KR101669798B1 - 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법 - Google Patents
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Abstract
해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법은, - 수중 굴착기 (1) 로써, 해저부 (14) 로부터 수화물 함유 슬러리를 굴착하는 단계, - 테일링 스트림 (8) 에 의해 작동되는 슬러리 펌프 (2) 를 포함하는 슬러리 리프팅 조립체로써, 라이저 도관 (3) 을 통해 떠 있는 상측 베슬 (7) 까지 상기 슬러리를 들어올리는 단계, - 상측 베슬 (7) 에 있는 또는 상측 베슬 근처에 있는 슬러리 분리 조립체 (4) 에서, 슬러리를 운반가능한 메탄 (CH4) 함유 중간 생성물 및 테일링 스트림으로 분리하는 단계, 및 - 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물을, 중간 생성물이 시장성 탄화수소 조성물로 변환되는 설비까지 운반하는 단계를 포함한다. 테일링 스트림 (8) 에 의해 작동되는 수화물 슬러리 펌프 (2) 를 이용하면, 수화물 슬러리를 수면 (13) 까지 들어올리는데 요구되는 에너지 및 압력의 적어도 일부가 해저부 (14) 로 되돌아오는 테일링 스트림 (8) 으로 재활용되기 때문에, 슬러리를 상측 베슬 (7) 까지 경제적으로 그리고 믿을 수 있게 들어올릴 수 있다.
Description
본 발명은 해저부 (water bottom) 에 매장되어 있는 수화물을 시장성 (marketable) 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법에 관한 것이다.
미국특허출원 US 2008/0088171 로부터 그러한 방법이 공지되어 있다. 공지된 방법에 있어서, 메탄 수화물과 머드의 혼합물이 수중 채광 조립체로 준비된 후, 한 쌍의 회전 체인에 부착되어 있는 일련의 버킷에 의해 수면 근처의 메탄 돔 (methane dome) 으로 옮겨진다. 메탄 수화물은 메탄 돔에서 수집되어 메탄과 물로 분해될 수 있고, 메탄 돔으로부터 메탄이 제거되어 액화 천연 가스 또는 합성 액체 연료를 생성한다.
공지된 방법의 단점은, 메탄 수화물이 일반적으로 수심 1 ㎞ 이상에 존재하므로, 메탄 수화물과 머드의 혼합물을 수면까지 들어올리는데, 매우 긴 체인 및 다량의 버킷이 요구되고, 따라서 공지된 방법은 비용이 많이 들고 무거운 장비를 필요로 하며, 이로 인해 공지의 버킷 준설법이 깊은 수심에서의 사용에 부적합하고 비경제적으로 된다는 것이다.
미국특허 제6,209,965호, 미국특허출원 US2003/0136585, 국제특허출원 WO98/44078 및 중국특허출원 CN101182771 로부터, 다른 수중 수화물 굴착법이 공지되어 있다.
본 발명의 목적은, 해저부에 매장되어 있는 수화물 퇴적층 (deposit) 으로부터 시장성 탄화수소 조성물을 제조하기 위한 향상된 방법으로서, 깊은 수심에서의 사용에 적합하고 경제적인 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법으로서,
- 수중 굴착기로써, 수화물 퇴적층으로부터 수화물 커팅을 굴착하고, 굴착된 수화물 커팅을 물 및/또는 저부 입자와 혼합하여, 파이프라인으로 운반가능한 수화물 함유 슬러리를 형성하는 단계,
- 상기 굴착기에 연결된 슬러리 리프팅 조립체로써, 라이저 도관을 통해 수면에 떠 있는 상측 베슬까지 슬러리를 들어올리는 단계,
- 상측 베슬에 있는 또는 상측 베슬 근처에 있는 슬러리 분리 조립체에서, 슬러리를 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물 및 테일링 (tailing) 스트림으로 분리하는 단계, 및
- 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물을, 중간 생성물이 시장성 탄화수소 조성물로 변환되는 설비까지 운반하는 단계
를 포함하고, 상기 슬러리 리프팅 조립체는 테일링 스트림에 의해 작동되는 슬러리 펌프를 포함하는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법이 제공된다.
테일링 스트림에 의한 슬러리 펌프의 작동의 이점은, 슬러리 펌프를 작동시키는데 비교적 큰 밀도의 테일링 스트림이 이용되어, 특히 수면 아래 수백 미터 또는 수 킬로미터의 수심에 슬러리 리프팅 조립체가 위치되는 경우, 상측 베슬까지 슬러리를 들어올리는데 그리고/또는 슬러리 분리 조립체로부터 슬러리 리프팅 조립체까지 테일링 스트림을 다시 펌핑하는데 요구되는 동력의 양이 감소된다는 것이다.
- 테일링 스트림은 상측 설비에 있는 테일링 주입 펌프에 의해 테일링 리턴 도관을 통해 슬러리 리프팅 조립체까지 아래쪽으로 펌핑되고, - 슬러리 펌프는 테일링 스트림에 의해 작동되는 유압 모터에 의해 작동되고, - 테일링 스트림은, 유압 모터의 출구에 연결된 가요성 테일링 처분 파이프를 통해, 해저부에 있는 테일링 처분 장소에 배출되는 것이 바람직하다.
유압 모터는 용적형 (positive displacement) 모터일 수 있고, 슬러리 펌프는 라이저 도관을 통해 슬러리를 실질적으로 난류로 펌핑하는 용적형 펌프일 수 있다.
용적형 펌프 및 모터는 다이어프램 펌프와 모터 조립체를 포함할 수 있고, 다이어프램 펌프와 모터 조립체는 가요성 다이어프램을 포함하고, 이 가요성 다이어프램은 하우징을 수화물 슬러리 포함 챔버와 테일링 스트림 포함 챔버로 분할하도록 하우징 내에 실질적으로 수직 배향으로 배치된다.
수화물 슬러리 및/또는 테일링 스트림의 고형물 입자에 의한 챔버의 막힘을 방지하기 위해, 수화물 슬러리 포함 챔버 및/또는 테일링 스트림 포함 챔버가 챔버의 하측 단부에 배치된 적어도 하나의 유체 입구 및/또는 출구를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여, 상기 슬러리 분리 조립체의 압력은 대기압 이상으로 유지되고, 상기 슬러리 분리 조립체는, 물 분리 수단을 구비하고, 또한 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물을 메탄 함유 연료 및 다른 시장성 탄화수소 조성물 중 하나 이상으로 변환시키기 위한 해안 설비까지 메탄 스트림을, 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물로서 운반하기 위한 이출 도관에 연결되는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법을 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
또한, 슬러리 리프팅 설비가, 수화물 함유 슬러리를 0℃ 미만의 온도를 갖는 냉각된 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물로 변환시키기 위해 가스오일 또는 디젤유와 같은 냉각된 탄화수소 캐리어 액체가 슬러리에 추가되는 수중 혼합 챔버를 포함하는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법을 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
또한, 상기 라이저 도관은 하측 구획, 중간 구획 및 상측 구획을 포함하고, 라이저 도관의 하측 구획과 중간 구획 사이에 분리 챔버가 배치되고, 상기 혼합 챔버는 라이저 도관의 중간 구획과 상측 구획 사이에 연결되고, 라이저 도관의 상측 구획은 단열층을 구비하고, 상기 냉각된 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물은 라이저 도관의 단열된 상측 구획을 통해 상측 베슬까지 운반되고, 이로써 냉각된 중간 생성물의 온도가 상측 베슬을 둘러싸고 있는 표층수의 주위 온도 미만으로 유지되는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법을 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
또한, 상측 베슬은 냉각된 중간 생성물을 저장하기 위한 단열 저장 탱크 및 냉각된 중간 생성물을 셔틀 탱커의 단열 탱크 내로 운반하기 위한 단열 슬러리 이출 도관을 구비하고, 셔틀 탱커는, 냉각된 중간 생성물을 메탄 함유 연료 및 다른 시장성 탄화수소 조성물 중 하나 이상으로 변화시키기 위한 해안 설비까지, 냉각된 중간 생성물을 운반하도록 되어 있는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법을 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
또한, 상기 굴착기는 캐터필러 트랙을 구비한 원격 작동 크롤러 (crawler) 이고, 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물을 메탄 함유 연료 및 다른 시장성 탄화수소 조성물 중 하나 이상으로 변환시키기 위한 설비는, 가정용, 수송용 및 산업용 연료 중 하나 이상으로서 사용되기에 적합한 순수 천연 가스, 액체 천연 가스 (LNG) 및 합성 윤활유 중 하나 이상, GTL 연료 및 GTL 파라핀 중 하나 이상과 같은 가스액화 (Gas To Liquid, GTL) 조성물을 생성하기 위한 해안 또는 외해 설비인, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법을 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
또한, 본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여, 상기 슬러리 분리 조립체의 압력은 대기압 이상으로 유지되고, 상기 슬러리 분리 조립체는, 물 분리 수단을 구비하고, 또한 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물을 메탄 함유 연료 및 다른 시장성 탄화수소 조성물 중 하나 이상으로 변환시키기 위한 해안 설비까지 메탄 스트림을, 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물로서 운반하기 위한 이출 도관에 연결되는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법을 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
또한, 슬러리 리프팅 설비가, 수화물 함유 슬러리를 0℃ 미만의 온도를 갖는 냉각된 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물로 변환시키기 위해 가스오일 또는 디젤유와 같은 냉각된 탄화수소 캐리어 액체가 슬러리에 추가되는 수중 혼합 챔버를 포함하는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법을 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
또한, 상기 라이저 도관은 하측 구획, 중간 구획 및 상측 구획을 포함하고, 라이저 도관의 하측 구획과 중간 구획 사이에 분리 챔버가 배치되고, 상기 혼합 챔버는 라이저 도관의 중간 구획과 상측 구획 사이에 연결되고, 라이저 도관의 상측 구획은 단열층을 구비하고, 상기 냉각된 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물은 라이저 도관의 단열된 상측 구획을 통해 상측 베슬까지 운반되고, 이로써 냉각된 중간 생성물의 온도가 상측 베슬을 둘러싸고 있는 표층수의 주위 온도 미만으로 유지되는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법을 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
또한, 상측 베슬은 냉각된 중간 생성물을 저장하기 위한 단열 저장 탱크 및 냉각된 중간 생성물을 셔틀 탱커의 단열 탱크 내로 운반하기 위한 단열 슬러리 이출 도관을 구비하고, 셔틀 탱커는, 냉각된 중간 생성물을 메탄 함유 연료 및 다른 시장성 탄화수소 조성물 중 하나 이상으로 변화시키기 위한 해안 설비까지, 냉각된 중간 생성물을 운반하도록 되어 있는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법을 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
또한, 상기 굴착기는 캐터필러 트랙을 구비한 원격 작동 크롤러 (crawler) 이고, 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물을 메탄 함유 연료 및 다른 시장성 탄화수소 조성물 중 하나 이상으로 변환시키기 위한 설비는, 가정용, 수송용 및 산업용 연료 중 하나 이상으로서 사용되기에 적합한 순수 천연 가스, 액체 천연 가스 (LNG) 및 합성 윤활유 중 하나 이상, GTL 연료 및 GTL 파라핀 중 하나 이상과 같은 가스액화 (Gas To Liquid, GTL) 조성물을 생성하기 위한 해안 또는 외해 설비인, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법을 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
첨부된 청구범위, 요약, 및 첨부 도면에 도시한 비제한적인 실시형태에 대한 이하의 상세한 설명에서 본 발명에 따른 방법의 이러한 그리고 다른 특징, 실시형태 및 이점을 설명하며, 도면에 표시한 해당 도면부호를 가리키는 도면부호를 상세한 설명에서 사용한다.
도 1 은, 본 발명에 따른 방법이 적용된 수화물 슬러리 리프팅 및 프로세싱 조립체의 제 1 바람직한 실시형태의 개략적인 수직방향 단면도이다.
도 2 는, 본 발명에 따른 방법이 적용된 수화물 커팅의 리프팅 및 프로세싱 조립체의 제 2 바람직한 실시형태의 개략적인 수직방향 단면도이다.
도 3 은, 본 발명에 따른 방법이 적용된 수화물 슬러리 리프팅 및 프로세싱 조립체의 다른 바람직한 실시형태의 개략적인 3차원도이다.
도 4 는, 본 발명에 따른 슬러리 굴착, 리프팅 및 분리 계획의 흐름도이다.
도 5 는, 본 발명에 따른 슬러리 굴착, 리프팅 및 분리 계획의 개략도로서, 여기서 유압 펌프와 모터의 조립체가 다이어프램 펌프 및 모터를 포함하고 있다.
도 2 는, 본 발명에 따른 방법이 적용된 수화물 커팅의 리프팅 및 프로세싱 조립체의 제 2 바람직한 실시형태의 개략적인 수직방향 단면도이다.
도 3 은, 본 발명에 따른 방법이 적용된 수화물 슬러리 리프팅 및 프로세싱 조립체의 다른 바람직한 실시형태의 개략적인 3차원도이다.
도 4 는, 본 발명에 따른 슬러리 굴착, 리프팅 및 분리 계획의 흐름도이다.
도 5 는, 본 발명에 따른 슬러리 굴착, 리프팅 및 분리 계획의 개략도로서, 여기서 유압 펌프와 모터의 조립체가 다이어프램 펌프 및 모터를 포함하고 있다.
도 1 ~ 5 에 나타낸 조립체는, 심층수 외해 (deepwater offshore) 영역의 얕은 침전물 (shallow sediments) 에 매장되어 있는 수화물 퇴적층의 리프팅 및 운반가능 중간 생성물로의 변환이 가능하고, 이 중간 생성물은 중간 생성물을 시장성 연료 및/또는 다른 탄화수소 조성물로 변환시키기 위한 해안 또는 외해 설비까지 셔틀 탱커 또는 파이프라인에 의해 운반된다.
본 발명에 따르면, 수화물은 다른 상품의 심해 채광을 위해 개발된 타입의 해저 (seabed) 굴착기를 이용하여 해저의 수중 수화물 퇴적층으로부터 준설 (dredge) 된다. 이에 의하면, 수화물, 물 및 침전물의 슬러리가 생성되며, 이 슬러리는 중간 제조 설비에 들어가고, 이 설비로부터 중간 생성물이 분리되어 전술한 것처럼 표면까지 운반된다.
도 1 에 나타낸 실시형태에서, 해저 굴착기 (1) 가 수화물 퇴적층 (10) 으로부터 수화물을 굴착하여, 가요성 호스 (11) 를 통해 메탄 수화물, 미립자 침전물 및 해수의 슬러리 (17) 를 슬러리 라이저 도관 (3) 내로 전달한다. 특정 깊이에서, 슬러리는 펌핑 스테이션 (2) 을 통과하고, 이 펌핑 스테이션은 라이저 내 슬러리 (17) 의 압력을 상승시켜서, 슬러리 라이저 도관 (3) 을 통해 실질적으로 관형 유동 구역에서 위쪽으로 고형물의 침강이 최소가 되는 속도로 슬러리를 이동시킨다. 슬러리 라이저 도관 (3) 의 상부에서, 즉 바다 표면에서, 슬러리는 펌핑 스테이션 (2) 에 의해 제공되는 고압으로 슬러리 분리 조립체 (4) 에 들어간다. 해수 입구 (5) 를 통해, 분리 조립체 (4) 내 열교환기 튜브에 따뜻한 표면 해수가 연속적으로 또한 도입되고, 그 결과 메탄 수화물이 가열되어, 고압에서 물 및 메탄 가스 (CH4) 로 분리된다. 메탄 가스 (CH4) 는 분리 조립체 (4) 의 상부 (6) 로부터 인출되어, 스파 (Spar) 타입 중간 생성 베슬 (12) 로부터의 이출 (export) 준비되기 전에 건조 및 추가 여압 (pressurisation) 단계를 통과하고, 중간 생성 베슬은 수면 (13) 에 떠 있고, 해저부 (14) 에 꽂힌 흡입 앵커 (16) 에 연결된 정박 라인 (15) 에 의해 해저 (14) 에 정박된다. 나머지 물과 침전물을 포함하는 테일링 스트림이 슬러리 분리 조립체 (4) 의 저부 (7) 로부터 인출되고, 테일링 처분 (9) 에 적합한 해저부 (14) 의 영역까지 다시 아래로 운반하기 위해 테일링 리턴 도관 (8) 에 들어간다.
도 2 는, 본 발명에 따른 방법이 적용된 수화물 커팅의 리프팅 및 프로세싱 조립체의 대안적인 실시형태를 보여준다.
이 실시형태에서, 오일계 슬러리 내에서 저온의 상측에서 메탄 수화물이 고형물 상태로 생성된다. 이 중간 생성물의 주된 이점은, 저온의 수화물이 자가-보존 (self-preservation) 효과를 나타내므로 선적에 용이한 상인 고체 물질로서 준안정적으로 남고, 복잡한 고체조작 장비의 필요없이 슬러리를 배로 직접 펌핑할 수 있다는 것이다.
이 버젼에서, 해저 굴착기 (21) 가 해저 (31) 의 수화물 퇴적층 (30) 으로부터 수화물을 굴착하고, 가요성 호스 (32) 를 통해 메탄 수화물, 미립자 침전물 및 해수의 슬러리를 수화물 슬러리 분리 조립체 (22) 내로 전달한다. 분리 조립체 (22) 내에서, 침전물은 부양성으로 (buoyantly) 가라앉고, 조립체 (22) 의 저부 (23) 로부터 인출되어 적절한 장소에 테일링 (33) 으로서 처분된다.
분리 조립체 (22) 내에서, 수화물 조각들이 위쪽으로 떠오르고 조립체 (22) 의 상부로부터 라이저 (24) 내로, 물 대 오일 슬러리 유닛 (25) 으로 들어가는 물/수화물 슬러리로서 인출되며, 물 대 오일 슬러리 유닛은 컨베이어 벨트 (35) 및 차가운 오일 주입 도관 (36) 을 포함하고, 가스 수화물 안정 영역 (Gas Hydrate Stability Zone, GSHZ) 내에, 가능하다면 분리 조립체 (22) 에 부착된 해저부 (31) 에 위치하도록 수면 (34) 아래에 충분히 깊이 위치된다. 수화물은 적절한 탄화수소 (예컨대, 가스오일) 인 캐리어로 대략 -20 ℃ 로 냉각된 슬러리 내로 이동된 후, 슬러리는 라이저 (26) 를 통해 부유성 상측 설비 (27) 까지 전달된다. 상측 설비 (27) 에서, 슬러리는, 재사용을 위해 슬러리로부터 오일이 분리되는 셔틀 탱커 (29) 내로 호스 (28) 를 통해 펌핑될 수 있다. 그리고 나서, 셔틀 탱커 (29) 는 마케팅을 위해 차가운 고체 수화물을 해안으로 운반한다.
도 3 은, 본 발명의 방법의 다른 실시형태를 보여주는데, 굴착기 (40) 가 해저부 (42) 에 매장되어 있는 수화물 퇴적층 (41) 으로부터 수화물 슬러리를 굴착하고, 가용성 라이저 (44) 를 통해 물 속 (subsea) 슬러리 펌프 (45) 내로 굴착된 수화물, 흙과 물의 슬러리 (43) 를 주입한다. 물 속 슬러리 펌프 (45) 는 슬러리 라이저 도관 (56) 을 통해 수면 (47) 에 떠 있는 표면 제조 플랫폼 (46) 까지 슬러리를 펌핑한다. 플랫폼 (46) 에 설치된 메탄과 테일링 분리 조립체 (48) 가 슬러리를 테일링 스트림 (49) 및 메탄함유 펌핑가능한 생성물 (천연 가스 조성물 또는 액체 천연 가스 (LNG) 등) 로 분리한다. 테일링 스트림은 테일링 리턴 도관 (51) 내로 고압 펌프 (50) 에 의해 펌핑되고, 테일링 리턴 도관 (51) 은 유압 모터 (52) 에 연결되어 있다. 유압 모터 (52) 는, 예컨대 공통 샤프트 (53) 에 펌프 (45) 와 모터 (52) 를 설치함으로써, 물 속 펌프 (45) 를 작동시킨다. 펌프 (45) 및 모터 (52) 는 터빈 또는 원심성 장치와 같은 로토다이나믹 (rotodynamic) 조립체를 포함할 수 있거나, 또는 피스톤 펌프와 모터, 트윈 스크루 펌프와 모터, 모아누 (moineau) 펌프와 모터와 같은 용적형 장치일 수 있다.
유압 모터 (52) 에 의해 배출되는 테일링 스트림 (49) 은 가요성 테일링 처분 파이프 (54) 를 통해 해저부 (42) 에 있는 테일링 처분 장소 (55) 까지 유동한다.
도 4 는 도 3 에 나타낸 조립체의 흐름도로서, 유사한 부품에는 도 3 에서 사용한 것과 유사한 도면 번호를 사용하였다. 도 4 는, 화살표 (57) 로 나타낸 것처럼, 메탄-테일링 분리 조립체 (48) 에서 굴착된 수화물 슬러리 (43) 를 가열하는데 수면 (47) 으로부터의 비교적 따뜻한 해수가 이용될 수 있음을 또한 보여주고 있다.
도 5 는, 본 발명에 따른 방법에 이용되기 위한 물 속 펌프 스테이션 (60) 의 다른 바람직한 실시형태를 보여주는데, 펌프 스테이션은 3 개의 다이어프램 펌프와 모터 조립체 (61A~C) 를 포함하고 있다.
각각의 조립체 (61A~C) 는, 실질적으로 수직방향의 가요성 멤브레인 (62A~C) 이 내부에 배치되어 있는 구형 하우징을 포함하고, 이 멤브레인은 하우징의 내부를 수화물 슬러리 포함 챔버 (63A~C) 와 테일링 스트림 포함 챔버 (64A~C) 로 분할한다.
각각의 수화물 슬러리 포함 챔버 (63A~C) 는, 제 1 밸브 (65A~C) 를 통해, 굴착기 (68) 에 설치된 펌프 (67) 에 연결된 가요성 라이저 (66) 에 연결될 수 있고, 제 2 밸브 (68A~C) 를 통해 슬러리 라이저 도관 (69) 에 연결될 수 있다.
슬러리 라이저 도관 (69) 은 제조 베슬 (70) 로부터 현수되어 있고, 제조 베슬은 수면 (71) 에 떠 있으며 슬러리 분리 조립체 (72) 를 운반하고, 슬러리 라이저 도관 (69) 이 슬러리 분리 조립체 내로 수화물 슬러리 (73) 를 배출하고, 슬러리 (73) 는 슬러리 분리 조립체에서 메탄 (CH4) 스트림 (74) 과 테일링 스트림 (75) 으로 분리된다.
테일링 스트림 (75) 은 고압 다단 펌프 (76) 에 의해 테일링 리턴 도관 (77) 내로 펌핑되고, 테일링 리턴 도관은 제 3 밸브 (78A~C) 를 통해 각각의 테일링 스트림 포함 챔버 (64A~C) 에 연결될 수 있다.
또한, 각각의 테일링 스트림 포함 챔버 (64A~C) 는 제 4 밸브 (80A~C) 를 통해 가요성 테일링 처분 파이프 (79) 에 연결될 수 있다.
제 1 내지 제 4 밸브는 유체 입구 및 출구 (81A~C 및 82A~C) 에 연결되고, 유체 입구 및 출구는 하우징에서의 고형물 부스러기의 축적을 억제하도록 다이어프램 펌프와 모터 조립체 (61A~C) 의 구형 하우징의 하측 단부 근처에 배치되어 있다.
도시된 것처럼, 맨 위의 다이어프램 펌프와 모터 조립체 (61A) 의 제 2 및 제 3 밸브 (68A 및 78A) 만 개방되면, 고압 펌프 (76) 에 의해 펌핑된 테일링 스트림이 화살표 (85) 로 나타낸 것처럼 멤브레인 (62A) 을 우측으로 가압할 수 있고, 이로써 수화물 슬러리 포함 챔버 (63A) 로부터 슬러리 라이저 도관 (69) 내로 수화물 슬러리를 펌핑할 수 있다.
아래쪽 2 개의 다이어프램 펌프와 모터 조립체 (61B~C) 중, 제 1 및 제 4 밸브 (56B~C 및 80B~C) 만 개방되면, 굴착기의 펌프 (67) 에 의해 펌핑된 수화물 슬러리 (75) 가 화살표 (87B~C) 로 나타낸 것처럼 멤브레인 (63B~C) 을 좌측으로 가압할 수 있고, 이로써 테일링 처분 파이프 (79) 를 통해 테일링 스트림 포함 챔버 (64B~C) 로부터 해저부 (89) 에 있는 테일링 처분 장소 (88) 까지 테일링 스트림 (75) 을 펌핑할 수 있다.
특히 물 속 펌핑 스테이션 (60) 이 수백 미터에서 수 킬로미터까지의 깊은 수심에 위치된다면, 다이어프램 펌프와 모터 조립체 (61A~C) 에의 동력공급에 테일링 스트림을 이용하는 것이 유리한데, 테일링 스트림이 주위 해수보다 더 큰 밀도를 가지므로, 테일링 리턴 도관 (77) 내로 테일링 스트림을 펌핑하기 위해 비교적 낮은 출력의 고압 펌프 (76) 를 이용할 수 있기 때문이고, 이때 이 고압 펌프는 테일링 리턴 도관 (77) 내 테일링 스트림의 정수압 헤드 (hydrostatic head) 로 인해, 다이어프램 펌프와 모터 조립체 (61A~C) 에서 훨씬 더 큰 압력을 생성한다.
다이어프램 펌프와 모터 조립체 (61A~C) 는 콤팩트하고 튼튼하며, 슬러리 라이저 도관 (69) 을 통해 수면 (71) 에 있는 제조 베슬 (70) 까지 난류로 슬러리 (75) 가 리프팅되는 매우 높은 압력까지 수화물 슬러리 (75) 의 압력을 현저히 증가시킬 수 있고, 이로써 수화물 및/또는 흙 퇴적층에 의한 도관 (69) 의 막힘이 억제된다. 다이어프램 펌프와 모터 조립체 (61A~C) 는 채광 산업에서 이용되고 있으며 고형물 함량이 높은 흙 슬러리를 오랜 시간에 걸쳐 펌핑할 수 있다.
다이어프램 펌프와 모터 조립체 (61A~C) 및/또는 해저부 (89) 로 복귀되는 테일링 스트림 (75) 에 의해 작동되는 다른 슬러리 펌프를 이용하면, 수화물 슬러리 (73) 를 상측 베슬 (70) 까지 경제적으로 그리고 믿을 수 있게 들어올릴 수 있는데, 수화물 슬러리를 들어올리는데 요구되는 에너지 및 압력의 적어도 일부가 되돌아오는 테일링 스트림 (75) 으로 재활용되고, 특히 펌프와 모터 조립체 (61A~C) 가 수면 (71) 아래 수백 미터에서 수 킬로미터까지의 깊은 수심에 배치되면, 테일링 리턴 도관 (77) 내 테일링 스트림 (75) 의 수력 헤드 (hydraulic head) 가 떠 있는 베슬 (70) 에서 고압 펌프 (76) 에 의해 생성되는 동력 및 수력 헤드를 현저히 줄이기 때문이다.
Claims (15)
- 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법으로서,
- 수중 굴착기로써, 해저부로부터 수화물 커팅을 굴착하고, 굴착된 수화물 커팅을 물 및 저부 입자 중 하나 이상과 혼합하여, 파이프라인으로 운반가능한 수화물 함유 슬러리를 형성하는 단계,
- 상기 굴착기에 연결된 슬러리 리프팅 조립체로써, 라이저 도관을 통해 수면에 떠 있는 상측 베슬까지 슬러리를 들어올리는 단계,
- 상측 베슬에 있는 또는 상측 베슬 근처에 있는 슬러리 분리 조립체에서, 슬러리를 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물 및 테일링 스트림으로 분리하는 단계, 및
- 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물을, 중간 생성물이 시장성 탄화수소 조성물로 변환되는 설비까지 운반하는 단계
를 포함하고,
상기 슬러리 리프팅 조립체는 테일링 스트림에 의해 작동되는 슬러리 펌프를 포함하는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법. - 제 1 항에 있어서,
- 상기 테일링 스트림은 상측 설비에 있는 테일링 주입 펌프에 의해 테일링 리턴 도관을 통해 슬러리 리프팅 조립체까지 아래쪽으로 펌핑되고,
- 상기 슬러리 펌프는 테일링 스트림에 의해 작동되는 유압 모터에 의해 작동되고,
- 상기 테일링 스트림은, 유압 모터의 출구에 연결된 가요성 테일링 처분 파이프를 통해, 해저부에 있는 테일링 처분 장소에 배출되는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법. - 제 2 항에 있어서, 상기 유압 모터는 용적형 (positive displacement) 모터이고, 상기 슬러리 펌프는 라이저 도관을 통해 슬러리를 실질적으로 난류로 펌핑하는 용적형 펌프인, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 용적형 펌프 및 모터는 다이어프램 펌프와 모터 조립체를 포함하는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 다이어프램 펌프와 모터 조립체는 가요성 다이어프램을 포함하고, 이 가요성 다이어프램은 하우징을 수화물 슬러리 포함 챔버와 테일링 스트림 포함 챔버로 분할하도록 하우징 내에 실질적으로 수직 배향으로 배치되는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법.
- 제 5 항에 있어서, 수화물 슬러리 포함 챔버 및 테일링 스트림 포함 챔버 중 하나 이상은 챔버의 하측 단부에 배치된 적어도 하나의 유체 입구 및 출구 중 하나 이상을 포함하는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 테일링 리턴 도관 및 라이저 도관은, 서로에 대해 동축으로 배치되고, 떠 있는 베슬로부터 현수되며, 또한 슬러리 리프팅 조립체를 지지하는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 슬러리 분리 조립체는 수화물 커팅을 가열하여 메탄 스트림과 테일링 스트림으로 변환시키는 히터를 구비하고 있는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 히터는 열교환기를 포함하고, 열교환기를 통해, 표층수가 펌핑되며, 이 표층수는 해저부 근처 수중 굴착기에서 굴착된 수화물 커팅과 혼합되는 물보다 더 높은 온도를 갖는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 슬러리 분리 조립체의 압력은 대기압 이상으로 유지되고,
상기 슬러리 분리 조립체는, 물 분리 수단을 구비하고, 또한 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물을 메탄 함유 연료 및 다른 시장성 탄화수소 조성물 중 하나 이상으로 변환시키기 위한 해안 설비까지 메탄 스트림을, 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물로서 운반하기 위한 이출 도관에 연결되는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법. - 제 10 항에 있어서, 상기 이출 도관은, 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물을 메탄 함유 연료 및 다른 시장성 탄화수소 조성물 중 하나 이상으로 변환시키기 위한 해안 설비까지 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물을 운반하기 위해 액체 천연 가스 (LNG) 탱커에 연결되도록 되어 있는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 슬러리 리프팅 설비가, 수화물 함유 슬러리를 0℃ 미만의 온도를 갖는 냉각된 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물로 변환시키기 위해 가스오일 또는 디젤유와 같은 냉각된 탄화수소 캐리어 액체가 슬러리에 추가되는 수중 혼합 챔버를 포함하는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법.
- 제 12 항에 있어서,
- 상기 라이저 도관은 하측 구획, 중간 구획 및 상측 구획을 포함하고,
- 라이저 도관의 하측 구획과 중간 구획 사이에 분리 챔버가 배치되고,
- 상기 혼합 챔버는 라이저 도관의 중간 구획과 상측 구획 사이에 연결되고,
- 라이저 도관의 상측 구획은 단열층을 구비하고,
- 상기 냉각된 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물은 라이저 도관의 단열된 상측 구획을 통해 상측 베슬까지 운반되고, 이로써 냉각된 중간 생성물의 온도가 상측 베슬을 둘러싸고 있는 표층수의 주위 온도 미만으로 유지되는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법. - 제 13 항에 있어서,
상측 베슬은,
- 냉각된 중간 생성물을 저장하기 위한 단열 저장 탱크, 및
- 냉각된 중간 생성물을 셔틀 탱커의 단열 탱크 내로 운반하기 위한 단열 슬러리 이출 도관
을 구비하고,
셔틀 탱커는, 냉각된 중간 생성물을 메탄 함유 연료 및 다른 시장성 탄화수소 조성물 중 하나 이상으로 변화시키기 위한 해안 설비까지, 냉각된 중간 생성물을 운반하도록 되어 있는, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 굴착기는 캐터필러 트랙을 구비한 원격 작동 크롤러 (crawler) 이고,
- 운반가능한 메탄 함유 중간 생성물을 메탄 함유 연료 및 다른 시장성 탄화수소 조성물 중 하나 이상으로 변환시키기 위한 설비는, 가정용, 수송용 및 산업용 연료 중 하나 이상으로서 사용되기에 적합한 순수 천연 가스, 액체 천연 가스 (LNG) 및 합성 윤활유 중 하나 이상, GTL 연료 및 GTL 파라핀 중 하나 이상과 같은 가스액화 (Gas To Liquid, GTL) 조성물을 생성하기 위한 해안 또는 외해 설비인, 해저부에 매장되어 있는 수화물을 시장성 탄화수소 조성물로 변환시키는 방법.
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