KR20110069101A - 심해 채굴용 라이저 및 리프트 시스템 - Google Patents

심해 채굴용 라이저 및 리프트 시스템 Download PDF

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KR20110069101A
KR20110069101A KR1020117008721A KR20117008721A KR20110069101A KR 20110069101 A KR20110069101 A KR 20110069101A KR 1020117008721 A KR1020117008721 A KR 1020117008721A KR 20117008721 A KR20117008721 A KR 20117008721A KR 20110069101 A KR20110069101 A KR 20110069101A
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riser
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seabed
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Application number
KR1020117008721A
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English (en)
Inventor
첸터 앨런 유
로버트 쇤베르크
Original Assignee
테크니프 프랑스
노틸러스 미네랄즈 퍼시픽 피티 리미티드
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Publication date
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Abstract

본 출원인은 해저 채굴기(105)를 이용하여 해저로부터 SMS(Seafloor Massive Sufilde) 광상을 채굴하는 것과, 점퍼(jumper)(115)를 통해 해저 채굴기로부터 고체를 펌핑하는 것, 그리고 점퍼로부터 라이저를 통해 수상선(195)으로 고체를 펌핑하는 것을 포함하는 심해 채굴 방법 및 심해 채굴용 시스템을 안출하였다. 또한, 본 출원인은 해저 펌프 모듈의 상부에 라이저 현수 구조체(705)를 적층하여 조립체를 형성하는 것과, 현수 메커니즘을 이용하여 조립체를 픽업하고, 조립체를 문풀(moon pool)(400)에 현수하며 제1 라이저 조인트를 부착하는 것과, 조립체로부터 라이저 현수 구조체(705)를 분리하는 것, 그리고 적어도 하나의 제2 라이저 조인트를 부착하여 라이저(130)를 형성하는 것을 포함하는 심해 채굴용 시스템을 사용하는 방법을 안출하였다.

Description

심해 채굴용 라이저 및 리프트 시스템{DEEP SEA MINING RISER AND LIFT SYSTEM}
본 명세서에서 개시되고 교시되는 본 발명은 일반적으로 심해 채굴에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 해저 괴상황화물(SMS; Seafloor Massive Sulfide) 광상을 포함하는 고체를 채굴 및 생산하기 위한 심해 채굴용 라이저(riser) 및 리프트 시스템에 관한 것이다.
해저 괴상황화물 광상, 즉 SMS 광상은 아주 오래된 화산성 괴상황화물 (VMS; Volcanogenic Massive Sulfide) 광상, 즉 VMS 광상에 관한 신규한 등가물이다. SMS 광상은 현재, 열수구가 황화물이 농후한 광화 유체(mineralizing fluid)를 해양으로 방출하는 해저 화산호 주위의 심해에 형성되고 있다. SMS 광상은 측방향으로 광범위하며, 해저에 침전되는 미고결 황화물 유사 또는 우즈(ooze)의 넓은 에이프런을 갖는, 열적 순환이 빠져나가는 영역 둘레의 중앙 화도 마운드(central vent mound)로 이루어진다. 최근의 조사 결과는 SMS 필드가, 매우 단단한 해저 지형에서 폭이 500 미터이고 길이가 1,000 미터이며 깊이가 10 내지 20 미터인 통상적인 크기를 갖는다는 것을 보여준다. 수심은 또한 1,500 미터 내지 2,500 미터의 범위이다.
경제적인 SMS 괴상의 추출은 대체로 이론적인 단계이기 때문에, 최대의 문제는 이러한 괴상이 형성되는 최대의 수심이다. 따라서, 해저 괴상황화물(SMS) 광상과 같은 고체를 채굴 및 생산하기 위한 심해 채굴용 라이저 및 리프트 시스템이 필요하다.
본 명세서에서 개시되고 교시되는 본 발명은 해저 괴상황화물(SMS) 광상을 포함하는 고체를 채굴 및 생산하기 위한 심해 채굴용 라이저 및 리프트 시스템에 대한 개선된 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 출원인은 해저 채굴기를 이용하여 해저로부터 SMS 광상을 채굴하는 것과, 점퍼(jumper)를 통해 해저 채굴기로부터 고체를 펌핑하는 것, 그리고 점퍼로부터 라이저를 통해 수상선으로 고체를 펌핑하는 것을 포함하는 심해 채굴 방법 및 심해 채굴 시스템을 안출하였다. 또한, 본 출원인은 해저 펌프 모듈의 상부에 라이저 현수 구조체를 적층하여 조립체를 형성하는 것과, 현수 메커니즘을 이용하여 조립체를 픽업하고, 조립체를 문풀(moon pool)에 현수하며 제1 라이저 조인트를 부착하는 것과, 조립체로부터 라이저 행오프 구조체를 분리하는 것, 그리고 적어도 하나의 제2 라이저 조인트를 부착하여 라이저를 형성하는 것을 포함하는 심해 채굴용 시스템을 전개하는 방법을 안출하였다.
본 발명에 따르면, 해저 괴상황화물(SMS) 광상을 포함하는 고체를 채굴 및 생산하기 위한 심해 채굴용 라이저 및 리프트 시스템에 대한 개선된 시스템 및 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 몇몇 양태를 활용하는 심해 채굴용 라이저와 리프트 시스템의 특정 실시예를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 몇몇 양태를 활용하는 저부 덤프 밸브 연결부의 특정 실시예를 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 몇몇 양태를 활용하는 심해 채굴용 라이저와 리프트 시스템의 상단 종결부의 특정 실시예를 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 몇몇 양태를 활용하여 덤프 밸브에 점퍼를 설치하는 것에 관한 특정 실시예를 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 몇몇 양태를 활용하여 덤프 밸브에 해저 펌프를 설치하는 것에 관한 특정 실시예를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 몇몇 양태를 활용하여 펌프 모듈에 래치 라이저 조인트를 설치하는 것에 관한 특정 실시예를 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 몇몇 양태를 활용하는 심해 채굴용 라이저와 리프트 시스템의 전개에 관한 특정 실시예를 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 몇몇 양태를 활용하는 심해 채굴용 라이저와 리프트 시스템의 전개에 관한 특정 실시예를 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 몇몇 양태를 활용하는 심해 채굴용 라이저와 리프트 시스템의 전개에 관한 특정 실시예를 예시한 도면이다.
전술한 도면과 아래에 기술된 특정 구조 및 기능에 관한 설명은 본 출원인이 발명한 범위 또는 첨부된 청구 범위의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다. 오히려, 상기 도면과 기술되는 설명은 당업자에게 특허 보호가 추구하는 본 발명을 형성하고 사용하는 것을 교시하기 위해 제공된다. 당업자라면, 명확성과 이해를 위해 본 발명의 상업적 실시예의 모든 특징이 설명되거나 제시되는 것은 아니라는 점을 이해할 것이다. 당업자는 또한, 본 발명의 양태를 포함하는 실제 상업적 실시예의 개발은 상업적 실시예를 위한 개발자의 궁극적인 목표를 달성하기 위해 다수의 구현예에 대해 고유한 결정을 필요로 한다는 점을 이해할 것이다. 그러한 구현예에 대한 고유한 결정은, 특별한 구현예, 지역 및 시기에 따라 변할 수 있는 시스템 관련 제약, 사업 관련 제약, 정부 관련 제약 및 다른 제약에 대한 준수 - 이것으로 제한되지 않음 - 를 포함할 수 있다. 개발자의 노력은 절대적인 면에서는 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 그러한 노력은 본 개시물의 이점을 취하는 당업자에게 일상적인 일이다. 본 명세서에 개시되고 교시된 본 발명은 다수의 다양한 수정 및 대안의 형태를 허용할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 마지막으로, 단수형 용어의 사용은 아이템의 개수를 제한하는 것으로 의도되는 것이 아니다. 또한, "정상", "바닥", "좌측", "우측", "상부", "하부", "하방", "상방, "측부" - 이것으로 제한되지 않음 - 등과 같은 상대적인 용어는 기술된 설명에서 도면에 대한 고유한 기준에 있어서의 명확성을 위해 사용된 것으로, 본 발명 또는 첨부된 청구 범위의 범주를 제한하려는 의도는 없다.
본 출원인은 해저 채굴기를 이용하여 해저로부터 SMS 광상을 채굴하는 것과, 점퍼를 통해 해저 채굴기로부터 고체를 펌핑하는 것, 그리고 점퍼로부터 라이저를 통해 수상선으로 고체를 펌핑하는 것을 포함하는 심해 채굴 방법 및 심해 채굴 시스템을 안출하였다. 또한, 본 출원인은 해저 펌프 모듈의 상부에 라이저 현수 구조체를 적층하여 조립체를 형성하는 것과, 현수 메커니즘을 이용하여 조립체를 픽업하고, 조립체를 문풀 상에서 현수하며 제1 라이저 조인트를 부착하는 것과, 조립체로부터 라이저 현수 구조체를 분리하는 것, 그리고 적어도 하나의 제2 라이저 조인트를 부착하여 라이저를 형성하는 것을 포함하는 심해 채굴용 시스템을 전개하는 방법을 안출하였다.
도 1은 해저 펌프에 동력을 공급하기 위해 환경적으로 안전한 표면 폐쇄형 루프 폐수 시스템을 이용하는 수상선으로 연장되는 수직 라이저의 저부에서 동역학적으로 현수되는 해저 펌프(들)을 통해 SMS를 포함하는 고체를 채굴 및 생산하는 시스템의 도면이다. 해저 채굴기(105)는, 해저로부터 SMS를 포함하는 고체를 채굴하는 데 사용될 수 있다. 최근의 조사 결과는 SMS 필드가, 매우 단단한 해저 지형에서 폭이 500 미터이고 길이가 1000 미터이며 깊이가 10 내지 20 미터인 통상적인 크기를 갖는다는 것을 보여준다. 수심은 또한 1,500 미터 내지 2,500 미터의 범위이다. 해저 채굴기(105)는 25도만큼 높은 경사를 갖는 단단한 지형에서 작동될 수 있다. 따라서, 해저 채굴기(105)는 이상적으로 이러한 단단한 심해 조건 하에서 작동되도록 구성된다. 해저 채굴기(105)는 (1) 해저에 위치하는 필드로부터 SMS를 굴착하는 단계와, (2) 굴착기에 장착된 커터를 이용하여 SMS를 덩어리 크기로 파쇄하는 단계, 그리고 (3) SMS가 점퍼(115)를 통과하는 것을 보장하기 위해 SMS를 분쇄기로 강제하여 SMS를 처리할 수 있는 크기로 파쇄하는 단계 - 이들 단계를 포함하며, 이들 단계로만 제한되지 않음- 의 임의의 조합을 수행함으로써 SMS를 채굴하도록 구성될 수 있다. 해저 채굴기(105)에 대한 다양한 변형 및 실시예가 고려된다.
점퍼(115)는 또한 수평 이송관 또는 라이저 이송관이라고도 칭할 수 있다. 점퍼는 "S"자형으로 구성될 수 있고, 해저 채굴기(105)로부터 펌프 동작과 베셀 동작을 분리하도록 수평 방향으로 위치 설정될 수 있다. 점퍼가 "S"자형으로 구성될 때, 해저 채굴기(105)와 덤프 밸브 조립체(120)가 약간 느슨해져, 2개의 디바이스가 이동할 때 해저 채굴기(105)는 점퍼(115)에서의 텐션으로 인해 전복되지 않거나, 뒤집히지 않거나, 또는 그렇지 않으면 파괴되지 않는다. 해저 펌프(190)에 의해 해저 채굴기(105)에 인가되는 힘도 또한 최소화될 수 있다. 동작을 분리하지 않는 경우, 높은 필드 앵글과 조합된 해저 채굴기(105) 상에 인가되는 텐션은 해저 채굴기(105)를 흔들리게 할 수 있다.
"S"자형 점퍼(115)의 다른 기능은 점퍼(115)를 통과하는 고체의 원심력을 줄이도록 완만한 경사와 큰 반경을 제공하는 것이다. 큰 반경은 원심력과 마모를 줄일 수 있다. 점퍼의 큰 반경은 생산물 혼합물 흐름이 입자 충돌 마모 메커니즘에서 슬라이딩 마모 메커니즘이 되도록 한다. 슬라이딩 마모의 2개의 주요 파라메터는 유속(V)과 반경(R)이다. 점퍼(115)는 덤프 밸브 조립체(120)와 해저 채굴기(105)에 도달하도록 그 축을 따라 회전될 수 있다. 그렇게 함으로써, 부표식 섹션(110) 상의 상방으로 만곡된 측부가 필드들 사이에서 회전되며, 이는 점퍼의 필드 서비스 수명을 증가시킬 수 있다. 회전 트랙을 유지하기 위해, 특별한 마킹을 이용하여 서비스 수명을 증가시키도록 점퍼(115)의 만곡된 측부의 트랙을 유지할 수 있다. 예컨대, 200 미터 길이의 점퍼에 있어서, 덤프 밸브와 해저 굴착기 사이의 수평 방향 공칭 거리는 125 미터 +/- 25 미터이다. 덤프 밸브와 굴착기 간의 높이차는 +/- 25 미터만큼 높을 수 있다. 총 높이 변화가 180 미터인 필드에 있어서, 라이저(130)의 길이는 단지 제한된 회수의 시기에 변화될 필요가 있을 수 있다.
해저 채굴기(105)는 다수의 장치와 기술을 사용하여 그 수평 방향 지속 기간과 "S"자형을 유지할 수 있다. 우선, 부표(집합적으로 110)와 같은 바운시 디바이스(bouncy device)를 사용하여 점퍼(115)를 이상적인 위치에서 부동시킬 수 있다. 두번째로, 동적 위치 제어 선박(dynamic position ship), 선박형 베셀 또는 심해 바지선과 같은 수상선(195)의 위치를 제어하는 시스템을 사용함으로써 해저 채굴기(105)와 덤프 밸브 조립체(120) 간의 적절한 거리를 유지할 수 있다. 생산 가동 시간을 최대화하기 위해, 그리고 점퍼(115)의 수평 방향 "S"자 형상을 유지하기 위해, 동적 위치 제어 베셀 트랙킹을 사용하여 해저 채굴기(105)를 트랙킹할 수 있다. 그렇게 함으로써, 해저 채굴기(105)뿐만 아니라 덤프 밸브 조립체(120)에도 트랜스폰더(transponders)를 장착할 수 있다. 해저 채굴기(105)와 덤프 밸브의 위치 및 높이는 해저 채굴기(105)와 덤프 밸브 조립체(120) 간의 수평 방향 거리 및 수직 방향 거리를 산출하기 위해 동적 위치 제어 베셀과 같은 컴퓨터 내장 수상선(195)에 제공될 수 있다. 수평 방향 거리 및 수직 방향 거리의 작동 범위도 또한 제공될 수 있다. 이들 거리가 제공된 작동 범위를 벗어나면, 수상선(195)[그리고 그 결과 덤프 밸브 조립체(120)]의 공칭 위치 또는 라이저(130)의 길이를 조정할 필요가 있을 수 있다. 예컨대, 200 미터 길이의 점퍼(115)에 있어서, 덤프 밸브 조립체(120)와 해저 채굴기(105) 간의 수평 방향 거리는 이상적으로 125 미터 +/- 25 미터로 유지될 수 있으며, 높이는 30 미터 +/- 25 미터로 유지될 수 있다. 연결로 인해, 덤프 밸브 조립체(120)는 수상선(195)과 함께 이동할 수 있다는 점에 유념해야 한다. 수상선(195)[그리고 그 결과 덤프 밸브 조립체(120)]과 해저 채굴기(105) 사이의 수평 방향 거리는 수상선(195)을 이동시킴으로써 유지될 수 있다. 그러나, 높이차가 +/- 25 미터에서 벗어나면, 높이차를 보상하도록 퍼프 조인트 세트(pup joint set)로부터의 작동 조인트가 라이저(130)에 추가되거나, 라이저(130)로부터 분리되어 라이저(130)를 연장시킨다.
예시적인 실시예에서, 고체가 수평 이송관 내부에 안착되는 것을 방지하기 위해 유속을 증가시키도록 점퍼(115)의 내경은 의도적으로 수직 파이프보다 작게 크기가 정해질 수 있다. 설명되는 본 발명에 대해 본 명세서에서 사용되는 "커플링된", "커플링하는" 등과 같은 용어는 일체형 부재이거나 일체형 부재가 아닌 다른 관련 부재 내부에 대한 또는 이러한 다른 관련 부재 상에 대한 고착, 접착, 체결, 부착, 마물림, 결합. 내부 삽입 또는 형성을 위한 임의의 방법 또는 디바이스를 포함한다. 점퍼(115)에 커플링된 해저 채굴기(105)를 사용하여 고체를 채굴한 후, 점퍼(115)를 통해 고체를 이송할 수 있다.
그 후, 고체는 덤프 밸브 조립체(120)를 통해 상방으로 라이저 주요 튜브(125)를 경유하여 수상선(195)으로 이송될 수 있다. 해저 펌프(들)(190)는 2개의 서브 모듈로 구성될 수 있는데, 이때 하나의 서브 모듈은 부분적인 생산에 충분하다. 물 주입 라인(135) 중 하나는 리던던시(redundancy)를 위해 하나의 펌프 서브 모듈에 동력을 공급하도록 라우팅된다. 덤프 밸브 조립체(120) 내부의 해저 펌프(들)(190)는 라이저(115)의 저부에 수동적으로 현수될 수 있다.
라이저의 형상을 유지하고, 인접한 장비와의 충돌을 방지하며, 라이저(130)를 따른 주기적인 응력 강도를 줄이기 위해, 특히 이러한 수심에 있어서 라이저(125)를 포함하는 임의의 수직 라이저 시스템에 대해서 적절한 텐션은 중요할 수 있다. 라이저(130)의 저부에 해저 펌프(들)(19)를 배치함으로써, 전체 라이저(130)는 해저 펌프(들)(190)의 중량으로 인해 필요한 라이저 텐션을 수용할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 이상적인 텐션 팩터는 1.2보다 클 수 있다. 텐션 팩터는 라이저 스트링의 수중 중량에 대한 최대 한계 텐션(top end tension)의 비율로서 정의된다. 예컨대, 저부에 배치된 펌프 모듈의 중량이 100 내지 150톤이고 라이저의 외경이 13 내지 14 인치이며, 이때 0.5 내지 0.75 인치가 벽이면, 1.2의 텐션 팩터를 얻을 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 시스템은 이상적으로 고체, 구체적으로는 SMS를 깊은 해저에서 수면으로 리프팅하기 위한 펌핑 파워와 효율을 가질 수 있다. 또한, 수직 라이저 또는 간단히 라이저(130)는 흐름에 의해 유발되는 진동, 해류 및 베셀 동작에 의해 유발되는 피로에 대항하기 위해 전술한 바와 같은 적절한 텐션을 갖도록 구성될 수 있다. 라이저(130)의 상단에 도달할 시, SMS와 같은 고체는 탈수될 수 있다. 탈수로부터의 폐수는 수면에서 펌핑될 수도 있고, 바람직하게는 물 주입 라인(135A, 135B; 집합적으로 135)으로 펌핑될 수도 있으며, 상기 물 주입 라인은 라이저 주요 튜브(125)[양자 모두 라이저(130)에 포함됨]에 편승되어 하방으로 펌프 모듈(190)의 압축 챔버에 이를 수 있다. 폐수는 고체를 수상선(195)으로 리프팅하기 위해, 펌프(들)(190)의 압축 챔버를 작동시키는 데 사용될 수 있다. 그 후 폐수는 해저로 방출되기 이전에 폐수 속도와 압력을 줄이도록 디퓨저로 배출될 수 있다. 폐수 처리 수행측 로드(load)와 플러밍(pluming)을 방지하기 위해, 해저 확산기가 배출 라인의 단부에 장착되어 수평 방향으로 균형 잡힌 배출력으로 폐수를 수평 방향으로 배출한다. 이러한 구성의 폐수 및 물 주입 라인(135)은 폐수 처리를 위한 표면 폐쇄형 루프를 형성한다. 이 실시예에서, 폐수는 해저 펌프(들)(190)를 작동시키는 데 활용된 다음, 해저 레벨에서 해양으로 배출된다. 그 결과, 해저로부터 채굴된 모든 고상은 고체 생산물로서 또는 다시 해저로 배출된 폐수 잔여물로서 수상선에 포획된다. 폐수를 순환시키는 프로세스는 약 15분 동안 일어날 수 있다. 이러한 유형의 구성은 표면 폐쇄형 루프 폐수 시스템을 형성할 수 있다. 수면 레벨에 근접한 것과는 반대되는 해저에 근접하게 폐수를 배출하는 것은 환경 친화적이며, 폐수가 해저 펌프(190)를 작동시키도록 한다. 또한, 이 실시예는, 폐수가 이 실시예의 단일 라이저(130) 아래로 이동하기 때문에 추가의 라이저 없이 해저에 근접하게 폐수를 배출한다.
덤프 밸브 조립체(120)를 라이저(130)로부터, 그리고 이에 따라 수상선(195)으로부터 분리해야 할 필요가 있을 수 있는 상황이 존재할 수 있다. 예컨대, 동적 시스템 손상의 경우, 덤프 밸브 조립체(120)의 상단에는, 점퍼(115)가 과도하게 연신되거나 해저 채굴기(105)가 넘어지는 것을 방지하도록 분리 가능한 해저 원격 작동 수송 수단(ROV) 작동식 유압 커넥터 또는(2) 펌프 파워 팩 작동식 유압 커넥터가 장착된다. ROV는 분리 절차를 실행하도록 대기 상태로 유지될 수 있다. 덤프 밸브 조립체(120)를 분리하기 위해, ROV는 해저 펌프(190) 상의 제어 패널의 점퍼 핸들 바아를 파지할 수 있다. 베셀에 대한 밸브 시퀀싱은 비상시 분리를 위해 준비될 수 있다. 그 후, ROV는 덤프 밸브 조립체(120)와 라이저(130) 사이의 유압식 커넥터를 분리할 수 있다. ROV를 이용할 수 없거나 ROV가 바람직하지 않은 경우, 다른 옵션은 유압 커넥터의 유압 회로를 해저 펌프(190)의 제어 패널에 연결하는 것일 수 있다. 펌프 제어 패널로부터의 유압 신호 또는 전기 신호를 전송하기 위한 공급선이 수상선(195)의 제어실에 설치될 수 있다. 분리시에, 수평 점퍼(115)와 함께 덤프 밸브 조립체(120)는 해저로 낙하할 수 있다. 덤프 밸브 조립체(120)와 수평 방향 점퍼(115)를 되착기 위해 회수 절차를 실시할 수 있다.
슬러리 이송에는 적어도 2개 유형의 마모 메커니즘, 즉 (1) 슬라이딩 마모 및 (2) 입자 충돌 마모가 있다. 주요 라이저의 수직 섹션은, 도 1에 도시된 수직 라이저 구성을 위한 상단 엘보우 출구와 저부의 펌프 출구를 제외하고는 주로 슬라이딩 마모된다. 이러한 비직선형 영역은 불연속부 주위에서 난류 흐름과 와류를 가지며, 이로 인해 마모와 소모 효과가 유발될 수 있다. 수직 라이저 섹션에 있어서, 가능한 마모에 대응하도록 벽 두께에 대한 1/8 인치의 마모 허용도를 갖도록 고강도의 연성 재료를 선택할 수 있다. 유체에서의 알려지지 않은 입자 크기 분포, 경도, PH값 및 체적 농도의 조합은 모두 향후 프로젝트를 위한 마모 계수를 정량화하기 위한 포스트 팩토 테스트 프로그램(post facto test program)을 위한 것이었다. 수직 라이저의 전략상 중요한 영역에서의 벽 두께에 관한 주기적인 인시츄식 외경 초음파 검사는, 남아 있는 생산 기간 동안 충분한 벽 두께가 유지되는 것을 보장하는 방법을 제공할 수 있다. 난류 흐름이 매우 우세할 수 있는 펌프 출구에 대해서, 높은 크롬 함량을 갖는 단조품과 함께 1/2 인치의 마모 허용도가 구현될 수 있다. 라이저 시스템의 외경은 또한 애노드가 펌프 모듈에 그리고 문풀 근처에 배치되도록 열용사 알루미늄으로 코팅될 수 있다. 전체 라이저를 따른 전기적 연속성이 추가되어 부식 보호 시스템에 영향을 줄 수 있다. 전술한 시스템과 방법에 의해 마모와 부식 간의 상호 작용을 최소화할 수 있다.
도 2는 해저 위로, 바람직하게는 약 30 미터에 현수되어 있는 펌프의 저부를 보여주는 도면이다. 이 거리는 생산 조업 중에 해저 펌프(들)(190)의 저부가 해저와 접촉하지 않는 것을 보장하는 데 이상적이다. 수력이 중단되거나 펌핑 작동이 정지될 때와 같이 라이저(130)에 있는 고체가 떨어져 라이저(130)의 저부에 축적될 때, 펌프 근처의 덤프 밸브 조립체(120)가 바람직할 수 있다. 떨어진 고체를 제거하기 위해, 덤프 밸브 조립체(120)는 축적된 고체가 비워지고 생산이 재시작되도록 개방될 수 있다. 덤프 밸브 조립체(120)는 해저 펌프(들)(190)로부터의 ROB 또는 파워 팩 보조 작동에 의해 수동 조작 밸브를 개방함으로써 개폐될 수 있다. 고체를 신속하게 버리고 고체를 해저 펌프(들)(190) 상부로부터 멀어지도록 지향시키기 위해 풀 보어 통로(full bore passage) 및 슈트(shute)가 필요할 수 있다. ROV는 고체가 라이저(130)를 막지 않도록 하는 것을 보장하고, 생산을 재개하기 위해 덤프 밸브 조립체(120)를 폐쇄하는 데 사용될 수 있다.
도 3은 환경적으로 안전한 폐수 처리 및 리프트 시스템 리던던시를 위한 이중 표면 폐쇄형 루프 물 주입 라인(135)의 도면이다. 도면에는, 상부 말단 스풀 또는 플렉스 조인트가 지지 리셉테클에서 지지되고, 이 지지 리셉터클은 또한 스파이더 빔 구조체(145)에 의해 지지되는 것인 라이저 시스템의 상단 종결부가 도시되어 있다. 도 3에는 또한, 탈수 시스템과 라이저(130)의 상부 사이의 이중 물 주입 라인(135A, 135B; 집합적으로 135)이 도시되어 있다. 생산된 고체와 물의 혼합물은 표면 생산 스풀(165)을 통해 탈수 호퍼로 버릴 수 있다. 폐수는 필터(150)에 의해 필터링될 수 있고 물 주입 라인(135)으로 펌핑될 수 있다. 물 주입 라인(135)은 주요 라이저 파이프(125)에 추가될 수 있다.
도 4 내지 도 6은 라이저와 리프트 시스템을 전개하고 회수하기 위한 리그(rig) 및 호이스팅(hoisting) 시스템의 예시적인 실시예에 관한 도면이다. 도 4 내지 도 6은 예시적인 라이저 및 리프팅 시스템의 설치 순서를 예시하고 있다. 덤프 밸브 조립체는 문풀(400)과 스파이더 빔(145)에 제공되는 제1 조립체일 수 있다. 문풀은 해저 펌프(들)(190)의 통과를 허용하기에 충분히 큰 개구가 되도록 구성될 수 있다. 점퍼(115)는 스풀에 보관될 수 있다. 문풀과 수평 점퍼 풀링 헤드 사이에 메신저 라인이 설치되고 연결될 수 있다. ROV의 도움을 받아, 도 4에 도시된 바와 같이 점퍼(115)가 문풀에 수직 방향으로 제공될 수 있다. 점퍼(115)의 상단은 덤프 밸브 조립체(120)의 측부 입구에 연결된다. 편심 하중으로 인해, 스파이더(145)는 덤프 밸브 조립체(120)와 점퍼(115) 조립체를 해저 펌프(들)(120)에 연결되도록 수직으로 지지하고 유지하도록 구성될 수 있다. 안전성의 이유로, 유압식 커넥터 조립체는, 유압 배관이 펌프 제어 인터페이스로 라우팅되도록 해저 펌프(190)의 저부 아래에 조립될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 2개의 물 주입 라인 리셉터클이 수형 유압식 커넥터 옆에 조립될 수 있다. 유압식 커넥터는, 동시에 물 주입 라인이 리셉터클을 통과하도록 수형 유압식 커넥터 상에 안착된다. 물 주입 라인 리셉터클에 대해 물 주입 라인을 시일하기 위해 O링 타입의 시일이 사용될 수 있다. 유압식 커넥터가 덤프 밸브의 상부에 적절히 안착된 후에 유압식 로킹 기능을 활성화하기 위해 더미 ROV 핫 스태브(dummy ROV hot stab)가 필요할 수 있다. 유압식 커넥터의 표지 로드(indicator rod)는 유압식 커넥터의 적절한 구성을 제시할 수 있다. 그 후, 해저 펌프(190)는 리그(180)에 의해 픽업될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 스파이더 빔(145)은 펌프가 통과하게 하도록 개방된 후, 천이 조인트에서 해저 펌프(들)(190)를 지지하도록 폐쇄될 수 있다. 제1 라이저 조인트는, 펌프의 상부에 연결되는 문풀(140)에 제공될 수 있다. 전체 라이저 스트링을 제공하기 위해 동일한 절차가 사용된다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 몇몇 양태를 활용하는 심해 채굴용 라이저와 리프트 시스템의 전개에 관한 특정 실시예를 예시한 도면이다. 도 7은, 용접물일 수 있고, 문풀의 상부에서 레지(ledge)에 설치되며 설치 및 채굴 조업 중에 라이저를 지지하는 라이저 현수 구조체(705)를 예시한다. 짐벌 라이저 스파이더(gimbaled riser spider)를 구비하는 라이저 현수 구조체(RHS)는 해저 펌프(들)(190)의 상부에 적층될 수 있다. 조합된 조립체(720)는 그 후 조합형 조립체인 리그 후크(700)에 의해 픽업될 수 있다. 도 8은 조합된 조립체(705)를 문풀(140) 상에서 하강시키거나 현수할 수 있는 방법을 예시한다. 문풀 상부의 "레지"는 라이저 현수 구조체(720)를 수용하고 지지하도록 포함될 수 있다. 도 9에 예시된 바와 같이, 후크가 라이저(130)의 제1 라이저 조인트와 함께 해저 펌프(들)(190)의 중량을 픽업할 때, 라이저 현수 구조체(705)는, 픽업되고 설치된 나머지 라이저(130)와 해저 펌프(들)(190)로부터 분리된다.
또한, 데릭(derrick)(185)이 문풀에 대해 센터링될 수 있다. 라이저 파이프는 캣워크부터 설치를 위해 데릭으로 이송될 수 있다. 데릭의 양측부 상의 캣워크는 각각, 붐 크레인에 의해 이송되는 파이프를 받아들일 수 있고, 이 파이프를 데릭의 중앙으로 이송할 수 있는 라이저 캣워크 캔들링 툴(riser catwalk candling tool)을 구비할 수 있다. 데릭의 이물과 고물에는 파이프 래크(rack)(715A, 715B; 집합적으로 715)가 있을 수 있다. 하나의 파이프 래크는 이 파이프 래크 위에서 지지되는 스키드(skid)를 구비할 수 있다. 이러한 스키드는 이 파이프가 배치되기 전에 제거되는(해저에 배치되거나 변위되는) 것이 바람직하다. 해저 펌프와 다양한 스키드는 유정 굴착 장치의 반대측에 있는 트랜스포터 스키드를 통해 데릭의 중앙으로 이송된다. 트랜스포터 스키드는 데크 크레인으로부터 장비를 받아들일 수 있고, 장비를 문풀의 중앙선으로 활주시킬 수 있거나, 또는 설치를 위해 요구되는 호스 릴을 지지하는 데 사용될 수 있다. 데릭에는 필요에 따라 조명, 통신 수단, 공업용 공기 및 유압 공급부가 완비되어 있을 수 있다. 라이저와 펌프 시스템을 전개하는 데 사용되는 호이스팅 장비는 유정 굴착 장치, 크라운 블럭, 돌리(dolly)와 베일(bale)을 구비하는 이동 블럭, 및 승강기로 구성된다. 데릭 아래의 주요 데크 상에는, 라이저의 취급 작업을 보조하는 유틸리티 에어 터거(Utility air tugger)도 또한 배치될 수 있다.
해저 펌프(들)(190)의 상부에 라이저 현수 구조체(705)를 "적층"하는 프로세스는, 유압식 스키드형 또는 힌지형 지지 구조체를 이용하는 복잡한 구조체를 구비할 필요가 없는 간단한 리그 구성을 허용한다. 유압식 스키드형 또는 힌지형 지지 구조체를 활성화시키는 동안 해저 펌프(들)(190)를 아래에서 현수하거나 지지하는 것이 바람직할 수도 있다.
본 출원인의 발명의 사상으로부터 벗어나는 일 없이, 전술한 본 발명의 하나 이상의 양태를 활용하는 다른 실시예 및 추가의 실시예를 안출할 수 있다. 또한, 심해 채굴용 라이저와 리프트 시스템의 다양한 방법 및 실시예를 서로 조합하여 포함함으로써, 개시된 방법 및 실시예를 변형할 수 있다. 단수 형태의 요소에 관한 언급은 복수 형태의 요소를 포함할 수 있으며, 복수 형태의 요소에 관한 언급은 단수 형태의 요소를 포함할 수 있다.
단계들의 순서는 달리 특별히 제한되지 않는 한, 다양한 시퀀스로 일어날 수 있다. 본 명세서에서 설명된 다양한 단계들은 언급된 단계들 사이에 삽입되거나/삽입되고 다수의 단계들로 분할되는 다른 단계들과 조합될 수 있다. 이와 마찬가지로, 요소들은 기능적으로 설명되었으나, 별도의 구성 요소로서 구현될 수 있거나, 다수의 기능을 갖는 구성 요소들로 조합될 수 있다.
바람직한 다른 실시예에 관하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 모든 실시예를 설명한 것은 아니다, 당업자라면 전술한 실시예에 대한 명확한 수정 및 변경을 이용할 수 있다. 개시된 실시예와 개시되지 않은 실시예는 본 발명자에 의해 고려되는 본 발명의 범위 또는 이용 가능성을 한정하거나 제한하고자 하는 것이 아니라, 오히려 본 출원인은 특허법에 적법하게 후속하는 청구 범위의 등가물의 범주 또는 범위 내에 속하는 모든 수정 및 개선점을 충분히 보호하고자 한다.
105 : 해저 채굴기
115 : 점퍼
120 : 덤프 밸브 조립체
130 : 라이저
140 : 문풀
185 : 데릭
190 : 해저 펌프
195 : 수상선
700 : 리그 후크
705 : 라이저 현수 조립체

Claims (13)

  1. 심해 채굴 방법으로서,
    해저 채굴기를 이용하여 해저로부터 고체를 채굴하는 것과,
    해저 채굴기로부터의 고체를 점퍼(jumper)를 통해 펌핑하는 것, 그리고
    점퍼로부터의 고체를 라이저를 통해 수상선으로 펌핑하는 것
    을 포함하는 심해 채굴 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    해저 채굴기와 적어도 하나의 해저 펌프 사이의 거리를 모니터링하는 것과,
    해저 채굴기에 대한 힘을 최소화하기 위해 2개의 스테이(stay) 사이의 거리를 공차 내에 있도록 보장하기 위해 해저 굴착기와 적어도 하나의 해저 펌프 사이의 거리를 조정하는 것
    을 더 포함하는 심해 채굴 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고체는 해저 괴상황화물 광상(seafloor massive sulfide deposit)인 것인 심해 채굴 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고체를 탈수하는 것을 더 포함하는 심해 채굴 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 고체를 해저에 근접하게 펌핑하는 데 사용되는 폐수를 배출하는 것을 더 포함하는 심해 채굴 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 펌핑은 적어도 하나의 해저 펌프에 의해 실행되는 것인 심해 채굴 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 점퍼는 "S"자형인 것인 심해 채굴 방법.
  8. 심해 채굴용 시스템으로서,
    실질적으로 수평인 점퍼의 단부에 커플링되는 해저 채굴기와,
    펌프 모듈에 커플링되는 점퍼와,
    상기 펌프 모듈에 커플링되는 라이저 시스템, 그리고
    상기 라이저 시스템에 커플링되는 수상선
    을 포함하고, 해저로부터 고체를 채굴하고 이 고체를 수상선으로 펌핑하는 것인 심해 채굴용 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 고체는 해저 괴상황화물 광상인 것인 심해 채굴용 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 고체를 탈수하기 위한 표면 펌프를 더 포함하는 심해 채굴용 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 폐수가 해저에 근접하게 배출되는 것인 심해 채굴용 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 상기 펌프 모듈은 해저에 근접하게 배치되는 해저 모듈인 것인 심해 채굴용 시스템.
  13. 심해 채굴용 시스템의 전개 방법으로서,
    해저 펌프 모듈의 상부에 라이저 현수 구조체를 적층하여 조립체를 형성하는 것과,
    현수 메커니즘을 이용하여 상기 조립체를 픽업하는 것과,
    상기 조립체를 문풀 상에서 현수하는 것과,
    제1 라이저 조인트를 부착하는 것과,
    상기 조립체로부터 라이저 현수 구조체를 분리하는 것, 그리고
    라이저를 형성하도록 적어도 하나의 제2 라이저를 부착하는 것
    을 포함하는 심해 채굴용 시스템의 전개 방법.
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