分开式海底开采系统的制作方法

本发明涉及一种分开成多个阶段的海底开采系统。具体地说，本发明涉及，但不限于，一种分开式海底开采系统，其包括集中阶段、取料阶段以及运输阶段。

背景技术：

本文中对背景技术的引用不应解释为承认这种技术构成公知的常识。

在海洋中的各个位置处，有价值的海底材料(诸如，硫化物沉淀或多金属结核)存在于水深在约300到6,000米之间(通常约4,000到5,000米)的海底上的表层中。

为了开发出商业上可行的从海底收集并且随后运送结核的开采系统，已经进行了各种尝试。通常，此类系统比较复杂，因为需要考虑若干不同的动作。例如，可能有对海底进行开采的海底开采机、收集海底材料的海底取料机，以及将收集的海底材料运输到水面的海底运输系统，诸如，立管。如果这些机器集成为单个开采系统，那么所有这些必须同时协作地操作，以获得系统的最大输出效率。

然而，只要一个机器遇到问题，那么整个生产系统便会停止或者至少减少吞吐量。此外，海底上或附近的大量基础设施可造成交通问题，其中不同的机器或设备会阻碍其他机器或设备。这不仅可导致生产率减少，而且可存在缆索(例如，集成管束)碰撞或缠结，从而可损害或降低机器或设备的生产率。

该过程的尤其昂贵部分涉及水面船舶和相关联的运输系统。水面船舶需要足够大以具有立管系统，所述立管系统朝向海底延伸的长度足以将矿石传送到水面船舶。与这个范围的立管系统相关联的重量相当大，因此水面船舶需要具有能够携载该重量的尺寸。此外，大量的能量被花费在将结核运输到水面。这导致对收集的海底材料进行取料的操作成本非常高，特别是在任何给定的时间段内可能收集相对少量的结核时，或者在水深度很大且运输竖直距离较大的情况下。

发明目标

本发明的目标是提供一种海底开采系统，该系统克服或改善上述缺点或问题中的一个或多个，或者至少提供有用的替代方案。

本发明的其他优选目标将从下列描述中变得明显。

技术实现要素：

在一个形式中，但无需是唯一或真正最广泛的形式，提供一种海底开采系统，其包括：

至少一个集中系统，其处理海底材料；

至少一个取料机，其收集经处理的海底材料；以及

至少一个运输系统，其接收由取料机收集的经处理的海底材料，并且将经处理的海底材料提升到水面船舶；

其中运输系统是将取料机收集的离散的一批批海底材料运送到水面船舶的机械运输系统。

优选地，至少一个集中系统适于将经处理的海底材料布置在海底上，并且至少一个取料机适于从海底上的布置的经处理的海底材料中收集经处理的海底材料。优选地，至少一个集中系统适于将经处理的海底材料在海底上布置成料堆。优选地，至少一个取料机适于从海底上的料堆中收集经处理的海底。

优选地，至少一个集中系统包括海下车辆。优选地，海下车辆被拖船拖曳，所述拖船优选地位于水面上。优选地，海下车辆包括位于海底上的结核收集设备。优选地，结核收集设备连接到操纵车辆。优选地，操纵车辆适于由拖船拖曳。

优选地，海下车辆包括位置确定装置，所述位置确定装置适于确定结核收集设备的位置。优选地，位置确定装置将结核收集设备的位置信息传送到操纵车辆和/或拖船。

优选地，操纵车辆适于改变结核开采设备的方向。适当地，操纵车辆适于响应于接收到来自位置确定装置的结核收集设备的位置信息而改变结核收集设备的方向。

优选地，结核收集设备包括多个结核收集装置。优选地，结核收集装置紧固到支撑构件。优选地，每个结核收集装置适于从邻近结核收集装置下侧的海底收集矿石结核，并且将这些结核传送到出口管。优选地，结核收集设备包括组合出口管，所述组合出口管适于从每个结核收集装置的出口管接收收集的矿石结核，并且以料堆的形式将收集的结核重新沉积在海底上。

优选地，运输系统包括一个或多个容器。优选地，容器从取料机接收经处理的海底材料，并且将经处理的海底材料携带到水面。优选地，运输系统包括至少部分地在海底与水面之间延伸的至少一个缆索构件。优选地，容器连接到缆索构件。优选地，容器由缆索构件拖曳。优选地，缆索构件由绞车驱动。优选地，缆索构件的至少大部分是合成绳索。

优选地，每个容器具有可操纵元件，所述可操纵元件使得容器能够随着它被推进(优选拖曳)时而在水中进行操纵。优选地，可操纵元件包括至少一个可调节表面。可操纵元件可包括舵、翼片、助推器和/或至少一个可调节水翼。优选地，可操纵元件被控制以引导容器沿着一路径。可操纵元件可被远程控制，但优选自主控制。优选地，通过主动修整可操纵元件来控制可操纵元件。

优选地，容器进一步包括位置确定系统，甚至更优选地，基于惯性测量来提供位置估计的惯性导航系统。优选地，相对于来自位置确定系统的位置估计来控制可操纵元件。优选地，容器经过编程以遵循预定路径。

优选地，至少一个取料机包括在海底上在经处理的海底材料上行驶的海底车辆。优选地，取料机适于收集海底上的经处理的海底材料的料堆，而不从海底中收集大部分的未处理的海底材料。优选地，至少一个取料机包括泵，从而以淤浆形式将经处理的海底材料液压泵送到临时储存容器。优选地，临时储存容器是悬浮在海底上方的缓冲器。优选地，缓冲器经由淤浆软管从所述取料机接收经处理的海底材料。优选地，缓冲器进一步对收集的海底材料进行加工。

优选地，临时储存容器被配置成将收集的海底材料转移到运输系统的容器。优选地，运输系统的容器行进到临时储存容器，并且从临时储存容器装载离散的一批海底材料。优选地，容器随后将离散的一批海底材料从临时储存容器携带到水面。

优选地，多个容器将收集的海底材料从至少一个临时储存容器运送到单个水面船舶。优选地，多个取料机将经处理的海底材料从海底收集到至少一个临时储存容器。

在另一形式中，本发明在于一种对海底进行开采的方法，所述方法包括下列步骤：

通过借助于集中系统处理海底材料，对所需的海底材料进行集中；

借助于取料机来收集经处理的海底材料；

使用机械运输系统将收集的海底材料运送到水面船舶，所述机械运输系统将离散的一批批海底材料从取料机运送到水面船舶。

优选地，对所需的海底材料进行集中的步骤包括沿着海底在拖船的后面拖曳结核收集设备，所述拖船优选位于水面上。优选地，对所需的海底材料进行集中的步骤包括确定结核收集设备何时偏离预定路径。优选地，如果确定结核收集设备偏离预定路径，那么改变结核收集设备的方向，以将结核收集设备返回到预定路径。优选地，海下操纵车辆设置在拖船与结核收集设备之间，并且适于改变结核开采设备的方向。

优选地，将收集的海底材料运送到水面船舶的步骤包括将收集的海底材料转移到位于海底处或附近的至少一个容器。优选地，所述方法进一步包括通过至少一个缆索构件将容器拖曳到水面。优选地，将容器拖曳到水面包括使用容器的至少一个可操纵元件来引导容器。

优选地，收集海底材料的步骤包括经由管道优选以淤浆形式将收集的海底材料从取料机转移到临时储存容器。优选地，将收集的海底材料转移到位于海底处或附近的至少一个容器的步骤包括将收集的海底材料从临时储存容器转移到容器。

本发明的进一步特征和优点将从下列详细描述中变得明显。

附图说明

下文将参考附图，仅以实例的方式更全面地描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1是海底开采系统的立体图；

图2是海底开采系统的侧面正视图；以及

图3是海底开采系统的平面图。

具体实施方式

图1到图3示出海底开采系统10，所述海底开采系统包括集中系统50，所述集中系统包括海下车辆，所述海下车辆具有连接到由拖船520拖曳的操纵车辆510的结核收集设备500。为了实现海底开采系统10所需的吞吐量需求，可存在一个或多个集中系统50。海底开采系统10还包括一个或多个取料机300和机械运输系统40，所述机械运输系统包括连接到在采用缓冲器200形式的临时储存容器之间延伸的缆索构件150的容器400，以及水面船舶100。

集中系统50的操纵车辆510经由拖绳522而紧固到拖船520，并且结核收集设备500通过车辆缆索512紧固到操纵车辆510。拖船520采用船、拖轮或轮船的形式。操纵车辆510优选采用适于远程操作和/或被编程为遵循预定航线的遥控式拖曳车辆(rotv)的形式。

操纵车辆510位于结核收集设备500的近侧、拖船520的远侧。例如，在结核收集设备500在深度‘d’(见图2)约5,000米的水中操作的情况下，拖船520与结核收集设备500之间的距离可以是8,000米。根据该距离，操纵车辆510优选放置成与结核收集设备500相距约20到100米。

机械运输系统40经由管道接收来自取料机300的收集的海底材料，所述管道采用连接到缓冲器200的入口的淤浆软管310的形式。缓冲器200储存一些收集的海底材料，并且当容器400位于附近(如图1所示)时，离散的一批海底材料被转移到容器400中。一旦容器400被装载，相应的缆索构件150便将容器400拖曳到水面，容器在所述水面卸货到水面船舶100。缆索构件150是由位于水面船舶100上的绞车110驱动的合成绳索。容器400具有可操纵元件，优选可调节翼片，所述可操纵元件使得容器400能够在它被缆索构件150拖曳时在水中进行操纵，以防止水下缆索缠结和/或相邻容器400碰撞。为了增加整体海底开采系统10的运输能力，可集合多于一个机械运输系统40，以提供多运输系统40，如图1所示。

在使用中，至少一个集中系统50通过在拖船520后面拖曳结核收集设备500来对海底20进行处理，所述结核收集设备具有紧固到支撑构件的多个结核收集装置。结核收集设备500由操纵车辆510指导，所述操纵车辆使用来自位置确定装置的位置数据来控制结核收集设备500的路径，以遵循预定路径。

随着结核收集设备500横穿海底20，结核收集设备的每个结核收集装置收集来自邻近结核收集装置的下侧的海底的结核，并且将这些结核传送到组合出口管514。由结核收集设备500处理的海底材料的结核被布置成集中料堆22。随着结核收集设备500横穿海底20，它使用位置确定装置进行导航，并且形成多个细长的料堆22，所述料堆随后在之后的时间被取料机300拾取。

根据系统吞吐量需求，一个或多个取料机300横穿经处理的海底24，从而从料堆22中收集经处理的海底材料。取料机300优选履带车或阿基米德螺旋推进车，它们能够使用自己的动力横穿海底的柔软且通常有粘着力的泥，并且不被任何其他形式的船舶拖曳。取料机300能够以敏捷的方式操纵，以使得取料机300能够越过地形并且可靠地收集已经沉积在料堆22中的海底材料。取料机300各自由集成管束(umbilical)310供电和控制，所述集成管束从缓冲器200行进到取料机300。通过利用来自缓冲器200的电力和控制，到达取料机300的集成管束比取料机由来自水面船舶100的集成管束供电和控制的情况短得多。来自取料机300的收集的海底材料随后以淤浆的形式通过柔性淤浆软管310运送到缓冲器200。

容器400在缓冲器200与水面船舶100之间行进。当容器400位于邻近缓冲器200时，它们被填满离散的一批海底材料。一旦海底材料已从缓冲器200中转移，容器400便被缆索构件150拖曳到水面，所述缆索构件由水面船舶100上的绞车110供电。随着容器在缓冲器与水面船舶100之间行进，可操纵元件进行修整，以使得容器沿着将避免缠结或碰撞的路径。一旦容器到达水面，它便卸载该批海底材料并且向下朝向缓冲器200发回。

有利的是，海底开采系统10提供至少三个阶段的有效分开式系统，所述三个阶段是：集中阶段，其在海底上形成经处理的海底材料的料堆22；取料机阶段，其将材料从料堆22运送到缓冲器200；以及运输阶段，其将经处理的海底材料从缓冲器200运送到水面船舶100。三个阶段可在不同区域不同时间执行，从而实现多个有效改进。

例如，集中系统50可在海底的较大区域上操作以形成料堆，而没有与运输系统40缠结或阻碍取料机300的风险。例如，进行操作的取料机300的数量可变化，以确保在不同地形区域中或在具有不同量的海底材料的区域中，运输系统40保持供应充足。此外，如果运输系统40中存在任何停机时间，例如，归因于维护或设备故障，那么它不会阻止集中系统50继续将海底20处理成料堆22或者不会阻止取料机300工作以填充缓冲器200或移动到新位置。

由于海底材料已经被集中成料堆22，因此，取料机300可有效收集集中的海底材料。由于取料机300不是集中系统50的一部分，因此，它们也可在集中系统已完成操作的区域中操作，从而它们不会妨碍集中系统。此外，如果集中系统50中存在任何停机时间，例如，归因于维护或设备故障，那么它不会阻止运输系统40继续收集和运送海底20上的料堆22中的先前处理的海底材料。此外，如果取料机300停止生产，例如，以移动到新位置，那么缓冲器200和容器400可继续将海底材料供应到水面船舶100。

机械运输系统还是节能的，与竖管相比非常节能。被引导的容器400也克服与水下机械运输系统相关联的很多问题，诸如，在这样长的深度(例如，约5,000m)上尤其成问题的缠结和碰撞。

因此，海底开采系统10提供稳健且商业上有效的方式来发现和获取有价值的海底材料。

尽管附图将水面与海床之间的距离示为相对接近，但这只是为了方便，并且将了解，本发明通常将用在深海应用中，其中海床超过2,000m深，通常约4,000m到5,000m深。本文中对海底、海床、海下等的引用只是为了方便，并且可同样应用于其他水体，诸如，像具有湖床的湖等。

在本说明书中，诸如第一和第二、左和右、顶部和底部等等的形容词只是用来将一个元件或动作与另一元件或动作区分开，而不必要求或暗示任何实际的此类关系或顺序。在上下文允许的情况下，对整体或者部件或步骤(等等)的引用不应解释为仅限于该整体、部件或步骤中的一个，而可以是该整体、部件或步骤等中的一个或多个。

对于相关领域的技术人员而言，出于说明的目的，提供了对本发明的各种实施例的以上描述。并不意图详细列举或者将本发明限于揭示的单个实施例。如上文所述，上述教示的领域的技术人员将明白本发明的很多替代和变化。因此，尽管已经具体论述了一些替代实施例，但对本领域普通技术人员而言，其他实施例将是明显的或相对易于开发的。本专利意图涵盖本文中已经论述的本发明的所有替代、更改和变化，以及落入上述本发明的精神和范围内的其他实施例。

在本说明书中，术语“包括(comprise)”、“包括(include)”或类似术语意图指代非排它性的包括，从而使得包括元件列表的方法、系统或设备不只是包括这些元件，而是也可包括未列出的其他元件。