南海北部陆坡区底流观测系统研制与应用

于 洋，闫庆勋，刘 磊，陈冠军，郝高建

(中海油田服务股份有限公司 天津300457)

我国南海海盆中存在丰富的油气资源。随着浅水区域开发逐渐饱和，深水油气资源开发已逐步展开。深海油气的开采和运输需要在海底铺设安装大量的水下生产设施和海底电缆管道，海底电缆管道及其他水下设施通常需在海底持续服役十几年甚至更长时间。根据国内现行的行业标准，深水区海底流场条件成为海底管道稳定性设计的主要因素。因此，查明工程海区底流情况是保证深水油气安全开发不可或缺的前提。

1 结构形式选取

在深水海区进行长时间的水文观测，潜标是当前海洋调查的不二选择，近几十年来潜标观测在国内外得到广泛应用。依据潜标的结构可分为两大类，第一类是链式潜标，第二类是座底式潜标。链式潜标也叫单点紧绷式潜标，即整个潜标通过缆绳、电缆、锚链等将观测设备依次连接而成，呈链式垂直分布于海水中，通过浮力使潜标链保持紧绷状态。座底式潜标是将所有设备集成在一个海底支架或防拖掩体内，将支架或防拖掩体置于海底观测近海底环境要素。

在以往的调查应用中发现，座底式潜标更适合地形平坦、底质较硬的海底。当海底存在凹坑或凸起等特殊微地貌或海底底质较软时，座底支架易发生倾斜或下陷，进而影响数据质量甚至回收失败。本次计划观测的海区位于南海北部陆坡区，水深大，深海沉积软且深，因此从系统安全和数据质量考虑，确定底流观测系统采用单点紧绷式设计。

2 基本结构设计

为便于分析和描述，根据部件的作用不同将系统分为三大部分:观测设备、浮体组件和锚定部分。

2.1 观测设备

本系统中观测设备为海流计，设备应满足技术要求，能在高压、低温和低流速的环境下获取长期、连续、高质量的底层海流数据。本次选用 SeaGuard RCM 海流计，耐压深度 3000m。这是一种声学海流计，其声波水平发射和接收，可观测固定层位的海流信息，其内部固态传感器的部件非常适合监测低流速海流。

2.2 浮体组件

浮体组件指浮球(玻璃和实心)和利用浮力材料(硬质泡沫或空心玻璃微珠等)加工的专用浮体及其他能够提供浮力的组件。浮力组件的数量和搭配根据搭载仪器种类和数量以及布放海区海流强度等要素综合决定。

本系统搭载的主要是海流计，根据其结构特点，无需另行加工专用浮体，因此浮力组件以浮球为主。浮体组件的数量选取主要遵循以下原则:

①确保整个系统在水中处于“上轻下重”的状态。当释放器脱钩后，浮力大于剩余潜标重力，实现潜标成功回收。

②竖直方向存在足够的浮力使整个系统处于紧绷状态，保证潜标垂直分布，观测设备位于预设深度，并保持正确的观测姿态。这是因为不论是电磁海流计还是声学海流计，当倾斜超过一定范围，其测量精度均会受到影响，严重时甚至无法正常工作。

因此，设计要求系统净浮力不能小于设备水下质量的总和。出于成本考虑，系统浮力应根据设备水下质量的总和来确定，进而初步确定浮体组件的类型和数量。浮力值可先保守估计，一般先取设备水下质量总和的2倍，后期再根据现场条件进行调整。

浮力组件的分布设计应遵循浮力分散原则，尽量避免将所有浮球集中一处。由于整个系统串联了多个设备，其连接处存在因海水腐蚀或磨损等原因发生断裂的风险。若浮体组件过于集中一旦发生断裂，断裂点以上设备随浮体飘走，断裂点以下设备将沉入海底难以回收。为了减少断裂发生后的损失，应将浮力分散至系统不同位置，尽可能保证在任意连接点发生断裂后，都留有足够的浮力将剩余仪器带回水面。

此外，适当地增加浮力可减少重力锚触底后整个潜标系统垂向的振荡位移，降低释放器与重块碰撞的风险。研究表明，潜标在下放过程中布放缆索锚固端的张力始终高于浮标端张力，当重力锚触底瞬间系留索两端的张力骤减，接着张力值又骤增达到峰值，如此张力值发生振荡式波动。振荡幅度逐渐减小，最终张力趋于稳定[1]。

2.3 锚系结构

本文所说的锚系结构主要指锚链和重力锚，这部分位于释放器以下，在潜标回收后将遗弃在海底。

锚系结构核心是重力锚，通常加工成块状结构，因此也称为重块。重力锚首先为潜标提供下沉所需重力，在水下稳定后，重力锚还应具备足够的摩擦力，以保证在海流作用下不走锚。为合理确定重量，其重块安全配重(W)按照美国 WOODSHOLE研究所推荐的经验公式求得:

式中:TH为重块水平拉力；TV为重块竖直拉力。

3 系统静力分析和姿态计算

底流观测系统需要在海底执行较长时间的连续观测任务，为保证观测设备在预定层位正常工作需对其水下受力情况进行分析，进而得出设备在特定流场条件下对应的倾斜姿态。以仪器限定的最大倾斜度为阈值，通过计算结果完善系统中结构设计以及浮力组件的数量和位置。

3.1 基本假设

为便于力学分析，对水下系统的工作环境条件和受力状况进行了合理的简化和假设。

①系统位于海面以下 1000m深处，不考虑波浪对系统的影响，仅对系统进行静力分析；②相比海流水平分量，垂向分量流速较小，忽略不计；③系统长度较短，锚缆在拉力作用下伸长忽略不计；④系留绳索以 kevlar绳为主，且其长度较短，密度与水接近，故忽略其重力、浮力和流速阻力对系统的影响。

3.2 系统流场环境设定

系统的力学分析是在特定流速条件下开展的，选定的流速条件越符合现场规律，分析结果越可靠。

底流观测系统主要进行近海底的环境观测，设计布放深度为 1200～1400m，系统整体长度不超过40m，顶端至释放器的长度约为 30m，远小于水体深度，水平流速在垂向30m范围内差异有限。因此，进一步假设从顶端至释放器受到的最大流速垂向不发生变化。

根据海洋一所2013年7月至2014年9月在南海北部陆坡区1000m深度的观测结果，小于0.2m/s的流速值比例超过 90%[2]。由于随着深度增加海流逐渐减弱，结合本次布放深度，将 0.2m/s作为流速极值。

3.3 系统内部静力分析和倾角计算

重块触底后，系统经过短时间振动趋于稳定。由于海水流动，系统同时在海水流动方向存在相应的流体阻力。因此，系统稳定后主要受力为:重力、浮力、拉力和海水阻力。

底流观测系统设计长度约为 40m，远小于调查海区水深。可直接将系统简化为一个质点，按照进行受力分析从而得出倾角。这种分析方法极大地简化了计算过程，但也忽略了不同部件的倾角差异。实际上不同组件在水下的倾角是不一致的，我们重点关注海流计等受姿态影响较大的观测仪器的倾角变化，因此在分析计算时依然采用由顶端浮球开始从上至下、逐一计算各部件的受力情况。

前面假设中我们已忽略系留绳索的受力，只需计算其他组件的受力情况，静力分析示意见图1。

图1 各部件静力分析Fig.1 Static analysis of each component

式中:Bi为某个部件的浮力，Wi为部件重力，Ri为部件受到的流体阻力，iT′为部件上端拉力，iφ′为拉力iT′垂直方向夹角，Ti为部件下端拉力，φi为拉力 Ti垂直方向夹角。

通过求解静力方程，下端拉力为:

从上至下对各部件分别进行计算。

3.4 流体阻力计算

上述浮球、海流计和释放器的净浮力已知(由厂家提供)，流体阻力需要根据不同构件参数进行计算，流体阻力R由下式算出:

式中:CD为阻力系数，ρ为海水密度，V为流速，A为流方向的横截面积。

阻力系数 CD为雷诺数 Re的函数，受海水温度(T)、盐度(S)、密度(ρ)、流速(V)和物体形状(d 和A)及粗糙度的影响。将潜标系统中不同设备按外观形状分为两大类:球体和圆柱体。实心浮球和玻璃浮球均为球体，海流计、释放器和缆绳为圆柱体。对于阻力系数的确定，相关学者通过不同方法给出了不同的参数，多种方法确定的阻力系数差异不大。

3.5 系统结构确定

通过对系统各部件单独的受力分析计算倾角，当倾角过大导致海流计未在预定深度正常工作时，需对部件的位置和数量等结构参数进行调整并重新计算受力和倾角，不断优化设计最终确定底流观测系统的结构。

经计算最终确定的底流观测系统包含两台海流计，分别测量海底以上10m和20m的海流；充足的浮球保证系统紧绷并在极端流速下保持较小倾斜，浮球分散布置，有效减少了发生断裂后的损失；双声学释放器，降低释放失败的风险。整个系统构成见图4。

图2 底层海流观测系统构成Fig.2 The structure of the bottom ocean current observation system

4 系统应用分析

底层海流观测系统已在南海北部陆坡区成功完成 2个观测任务，获取了优质的底层海流数据。其中L1测站观测时间为2017年6月至9月；L2测站观测时间为2018年3月。观测数据从布放之日开始至回收之日结束，数据连续未发生中断或提前结束等记录异常情况，最大连续时长达到3个月。

2018年观测时间较短，资料有限，关于姿态变化分析主要依据 2017年的资料。海流计的横摇(Roll)和纵摇(Pitch)见图3。

图3 2017年海流计姿态变化过程曲线(上图为横摇，下图为纵摇)Fig.3 The curve of the attitude change of the ocean current meter in 2017

从上图可以看出，观测期间海流计倾斜基本都在3°以内，倾斜较小，姿态比较稳定。可见观测期间系统处于比较理想的姿态。

5 结 论

按照观测任务要求，初步确定潜标结构类型、观测设备、浮球数量和锚定重量。结合相关研究成果，确定调查海区的海流极值，对系统受力情况进行合理的假设，简化计算过程，计算各部件倾角，调整系统结构优化设计确定最终构成；其整体计算过程简单，同时也保留了各部件的受力分析，考虑了水下不同部件存在的姿态差异性。本系统在南海陆坡深水区顺利完成了两次观测任务，系统的稳定性和可靠性得到验证。