ПУЗЫРЬКОВАЯ ГАЗЛИФТНАЯ СИСТЕМА И ПУЗЫРЬКОВЫЙ ГАЗЛИФТНЫЙ СПОСОБ Российский патент 2016 года по МПК F04F1/20 E21C50/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к пузырьковой газлифтной системе и пузырьковому газлифтному способу для подъема твердого материала или жидкого вещества, таких как песок, осадочные отложения или минералы, со дна глубоководного бассейна, такого как морское дно, дно озера или речное дно, или в грунте, залегающем ниже дна водного бассейна, к месту выше поверхности воды.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Газлифтный способ широко применялся для добычи сырой нефти, чтобы эффективно поднимать тяжелую нефть, которая является слегка более легкой по удельному весу, чем морская вода, из подводного нефтяного месторождения, имеющего низкое давление естественного потока. В этом способе газ, имеющий незначительную, и практически пренебрежимо малую, массу, нагнетают в жидкость внутри подъемного трубопровода для снижения давления столба жидкости внутри трубопровода на величину, соответствующую объемному отношению газа, и тем самым создания выталкивающей силы, обусловленной давлением морской воды снаружи подъемного трубопровода, или же пластовым давлением, которое имеет место на нижнем концевом участке подъемного трубопровода. Подтверждено, что пузырьковый газлифтный (в том числе эрлифтный («воздушный подъем») или газлифтный) способ является эффективно применимым даже для минерала или тому подобного, имеющего высокий удельный вес, когда минерал преобразован в форму суспензии, будучи тонко измельченным и смешанным с морской водой или тому подобным.

[0003] В качестве одного примера этого типа, как описанного в Японской публикации патентной заявки № 2005-291171, газлифтный насос пузырьково-струйного типа или тому подобный был предложен для цели создания эффективного устройства, которое способно удалять осадочные отложения, такие как грунт, песок и ил, осевшие и спрессованные на дне моря, озера, на дамбе или в резервуаре для хранения жидкостей, и достигает высокой производительности в прокачивании жидкости. И предложены газлифтный насос пузырьково-струйного типа, включающий эрлифтный подъемный трубопровод (водоотделяющую колонну), через внутренность которого поднимаются вода и воздух, и пузырьково-струйный генератор, предусмотренный на донном участке эрлифтного подъемного трубопровода и предназначенный для выбрасывания струи воды, смешанной с пузырьками.

[0004] В случае суспензии, грунта, песка, ила или тому подобных (далее совокупно называемых суспензией), имеющих гораздо более высокий удельный вес, чем окружающая жидкость (морская вода или вода), пока не закачан значительный объем пузырьков, средний удельный вес смешанной текучей среды из суспензии и газа в трубопроводе не может быть снижен до или ниже удельного веса окружающей жидкости. В этом случае восходящий поток не может быть инициирован внутри подъемного трубопровода, и, следовательно, выталкивающая сила, обусловленная разностью давлений между внутренней и внешней средой, не может быть генерирована на нижнем концевом участке подъемного трубопровода.

[0005] С другой стороны, когда смешанная текучая среда, включающая суспензию и пузырьки, нагнетаемые в подъемный трубопровод в глубоководном районе или в районе с промежуточной глубиной воды, поднимается до мелководного района, пузырьки увеличиваются в объеме по мере снижения давления, но объем жидкости и твердого материала почти не увеличивается. Соответственно этому, объемное отношение пузырьков к смешанной текучей среде возрастает в ускоренном темпе. В результате этого, когда смешанная текучая среда достигает верхнего концевого участка подъемного трубопровода, возникают, например, такие проблемы, что скорость течения восходящего потока становится чрезмерно высокой; и объемное отношение поднимаемого наверх материала к смешанной текучей среде сокращается относительно остальной смеси, что соответственно снижает эффективность подъема, или, в наихудшем случае, делает совершенно невозможным подъем извлекаемого наверх материала. Эти проблемы возникают вследствие того, что соотношение между объемом пузырьков и глубиной воды представляет собой обратно пропорциональное отношение и становится более выраженным, когда становится большей глубина воды, где находится поднимаемый наверх материал. Между тем, в плане вертикального положения внутри подъемного трубопровода, эти проблемы проявляются в наибольшей степени, когда пузырьки поднимаются в мелководный район.

[0006] Например, в случае газлифтного подъема извлекаемого наверх материала с морского дна, находящегося под водой на глубине 100 м, закачанные в нижний концевой участок подъемного трубопровода пузырьки увеличиваются в объеме только в 10 раз на уровне верхнего концевого участка подъемного трубопровода. Однако в случае подъема извлекаемого наверх материала с морского дна, находящегося под водой на глубине 5000 м, пузырьки, закачанные в нижний концевой участок подъемного трубопровода, увеличиваются в объеме не менее чем в 500 раз у верхнего концевого участка подъемного трубопровода. Более конкретно, объем пузырьков, нагнетаемых под водой на глубине 5000 м, увеличивается только на 25%, когда пузырьки поднимаются до уровня глубины воды 4000 м, затем возрастает в 5 раз до глубины воды 1000 м, увеличивается в 50 раз до глубины воды 100 м, и далее возрастает в 500 раз вблизи поверхности воды.

[0007] Здесь приведена оценка для типичной ситуации подъема суспензии, более тяжелой, чем морская вода, в условиях, где объемный расход потока пузырьков жестко задан по соображениям эрозии или тому подобного, до величины объема, при котором эта скорость течения на верхнем конце подъемного трубопровода не может превышать 10 м/с, например, даже когда засасывается только морская вода. В этом случае может быть поднята только суспензия, лишь слегка, на несколько процентов, более тяжелая, чем окружающая морская вода, если отношение пузырьков к смешанной текучей среде на верхнем конце внутри подъемного трубопровода (далее называемое пузырьковым отношением («степенью газирования»)) регулируют на уровне 90% или ниже.

[0008] В дополнение, в случае подъема суспензии с морского дна при глубине воды 1000 м в таких же условиях можно поднять только суспензию, которая тяжелее морской воды не более чем на величину около 20 процентов. По этой причине, чтобы поднять минерал или тому подобный, имеющий высокий удельный вес, отношение морской воды к суспензии необходимо поддерживать на уровне, на котором удельный вес суспензии составляет 1,2 или менее, тогда как суспензия зависает, когда количество содержащихся минералов становится большим. Однако, как правило, затруднительно контролировать смесевое соотношение на такой глубине моря.

[0009] Таким образом, традиционным способом пузырькового газлифта нельзя нагнетать пузырьки в количестве, необходимом для подъема материала, имеющего более высокий удельный вес, чем окружающая морская вода или тому подобная, в глубоководном районе. Это обусловлено тем, что, когда пузырьки, нагнетаемые с нижней стороны подъемного трубопровода, поднимаются в сторону приближения к верхнему концу подъемного трубопровода, объем пузырьков возрастает по существу в обратно пропорциональной зависимости от глубины воды. Поэтому традиционный пузырьковый газлифт имеет тот недостаток, что пузырьковый газлифт не работает вообще, или является малоэффективным, даже если он действует.

ДОКУМЕНТ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

[0010] Патентный Документ 1: Публикация Японской нерассмотренной патентной заявки № 2005-291171

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] Настоящее изобретение было выполнено с учетом вышеуказанных обстоятельств, и его задачей является создание пузырьковой газлифтной системы и пузырькового газлифтного способа, которые являются эффективными и работоспособными даже в глубоководном районе таким образом, что верхний конец подъемного трубопровода не открыт в атмосферу, но введен внутрь находящейся под высоким давлением герметизированной камеры, чтобы тем самым предотвратить расширение пузырьков и газа, и что на срединном участке подъемного трубопровода в мелководном районе также предусмотрен деаэратор для выведения пузырьков, отделенных центробежной силой, чтобы тем самым сделать более равномерным распределение пузырьков.

[0012] Более конкретно, задача заключается в создании пузырьковой газлифтной системы и пузырькового газлифтного способа для пузырькового подъема целевого материала в форме суспензии или тому подобной, имеющей более высокий удельный вес, чем окружающая морская вода или тому подобная, из глубоководного района. В пузырьковом газлифте, даже если пузырьки нагнетаются в подъемный трубопровод в глубоководном районе или районе с промежуточной глубиной воды, в объеме, эффективном для снижения среднего давления столба жидкости внутри подъемного трубопровода, система и способ способны предотвращать увеличение объема пузырьков в мелководном районе до чрезмерной степени газирования, например, такой как степень, превышающая 90% объема смешанной текучей среды. Здесь мелководный район представляет собой, например, самый верхний участок примерно одной десятой высоты подъемного трубопровода; другими словами, в случае глубины воды 1000 м самый верхний участок составляет около 100 м, то есть участок от 100 м ниже поверхности воды до непосредственной близости к водной поверхности.

[0013] В дополнение, еще одной задачей является создание пузырьковой газлифтной системы и пузырькового газлифтного способа, которые являются применимыми для использования с непрерывным подъемом суспензии, содержащей смесь морской воды и бурового раствора с частицами разнообразных размеров, минерала, измельченного до размера на уровне гальки, или тому подобного. Для этой цели система и способ предотвращают повышение скорости течения до уровня, который может создавать проблему эрозии, даже если удельный вес суспензии снижается до такого же уровня, как морская вода, вследствие уменьшения концентрации твердого материала в суспензии, или, напротив, система и способ предотвращают зависание суспензии, даже если удельный вес суспензии возрастает до степени, близкой к удельному весу самого твердого материала.

[0014] Кроме того, еще одна дополнительная задача состоит в создании пузырьковой газлифтной системы и пузырькового газлифтного способа, в которых для обработки такой суспензии суспензионная система в подъемном трубопроводе или приемное устройство не требуют оснащения вращающимся машинным оборудованием или инструментом, отсечным клапаном, клапаном для регулирования давления, дроссельным клапаном, соплом или тому подобным, которые обусловливают высокую вероятность возникновения отказа вследствие повреждения, разрушения, заедания, заклинивания, или тому подобного.

[0015] Для достижения вышеуказанных задач пузырьковая газлифтная система согласно настоящему изобретению представляет собой пузырьковую подъемную систему для подъема твердого материала или жидкого вещества со дна водного бассейна или из-под дна водного бассейна через подъемный трубопровод до места вблизи поверхности воды, причем пузырьковая газлифтная система предназначена для: нагнетания газа в участок нижней стороны подъемного трубопровода для инициирования подъема газа в форме пузырьков; и, с использованием того эффекта, что пузырьки обеспечивают снижение давления в столбе текучей среды внутри подъемного трубопровода, засасывания поднимаемого материала у нижнего концевого участка подъемного трубопровода и подъема извлекаемого материала к месту выше поверхности воды. В пузырьковой газлифтной системе на верхнем концевом участке подъемного трубопровода предусмотрена находящаяся под давлением камера, и находящаяся под давлением камера создает давление на верхнем участке внутри подъемного трубопровода, чтобы тем самым подавлять увеличение объемного отношения пузырьков к смешанной текучей среде, поднимающейся внутри подъемного трубопровода в мелководный район.

[0016] В этой конфигурации верхний концевой участок подъемного трубопровода не является открытым до атмосферного давления, но вставлен и открыт в находящуюся под давлением камеру, внутренность которой находится под повышенным давлением. В пузырьковом газлифте поднимаемой суспензии, имеющей в 1,5 раза больший удельный вес, с морского дна на глубине воды, например, 5000 м, внутренность находящейся под давлением камеры рассчитана на повышенное давление около 20 атмосфер (2,03 МПа), которое эквивалентно гидравлическому давлению на глубине воды 200 м, то есть 1/25 от 5000 м. При таком регулировании объем пузырьков, нагнетаемых у нижнего концевого участка подъемного трубопровода, возрастает только в 25 раз вблизи верхнего конца подъемного трубопровода, и тем самым расширение пузырьков может быть в значительной степени подавлено по сравнению с увеличением в 500 раз в случае, где верхний конец подъемного трубопровода является открытым при атмосферном давлении.

[0017] Следует отметить, что в этом случае в 200 метрах ниже верхнего конца подъемного трубопровода давление внутри подъемного трубопровода составляет около 25 атмосфер (2,53 МПа), тогда как гидравлическое давление снаружи подъемного трубопровода составляет около 20 атмосфер (2,03 МПа). Такое явление, при котором давление внутри подъемного трубопровода становится выше, чем гидравлическое давление снаружи подъемного трубопровода в мелководном районе, не может возникать без присутствия находящейся под давлением камеры.

[0018] Более того, находящаяся под давлением камера может исполнять функцию сепаратора для отделения газа от суспензии, включающей поднимаемый материал, путем центробежного разделения с использованием скорости потока текучей среды, гравитационного разделения, или тому подобного. Кроме того, в этом случае отделенный газ может быть направлен в компрессор, в то же время будучи все еще сжатым без расширения до атмосферного давления, и затем повторно использован в качестве сжатого воздуха для пузырькового газлифта.

[0019] В дополнение, вышеуказанная пузырьковая газлифтная система дополнительно оснащена деаэратором на срединном участке подъемного трубопровода вблизи верхнего концевого участка. Деаэратор конфигурирован для завихрения смешанной текучей среды внутри подъемного трубопровода, сведения пузырьков и газа в смешанной текучей среде к оси завихрения действием центробежной силы и для выведения пузырька и газа от оси завихрения наружу из подъемного трубопровода.

[0020] В этой конфигурации деаэратор размещают, например, в надлежащем местоположении на глубине воды около 200 м. В этом случае смешанная текучая среда, поднимающаяся вместе с пузырьками внутри подъемного трубопровода, вовлекается в спиральное течение и тем самым завихряется на участке с формой улитки (спиральном участке). Затем пузырьки и газ стягиваются в сторону осевой части завихрения в результате эффекта центробежного разделения под действием центробежной силы, выталкивающей суспензию, содержащую поднимаемый материал в смешанной текучей среде, в сторону наружной стенки, и избыточные пузырьки и газ выводятся наружу из подъемного трубопровода через вытяжную трубу (вентиляционный патрубок), введенную в осевую часть завихрения. Этим путем объем газа может быть сокращен сообразно этой глубине воды. Чтобы эта смешанная текучая среда после сокращения пузырьков могла эффективно поднимать на участке выше деаэратора, суспензию и пузырьки в смешанной текучей среде тщательно перемешивают между собой с помощью статорных лопаток или тому подобного, предусмотренных внутри трубопровода.

[0021] Деаэраторы согласно настоящему изобретению могут быть предусмотрены в двух или более местоположениях на различных глубинах воды, и каждый из них может выполнять деаэрацию (вентиляцию) в малом объеме. При такой конфигурации величина занимаемого пузырьками объема может быть сделана однородной от глубоководного района до мелководного района. Соответственно этому, скорость потока текучей среды делается более равномерной, и может быть доведена до максимума эффективность подъема текучей средой.

[0022] В дополнение, в вышеуказанной пузырьковой газлифтной системе давление, создаваемое в находящейся под давлением камере, регулируют в пределах такого предварительно заданного диапазона давлений, чтобы нагнетаемый объем газа, закачиваемого в нижний участок подъемного трубопровода, не нуждался в динамическом контроле сообразно условиям всасывания, чтобы скорость течения смешанной текучей среды поддерживалась в пределах предварительно заданного диапазона, даже когда засасывается только окружающая вода, и чтобы, даже когда засасывается только поднимаемый материал, проектный верхний предел удельного веса по-прежнему был бы выше, чем удельный вес засасываемого вещества.

[0023] Эта конфигурация позволяет эффективно поднимать извлекаемый материал только в результате того, что: регулируют давление, создаваемое в находящейся под давлением камере, в пределах диапазона давлений, предварительно заданного предварительным компьютерным моделированием или тому подобным, с учетом глубины подъема, удельного веса поднимаемого материала, и тому подобного; и затем корректируют создаваемое в находящейся под давлением камере давление на уровень в пределах диапазона давлений.

[0024] В дополнение, вышеописанная пузырьковая газлифтная система конфигурирована для регулирования давления в находящейся под давлением камере до величины от 1/50 до 1/3, оба значения включительно, или более предпочтительно от 1/50 до 1/10, оба значения включительно, гидравлического давления на нижнем концевом участке подъемного трубопровода. Если это давление составляет менее 1/50, подавление объема пузырьков действием находящейся под давлением камеры является настолько малым, что наличие находящейся под давлением камеры вообще не дает никаких преимуществ. Напротив, если давление составляет больше 1/3, находящаяся под давлением камера должна иметь высокое сопротивление напору, чтобы находящаяся под давлением камера могла бы соответствовать повышенным технологическим требованиям, но нельзя ожидать какого-то улучшения ее подъемной производительности. В дополнение, регулированием верхнего предела на 1/10 может быть сделано низким сопротивление напору, необходимое для находящейся под давлением камеры, приемное устройство может быть в целом сделано компактным, и может быть достигнута достаточная производительность подъема при использовании совместно системы деаэрации, как это требуется.

[0025] Кроме того, вышеописанная пузырьковая газлифтная система рассчитана на рециркуляцию в компрессор отделенного в находящейся под давлением камере газа, в то же время остающегося по-прежнему в сжатом состоянии, для сжатия газа опять в компрессоре, и затем на направление газа к нижней стороне подъемного трубопровода. Эта конфигурация может экономить энергию, необходимую для сжатия.

[0026] Более того, в вышеописанной пузырьковой газлифтной системе ниже по потоку относительно находящейся под давлением камеры предусмотрена одноступенчатая или многоступенчатая (или две или более ступеней) система перелива восходящего потока, каждая ступень которой включает находящийся под давлением контейнер и трубопровод для суспензии, чтобы поддерживать давление в находящейся под давлением камере в пределах проектного диапазона, и каждая ступень системы перелива восходящего потока поддерживает давление на стороне ниже по потоку относительно трубопровода для суспензии в пределах предварительно заданного диапазона давлений (проектного диапазона) путем регулирования давления газонаполненной части находящегося под давлением контейнера, заключающего в себе верхний конец трубопровода для суспензии.

[0027] Суспензия, накопившаяся в нижней части находящейся под давлением камеры, выдавливается давлением внутри находящейся под давлением камеры и перетекает вверх внутри трубопровода для суспензии, предусмотренного в предназначенном для этого находящемся под давлением контейнере на стороне ниже по потоку. Во время протекания вверх внутри этого трубопровода для суспензии давление суспензии падает на величину сообразно столбу, и соответственно этому суспензия подвергается декомпрессии. Давление внутри находящегося под давлением контейнера, заключающего в себе трубопровод для суспензии, поддерживается до определенной степени более низким, чем давление внутри находящейся под давлением камеры, чтобы быть по существу в равновесном состоянии с давлением подвергнутой декомпрессии суспензии.

[0028] После протекания вверх в трубопроводе для суспензии системы перелива восходящего потока суспензия падает вниз в соответствующий находящийся под давлением контейнер, и суспензия, собирающаяся в донной части находящегося под давлением контейнера, выдавливается в еще один находящийся под давлением контейнер, включающий следующий трубопровод для суспензии на стороне ниже по потоку. При повторении этого цикла давление суспензии в конечном итоге снижается до атмосферного давления. В настоящем изобретении суспензионная система в подъемном трубопроводе или в приемном устройстве не нуждается в наличии вращающегося машинного оборудования или инструмента, отсечного клапана, клапана для регулирования давления, дроссельного клапана, сопла или тому подобного, которые обусловливают высокую вероятность возникновения отказа вследствие повреждения, разрушения, заедания, заклинивания или тому подобного в вышеуказанном процессе.

[0029] Кроме того, в вышеописанной пузырьковой газлифтной системе предусматривается соединительный трубопровод, через который газонаполненная часть находящегося под давлением контейнера системы перелива восходящего потока и верхняя часть U-образного сифонного затвора сообщаются друг с другом, и одноступенчатый или многоступенчатый U-образный сифонный затвор с использованием давлений столбов жидкости регулирует давления газонаполненных частей находящихся под давлением контейнеров. С такой конфигурацией рабочее давление в каждом из находящихся под давлением контейнеров, включая трубопроводы для суспензии в системе перелива восходящего потока, может поддерживаться регулированием давления газа в находящемся под давлением контейнере. Регулирование давления газа может быть выполнено с помощью клапана для регулирования давления или тому подобного, предусмотренного в газонаполненной части, но может быть сделано посредством многоступенчатого уплотнения, имеющего число ступеней соответственно числу ступеней системы перелива восходящего потока, и с использованием давлений столбов жидкости. Применение многоступенчатого U-образного сифонного затвора позволяет избежать проблем, какие в противном случае возникали бы при использовании клапана для регулирования давления или тому подобного вследствие, например, поступления песка, грязи, и подобного распыления вроде тумана.

[0030] Вышеописанная конфигурация создает эффект обеспечения непрерывной эксплуатации без технического обслуживания, поскольку рабочее давление может поддерживаться в пределах проектного диапазона, даже когда удельный вес суспензии более или менее варьирует, без необходимости в применении вращающегося машинного оборудования или инструмента, отсечного клапана, клапана для регулирования давления, дроссельного клапана, сопла или тому подобного, которые обусловливают высокую вероятность отказа вследствие закупоривания, вызванного повреждением, разрушением, заеданием, заклиниванием или тому подобным в суспензионной системе.

[0031] Поэтому в случае подъема твердого материала, такого как песок, осадочный материал или минерал, со дна глубокого моря, со дна глубокого озера, со дна глубокой реки, или грунта из-под них, вышеуказанная конфигурация не нуждается в контроле смесевого отношения твердого материала и морской воды в суспензии, который, как правило, считается затруднительным, и способна приспосабливаться к постоянно меняющимся условиям в отношении размера или твердости частиц твердого материала, содержащегося в суспензии, удельного веса суспензии, и тому подобного.

[0032] Существует потребность в идеальной способности поднимать смешанную текучую среду с нагнетаемым объемом пузырьков, настроенным на фиксированный объем, путем регулирования скорости течения на верхнем конце подъемного трубопровода в пределах проектной максимальной скорости течения, даже когда засасывается только морская вода, и с предотвращением зависания (прекращения подъема) смешанной текучей среды, даже когда засасывается только твердый материал.

[0033] Согласно настоящему изобретению, давление в камере останавливает рост скорости течения, прежде чем станет чрезмерным падение давления, которое по существу пропорционально квадратной степени скорости течения. Поэтому, даже когда засасывается суспензия, удельный вес которой является меньшим проектного, чрезмерного возрастания скорости течения не происходит. Например, в пузырьковом газлифте при подъеме твердого материала, имеющего удельный вес, в два или более раз превышающий удельный вес морской воды, с глубины воды 5000 м, непрерывная эксплуатация может проводиться практически с нагнетаемым объемом пузырьков, настроенным на фиксированный объем, даже если концентрация морской воды в суспензии становится равной 100%, или даже если концентрация твердого вещества в суспензии достигает 100%.

[0034] Кроме того, в вышеописанной пузырьковой газлифтной системе пузырьки или газ, выведенные наружу из подъемного трубопровода деаэратором, вовлекаются в рециркуляцию внутрь находящейся под давлением камеры через трубопровод для транспорта отведенного воздуха, соединенный с вытяжным трубопроводом. Эта конфигурация может экономить энергию, необходимую для сжатия, путем циркуляции в компрессор выведенного газа вместе с газом, отделенным в находящейся под давлением камере, без расширения выведенного газа до атмосферного давления, и повторного использования газа в качестве пузырьков для пузырькового газлифта.

[0035] В дополнение, в вышеуказанной пузырьковой газлифтной системе используют многоступенчатый компрессор для сжатия газа, отделенного в находящейся под давлением камере, и для направления газа опять к нижней стороне подъемного трубопровода, и пузырьки или газ, выведенные в деаэраторе наружу из подъемного трубопровода через вытяжной трубопровод, рециркулируют через соединенный с вытяжным трубопроводом трубопровод для транспорта отведенного воздуха в ступень многоступенчатого компрессора, имеющую более высокое давление, чем давление газа из находящейся под давлением камеры. Эта конфигурация может дополнительно экономить энергию, необходимую для сжатия, благодаря циркуляции в компрессор выведенного газа, удерживаемого при высоком давлении, и повторному использованию газа в качестве пузырьков для пузырькового газлифта.

[0036] Кроме того, вышеуказанная пузырьковая газлифтная система конфигурирована для регулирования выводимого объема над поверхностью воды тем, что предусматривает трубопровод для транспорта отведенного воздуха с клапаном для регулирования давления, дроссельным клапаном, соплом, или тому подобным, выше поверхности воды.

[0037] К тому же дополнительно в вышеописанной пузырьковой газлифтной системе предусмотрен деаэратор в мелководном районе, где давление внутри подъемного трубопровода делают более высоким, чем давление снаружи подъемного трубопровода, благодаря действию находящейся под давлением камеры, и выводят пузырьки или газ в воду снаружи подъемного трубопровода с использованием разности давлений между внутренней и наружной стороной. В этом случае можно обойтись без трубопровода для транспорта отведенного воздуха, протяженного от деаэратора до места над поверхностью воды. Тем самым можно упростить конфигурацию системы.

[0038] Кроме того, в еще одном дополнительном варианте, в вышеуказанной пузырьковой газлифтной системе деаэратор оснащен клапаном сброса давления на вытяжном трубопроводе. Клапан сброса давления срабатывает в ответ на перепад давлений между внутренностью подъемного трубопровода и окружающей внешней средой. Таким образом, деаэратор конфигурирован для корректирования давления внутри подъемного трубопровода посредством регулирования объема, выводимого через клапан сброса давления. В этой конфигурации вытяжной трубопровод деаэратора оснащен клапаном сброса давления, рассчитанным на открывание и закрывание, когда перепад давления между внутренней и наружной стороной подъемного трубопровода достигает давления, например, 5 атмосфер (0,5 МПа), которое эквивалентно его исходному уровню. Даже когда из нижнего участка подъемного трубопровода нагнетается большее количество пузырьков, пузырьки могут быть выведены на глубине, где присутствует деаэратор, прежде чем объем пузырьков станет чрезмерным у верхнего участка подъемного трубопровода, пока разность давлений не снизится до давления 5 атмосфер (0,5 МПа), которое эквивалентно его исходному уровню.

[0039] Другими словами, пузырьки или газ, выведенные из деаэратора, могут быть направлены через трубопровод для транспорта отведенного воздуха (предназначенный для вентиляции трубопровод) на место выше поверхности воды, и выпущены при атмосферном давлении, или выпущены при повышенном давлении внутрь находящейся под давлением камеры, или могут быть направлены в компрессор и использованы повторно. Вместо этого пузырьки или газ могут быть выведены в воду снаружи подъемного трубопровода с использованием явления, в котором давление внутри подъемного трубопровода делают более высоким, чем гидравлическое давление снаружи колонны, причем явление специфично для ситуации, где имеется находящаяся под давлением камера.

[0040] Пузырьковый газлифтный способ согласно настоящему изобретению для достижения вышеуказанных целей представляет собой пузырьковый газлифтный способ, включающий стадии, в которых: устанавливают подъемный трубопровод таким образом, что подъемный трубопровод является протяженным от места вблизи поверхности воды вниз до дна водного бассейна или ниже дна водного бассейна; нагнетают газ в форме пузырьков в нижнюю сторону подъемного трубопровода для инициирования подъема пузырьков; и с использованием того эффекта, что пузырьки обусловливают снижение давления столба текучей среды внутри подъемного трубопровода, засасывают поднимаемый материал, собираемый вокруг нижнего конца подъемного трубопровода, в нижнюю концевую сторону подъемного трубопровода, и поднимают смешанную текучую среду, содержащую поднимаемый материал, к приемному устройству, размещенному у верхнего конца подъемного трубопровода. В этом способе находящаяся под давлением камера, размещенная у верхнего конца подъемного трубопровода, создает давление на верхнем участке внутри подъемного трубопровода.

[0041] Этим способом можно подавить возрастание объемного отношения пузырьков или газа к смешанной текучей среде вблизи верхнего конца подъемного трубопровода. В дополнение, всего лишь регулированием давления, создаваемого находящейся под давлением камерой, без динамического контроля объема нагнетаемого воздуха сообразно условиям всасывания, скорость течения можно регулировать в пределах проектного диапазона, даже когда засасывается только морская вода (удельный вес становится минимальным); или даже когда засасывается только твердый материал, имеющий высокий удельный вес, причем удельный вес засасываемого материала можно контролировать в границах проектного верхнего предела удельного веса.

[0042] В дополнение, в вышеуказанном пузырьковом газлифтном способе деаэратор, предусмотренный на верхней стороне подъемного трубопровода, выполняет деаэрацию удалением части пузырьков или газа в смешанной текучей среде. Кроме того, этим способом можно подавлять увеличение объемного отношения пузырьков или газа к смешанной текучей среде вблизи верхнего конца подъемного трубопровода.

[0043] Соответственно пузырьковой газлифтной системе и пузырьковому газлифтному способу согласно настоящему изобретению, у верхнего концевого участка подъемного трубопровода предусмотрена находящаяся под давлением камера, благодаря чему при пузырьковом газлифте в глубоководном районе на глубине воды, например, в 5000 м, возрастание величины занимаемого пузырьками объема у верхнего концевого участка подъемного трубопровода можно регулировать в пределах нескольких десятков раз, что является практически приемлемым уровнем. Напротив, в традиционном способе пузырьковый газлифт в тех же условиях является по существу невозможным, поскольку на самом деле может быть поднята только текучая среда, слегка более тяжелая в пределах нескольких процентов, чем морская вода, так как объем пузырьков у верхнего концевого участка подъемного трубопровода становится не менее чем в 500 раз больше объема у нижнего концевого участка подъемного трубопровода.

[0044] Этим путем пузырьковая газлифтная система может поднимать извлекаемый материал даже в глубоководном районе, который является гораздо более глубоким, чем в случае традиционного способа, и тем самым может поднимать целевой материал, имеющий более высокий удельный вес. В дополнение, создается эффект, обеспечивающий возможность эффективного подъема путем снижения потери давления, которая по существу пропорциональна квадратной степени скорости течения. Например, сделан возможным с практически достаточной производительностью пузырьковый газлифт текучей среды, имеющей удельный вес, более чем в два раза превышающий удельный вес морской воды, с глубины воды 5000 м.

[0045] Более того, в результате размещения деаэраторов на срединных участках подъемного трубопровода не только верхний концевой участок подъемного трубопровода, но также несколько местоположений в мелководном районе, могут быть устроены как места, где степень газирования достигает максимума. Таким образом, величина объема, занимаемого пузырьками, может быть сделана равномерной по всему подъемному трубопроводу от глубоководного района до мелководного района. В результате этого степень газирования может быть в среднем повышена без увеличения максимальной скорости течения.

[0046] Это делает возможным значительное снижение скорости течения во всем подъемном трубопроводе, в частности скорость течения у верхнего концевого участка подъемного трубопровода, и тем самым резкое сокращение проблемы эрозии. В результате подъемный трубопровод, участок, соединяющий верхний конец подъемного трубопровода с технологическим оборудованием ниже по потоку, и тому подобные, могут быть сформированы с использованием металла, имеющего более низкую твердость, с использованием легковесного материала или коррозионно-стойкого материала, такого как пластик или эластомер, или с использованием снабженного покрытием материала, облицованного материала, материала для регулирования вибраций, гасящего вибрации материала, эластичного материала, способного поглощать энергию деформации, или тому подобного.

[0047] Таким образом, этим создается возможность пузырькового подъема в более глубоководном районе с использованием легковесного подъемного трубопровода, возможность снизить расходы применением недорогого коррозионно-стойкого покрытия или облицовки, и возможность избежать резонанса продольных колебаний с периодами волн, вибраций вихревого происхождения, или тому подобного, путем замены материалов. В дополнение, это также позволяет, например, использовать гибкий подъемный трубопровод или гофрированные трубы, в которых тонкую металлическую пластину применяют на внутренней поверхности, тем самым делая ненужным использование дорогостоящего и сложного натяжного устройства водоотделяющей колонны, телескопического соединения или тому подобного.

[0048] Дополнительно, поскольку скорость течения в подъемном трубопроводе сделана равномерной, эта конфигурация разрешает такие проблемы, как проблема, обусловленная пульсацией потока внутри подъемного трубопровода, проблема изменения режима течения (пузырьковое течение, пробковое течение, кольцевое течение, дисперсный поток, и тому подобные) двухфазного потока суспензии и пузырьков, и проблема твердофазно-жидкостного разделения в суспензии вследствие заклиненного состояния, и тем самым позволяет эффективно реализовать очень длинный подъемный трубопровод.

[0049] Операция подъема в глубоководном районе с использованием пузырьковой газлифтной системы и пузырькового газлифтного способа согласно настоящему изобретению не нуждается в весьма сложных компонентах или тяжелых деталях, требующих расхода энергии на перемещение или регулирование, таких как насосы и тому подобные, в глубокой части моря или в области воды с промежуточной глубиной. Более того, поскольку пузырьки снижают удельный вес смешанной текучей среды внутри подъемного трубопровода до величины, равной или меньшей удельного веса окружающей жидкости, такой как морская вода или вода, можно значительно снизить проектную нагрузку, требуемую для буровой установки, выдерживающей усилие, обусловленное весом самого подъемного трубопровода, весом текучей среды, приливные силы, и тому подобные.

[0050] В дополнение, необходимо проводить эвакуацию, когда гидрографические условия становятся штормовыми во время операции подъема. В соответствии с пузырьковой газлифтной системой и пузырьковым газлифтным способом согласно настоящему изобретению, эвакуация может быть проведена всего лишь вытягиванием наверх подъемного трубопровода точно таким же способом, как это традиционно делается на буровой установке. Более того, даже когда возникает ситуация, где эвакуацию проводят с компонентами, отделяемым от судна и оставляемыми, и где оставленные компоненты не могут быть в конечном итоге возвращены, можно устранить или свести к минимуму возможность утраты дорогостоящего весьма сложного компонента и тому подобного.

[0051] Кроме того, подъем может быть эффективно проведен с помощью относительно узкого подъемного трубопровода, имеющего одинаковый диаметр от нижнего конца до верхнего конца. По этой причине подъем в глубоководном районе может быть достигнут с использованием, в данной ситуации, подъемного трубопровода на буровом судне или буровой системе для обработки подъемного трубопровода традиционным методом. Соответственно этому, могут быть значительно сокращены затраты на подготовительные работы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0052] Фиг. 1 представляет схематическую диаграмму, иллюстрирующую конфигурацию пузырьковой газлифтной системы в одном варианте осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 представляет схематическую диаграмму, иллюстрирующую конфигурацию деаэратора.

Фиг. 3 представляет схематическую диаграмму, иллюстрирующую конфигурацию приемного устройства, включающего находящуюся под давлением камеру, систему перелива восходящего потока и тому подобное.

Фиг. 4 представляет график, показывающий соотношение между давлением, установленным в находящейся под давлением камере, и максимальным удельным весом суспензии, которая может быть поднята.

Фиг. 5 представляет график, показывающий соотношение между глубиной воды и максимальным удельным весом суспензии, которая может быть поднята при давлении, установленном в находящейся под давлением камере.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0053] Далее приведено описание вариантов исполнения пузырьковой газлифтной системы и пузырькового газлифтного способа согласно настоящему изобретению. В этом описании настоящее изобретение разъясняется с использованием примера подъема природного запаса с морского дна с использованием бурового судна в океане, но диапазон применимости настоящего изобретения не ограничивается океаном, но также включает озеро, реку, и тому подобные.

[0054] Пузырьковая газлифтная система 10 в одном варианте исполнения согласно настоящему изобретению имеет конфигурацию, иллюстрированную в Фиг. 1. Пузырьковая газлифтная система 10 представляет собой систему, применяемую на буровом судне (плавучей буровой установке) 1, плавающей на поверхности 2 моря (поверхности воды), для подъема природного запаса, находящегося на морском дне (дне водного бассейна) 3 или под морским дном 3. Пузырьковая газлифтная система 10 включает подъемный трубопровод 11, коллектор 12, газонагнетательное устройство 13, деаэратор 14 и приемное устройство 20.

[0055] Эта пузырьковая газлифтная система 10 представляет собой систему, конфигурированную для подъема твердого материала или жидкого вещества (поднимаемого вещества), такого как песок, осадочные отложения или минерал, со дна 3 или из-под дна водного бассейна, такого как морское дно, дно озера или речное дно, через подъемный трубопровод 11 до места вблизи поверхности 2 воды. Для этой цели газ нагнетают и инициируют его подъем на участке нижней стороны подъемного трубопровода 11. С использованием того эффекта, что газ обусловливает снижение давления столба текучей среды внутри подъемного трубопровода 11, поднимаемый материал засасывается вместе с окружающей водой в подъемный трубопровод 11 на нижнем концевом участке подъемного трубопровода 11, и поднимается вверх вместе с водой и газом до места выше поверхности 2 воды.

[0056] В качестве этого бурового судна 1 применяют буровое судно, которое включает систему автоматического сохранения положения судна, для подъема осадочных отложений со дна очень глубокого моря. В дополнение, в качестве подъемного трубопровода 11 пузырьковой газлифтной системы 10 используют водоотделяющую колонну 11 бурового судна 1. Водоотделяющую колонну 11 бурового судна 1 обычно применяют для сбора бурового раствора в операции бурения, в которой используют способ с применением бурового раствора. Следует отметить, что пузырьковая газлифтная система 10 не должна использоваться для функции бурения, для чего предназначена сама буровая установка, находящаяся на буровом судне 1.

[0057] Подъемный трубопровод 11 включает многочисленные короткие трубы, имеющие внутренний диаметр около 50 см и длину около 27 м и соединенные между собой фланцами. Для подъемного трубопровода 11 предпочтительно применяют устойчивый к эрозии материал в мелководном районе, где скорость течения является относительно высокой, тогда как в районе водного бассейна с промежуточной глубиной и в глубоководном районе предпочтительно используют легковесный материал. Этот подъемный трубопровод 11 оснащен коллектором 12 на его нижнем конце, газонагнетательным устройством 13 в одном или более местах на нижней стороне, и деаэратором 14 в одном или более местах на верхней стороне. Верхняя концевая сторона подъемного трубопровода 11 соединена с находящейся под давлением камерой 21 приемного устройства 20. Кроме того, при необходимости на самом нижнем конце или на промежуточном участке подъемного трубопровода 11 могут быть дополнительно предусмотрены вспомогательный насос, дробилка и тому подобные. Нижний концевой участок подъемного трубопровода 11 оснащен коллектором 12, таким как сетчатый фильтр. Пузырьковая газлифтная система 10 может быть конфигурирована с использованием минимального возможного числа компонентов и не нуждается в тяжелом элементе или весьма сложном компоненте, таком как нижний соединительный узел водоотделяющей колонны (LMRP). Таким образом, подъемный трубопровод 11 может быть удлиненным на длину, соответствующую весу ненужного компонента, и тем самым конфигурирован сообразно самому глубоководному району. В дополнение, для обеспечения стабильности в отношении приливных сил и тому подобного, в глубоководном районе могут быть сокращены средства плавучести (не иллюстрированы), придающие плавучесть подъемному трубопроводу 11.

[0058] Как правило, на наружной стороне подъемного трубопровода 11 размещают и закрепляют узкие трубы, называемые линиями глушения или штуцерными линиями, которые применяются для противовыбросового превентора. Высоконапорный узкий трубопровод, размещенный и зафиксированный таким же образом, используют в качестве трубопровода для подачи сжатого воздуха для пузырькового газлифта от газонагнетательного устройства 13, предусмотренного на нижней стороне подъемного трубопровода 11. Кроме того, газонагнетательное устройство 13 включает короткую трубу специального сортамента, оснащенную эрлифтным клапаном, через который сжатый воздух нагнетается внутрь подъемного трубопровода 11. Короткие трубы газонагнетательного устройства 13 применяют в качестве нескольких патрубков, используемых в глубоководном районе и в водном районе с промежуточной глубиной.

[0059] В дополнение, короткие трубы специального сортамента, снабженные деаэратором 14, иллюстрированным в Фиг. 2, используют в качестве нескольких патрубков, применяемых в мелководном районе. Деаэратор 14 включает наружную стенку 14а, спиральную трубу 14b, вытяжной трубопровод 14с и трубопровод 14d для транспорта отведенного воздуха (предназначенный для вентиляции трубопровод). Между прочим, вместо трубопровода 14d для транспорта отведенного воздуха (предназначенного для вентиляции трубопровода) в некоторых случаях может быть предусмотрен клапан сброса давления. В Фиг. 2, в то время как кружок обозначает пузырек, участок с перекрестной диагональной штриховкой обозначает суспензию, включающую, например, смесь морской воды и целевого материала (песка, измельченного минерала, или тому подобного), участок с простой штриховкой обозначает часть, имеющую только морскую воду, и белый участок обозначает газонаполненную часть.

[0060] Наружная стенка 14а сформирована с большим диаметром, чем магистральная труба подъемного трубопровода 11, и включает цилиндрическую часть, нижнюю сужающуюся часть под цилиндрической частью и верхнюю сужающуюся часть выше цилиндрической части. Наружная стенка 14а сформирована с размером, достаточно большим, чтобы вмещать в ней всю спиральную трубу 14b и часть вытяжного трубопровода 14с внутри наружной стенки, и чтобы заключать в себе вращающийся поток смешанной текучей среды, протекающей из нижнего патрубка подъемного трубопровода 11.

[0061] Спиральная труба 14b представляет собой трубу, имеющую нижний конец, соединенный с магистральной трубой подъемного трубопровода 11 на нижней стороне, и размещенную спирально вдоль внутренности нижней сужающейся части наружной стенки 14а. Спиральная труба 14b имеет участок с отверстием на месте, где спиральная труба 14b входит в цилиндрическую часть наружной стенки 14а. Спиральная труба 14b конфигурирована таким образом, что смешанная текучая среда, вытекающая из спиральной трубы 14b, образует вращающийся поток вдоль наружной стенки 14а. Другими словами, спиральная труба 14b вовлекает смешанную текучую среду внутри подъемного трубопровода 11 в спиральное течение, чтобы тем самым генерировать вращающийся поток.

[0062] Вытяжной трубопровод 14с включает трубу, имеющую отверстие на центральном участке в поперечном сечении цилиндрической части наружной стенки 14а, и проходящую сквозь наружную стенку 14а с выходом наружу. Вытяжной трубопровод 14с соединен с трубопроводом 14d для транспорта отведенного воздуха (предназначенным для вентиляции трубопроводом), предусмотренным снаружи магистральной трубы подъемного трубопровода 11.

[0063] В принципе, деаэратор 14 предназначен для того, чтобы на верхней стороне подъемного трубопровода 11, то есть на срединном участке подъемного трубопровода 11 вблизи его верхнего конца, создавать вращающийся поток смешанной текучей среды, поднимающейся внутри подъемного трубопровода 11, тем самым собирая пузырьки у оси завихрения под действием центробежной силы, и для выведения собранных пузырьков наружу из подъемного трубопровода 11 через вытяжной трубопровод 14с, снабженный отверстием на участке у оси завихрения.

[0064] Деаэратор 14 создает завихрение смешанной текучей среды, поднимающейся вместе с пузырьками внутри подъемного трубопровода 11, вовлекая смешанную текучую среду в спиральный поток внутри улиткообразной спиральной трубы (завитка) 14b, сводит пузырьки к области оси завихрения с использованием эффекта центробежного разделения, в котором поднимаемый материал, такой как суспензия, выталкивается в сторону наружной стенки 14а действием центробежной силы и выводит избыточные пузырьки наружу из деаэратора 14 через вытяжной трубопровод 14с, введенный в область оси завихрения.

[0065] В деаэраторе 14 пузырьки или газ, выведенные наружу из подъемного трубопровода 11, могут быть направлены к месту над поверхностью 2 воды через трубопровод 14d для транспорта отведенного воздуха, соединенный с вытяжным трубопроводом 14с, и затем выпущены в атмосферу под атмосферным давлением, или, вместо этого, могут быть направлены внутрь находящейся под давлением камеры 21 через трубопровод 14d для транспорта отведенного воздуха, соединенный с вытяжным трубопроводом 14с, и выпущены под повышенным давлением. В последнем случае, если выведенный газ циркулирует в компрессор вместе с газом, отделенным в находящейся под давлением камере 21, без расширения до атмосферного давления, и тем самым повторно используется в качестве пузырьков для эрлифта, может быть сэкономлена необходимая для сжатия энергия.

[0066] Кроме того, трубопровод 14d для транспорта отведенного воздуха может быть оснащен клапаном для регулирования давления, дроссельным клапаном или соплом выше водной поверхности 2 таким образом, чтобы быть в состоянии корректировать объем выведенного газа, вовлекаемого в рециркуляцию в находящуюся под давлением камеру 21 или в компрессор. При такой конфигурации объем выведенного газа при необходимости можно корректировать над водной поверхностью 2.

[0067] Кроме того, компрессор для сжатия воздуха состоит из многоступенчатого компрессора и предназначен для нагнетания сжатого воздуха в нижнюю сторону подъемного трубопровода 11 и конфигурирован для сжатия воздуха (газа), отделенного в находящейся под давлением камере 21, и для направления сжатого воздуха опять в нижнюю сторону подъемного трубопровода 11. Пузырьки или газ, выведенные наружу из подъемного трубопровода 11 через вытяжной трубопровод 14с в деаэраторе 14, направляются через трубопровод 11d для транспорта отведенного воздуха, соединенный с вытяжным трубопроводом 11с, в ступень многоступенчатого компрессора, имеющую более высокое давление, чем для газа из находящейся под давлением камеры 21. Этим путем выведенный газ направляется в компрессор, в то же время оставаясь под высоким давлением, и повторно используется в качестве пузырьков для пузырькового газлифта. Поэтому дополнительно экономится энергия, необходимая для сжатия.

[0068] Размещение находящейся под давлением камеры 21 у верхнего конца подъемного трубопровода 11 позволяет использовать специфическое явление, при котором давление внутри подъемного трубопровода 11 делают более высоким, чем гидравлическое давление снаружи трубопровода. Таким образом, деаэратор 14 может быть размещен в мелководном районе, где давление внутри подъемного трубопровода 11 делают более высоким, чем давление снаружи трубопровода 11, благодаря действию находящейся под давлением камеры 21, и может выводить пузырьки или газ в морскую воду (воду) снаружи подъемного трубопровода 11 с использованием разности давлений между внутренней и наружной стороной. В этом случае трубопровод 11d для транспорта отведенного воздуха становится ненужным.

[0069] В дополнение, вытяжной трубопровод 14с оснащен клапаном сброса давления (не иллюстрирован), который срабатывает в ответ на перепад давления между внутренней и наружной сторонами подъемного трубопровода 11. Таким образом, деаэратор 14 предназначен для корректирования давления внутри подъемного трубопровода 11 путем регулирования объема выводимого газа с помощью клапана сброса давления. Эта конфигурация является очень простой, но способной корректировать давление внутри подъемного трубопровода 11.

[0070] Кроме того, является предпочтительным, чтобы внутри подъемного трубопровода 11 были предусмотрены статорные лопатки или тому подобные и чтобы поднимаемый материал, пузырьки и морская вода тщательно смешивались опять таким образом, что смешанная текучая среда, в которой количество пузырьков сокращено деаэратором 14, могла эффективно подниматься в область выше точки, где было сокращено количество пузырьков.

[0071] Деаэратор 14 может быть размещен в многочисленных местоположениях на различных глубинах воды (два местоположения в Фиг. 1) и может производить деаэрацию (выпуск наружу) постепенно во многих стадиях. При этой конфигурации величина объема, занимаемого пузырьками в смешанной текучей среде, поднимающейся внутри подъемного трубопровода 11, может быть сделана по существу равномерной от глубоководного района до мелководного района, и поэтому скорость течения смешанной текучей среды может быть сделана более равномерной. Таким образом, может быть эффективно максимизирована эффективность подъема текучей среды.

[0072] В этой конфигурации деаэратор 14 размещают в надлежащем местоположении, таком как место на глубине воды, например, приблизительно 200 м, и вытяжной трубопровод 14с оснащают клапаном сброса давления, рассчитанным на открывание и закрывание, когда разность давлений между внутренней и наружной стороной подъемного трубопровода 11 достигает давления, например, 5 атмосфер (0,5 МПа), что эквивалентно его начальной разности. Даже когда из нижнего участка подъемного трубопровода 11 нагнетается большее количество пузырьков, эта конфигурация может выводить пузырьки в деаэраторе 14 наружу в месте на глубине воды 200 м, прежде чем объем пузырьков станет чрезмерно большим на верхнем участке подъемного трубопровода 11, пока разность давлений между внутренней и наружной стороной не снизится до давления 5 атмосфер (0,5 МПа), что эквивалентно его исходному уровню.

[0073] Как иллюстрировано в Фиг. 3, приемное устройство (система приема поднимаемого материала) 20, компрессор (не иллюстрирован) для генерирования сжатого воздуха для пузырькового газлифта и тому подобные смонтированы на буровом судне 1, к которому присоединен верхний концевой участок подъемного трубопровода 11. Приемное устройство 20 включает находящуюся под давлением камеру 21, многоступенчатую систему 22А, 22В, 22С перелива восходящего потока, сепарационный резервуар 23, насос 24 для пополнения жидкостью U-образного сифонного затвора, трубопровод 25 для пополнения жидкостью U-образного сифонного затвора, накопитель 26 жидкости для U-образного сифонного затвора, U-образный сифонный затвор (гидравлический затвор) 27А, 27В и тому подобные. Магистральная труба подъемного трубопровода 11 соединена с находящейся под давлением камерой 21 приемного устройства 20, и воздухопровод (не иллюстрирован) от компрессора для направления сжатого воздуха в газонагнетательное устройство 12 соединен с высоконапорной узкой трубой (не иллюстрирована), размещенной снаружи магистральной трубы подъемного трубопровода 11.

[0074] Находящаяся под давлением камера 21 размещена на верхнем концевом участке подъемного трубопровода 1 и конфигурирована для приложения давления к верхнему участку внутри подъемного трубопровода 11. Таким образом конфигурированная находящаяся под давлением камера 21 подавляет увеличение объемного отношения пузырьков к смешанной текучей среде, поднимающейся внутри подъемного трубопровода 11 в мелководном районе.

[0075] Находящаяся под давлением камера 21 конфигурирована для приложения давления, создаваемого внутри такого предварительно заданного диапазона давлений, что нагнетаемый объем газа, закачиваемого в нижний участок подъемного трубопровода 11, может не нуждаться в динамическом регулировании сообразно условиям засасывания; скорость течения смешанной текучей среды может контролироваться в пределах предварительно заданного диапазона, даже если засасывается только окружающая вода; даже когда засасывается только поднимаемый материал, проектный верхний предел удельного веса может оставаться по-прежнему выше, чем удельный вес засасываемого вещества. Эта конфигурация позволяет эффективно поднимать извлекаемый материал только в результате того, что: регулируют давление, создаваемое в находящейся под давлением камере 21, в пределах диапазона давлений, заранее заданного предварительным компьютерным моделированием или тому подобным, с учетом глубины подъема, удельного веса поднимаемого материала, и тому подобного; и затем корректируют давление, создаваемое в находящейся под давлением камере 21, на уровень в пределах диапазона давлений.

[0076] Кроме того, предпочтительно, чтобы давление в находящейся под давлением камере 21 было отрегулировано до величины от 1/50 до 1/3, оба значения включительно, или более предпочтительно от 1/50 до 1/10, оба значения включительно, гидравлического давления на нижнем концевом участке подъемного трубопровода 11. Если давление составляет менее 1/50, действие находящейся под давлением камеры 21 в отношении подавления объема пузырьков является настолько малым, что присутствие находящейся под давлением камеры 21 вообще не дает никаких преимуществ. Напротив, если давление составляет больше 1/3, становится высоким сопротивление напору, необходимое для находящейся под давлением камеры 21, чтобы находящаяся под давлением камера 21 могла бы соответствовать повышенным технологическим требованиям, но нельзя ожидать какого-нибудь дополнительного улучшения ее подъемной производительности. В дополнение, регулированием верхнего предела на 1/10 может быть сделано низким сопротивление напору, необходимое для находящейся под давлением камеры 21, приемное устройство 20 может быть в целом сделано компактным, и может быть достигнута достаточная производительность подъема при использовании совместно системы деаэрации, как это требуется.

[0077] В дополнение, когда находящаяся под давлением камера 21 сформирована с такой формой циклона, что смешанная текучая среда из подъемного трубопровода 11 вводится в находящуюся под давлением камеру 21 по касательному направлению, как иллюстрировано в Фиг. 3, находящаяся под давлением камера 21 может действовать в качестве сепаратора для отделения газа от суспензии, включающей поднимаемый материал, в результате эффекта центробежного разделения, с использованием скорости течения смешанной текучей среды. В этом случае также отделенный газ А может быть выведен из верхней части находящейся под давлением камеры 21, направлен в компрессор, в то же время оставаясь в сжатом состоянии без расширения до атмосферного давления, и затем повторно использован в качестве сжатого воздуха для пузырькового газлифта. Следует отметить, что в Фиг. 3 белый кружок обозначает пузырек, участок, выделенный перекрестной диагональной штриховкой, обозначает суспензию, включающую, например, смесь морской воды и целевого материала (песка, измельченного минерала, или тому подобного), участок с простой штриховкой обозначает только морскую воду, и белый участок обозначает газонаполненную часть.

[0078] Кроме того, ниже по потоку относительно находящейся под давлением камеры 21 предусмотрена одноступенчатая или многоступенчатая (три ступени в Фиг. 3) система 22А, 22В, 22С перелива восходящего потока, чтобы поддерживать давление в находящейся под давлением камере 21 в пределах желательного диапазона. Каждая ступень системы 22А, 22В, 22С перелива восходящего потока включает находящийся под давлением контейнер 22а и трубопровод 22b для суспензии, заключенный в находящемся под давлением контейнере 22а. Каждая ступень системы 22А, 22В, 22С перелива восходящего потока предназначена для поддержания давления на стороне ниже по потоку относительно трубопровода 22b для суспензии в пределах проектного диапазона путем регулирования давления газонаполненной части находящегося под давлением контейнера 22а, заключающего в себе верхний конец трубопровода для суспензии 22b. В дополнение, предусмотрены соединительные трубопроводы 28А, 28В, через которые газонаполненные части находящихся под давлением контейнеров 22а системы 22А, 22В, 22С перелива восходящего потока и верхние части U-образного сифонного затвора 27А, 27В сообщаются друг с другом. Тогда одноступенчатый или многоступенчатый U-образный сифонный затвор 27А, 27В (две ступени в Фиг. 3) с использованием давлений столбов жидкости регулирует давления в газонаполненных частях находящихся под давлением контейнеров 22а.

[0079] Каждый из трубопроводов 22b для суспензии системы 22А, 22В, 22С перелива восходящего потока сообщается с находящейся под давлением камерой 21 или нижней частью находящегося под давлением контейнера 22b в предыдущей ступени. Трубопровод 22b для суспензии направляет суспензию, введенную из предыдущей ступени, из его нижнего участка в его внутреннюю часть, и обеспечивает вытекание суспензии из его верхнего участка в находящийся под давлением контейнер 22b. Степень снижения давления на каждой ступени может быть скорректирована с использованием высоты трубопровода 22b для суспензии и удельного веса суспензии. Более того, давление на нижнем участке трубопровода 22b для суспензии равно сумме давления в газонаполненной части находящегося под давлением контейнера 22а и гидравлического давления суспензии в трубопроводе 22b для суспензии. Таким образом, регулирование давления в газонаполненной части находящегося под давлением контейнера 22а позволяет производить корректирование давления внутри находящейся под давлением камеры 21 или находящегося под давлением контейнера 22b в предыдущей ступени.

[0080] Другими словами, рабочие давления в находящихся под давлением контейнерах 22а системы 22А, 22В, 22С перелива восходящего потока могут поддерживаться регулированием давлений газа внутри находящихся под давлением контейнеров 22а. Регулирование давлений газа может быть выполнено с помощью клапанов для регулирования давления или тому подобных, размещенных в газонаполненных частях, но может быть проведено с помощью многоступенчатого гидравлического затвора 27А, 27В с использованием давлений столбов жидкости и имеющего число ступеней, соответствующее числу ступеней системы 22А, 22В, 22С перелива восходящего потока. Применение многоступенчатого гидравлического затвора 27А, 27В позволяет избежать проблем, которые в противном случае создавали бы клапаны для регулирования давления или тому подобные, например, вследствие поступления песка, грязи, и подобного распыления вроде тумана.

[0081] В конфигурации, иллюстрированной в Фиг. 3, верхний участок находящегося под давлением контейнера 22а перелива 22А восходящего потока первой ступени сообщается с верхней частью U-образного сифонного затвора 27А первой ступени через соединительный трубопровод 28А, верхняя часть находящегося под давлением контейнера 22а перелива 22В восходящего потока второй ступени сообщается с верхней частью U-образного сифонного затвора 27В второй ступени через соединительный трубопровод 28В, и верхняя часть находящегося под давлением контейнера 22а перелива 22С восходящего потока третьей ступени открывается в атмосферу через открытый патрубок 28С.

[0082] В этой конфигурации давление Р3 внутри находящегося под давлением контейнера 22а перелива 22С восходящего потока третьей ступени находится на уровне атмосферного давления Ро, и давление Р2 внутри находящегося под давлением контейнера 22а перелива 22В восходящего потока второй ступени составляет сумму атмосферного давления Ро и давления Pb столба жидкости в U-образном сифонном затворе 27В второй ступени. Тогда давление Р1 внутри находящегося под давлением контейнера 22а перелива 22А восходящего потока первой ступени составляет сумму давления Р2 и давления Ра столба жидкости в U-образном сифонном затворе 27А первой ступени. Короче говоря, выдерживается значение Р3=Ро, Р2=Ро+Pb, и Р1=Р2+Ра=Ро+Ра+Pb. Таким образом, регулированием давлений Ра, Pb столбов жидкости в U-образном сифонном затворе 27А, 27В можно контролировать давления Р1, Р2 внутри находящихся под давлением контейнеров 22а.

[0083] Сепарационный резервуар 23 размещен и присоединен к выходу перелива 22С восходящего потока на последней ступени системы 22А, 22В, 22С перелива восходящего потока. Сепарационный резервуар 23 временно хранит суспензию, содержащую поднимаемый материал, и в нем происходит осаждение поднимаемого материала для отделения поднимаемого материала от морской воды. В случае, где поднимаемый материал во взвешенном состоянии представляет собой по сути кашицеобразный шлам, осадок «В» выводится из нижней стороны с учетом времени, требуемого для осаждения. Осадок «В» накапливается на нижней стороне сепарационного резервуара 23 и выдавливается из нижнего выпускного патрубка давлением, создаваемым его собственным весом внутри сепарационного резервуара 23. Вместо этого, осадок «В» может быть выгружен с помощью шламового насоса, который не иллюстрирован. Затем жидкость (морская вода) «С», из которой был удален осадок «В», выводят в качестве надосадочной текучей среды наружу из сепарационного резервуара 23 через верхний выпускной патрубок. После необходимой дополнительной обработки, такой как удаление содержащихся веществ, жидкость «С» возвращают в океан. В дополнение, часть жидкости (морской воды) «С» выводят из верхней стороны сепарационного резервуара 23 с помощью насоса 24 для пополнения жидкостью U-образного сифонного затвора и переливают в накопитель 26 жидкости через трубопровод 25 для пополнения жидкостью U-образного сифонного затвора. Эту жидкость используют для столбов жидкости в U-образном сифонном затворе 27А, 27В.

[0084] В вышеописанной пузырьковой газлифтной системе 10 может быть применен пузырьковый газлифтный способ, включающий стадии, в которых: устанавливают подъемный трубопровод 11 таким образом, что подъемный трубопровод 11 является протяженным от места выше поверхности 2 моря (водной поверхности) на буровом судне или тому подобном, плавающем на поверхности 2 моря, вниз до морского дна 3 или ниже морского дна 3; нагнетают и поднимают газ в форме пузырьков с помощью газонагнетательного устройства 13, размещенного на нижней стороне подъемного трубопровода 11; засасывают поднимаемый материал, который собирается коллектором 12, размещенным на нижнем конце подъемного трубопровода 11, у нижнего концевого участка подъемного трубопровода 11 с использованием того эффекта, что газ обусловливает снижение давления столба текучей среды внутри подъемного трубопровода 11; и при подъеме смешанной текучей среды, содержащей поднимаемый материал, к приемному устройству 20, размещенному на верхнем конце подъемного трубопровода 11, выполняют деаэрацию с удалением части пузырьков или газа в смешанной текучей среде с помощью деаэратора 14, размещенного на верхнем концевом участке подъемного трубопровода 11, и создают давление на верхнем конце внутри подъемного трубопровода 11 с помощью находящейся под давлением камеры 21, размещенной на верхнем концевом участке подъемного трубопровода 11. Таким образом, пузырьковая газлифтная система 10 способна подавлять увеличение объемного отношения пузырьков или газа к смешанной текучей среде вблизи верхнего конца подъемного трубопровода 11.

[0085] В дополнение, поднимаемый материал, такой как суспензия, накапливаемый в нижней части находящейся под давлением камеры 21, выдавливается давлением внутри находящейся под давлением камеры 21 и перетекает вверх в систему 22А, 22В, 22С перелива восходящего потока, то есть течет вверх внутри трубопровода 22b для суспензии, размещенного в предназначенном для этого одном из находящихся под давлением контейнеров 22а на стороне ниже по потоку. По мере течения вверх внутри каждого из трубопроводов 22b для суспензии системы 22А, 22В, 22С перелива восходящего потока содержащая поднимаемый материал суспензия теряет давление на величину, соответствующую столбу жидкости, и согласно этому подвергается декомпрессии. Давление внутри предназначенного для этого находящегося под давлением контейнера 22а перелива восходящего потока поддерживается на определенную величину ниже, чем давление внутри находящейся под давлением камеры 21, чтобы быть по существу в равновесном состоянии с давлением подвергнутой декомпрессии суспензии.

[0086] После протекания вверх в каждом трубопроводе 22b для суспензии системы 22А, 22В, 22С перелива восходящего потока суспензия падает вниз в соответствующий находящийся под давлением контейнер 22а, и суспензия, собирающаяся в донной части находящегося под давлением контейнера 22а, выдавливается в еще один находящийся под давлением контейнер 22а в следующей ступени перелива 22В или 22С восходящего потока на стороне ниже по потоку. При повторении этого цикла давление суспензии, содержащей поднимаемый материал, в конечном итоге снижается до атмосферного давления.

[0087] Далее приведено описание пузырькового газлифтного способа в одном варианте исполнения согласно настоящему изобретению с использованием вышеописанной пузырьковой газлифтной системы 10. Этот пузырьковый газлифтный способ представляет собой способ, включающий стадии, в которых: устанавливают подъемный трубопровод 11 таким образом, что подъемный трубопровод 11 является протяженным от места вблизи поверхности 2 моря вниз до морского дна 3 или ниже морского дна 3; нагнетают газ в форме пузырьков из нижней стороны подъемного трубопровода 11, вызывая тем самым подъем пузырьков; и с использованием того эффекта, что газ обусловливает снижение давления столба текучей среды внутри подъемного трубопровода 11, засасывают поднимаемый материал, который собирается вокруг нижнего конца подъемного трубопровода 11 в нижний концевой участок подъемного трубопровода 11, и поднимают смешанную текучую среду, содержащую поднимаемый материал, к приемному устройству 20, размещенному на верхнем конце подъемного трубопровода 11. Способ также включает стадию, в которой создают давление на верхнем конце внутри подъемного трубопровода 11 с помощью находящейся под давлением камеры 21, размещенной на верхнем концевом участке подъемного трубопровода 11.

[0088] В дополнение, этот пузырьковый газлифтный способ также включает стадию, в которой выполняют деаэрацию путем удаления части пузырьков или газа в смешанной текучей среде с помощью деаэратора 14, размещенного на верхней стороне подъемного трубопровода 11.

[0089] Согласно пузырьковой газлифтной системе 10 и пузырьковому газлифтному способу в вышеуказанной конфигурации, нет необходимости в том, чтобы суспензионная система включала вращающееся машинное оборудование или инструмент, отсечный клапан, клапан для регулирования давления, дроссельный клапан, сопло или тому подобные, которые обусловливают высокую вероятность возникновения отказа вследствие повреждения, разрушения, заедания, заклинивания или тому подобного в процессе подъема извлекаемого материала.

[0090] Фиг. 4 и 5 показывают результаты компьютерного моделирования. Фиг. 4 представляет график, показывающий взаимосвязь между давлением, установленным в находящейся под давлением камере 21, и максимальным удельным весом смешанной текучей среды, которая может быть поднята, где горизонтальная ось указывает установленное в находящейся под давлением камере 21 давление, и вертикальная ось показывает верхний предел удельного веса суспензии, поднимаемой посредством пузырькового газлифта на глубине воды 5000 м. Фиг. 5 представляет график, показывающий взаимосвязь между глубиной воды и максимальным удельным весом смешанной текучей среды, которая может быть поднята при давлении, установленном в находящейся под давлением камере 21, где горизонтальная ось показывает глубину воды, и вертикальная ось показывает верхний предел удельного веса суспензии, поднимаемой при давлении 20 атмосфер (2,03 МПа), установленном в находящейся под давлением камере 21.

[0091] В этом компьютерном моделировании вышеописанная пузырьковая газлифтная система 10 предполагается поднимающей целевой материал со дна 3 водного бассейна, и давление в находящейся под давлением камере 21 и нагнетаемый объем пузырьков являются фиксированными. Нагнетаемый объем пузырьков настроен на верхний предельный объем, на уровне или ниже которого скорость течения смешанной текучей среды на верхнем конце подъемного трубопровода 11 не превышает 10 м в секунду, даже когда концентрация воды в суспензии составляет 100%. При таких фиксированных заданных значениях, если удельный вес суспензии возрастает по мере увеличения концентрации твердого вещества, скорость течения снижается, тогда как степень газирования увеличивается. Здесь практический верхний предел удельного веса суспензии, которая может быть поднята пузырьковой газлифтной системой 10, определяется как удельный вес суспензии, при котором степень газирования достигает 90% на верхнем конце подъемного трубопровода 11.

[0092] Фиг. 4 показывает изменение производительности по мере изменения давления, установленного в находящейся под давлением камере 21, на глубине воды 5000 м. Ситуация, где настоящее изобретение неприменимо, эквивалентна случаю, где давление в находящейся под давлением камере 21 равно атмосферному давлению. В этом случае можно сказать, что невозможно поднять суспензию, имеющую удельный вес выше, чем у морской воды. Однако обнаружено, что, когда давление в находящейся под давлением камере 21 согласно настоящему изобретению установлено приблизительно на 20 атмосфер (2,03 МПа), может быть поднята суспензия, имеющая удельный вес в 1,5 раза выше, чем у морской воды. Также найдено, что, когда давление в находящейся под давлением камере 21 установлено на более высокий уровень, может быть поднята суспензия, имеющая удельный вес в два или более раз выше, чем у морской воды. Однако только благодаря размещению одноступенчатого деаэратора 14 такой же эффект может быть получен даже при давлении в находящейся под давлением камере 21, поддерживаемом при 20 атмосферах (2,03 МПа) (не показано).

[0093] Кроме того, Фиг. 5 показывает изменение производительности в случае, где пузырьковая газлифтная система 10 с давлением в находящейся под давлением камере 21, установленным на 20 атмосфер (2,03 МПа), используется на различных глубинах воды. Фиг. 5 показывает, что суспензия, имеющая удельный вес примерно в 3 раза выше, чем у морской воды, может быть поднята с глубины воды 1000 м, что верхний предел удельного веса снижается по мере увеличения глубины воды, и что суспензия, имеющая удельный вес приблизительно в 1,5 раза выше, чем у морской воды, может быть поднята даже с глубины воды 5000 м, как описано выше.

[0094] В соответствии с пузырьковой газлифтной системой 10 и пузырьковым газлифтным способом, имеющими вышеуказанную конфигурацию согласно настоящему изобретению, на верхнем концевом участке подъемного трубопровода 11 размещают находящуюся под давлением камеру 21, благодаря чему при пузырьковом подъеме в глубоководном районе, например, с глубиной воды 5000 м, возрастание величины объема, занимаемого пузырьками у верхнего концевого участка подъемного трубопровода 11, может регулироваться в пределах нескольких десятков раз, что является практически приемлемым уровнем. Напротив, в традиционном способе пузырьковый газлифт в таких условиях по существу невозможен, поскольку реально может быть поднята только текучая среда, которая лишь слегка, на несколько процентов, является более тяжелой, чем морская вода, так как объем пузырьков у верхнего концевого участка подъемного трубопровода 11 становится не менее чем в 500 раз больше, чем объем у нижнего концевого участка подъемного трубопровода 11.

[0095] Это позволяет пузырьковой газлифтной системе 10 поднимать извлекаемый материал из глубоководного района, который является гораздо более глубоким, чем в случае традиционного способа. В дополнение, создается эффект, обеспечивающий возможность эффективного подъема путем снижения потери давления, которая по существу пропорциональна квадратной степени скорости течения. Например, сделан возможным с практически достаточной производительностью пузырьковый подъем суспензии, имеющей удельный вес, более чем в два раза превышающий удельный вес морской воды, с глубины воды 5000 м.

[0096] Более того, благодаря размещению деаэраторов 14 на срединных участках подъемного трубопровода 11 не только верхний концевой участок подъемного трубопровода 11, но также несколько местоположений в мелководном районе, могут быть устроены как места, где степень газирования достигает максимума. Таким образом, величина объема, занимаемого пузырьками, может быть сделана равномерной по всему подъемному трубопроводу 11 от глубоководного района до мелководного района. В результате этого степень газирования может быть в среднем повышена без увеличения максимальной скорости течения.

[0097] Это делает возможным значительное снижение скорости течения во всем подъемном трубопроводе 11, в частности скорость течения у верхнего концевого участка подъемного трубопровода 11. Тем самым резко сокращается проблема эрозии. В результате этого подъемный трубопровод 11, участок, соединяющий верхний конец подъемного трубопровода 11 с технологическим оборудованием ниже по потоку, и тому подобные могут быть сформированы с использованием металла, имеющего более низкую твердость, с использованием легковесного материала или коррозионно-стойкого материала, такого как пластик или эластомер, или с использованием снабженного покрытием материала, облицованного материала, материала для регулирования вибраций, гасящего вибрации материала, эластичного материала, способного поглощать энергию деформации, или тому подобного.

[0098] Таким образом, этим создается возможность пузырькового подъема в глубоководном районе с использованием легковесного подъемного трубопровода, возможность снизить расходы применением недорогого коррозионно-стойкого покрытия или облицовки и возможность избежать резонанса продольных колебаний с периодами волн, вибраций вихревого происхождения или тому подобного, путем замены материалов. В дополнение, это делает возможным применение гибкого подъемного трубопровода или гофрированных труб, в которых тонкую металлическую пластину применяют на внутренней поверхности, или тому подобного, тем самым устраняя необходимость в дорогостоящем и сложном натяжном устройстве водоотделяющей колонны, телескопическом соединении или тому подобном.

[0099] Операция подъема в глубоководном районе с использованием пузырьковой газлифтной системы 10 и пузырькового газлифтного способа, имеющих вышеуказанную конфигурацию, не нуждается в весьма сложных компонентах или тяжелых деталях, требующих расхода энергии на перемещение или регулирование, таких как насосы и тому подобные, в глубокой части моря или в области водного бассейна с промежуточной глубиной. Более того, поскольку пузырьки снижают удельный вес смешанной текучей среды внутри подъемного трубопровода 11 до величины, равной удельному весу окружающей жидкости или меньшей него, такой как морская вода или вода, можно значительно снизить проектную нагрузку, требуемую для буровой установки, выдерживающей усилие, обусловленное весом самого подъемного трубопровода 11, весом текучей среды, приливные силы и тому подобные.

[0100] В дополнение, необходимо проводить эвакуацию, когда гидрографические условия становятся штормовыми во время операции подъема. В соответствии с пузырьковой газлифтной системой 10 и пузырьковым газлифтным способом, имеющими вышеуказанную конфигурацию, эвакуация может быть проведена всего лишь вытягиванием наверх подъемного трубопровода 11 точно таким же способом, как это традиционно делается на буровой установке. Более того, даже когда возникает ситуация, где эвакуацию проводят с компонентами, отделяемыми от судна и оставляемыми, и где оставленные компоненты не могут быть в конечном итоге возвращены, можно устранить или свести к минимуму возможность утраты дорогостоящего весьма сложного компонента и тому подобного.

[0101] Кроме того, подъем может быть эффективно проведен с помощью относительно узкого подъемного трубопровода 11, имеющего одинаковый диаметр от нижнего конца до верхнего конца. По этой причине подъем в глубоководном районе может быть достигнут с использованием, в данной ситуации, подъемного трубопровода 11 на буровом судне или буровой системе для обработки подъемного трубопровода 11 традиционным методом. Соответственно этому, могут быть значительно сокращены затраты на подготовительные работы.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

[0102] В соответствии с пузырьковой газлифтной системой и пузырьковым газлифтным способом согласно настоящему изобретению, на верхнем концевом участке подъемного трубопровода размещают находящуюся под давлением камеру, благодаря чему возрастание величины занимаемого пузырьками объема у верхнего концевого участка подъемного трубопровода можно регулировать в пределах нескольких десятков раз, что является практически приемлемым уровнем, даже при пузырьковом подъеме в глубоководном районе. Таким образом, система и способ согласно настоящему изобретению применимы во всех отраслях промышленности, где твердый материал, жидкость или суспензию поднимают из такого места, как морское дно, дно озера, речное дно, или грунт ниже него, в отраслях, включающих, например, извлечение природных запасов с океанского дна, таких как придонные морские гидротермальные отложения, марганцевые конкреции, метановые газогидраты, редкоземельные элементы, редкие металлы, богатые кобальтом корки или алмазы; извлечение песка, гравия или тому подобного; и выемка грунта для монтажных работ или для морских конструкций, или тому подобные.

ССЫЛОЧНЫЕ НОМЕРА ПОЗИЦИЙ

[0103]

1 - Буровое судно

2 - Морская поверхность (водная поверхность)

3 - Морское дно (дно водного бассейна)

10 - Пузырьковая газлифтная система

11 - Подъемный трубопровод

12 - Коллектор

13 - Газоподающее устройство

14 - Деаэратор (вытяжная система)

14а - Наружная стенка

14b - Улиткообразный участок (спиральный участок)

14с - Вытяжной трубопровод

14d - Трубопровод для транспорта отведенного воздуха (предназначенный для вентиляции трубопровод)

20 - Приемное устройство

21 - Находящаяся под давлением камера (типа, дополнительно имеющего функцию отделения газа от суспензии)

22А, 22В, 22С - Система перелива восходящего потока

22а - Находящийся под давлением контейнер

22b - Трубопровод для суспензии

23 - Сепарационный резервуар

24 - Насос для пополнения жидкостью U-образного сифонного затвора

25 - Трубопровод для пополнения жидкостью U-образного сифонного затвора

26 - Накопитель жидкости для U-образного сифонного затвора

27А, 27В - U-образный сифонный затвор (гидравлический затвор)

28А, 28В - Соединительный трубопровод

А - Газ (пузырек и газ)

В - Твердый материал

С - Жидкость (морская вода)

Группа изобретений относится к области подъема твердого материала со дна глубоководного бассейна, такого как море, озеро или река, выше поверхности воды. В пузырьковой газлифтной системе (10) у верхнего концевого участка подъемного трубопровода (11) размещена находящаяся под давлением камера (21). Камера создает давление в верхнем участке трубопровода (11), чтобы подавить возрастание объемного отношения пузырьков к смешанной текучей среде, поднимающейся внутри трубопровода (11), в мелководном районе. Верхний конец трубопровода (11) не открыт в атмосферу, но введен в находящуюся под давлением камеру (21), чтобы тем самым предотвращать расширение пузырьков газа. Деаэратор (14) для выведения пузырьков, отделенных действием центробежной силы, также предусмотрен на срединном участке трубопровода (11) в мелководном районе, чтобы тем самым обеспечивать более равномерное распределение пузырьков внутри всего трубопровода (11). Изобретения направлены на обеспечение подъема газлифтной системой целевого материала в форме суспензии, имеющей более высокий удельный вес, чем окружающая вода, что делает систему и способ эффективными и работоспособными даже в глубоководном районе. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Пузырьковая газлифтная система для подъема твердого материала или жидкого вещества со дна водного бассейна или из-под дна водного бассейна через подъемный трубопровод к месту вблизи водной поверхности, причем пузырьковая газлифтная система предназначена для нагнетания газа в участок на нижней стороне подъемного трубопровода для обеспечения подъема газа в виде пузырьков и, с использованием того эффекта, что пузырьки обусловливают снижение давления столба текучей среды внутри подъемного трубопровода, засасывает поднимаемый материал в подъемный трубопровод у нижнего концевого участка подъемного трубопровода и поднимает извлекаемый материал к месту выше водной поверхности, отличающаяся тем, что
у верхнего концевого участка подъемного трубопровода размещена находящаяся под давлением камера, при этом
находящаяся под давлением камера создает давление в верхнем участке внутри подъемного трубопровода, чтобы тем самым подавлять увеличение объемного отношения пузырьков к смешанной текучей среде, поднимающейся внутри подъемного трубопровода в мелководном районе.

2. Пузырьковая газлифтная система по п. 1, отличающаяся тем, что
участок на верхней стороне подъемного трубопровода снабжен деаэратором, выполненным с возможностью создания вращающегося потока смешанной текучей среды, поднимающейся внутри подъемного трубопровода, чтобы тем самым собрать пузырьки и газ у оси завихрения действием центробежной силы и вывести собранные пузырьки и газ наружу из подъемного трубопровода через вытяжной трубопровод, имеющий участок с отверстием у оси завихрения.

3. Пузырьковая газлифтная система по п. 1, отличающаяся тем, что
давление, созданное в находящейся под давлением камере, устанавливают в пределах такого предварительно заданного диапазона давлений, что нагнетаемый объем газа, закачиваемого в участок на нижней стороне подъемного трубопровода, не требует динамического регулирования сообразно условиям засасывания, при этом скорость течения смешанной текучей среды поддерживается в пределах предварительно заданного диапазона, даже когда засасывается только окружающая вода, причем когда засасывается только поднимаемый материал, проектный верхний предел удельного веса по-прежнему остается более высоким, чем удельный вес засасываемого материала.

4. Пузырьковая газлифтная система по п. 1, отличающаяся тем, что
давление в находящейся под давлением камере регулируют на величину от 1/50 до 1/3, оба значения включительно, гидравлического давления у нижнего концевого участка подъемного трубопровода 11.

5. Пузырьковая газлифтная система по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что
газ, отделенный в находящейся под давлением камере, вовлекают в рециркуляцию в компрессор, в то время как он является по-прежнему сжатым, опять подвергают сжатию в компрессоре и направляют к нижней стороне подъемного трубопровода.

6. Пузырьковая газлифтная система по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что
ниже по потоку относительно находящейся под давлением камеры размещена одноступенчатая или многоступенчатая система перелива восходящего потока, каждая ступень которой включает находящийся под давлением контейнер и трубопровод для суспензии, чтобы поддерживать давление в находящейся под давлением камере в пределах желательного диапазона, при этом
каждая ступень системы перелива восходящего потока поддерживает давление на стороне ниже по потоку относительно трубопровода для суспензии в пределах предварительно заданного диапазона давлений путем регулирования давления газонаполненной части находящегося под давлением контейнера, заключающего в себе верхний конец трубопровода для суспензии.

7. Пузырьковая газлифтная система по п. 6, отличающаяся тем, что
предусмотрен соединительный трубопровод, через который газонаполненная часть находящегося под давлением контейнера системы перелива восходящего потока и верхняя часть U-образного сифонного затвора сообщены друг с другом, при этом
давление газонаполненной части находящегося под давлением контейнера регулируется U-образным сифонным затвором, размещенным в одну ступень или в многочисленных ступенях, и с использованием давления столба жидкости.

8. Пузырьковая газлифтная система по п. 2, отличающаяся тем, что
пузырьки или газ, выведенные наружу из подъемного трубопровода деаэратором, вовлекаются в рециркуляцию внутрь находящейся под давлением камеры через трубопровод для транспорта отведенного воздуха, соединенного с вытяжным трубопроводом.

9. Пузырьковая газлифтная система по п. 5, отличающаяся тем, что
многоступенчатый компрессор используют для сжатия газа, отделенного в находящейся под давлением камере и вовлеченного в рециркуляцию в многоступенчатый компрессор, и опять направляют газ к нижней стороне подъемного трубопровода, и
пузырьки или газ, выведенные наружу из подъемного трубопровода через вытяжной трубопровод деаэратором, вовлекают в рециркуляцию через трубопровод для транспорта отведенного воздуха, соединенного с вытяжным трубопроводом, в ступень многоступенчатого компрессора, имеющую более высокое давление, чем давление газа из находящейся под давлением камеры.

10. Пузырьковая газлифтная система по п. 2, отличающаяся тем, что
деаэратор размещен в мелководном районе, где давление внутри подъемного трубопровода делают более высоким, чем давление снаружи подъемного трубопровода, благодаря действию находящейся под давлением камеры, и выводят пузырьки или газ в воду снаружи подъемного трубопровода с использованием разности давлений между внутренней и наружной сторонами.

11. Пузырьковый газлифтный способ, включающий стадии, на которых:
устанавливают подъемный трубопровод таким образом, что подъемный трубопровод является протяженным от места вблизи поверхности воды вниз до дна водного бассейна или ниже дна водного бассейна; нагнетают газ в виде пузырьков в нижнюю сторону подъемного трубопровода для инициирования подъема пузырьков; и с использованием того эффекта, что пузырьки обусловливают снижение давления столба текучей среды внутри подъемного трубопровода, засасывают поднимаемый материал, который собирается вокруг нижнего конца подъемного трубопровода, в нижнюю концевую сторону подъемного трубопровода, и поднимают смешанную текучую среду, содержащую поднимаемый материал, к приемному устройству, размещенному у верхнего конца подъемного трубопровода, отличающийся тем, что
находящаяся под давлением камера, размещенная у верхнего конца подъемного трубопровода, создает давление на верхнем участке внутри подъемного трубопровода.

12. Пузырьковый газлифтный способ по п. 11, отличающийся тем, что
деаэратор, размещенный на верхней стороне подъемного трубопровода, выполняет деаэрацию удалением части пузырьков или газа в смешанной текучей среде.