本發(fā)明涉及海洋環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，更具體的涉及一種海底溢油預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

隨著全球經(jīng)濟發(fā)展對石油資源需求的急劇增加，海洋石油開發(fā)業(yè)蓬勃發(fā)展。我國海疆遼闊，油氣資源非常豐富，然而，在開發(fā)利用海洋資源的進程中，海上油氣田的開發(fā)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展必然會帶來相應(yīng)的工程隱患，例如作業(yè)不當導(dǎo)致地層斷裂，井口、管道滲漏，船舶漏油等。隨著海洋油氣田作業(yè)進入深水化、超深水化時代，其工程設(shè)備也逐漸向大型化、集約化、復(fù)雜化、自動化的水下生產(chǎn)體系發(fā)展，加之水下自然環(huán)境的特殊性和地質(zhì)油氣儲藏的復(fù)雜性，海洋溢油事故的起因也逐漸由原來的船舶相撞、觸礁、擱淺、運輸船舶泄漏溢油逐漸向采油平臺井噴事故溢油、海底管線滲漏和海底地質(zhì)溢油等轉(zhuǎn)變。近年來世界上發(fā)生的多起嚴重溢油事故均是源自水下溢油。

對于海底溢油，由于機理復(fù)雜，大部分模型將海底溢油看作海面的點源處理，即不考慮水面下的溢油擴散過程。尤其是國內(nèi)，相關(guān)研究仍處于起步階段。與海面溢油相比，管線泄漏、井噴或海底地質(zhì)性溢油的封堵補救難度更高，其危害也更大。針對水下溢油，目前常規(guī)的處置方法很難使用，在封堵溢油源之前，只能等其上浮到海面后再進行處理回收。如何在水下溢油事故發(fā)生初期通過對溢油的軌跡和范圍做出及時準確的預(yù)測，對于有效地控制溢油，降低環(huán)境和經(jīng)濟損失，有著十分重要的實際意義。因此，對溢油在水下的輸移擴散進行研究具有重要的科學(xué)意義和重大的實際價值。

渤海是我國最大的內(nèi)海，地理、交通位置特殊，渤海海域蘊藏著煤、石油、天然氣等豐富的地質(zhì)資源。渤海海域的油田大多屬于稠油油田，在這一地區(qū)的古近系稠油具有“三高兩低”的顯著特征，即原油密度高(0.94～0.98g/cm3)、地下原油粘度高(70～500mpa·s)、瀝青膠質(zhì)含量高(30％～50％)、凝固點低(-20℃)和氣油比低(20～40m3/m3)，而且該海域水深較淺，壓強與水溫等輸入條件與國外的深水溢油模型都有較大差別。受水深和海洋環(huán)境的影響，渤海地區(qū)對于水下應(yīng)急對策及設(shè)備需求的難度與深水溢油相比略低，相對應(yīng)的水下溢油控制的效果更為明顯和有效。因此開展渤海地區(qū)水下溢油三維模擬是十分必要和急迫的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施擬提供一種海底溢油預(yù)測方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在對海底溢油模型研究比較少，導(dǎo)致不能及時掌握和控制海底溢油的問題。

本發(fā)明實施擬提供一種海底溢油預(yù)測方法，包括：

在海底溢油的初始階段，采用拉格朗日積分公式和濃度梯度公式，通過動量守恒方程確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從海底溢油點開始上浮，當所述油滴群在海底內(nèi)上升時，根據(jù)所述油滴群受到的浮力，通過第一公式確定所述油滴群的上升速度；

所述油滴群在海底內(nèi)上升至海面上時，在海洋三維流場和海面風(fēng)場的作用力下，通過第二公式確定處于某一深度的所述油滴群的漂移軌跡，通過第三公式確定所述油滴群在某一深度及海面的擴散距離；

所述拉格朗日積分公式如下所示：

所述濃度梯度如下所示：

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為控制體質(zhì)量，ρa為周圍環(huán)境流體的密度，qe＝qs+qf是由剪切應(yīng)力和對流引起的卷吸體積通量，qs為卷吸剪切，qf為強制卷吸；表示單位時間內(nèi)由于紊動擴散引起的溢油損失量；kc為油濃度擴散系數(shù)，為溢油濃度梯度；c和ca分別是油濃度和周圍環(huán)境流體的油濃度；b控制體橫斷面半徑；h為控制體厚度；r為雷諾數(shù)，j是引入的無量綱參數(shù)，m是莫頓數(shù)，為初始時刻位置，為油滴所在位置，vl(x(t),y(t),t)為拉格朗日追蹤速度，vx和vy分別為網(wǎng)格點上不同深度下的水流流速的x、y方向分量；sα為α＝(x,y,z)方向的湍動擴散距離，為[-1，1]間正態(tài)分布隨機數(shù)，kα為α方向的湍流擴散系數(shù)，δt為時間步長，ρ為浮射流的密度，g為重力加速度，μ是流體的粘度，d為油滴直徑，de為油滴的軸長。

優(yōu)選地，所述卷吸剪切由下列公式表示：

對所述流引起的卷吸體積通量表示為：

其中，qfz，qfy，qfx為x、y、z、方向上的強制卷吸通量，uavawa為控制體流速在x、y、z、方向的分量，va'是在控制體中心線上的投影，α為卷吸系數(shù)；δb是浮射流控制體半徑的增量，是浮射流流向與水平面的夾角，θ是浮射流軌跡中心線在水平面的投影與x軸的夾角，δs是浮射流軸線距離的增量，是控制體的流速。

優(yōu)選地，所述動量守恒方程如下所示：

其中，是周圍流體的流速，是控制體的流速，δρ＝ρa-ρ，cd為拖曳力系數(shù)，va'是在控制體中心線上的投影，是湍流體的流速，。

本發(fā)明實施例中，提供了一種海底溢油預(yù)測方法，包括：在海底溢油的初始階段，采用拉格朗日積分公式和濃度梯度公式，通過動量守恒方程確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從海底溢油點開始上浮，當所述油滴群在海底內(nèi)上升時，根據(jù)所述油滴群受到的浮力，通過第一公式確定所述油滴群的上升速度；所述油滴群在海底內(nèi)上升至海面上時，在海洋三維流場和海面風(fēng)場的作用力下，通過第二公式確定處于某一深度的所述油滴群的漂移軌跡，通過第三公式確定所述油滴群在某一深度及海面的擴散距離；所述拉格朗日積分公式如下所示：所述濃度梯度如下所示：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：本發(fā)明實施例中，采用油滴群的方法，通過考慮油滴群在不同溢油階段受不同的驅(qū)動力將溢油的“近區(qū)模擬”和“遠區(qū)模擬”結(jié)合起來。在近區(qū)浮射流階段，油粒子在初始動量和背景流場的作用下運動，通過拉格朗日控制體積分方法進行近區(qū)模擬，確定油滴群卷吸作用、浮力作用和拖曳作用下的位移；在浮力階段，使用修正綜合計算方法模擬油滴輸移和擴散，根據(jù)油滴群尺寸的大小選擇三種形狀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；當油滴群到達海表面，溢油模擬進入“遠區(qū)模擬”階段，通過數(shù)值求解，確定油滴群在海面流和風(fēng)的作用下輸移和擴散。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種海底溢油預(yù)測方法流程示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

圖1示例性地示出了本發(fā)明實施例提供的一種海底溢油預(yù)測方法流程示意圖，該方法至少可以應(yīng)用于海底溢油預(yù)測中。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的一種海底溢油預(yù)測方法，包括以下步驟：

步驟101，在海底溢油的初始階段，采用拉格朗日積分公式和濃度梯度公式，通過動量守恒方程確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。

步驟102，所述油滴群在卷吸作用、浮力作用和拖曳作用下的從海底溢油點開始上浮，當所述油滴群在海底內(nèi)上升時，根據(jù)所述油滴群受到的浮力，通過第一公式確定所述油滴群的上升速度。

步驟103，所述油滴群在海底內(nèi)上升至海面上時，在海洋三維流場和海面風(fēng)場的作用力下，通過第二公式確定處于某一深度的所述油滴群的漂移軌跡，通過第三公式確定所述油滴群在某一深度及海面的擴散距離。

所述拉格朗日積分公式如下所示：

所述濃度梯度如下所示：

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為控制體質(zhì)量，ρa為周圍環(huán)境流體的密度，qe＝qs+qf是由剪切應(yīng)力和對流引起的卷吸體積通量，qs為卷吸剪切，qf為強制卷吸；表示單位時間內(nèi)由于紊動擴散引起的溢油損失量；kc為油濃度擴散系數(shù)，為溢油濃度梯度；c和ca分別是油濃度和周圍環(huán)境流體的油濃度；b控制體橫斷面半徑；h為控制體厚度；r為雷諾數(shù)，j是引入的無量綱參數(shù)，m是莫頓數(shù)，為初始時刻位置，為油滴所在位置，vl(x(t),y(t),t)為拉格朗日追蹤速度，vx和vy分別為網(wǎng)格點上不同深度下的水流流速的x、y方向分量；sα為α＝(x,y,z)方向的湍動擴散距離，為[-1，1]間正態(tài)分布隨機數(shù)，kα為α方向的湍流擴散系數(shù)，δt為時間步長，ρ為浮射流的密度，g為重力加速度，μ是流體的粘度，d為油滴直徑，de為油滴的軸長。

需要說明的是，在本發(fā)明實施例中，為了研究海底溢油，采用了一定數(shù)量的“油粒子”代表溢油，通過蹤粒子的去向和性質(zhì)的變化研究溢油的遷移擴散和變化過程。

在步驟101中，油滴群處于海底溢油的初始階段，由于溢油具有較大的初始動量，在本發(fā)明實施例中，考慮到浮力作用和卷吸效應(yīng)，可以確定初始階段的第一油滴群處于海底溢油的初始階段時，具有如公式(1)所示的初始動量：

其中，公式(1)為拉格朗日積分公式，通過上述公式(1)，可以將油滴群作為一個整體，來研究油滴群的共同運動。

公式(1)中，m為控制體質(zhì)量，m＝ρπb²h，ρ和b分別為浮射流的密度和控制體橫斷面半徑，h為控制體的厚度，ρa為周圍環(huán)境流體的密度。

qe＝qs+qf是由剪切應(yīng)力和對流引起的卷吸體積通量，qs為卷吸剪切，qf為強制卷吸。

其中，剪切卷吸通量可以通過公式(2)表示：

公式(2)中，va'是在控制體中心線上的投影，α為卷吸系數(shù)。

進一步地，可以對流引起的卷吸體積通量--強制卷吸通量通過下列系列公式表示：

上述公式(3-1)，公式(3-2)和公式(3-3)中，qfz，qfy，qfx為x、y、z、方向上的強制卷吸通量，uavawa為控制體流速在x、y、z、方向的分量，δb是浮射流控制體半徑的增量，是浮射流流向與水平面的夾角，θ是浮射流軌跡中心線在水平面的投影與x軸的夾角，δs是浮射流軸線距離的增量，

進一步地，公式(1)中的表示單位時間內(nèi)由于紊動擴散引起的溢油損失量，可用公式(4)所示的濃度梯度來表示：

公式(4)，kc為油濃度擴散系數(shù)，為溢油濃度梯度；c和ca分別是油濃度和周圍環(huán)境流體的油濃度。

需要說明的是，在實際應(yīng)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滿足動量守恒方程，具體的，動量守恒方程可以由下列公式(5)表示：

公式(5)中，是周圍流體的流速，是控制體的流速，δρ＝ρa-ρ，cd為拖曳力系數(shù)，va'是在控制體中心線上的投影，式子右側(cè)的三部分分別是由于環(huán)境流體的卷吸作用、浮力作用和拖曳力作用引起的動量變化。

需要說明的是，在實際計算中，cd表示的拖曳力系數(shù)可以忽略。

在步驟102中，油滴群在卷吸作用、浮力作用和拖曳作用下的從海底溢油去區(qū)開始上浮，當所述油滴群在海底內(nèi)上升時，根據(jù)所述油滴群受到的浮力，可以確定油滴群的上升速度。

需要說明的是，在實際應(yīng)用中，由于油滴群包括的油滴在海底內(nèi)上升時，每個油滴的自身尺寸、形狀可以不同，在本發(fā)明實施例中，為了計算方便，可以將油滴群包括的多個油滴分為以下三種形狀，來分別確定油滴群包括的油滴在開始上浮時的上升速度。

具體地，當油滴的形狀為球形時，可以通過下列公式(6-1)來確定第一油滴群的上升速度：

公式(6-1)中，關(guān)于雷諾數(shù)r的計算取值，有

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

當73＜nd≤580時，logr＝-1.7095+1.33438w-0.11591w²

當580＜nd≤1.55×10⁷時，

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

式中，w＝lognd

具體地，當油滴的形狀為橢球時，可以通過下列公式(6-2)來確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是水的運動粘性系數(shù)，σ是表面張力，j和h是引入的無量綱參數(shù)；m是莫頓數(shù)，eo是數(shù)，橢球形公式應(yīng)用的條件是m<10-3和eo<40。

具體地，當油滴的形狀為球冠體時，可以通過下列公式(6-3)來確定第一油滴群的上升速度：

公式(6-3)的應(yīng)用條件是eo>40。

需要說明的是，在本發(fā)明實施例中，公式(6-1)，公式(6-2)和公式(6-3)構(gòu)成了第一公式，且在實際計算油滴群的上升速度時，只采用第一公式中的某一個公式即可確定油滴群的上升速度。

在步驟103中，隨著油滴群上升到海面，油滴群受到的初始動量和浮力越來越小，海洋三維流場和海面風(fēng)場是其主要驅(qū)動力，在風(fēng)和海流的作用下第一油滴群的運動包括以下兩種情況：

第一種：溢油的平流過程，即δt時間內(nèi)，可以通過第二公式確定處于某一深度的第一油滴群的漂移軌跡，其中，第二公式如公式(7)所示：

公式(7)中：為初始時刻位置，為油滴所在位置，vl(x(t),y(t),t)為拉格朗日追蹤速度，vx和vy分別為網(wǎng)格點上不同深度下的水流流速的x、y方向分量。

第二種：溢油的擴散過程，即溢油的擴散是由于水流的隨機性脈動所導(dǎo)致的油粒子的空間位移。假設(shè)油滴群包括的油粒子的水平擴散各方向同性，則可以通過第三公式確定水下及海面的油滴群包括的油粒子的隨機擴散過程，其中，第三公式如公式(8)所示：

公式(8)中，sα為α＝(x,y,z)方向的湍動擴散距離，為[-1，1]間正態(tài)分布隨機數(shù)，kα為α方向的湍流擴散系數(shù)，δt為時間步長。

需要說明的是，本發(fā)明實施例中，采用上浮速度準則vc來確定tlpd。不用等到浮射流與水流混合在一起作為整體運動，一旦羽流速度降低到vb，油滴就會自行上浮了。

綜上所述，本發(fā)明實施例提供了一種海底溢油預(yù)測方法，包括：在海底溢油的初始階段，采用拉格朗日積分公式和濃度梯度公式，通過動量守恒方程確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從海底溢油點開始上浮，當所述油滴群在海底內(nèi)上升時，根據(jù)所述油滴群受到的浮力，通過第一公式確定所述油滴群的上升速度；所述油滴群在海底內(nèi)上升至海面上時，在海洋三維流場和海面風(fēng)場的作用力下，通過第二公式確定處于某一深度的所述油滴群的漂移軌跡，通過第三公式確定所述油滴群在某一深度及海面的擴散距離；所述拉格朗日積分公式如下所示：所述濃度梯度如下所示：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：本發(fā)明實施例中，采用油滴群的方法，通過考慮油滴群在不同溢油階段受不同的驅(qū)動力將溢油的“近區(qū)模擬”和“遠區(qū)模擬”結(jié)合起來。在近區(qū)浮射流階段，油粒子在初始動量和背景流場的作用下運動，通過拉格朗日控制體積分方法進行近區(qū)模擬，確定油滴群卷吸作用、浮力作用和拖曳作用下的位移；在浮力階段，使用修正綜合計算方法模擬油滴輸移和擴散，根據(jù)油滴群尺寸的大小選擇三種形狀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；當油滴群到達海表面，溢油模擬進入“遠區(qū)模擬”階段，通過數(shù)值求解，確定油滴群在海面流和風(fēng)的作用下輸移和擴散。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的實施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計算機程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、cd-rom、光學(xué)存儲器等)上實施的計算機程序產(chǎn)品的形式。

本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計算機程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計算機程序指令實現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。

這些計算機程序指令也可存儲在能引導(dǎo)計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計算機或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計算機實現(xiàn)的處理，從而在計算機或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。