KR20140056266A

KR20140056266A - 기포 리프트 시스템 및 기포 리프트 방법

Info

Publication number: KR20140056266A
Application number: KR1020147003615A
Authority: KR
Inventors: 타쿠쥬 나카무라; 마사키 카와세
Original assignee: 모덱, 아이엔씨.
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2014-05-09
Also published as: KR101606062B1; CA2843570C; EP2743514A4; AU2012293883B2; JP2013036419A; AP2014007487A0; RU2014108869A; US20140169989A1; RU2580573C2; CN103857922A; ZA201400884B; US9719528B2; CN103857922B; AU2012293883A1; EP2743514A1; EP2743514B1; WO2013021840A1; JP5638486B2; CA2843570A1

Abstract

기포 리프트 시스템(10)에서, 라이저관(11)의 상단부에 가압챔버(21)를 설치해서, 라이저관(11)의 상부의 내부를 가압하는 것으로, 천수심영역에서 라이저관(11) 내를 상승하는 혼합유체에서의 기포의 체적의 비율이 증가하는 것을 억제한다. 이것에 의해, 라이저관(11)의 상단을 대기개방하지 않고서, 압력이 높은 가압챔버(21)의 내부로 이끄는 것으로, 기포 및 기체의 팽창을 억제하고, 또한, 라이저관(11) 도중의 천수심영역에서도 원심분리한 기포를 탈기하는 탈기장치(14)를 설치, 라이저관(11)의 내부 전체에서, 보다 균등하게 기포를 분포시킨다. 이것에 의해, 효율적으로 대수심영역에서도 채용가능한 기포리프트 시스템(10) 및 기포리프트 방법이 된다.

Description

기포 리프트 시스템 및 기포 리프트 방법{GAS LIFT SYSTEM AND GAS LIFT METHOD}

본 발명은, 수심이 깊은 해저, 호수 바닥, 강바닥, 혹은, 물밑 아래의 지중 모래, 퇴적물, 광물 등의 고형상 물질이나 액체상 물질을 수면 위에까지 인양하기 위한 기포 리프트 시스템 및, 기포 리프트 방법에 관한 것이다.

해수보다는 약간 가벼운 중질유를 자분(自噴)압력이 부족한 해저유전으로부터 효율적으로 끌어올리기 위해서, 가스 리프트 기술이 원유생산에 넓게 이용되고 있다. 이 기술은, 라이저 관 내부의 액체 중에, 질량이 상대적으로 무시할 수 있을 정도로 작은 기체를 주입하는 것에 의해, 그 체적 비율분만 관내의 액체기둥 압력을 낮춰, 라이저 관의 하단부에서, 라이저 관의 외부의 해수에 의한 압력이나 유층압력에 의한 누르는 힘을 발생시키는 기술이다. 비중이 큰 광물 등에 있어서도, 잘게 부숴 해수 등과 섞은 슬러리로 해서 기포 리프트(에어 리프트, 혹은, 가스 리프트를 포함한다)기술을 유효하게 사용할 수 있는 것이 확인되고 있다.

이와 같은 예로서, 예를 들면, 일본출원 특개 2005-291171호 공보에 기재되어 있는 것 처럼, 바다, 호수, 댐, 저액탱크의 바닥에 침전되어 압축된 토사, 오니 등의 퇴적물의 제거가 가능하고, 또한, 양액(揚液)능력이 높은 효율적인 장치를 목적으로 한, 내부를 물과 공기가 상승하기 위한 에어 리프트 라이저(라이저 관), 및 에어 리프트 라이저의 저부에 설치된, 기포가 혼합된 물을 분출하기 위한 버블 분류발생 장치로 이루어진 버블 분류식 에어 리프트 펌프 등이 제안되어 있다.

이와 같은 비중이 주위의 액체(해수나 물)와 비교해 상당히 큰 슬러리나 토사, 오니 등(이하, 합쳐서 슬러리로 칭함)인 경우에는, 상당량의 기포를 주입하지 않으면 관내의 슬러리와 기체로 이루어진 혼합유체의 평균비중을 주위의 액체이하로 하는 것이 불가능하고, 라이저 관내에 상승류를 발생하는 것이 불가능하기 때문에, 라이저 관 하단부에서의 내외의 압력차에 의한 누르는 힘을 발생하는 것이 불가능하다.

한편, 대수심 영역, 중수심 영역에서 라이저관 내에 주입한 기포는, 기포와 슬러리로 이루어진 혼합 유체가 천(淺)수심 영역에서 상승해서, 그 압력이 저하함에 따라서, 기포의 체적이 증가하지만, 액체나 고체의 체적은 거의 증가하지 않기 때문에, 이 기포의 혼합유체 중의 체적의 비율은 가속도적으로 증가한다. 그 결과, 라이저관의 상단부에 가까워 짐에 따라서 상승류의 유속이 지나치게 크게 되거나, 혼합유체 중 인양 대상물의 양의 비율이 상대적으로 내려가서, 인양 효율이 악화되거나, 최악의 경우는, 인양 대상물을 전부 인양하는 것이 불가능하게 되거나 하는 등의 문제가 발생한다. 이 문제는, 기포의 체적과 수심과의 관계가 대략 반비례 관계에 있기 때문이고, 끌어올릴 대상물이 존재하는 수심이 깊을수록 현저하고, 라이저 관내의 상하위치에 관해서는 기포가 천수심 영역에 부상(浮上)해서 온 곳에서 현저하게 발생한다.

예를 들면, 기포 리프트로, 해저 100m에서 인양 대상물을 인양하는 경우, 라이저 관의 하단부에서 주입한 기포는, 라이저관의 상단부에서도 10배의 체적밖에 되지 않는다. 그러나, 수심 5,000미터의 해저에서 인양 대상물을 인양하는 경우에는, 라이저 관의 하단부에서 주입한 기포의 체적은, 라이저관의 상단부에서는 500배나 된다. 이것을 보다 상세히 살펴보면, 수심 5,000미터에서 주입된 기포의 체적은 수심 4,000미터 까지 부상하는 사이에는, 25%밖에 증가하지 않지만, 수심 1,000미터가 되면 5배로 증가하고, 수심 100m에서는 50배가 되고, 또한, 수면 근방에서는 500배가 된다.

이 때문에, 전형적인 예로 계산해 보면, 해수만을 빨아들여 버리는 경우에도 이로젼(erosion) 등을 고려해서 라이저관 상단에서의 유속이 예를들면 10m/초를 초과하지 않도록 기포유량을 설정하여 고정한 조건하에서 해수보다 무거운 슬러리를 인양하도록 한 경우, 반대로 라이저 관내의 상단에서 혼합유체 중에 기포가 차지하는 비율(이하, 기포비율이라고 한다)을 90%이하로 억제하도록 한 경우, 주위의 해수보다 불과 몇 퍼센트로 무거운 슬러리만 인양하는 것이 불가능하다.

또한, 같은 조건에서 수심 1,000미터의 해저에서 슬러리를 인양하는 경우에는, 최대로 해도, 해수보다 약 2배 무거운 슬러리까지 밖에 인양할 수 없다. 이 때문에 비중이 큰 광물 등을 인양하기 위해서는 슬러리 비중이 1.2이하가 되도록 슬러리 중의 해수비율을 유지해야만 하고, 광물 비율이 크게 되버리면 막혀버리는데, 이와 같은 심해에서의 혼합비율을 관리하는 것은 일반적으로 쉽지가 않다.

즉, 종래 기술의 기포 리프트로는, 라이저관의 하측에서 주입한 기포가 라이저관 상단 근처까지 부상해오면 수심에 대략 반비례해서 체적을 늘리기 때문에, 대수심 영역에서는, 비중이 주위의 해수 등보다 높은 것을 인양할 정도의 양의 기포를 주입하는 것이 불가능해서, 기포 리프트가 성립되지 않던가 효율이 매우 나쁘다는 결점이 있다.

선행기술문헌

특허문헌

특허문헌1: 일본출원특개 2005-291171호 공보

본 발명은, 상기의 상황을 감안해서 이루어진 것이고, 그 목적은, 라이저관의 상단을 대기개방하지않고, 압력이 높은 가압챔버의 내부로 이끄는 것으로, 기포 및 기체의 팽창을 억제하고, 또한, 라이저관 도중의 천수심 영역에서도 원심분리한 기포를 탈기하는 탈기장치를 설치, 라이저관의 내부전체에서, 보다 균등하게 기포를 분포시키고, 효율좋게 대수심영역에서도 채용가능한 기포 리프트 시스템 및 기포 리프트 방법을 제공하는 것에 있다.

즉, 대수심 영역에서, 주위의 해수 등보다 평균비중이 큰 슬러리 상태 등의 대상물을 인양하는 기포 리프트로, 라이저관 내의 평균적인 액체기둥 압력을 낮추기 위해, 유효한 양의 기포를, 대수심 영역 또는 중수심 영역에서 라이저관 내에 주입해도, 천수심 영역, 예를 들면, 라이저관의 상측의 1/10 정도의 부분, 즉 수심 1,000m 라면 상측의 100m 정도의 부분 즉 수면아래 100m 정도에서 수면근방까지의 부분에서, 기포의 체적이 혼합유체의 체적의 예를 들면 90%를 넘는 과잉의 기포비율이 되는 것을 피할 수 있는 기포 리프트 시스템, 및 기포 리프트 방법을 제공하는 것에 있다.

또한, 더한 목적은, 다양한 크기의 입자를 포함한 진흙이나, 작은 돌 정도의 크기로 부숴진 광물 등을 해수에 섞은 슬러리 등을, 연속적으로 인양하는 용도로 사용가능 하도록 하기 위해, 슬러리 중의 고형물 농도가 저하되어도 비중이 해수와 같은 정도가 되어도 유속이 이로젼이 문제가 되는 정도가 되지 않고, 또한, 슬러리의 비중이 고형물 단체(單體)의 그것에 가까워져도 막힐리 없는 기포 리프트 시스템 및, 기포 리프트 방법을 제공하는 것에 있다.

또한, 더한 목적은, 이와 같은 슬러리를 다루기 위해서, 파손절손, 작은 이물질들이 말려 들어가는 것 등으로 기능하지 않을 위험이 높은 회전기기, 차단밸브, 압력조정밸브, 스로틀 밸브, 오리피스 등을 라이저관 내와 수입(受入)장치의 슬러리 계통에 배치하는 것이 아닌 기포 리프트 시스템, 및 기포 리프트 방법을 제공하는 것에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기포 리프트 시스템은, 수저(水底), 또는 그 수저보다 아래의 고형상 물질 또는 액체상 물질을 라이저관을 통해서 수면근방까지 인양하기 위해서 상기 라이저관의 하측부분에서 기체를 주입해서, 이 기체를 기포상태로 상승시켜서, 이 기포에 의한 라이저관 내의 유체기둥 압력 감압효과에 의해 상기 라이저관의 하단부에서 인양대상물을 라이저관에 흡인하고, 수면상에 끌어올린 기포 리프트 시스템에서, 상기 라이저관의 상단부에 가압챔버를 설치해서, 상기 라이저관의 상부의 내부를 가압하는 것으로, 천수심 영역에서의 상기 라이저관 내를 상승하는 혼합유체에서의 기포 체적의 비율이 증가하는 것을 억제하도록 구성한다.

이 구성에 의하면, 라이저관의 상단부를 대기압하에서 해방하지 않고, 내부가 가압된 가압챔버로 이끌어서, 그 가압 챔버의 내부에서 해방한다. 기포 리프트에서, 예를 들면 수심 5,000m의 해저에서 비중이 1.5에 가까운 슬러리를 인양하는 경우에, 그 1/25의 수심 200m에서의 수압에 상당하는 20기압 정도에 가압 챔버의 내부를 가압해두면, 라이저관의 하단부에서 주입한 기포의 체적은 라이저관의 상단근방에서도 25배 밖에 되지 않고, 대기압하에서 해방한 경우의 500배와 비교해서 기포의 팽창을 현저하게 억제하는 것이 가능하다.

또한, 이 경우에, 라이저관의 상단으로부터 200m 아래에서는, 라이저관 내의 압력은 25기압 정도로 되어 있지만, 라이저관의 외부의 수압은 20기압 정도이다. 이와 같은, 천수심 영역에 있어서 라이저관의 내부의 압력이 라이저관의 외부의 수압보다 높게 되는 현상은, 가압챔버가 있어서 처음 생기는 현상이다.

또한, 이 가압 챔버에, 유체의 유속을 이용한 원심분리와 중력분리 등에 의해, 기체와 인양 대상물을 포함한 슬러리를 나누는 분리기로서의 기능을 갖게하는 것이 가능해서, 분리된 기체를, 대기압으로 해서 팽창시키는 것이 아니라, 가압한 채로 압축기로 돌려서 기포 리프트용의 압축공기로서 재이용하는 것이 가능하다.

또한, 상기의 기포 리프트 시스템에서, 상기 라이저관의 상단부 근방의 도중에, 상기 라이저관 내의 혼합유체에 회전을 발생시켜서 원심력 효과에 의해 혼합유체 중의 기포 및 기체를 회전중심에 모으는 것과 함께, 그 회전중심으로부터 기포 및 기체를 상기 라이저관의 외부로 배출하는 탈기(脫氣)장치를 설치해서 구성된다.

이 구성에 의해, 이 탈기장치를, 예를 들면, 수심 200m 근방 등의 적당한 위치에 설치하는 것으로, 라이저관의 내부를 기포와 함께 상승하는 혼합유체를, 나선 형상부분(볼류트(volute)부분)에서 나선상으로 이끌어서 회전을 발생시켜서, 원심력에 의해 혼합유체 중의 인양 대상물을 포함한 슬러리를 외벽에 내리 누르는 원심분리효과로 기포 및 기체를 회전중심부에 모아서, 그 회전중심부에 삽입한 탈기관(벤트관)에서, 잉여가 되어 있는 기포및 기체를 탈기장치에서 라이저관의 외부로 배출하여, 이 심도에서 기체체적을 떨어트리는 것이 가능하다. 기포를 줄인 후의 혼합유체는, 그곳보다 상부에서도 효율적으로 인양할 수 있도록 관내에 설치한 고정 벨브 등에 의해 슬러리와 기포를 재차 잘 섞어둔다.

본 발명의 탈기장치는, 수심이 다른 곳에 복수군데 설치하고, 소량씩 탈기(벤트(vent))해도 좋다. 이 구성에 의해, 대수심영역에서 천수심영역까지, 기포가 차지하는 체적의 비율을 균등화하고, 더 나아가서는, 유체의 유속을 보다 균등화하는 것이 가능해서, 유체를 인양하는 효율을 최대화하는 것이 가능하다.

또한, 상기의 기포 리프트 시스템에서, 상기 가압챔버의 가압압력을, 상기 라이저관의 하측부분에서 주입하는 기체주입량에 끌어넣는 상황에 따른 동적 제어를 행하지 않아도 되고, 또한 주위의 물만을 흡인해도 혼합유체의 유속이 미리 설정한 범위에 머물고, 또한, 상기 인양 대상물만을 흡인해도, 그 비중을 상향하도록 설계상한비중을 갖도록 미리 설정한 압력범위 내의 압력으로 하도록 구성된다.

이 구성에 의하면, 인양하는 심도나 인양 대상물의 비중 등을 고려해서, 사전의 계산 시뮬레이션 등으로 미리 설정한 압력 범위 내에, 가압챔버의 가압압력을 설정하고, 그 압력범위 내가 되도록, 가압챔버의 가압압력을 조정하는 것만으로, 효율적으로 인양 대상물을 인양하는 것이 가능하다.

또한, 상기 기포 리프트 시스템에서, 상기 가압챔버의 압력을, 상기 라이저 관의 하단부의 수압의 1/50 이상 1/3 이하, 보다 바람직하게는, 1/50 이상 1/10이하의 압력으로 조정하도록 구성된다. 이 압력이 1/50 보다 작으면, 가압챔버에 의한 기포의 체적의 억제효과가 적어지게 되고, 가압챔버를 설정하는 것에 대한 메리트가 없어지게 된다. 또한, 이 압력이 1/3 보다 크면, 가압챔버의 내압성능이 크게되어, 압축기의 필요능력이 크게 되는 한편 그 이상의 인양능력의 향상은 바랄 수 없다. 또한, 상한치를 1/10로 하는 것으로, 가압챔버의 내압성능을 낮게 하는 것이 가능하고, 수입(受入)장치 전체를 콤팩트하게 하는 것이 가능하고, 또한, 필요에 따라 탈기 시스템의 병용에 의해 충분한 인양 성능을 얻을 수 있다.

또한, 상기의 기포 리프트 시스템에서, 상기 가압챔버에서 분리된 기체를 가압된 채로 압축기로 이끌어서 재차 압축해서 상기 라이저관의 하측으로 보내도록 구성한다. 이 구성에 의해, 압축에 필요한 에너지를 적게 할 수 있다.

또한, 상기의 기포 리프트 시스템에서, 상기 가압챔버의 압력을 설계범위 내로 유지하기 위해서, 상기 가압챔버의 하류에 압력용기와 슬러리관으로 이루어진 소상(遡上) 둑(堰)을 단단(單段) 또는 다단(多段)(또는 2단 이상)으로 설치, 각 단의 상기 소상 둑의 상기 슬러리관의 하류의 압력을, 상기 슬러리관의 상단을 포함하는 상기 압력용기의 기상부(氣相部)의 압력의 제어에 의해 미리 설정한 압력범위(설계범위) 내로 유지하도록 구성된다.

이 가압챔버 하부에 모인 슬러리는, 가압챔버의 내부의 압력에 의해 밀려나오게 되어, 하류의 전용 압력용기 내에 설치되어 있는 소상 둑의 슬러리관을 거슬러 올라가지만, 슬러리는, 이 슬러리관을 거슬러 올라가는 것에 의해, 그 기둥분의 압력을 잃고, 그 만큼 감압되지만, 슬러리관을 수용한 압력용기의 내부는, 그 감압 후의 슬러리에 의한 압력과 거의 맞추도록, 가압챔버보다 한단 낮은 내부압력으로 유지된다.

슬러리는, 소상 둑의 슬러리관을 거슬러 올라간 후에 압력용기의 내부를 낙하하고, 압력용기의 밑부분에 모인 슬러리는, 또한 하류의 다음 슬러리관이 있는 다른 압력용기로 밀려 난다. 이것을 반복하여, 슬러리에 의한 압력은 최종적으로는 대기압까지 낮춰진다. 본 발명에서는, 그 과정에 있어서, 파손절손, 작은 이물질들이 말려 들어가는 것 등으로 기능하지 않게 될 위험이 높은 회전기기, 차단밸브, 압력조정밸브, 스로틀 밸브, 오리피스 등을 라이저관 내와 수입(受入)장치의 슬러리 계통에 설치할 필요가 없다.

또한, 상기의 기포 리프트 시스템에서, 상기 소상 둑의 상기 압력용기의 상기 기상부와 U실의 상부를 연통하는 연통관을 설치, 상기 기상부의 압력제어를, 일 단 또는 복수 단 설치된, 액체 기둥에 의한 압력을 이용하는 상기 U실(seal)에 의해 행해지도록 구성된다. 이 구성에 의하면, 각 소상 둑의 슬러리관이 있는 각 압력용기의 운전압력은, 각 압력용기 내의 기상(氣相)압력을 제어하는 것으로 유지하는 것이 가능하다. 이 기상압력의 제어는 기상에 설치한 압력조정밸브 등에 의한 것도 가능하지만, 소상 둑의 단수(段數)에 대응하는 단의 수를 맞춰서, 액체 기둥의 압력을 이용하는 다단(多段) U실에 의한 것도 가능하다. 이 다단 U실에 의하면, 예를 들면 안개상태로 날리는 모래, 진흙 등에 의한 압력조정밸브 등의 트러블을 회피하는 것이 가능하다.

상기 구성에 의하면, 파손절손, 작은 이물질들이 말려 들어가는 것 등으로 폐색되거나 기능하지 않게 될 위험이 높은 회전기기, 차단밸브, 압력조정밸브, 스로틀 밸브, 오리피스 등을 슬러리 계통에 사용하지 않고, 슬러리 비중이 다소 변화되도 가압챔버의 운전압력을 설계범위로 유지하는 것이 가능하여, 정비가 필요없는 것으로 연속운전이 가능하게 되는 효과가 있다.

따라서, 수심이 깊은 해저, 호수 바닥, 강바닥 등, 혹은, 그 아래의 지중에서의 모래, 퇴적물, 광물 등의 고형물을 인양하는 경우에는, 일반적으로 곤란하다고 여겨지고 있는 슬러리 중의 고형물과 해수와의 혼합비율의 제어가 불필요하고, 또한 슬러리에 포함된 고형물의 입자의 크기와 단단함, 슬러리의 비중 등이 시시각각 변화하는 상황에 대응하는 것이 가능하다.

이상적으로는, 어떤 일정한 기포주입량을 유지한 채로, 해수 만을 인양해버린 경우에도 라이저관 상단의 혼합유체의 유속이 설계최대유속 내에 들어맞고, 또한, 고체만을 인양해버려도 꽉막히는것 없이 끌어 올릴 수 있는 성능을 바란다.

본 발명에 의하면, 유속의 대략 2승에 비례하는 압력손실이 지나치게 크게되기 전에 챔버압력이 유속상승을 멈추기 때문에, 설계비중보다 가벼운 슬러리를 끌어 들여도 과잉으로 유속이 오르는 것이 아니다. 예를 들면, 수심 5,000미터에서의 기포 리프트에서 비중이 해수의 2배를 넘는 고형물을 인양하는 경우에, 슬러리 중의 해수농도가 100%가 되어도, 또한 고형물의 농도가 100%가 되어도, 기포주입량의 설정량을 고정한 채로 연속운전이 실용적으로 가능하게 된다.

또한, 상기의 기포 리프트 시스템에서, 상기 탈기장치에 있어서, 상기 라이저관의 외부로 배출된 기포 또는 기체를, 상기 탈기관에 접속된 탈기이송관에서 상기 가압챔버의 내부로 이끌도록 구성된다. 이 구성에 의하면, 배출된 기체를 대기압까지 팽창시키지 않고 상기 가압챔버에서 분리된 기체와 함께 압축기로 돌려서, 기포 리프트용의 기포로서 재이용하는 것에 의해, 압축에 필요한 에너지를 적게 할 수 있다.

또한, 상기의 기포 리프트 시스템에 있어서, 다단압축기를 이용해서 상기 가압챔버에서 분리된 기체를 압축해서 상기 라이저관의 하측으로 다시 보내도록 구성하는 것과 동시에, 상기 탈기장치에서 상기 탈기관에 의해 상기 라이저관의 외부로 배출된 기포 또는 기체는, 상기 탈기관에 접속된 탈기이송관에서 상기 다단압축기의 상기 가압챔버에서의 기체보다 고압단으로 이끌도록 구성된다. 이 구성에 의하면, 배출된 기체를 보다 높은 압력인 채로 압축기로 돌려서, 기포 리프트용의 기포로서 재이용하는 것에 의해, 압축에 필요한 에너지를 더욱 적게 할 수 있다.

또한, 상기의 기포 리프트 시스템에서, 상기 탈기이송관에 있어서, 수면상에 압력조정밸브, 스로틀밸브, 오리피스 등을 설치해 두는 것으로, 수면상에 있어서 탈기량을 제어하도록 구성한다.

또한, 상기 기포 리프트 시스템에서, 상기 탈기장치를, 상기 가압챔버의 효과에 의해 상기 라이저관의 관내의 압력이 관외의 압력보다 높게 되는 천수심영역에 설치, 내외의 압력차를 이용해서, 기포 또는 기체를 라이저관의 외부의 수중에 배출하도록 구성된다. 이 경우는, 탈기장치에서 수면상으로 연장된 탈기이송관을 필요치 않게 하는 것이 가능하고, 시스템의 구성을 단순화할 수 있다.

또한, 상기의 기포 리프트 시스템에서, 상기 탈기장치에 있어서, 상기 탈기관에. 상기 라이저관의 관내외의 압력차에 의해 작동하는 압력배기밸브를 설치, 그 압력배기밸브에 의해 탈기량을 억제하고, 상기 라이저관내의 압력을 조정하도록 구성한다. 이 구성에 의하면, 탈기장치의 탈기관에, 라이저관 내외의 압력차가 예를 들면 당초와 같은 5기압에서 개폐하는 압력배기밸브를 설치해 두는 것으로, 보다 많은 기포를 라이저관의 하측부분에서 주입해도, 그 기포의 체적이 라이저관 상부에서 과잉되기 전에, 탈기장치가 있는 심도에서 당초와 같은 식으로, 5기압의 압력차가 될때 까지 기포를 배출하는 것이 가능하다.

즉, 이 탈기장치에서 배출하는 기포 또는 기체는, 수면 위까지 탈기이송관 (벤트(vent)전용관)으로 이끌어서 대기압하에서 해방해도 좋고, 혹은, 가압챔버의 내부의 가압하에서 해방하던지 압축기로 이끌어서 재이용해도 좋다. 또한, 상술한 것처럼 라이저 관내의 압력이 관외의 수압보다 높게 된다는 가압챔버가 있는 경우의 고유의 현상을 이용해서, 라이저 관외의 수중으로 배출하는 것도 가능하다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기포 리프트 방법은, 수면근방에서, 수저(水底), 또는, 그 수저보다 아래에 라이저관을 강하시켜서, 상기 라이저 관의 하측에 기체를 기포형상으로 주입해서 상승시켜, 이 기포에 의한 상기 라이저 관내의 유체기둥 압력 감압효과에 의해, 상기 라이저 관의 하단 근방에서 모아진 인양 대상물을 라이저관의 하단측에서 흡인하고, 상기 라이저 관의 상단에 설치된 수입(受入)장치에 인양 대상물을 포함한 혼합유체를 인양하는 기포 리프트 방법에 있어서, 상기 라이저관의 상단부에 설치된 가압챔버에 의해 상기 라이저관의 상단 내부에 압력을 가하는 것을 특징으로 한다.

이 방법에 의하면, 라이저 관의 상단근방에서의 혼합유체 중의 기포 또는 기체의 체적 비율의 증가를 억제하는 것이 가능하다. 또한, 가압챔버의 가압을 제어하는 것으로, 주입공기량에 대해 끌어 들이는 상황에 따른 동적제어를 가하지 않아도, 또한, 해수만을 끌어들여도(비중이 최저가 되버린다) 유속이 설계범위에 들어맞고, 또한, 비중이 큰 고형분만을 끌어들여도 설계상한비중에 들어맞도록 하는 것이 가능하다.

또한, 상기의 기포 리프트 방법에 있어서, 상기 라이저 관의 상측에 설치된 탈기장치에 의해, 혼합유체중의 기포 또는 기체의 일부를 탈기하도록 하면, 라이저 관의 상단근방에서의 혼합유체중의 기포 또는 기체의 체적비율의 증가를 보다 억제하는 것이 가능하다.

본 발명의 기포 리프트 시스템 및, 기포 리프트 방법에 의하면, 라이저 관의 상단부에 가압챔버를 설치하는 것으로, 종래기술에서는, 대수심영역 예를 들면 수심 5,000미터에서의 기포 리프트는, 기포의 체적이 라이저 관의 상단부에서 하단부의 500배나 되기 때문에, 현실적으로는 해수보다 불과 몇 퍼센트 무거운 유체까지 밖에 인양할 수 없고, 실질적으로 불가능한 듯한 경우에 있어서도, 라이저 관의 상단부에서 기포가 차지하는 체적비율의 증가를 실질적으로 수십배 이하로 억제하는 것이 가능하다.

이로 인해, 종래 기술의 경우보다도, 비약적으로 깊은 대수심에 있어서도, 기포 리프트 시스템에 의한 인양 대상물의 인양이 가능하게 되고, 보다 비중이 높은 대상물의 인양이 가능하게 된다. 또한, 유속의 대략 2승에 비례하는 압력손실을 저감해서 효율적인 인양이 가능하게 되는 효과가 있다. 예를 들면, 수심 5,000미터까지의 기포 리프트에서, 해수의 2배를 넘는 비중의 유체의 인양이 실용적으로 충분히 가능하게 된다.

또한, 라이저 관의 도중에 탈기장치를 설치함에 의해, 그 최대 기포비율이 발생하는 장소를 라이저 관 상단부만이 아니라, 천수심영역에 복수 군데 설정하는 것이 가능하기 때문에, 대수심영역에서 천수심영역 까지의 라이저 관 전체로 기포가 차지하는 체적비율을 균등화할 수 있기 때문에, 최대유속을 올리는 것 없이 기포의 비율을 평균적으로 높게 하는 것이 가능하다.

이것에 의해, 라이저 관내 전체의 유속, 특히, 라이저 관의 상단부에서의 유속을 큰폭으로 억제하는 것이 가능하기 때문에, 이로젼(erosion)의 문제를 격감할 수 있고, 라이저 관이나 그 상단에서 하류의 프로세스로의 연결을 포함한 부분 등에서, 보다 경도가 낮은 금속을 사용하거나, 플라스틱, 일래스터머(elastomer) 등 의 경량재료나 내식성 재료를 사용하거나, 코팅이나 라이너 재료, 방진성 재료, 진동 감쇠성재료나 변형을 흡수할 수 있는 탄성재료 등을 사용하는 것이 가능하게 된다.

그 결과, 경량 라이너관의 사용으로 보다 더 대수심에 대응할 수 있는 효과나, 값싼 내식성 코팅이나 라이너의 사용에 의한 비용절감 효과, 재료변경에 의해 파주기(波周期)와의 종진동(縱振動) 공진(共振)이나 와여기 진동(渦勵起振動) 등을 피하는 효과를 달성할 수 있게 된다. 또한, 두께(肉厚)가 얇은 금속판을 내면에 사용하는 플랙시블 라이저(flexible riser)나 벨로스(bellows)의 사용 등이 가능하게 되고, 고가에 복잡한 라이저 텐셔너(riser tensioner)나 텔레스코픽 조인트(telescopic joint) 등이 불필요하게 되는 것이 가능하다.

또한, 이로 인해, 라이저 관내의 유속이 균등화되기 때문에, 라이저 관내의 흐름의 진동에 의한 문제나, 슬러리와 기포의 이상류(二相流)의 유동(流動)양식(기포류(bubble flow), 슬러그류(slug flow), 환상류(annular flow), 분무류(mist flow) 등)의 변이의 문제, 정체에 의한 슬러리 중의 고액분리의 문제 등을 해결하여, 장대한 라이저관을 효율적으로 실현가능하다.

그리고, 대수심영역에서의 인양 작업을, 본 발명의 기포 리프트 시스템 및 기포 리프트 방법에서도 행하는 것으로 하면, 심해부나 중간수심부의 펌프 등, 동력이나 제어를 필요로 하는 고기능부품과 중량부품을 필요치 않게 하는 것이 가능하고, 또한, 기포에 의해 라이저 관내의 혼합유체의 비중을 주위의 해수나 물 등의 액체의 비중이하로 낮추기 때문에, 라이저 관의 자체중량과 유체중량, 조류력 등의 합력을 지탱하는 리그(rig)에 필요한 설계하중을 큰폭으로 억제하는 것이 가능하다.

또한, 인양 작업중에 해상상태가 나빠질 때에는 이탈이 필요하게 되지만, 본 발명의 기포 리프트 시스템 및 기포 리프트 방법에 의하면, 종래 기술의 드릴링 리그(drilling rig)와 완전히 같은 식으로 라이저관을 인양하는것 만으로, 이탈하는 것이 가능하게 된다. 또한, 만일의 비상시에는 선체 외의 부품은 따로 떼어서 이탈하고, 따로 분리된 부품이 회수 불가능하게 되는 사태가 발생해도, 고가의 고기능부품 등이 떨어져 나갈 가능성을 배제하던가 아니면 최저한으로 하는 것이 가능하다.

또한, 비교적 작고 또 하단에서 상단까지 같은 지름의 라이저관에서 효율좋게 인양하는 것이 가능하게 되기 때문에, 종래 기술의 시추선(drilling ship)의 라이저관과 라이저관을 핸들하는 드릴링 시스템을 그대로 사용하면서, 대수심영역에서의 인양을 실현할 수 있다. 그 때문에, 개발 비용을 큰폭으로 삭감할 수 있다.

도면의 간단한 설명

[도1] 도 1은, 본 발명에 관한 실시의 형태의 기포 리프트 시스템의 구성을 모식적으로 나타낸 도이다.

[도2] 도 2는, 탈기장치의 구성을 모식적으로 나타낸 도이다.

[도3] 도 3은, 가압챔버, 소상(遡上) 둑(堰, weir) 등을 설비한 수입(受入)장치의 구성을 모식적으로 나타낸 도이다.

[도4]도 4는, 가압챔버의 설정압력과 인양되는 슬러리의 최대비중과의 관계를 나타낸 도이다.

[도5]도 5는, 가압챔버의 설정압력에서 인양되는 슬러리의 최대비중과 수심의 관계를 나타낸 도이다.

이하, 본 발명에 관한 실시의 형태의 기포 리프트 시스템, 및 기포 리프트 방법에 대해서 설명한다. 여기에서는, 해양에서, 드릴십(drill ship)을 이용해서 해저의 자원을 인양하는 예로 설명하지만, 본 발명은, 해양에 한정되지 않고, 호수, 강 등에서도 적용가능하다.

본 발명에 관한 실시의 형태의 기포 리프트 시스템(10)은, 도 1에서 나타내고 있는 구성을 하고 있다. 해면(수면)(2)에 떠있는 드릴십(굴착선)(1)에서, 해저(수저)(3) 또는 해저(3)의 아래에 있는 자원을 인양하는 것에 사용되는 시스템이고, 라이저관(11), 포집(捕集)장치(12), 기체송입장치(13), 탈기장치(14), 수입(受入)장치(20)를 설치하여 구성된다.

이 기포 리프트 시스템(10)은, 해저, 호수바닥, 강바닥 등의 수저(3), 또는, 이 수저(3)보다 아래의 모래, 퇴적물, 광물 등의 고형상 물질 또는 액체상 물질(인양 대상물)을 라이저관(11)을 통해서 수면(2)근방까지 인양하기 위해 라이저관(11)의 하측부분에서 기체를 주입해서 상승시켜, 이 기체에 의한 라이저관 (11) 내의 유체기둥 압력 감압효과에 의해, 라이저관(11)의 하단부에서 인양 대상물을 주위의 물과 함께 라이저관(11)에 흡인하여, 인양 대상물을 물, 기체와 함께 수면(2)상으로 인양하는 시스템이다.

이 드릴십(1)에는, 대수심의 해저의 퇴적물을 인양하기 위해서, 자동 선위유지 시스템을 설치춘 드릴십을 사용한다. 또한, 기포 리프트 시스템(10)의 라이저관(11)으로서, 드릴십(1)의 라이저관(11)을 이용한다. 이 드릴십(1)의 라이저관(11)은, 보통 드릴링 머드(drilling mud)를 사용하는 공법을 이용한 굴착 시에 드릴링 머드를 회수하기 위해 사용된다. 또한, 드릴십(1)이 설치한 드릴링 리그(drilling)의 굴착기능 자체는 사용하지 않고 끝난다.

이 라이저관(11)은, 예를 들면, 내경 50cm, 길이 27m 정도의 단관(短管)을 플랜지로 다수 연결하여 구성된다. 이 라이저관(11)의 유속이 비교적 높은 천수심 영역에서는 이로전에 강한 재질을 사용하고, 중수심영역이나 대수심영역에서는 경량재료를 사용하는 것이 바람직하다. 이 라이저관(11)에는, 하단에 포집장치(12)가 설치되고, 하측에 기체송입장치(13)가, 상측에 탈기장치(14)가, 각각 단수 또는 복수 군데에 설치된다. 이 라이저관(11)의 상단측은 수입장치(20)의 가압챔버(21)에 접속된다. 그 밖에, 라이저관(11)의 최하단이나 중간부에서는, 필요에 따라, 보조적인 펌프나 분쇄기 등을 병용해도 좋다. 이 라이저관(11)의 하단부에는, 스트레이너 등의 포집장치(12)를 설치한다. 이 기포 리프트 시스템(10)에서는, 최소한의 장치로 좋기 때문에, Lower Marine Riser Package(LMRP)등과 같은 중량물, 고기능부부품은 불필요하게 되고, 그 중량분 만큼, 라이저관(11)을 길게하는 것이 가능하기 때문에 보다 깊은 수심에 대응하는 것이 가능하게 된다. 또한, 조류력 등에 대항해서 안정성을 얻기 위해, 대수심부에서, 라이저관(11)에 부력을 주는 부력체(도시하고 있지 않음)를 줄이는 것이 고안되어 진다.

라이저관(11)의 하측부분에 설치한 기체송입장치(13)에, 기포 리프트용의 압축공기를 보내기 위한 배관으로서, 보통은, 라이저관(11)의 본관의 외측에, 분출방지장치를 위해 사용하는, 킬 라인(kill line) 이나 초우크 라인(choke line)으로 불려지는 세관(細管)을 배치 및 유지하고 있기 때문에 이들과 같은 식으로 배치 및 유지되는 고압세관을 사용한다. 또한, 기체송입장치(12)는, 압축공기를 라이저관(11)의 내부에 주입하는 에어 리프트 밸브가 달린 특별사양의 단관으로 구성되고, 이 기체송입장치(13)로서의 단관은, 대수심부, 중수심부에서 사용되는 단관의 여러 개에 사용된다.

또한, 도 2에서, 탈기장치(14)를 설치한 특별사양의 단관을, 천수심부에 사용되는 단관 중 여러 개에 사용한다. 이 탈기장치(14)는, 외벽(14a),나선형상 배관(14b), 탈기관(14c) 및 탈기이송관(벤트전용관)(14d)을 설치하여 구성된다. 또한, 탈기이송관(벤트전용관)(14d) 대신에 압력 릴리프 밸브(pressure relief valve)를 설치하는 경우도 있다. 도 2에서는, 하얀 동그라미는, 기포를 표시, 크로스 해칭이 표시된 부분은, 예를 들면 해수와 대상물(모래,분쇄된 광물 등)이 혼합된 슬러리를 표시, 한줄 해칭이 표시된 부분은 해수만의 부분을 표시, 하얀부분은 기체부분을 나타낸다.

외벽(14a)은 라이저관(11)의 본관보다도 두꺼운 지름으로 형성되고, 원통부와, 그 아래쪽의 하측 테이퍼부와, 원통부의 위쪽의 상측 테이퍼부로 구성된다. 이 외벽(14a)의 내부에 나선형 배관(14b)의 전부와 탈기관(14c)의 일부를 수용하는 것과 함께, 하측의 라이저관(11)의 단관에서 유입해 오는 혼합유체의 선회류(旋回流)를 내포할 수 있는 크기로 형성된다.

나선형 배관(14b)은, 그 하단이 하측의 라이저관(11)의 본관에 접속되고, 외벽(14a)의 하측 테이퍼부의 내측을 따라 나선상으로 배치되어 있는 배관이고, 외벽(14a)의 원통부가 들어간 곳에 개구부가 있다. 이 나선형 배관(14b)에서 유출하는 혼합유체는 외벽(14a)을 따라 선회류를 형성하도록 구성된다. 즉, 라이저관(11) 내의 혼합유체를 나선상으로 이끄는 것으로 선회류를 발생시킨다.

탈기관(14c)은, 외벽(14a)의 원통부의 단면에서의 중심부분에 개구(開口)를 갖고, 외벽(14a)을 관통해서 외부로 나오는 배관으로 구성된다. 이 탈기관(14c)은, 라이저관(11)의 본관의 외측에 설치된 탈기이송관(벤트전용관)(14d)에 접속된다.

즉, 이 탈기장치(14)는, 라이저관(11)의 상측부분에, 즉, 라이저관(11)의 상단 근방의 도중에, 라이저관(11)의 내부를 상승하는 혼합유체에 선회류를 발생시켜서 원심력 효과에 의해 기포를 회전중심에 모으는 것과 동시에, 모은 기포를 그 회전중심에 개구부를 설치한 탈기관(14c)에서 라이저관(11)의 외부로 배출하도록 구성된다.

이 탈기장치(14)에 의해, 라이저관(11)의 내부를 기포와 함께 상승하는 혼합유체를 소라형상의 나선형 배관(볼류트)(14b)내에서 나선상으로 이끌어 회전을 발생시켜, 원심력에 의해 슬러리 등의 인양 대상물을 외벽(14a)에 내리 누르는 원심분리효과로, 기포를 회전중심부에 모아서, 그 회전중심부에 삽입한 탈기관 (14c)에서, 과잉된 기포를 탈기장치(14)의 외부로 배출하는 것이 가능하다.

이 탈기장치(14)에서, 라이저관(11)의 외부로 배출된 기포 또는 기체는, 탈기관(14c)에 접속된 탈기이송관(14d)에서 수면(2)위로 이끌어서 대기중에 대기압하에서 해방해도 괜찮지만, 탈기관(14c)에 접속된 탈기이송관(14d)에서 가압챔버(21)의 내부로 이끌어서 가압하에서 해방해도 좋다. 이 경우에는, 배출된 기체를 대기압까지 팽창시키지 않고, 가압챔버(21)에서 분리된 기체와 함께 압축기로 순환시켜서 에어리프트용의 기포로서 재이용하는 것에 의해, 압축에 필요한 에너지를 적게 하는 것이 가능하다.

또한, 탈기이송관(14d)에, 가압챔버(21)나 압축기에 유입하는 탈기량을 조절가능하도록, 수면(2)상에 압력조정밸브, 스로틀밸브, 오리피스를 설치해도 좋다. 이 구성으로, 필요에 따라 수면(2)상에서 탈기량을 조절하는 것이 가능하다.

또한, 라이저관(11)의 하측에 압축공기를 주입하기 위해서, 공기를 압축하는 압축기를 다단(多段)압축기로 구성하고, 가압챔버(21)에서 분리된 공기(기체)를 압축해서 라이저관(11)의 하측으로 다시 보내도록 구성하고, 탈기장치(14)에서 탈기관(14c)에 의해 라이저관(11)의 외부로 배출된 기포 또는 기체를, 탈기관(11c)에 접속된 탈기이송관(11d)에서 다단압축기의 가압챔버(21)에서의 기체보다 고압단(高壓段)으로 이끌도록 한다. 이것에 의해, 배출된 기체를 보다 높은 압력인 채로 압축기로 돌려서, 기포리프트용 기포로서 재이용하는 것에 의해, 압축에 필요한 에너지를 더욱 적게 할 수 있다.

라이저관(11)의 상단에 가압챔버(21)를 설치하는 것으로, 라이저관(11)의 내부의 압력이 관외의 수압보다 높게 된다라는 고유의 현상을 이용할 수 있게 되기 때문에, 탈기장치(14)를, 가압챔버(21)의 효과에 의해 라이저관(11)의 관내의 압력이 관외의 압력보다 높게 되어 있는 천수심영역에 설치, 내외의 압력차를 이용해서 기포 또는 기체를 라이저관(11)의 외부의 해중(수중)에 배출해도 좋다. 이 경우는, 탈기 이송관(14d)이 불필요하게 되는 것이 가능하다.

또한, 탈기관(14c)에, 라이저관(11)의 관내외의 압력차에 의해 작동하는 압력 릴리프 밸브(도시하지 않는다)를 설치, 이 압력 릴리프 밸브에 의해 탈기량을 제어해서, 라이저관(11)내의 압력을 조정하도록 구성한다. 이 구성에 의하면, 굉장히 단순한 구성으로, 라이저관(11) 내의 압력을 조정하는 것이 가능하다.

또한, 탈기장치(14)에서, 기포를 줄인 후의 혼합유체를, 기포를 줄인 부분보다 상측에서도 효율적으로 상승할 수 있도록, 라이저관(11)의 내부에 고정밸브 등을 설치해서, 인양 대상물과 기포와 해수를 다시 잘 혼합하는 것이 바람직하다.

이 탈기장치(14)는 수심을 다르게 해서 복수 군데(도 1에서는 2군데)에 설치해서, 복수의 단계로 서서히 탈기(벤트)하도록 해도 좋다. 이 구성에 의해, 라이저관(11)의 내부를 상승하는 혼합유체중의 기포가 차지하는 체적비율을, 대수심영역에서 천수역까지, 대략 균등화하고, 더 나아가서는, 혼합유체의 유속을 보다 균등화하는 것이 가능해서, 유체의 인양 효율을 최대화하는 것이 가능하다.

이 구성에 의해, 예를 들면, 수심 200m 근방 등의 적당한 위치에, 탈기장치(14)를 설치해서, 탈기관(14c)에, 라이저관(11)의 내외의 압력차가 예를 들면 당초와 같은 5기압에서 개폐하는 압력 릴리프 밸브를 설치해 두면, 보다 많은 기포를 라이저관(11)의 하측부분에서 주입해도, 그 기포의 체적이 라이저관(11) 상부에서 과잉되기 전에, 수심 200m의 위치에서, 당초와 동등하게 내외의 압력차가 5기압이 되기 까지, 탈기장치(14) 내의 기포를 외부로 배출하는 것이 가능하다.

도 3에서 나타내듯이, 라이저관(11)의 상단부에 해당하는 드릴십(1) 위에는, 가압챔버(21), 다단의 소상 둑(22A, 22B, 22C), 분리용 탱크(23), U실 액체보급펌프(24), U실 액체보급관(25), U실 액체 저장소(26), U실(공기트랩)(27A, 27B) 등 으로 이루어진 수입(受入)장치(인양 대상물을 수취하는 시스템)(20)와, 기포 리프트용 압축공기를 발생하는 압축기(도시하지 않는다) 등을 탑재하고, 수입장치(20)의 가압챔버(21)에 라이저관(11)의 본관을 접속하고, 기체송입장치(12)에 압축공기를 보내기 위한 압축기의 송풍측의 배관(도시하지 않는다)이 라이저관(11)의 본관의 외측에 배치한 고압세관(도시하지 않는다)에 접속된다.

이 라이저관(11)의 상단부에 가압챔버(21)를 설치하여, 라이저관(11)의 상부의 내부를 가압하는 것으로, 천수심영역에서의 라이저관(11) 내를 상승하는 혼합유체에서의 기포 체적의 비율이 증가하는 것을 억제하도록 구성한다.

이 가압챔버(21)의 가압압력을, 라이저관(11)의 하측부분에서 주입하는 기체주입량에 끌어 들이는 상황에 따른 동적제어를 하지 않아도 되고, 또한, 주위의 물만을 흡인해도 혼합유체의 유속이 미리 설정한 범위에 들어맞고, 또한, 인양 대상물만을 흡인해도, 그 비중을 상회하는 설계 상한 비중을 갖도록 미리 설정한 압력범위 내의 압력으로 하도록 구성한다. 이 구성에 의하면, 인양하는 심도나 인양 대상물의 비중 등을 고려해서, 사전의 계산 시뮬레이션 등으로 미리 설정한 압력범위 내에, 가압챔버(21)의 가압압력을 설정하여, 그 압력범위 내가 되도록, 가압챔버(21)의 가압압력을 조정하는 것만으로, 효율적으로 인양 대상물을 인양하는 것이 가능하다.

또한, 이 가압챔버(21)의 압력은, 라이저관(11)의 하단부의 수압의 1/50 이상 1/3 이하 보다 바람직하게는 1/50 이상 1/10 이하의 압력으로 조정하는 것이 바람직하다. 이 압력이 1/50 보다 작으면, 가압챔버(21)에 의한 기포의 체적의 억제효과가 적어지게 되고, 가압챔버(21)를 설치하는 것에 대한 메리트가 없어진다. 또한, 이 압력이 1/3 보다 크면, 가압챔버 (21)의 내압성능이 크게되어, 압축기의 필요능력이 크게 되는 한편 그 이상의 인양 능력의 향상은 바랄 수 없다. 또한, 상한치를 1/10로 하는 것으로, 가압챔버(21)의 내압성능을 낮게 하는 것이 가능해서, 수입장치(20) 전체를 콤팩트하게 하는 것이 가능하고, 또한, 필요에 따른 탈기 시스템의 병용에 의해 충분한 인양 성능을 얻는다.

또한, 도 3에서 나타내듯이, 가압챔버(21)를, 사이클론 형상으로 해서, 라이저관(11)에서의 혼합유체를 접선방향에서 가압챔버(21) 내로 이끌도록 구성하는 것으로, 선회류를 발생하고, 이 혼합유체의 유속을 이용한 원심분리효과에 의해 기체와 인양 대상물을 포함한 슬러리를 분리하는 분리기로서의 기능을 갖게 하는 것이 가능하다. 이 경우에도, 분리된 기체 A를, 가압챔버(21)의 정부(頂部)에서 빼내어서, 대기압으로 해서 팽창시키는 것이 아니라, 가압한 채로 압축기로 돌려서 기포 리프트용의 압축공기로서 재이용하는 것이 가능하다. 또한, 도 3에서는, 하얀색 원은 기포를 표시하고, 크로스 해칭이 표시된 부분은 예를 들면 해수와 대상물(모래, 분쇄된 광물 등)이 혼합한 슬러리를 표시하고, 한줄 해칭이 표시된 부분은 해수만을 표시하고, 하얀 부분은 기체부분을 표시한다.

또한, 가압챔버(21)의 압력을 설계범위 내로 유지하기 위해서, 가압챔버(I21)의 하류에 압력용기(22a)와 이 압력용기(22a)에 수납된 슬러리관(22b)으로 이루어진 소상 둑(22A, 22B, 22C)을 단일의 단 또는 다단(도 3에서는 3단)으로 설치하여 구성한다. 이 각단의 소상 둑(22A, 22B, 22C)의 슬러리관(22b)의 하류의 압력을, 슬러리관(22b)의 상단을 포함하는 압력용기(22a)의 기상부의 압력의 제어에 의해 설계범위내로 유지하도록 구성한다. 또한, 소상둑(22A, 22B, 22C)의 압력용기(22a)의 기상부와 U실(27A, 27B)의 상부를 연통하는 연통관(28A, 28B)을 설치, 이 압력용기(22a)의 기상부의 압력제어를, 단일의 단 또는 복수개의 단으로 설치된(도 3에서는 2단), 액체기둥에 의한 압력을 이용하는 U실(27A, 27B)에 의해 행하도록 구성한다.

이 소상 둑(22A, 22B, 22C)의 각 슬러리관(22b)은, 앞단의 가압챔버(21)나 압력용기(22b)의 하부와 연결해두고, 이들로부터 도입되는 슬러리를 슬러리관(22b)의 하부에서 내부로 이끌어서 상부에서 압력용기(22b) 내로 넘쳐나오게 한다. 이 슬러리관(22b)의 높이와 슬러리의 비중으로, 각단의 압력감소량을 조정할 수 있다. 또한, 슬러리관(22b)의 하부의 압력은, 압력용기(22a)의 기상부의 압력과 슬러리관(22b)의 슬러리의 액체기둥과의 합으로 되기 때문에, 압력용기(22a)의 기상부의 압력을 조정하는 것으로, 앞단의 압력챔버(21) 또는 압력용기(22b)의 내부압력을 조정제어할 수 있다.

즉, 각 소상 둑(22A, 22B, 22C)이 있는 각 압력용기(22a)의 운전압력은, 각 압력용기(22a) 내의 기상압력을 제어하는 것으로 유지하는 것이 가능하다. 이 기상압력의 제어는 기상에 설치한 압력조정밸브 등에 의한 것도 가능하지만, 소상 둑(22A, 22B, 22C)과 단의 수를 맞춰서, 액체기둥의 압력을 이용하는 다단의 U실(27A, 27B)에 의한 것도 가능하다. 이 다단의 U실(27A, 27B)에 의하면, 예를 들면 안개상태로 날리는 모래, 진흙 등에 의한 압력조정밸브 등의 트러블을 피하는 것이 가능하다.

도 3에서 나타내는 구성은, 제 1단째의 소상둑(22A)의 압력용기(22a) 상부는, 연통관(28A)에서 제 1단째의 U실(27A)의 상부와 연통하고, 제 2단째의 소상 둑(22B)의 압력용기(22a)의 상부는, 연통관(28B)에서, 제 2단째의 U실(27B)의 상부와 연통하고, 제 3단째의 소상 둑(22C)의 압력용기(22a)의 상부는, 개방관(28C)에서 대기개방하게 되어 있다.

이 구성에 의하면, 제 3단째의 소상 둑(22C)의 압력용기(22a) 내부의 압력(P3)은 대기압(Po)으로 되어 있고, 제 2단째의 소상 둑(22B)의 압력용기(22a) 내부의 압력(P2), 대기압(Po)과 제 2단째의 U실(27B)의 액체기둥의 압력(Pb)과의 합으로 되어있다. 또한, 제 1단째의 소상 둑(22A)의 압력용기(22a) 내부의 압력(P1)은, 압력(P2)와 제 1단째의 U실(27A)의 액체기둥의 압력(Pa)과의 합으로 되어있다. 즉, P3=Po, P2=Po+Pb, P1=P2+Pa=Po+Pa+Pb 가 된다. 따라서, U실(27A, 27B)의 액체기둥의 압력(Pa, Pb)을 제어하는 것에 의해, 각 압력용기(22a) 내의 압력(P1, P2)을 제어하는 것이 가능하다.

이 소상 둑(22A, 22B, 22C)의 최종단의 소상 둑(22C)의 출구에, 분리용 탱크(23)를 접속해서 설치하고, 인양 대상물을 포함한 슬러리를 일시적으로 저장하는 것과 동시에, 인양 대상물을 침전시켜서 해수와 분리한다. 슬러리 상태의 인양 대상물 자체가 슬러리 상태인 경우에는, 침전하는 시간을 고려해서 하측에서 침전물(B)을 빼낸다. 이 침전물(B)은, 분리 탱크(23)의 아래쪽 방향에 모여서, 분리탱크(23) 내의 자체의 무게에 의한 압력으로 하부의 출구로부터 눌려 나오게 되지만, 도시하지 않은 슬러리 펌프 등에서 배출해도 좋다. 또한, 침전물(B)이 제거된 액체(해수)(C)는, 상층액이 되어 상부의 출구에서 분리 탱크(23)의 외부로 배출되어, 혼합물의 제거 등 필요한 후처리를 행한 후, 해양으로 되돌려 보내진다. 또한, 분리 탱크(23)의 상측에서 액체(해수)(C)의 일부를 U실 액체 보급 펌프(24)에서 배출하여, U실 액체 보급관(25)에서 액체 저장소(26)로 빼낸다. 이 액체는 U실(27A, 27B)의 액체기둥으로 사용된다.

상기의 기포 리프트 시스템(10)에 의하면, 해면(수면)(2)에 뜨는 드릴십(1) 등의 해면(2) 위에서, 해저(3) 또는 해저(3)의 아래에 라이저관(11)을 강하시켜서, 라이저관(11)의 하측에 설치된 기체송입장치(13)에 기체를 기포상태로 주입해서 상승시켜, 이 기체에 의한 라이저관(11) 내의 유체기둥 압력 감압 효과에 의해, 라이저관(11)의 하단에 설치된 포집장치(12)에 의해 모여진 인양 대상물을, 라이저관(11)의 하단측에서 흡인하고, 라이저관(11)의 상단에 설치된 수입장치(20)에 인양 대상물을 포함한 혼합유체를 인양할 때에, 라이저관(11)의 상단측에 설치된 탈기장치(14)에 의해, 혼합유체 중의 기포 또는 기체의 일부를 탈기하는 것과 함께, 라이저관(11)의 상단부에 설치한 가압챔버(21)에 의해 라이저관(11)의 상단의 내부에 압력을 가하는 기포 리프트 방법을 취하는 것이 가능하기 때문에, 라이저관(11)의 상단 근방에서의 혼합유체 중의 기포 또는 기체 체적의 비율의 증가를 제어하는 것이 가능하다.

또한, 이 가압챔버(21)의 하부에 모인 슬러리 등의 인양대상물은, 가압챔버(21)의 내부의 압력에 의해 눌려 나오게 되어, 소상 둑(22A, 22B, 22C)을 거슬러 흐르지만, 즉, 하류의 전용 압력용기(22a) 내에 설치되어 있는 슬러리관(22b)을 거슬러 흐르지만, 인양 대상물을 포함한 슬러리는 소상 둑(22A, 22B, 22C)의 각 슬러리관(22b)을 거슬러 흐르는 것에 의해, 그 액체기둥분의 압력을 잃고, 그 분량 만큼 감압되지만, 소상 둑 전용의 압력용기(22a)의 내부는, 그 감압 후의 슬러리에 의한 압력과 대략 균형이 잡히도록, 가압챔버(21)의 내부압력 보다도 한단 낮은 내부압력으로 유지된다.

슬러리는, 소상 둑(22A, 22B, 22C)의 각 슬러리관(22b)을 거슬러 흐른 후에 , 각 압력용기(22a)의 내부를 낙하하고, 압력용기(22a)의 저부에 모인 슬러리는, 다시 하류의 다음의 소상 둑(22B) 또는, (22C)에 있는 다른 압력용기(22a)에 눌려 나오게 된다. 이것을 반복하여, 인양대상물을 포함한 슬러리에 의한 압력은 최종적으로는 대기압까지 내려오게 된다.

다음으로, 상기의 기포 리프트 시스템(10)을 사용한 본 발명에 관한 실시의 형태의 기포 리프트 방법에 대해서 설명한다. 이 기포 리프트 방법은, 수면(2) 근방에서, 수저(3), 또는 이 수저(3)보다 아래에 라이저관(11)을 강하시켜서, 라이저관(11)의 하측에 기체를 기포상태로 주입해서 상승시켜, 이 기포에 의한 라이저관(11) 내의 유체기둥 압력 감압 효과에 의해, 라이저관(11)의 하단 근방에서 모여진 인양대상물을 라이저관(11)의 하단 측에서 흡인하고, 라이저관(11)의 상단에 설치된 수입장치(20)에 인양대상물을 포함한 혼합유체를 인양하는 방법이고, 라이저관(11)의 상단부에 설치한 가압챔버(21)에 의해 라이저관(11)의 상단의 내부에 압력을 가하는 방법이다.

또한, 이 기포 리프트 방법에 있어서, 라이저관(11)의 상측에 설치된 탈기장치(14)에 의해, 혼합유체 중의 기포 또는 기체의 일부를 탈기한다.

상기 구성의 기포 리프트 시스템(10) 및 기포 리프트 방법에 의하면, 인양대상물의 인양의 과정에서, 파손절손, 작은 이물질들이 말려 들어가는 것 등으로 기능하지 않을 위험이 높은 회전기기, 차단밸브, 압력조정밸브, 스로틀 밸브, 오리피스 등을 슬러리 계통에 설치할 필요가 없다.

도 4 및 도 5에서 계산 시뮬레이션 결과를 보여준다. 도 4는, 가압챔버(21)의 설정압력과 인양되는 혼합유체의 최대비중과의 관계를 나타내는 도이고, 횡축은 가압챔버(21)의 설정압력을, 종축은 수심 5,000미터의 기포 리프트에서의 상한 슬러리 비중을 나타낸다. 또한, 도 5는, 가압챔버(21)의 설정압력에서 인양되는 슬러리의 최대비중과 수심의 관계를 나타내는 도이고, 횡축은 수심을, 종축은 가압챔버(21)의 설정압력이 20기압의 경우에서의 상한 슬러리의 비중을 나타낸다.

이 계산 시뮬레이션에서는, 상기의 수저(3)에서 대상물을 인양하는 기포 리프트 시스템(10)에서, 가압챔버(21)의 압력과 기포 주입량은 고정으로 하고 있다. 기포 주입량은, 슬러리 중의 수농도가 100%가 되버린 경우에도 라이저관(11)의 상단에서의 혼합유체 유속이 초당 10m를 넘지않는 상한량으로 설정하고 있다. 이 설정대로, 고형물농도가 올라가서 슬러리의 비중이 올라가면, 유속은 내려간다. 그 한편으로, 기포비율은 올라간다. 라이저관(11)의 상단에서의 기포 비율이 90%에 달하도록 슬러리 비중이 그 기포 리프트 시스템(10)에서 인양되어지는 슬러리 비중의 실용적인 상한으로 한다.

도 4에서, 수심 5,000미터의 경우에서, 가압챔버(21)의 압력설정을 변화시킨 경우의 성능변화를 보여준다. 본 발명을 실시하고 있지 않은 경우는, 본 발명의 가압챔버(21)의 압력이 대기압의 경우에 상당하여, 그 경우에는 해수보다 비중이 큰 슬러리는 인양할 수 없다라고 해도 좋지만, 본 발명의 가압챔버(21)의 압력을 20기압 정도로 설정하면 해수의 1.5배 정도의 비중의 슬러리를 인양할 수 있다는 것을 안다. 또한 가압챔버(21)의 압력을 높게 설정하면 해수의 2배 이상의 비중의 슬러리를 인양할 수 있다는 것을 알지만, 같은 식의 효과는, 가압챔버(21)의 압력이 20기압인 채로도, 탈기장치(14)를 1단 설치하는 것 만으로도 얻을 수 있다(도시하고 있지 않음).

또한, 도 5에, 가압챔버(21)의 압력을 20기압으로 한 기포 리프트 시스템(10)을, 다양한 수심에서 사용한 경우의 성능변화를 보여준다. 수심 1,000미터에서는 해수의 3배 정도의 비중의 슬러리를 인양하는 것이 가능, 수심이 보다 깊어지면, 상한비중이 적어지게 되지만, 수심 5,000미터에서도 상술하였듯이 해수의 1.5배 정도의 슬러리가 인양되어지는 것을 나타내고 있다.

상기 구성의 발명의 기포 리프트 시스템(10) 및, 기포 리프트 방법에 의하면, 라이저관(11)의 상단부에 가압챔버(21)를 설치하는 것으로, 종래기술에서는, 대수심영역, 예를 들면, 수심 5,000미터에서의 기포 리프트는, 기포가 차지하는 체적비율이 라이저관(11)의 상단부에서 하단부의 500배나 되기 때문에, 현실적으로는 해수보다 겨우 몇 퍼센트 무거운 슬러리까지 밖에 인양할수 없어서, 실질 불가능이었던 경우에 있어서도, 라이저관(11)의 상단부에서 기포가 차지하는 체적비율의 증가를 실용적인 수십배 이하로 억제하는 것이 가능하다.

이것에 의해, 종래기술의 경우보다도, 비약적으로 깊은 대수심에 있어서도, 기포 리프트 시스템(10)에 의한 인양대상물의 인양이 가능하게 되고, 보다 비중이 높은 대상물의 인양이 가능하게 된다. 또한 대략 유속의 2승에 비례하는 압력손실을 저감해서 효율적인 인양이 가능하게 되는 효과가 있다. 예를 들면, 수심 5,000미터에서의 기포 리프트에서, 해수의 2배를 넘는 비중의 슬러리의 인양이 실용적으로 충분히 가능하게 된다.

또한, 라이저관(11)의 도중에 탈기장치(14)를 설치하는 것에 의해, 그 최대기포비율이 발생하는 경우를 라이저관(11) 상단부만이 아니라, 천수심영역에 복수군데 설정하는 것이 가능하기 때문에, 대수심영역에서 천수심영역 까지의 라이저관(11) 전체에서 기포가 차지하는 체적의 비율을 균등화할 수 있기 때문에, 최대유속을 올리는 것이 아니라 기포의 비율을 평균적으로 높게 하는 것이 가능하다.

이것에 의해, 라이저관(11) 내 전체의 유속, 특히, 라이저관(11)의 상단부에서의 유속을 대폭으로 억제하는 것이 가능하기 때문에, 이로전의 문제를 격감하는 것이 가능하고, 라이저관(11) 그 자체나 그 상단에서 하류로의 프로세스의 연결을 포함한 부분 등에, 보다 경도가 낮은 금속을 사용하거나, 플라스틱, 엘라스토머, 등의 경량재료나 내식성 재료를 사용하거나, 코팅이나 라이너 재료, 방진성 재료, 진동감쇠성 재료나 변형을 흡수할 수 있는 탄성재료 등을 사용하거나 하는 것이 가능하다.

그 결과, 경량 라이너관의 사용으로 보다 대수심에 대응할 수 있는 효과나, 값이 싼 내식성 코팅과 라이너의 사용에 의한 비용절감 효과, 재료변경에 의해 파주기와의 종진동 공진과 와여기진동 등을 회피하는 효과를 달성할 수 있게 된다. 또한 두께가 얇은 금속판을 내면에 사용하는 플랙시블 라이저나 벨로스의 사용 등이 가능하게 되고, 고가에 복잡한 라이저 텐셔너나 텔레스코픽 조인트 등을 필요치 않게 할 수 있다.

그리고, 대수심영역에서의 인양작업을, 상기 구성의 기포 리프트 시스템(10) 및 기포 리프트 방법으로 하는 것으로 하면, 심해부나 중간수심부의 펌프 등, 진동이나 제어를 필요로 하는 고기능부품과 중량부품을 필요치 않게 하는 것이 가능하고, 또한, 기포에 의해 라이저관(11) 내의 혼합유체의 비중을 주위의 해수와 물 등의 액체의 비중 이하로 낮추기 위해, 라이저관(11)의 자체의 무게와 유체중량, 조류력 등의 합력을 지탱하는 리그에 필요한 설계하중을 큰폭으로 억제하는 것이 가능하다.

또한, 인양 작업 중에 해상상태가 안좋아질 때에는 이탈이 필요하게 되지만, 상기 구성의 기포 리프트 시스템(10) 및 기포 리프트 방법에 의하면, 종래 기술의 드릴링 리그와 완전히 같은 식으로 라이저관(11)을 인양하는 것 만으로, 이탈하는 것이 가능하게 된다. 또한, 만일의 비상시에는 선체 외의 부품은 따로 떼어서 이탈하고, 따로 분리된 부품이 회수불능이 되는 사태가 발생해도, 고가의 고기능부품 등이 떨어져 나갈 가능성을 배제하던가 아니면 최저한으로 하는 것이 가능하다.

또한, 비교적 작고 또 하단에서 상단까지 같은 지름의 라이저관(11)에서 효율좋게 인양이 가능하게 되기 때문에, 종래 기술의 시추선의 라이저관(11)과 라이저관(11)을 핸들하는 드릴링 시스템을 그대로 사용하면서, 대수심영역에서의 인양을 실현할 수 있다. 그 때문에, 개발 비용을 큰폭으로 삭감할 수 있다.

산업상의 이용가능성

본 발명의 기포 리프트 시스템, 및, 기포 리프트 방법에 의하면, 라이저관의 상단부에 가압챔버를 설치하는 것으로, 대수심 영역에서의 기포 리프트에 있어서도, 라이저관의 상단부에서 기포가 차지하는 체적비율의 증가를 실용적인 수십배 이하로 억제하는 것이 가능하기 때문에, 해저 열수광상(熱水鑛床), 망간단괴(manganese nodule), 메탄가스 하이드레이트, 레어 어스(rare earth), 레어 메탈(rare metal), 코발트 리치 크러스트(cobalt rich crust), 다이아몬드 등의 해저자원의 채집, 모래나 자갈 등의 채집, 해양구조물 설치공사 등을 위한 준설(dredging) 등, 해저, 호수 바닥, 강 바닥 이나 그것보다 아래의 지중 등에서 고형물, 액체, 슬러리를 인양하는 산업 전체에 있어서 이용가능하다.

부호의 설명

1 드릴십(drillship)

2 해면(수면)

3 해저(수저)

10 기포 리프트 시스템

11 라이저관

12 포집(捕集)장치

13 기체공급장치

14 탈기장치(벤트 시스템)

14a 외벽

14b 나선형상부분(벌루트(volute)부분)

14c 탈기관

14d 탈기이송관(벤트(vent) 전용관)

20 수입(受入)장치

21 가압챔버(기체·슬러리 분리기능을 겸비한 타입)

22A, 22B, 22C 소상(遡上)둑(堰, weir)

22a 가압용기

22b 슬러리관

23 분리탱크

24 U실 액체보급펌프

25 U실 액체보급관

26 U실 액체저장소

27A, 27B U실(에어트랩)

28A, 28B 연통관

A 가스(기포및 기체)

B 고형분

C 액체(해수)

Claims

수저, 또는, 그 수저보다 아래의 고형상 물질 또는 액체상 물질을 라이저관을 통해서 수면 근방까지 인양하기 위해 상기 라이저관의 하측 부분에서 기체를 주입해서, 이 기체를 기포상태로 상승시켜서, 이 기포에 의한 라이저관 내의 유체기둥 압력 감소 효과에 의해 상기 라이저관의 하단부에서 인양 대상물을 라이저관으로 흡인하여, 수면상으로 인양하는 기포 리프트 시스템에 있어서,
상기 라이저관의 상단부에 가압챔버를 설치해서, 상기 라이저관의 상부의 내부를 가압하는 것으로, 천수심 영역에서의 상기 라이저관 내를 상승하는 혼합유체에서의 기포의 체적의 비율이 증가하는 것을 억제하는 것을 특징으로 하는 기포 리프트 시스템.
청구항 1 기재에 있어서,
상기 라이저관의 상측부분에, 상기 라이저관의 내부를 상승하는 혼합유체에 선회류를 발생시켜서 원심력 효과에 의해 기포 및 기체를 회전중심으로 모으는 것과 동시에, 모은 기포 및 기체를 상기 회전중심에 개구부를 설치한 탈기관에서 상기 라이저관의 외부로 배출하는 탈기장치를 설치한 것을 특징으로 하는 기포 리프트 시스템.
청구항 1 및 2 기재에 있어서,
상기 가압챔버의 가압압력을, 상기 라이저관의 하측부분에서 주입하는 기체주입량에 끌어서 넣는 상황에 따른 동적제어를 하지 않아도 되고, 또한, 주위의 물만을 흡인해도 혼합유체의 유속이 미리 설정한 범위에 들어맞고, 또한 상기 인양 대상물만을 흡인해도, 그 비중을 상회하도록 설계 상한 비중을 갖도록 미리 설정한 압력범위 내의 압력으로 하는 것을 특징으로 하는 기포 리프트 시스템.
청구항 1에서 3항의 어느 한 항 기재에 있어서,
상기 가압챔버의 압력을, 상기 라이저관의 하단부의 수압의 1/50 이상 1/3 이하의 압력으로 조정하는 것을 특징으로 하는 기포 리프트 시스템.
청구항 1에서 4항의 어느 한 항 기재에 있어서,
상기 가압챔버에서 분리된 기체를 가압된 채로 압축기로 이끌어서 재차 압축하여 상기 라이저관의 하측으로 보내도록 구성하는 것을 특징으로 하는 기포 리프트 시스템.
청구항 1에서 5항의 어느 한 항 기재에 있어서,
상기 가압챔버의 압력을 설계범위 내로 유지하기 위해서, 상기 가압챔버의 하류에 압력용기와 슬러리관으로 이루어진 소상둑을 단일 단 또는 다단으로 설치, 각단의 상기 소상둑의 상기 슬러리관의 하류의 압력을, 상기 슬러리관의 상단을 포함한 상기 압력용기의 기상부의 압력의 제어에 의해 미리 설정한 압력범위 내로 유지하는 것을 특징으로 하는 기포 리프트 시스템.
청구항 6에 기재에 있어서,
상기 소상둑의 상기 압력용기의 상기 기상부와 U실의 상부를 연통하는 연통관을 설치, 상기 기상부의 압력제어를, 단일 단 또는 복수 단으로 설치된, 액체기둥에 의한 압력을 이용하는 상기 U실에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 기포 리프트 시스템.
청구항 2에서 7항의 어느 한 항 기재에 있어서,
상기 탈기장치에 있어서, 상기 라이저관의 외부로 배출된 기포 또는 기체를, 상기 탈기관에 접속된 탈기이송관에서 상기 가압챔버의 내부로 이끄는 것을 특징으로 하는 기포 리프트 시스템.
청구항 2에서 7항의 어느 한 항 기재에 있어서,
다단 압축기를 이용해서 상기 가압챔버에서 분리된 기체를 상기 다단 압축기로 이끌어서 압축하여 상기 라이저관의 하측으로 재차 보내도록 구성하는 것과 동시에, 상기 탈기장치에서 상기 탈가관에 의해 상기 라이저관의 외부로 배출된 기포 또는 기체는, 상기 탈기관에 접속된 탈기 이송관에서 상기 다단 압축기의 상기 가압챔버에서의 기체보다 고압단으로 이끄는 것을 특징으로 하는 기포 리프트 시스템.
청구항 2에서 7항의 어느 한 항 기재에 있어서,
상기 탈기장치를, 상기 가압챔버의 효과에 의해 상기 라이저관의 관내의 압력이 관외의 압력보다 높게 되어 있는 천수심 영역에 설치, 내외의 압력차를 이용해서, 기포 또는 기체를 라이저관의 외부의 수중에 배출하는 것을 특징으로 하는 기포 리프트 시스템.
수면근방에서, 수저, 또는 그 수저보다 아래에 라이저관을 강하시켜서, 상기 라이저관의 하측에 기체를 기포상으로 주입해서 상승시켜, 이 기포에 의한 상기 라이저관 내의 유체기둥 압력 감압효과에 의해, 상기 라이저관의 하단 근방에서 모여진 인양 대상물을 라이저관의 하단측에서 흡인하고, 상기 라이저관의 상단에 설치된 수입장치에 인양 대상물을 포함한 혼합유체를 인양하는 기포 리프트 방법에 있어서, 상기 라이저관의 상단부에 설치한 가압챔버에 의해 상기 라이저관의 상단의 내부에 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 기포 리프트 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 라이저관의 상측에 설치된 탈기장치에 의해, 혼합유체 중의 기포 또는 기체의 일부를 탈기하는 것을 특징으로 하는 기포 리프트 방법.