蘭志剛

(中海油能源發(fā)展股份有限公司北京分公司, 北京100027)

海洋內(nèi)波是在海水穩(wěn)定層化的海洋中產(chǎn)生的、最大振幅出現(xiàn)在海洋內(nèi)部的一種波動(dòng), 其恢復(fù)力主要是約化重力[1]。海洋內(nèi)波是災(zāi)害性海洋環(huán)境之一,海洋內(nèi)波流可產(chǎn)生巨大的水平推力, 威脅半潛式及錨定石油平臺(tái)穩(wěn)定性, 使平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)和立管系統(tǒng)發(fā)生整體推移或扭轉(zhuǎn)。周期性內(nèi)波的剪切還會(huì)導(dǎo)致浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(FPSO)和浮式平臺(tái)錨系疲勞破壞, 也會(huì)使得深吃水浮體系泊系統(tǒng)立管系統(tǒng)處于持續(xù)不斷的流動(dòng)和尾渦作用之下, 產(chǎn)生顯著的渦激振動(dòng), 降低平臺(tái)裝備的操作性能, 并會(huì)引發(fā)碰撞和疲勞斷裂, 嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的作業(yè)安全和性能;內(nèi)波也會(huì)影響鉆井作業(yè)操控。因此, 內(nèi)波的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于海洋工程設(shè)計(jì)開發(fā)和施工建設(shè), 以及海上安全生產(chǎn)、海洋國(guó)防和海洋研究具有十分重要的價(jià)值。

尹遜福等[2]早在1963年利用顛倒溫度計(jì)、南森瓶、厄克曼海流計(jì)等設(shè)備在舟山群島外海開展了我國(guó)最早的內(nèi)波觀測(cè), 由于采樣頻率較低, 通過(guò)數(shù)據(jù)分析僅得到了半日潮頻率的內(nèi)波; 趙俊生等[3-4]采用調(diào)查船布設(shè)由印刷海流計(jì)垂向陣列組成的潛標(biāo)系統(tǒng)觀測(cè)黃海內(nèi)波, 獲得了觀測(cè)海區(qū)的內(nèi)波信息; 葉建華等[5]在黃海依托調(diào)查船, 利用Endico海流計(jì)、顛倒溫度計(jì)、南森瓶及機(jī)械式BT等設(shè)備, 開展了海洋內(nèi)波定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè), 獲得了關(guān)于近慣性內(nèi)波的信息;方欣華等[6-8]在南海南沙群島附近海域多次采用調(diào)查船開展了內(nèi)波連續(xù)觀測(cè)。

由于現(xiàn)有的內(nèi)波測(cè)量系統(tǒng), 多采用自容式浮標(biāo)或潛標(biāo)技術(shù), 即把測(cè)量設(shè)備固定在漂浮于海面上的浮標(biāo)錨系上或系泊在海面以下的由浮體、錨系等構(gòu)成的潛標(biāo)系統(tǒng)上,由設(shè)備靠自身攜帶的電池自行完成測(cè)量和記錄; 對(duì)于采用潛標(biāo)技術(shù)的內(nèi)波測(cè)量系統(tǒng),由于海流的拖曳力作用, 其頂部主浮體隨海流作用的加大而不斷下潛, 導(dǎo)致懸掛其上的測(cè)量設(shè)備的水深和水平位置均發(fā)生變化, 無(wú)法很好地測(cè)量?jī)?nèi)波的垂直空間變化特征。另外, 電池的電容量限制也要求定期對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行回收, 更換電池, 從而限制了此類內(nèi)波測(cè)量系統(tǒng)工作的長(zhǎng)期性和連續(xù)性。利用調(diào)查船定點(diǎn)懸掛觀測(cè), 雖然可以解決供電問(wèn)題, 但無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所發(fā)明了一種裝有衛(wèi)星通訊終端的錨系水中可升降漂浮平臺(tái)實(shí)現(xiàn)海洋內(nèi)波數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量并能實(shí)時(shí)傳輸?shù)膬?nèi)波測(cè)量裝置系統(tǒng)[9], 該系統(tǒng)利用可收放絡(luò)車控制測(cè)量平臺(tái)在水中上下往復(fù)運(yùn)動(dòng), 從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)波測(cè)量。由于測(cè)量平臺(tái)升降過(guò)程需要時(shí)間,該系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)內(nèi)波在垂直分布上的同步測(cè)量,而且供電也是制約該系統(tǒng)長(zhǎng)期連續(xù)使用的主要因素之一。

南海, 特別是南海北部陸架陸坡區(qū), 是內(nèi)波活動(dòng)的頻發(fā)區(qū)[10]。Ebbesmeyer等[11]曾經(jīng)利用ADCP在南海東北部陸豐油田觀測(cè)到了大振幅內(nèi)孤立波在近海面水層產(chǎn)生的強(qiáng)往復(fù)流。如果能夠有效依托該水域的海洋石油平臺(tái)開展內(nèi)波測(cè)量, 無(wú)疑會(huì)大大提高內(nèi)波測(cè)量系統(tǒng)的可靠性、安全性和長(zhǎng)期工作能力, 為內(nèi)波測(cè)量提供一種可靠的技術(shù)手段。

作者根據(jù)位于南海東北部陸坡區(qū)的PY30-1平臺(tái)結(jié)構(gòu)和當(dāng)?shù)厮钐攸c(diǎn), 開發(fā)依托平臺(tái)并利用電纜實(shí)時(shí)供電、控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠欣|潛標(biāo)實(shí)時(shí)內(nèi)波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)安裝布放于PY30-1平臺(tái)上, 開展了長(zhǎng)期內(nèi)波觀測(cè), 成功捕獲了多個(gè)內(nèi)波過(guò)程。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安裝方案

PY30-1平臺(tái)位于 20°15′N, 114°57′E的南海水域,毗鄰南海東部陸坡區(qū), 水深 200 m, 是內(nèi)波多發(fā)區(qū)域。該平臺(tái)水下部分為8腿導(dǎo)管架直立塔式結(jié)構(gòu), 上部組塊有5層甲板。平臺(tái)甲板探出導(dǎo)管架十余米, 具備很好的懸掛式投放水下設(shè)備的條件。因此, 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成在平臺(tái)上懸掛安裝的結(jié)構(gòu)形式, 系統(tǒng)由安裝在平臺(tái)上的控制終端、電源、布放絞車、滑輪組、鋼纜以及位于水下的觀測(cè)設(shè)備陣列、聲學(xué)釋放器、錨定重塊等部件組成, 并且有平臺(tái)通過(guò)電纜供電、實(shí)施控制和數(shù)據(jù)傳輸。詳見(jiàn)圖1。

圖1 平臺(tái)基有纜潛標(biāo)實(shí)時(shí)內(nèi)波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 A schematic diagram of the cable subsurface buoy system for monitoring internal waves on an offshore oil platform

現(xiàn)有的研究表明, 南海海水層化多發(fā)生在水下100 m 左右[12], 因此, 測(cè)量設(shè)備整列將集中在水下20～200 m范圍內(nèi)。設(shè)備陣列由 3臺(tái)單點(diǎn)海流計(jì)、3臺(tái)溫鹽深傳感器(CTD)和 23臺(tái)水溫測(cè)量設(shè)備組成,形成溫鹽測(cè)量范圍為180 m的測(cè)量系統(tǒng)。從水下20 m處開始布放第一個(gè)探頭, 水下200 m處布放最后一個(gè)探頭, 溫鹽深探頭 CTD和海流計(jì)分別安裝在水下20, 100和200 m處。為了提高測(cè)量精度, 應(yīng)在躍層附近加密測(cè)量, 因此在水下70～130 m, 每5 m布放一個(gè)溫度探頭, 其余深度上每 10 m一個(gè)溫度探頭。

絞車安裝在海洋平臺(tái)甲板邊緣, 用于投放和懸掛測(cè)量探頭于水下; 溫鹽(CT)探頭和海流計(jì)所組成的內(nèi)波測(cè)量設(shè)備陣列, 按前述空間距離依次串接在一根定制的電纜上, 并用卡子固定在鋼纜上, 用于測(cè)量海水中內(nèi)波引起的溫鹽和流速變化; 定制電纜為5芯電纜, 其中2芯用于向探頭供電, 另外3芯組成 RS485總線, 利用測(cè)量探頭本身具備的可尋址RS485通信功能, 用于和工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信, 詳見(jiàn)圖 2; 重物錨系, 投放并坐在海底, 與絞車配合用于將內(nèi)波測(cè)量探頭鏈錨定在水中; 聲學(xué)釋放器, 串接于重物錨系和絞車鋼纜前端, 其下端的釋放勾通過(guò)釋放勾連接環(huán), 與重物錨系連接, 用于完成測(cè)量后,釋放重物以回收水下測(cè)量設(shè)備; 作為控制和數(shù)據(jù)接收終端的工控機(jī), 通過(guò)定制電纜以 RS485通信方式發(fā)送指令控制每臺(tái) CTD和海流計(jì)啟動(dòng)測(cè)量, 并通過(guò)該電纜接收儲(chǔ)存和顯示CTD和海流計(jì)的測(cè)量結(jié)果。供電電源, 用于通過(guò)定制的電纜向探頭供電。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電和通信電纜結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 The schematic diagram of cable

為了便于投放, 懸掛設(shè)備的鋼纜由上下兩部分組成, 投放時(shí)首先將測(cè)量探頭通過(guò)定制電纜上的接頭連接在定制電纜上, 再將探頭和定制電纜用卡子固定在下端鋼纜(探頭固定鋼纜)上, 然后利用作業(yè)船只上的絞車將該部分設(shè)備投放至水下, 直至重物錨系坐落在海底。然后用上下鋼纜連接環(huán)將上下兩部分鋼纜對(duì)接, 并利用絞車將鋼纜拉緊即可。

由于電纜無(wú)法通過(guò)導(dǎo)向滑輪引到平臺(tái)上, 本系統(tǒng)在上下鋼纜連接環(huán)上斜向拉一根鋼纜至平臺(tái)上,用于將電纜引上平臺(tái), 與支流供電電源及工控機(jī)連接(圖 1)。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

系統(tǒng)研制成功后于2011年3月底在PY30-1平臺(tái)上進(jìn)行了安裝、布放。該海域水深約200 m, 懸掛點(diǎn)甲板高程為50 m。由于設(shè)備無(wú)法穿越吊點(diǎn)滑輪, 僅僅利用甲板絞車無(wú)法完成投放, 因此設(shè)計(jì)了利用作業(yè)船配合進(jìn)行投放的施工方案。為便于布放, 將錨系鋼纜分為水上部分和水下部分兩段。水下部分利用作業(yè)船只以兩條布放鋼纜I、II交替接續(xù)方式進(jìn)行投放。設(shè)備先行連接至錨系水下部分, 水下部分每隔20 m左右安裝一個(gè)不銹鋼吊環(huán)(圖3a)。布放鋼纜一端纏繞在工程船的絞車上, 由絞車進(jìn)行收放, 另一端與機(jī)械釋放器連接(圖3b)。該機(jī)械釋放器在受力時(shí)自行鎖緊, 不受力時(shí), 自動(dòng)完成釋放。布放時(shí), 首先由布放鋼纜 I的釋放器抓緊鋼纜第一個(gè)不銹鋼吊環(huán),在錨系重物重力作用下, 布放鋼纜I的釋放器受力鎖緊, 采用絞車I將受力鋼纜送入海中, 布放鋼纜II釋放器抓緊第二個(gè)不銹鋼吊環(huán), 直至輔助鋼纜 II釋放器受力鎖緊, 輔助鋼纜I釋放器不受力后自動(dòng)釋放。以此類推, 直至錨系重物觸底。

圖3 有纜潛標(biāo)輔助投放機(jī)構(gòu)Fig. 3 Auxiliaries for deploying cable subsurface buoy

圖4 測(cè)量系統(tǒng)安裝、投放過(guò)程Fig. 4 Installation and deployment of the cable subsurface buoy

水下部分布放完畢后與甲板絞車上的水上部分鋼纜進(jìn)行組裝連接, 完成整個(gè)投放過(guò)程。圖4是設(shè)備連接(圖 4a)、布放過(guò)程(圖 4b)、安裝選位(圖 4c)及PY30-1平臺(tái)(圖4d)的施工現(xiàn)場(chǎng)照片。

系統(tǒng)布放和調(diào)試完成后, 于 4月起正式投入運(yùn)行, 捕捉到了多個(gè)內(nèi)孤立波過(guò)程。圖 5是利用 2011年5月22日測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制全剖面等溫線圖, 可以明顯地看出, 在24 h內(nèi)出現(xiàn)了數(shù)次顯著的毛刺狀等溫線波動(dòng), 反映出發(fā)生過(guò)較大振幅的內(nèi)孤立波過(guò)程。幾次較大的過(guò)程分別發(fā)生在05: 00～07: 00點(diǎn)、09: 00～10: 00點(diǎn)、13:00～14: 00點(diǎn)和 17:00～18: 00點(diǎn)之間。除上述高頻毛刺狀大幅波動(dòng)外, 也能看出等溫線有明顯的低頻日變化起伏, 表現(xiàn)出明顯的潮致內(nèi)波特征。從內(nèi)波發(fā)生過(guò)程的等溫面變化來(lái)看, 整個(gè)水深等溫面變化基本上是同相位的, 呈現(xiàn)第一模態(tài)的波動(dòng)特征。

3 結(jié)論

根據(jù)南海北部陸坡區(qū)的PY30-1平臺(tái)結(jié)構(gòu)和當(dāng)?shù)厮钐攸c(diǎn), 開發(fā)了平臺(tái)基有纜潛標(biāo)內(nèi)波監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)采用懸掛布放方式, 利用電纜實(shí)施供電、控制和數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有如下優(yōu)點(diǎn): (1)依托海洋平臺(tái)構(gòu)建內(nèi)波測(cè)量系統(tǒng), 不易被盜和丟失, 確保了系統(tǒng)的在位安全性。(2)可實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)供電和內(nèi)波的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。與自容式潛標(biāo)內(nèi)波測(cè)量系統(tǒng)相比, 大大提高了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性, 以及測(cè)量系統(tǒng)工作的長(zhǎng)期連續(xù)。(3)可以通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)了解水下測(cè)量探頭的工作狀態(tài), 及時(shí)發(fā)現(xiàn)和維護(hù)問(wèn)題設(shè)備, 提高數(shù)據(jù)的有效性、連續(xù)性和安全性。

系統(tǒng)研制成功后, 安裝布放于 PY30-1平臺(tái)上,開展了長(zhǎng)期內(nèi)波觀測(cè), 成功捕獲了多個(gè)內(nèi)波過(guò)程。表明基于平臺(tái)的有纜潛標(biāo)內(nèi)波觀測(cè)系統(tǒng), 技術(shù)可行,豐富了現(xiàn)有的內(nèi)波觀測(cè)手段。

致謝: 感謝中海油能源發(fā)展股份有限北京分公司信息技術(shù)中心環(huán)境部宋積文、石新剛和王智超工程師以及中國(guó)科學(xué)院海洋研究所李思忍研究員、倪佐濤工程師等人的現(xiàn)場(chǎng)投放和數(shù)據(jù)收集整理工作。

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