安偉，趙宇鵬，李建偉，王永剛，陳海波

(1. 中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司 天津 300452； 2. 國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061；3.中國科學(xué)院海洋研究所 青島 266071)

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南海深水區(qū)水下溢油三維可視化模擬系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

安偉1，趙宇鵬1，李建偉1，王永剛2，陳海波3

(1. 中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司 天津 300452； 2. 國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061；3.中國科學(xué)院海洋研究所 青島 266071)

針對南海油氣田勘探開發(fā)溢油污染防治需求，開發(fā)了國內(nèi)首套深水區(qū)水下溢油三維可視化模擬系統(tǒng)，由三維海流預(yù)報(bào)模型、深水溢油模型、三維可視化仿真系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫組成。海流預(yù)報(bào)模型基于ROMS模式，通過考慮波致混合影響，并利用最優(yōu)插值技術(shù)同化衛(wèi)星測高資料和嵌套技術(shù)，保障了預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性。深水溢油模型由羽流模型和對流擴(kuò)散模型組成，考慮了卷吸、油氣分離、溶解、水合物生成、漂移、擴(kuò)散等復(fù)雜過程。系統(tǒng)能夠預(yù)測深水區(qū)水下油氣泄漏后行為和歸宿過程，提供油、氣、天然氣水合物粒子的大小、分布、移動(dòng)速度和漂移軌跡、擴(kuò)散面積、水體溢油殘存量、水面溢油量等三維可視化動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果。目前系統(tǒng)已經(jīng)在油氣田勘探開發(fā)中得到應(yīng)用，為南海深水溢油應(yīng)急提供了重要支撐。

深水溢油模型；可視化系統(tǒng)；溢油應(yīng)急；三維仿真；羽流；對流擴(kuò)散

2010年美國墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺(tái)爆炸導(dǎo)致的溢油事故，給墨西哥灣海洋生態(tài)和沿岸經(jīng)濟(jì)造成巨大災(zāi)難，也為全球深水區(qū)(水深大于300 m)的油氣勘探開發(fā)活動(dòng)敲響了警鐘。南海是我國深水油氣田開發(fā)的主戰(zhàn)場，特殊的區(qū)域環(huán)境、復(fù)雜油氣藏特性，以及淺層災(zāi)害、地層孔隙壓力和破裂壓力窗口狹窄等使的水下溢油風(fēng)險(xiǎn)劇增[1]。與淺水區(qū)和海面溢油不同，深水區(qū)溢油(含氣體)從水下升至海面的過程中，由于受海流、溫度和壓力的影響，漂移擴(kuò)散和物理化學(xué)性質(zhì)變化十分復(fù)雜，對其行為和歸宿的數(shù)值模擬工作也變得十分困難。自20世紀(jì)70年代，挪威SINTEF和美國Clarkson大學(xué)相繼開展了深水區(qū)水下溢油模型的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，分別建立了DEEPFLOW模型和CDOG模型，并開發(fā)了相關(guān)軟件系統(tǒng)[2-6]。近幾年，我國在深水溢油數(shù)值模擬方面也做了部分工作，但與國外相比還存在一定的差距[7-12]。目前國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)可深水溢油包括噴射流階段、浮力羽流階段和對流擴(kuò)散階段，經(jīng)歷油氣相分離、水合物形成、卷吸、油-氣-水合物溶解、羽狀流的懸浮以及漂移、擴(kuò)散等復(fù)雜過程，并以此理論為基礎(chǔ)，開展深水溢油模型的開發(fā)和優(yōu)化工作。

針對我國南海海域環(huán)境條件和溢油應(yīng)急需求，我們建立了南海高分辨率三維水動(dòng)力預(yù)報(bào)模型和深水區(qū)水下溢油模型，開發(fā)了國內(nèi)首套深水溢油三維可視化模擬系統(tǒng)，能夠?qū)δ虾Ｉ钏畢^(qū)水下溢油動(dòng)態(tài)進(jìn)行快速預(yù)測和實(shí)時(shí)顯示，極大地提高了我國深水區(qū)海上溢油應(yīng)急快速反應(yīng)能力。本文介紹了該系統(tǒng)的組成、功能以及特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

深水區(qū)水下溢油三維可視化模擬系統(tǒng)是基于三維海洋水動(dòng)力模型和深水溢油模型建立的水下溢油行為仿真預(yù)測系統(tǒng)，包括溢油預(yù)測、三維仿真、結(jié)果輸出和數(shù)據(jù)庫4個(gè)功能模塊(圖1)，能夠提供油、氣、天然氣水合物粒子的狀態(tài)(大小、分布和移動(dòng)速度)和行為(漂移軌跡、擴(kuò)散面積、水體溢油殘存量、水面溢油量)的三維可視化動(dòng)態(tài)模擬，通過圖片、視頻、精準(zhǔn)坐標(biāo)記錄等形式，再現(xiàn)水下溢油事故的全過程，為溢油應(yīng)急演習(xí)演練、應(yīng)急計(jì)劃編制和溢油事故決策指揮提供參考。

圖1 深水區(qū)水下溢油三維可視化模擬系統(tǒng)框架

系統(tǒng)基于C/S模式構(gòu)建，超大計(jì)算量的水動(dòng)力預(yù)報(bào)由服務(wù)器完成，人-機(jī)交互部分融入客戶端，同時(shí)采用數(shù)據(jù)公開加密算法(data encryption standard，DES)對客戶端和服務(wù)器之間數(shù)據(jù)交換進(jìn)行加解密，充分保證數(shù)據(jù)的安全性。開發(fā)語言使用Microsoft Visual C++，利用其面向?qū)ο蠹夹g(shù)架設(shè)開放式接口、多線程并發(fā)式計(jì)算等系統(tǒng)模式，使系統(tǒng)具備良好的兼容性、可擴(kuò)展性和計(jì)算性能，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部各功能模塊之間以及與外部數(shù)據(jù)鏈接和集成。

2 深水區(qū)水下溢油預(yù)測

深水區(qū)水下溢油過程復(fù)雜，導(dǎo)致其物理化學(xué)性質(zhì)變化較大，同時(shí)監(jiān)視監(jiān)測和探測手段不多，特別是油污量和影響范圍等無法像海面溢油采用遙感和現(xiàn)場人員觀測的方式獲得直觀的信息，因此準(zhǔn)確預(yù)測油污從水下到海面的動(dòng)態(tài)對溢油應(yīng)急起著關(guān)鍵性作用。本系統(tǒng)在對深水溢油行為和歸宿理論研究的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)，并基于南海三維水動(dòng)力預(yù)報(bào)模型和深水溢油模型，能夠預(yù)測油(氣)自海底至海面過程中的漂移擴(kuò)散軌跡和狀態(tài)變化。

2.1 南海海流數(shù)值預(yù)報(bào)模式

基于ROMS(regional oceanic modeling system)模式建立了南海海域高分辨率海流數(shù)值預(yù)報(bào)模型，通過考慮波致混合影響并利用最優(yōu)插值技術(shù)同化衛(wèi)星測高資料，保障了預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性[13]。鑒于關(guān)注海域?yàn)檎麄€(gè)南海(99°E—125°E，2°N—25°N)，通過大區(qū)域模式(覆蓋整個(gè)南海，水平網(wǎng)格分辨率1°/16°)和小區(qū)域模式(南海西部和東部，水平網(wǎng)格分辨率1°/32°)嵌套，既實(shí)現(xiàn)南海海域的預(yù)測，又保證了重點(diǎn)關(guān)注海域的計(jì)算分辨率。

2.2 深水溢油模型

根據(jù)深水水下溢油模型對3個(gè)階段油氣的行為和特征，我們將噴射階段和羽流階段合并采用羽流動(dòng)力模型描述，采用Lagrangian積分技術(shù)進(jìn)行模擬；將對流擴(kuò)散階段采用對流擴(kuò)散模型描述，采用Lagrange 粒子追蹤法進(jìn)行模擬。兩個(gè)模型的描述見表1，具體研究過程參見其他學(xué)者研究，如陳海波等[7-10]。

表1 深水溢油模型描述

在模擬計(jì)算中，確定油氣上升過程中羽流模型和對流擴(kuò)散模型的轉(zhuǎn)換點(diǎn)至關(guān)重要，本系統(tǒng)采用中性浮力層劃分兩種模型之間的分界點(diǎn)。由于垂向溫度、鹽度梯度的變化，環(huán)境流體密度在垂向上也是變化的，羽流在上升過程中由于卷吸作用密度越來越大，當(dāng)羽流密度等于環(huán)境流體的密度時(shí)，這一平面即為中性浮力層，作為羽流動(dòng)力模型轉(zhuǎn)化對流擴(kuò)散模型的分界線。

3 三維可視化系統(tǒng)開發(fā)與功能

本系統(tǒng)重點(diǎn)針對海洋三維水動(dòng)力環(huán)境開展增強(qiáng)和優(yōu)化，可視化部分采用OpenSceneGraph三維引擎，內(nèi)部封裝的OpenGL底層細(xì)節(jié)通過場景圖進(jìn)行三維展示，能夠更加精準(zhǔn)地模擬海底地形、海洋分層流場、海浪、海水光照等海洋環(huán)境因素，在海洋環(huán)境三維場景空間對象的構(gòu)建、組織和交互進(jìn)行增強(qiáng)，形成一套可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的溢油三維仿真系統(tǒng)，為用戶提供便捷、直觀的可視化交互服務(wù)。

3.1 三維仿真

3.1.1 油粒子仿真

油粒子仿真模型具有三維坐標(biāo)、時(shí)間、速度、方向、半徑等多維屬性，保存了粒子在某一時(shí)刻的綜合狀態(tài)，本系統(tǒng)基于GPU繪制技術(shù)，加快了大規(guī)模油粒子數(shù)據(jù)更新計(jì)算和渲染過程，能夠支持5萬個(gè)溢油粒子的動(dòng)態(tài)仿真。

3.1.2 地形仿真

通過OSG幾何繪制的三角網(wǎng)格法，采用大量數(shù)據(jù)點(diǎn)快速繪制和頂點(diǎn)數(shù)組索引綁定的方式，實(shí)現(xiàn)海底地形大規(guī)模數(shù)據(jù)的快速渲染。同時(shí)通過碰撞檢測技術(shù)和多邊形分割化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)局部海面場景的顯示。

3.1.3 海流仿真

海流三維仿真模塊可以對垂向20層海流大小和方向進(jìn)行顯示，并可以控制海流的經(jīng)度間隔、緯度間隔、箭頭大小參數(shù)、海流粗細(xì)參數(shù)和垂直線參數(shù)。

3.1.4 模型加載

對關(guān)注海域內(nèi)船舶、石油平臺(tái)和油氣管道等常見海上設(shè)施，可以通過模型加載在系統(tǒng)中呈現(xiàn)，加載模型后可實(shí)現(xiàn)模型變換、修改、刪除和添加等功能。

3.2 操作與控制

3.2.1 菜單欄與工具欄

系統(tǒng)提供菜單欄、工具欄、對話框、浮動(dòng)欄、鼠標(biāo)、鍵盤控制等，滿足用戶多功能、多操作形式下對場景的控制和交互，可以通過鼠標(biāo)和快捷鍵的組合實(shí)現(xiàn)快速瀏覽，也可以通過工具欄進(jìn)行像素級的場景平移旋轉(zhuǎn)觀察，對應(yīng)的操控方法與菜單欄上控制按鈕相對應(yīng)。

3.2.2 過程控制與設(shè)置

(1)溢油模擬播放：通過滑動(dòng)速度控制滑動(dòng)條，控制粒子運(yùn)動(dòng)速度，模擬計(jì)算時(shí)可以全程、任意時(shí)刻觀看模擬過程，也可暫停觀測單點(diǎn)狀態(tài)。

(2)粒子顯示設(shè)置：通過對不同類型油粒子進(jìn)行顏色、半徑選擇，加強(qiáng)顯示效果。

(3)場景觀察：通過調(diào)節(jié)粒子擴(kuò)展范圍、背景顏色、海面透明度和地形顏色等，便于觀察。

3.2.3 標(biāo)注與顯示

(1)標(biāo)注：在三維場景中可以任意添加文字信息，方便用戶對重要信息進(jìn)行備注或者提醒。

(2)角度切換：觀察角度切換功能可以通過調(diào)整水平角、高度角、參考點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離等參數(shù)，加強(qiáng)觀測的多角度多方位。

(3)優(yōu)化顯示：通過此功能可以進(jìn)行單一坐標(biāo)軸方向的比例尺放大和縮小。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)開發(fā)完成后，在雪佛龍公司南海的42-05區(qū)塊溢油應(yīng)急計(jì)劃編制中進(jìn)行了應(yīng)用。模擬區(qū)域位于114°57′45.50″E、19°41′36.74″N，井口水深1 486 m，模擬初始信息見表2。

表2 溢油模擬初始信息

由模擬系統(tǒng)顯示，油氣泄漏后，油粒子剛進(jìn)入水體時(shí)的漂移方向是東偏北，在1 200 m左右水深處轉(zhuǎn)向西南方向移動(dòng)，泄露222 min后，大油滴在距離溢油點(diǎn)(直線距離)1 335 m的西南方向首先達(dá)到海面。又經(jīng)過約277 min后，中油滴在距離溢油點(diǎn)(直線距離)2 719 m的西南方向達(dá)到海面。此時(shí)，總溢油量為550.9 t，其中有24.3 t漂浮于海面，并且大部分溢油仍然分布在溢油點(diǎn)的東北方向。

油氣泄漏24 h后，海面的油滴大部分處于溢油點(diǎn)的西側(cè)，較淺水域的油滴大部分在溢油點(diǎn)的西南方，較深水域的油滴大部分在溢油點(diǎn)的東北方，此時(shí)總溢油量達(dá)到1 337.1 t，其中到達(dá)海面的油量約為620.6 t，油的分布范圍較之前有了明顯增大。油氣泄漏48 h后，深水區(qū)的污染主要向東北擴(kuò)展，淺水區(qū)和海面的污染主要向西南擴(kuò)展，最遠(yuǎn)的油粒子位于溢油點(diǎn)以西23 988 m，以南5 105 m，與溢油點(diǎn)間的水平直線距離為24 525 m，浮出海面的油量增加到950.8 t。水體中剩余油污包括一部分中油滴和全部的小油滴，其中小油滴位于1 200 m以深的深水區(qū)，幾乎處于懸浮狀態(tài)，將需要更長的時(shí)間才能上升至海面。

5 總結(jié)

隨著我國南海油氣田開發(fā)的蓬勃發(fā)展，深水溢油風(fēng)險(xiǎn)日益增加。南海深水區(qū)水下溢油三維可視化模擬系統(tǒng)能夠?qū)σ缬托袨楹蜌w宿進(jìn)行快速預(yù)報(bào)，為海上溢油應(yīng)急決策指揮提供技術(shù)支持。該系統(tǒng)的建立和應(yīng)用，能極大地提升我國深水溢油風(fēng)險(xiǎn)防控能力，為深水油氣田開發(fā)保駕護(hù)航。同時(shí)由于我國在深水溢油模擬方面起步較晚，與國外有較大差距，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)室模擬研究工作。

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Developments and Applications of Underwater Oil Spill 3D Visualization System in the South China Sea Deepwater Area

AN Wei1,ZHAO Yupeng1,LI Jianwei1,WANG Yonggang2,CHEN Haibo3

(1. China Offshore Environmental Services Ltd., Tianjin 300452, China； 2. The First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China;3. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China;)

In view of requirements of oil spill pollution control in the South China Sea oil and gas field exploration and development, the domestic first set of underwater oil spill 3D visualization system has been built, which consists of 3D current forecast model, deepwater oil spill model, 3D visualization simulation system and database. The current forecast model based on the ROMS guarantee the accuracy of the forecast results by considering the wave mixing effect and by using the optimal interpolation technology assimilation satellite altimeter data and nested technology. The deepwater oil spill model is composed of plume model and convection diffusion model, considering the entrainment, oil and gas separation, dissolution, hydrate formation, drift and diffusion process. The system can predict the behavior and fate of underwater oil and gas leak process, providing size, distribution, speed and trajectory of oil, gas and hydrate particle, the diffusion area, the oil residual in water column and on the surface etc. Now the system has been applied in the oil and gas field exploration and development, providing an important support for deepwater oil spill response in the South China Sea.

Deepwater oil spill model, Visualization System, Oil spill emergency response, 3D simulation, Plume, Convection diffusion

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“海洋溢油污染風(fēng)險(xiǎn)評估及應(yīng)急響應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)集成及應(yīng)用示范”(201205012)；中國海洋石油總公司科技項(xiàng)目“深水區(qū)水下溢油數(shù)值模擬技術(shù)研究”.

安偉，高級工程師，博士，研究方向?yàn)楹Ｉ弦缬臀廴痉乐渭夹g(shù)，電子信箱：anwei2@cnooc.com.cn

P751

A

1005-9857(2016)03-0034-05