南海深水區水下溢油三維可視化模擬系統研發與應用

安偉，趙宇鵬，李建偉，王永剛，陳海波

(1. 中海石油環保服務(天津)有限公司 天津 300452； 2. 國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061；3.中國科學院海洋研究所 青島 266071)

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南海深水區水下溢油三維可視化模擬系統研發與應用

安偉1，趙宇鵬1，李建偉1，王永剛2，陳海波3

(1. 中海石油環保服務(天津)有限公司 天津 300452； 2. 國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061；3.中國科學院海洋研究所 青島 266071)

針對南海油氣田勘探開發溢油污染防治需求，開發了國內首套深水區水下溢油三維可視化模擬系統，由三維海流預報模型、深水溢油模型、三維可視化仿真系統和數據庫組成。海流預報模型基于ROMS模式，通過考慮波致混合影響，并利用最優插值技術同化衛星測高資料和嵌套技術，保障了預報結果的準確性。深水溢油模型由羽流模型和對流擴散模型組成，考慮了卷吸、油氣分離、溶解、水合物生成、漂移、擴散等復雜過程。系統能夠預測深水區水下油氣泄漏后行為和歸宿過程，提供油、氣、天然氣水合物粒子的大小、分布、移動速度和漂移軌跡、擴散面積、水體溢油殘存量、水面溢油量等三維可視化動態模擬結果。目前系統已經在油氣田勘探開發中得到應用，為南海深水溢油應急提供了重要支撐。

深水溢油模型；可視化系統；溢油應急；三維仿真；羽流；對流擴散

2010年美國墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺爆炸導致的溢油事故，給墨西哥灣海洋生態和沿岸經濟造成巨大災難，也為全球深水區(水深大于300 m)的油氣勘探開發活動敲響了警鐘。南海是我國深水油氣田開發的主戰場，特殊的區域環境、復雜油氣藏特性，以及淺層災害、地層孔隙壓力和破裂壓力窗口狹窄等使的水下溢油風險劇增[1]。與淺水區和海面溢油不同，深水區溢油(含氣體)從水下升至海面的過程中，由于受海流、溫度和壓力的影響，漂移擴散和物理化學性質變化十分復雜，對其行為和歸宿的數值模擬工作也變得十分困難。自20世紀70年代，挪威SINTEF和美國Clarkson大學相繼開展了深水區水下溢油模型的理論和實驗研究工作，分別建立了DEEPFLOW模型和CDOG模型，并開發了相關軟件系統[2-6]。近幾年，我國在深水溢油數值模擬方面也做了部分工作，但與國外相比還存在一定的差距[7-12]。目前國內外學者普遍認可深水溢油包括噴射流階段、浮力羽流階段和對流擴散階段，經歷油氣相分離、水合物形成、卷吸、油-氣-水合物溶解、羽狀流的懸浮以及漂移、擴散等復雜過程，并以此理論為基礎，開展深水溢油模型的開發和優化工作。

針對我國南海海域環境條件和溢油應急需求，我們建立了南海高分辨率三維水動力預報模型和深水區水下溢油模型，開發了國內首套深水溢油三維可視化模擬系統，能夠對南海深水區水下溢油動態進行快速預測和實時顯示，極大地提高了我國深水區海上溢油應急快速反應能力。本文介紹了該系統的組成、功能以及特點。

1 系統結構組成

深水區水下溢油三維可視化模擬系統是基于三維海洋水動力模型和深水溢油模型建立的水下溢油行為仿真預測系統，包括溢油預測、三維仿真、結果輸出和數據庫4個功能模塊(圖1)，能夠提供油、氣、天然氣水合物粒子的狀態(大小、分布和移動速度)和行為(漂移軌跡、擴散面積、水體溢油殘存量、水面溢油量)的三維可視化動態模擬，通過圖片、視頻、精準坐標記錄等形式，再現水下溢油事故的全過程，為溢油應急演習演練、應急計劃編制和溢油事故決策指揮提供參考。

圖1 深水區水下溢油三維可視化模擬系統框架

系統基于C/S模式構建，超大計算量的水動力預報由服務器完成，人-機交互部分融入客戶端，同時采用數據公開加密算法(data encryption standard，DES)對客戶端和服務器之間數據交換進行加解密，充分保證數據的安全性。開發語言使用Microsoft Visual C++，利用其面向對象技術架設開放式接口、多線程并發式計算等系統模式，使系統具備良好的兼容性、可擴展性和計算性能，實現內部各功能模塊之間以及與外部數據鏈接和集成。

2 深水區水下溢油預測

深水區水下溢油過程復雜，導致其物理化學性質變化較大，同時監視監測和探測手段不多，特別是油污量和影響范圍等無法像海面溢油采用遙感和現場人員觀測的方式獲得直觀的信息，因此準確預測油污從水下到海面的動態對溢油應急起著關鍵性作用。本系統在對深水溢油行為和歸宿理論研究的基礎上，通過實驗室模擬實驗，并基于南海三維水動力預報模型和深水溢油模型，能夠預測油(氣)自海底至海面過程中的漂移擴散軌跡和狀態變化。

2.1 南海海流數值預報模式

基于ROMS(regional oceanic modeling system)模式建立了南海海域高分辨率海流數值預報模型，通過考慮波致混合影響并利用最優插值技術同化衛星測高資料，保障了預報結果的準確性[13]。鑒于關注海域為整個南海(99°E—125°E，2°N—25°N)，通過大區域模式(覆蓋整個南海，水平網格分辨率1°/16°)和小區域模式(南海西部和東部，水平網格分辨率1°/32°)嵌套，既實現南海海域的預測，又保證了重點關注海域的計算分辨率。

2.2 深水溢油模型

根據深水水下溢油模型對3個階段油氣的行為和特征，我們將噴射階段和羽流階段合并采用羽流動力模型描述，采用Lagrangian積分技術進行模擬；將對流擴散階段采用對流擴散模型描述，采用Lagrange 粒子追蹤法進行模擬。兩個模型的描述見表1，具體研究過程參見其他學者研究，如陳海波等[7-10]。

表1 深水溢油模型描述

在模擬計算中，確定油氣上升過程中羽流模型和對流擴散模型的轉換點至關重要，本系統采用中性浮力層劃分兩種模型之間的分界點。由于垂向溫度、鹽度梯度的變化，環境流體密度在垂向上也是變化的，羽流在上升過程中由于卷吸作用密度越來越大，當羽流密度等于環境流體的密度時，這一平面即為中性浮力層，作為羽流動力模型轉化對流擴散模型的分界線。

3 三維可視化系統開發與功能

本系統重點針對海洋三維水動力環境開展增強和優化，可視化部分采用OpenSceneGraph三維引擎，內部封裝的OpenGL底層細節通過場景圖進行三維展示，能夠更加精準地模擬海底地形、海洋分層流場、海浪、海水光照等海洋環境因素，在海洋環境三維場景空間對象的構建、組織和交互進行增強，形成一套可靠、穩定運行的溢油三維仿真系統，為用戶提供便捷、直觀的可視化交互服務。

3.1 三維仿真

3.1.1 油粒子仿真

油粒子仿真模型具有三維坐標、時間、速度、方向、半徑等多維屬性，保存了粒子在某一時刻的綜合狀態，本系統基于GPU繪制技術，加快了大規模油粒子數據更新計算和渲染過程，能夠支持5萬個溢油粒子的動態仿真。

3.1.2 地形仿真

通過OSG幾何繪制的三角網格法，采用大量數據點快速繪制和頂點數組索引綁定的方式，實現海底地形大規模數據的快速渲染。同時通過碰撞檢測技術和多邊形分割化技術，實現局部海面場景的顯示。

3.1.3 海流仿真

海流三維仿真模塊可以對垂向20層海流大小和方向進行顯示，并可以控制海流的經度間隔、緯度間隔、箭頭大小參數、海流粗細參數和垂直線參數。

3.1.4 模型加載

對關注海域內船舶、石油平臺和油氣管道等常見海上設施，可以通過模型加載在系統中呈現，加載模型后可實現模型變換、修改、刪除和添加等功能。

3.2 操作與控制

3.2.1 菜單欄與工具欄

系統提供菜單欄、工具欄、對話框、浮動欄、鼠標、鍵盤控制等，滿足用戶多功能、多操作形式下對場景的控制和交互，可以通過鼠標和快捷鍵的組合實現快速瀏覽，也可以通過工具欄進行像素級的場景平移旋轉觀察，對應的操控方法與菜單欄上控制按鈕相對應。

3.2.2 過程控制與設置

(1)溢油模擬播放：通過滑動速度控制滑動條，控制粒子運動速度，模擬計算時可以全程、任意時刻觀看模擬過程，也可暫停觀測單點狀態。

(2)粒子顯示設置：通過對不同類型油粒子進行顏色、半徑選擇，加強顯示效果。

(3)場景觀察：通過調節粒子擴展范圍、背景顏色、海面透明度和地形顏色等，便于觀察。

3.2.3 標注與顯示

(1)標注：在三維場景中可以任意添加文字信息，方便用戶對重要信息進行備注或者提醒。

(2)角度切換：觀察角度切換功能可以通過調整水平角、高度角、參考點到中心點的距離等參數，加強觀測的多角度多方位。

(3)優化顯示：通過此功能可以進行單一坐標軸方向的比例尺放大和縮小。

4 系統應用

系統開發完成后，在雪佛龍公司南海的42-05區塊溢油應急計劃編制中進行了應用。模擬區域位于114°57′45.50″E、19°41′36.74″N，井口水深1 486 m，模擬初始信息見表2。

表2 溢油模擬初始信息

由模擬系統顯示，油氣泄漏后，油粒子剛進入水體時的漂移方向是東偏北，在1 200 m左右水深處轉向西南方向移動，泄露222 min后，大油滴在距離溢油點(直線距離)1 335 m的西南方向首先達到海面。又經過約277 min后，中油滴在距離溢油點(直線距離)2 719 m的西南方向達到海面。此時，總溢油量為550.9 t，其中有24.3 t漂浮于海面，并且大部分溢油仍然分布在溢油點的東北方向。

油氣泄漏24 h后，海面的油滴大部分處于溢油點的西側，較淺水域的油滴大部分在溢油點的西南方，較深水域的油滴大部分在溢油點的東北方，此時總溢油量達到1 337.1 t，其中到達海面的油量約為620.6 t，油的分布范圍較之前有了明顯增大。油氣泄漏48 h后，深水區的污染主要向東北擴展，淺水區和海面的污染主要向西南擴展，最遠的油粒子位于溢油點以西23 988 m，以南5 105 m，與溢油點間的水平直線距離為24 525 m，浮出海面的油量增加到950.8 t。水體中剩余油污包括一部分中油滴和全部的小油滴，其中小油滴位于1 200 m以深的深水區，幾乎處于懸浮狀態，將需要更長的時間才能上升至海面。

5 總結

隨著我國南海油氣田開發的蓬勃發展，深水溢油風險日益增加。南海深水區水下溢油三維可視化模擬系統能夠對溢油行為和歸宿進行快速預報，為海上溢油應急決策指揮提供技術支持。該系統的建立和應用，能極大地提升我國深水溢油風險防控能力，為深水油氣田開發保駕護航。同時由于我國在深水溢油模擬方面起步較晚，與國外有較大差距，還需要進一步加強基礎理論和實驗室模擬研究工作。

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Developments and Applications of Underwater Oil Spill 3D Visualization System in the South China Sea Deepwater Area

AN Wei1,ZHAO Yupeng1,LI Jianwei1,WANG Yonggang2,CHEN Haibo3

(1. China Offshore Environmental Services Ltd., Tianjin 300452, China； 2. The First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China;3. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China;)

In view of requirements of oil spill pollution control in the South China Sea oil and gas field exploration and development, the domestic first set of underwater oil spill 3D visualization system has been built, which consists of 3D current forecast model, deepwater oil spill model, 3D visualization simulation system and database. The current forecast model based on the ROMS guarantee the accuracy of the forecast results by considering the wave mixing effect and by using the optimal interpolation technology assimilation satellite altimeter data and nested technology. The deepwater oil spill model is composed of plume model and convection diffusion model, considering the entrainment, oil and gas separation, dissolution, hydrate formation, drift and diffusion process. The system can predict the behavior and fate of underwater oil and gas leak process, providing size, distribution, speed and trajectory of oil, gas and hydrate particle, the diffusion area, the oil residual in water column and on the surface etc. Now the system has been applied in the oil and gas field exploration and development, providing an important support for deepwater oil spill response in the South China Sea.

Deepwater oil spill model, Visualization System, Oil spill emergency response, 3D simulation, Plume, Convection diffusion

海洋公益性行業科研專項經費項目“海洋溢油污染風險評估及應急響應關鍵技術集成及應用示范”(201205012)；中國海洋石油總公司科技項目“深水區水下溢油數值模擬技術研究”.

安偉，高級工程師，博士，研究方向為海上溢油污染防治技術，電子信箱：anwei2@cnooc.com.cn

P751

A

1005-9857(2016)03-0034-05