に吐出されてもよい。鉱石を引き上げるための位置にて十分な空気が垂直ライザ内に吐出されてもよい。この位置は、設計に従って変更されてもよい。空気供給ラインは、垂直ライザ内に空気を送出するために、垂直ライザを下方に拡張させてもよい。コンプレッサは、空気供給ラインを介した空気の移動を可能にするように、空気供給ラインに取り付けられてもよい。

輸送船は、鉱石の貯蔵用の貨物倉を備えていてもよい。輸送船は、脱気及び脱水の少なくともいずれか一方を鉱石に対して行うための処理プラントを備えていてもよい。
採掘機械を垂直ライザに連結するために、ジャンパが用いられてもよい。ジャンパは、ライザの下部近辺に連結されてもよい。ジャンパを採掘機械に連結するために、クイックカップリングが用いられてもよい。

垂直ライザを輸送船に連結するために、柔軟性を有するリンクホースが用いられてもよい。ジャンパを採掘機械に連結するために、クイックカップリングが用いられてもよい。
採掘機械の動作を制御するために、補助船が用いられてもよい。補助船は、供給パイプラインを用いて採掘機械に連結されてもよい。

垂直ライザに供給するための鉱石を掘削するために、採掘機械が用いられてもよい。代替的に、掘削済の鉱石を回収し、これらの鉱石を垂直ライザに供給するために、採掘機械が用いられてもよい。二つ以上の採掘機械が垂直ライザに連結されてもよいことが理解されるべきである。

他の形態において、本発明は、海底に固定される垂直ライザから採掘機械を連結する工程と、前記垂直ライザから輸送船を連結する工程とを含む海底採掘のための方法に属する。

本方法は、引き上げシステムの動作を開始する工程と、海底から採掘機械を降ろす工程と、海底に固定される垂直ライザと採掘機械との連結を解除する工程と、垂直ライザと輸送船との連結を解除する工程と、引き上げシステムの動作を停止する工程と、海底から採掘機械を回収する工程をさらに含んでいてもよい。

本発明の実施形態について、単なる例示として、添付図面を参照しつつ、以下に説明する。

本発明の第１実施形態に従う海底採掘のための操作中のシステムの模式図である。 海底採掘のための非操作中のシステムの模式図である。 本発明の第２実施形態に従う海底採掘システムの模式図である。

図１は、波高変動が大きい領域、及び低気圧が発生しやすい地域に位置する領域の少なくともいずれか一方で用いられる海底採掘システム１０を示す。しかし、波高変動が小さい領域で海底採掘システム１０が用いられてもよいことが理解されるべきである。システム１０は、垂直ライザ２０、海中ポンプ３０、採掘機械４０、輸送船５０、及び補助船６０を備えている。

採掘機械４０から受け取った鉱石を輸送船５０まで輸送するために、垂直ライザ２０が用いられている。垂直ライザ２０は、碇２１を用いて海底に固定される剛体パイプから構成されている。碇２１は、重りの塊、杭基礎構造、又は交互に垂直に積載された基礎装置の形態であることが可能である。一般的には、垂直ライザ２０を碇２１に取り付けるために、鎖２６又は他の適切なロープが用いられる。垂直ライザ２０の種類及び寸法は、設計要件に従って当業者に容易に選択される。

放出弁２４は、垂直ライザ２０の下部近辺に設置される。垂直ライザ２０が制御されない動作停止中に閉塞されないことを保証するように、放出弁２４が用いられる。制御されない動作停止において、放出弁２４より下方に設置される排出口２５を介して垂直ライザ２０から鉱石を放出弁２４に放出することによって、放出弁２４が開弁される。放出弁２４を適切な時間に動作させる多数の方法が当業者に理解される。

浮揚性タンク２３は、垂直ライザ２０の頂点の近辺に取り付けられる。垂直ライザ２０の張力の維持を補助するために、浮揚性タンク２３が用いられる。浮力装置２３の配置は、波がライザ２０に許容できない荷重又は動きを生じない深さで行われる。さらに、浮揚性タンク２３の寸法及び形状は、当業者にとって明白である。垂直ライザ２０は、浮揚性タンク２３に通じている。

浮揚性タンク２３の浮力は、垂直ライザ２０の位置を変更可能にするように変更されることが可能である。浮揚性タンク２３の浮力は、浮揚性タンク２３内に存在する水の量を変更することによって、変更されることが可能である。採掘部位での採掘が終了するとすぐに、垂直ライザ２０と碇２１との間の鎖２６の張力を低減するために、浮揚性タンク２３を部分的に浸水させる。こうした操作のため、垂直ライザ２６の基部にある鎖２６と碇２１との連結が解除される間に、輸送船５０又は補助船６０によって、ライザ２０は水面から支持されることが可能である。鎖２６が取り外されるとすぐに、垂直ライザ２０の位置を変更し、次の場所にて他の碇２１に連結することが可能である。その後に、空気は、水を除去するために浮揚性タンクに注入され、浮揚性タンクが垂直ライザ２０を補助することを可能にする。

海底から輸送船５０まで鉱石を送出するために、海中ポンプ３０が用いられる。海中ポンプ３０は、垂直ライザ２０の端部近辺に設置される。海中ポンプ３０の寸法及び種類は、当業者に容易に判断される設計要件に従う。ポンプを動作させるために用いられる手段が変更され得ることが理解されるべきである。たとえば、ポンプは、電動又は液圧駆動であってもよい。

海底から鉱石を採掘するために採掘機械４０が用いられる。鉱石を含む典型的な海底の規模は、幅が約５００メートルで、長さが１，０００メートルで、深さが約１０〜４０メートルである。一般に、海底の地形は、起伏が非常に多い。また、水深は、１，０００メートル〜２，５００メートルの範囲である。採掘機械４０は、２５度もの大きい傾斜を有する起伏が多い地形で動作することが可能である。そのため、採掘機械４０は、こうした起伏が多い深海の状況下において機能するように、理想的に設計される。採掘機械４０は、以下の（１）〜（３）の工程を含むが、これらの工程に限定されない工程における任意の組み合わせを実行することで鉱石を採掘するように設計されることが可能である。（１）海底上に設置された範囲から鉱石を掘削する。（２）採掘機械４０に取り付けられた切削工具を用いて、鉱石を大きい塊の寸法に砕く。（３）鉱石が垂直ライザ２０を通過することを保証するように、鉱石を扱いやすい寸法に破砕するために、採掘機械に設置された破砕機内に鉱石を押し込む。鉱石が輸送船５０に移送されることが可能であるため、前もって備蓄されている鉱石を回収するためだけに採掘機械４０が利用されてもよいことが理解されるべきである。多くの変更及び実施形態が採掘機械４０のために想起される。

採掘システムが複数の採掘機械を用いてもよいことが理解されるべきである。これらの採掘機械は、たとえば鉱石の掘削、鉱石の備蓄、及び備蓄からの鉱石の回収の少なくとも一つの操作といった種々の操作を有していてもよい。さらに、同一の操作を実行する複数の異なる採掘機械を有していてもよい。

海中ポンプ３０を経由して採掘機械４０を垂直ライザに連結するために、ジャンパ７０が用いられる。ジャンパ７０は、水平輸送パイプ又はライザ移送パイプと呼称することも可能である。ジャンパ７０は、円弧状に形成されてもよい。このことは、採掘機械４０の海中ポンプ３０によって作用する力を低減することが可能である。円弧状のジャンパ７０における他の機能は、柔軟性、及び垂直ライザ２０に対する採掘機械４０の移動範囲を付与することである。

ジャンパ７０の半径が大きいことによって、遠心力及び摩擦を低減することが可能である。ジャンパをその円弧状の状態に維持するために、ブイのようなジャンパ浮力装置７１が用いられる。クイックリリースカップリング７２は、海中ポンプ３０及び採掘機械４０の少なくともいずれか一つからのジャンパのクイックリリースを可能にするために、ジャンパの一つ以上の端部に設置されてもよい。ポンプ及び採掘機械４０の少なくともいずれか一つとともに、ジャンパ７０のクイックリリース又は連結を可能にするために、図示しない遠隔操作車両（ｒｅｍｏｔｅｌｙ ｏｐｅｒａｔｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ：ＲＯＶ）がジャンパ７０に協働してもよい。

海底から移動させた鉱石を貯蔵し、輸送するために、輸送船５０が用いられる。さらに、輸送船５０は、鉱石の留置用の貨物倉５１を備える。また、輸送船５０は、貨物倉５１への鉱石の留置に先だって、鉱石の脱水及び脱水の両方を行うための処理プラント５２を備える。処理プラント５２からの廃水は、環境への許容できない影響がない深さにおいて、脱水パイプ５４を経由して海中に送り込まれる。代替的に、廃水は、鉱石を水上艦に引き上げるためのポンプ３０の圧縮室に動力を供給するために、垂直ライザ２０にピギーバックされることが可能な図示しない水導入ライン中に送り込まれる。

輸送船５０は、柔軟性を有するリンクホース８０を用いて垂直ライザ２０に取り付けられる。クイックリリースカップリング８１は、柔軟性を有するリンクホース８０を輸送船５０に接合するために、ホースの端部に設置される。スイベル８３は、輸送船５０の回転又は「ウェザーベーンニング（ｗｅａｔｈｅｒｖａｎｉｎｇ）」を可能にするために、輸送船５０上かつクイックカップリング８１に隣接して設置される。ホースのブイ８２は、柔軟性を有するリンクホース８０の水面での回収を可能にするために、リンクホース８０の周囲に連結されている。浮遊ロープのような柔軟性を有するリンクホース８０の回収を可能にするために、他の種類の浮遊装置とともにブイ８２が用いられてもよいことが理解されるべきである。

採掘機械４０を輸送かつ補助するために、補助船６０が用いられる。供給パイプライン６１は、補助船６０からの採掘機械４０の操作を制御するために、補助船６０から採掘機械４０まで延設される。補助船６０は、必要に応じて輸送船５０の配置及び回収の両方を行うために、配置回収設備６１を備える。

海中ポンプ３０を動作させることによって、システム１０が動作を開始する。ポンプの動作は、採掘機械４０が海底から鉱石を掘削することを可能にする。補助船６０内にいる操作者によって、採掘機械４０の動作が制御されることが理解されるべきである。鉱石が採掘機械４０を通過すると、その後に、鉱石はジャンパ７０を通過し、海中ポンプ３０を通過し、垂直ライザ２０内に入る。その後に、鉱石は、柔軟性を有するリンクホース８０を通過し、船載輸送船５０上に設置される処理プラント８１に入る。鉱石から水が除去されるとすぐに、鉱石は貨物倉５１内に配置される。

波高の影響、又は単に輸送船５０が満杯であることによって、海底採掘システム１０が動作を継続不可能である場合には、採鉱場の位置に輸送船５０を残留させることを可能にするように、柔軟性を有するリンクホース８０と輸送船５０との連結が解除される。また、ＲＯＶを用いて、ジャンパ７０と採掘機械４０との連結が解除される。海底から採掘機械４０を移動させるために、補助船６０上に設置される配置回収設備６１が利用される。採掘機械４０を海底から移動させるとすぐに、補助船６０を安全な場所に移動させることが可能である。

波の活動が大きいときには、浮力装置２３及び垂直ライザ２０は、波の活動よりも下方に配置される。そのため、図２に示すように、垂直ライザ２０、浮力装置２３、海中ポンプ３０、及びジャンパ７０は、荒天時に採掘中の部位に残留することが可能である。

許容できない暴風雨又は海上状況、もしくは単なる採掘動作の継続の後に、採掘動作を開始するために、補助船及び輸送船５０の両方は、海中の採掘部位に戻る。輸送船５０は、柔軟性を有するリンクホース８０を回収し、輸送船６０及びクイックカップリング８１を用いて、柔軟性を有するリンクホース８０を連結する。補助船は、採掘機械４０を海底に配置する。採掘機械４０をジャンパ７０に連結するために、ＲＯＶが用いられる。その後に、採掘動作を開始することが可能である。

また、波高の影響が問題となるときに、システム１０によって付与される優位性は、通常使用時においても優位性を付与することが理解されるべきである。輸送車両５０の迅速な連結の解除によって、時間枠を減少させつつ、輸送船５０が鉱石の輸送及び荷下ろしの少なくともいずれか一方を行うことが可能である。すなわち、貨物倉が満杯になるとすぐに、輸送船５０と柔軟性を有するリンクホース８０との連結を解除し、輸送船５０は陸上の備蓄に鉱石を輸送したり、風雨に晒されない海中にある別の輸送船に鉱石を移送する。その後に、さらなる輸送船５０は、採掘動作の継続を可能にするように、リンクホース８０を用いて垂直ライザ２０に連結することが可能である。

海底採掘システム１０は、必要に応じて採掘機械４０、輸送船５０、及び補助船６０の迅速な移動を可能にする。さらに、システム１０は、海上状況の制限における生産増加を可能にし、ひいては生産時間の増加を可能にする。そのうえ、垂直ライザ２０に付与される補助は、動荷重及び疲労荷重を減少させる。最後に、システムは、沖に向かわない鉱石の船間の移送を実現する。

図３は、海底採掘システム１０の代替的な実施形態を示す。この実施形態では、ポンプ３０をエアリフトシステム９０に置換している。エアリフトシステム９０は、輸送船５０に取り付けられるコンプレッサ９１を備える。空気供給ライン９２は、コンプレッサ９１から延設され、柔軟性を有するリンクホース８０に沿って垂直ライザ２０の下部の方へ通じている。空気供給ホース９２は、鉱石を海底から引き上げるために、垂直ライザ２０内に空気を供給するための管継手９３を用いて、垂直ライザ２０に通じるように延設される。垂直ライザ２０内への供給ライン９２の配置、及びコンプレッサ９１の寸法は、設計に従うことが理解されるべきであり、当業者によって決定され得ることが理解されるべきである。

本明細書において、一連の構成要素を備えるシステム、方法、又は装置は、それらの構成要素を単独で包含せずに、挙げられていない他の構成要素を包含しないように、「備える」という用語又は同様の用語は、非排他的な包含を意味することを意図している。

また、本発明の思想及び特許請求の範囲から逸脱することなく、記載した本発明に種々の異なる変化及び変更が加えられてもよいことが理解される。

Claims (28)

1. 海底採掘のためのシステムであって、
   海底に固定され、可変浮力を有する浮力装置によって保持された垂直ライザと、
   前記垂直ライザに海底鉱石を送出するための採掘機械と、
   前記垂直ライザを介して前記鉱石を通過させるための引き上げシステムと、
   前記垂直ライザから前記鉱石を受け取るために、前記垂直ライザに着脱可能に連結される輸送船と
   を備え、
   前記垂直ライザは、前記垂直ライザの下部近辺に設置される放出弁を備えるシステム。
2. 前記垂直ライザは、剛体ライザの形態である請求項１に記載のシステム。
3. 前記浮力装置は、浮揚性タンクの形態である請求項１〜請求項２のいずれか一項に記載のシステム。
4. 前記浮揚性タンクの浮力は、前記浮力装置内に存在する水の量を変更することによって変更される請求項３に記載のシステム。
5. 前記引き上げシステムは、海中ポンプの形態であることが可能である請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記海中ポンプは、前記垂直ライザの下端部近辺に設置される請求項５に記載のシステム。
7. 前記引き上げシステムは、コンプレッサを用いて前記垂直ライザを介して前記鉱石を引き上げるために、空気を利用する請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のシステム。
8. 空気供給ラインが前記コンプレッサに取り付けられ、前記垂直ライザ内に空気を送出するために、前記空気供給ラインは前記垂直ライザを下方に拡張させる請求項７に記載のシステム。
9. 前記輸送船は、前記鉱石の貯蔵用の貨物倉を備える請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記輸送船は、前記鉱石に対して脱気及び脱水の少なくともいずれか一方を行うための処理プラントを備える請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記採掘機械を前記垂直ライザに連結するために、柔軟性を有するジャンパが用いられる請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記垂直ライザを前記輸送船に連結するために、柔軟性を有するリンクホースが用いられる請求項１１に記載のシステム。
13. 前記採掘機械の動作を制御するために補助船が用いられる請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載のシステム。
14. 前記補助船は、供給パイプラインを用いて前記採掘機械に連結される請求項１３に記載のシステム。
15. 前記垂直ライザは、前記放出弁より下方に設置される排出口をさらに備える請求項１に記載のシステム。
16. 前記垂直ライザは、前記垂直ライザを碇に取り付ける鎖を用いて前記海底に固定される請求項１〜請求項１５のいずれか一項に記載のシステム。
17. 前記垂直ライザの位置を変更し、他の碇に連結することを可能にするために、前記鎖は連結解除可能である請求項１６に記載のシステム。
18. 海底採掘のための方法であって、
    海底に固定され、可変浮力を有する浮力装置によって保持される垂直ライザから採掘機械を連結する工程と、
    前記垂直ライザから輸送船を連結する工程と、
    放出弁より下方に設置される排出口を介して鉱石を前記垂直ライザから放出するために、前記放出弁を開弁する工程と、
    を含む方法。
19. 引き上げシステムの動作を開始する工程をさらに含む請求項１８に記載の方法。
20. 前記海底に前記採掘機械を降ろす工程をさらに含む請求項１８又は請求項１９に記載の方法。
21. 前記垂直ライザと前記輸送船との連結を解除する工程を含む請求項１８〜請求項２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 前記海底に固定される前記垂直ライザから前記採掘機械の連結を解除する工程と、
    引き上げシステムの動作を停止する工程と
    をさらに含む請求項１８〜請求項２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 前記海底から前記採掘機械を回収する工程をさらに含む請求項１８〜請求項２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 前記浮力装置内に存在する水の量を変更することによって、前記浮力装置の浮力を変更する工程をさらに含む請求項１８〜請求項２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 前記垂直ライザと碇との間の鎖の張力を低減するために、前記浮力装置を少なくとも部分的に浸水させる請求項２４に記載の方法。
26. 前記ライザと前記碇との連結を解除する工程をさらに含む請求項２５に記載の方法。
27. 前記ライザの位置を変更する工程と、
    前記ライザを他の場所にある他の碇に連結する工程と
    をさらに含む請求項２６に記載の方法。
28. 補助船からの前記採掘機械の操作を制御する工程をさらに含む請求項１８〜請求項２７のいずれか一項に記載の方法。

Images