一种海底溢油预测方法与流程

本发明涉及海洋环境科学领域，更具体的涉及一种海底溢油预测方法。

背景技术：

随着全球经济发展对石油资源需求的急剧增加，海洋石油开发业蓬勃发展。我国海疆辽阔，油气资源非常丰富，然而，在开发利用海洋资源的进程中，海上油气田的开发和工业技术的发展必然会带来相应的工程隐患，例如作业不当导致地层断裂，井口、管道渗漏，船舶漏油等。随着海洋油气田作业进入深水化、超深水化时代，其工程设备也逐渐向大型化、集约化、复杂化、自动化的水下生产体系发展，加之水下自然环境的特殊性和地质油气储藏的复杂性，海洋溢油事故的起因也逐渐由原来的船舶相撞、触礁、搁浅、运输船舶泄漏溢油逐渐向采油平台井喷事故溢油、海底管线渗漏和海底地质溢油等转变。近年来世界上发生的多起严重溢油事故均是源自水下溢油。

对于海底溢油，由于机理复杂，大部分模型将海底溢油看作海面的点源处理，即不考虑水面下的溢油扩散过程。尤其是国内，相关研究仍处于起步阶段。与海面溢油相比，管线泄漏、井喷或海底地质性溢油的封堵补救难度更高，其危害也更大。针对水下溢油，目前常规的处置方法很难使用，在封堵溢油源之前，只能等其上浮到海面后再进行处理回收。如何在水下溢油事故发生初期通过对溢油的轨迹和范围做出及时准确的预测，对于有效地控制溢油，降低环境和经济损失，有着十分重要的实际意义。因此，对溢油在水下的输移扩散进行研究具有重要的科学意义和重大的实际价值。

渤海是我国最大的内海，地理、交通位置特殊，渤海海域蕴藏着煤、石油、天然气等丰富的地质资源。渤海海域的油田大多属于稠油油田，在这一地区的古近系稠油具有“三高两低”的显著特征，即原油密度高(0.94～0.98g/cm3)、地下原油粘度高(70～500mpa·s)、沥青胶质含量高(30％～50％)、凝固点低(-20℃)和气油比低(20～40m3/m3)，而且该海域水深较浅，压强与水温等输入条件与国外的深水溢油模型都有较大差别。受水深和海洋环境的影响，渤海地区对于水下应急对策及设备需求的难度与深水溢油相比略低，相对应的水下溢油控制的效果更为明显和有效。因此开展渤海地区水下溢油三维模拟是十分必要和急迫的。

技术实现要素：

本发明实施拟提供一种海底溢油预测方法，用以解决现有技术中存在对海底溢油模型研究比较少，导致不能及时掌握和控制海底溢油的问题。

本发明实施拟提供一种海底溢油预测方法，包括：

在海底溢油的初始阶段，采用拉格朗日积分公式和浓度梯度公式，通过动量守恒方程确定所述海底溢油中油滴群在卷吸作用、浮力作用和拖曳作用下的位移；

所述油滴群在卷吸作用、浮力作用和拖曳作用下的从海底溢油点开始上浮，当所述油滴群在海底内上升时，根据所述油滴群受到的浮力，通过第一公式确定所述油滴群的上升速度；

所述油滴群在海底内上升至海面上时，在海洋三维流场和海面风场的作用力下，通过第二公式确定处于某一深度的所述油滴群的漂移轨迹，通过第三公式确定所述油滴群在某一深度及海面的扩散距离；

所述拉格朗日积分公式如下所示：

所述浓度梯度如下所示：

第一公式如下所示：

所述第二公式如下所示：

所述第三公式如下所示：

其中，m为控制体质量，ρa为周围环境流体的密度，qe＝qs+qf是由剪切应力和对流引起的卷吸体积通量，qs为卷吸剪切，qf为强制卷吸；表示单位时间内由于紊动扩散引起的溢油损失量；kc为油浓度扩散系数，为溢油浓度梯度；c和ca分别是油浓度和周围环境流体的油浓度；b控制体横断面半径；h为控制体厚度；r为雷诺数，j是引入的无量纲参数，m是莫顿数，为初始时刻位置，为油滴所在位置，vl(x(t),y(t),t)为拉格朗日追踪速度，vx和vy分别为网格点上不同深度下的水流流速的x、y方向分量；sα为α＝(x,y,z)方向的湍动扩散距离，为[-1，1]间正态分布随机数，kα为α方向的湍流扩散系数，δt为时间步长，ρ为浮射流的密度，g为重力加速度，μ是流体的粘度，d为油滴直径，de为油滴的轴长。

优选地，所述卷吸剪切由下列公式表示：

对所述流引起的卷吸体积通量表示为：

其中，qfz，qfy，qfx为x、y、z、方向上的强制卷吸通量，uavawa为控制体流速在x、y、z、方向的分量，va'是在控制体中心线上的投影，α为卷吸系数；δb是浮射流控制体半径的增量，是浮射流流向与水平面的夹角，θ是浮射流轨迹中心线在水平面的投影与x轴的夹角，δs是浮射流轴线距离的增量，是控制体的流速。

优选地，所述动量守恒方程如下所示：

其中，是周围流体的流速，是控制体的流速，δρ＝ρa-ρ，cd为拖曳力系数，va'是在控制体中心线上的投影，是湍流体的流速，。

本发明实施例中，提供了一种海底溢油预测方法，包括：在海底溢油的初始阶段，采用拉格朗日积分公式和浓度梯度公式，通过动量守恒方程确定所述海底溢油中油滴群在卷吸作用、浮力作用和拖曳作用下的位移；所述油滴群在卷吸作用、浮力作用和拖曳作用下的从海底溢油点开始上浮，当所述油滴群在海底内上升时，根据所述油滴群受到的浮力，通过第一公式确定所述油滴群的上升速度；所述油滴群在海底内上升至海面上时，在海洋三维流场和海面风场的作用力下，通过第二公式确定处于某一深度的所述油滴群的漂移轨迹，通过第三公式确定所述油滴群在某一深度及海面的扩散距离；所述拉格朗日积分公式如下所示：所述浓度梯度如下所示：第一公式如下所示：所述第二公式如下所示：所述第三公式如下所示：本发明实施例中，采用油滴群的方法，通过考虑油滴群在不同溢油阶段受不同的驱动力将溢油的“近区模拟”和“远区模拟”结合起来。在近区浮射流阶段，油粒子在初始动量和背景流场的作用下运动，通过拉格朗日控制体积分方法进行近区模拟，确定油滴群卷吸作用、浮力作用和拖曳作用下的位移；在浮力阶段，使用修正综合计算方法模拟油滴输移和扩散，根据油滴群尺寸的大小选择三种形状油滴的上升速度公式，得到油滴群在浮力作用下的上升速度；当油滴群到达海表面，溢油模拟进入“远区模拟”阶段，通过数值求解，确定油滴群在海面流和风的作用下输移和扩散。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种海底溢油预测方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示例性地示出了本发明实施例提供的一种海底溢油预测方法流程示意图，该方法至少可以应用于海底溢油预测中。

如图1所示，本发明实施例提供的一种海底溢油预测方法，包括以下步骤：

步骤101，在海底溢油的初始阶段，采用拉格朗日积分公式和浓度梯度公式，通过动量守恒方程确定所述海底溢油中油滴群在卷吸作用、浮力作用和拖曳作用下的位移。

步骤102，所述油滴群在卷吸作用、浮力作用和拖曳作用下的从海底溢油点开始上浮，当所述油滴群在海底内上升时，根据所述油滴群受到的浮力，通过第一公式确定所述油滴群的上升速度。

步骤103，所述油滴群在海底内上升至海面上时，在海洋三维流场和海面风场的作用力下，通过第二公式确定处于某一深度的所述油滴群的漂移轨迹，通过第三公式确定所述油滴群在某一深度及海面的扩散距离。

所述拉格朗日积分公式如下所示：

所述浓度梯度如下所示：

第一公式如下所示：

所述第二公式如下所示：

所述第三公式如下所示：

其中，m为控制体质量，ρa为周围环境流体的密度，qe＝qs+qf是由剪切应力和对流引起的卷吸体积通量，qs为卷吸剪切，qf为强制卷吸；表示单位时间内由于紊动扩散引起的溢油损失量；kc为油浓度扩散系数，为溢油浓度梯度；c和ca分别是油浓度和周围环境流体的油浓度；b控制体横断面半径；h为控制体厚度；r为雷诺数，j是引入的无量纲参数，m是莫顿数，为初始时刻位置，为油滴所在位置，vl(x(t),y(t),t)为拉格朗日追踪速度，vx和vy分别为网格点上不同深度下的水流流速的x、y方向分量；sα为α＝(x,y,z)方向的湍动扩散距离，为[-1，1]间正态分布随机数，kα为α方向的湍流扩散系数，δt为时间步长，ρ为浮射流的密度，g为重力加速度，μ是流体的粘度，d为油滴直径，de为油滴的轴长。

需要说明的是，在本发明实施例中，为了研究海底溢油，采用了一定数量的“油粒子”代表溢油，通过踪粒子的去向和性质的变化研究溢油的迁移扩散和变化过程。

在步骤101中，油滴群处于海底溢油的初始阶段，由于溢油具有较大的初始动量，在本发明实施例中，考虑到浮力作用和卷吸效应，可以确定初始阶段的第一油滴群处于海底溢油的初始阶段时，具有如公式(1)所示的初始动量：

其中，公式(1)为拉格朗日积分公式，通过上述公式(1)，可以将油滴群作为一个整体，来研究油滴群的共同运动。

公式(1)中，m为控制体质量，m＝ρπb²h，ρ和b分别为浮射流的密度和控制体横断面半径，h为控制体的厚度，ρa为周围环境流体的密度。

qe＝qs+qf是由剪切应力和对流引起的卷吸体积通量，qs为卷吸剪切，qf为强制卷吸。

其中，剪切卷吸通量可以通过公式(2)表示：

公式(2)中，va'是在控制体中心线上的投影，α为卷吸系数。

进一步地，可以对流引起的卷吸体积通量--强制卷吸通量通过下列系列公式表示：

上述公式(3-1)，公式(3-2)和公式(3-3)中，qfz，qfy，qfx为x、y、z、方向上的强制卷吸通量，uavawa为控制体流速在x、y、z、方向的分量，δb是浮射流控制体半径的增量，是浮射流流向与水平面的夹角，θ是浮射流轨迹中心线在水平面的投影与x轴的夹角，δs是浮射流轴线距离的增量，

进一步地，公式(1)中的表示单位时间内由于紊动扩散引起的溢油损失量，可用公式(4)所示的浓度梯度来表示：

公式(4)，kc为油浓度扩散系数，为溢油浓度梯度；c和ca分别是油浓度和周围环境流体的油浓度。

需要说明的是，在实际应用中，第一油滴群中的油粒子受到的卷吸作用、浮力作用和拖曳作用满足动量守恒方程，具体的，动量守恒方程可以由下列公式(5)表示：

公式(5)中，是周围流体的流速，是控制体的流速，δρ＝ρa-ρ，cd为拖曳力系数，va'是在控制体中心线上的投影，式子右侧的三部分分别是由于环境流体的卷吸作用、浮力作用和拖曳力作用引起的动量变化。

需要说明的是，在实际计算中，cd表示的拖曳力系数可以忽略。

在步骤102中，油滴群在卷吸作用、浮力作用和拖曳作用下的从海底溢油去区开始上浮，当所述油滴群在海底内上升时，根据所述油滴群受到的浮力，可以确定油滴群的上升速度。

需要说明的是，在实际应用中，由于油滴群包括的油滴在海底内上升时，每个油滴的自身尺寸、形状可以不同，在本发明实施例中，为了计算方便，可以将油滴群包括的多个油滴分为以下三种形状，来分别确定油滴群包括的油滴在开始上浮时的上升速度。

具体地，当油滴的形状为球形时，可以通过下列公式(6-1)来确定第一油滴群的上升速度：

公式(6-1)中，关于雷诺数r的计算取值，有

当nd≤73时，r＝nd/24-1.7569×10^-4nd²+6.9252×10^-7nd³-2.3027×10^-10nd⁴

当73＜nd≤580时，logr＝-1.7095+1.33438w-0.11591w²

当580＜nd≤1.55×10⁷时，

logr＝-1.81391+1.3467w-0.12427w²+0.006344w³

式中，w＝lognd

具体地，当油滴的形状为椭球时，可以通过下列公式(6-2)来确定第一油滴群的上升速度：

公式(6-2)中，j＝0.94h^0.757,(2＜h≤59.3)，j＝3.42h^0.441,(h＞59.3)，且

m＝gμ⁴δρ/ρ²σ³，μw是水的运动粘性系数，σ是表面张力，j和h是引入的无量纲参数；m是莫顿数，eo是数，椭球形公式应用的条件是m<10-3和eo<40。

具体地，当油滴的形状为球冠体时，可以通过下列公式(6-3)来确定第一油滴群的上升速度：

公式(6-3)的应用条件是eo>40。

需要说明的是，在本发明实施例中，公式(6-1)，公式(6-2)和公式(6-3)构成了第一公式，且在实际计算油滴群的上升速度时，只采用第一公式中的某一个公式即可确定油滴群的上升速度。

在步骤103中，随着油滴群上升到海面，油滴群受到的初始动量和浮力越来越小，海洋三维流场和海面风场是其主要驱动力，在风和海流的作用下第一油滴群的运动包括以下两种情况：

第一种：溢油的平流过程，即δt时间内，可以通过第二公式确定处于某一深度的第一油滴群的漂移轨迹，其中，第二公式如公式(7)所示：

公式(7)中：为初始时刻位置，为油滴所在位置，vl(x(t),y(t),t)为拉格朗日追踪速度，vx和vy分别为网格点上不同深度下的水流流速的x、y方向分量。

第二种：溢油的扩散过程，即溢油的扩散是由于水流的随机性脉动所导致的油粒子的空间位移。假设油滴群包括的油粒子的水平扩散各方向同性，则可以通过第三公式确定水下及海面的油滴群包括的油粒子的随机扩散过程，其中，第三公式如公式(8)所示：

公式(8)中，sα为α＝(x,y,z)方向的湍动扩散距离，为[-1，1]间正态分布随机数，kα为α方向的湍流扩散系数，δt为时间步长。

需要说明的是，本发明实施例中，采用上浮速度准则vc来确定tlpd。不用等到浮射流与水流混合在一起作为整体运动，一旦羽流速度降低到vb，油滴就会自行上浮了。

综上所述，本发明实施例提供了一种海底溢油预测方法，包括：在海底溢油的初始阶段，采用拉格朗日积分公式和浓度梯度公式，通过动量守恒方程确定所述海底溢油中油滴群在卷吸作用、浮力作用和拖曳作用下的位移；所述油滴群在卷吸作用、浮力作用和拖曳作用下的从海底溢油点开始上浮，当所述油滴群在海底内上升时，根据所述油滴群受到的浮力，通过第一公式确定所述油滴群的上升速度；所述油滴群在海底内上升至海面上时，在海洋三维流场和海面风场的作用力下，通过第二公式确定处于某一深度的所述油滴群的漂移轨迹，通过第三公式确定所述油滴群在某一深度及海面的扩散距离；所述拉格朗日积分公式如下所示：所述浓度梯度如下所示：第一公式如下所示：所述第二公式如下所示：所述第三公式如下所示：本发明实施例中，采用油滴群的方法，通过考虑油滴群在不同溢油阶段受不同的驱动力将溢油的“近区模拟”和“远区模拟”结合起来。在近区浮射流阶段，油粒子在初始动量和背景流场的作用下运动，通过拉格朗日控制体积分方法进行近区模拟，确定油滴群卷吸作用、浮力作用和拖曳作用下的位移；在浮力阶段，使用修正综合计算方法模拟油滴输移和扩散，根据油滴群尺寸的大小选择三种形状油滴的上升速度公式，得到油滴群在浮力作用下的上升速度；当油滴群到达海表面，溢油模拟进入“远区模拟”阶段，通过数值求解，确定油滴群在海面流和风的作用下输移和扩散。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。