南海北部陸坡區(qū)底流觀測(cè)系統(tǒng)研制與應(yīng)用

于 洋，閆慶勛，劉 磊，陳冠軍，郝高建

(中海油田服務(wù)股份有限公司 天津300457)

我國(guó)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(yùn)輸需要在海底鋪設(shè)安裝大量的水下生產(chǎn)設(shè)施和海底電纜管道，海底電纜管道及其他水下設(shè)施通常需在海底持續(xù)服役十幾年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，深水區(qū)海底流場(chǎng)條件成為海底管道穩(wěn)定性設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)形式選取

在深水海區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的水文觀測(cè)，潛標(biāo)是當(dāng)前海洋調(diào)查的不二選擇，近幾十年來(lái)潛標(biāo)觀測(cè)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。依據(jù)潛標(biāo)的結(jié)構(gòu)可分為兩大類，第一類是鏈?zhǔn)綕摌?biāo)，第二類是座底式潛標(biāo)。鏈?zhǔn)綕摌?biāo)也叫單點(diǎn)緊繃式潛標(biāo)，即整個(gè)潛標(biāo)通過(guò)纜繩、電纜、錨鏈等將觀測(cè)設(shè)備依次連接而成，呈鏈?zhǔn)酱怪狈植加诤Ｋ?，通過(guò)浮力使?jié)摌?biāo)鏈保持緊繃狀態(tài)。座底式潛標(biāo)是將所有設(shè)備集成在一個(gè)海底支架或防拖掩體內(nèi)，將支架或防拖掩體置于海底觀測(cè)近海底環(huán)境要素。

在以往的調(diào)查應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，座底式潛標(biāo)更適合地形平坦、底質(zhì)較硬的海底。當(dāng)海底存在凹坑或凸起等特殊微地貌或海底底質(zhì)較軟時(shí)，座底支架易發(fā)生傾斜或下陷，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)質(zhì)量甚至回收失敗。本次計(jì)劃觀測(cè)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(shù)據(jù)質(zhì)量考慮，確定底流觀測(cè)系統(tǒng)采用單點(diǎn)緊繃式設(shè)計(jì)。

2 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

2.1 觀測(cè)設(shè)備

本系統(tǒng)中觀測(cè)設(shè)備為海流計(jì)，設(shè)備應(yīng)滿足技術(shù)要求，能在高壓、低溫和低流速的環(huán)境下獲取長(zhǎng)期、連續(xù)、高質(zhì)量的底層海流數(shù)據(jù)。本次選用 SeaGuard RCM 海流計(jì)，耐壓深度 3000m。這是一種聲學(xué)海流計(jì)，其聲波水平發(fā)射和接收，可觀測(cè)固定層位的海流信息，其內(nèi)部固態(tài)傳感器的部件非常適合監(jiān)測(cè)低流速海流。

2.2 浮體組件

浮體組件指浮球(玻璃和實(shí)心)和利用浮力材料(硬質(zhì)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(shù)量和搭配根據(jù)搭載儀器種類和數(shù)量以及布放海區(qū)海流強(qiáng)度等要素綜合決定。

本系統(tǒng)搭載的主要是海流計(jì)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，無(wú)需另行加工專用浮體，因此浮力組件以浮球?yàn)橹?。浮體組件的數(shù)量選取主要遵循以下原則:

①確保整個(gè)系統(tǒng)在水中處于“上輕下重”的狀態(tài)。當(dāng)釋放器脫鉤后，浮力大于剩余潛標(biāo)重力，實(shí)現(xiàn)潛標(biāo)成功回收。

②豎直方向存在足夠的浮力使整個(gè)系統(tǒng)處于緊繃狀態(tài)，保證潛標(biāo)垂直分布，觀測(cè)設(shè)備位于預(yù)設(shè)深度，并保持正確的觀測(cè)姿態(tài)。這是因?yàn)椴徽撌请姶藕Ａ饔?jì)還是聲學(xué)海流計(jì)，當(dāng)傾斜超過(guò)一定范圍，其測(cè)量精度均會(huì)受到影響，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法正常工作。

因此，設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)凈浮力不能小于設(shè)備水下質(zhì)量的總和。出于成本考慮，系統(tǒng)浮力應(yīng)根據(jù)設(shè)備水下質(zhì)量的總和來(lái)確定，進(jìn)而初步確定浮體組件的類型和數(shù)量。浮力值可先保守估計(jì)，一般先取設(shè)備水下質(zhì)量總和的2倍，后期再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行調(diào)整。

浮力組件的分布設(shè)計(jì)應(yīng)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(gè)系統(tǒng)串聯(lián)了多個(gè)設(shè)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(fēng)險(xiǎn)。若浮體組件過(guò)于集中一旦發(fā)生斷裂，斷裂點(diǎn)以上設(shè)備隨浮體飄走，斷裂點(diǎn)以下設(shè)備將沉入海底難以回收。為了減少斷裂發(fā)生后的損失，應(yīng)將浮力分散至系統(tǒng)不同位置，盡可能保證在任意連接點(diǎn)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(dāng)?shù)卦黾痈×蓽p少重力錨觸底后整個(gè)潛標(biāo)系統(tǒng)垂向的振蕩位移，降低釋放器與重塊碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。研究表明，潛標(biāo)在下放過(guò)程中布放纜索錨固端的張力始終高于浮標(biāo)端張力，當(dāng)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(dá)到峰值，如此張力值發(fā)生振蕩式波動(dòng)。振蕩幅度逐漸減小，最終張力趨于穩(wěn)定[1]。

2.3 錨系結(jié)構(gòu)

本文所說(shuō)的錨系結(jié)構(gòu)主要指錨鏈和重力錨，這部分位于釋放器以下，在潛標(biāo)回收后將遺棄在海底。

錨系結(jié)構(gòu)核心是重力錨，通常加工成塊狀結(jié)構(gòu)，因此也稱為重塊。重力錨首先為潛標(biāo)提供下沉所需重力，在水下穩(wěn)定后，重力錨還應(yīng)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(guó) WOODSHOLE研究所推薦的經(jīng)驗(yàn)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(jì)算

底流觀測(cè)系統(tǒng)需要在海底執(zhí)行較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)任務(wù)，為保證觀測(cè)設(shè)備在預(yù)定層位正常工作需對(duì)其水下受力情況進(jìn)行分析，進(jìn)而得出設(shè)備在特定流場(chǎng)條件下對(duì)應(yīng)的傾斜姿態(tài)。以儀器限定的最大傾斜度為閾值，通過(guò)計(jì)算結(jié)果完善系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及浮力組件的數(shù)量和位置。

3.1 基本假設(shè)

為便于力學(xué)分析，對(duì)水下系統(tǒng)的工作環(huán)境條件和受力狀況進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化和假設(shè)。

①系統(tǒng)位于海面以下 1000m深處，不考慮波浪對(duì)系統(tǒng)的影響，僅對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(jì)；③系統(tǒng)長(zhǎng)度較短，錨纜在拉力作用下伸長(zhǎng)忽略不計(jì)；④系留繩索以 kevlar繩為主，且其長(zhǎng)度較短，密度與水接近，故忽略其重力、浮力和流速阻力對(duì)系統(tǒng)的影響。

3.2 系統(tǒng)流場(chǎng)環(huán)境設(shè)定

系統(tǒng)的力學(xué)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(xiàn)場(chǎng)規(guī)律，分析結(jié)果越可靠。

底流觀測(cè)系統(tǒng)主要進(jìn)行近海底的環(huán)境觀測(cè)，設(shè)計(jì)布放深度為 1200～1400m，系統(tǒng)整體長(zhǎng)度不超過(guò)40m，頂端至釋放器的長(zhǎng)度約為 30m，遠(yuǎn)小于水體深度，水平流速在垂向30m范圍內(nèi)差異有限。因此，進(jìn)一步假設(shè)從頂端至釋放器受到的最大流速垂向不發(fā)生變化。

根據(jù)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(cè)結(jié)果，小于0.2m/s的流速值比例超過(guò) 90%[2]。由于隨著深度增加海流逐漸減弱，結(jié)合本次布放深度，將 0.2m/s作為流速極值。

3.3 系統(tǒng)內(nèi)部靜力分析和傾角計(jì)算

重塊觸底后，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)短時(shí)間振動(dòng)趨于穩(wěn)定。由于海水流動(dòng)，系統(tǒng)同時(shí)在海水流動(dòng)方向存在相應(yīng)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約為 40m，遠(yuǎn)小于調(diào)查海區(qū)水深?？芍苯訉⑾到y(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，按照進(jìn)行受力分析從而得出傾角。這種分析方法極大地簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，但也忽略了不同部件的傾角差異。實(shí)際上不同組件在水下的傾角是不一致的，我們重點(diǎn)關(guān)注海流計(jì)等受姿態(tài)影響較大的觀測(cè)儀器的傾角變化，因此在分析計(jì)算時(shí)依然采用由頂端浮球開始從上至下、逐一計(jì)算各部件的受力情況。

前面假設(shè)中我們已忽略系留繩索的受力，只需計(jì)算其他組件的受力情況，靜力分析示意見(jiàn)圖1。

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

式中:Bi為某個(gè)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(guò)求解靜力方程，下端拉力為:

從上至下對(duì)各部件分別進(jìn)行計(jì)算。

3.4 流體阻力計(jì)算

上述浮球、海流計(jì)和釋放器的凈浮力已知(由廠家提供)，流體阻力需要根據(jù)不同構(gòu)件參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，流體阻力R由下式算出:

式中:CD為阻力系數(shù)，ρ為海水密度，V為流速，A為流方向的橫截面積。

阻力系數(shù) CD為雷諾數(shù) Re的函數(shù)，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(biāo)系統(tǒng)中不同設(shè)備按外觀形狀分為兩大類:球體和圓柱體。實(shí)心浮球和玻璃浮球均為球體，海流計(jì)、釋放器和纜繩為圓柱體。對(duì)于阻力系數(shù)的確定，相關(guān)學(xué)者通過(guò)不同方法給出了不同的參數(shù)，多種方法確定的阻力系數(shù)差異不大。

3.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各部件單獨(dú)的受力分析計(jì)算傾角，當(dāng)傾角過(guò)大導(dǎo)致海流計(jì)未在預(yù)定深度正常工作時(shí)，需對(duì)部件的位置和數(shù)量等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并重新計(jì)算受力和傾角，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)最終確定底流觀測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

經(jīng)計(jì)算最終確定的底流觀測(cè)系統(tǒng)包含兩臺(tái)海流計(jì)，分別測(cè)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(xué)釋放器，降低釋放失敗的風(fēng)險(xiǎn)。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖4。

圖2 底層海流觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 The structure of the bottom ocean current observation system

4 系統(tǒng)應(yīng)用分析

底層海流觀測(cè)系統(tǒng)已在南海北部陸坡區(qū)成功完成 2個(gè)觀測(cè)任務(wù)，獲取了優(yōu)質(zhì)的底層海流數(shù)據(jù)。其中L1測(cè)站觀測(cè)時(shí)間為2017年6月至9月；L2測(cè)站觀測(cè)時(shí)間為2018年3月。觀測(cè)數(shù)據(jù)從布放之日開始至回收之日結(jié)束，數(shù)據(jù)連續(xù)未發(fā)生中斷或提前結(jié)束等記錄異常情況，最大連續(xù)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到3個(gè)月。

2018年觀測(cè)時(shí)間較短，資料有限，關(guān)于姿態(tài)變化分析主要依據(jù) 2017年的資料。海流計(jì)的橫搖(Roll)和縱搖(Pitch)見(jiàn)圖3。

圖3 2017年海流計(jì)姿態(tài)變化過(guò)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(cè)期間海流計(jì)傾斜基本都在3°以內(nèi)，傾斜較小，姿態(tài)比較穩(wěn)定?？梢?jiàn)觀測(cè)期間系統(tǒng)處于比較理想的姿態(tài)。

5 結(jié) 論

按照觀測(cè)任務(wù)要求，初步確定潛標(biāo)結(jié)構(gòu)類型、觀測(cè)設(shè)備、浮球數(shù)量和錨定重量。結(jié)合相關(guān)研究成果，確定調(diào)查海區(qū)的海流極值，對(duì)系統(tǒng)受力情況進(jìn)行合理的假設(shè)，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，計(jì)算各部件傾角，調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)確定最終構(gòu)成；其整體計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，同時(shí)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(cè)任務(wù)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性得到驗(yàn)證。