于 洋，閆慶勛，劉 磊，陳冠軍，郝高建

(中海油田服務股份有限公司 天津300457)

我國南海海盆中存在豐富的油氣資源。隨著淺水區(qū)域開發(fā)逐漸飽和，深水油氣資源開發(fā)已逐步展開。深海油氣的開采和運輸需要在海底鋪設安裝大量的水下生產設施和海底電纜管道，海底電纜管道及其他水下設施通常需在海底持續(xù)服役十幾年甚至更長時間。根據國內現行的行業(yè)標準，深水區(qū)海底流場條件成為海底管道穩(wěn)定性設計的主要因素。因此，查明工程海區(qū)底流情況是保證深水油氣安全開發(fā)不可或缺的前提。

1 結構形式選取

在深水海區(qū)進行長時間的水文觀測，潛標是當前海洋調查的不二選擇，近幾十年來潛標觀測在國內外得到廣泛應用。依據潛標的結構可分為兩大類，第一類是鏈式潛標，第二類是座底式潛標。鏈式潛標也叫單點緊繃式潛標，即整個潛標通過纜繩、電纜、錨鏈等將觀測設備依次連接而成，呈鏈式垂直分布于海水中，通過浮力使?jié)摌随湵３志o繃狀態(tài)。座底式潛標是將所有設備集成在一個海底支架或防拖掩體內，將支架或防拖掩體置于海底觀測近海底環(huán)境要素。

在以往的調查應用中發(fā)現，座底式潛標更適合地形平坦、底質較硬的海底。當海底存在凹坑或凸起等特殊微地貌或海底底質較軟時，座底支架易發(fā)生傾斜或下陷，進而影響數據質量甚至回收失敗。本次計劃觀測的海區(qū)位于南海北部陸坡區(qū)，水深大，深海沉積軟且深，因此從系統(tǒng)安全和數據質量考慮，確定底流觀測系統(tǒng)采用單點緊繃式設計。

2 基本結構設計

為便于分析和描述，根據部件的作用不同將系統(tǒng)分為三大部分:觀測設備、浮體組件和錨定部分。

2.1 觀測設備

本系統(tǒng)中觀測設備為海流計，設備應滿足技術要求，能在高壓、低溫和低流速的環(huán)境下獲取長期、連續(xù)、高質量的底層海流數據。本次選用 SeaGuard RCM 海流計，耐壓深度 3000m。這是一種聲學海流計，其聲波水平發(fā)射和接收，可觀測固定層位的海流信息，其內部固態(tài)傳感器的部件非常適合監(jiān)測低流速海流。

2.2 浮體組件

浮體組件指浮球(玻璃和實心)和利用浮力材料(硬質泡沫或空心玻璃微珠等)加工的專用浮體及其他能夠提供浮力的組件。浮力組件的數量和搭配根據搭載儀器種類和數量以及布放海區(qū)海流強度等要素綜合決定。

本系統(tǒng)搭載的主要是海流計，根據其結構特點，無需另行加工專用浮體，因此浮力組件以浮球為主。浮體組件的數量選取主要遵循以下原則:

①確保整個系統(tǒng)在水中處于“上輕下重”的狀態(tài)。當釋放器脫鉤后，浮力大于剩余潛標重力，實現潛標成功回收。

②豎直方向存在足夠的浮力使整個系統(tǒng)處于緊繃狀態(tài)，保證潛標垂直分布，觀測設備位于預設深度，并保持正確的觀測姿態(tài)。這是因為不論是電磁海流計還是聲學海流計，當傾斜超過一定范圍，其測量精度均會受到影響，嚴重時甚至無法正常工作。

因此，設計要求系統(tǒng)凈浮力不能小于設備水下質量的總和。出于成本考慮，系統(tǒng)浮力應根據設備水下質量的總和來確定，進而初步確定浮體組件的類型和數量。浮力值可先保守估計，一般先取設備水下質量總和的2倍，后期再根據現場條件進行調整。

浮力組件的分布設計應遵循浮力分散原則，盡量避免將所有浮球集中一處。由于整個系統(tǒng)串聯(lián)了多個設備，其連接處存在因海水腐蝕或磨損等原因發(fā)生斷裂的風險。若浮體組件過于集中一旦發(fā)生斷裂，斷裂點以上設備隨浮體飄走，斷裂點以下設備將沉入海底難以回收。為了減少斷裂發(fā)生后的損失，應將浮力分散至系統(tǒng)不同位置，盡可能保證在任意連接點發(fā)生斷裂后，都留有足夠的浮力將剩余儀器帶回水面。

此外，適當地增加浮力可減少重力錨觸底后整個潛標系統(tǒng)垂向的振蕩位移，降低釋放器與重塊碰撞的風險。研究表明，潛標在下放過程中布放纜索錨固端的張力始終高于浮標端張力，當重力錨觸底瞬間系留索兩端的張力驟減，接著張力值又驟增達到峰值，如此張力值發(fā)生振蕩式波動。振蕩幅度逐漸減小，最終張力趨于穩(wěn)定[1]。

2.3 錨系結構

本文所說的錨系結構主要指錨鏈和重力錨，這部分位于釋放器以下，在潛標回收后將遺棄在海底。

錨系結構核心是重力錨，通常加工成塊狀結構，因此也稱為重塊。重力錨首先為潛標提供下沉所需重力，在水下穩(wěn)定后，重力錨還應具備足夠的摩擦力，以保證在海流作用下不走錨。為合理確定重量，其重塊安全配重(W)按照美國 WOODSHOLE研究所推薦的經驗公式求得:

式中:TH為重塊水平拉力；TV為重塊豎直拉力。

3 系統(tǒng)靜力分析和姿態(tài)計算

底流觀測系統(tǒng)需要在海底執(zhí)行較長時間的連續(xù)觀測任務，為保證觀測設備在預定層位正常工作需對其水下受力情況進行分析，進而得出設備在特定流場條件下對應的傾斜姿態(tài)。以儀器限定的最大傾斜度為閾值，通過計算結果完善系統(tǒng)中結構設計以及浮力組件的數量和位置。

3.1 基本假設

為便于力學分析，對水下系統(tǒng)的工作環(huán)境條件和受力狀況進行了合理的簡化和假設。

①系統(tǒng)位于海面以下 1000m深處，不考慮波浪對系統(tǒng)的影響，僅對系統(tǒng)進行靜力分析；②相比海流水平分量，垂向分量流速較小，忽略不計；③系統(tǒng)長度較短，錨纜在拉力作用下伸長忽略不計；④系留繩索以 kevlar繩為主，且其長度較短，密度與水接近，故忽略其重力、浮力和流速阻力對系統(tǒng)的影響。

3.2 系統(tǒng)流場環(huán)境設定

系統(tǒng)的力學分析是在特定流速條件下開展的，選定的流速條件越符合現場規(guī)律，分析結果越可靠。

底流觀測系統(tǒng)主要進行近海底的環(huán)境觀測，設計布放深度為 1200～1400m，系統(tǒng)整體長度不超過40m，頂端至釋放器的長度約為 30m，遠小于水體深度，水平流速在垂向30m范圍內差異有限。因此，進一步假設從頂端至釋放器受到的最大流速垂向不發(fā)生變化。

根據海洋一所2013年7月至2014年9月在南海北部陸坡區(qū)1000m深度的觀測結果，小于0.2m/s的流速值比例超過 90%[2]。由于隨著深度增加海流逐漸減弱，結合本次布放深度，將 0.2m/s作為流速極值。

3.3 系統(tǒng)內部靜力分析和傾角計算

重塊觸底后，系統(tǒng)經過短時間振動趨于穩(wěn)定。由于海水流動，系統(tǒng)同時在海水流動方向存在相應的流體阻力。因此，系統(tǒng)穩(wěn)定后主要受力為:重力、浮力、拉力和海水阻力。

底流觀測系統(tǒng)設計長度約為 40m，遠小于調查海區(qū)水深。可直接將系統(tǒng)簡化為一個質點，按照進行受力分析從而得出傾角。這種分析方法極大地簡化了計算過程，但也忽略了不同部件的傾角差異。實際上不同組件在水下的傾角是不一致的，我們重點關注海流計等受姿態(tài)影響較大的觀測儀器的傾角變化，因此在分析計算時依然采用由頂端浮球開始從上至下、逐一計算各部件的受力情況。

前面假設中我們已忽略系留繩索的受力，只需計算其他組件的受力情況，靜力分析示意見圖1。

圖1 各部件靜力分析Fig.1 Static analysis of each component

式中:Bi為某個部件的浮力，Wi為部件重力，Ri為部件受到的流體阻力，iT′為部件上端拉力，iφ′為拉力iT′垂直方向夾角，Ti為部件下端拉力，φi為拉力 Ti垂直方向夾角。

通過求解靜力方程，下端拉力為:

從上至下對各部件分別進行計算。

3.4 流體阻力計算

上述浮球、海流計和釋放器的凈浮力已知(由廠家提供)，流體阻力需要根據不同構件參數進行計算，流體阻力R由下式算出:

式中:CD為阻力系數，ρ為海水密度，V為流速，A為流方向的橫截面積。

阻力系數 CD為雷諾數 Re的函數，受海水溫度(T)、鹽度(S)、密度(ρ)、流速(V)和物體形狀(d 和A)及粗糙度的影響。將潛標系統(tǒng)中不同設備按外觀形狀分為兩大類:球體和圓柱體。實心浮球和玻璃浮球均為球體，海流計、釋放器和纜繩為圓柱體。對于阻力系數的確定，相關學者通過不同方法給出了不同的參數，多種方法確定的阻力系數差異不大。

3.5 系統(tǒng)結構確定

通過對系統(tǒng)各部件單獨的受力分析計算傾角，當傾角過大導致海流計未在預定深度正常工作時，需對部件的位置和數量等結構參數進行調整并重新計算受力和傾角，不斷優(yōu)化設計最終確定底流觀測系統(tǒng)的結構。

經計算最終確定的底流觀測系統(tǒng)包含兩臺海流計，分別測量海底以上10m和20m的海流；充足的浮球保證系統(tǒng)緊繃并在極端流速下保持較小傾斜，浮球分散布置，有效減少了發(fā)生斷裂后的損失；雙聲學釋放器，降低釋放失敗的風險。整個系統(tǒng)構成見圖4。

圖2 底層海流觀測系統(tǒng)構成Fig.2 The structure of the bottom ocean current observation system

4 系統(tǒng)應用分析

底層海流觀測系統(tǒng)已在南海北部陸坡區(qū)成功完成 2個觀測任務，獲取了優(yōu)質的底層海流數據。其中L1測站觀測時間為2017年6月至9月；L2測站觀測時間為2018年3月。觀測數據從布放之日開始至回收之日結束，數據連續(xù)未發(fā)生中斷或提前結束等記錄異常情況，最大連續(xù)時長達到3個月。

2018年觀測時間較短，資料有限，關于姿態(tài)變化分析主要依據 2017年的資料。海流計的橫搖(Roll)和縱搖(Pitch)見圖3。

圖3 2017年海流計姿態(tài)變化過程曲線(上圖為橫搖，下圖為縱搖)Fig.3 The curve of the attitude change of the ocean current meter in 2017

從上圖可以看出，觀測期間海流計傾斜基本都在3°以內，傾斜較小，姿態(tài)比較穩(wěn)定?？梢娪^測期間系統(tǒng)處于比較理想的姿態(tài)。

5 結 論

按照觀測任務要求，初步確定潛標結構類型、觀測設備、浮球數量和錨定重量。結合相關研究成果，確定調查海區(qū)的海流極值，對系統(tǒng)受力情況進行合理的假設，簡化計算過程，計算各部件傾角，調整系統(tǒng)結構優(yōu)化設計確定最終構成；其整體計算過程簡單，同時也保留了各部件的受力分析，考慮了水下不同部件存在的姿態(tài)差異性。本系統(tǒng)在南海陸坡深水區(qū)順利完成了兩次觀測任務，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性得到驗證。