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        南海內(nèi)波監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究與應(yīng)用

        2021-08-27 12:31:52淳明浩冷述棟梁樹森羅小橋楊肖迪
        石油工程建設(shè) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        淳明浩 ,冷述棟 ,梁樹森 ,王 琮 ,羅小橋 ,楊肖迪 ,徐 爽

        1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司,天津 300451

        2.中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300451

        3.中船重工船舶設(shè)計(jì)研究中心有限公司,北京 100081

        海洋內(nèi)波是一種因海水密度垂直分層而引發(fā)的波動(dòng),常發(fā)生于海面以下的數(shù)百米深度內(nèi)[1]。海洋內(nèi)波的成因,多歸結(jié)為近海面處的海水對(duì)流、波浪運(yùn)動(dòng)等攪拌,形成密度均勻的混合層,但繼續(xù)往下,海水密度受溫度、鹽度影響而明顯分層,分層界面受到攪動(dòng)便產(chǎn)生內(nèi)波[2]。海洋內(nèi)波在全球海洋都存在,其中中國南海發(fā)生過目前已知有歷史記錄以來全球振幅最大的內(nèi)波[3]。大振幅的海洋內(nèi)波經(jīng)常引起強(qiáng)烈、瞬變的海流,產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切振幅,可使海水水體在數(shù)分鐘內(nèi)下沉超過150 m,水溫驟變12℃以上,對(duì)海洋油氣開發(fā)設(shè)施造成破壞[4],主要表現(xiàn)為造成勘探鉆井大傾斜、產(chǎn)生過度的水平位移、錯(cuò)段隔水管和增大錨纜的額外張力,引起海底管道和電纜斷裂,導(dǎo)致海洋工程項(xiàng)目額外的時(shí)間和設(shè)備損失等[5]。

        1 目標(biāo)海域概況

        南海是我國最大的邊緣海,通過呂宋海峽與太平洋相連,周邊環(huán)繞中國珠三角、臺(tái)灣地區(qū)以及東南亞等重要發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)區(qū)[5]。本文研究的目標(biāo)海域位于中國南海北部陸坡中段、珠江口盆地珠二坳陷白云凹陷南側(cè),處在陸架到深海的陸坡位置,水深900~1 500 m,海底地形總體呈東北高、西南低的斜坡形態(tài),屬于內(nèi)波易發(fā)海域[6]。

        目標(biāo)海域的水體在垂向上存在大通量的溫度和鹽度混合,這種混合的劇烈程度相比公海高出數(shù)十倍乃至上百倍[7]。與臨近的呂宋海峽、南北向的恒春海脊及巴坦海脊之間相隔僅約100 km,高度卻相差多達(dá)500m,在此特別的環(huán)境條件下,曾造就了振幅達(dá)150m的巨大內(nèi)波[8]。因此,在呂宋海峽海底山脊的影響下,南海內(nèi)波生成頻繁,并向西傳播影響目標(biāo)海域[9]。南海內(nèi)波在兩個(gè)海脊之間生成后,往西傳播行進(jìn)至東沙海域,因海水深度變淺、內(nèi)波波速變慢而變形、破碎、翻轉(zhuǎn)進(jìn)而消散,影響范圍為北南海至東沙之間的400 km區(qū)域,從生成到消散歷時(shí)約兩天半[10]。圖1中深黃色區(qū)域表示內(nèi)波在南海曾出現(xiàn)的區(qū)域,由圖2可知目標(biāo)海域位于內(nèi)波的高發(fā)區(qū),影響目標(biāo)海域的內(nèi)波主要來自東部海域。

        圖1 歷史南海海域內(nèi)波分布圖

        圖2 目標(biāo)海域位置

        2 監(jiān)測方案制定與現(xiàn)場監(jiān)測

        為了全面監(jiān)測與預(yù)警海上半潛式鉆井平臺(tái)在目標(biāo)海域內(nèi)作業(yè)時(shí)的內(nèi)波風(fēng)險(xiǎn),在鉆井平臺(tái)周圍布設(shè)3個(gè)內(nèi)波流監(jiān)測預(yù)警站位,即以1套潛標(biāo)和2套浮標(biāo)組成監(jiān)測系統(tǒng),進(jìn)行為期1年的全水深剖面的海流、溫度、鹽度、底流和水體密度等內(nèi)波相關(guān)參數(shù)監(jiān)測。通過分析監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù),獲取目標(biāo)海域內(nèi)波關(guān)鍵特征信息,為海上鉆井作業(yè)和工程保障提供海洋內(nèi)波實(shí)時(shí)環(huán)境資料。監(jiān)測預(yù)警站位布置如圖3所示。

        圖3 平臺(tái)及監(jiān)測站位布置

        選擇150、300、600 kHz等多種頻率多普勒海流計(jì)(ADCP)、溫鹽深傳感器(CTD)、溫深傳感器(TD)以及海流計(jì)等傳感器,配置組成適用于1 500 m水深的全海深觀測潛標(biāo)系統(tǒng)(見圖4)和海底錨固長周期觀測浮標(biāo)系統(tǒng)(見圖5)。配置后的潛標(biāo)系統(tǒng)和浮標(biāo)系統(tǒng),水下監(jiān)測最大范圍可覆蓋從海面表層至海底1 500 m深度,確保每種監(jiān)測設(shè)備均可在有效量程內(nèi)實(shí)現(xiàn)全海深監(jiān)測覆蓋。

        圖4 潛標(biāo)系統(tǒng)

        圖5 浮標(biāo)系統(tǒng)

        為確保監(jiān)測系統(tǒng)工作正常,總計(jì)利用2套潛標(biāo)系統(tǒng)和4套浮標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行輪換監(jiān)測,每三個(gè)月進(jìn)行一次監(jiān)測系統(tǒng)的回收與再布放,確保傳感器能夠累計(jì)一年周期持續(xù)工作。1套潛標(biāo)系統(tǒng)布放位置距離平臺(tái)30 km處,2套浮標(biāo)系統(tǒng)布放位置分別距離平臺(tái)36 km和54 km處,布放位置均處于歷史內(nèi)波經(jīng)過高概率的路徑區(qū)。監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器均具有自容式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,回收后可進(jìn)行數(shù)據(jù)下載與分析處理。同時(shí),浮標(biāo)系統(tǒng)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星與岸站進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸,確保監(jiān)測結(jié)果能及時(shí)傳輸至作業(yè)平臺(tái)與數(shù)據(jù)監(jiān)測中心,監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸模式見圖6。

        圖6 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模式

        3 風(fēng)險(xiǎn)分析與環(huán)境預(yù)警

        對(duì)2套潛標(biāo)系統(tǒng)和4套浮標(biāo)系統(tǒng)的一年周期內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行下載、分析,監(jiān)測周期內(nèi)的數(shù)據(jù)連續(xù)、完整,全剖面水體信號(hào)的采集率和捕獲率均達(dá)95%以上,可為內(nèi)波特征與風(fēng)險(xiǎn)分析提供充足依據(jù)[l1]。

        3.1 內(nèi)潮波特征

        監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明內(nèi)波監(jiān)測點(diǎn)的水體慣性周期約為35 h,不關(guān)注慣性頻率的海水運(yùn)動(dòng),首先對(duì)觀測的海水溫度序列進(jìn)行低通濾波,濾除慣性振蕩信號(hào)。濾波后的能量譜密度函數(shù)如圖7所示,全日周期和半日周期的譜能量顯著,三個(gè)譜峰分別對(duì)應(yīng)M2(周期12.420 6 h)、K1(周期23.934 5 h)、O1(周期25.819 3 h)三個(gè)分潮,其中全日周期能量絕對(duì)占優(yōu)。對(duì)高頻部分(周期<12 h)進(jìn)行高通濾波,可以看到高頻的波動(dòng)信號(hào),分別對(duì)應(yīng)其他頻率的內(nèi)潮波及內(nèi)孤立波,如圖8所示。

        圖7 濾除慣性信號(hào)后的內(nèi)潮波能量譜密度

        圖8 高頻部分的能量譜密度

        對(duì)海水溫度信號(hào)進(jìn)行全日潮(22~27 h) 和半日潮(11~13 h) 頻段的帶通濾波,可以得到全日周期內(nèi)潮和半日周期內(nèi)潮波動(dòng)信號(hào)及振幅,如圖9所示,其中全日周期內(nèi)潮振幅明顯大于半日周期內(nèi)潮,兩者的最大振幅分別為33 m和20 m。

        圖9 全日內(nèi)潮和半日內(nèi)潮特征

        3.2 內(nèi)孤立波特征

        對(duì)系統(tǒng)采集到的內(nèi)孤立波海溫等值線、等溫線深度、經(jīng)向流速等值線等特征進(jìn)行分析。在當(dāng)年的4~6月之間共捕捉到內(nèi)孤立波信號(hào)39個(gè),分析統(tǒng)計(jì)內(nèi)孤立波的時(shí)間、振幅和流速特征,分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10所示。

        圖10 監(jiān)測到的內(nèi)孤立波特征

        利用氣候態(tài)層結(jié)關(guān)系,求解內(nèi)孤立波本征方程,得出監(jiān)測點(diǎn)處第一模態(tài)內(nèi)波數(shù)量占優(yōu),平均相速度約為1.97 m/s,最大振幅和流速轉(zhuǎn)向的深度約為海面之下400 m(見圖11)。

        圖11 氣候態(tài)層結(jié)和內(nèi)波垂向第一模態(tài)

        3.3 內(nèi)波風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

        3.3.1 內(nèi)孤立波時(shí)間特征

        監(jiān)測期間內(nèi)孤立波主要集中在四個(gè)時(shí)間段發(fā)生,2016年4月26日—30日、5月9日—16日、5月24日至6月1日、6月5日—10日基本都處于農(nóng)歷朔望大潮期間,這一特性與已有研究結(jié)果相符。內(nèi)孤立波平均每天約0.9個(gè),在內(nèi)波活躍的朔望大潮期間,內(nèi)孤立波發(fā)生的頻率約為每天1~2個(gè),接近半日潮周期(約12.4 h)。孤立波(列)持續(xù)時(shí)間為40 min~8.5 h,單個(gè)波列包含孤立波總數(shù)1~10個(gè),波列內(nèi)內(nèi)孤立波發(fā)生間隔為10~70 min不等,單個(gè)孤立波生命周期較長,一般為1.5~2h。

        3.3.2 內(nèi)孤立波振幅特征

        監(jiān)測到的內(nèi)孤立波振幅主要分布在30~40 m和60~70 m兩個(gè)范圍內(nèi),最大振幅92 m,海水起伏引起的溫度變化最大為6.07℃。5個(gè)內(nèi)孤立波的最大振幅發(fā)生在海面以下200 m以淺層位,34個(gè)內(nèi)孤立波發(fā)生在海面以下300 m以深層位。最大振幅發(fā)生深度為最大振幅對(duì)應(yīng)的等溫線在內(nèi)波發(fā)生時(shí)間段內(nèi)的平均深度。

        3.3.3 內(nèi)孤立波波致流特征分析

        根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,內(nèi)孤立波西向流速主要分布在0.5~0.7 m/s左右,最大流速1.09 m/s,最大剪切流速0.078 m/s,最大流速多分布于近表層(海面下60~90 m深度)。通過求解本征方程,可以得到內(nèi)孤立波上、下層流速反向深度約為400 m。

        3.3.4 內(nèi)孤立波傳播速度計(jì)算

        由于監(jiān)測數(shù)據(jù)為單點(diǎn)時(shí)序,精確計(jì)算內(nèi)波傳播特征有很大困難,因此基于氣候態(tài)層結(jié)對(duì)傳播速度進(jìn)行估算:

        首先,通過求解本征方程[10-13]可以得到監(jiān)測海域的內(nèi)波線性相速度c0=1.97 m/s和垂向各個(gè)模態(tài)。

        式中:W″(z)為垂向速度二次反演,m/s;z代表垂向深度,m;W(z)為垂向速度,m/s;k3為內(nèi)波流Brunt-Vaisala頻率。

        通過垂向模態(tài)、線速度和密度層結(jié)可以進(jìn)一步計(jì)算非線性系數(shù)α=-0.014 7[12-15]。

        再通過經(jīng)驗(yàn)公式估算內(nèi)波傳播速度[14-15]:

        式中:cg為內(nèi)波傳播速度,m/s;c0為內(nèi)波線性相速度,m/s;η為振幅,m。

        按照上述方式對(duì)內(nèi)波傳播速度進(jìn)行估算的結(jié)果顯示,監(jiān)測時(shí)間段內(nèi),39個(gè)內(nèi)孤立波的傳播速度在2.1~2.4 m/s之間,平均傳播速度為2.2 m/s。

        根據(jù)內(nèi)波風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)(見表1),在監(jiān)測到的內(nèi)波傳播速度較大時(shí),通過衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)傳輸預(yù)警,預(yù)警信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)桨霛撌阶鳂I(yè)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)內(nèi)波風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

        表1 內(nèi)波預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

        4 結(jié)論

        (1)綜合利用由潛標(biāo)和浮標(biāo)組成的深水內(nèi)波監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行南海深水內(nèi)波監(jiān)測作業(yè),經(jīng)驗(yàn)證科學(xué)有效。一年監(jiān)測周期內(nèi),采集的數(shù)據(jù)連續(xù)、完整,采集率達(dá)95%以上,監(jiān)測過程中成功捕獲多次海洋內(nèi)波運(yùn)動(dòng),數(shù)據(jù)捕獲率達(dá)95%以上。

        (2)監(jiān)測數(shù)據(jù)被用于綜合分析目標(biāo)海域平臺(tái)周圍的內(nèi)波最大振幅、最大流速以及傳播速度,得出平臺(tái)作業(yè)期間產(chǎn)生的內(nèi)波對(duì)半潛式平臺(tái)不構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)隱患,實(shí)際上內(nèi)波最終未對(duì)平臺(tái)連續(xù)作業(yè)造成影響。

        (3)全海深潛標(biāo)和浮標(biāo)構(gòu)成的監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測全海深剖面水體異常,對(duì)深水內(nèi)波參數(shù)的監(jiān)測成功率高。同時(shí),構(gòu)建連續(xù)、實(shí)時(shí)的深水監(jiān)測系統(tǒng)是精確監(jiān)測和有效預(yù)警內(nèi)波的重要方法之一,對(duì)保障深水油氣生產(chǎn)作業(yè)的安全極其重要。

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