ADCP坐底驗(yàn)潮數(shù)據(jù)在海上油氣田開發(fā)中的應(yīng)用

段寶生

中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部 天津 300459

在海上油氣田開發(fā)過程中，海洋環(huán)境貫穿勘探、開發(fā)、鉆井、工程、生產(chǎn)及棄置全部環(huán)節(jié)，海洋水文信息對(duì)場(chǎng)址勘察、平臺(tái)建設(shè)和后期運(yùn)營均有重要意義，尤其隨著深水油氣和天然氣水合物的勘探開發(fā)，海洋水文致災(zāi)因素對(duì)鉆井平臺(tái)自身安全和鉆井作業(yè)都會(huì)產(chǎn)生重大影響，如海嘯、孤立內(nèi)波、近底強(qiáng)流等［1］。渤海某油田區(qū)塊需要新建海床面以下生產(chǎn)系統(tǒng)，為此在預(yù)定區(qū)域進(jìn)行了全剖面海流觀測(cè)，分析泥面以上1 m至海表處的流速，以便更好地為相關(guān)設(shè)計(jì)提供環(huán)境參數(shù)支持。

潮汐為海面產(chǎn)生的一種周期性的升降運(yùn)動(dòng)。引起潮汐的原因包括天體萬有引力、地球公轉(zhuǎn)、地球自轉(zhuǎn)、氣象變化等，其中主要為月球及太陽的引力。潮汐調(diào)和分析是將潮汐視作由一系列諧和振動(dòng)組成，每一諧和振動(dòng)稱為一個(gè)分潮，分潮的周期同引潮力各分場(chǎng)的周期一一對(duì)應(yīng)。

潮汐依其形成原因，主要分為太陽潮（solar tide）、太陰潮（lunar tide）、日月潮（lunisolar tide）等。若依周期來分，主要分為全日潮（diurnal tides）、半日潮（semi-diurnal tides）等。潮汐以4 種分潮為主，分別是M2（主太陰半日周期）、S2（主太陽半日周期）、K1（日月合成日周期）及O1（主太陰日周期）。

調(diào)和分析法的目的是將潮位視為各種周期的分潮之線性總和，對(duì)于某地的潮位記錄，若能搜集并求出各分潮的振幅及相位角，則可決定當(dāng)?shù)刂毕匦圆⑼扑阄磥碇蔽弧Ｒ话愣?，潮汐包含了無限多的分潮成分，但一般基于以上有限的主要分潮來進(jìn)行分析。

1 數(shù)據(jù)采集

聲學(xué)多普勒海流剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP），又稱為“海流垂線儀”［2］。ADCP 的探頭部分由4 個(gè)聲波脈沖換能器組成，各換能器都按照與探頭內(nèi)置坐標(biāo)系的固定夾角排列［3］。每個(gè)換能器既是發(fā)射源又是接收源，換能器按照某一頻率發(fā)出集中于一定狹窄范圍內(nèi)的聲波脈沖后［4］，即開始聆聽被水體中懸浮顆粒物體反射回來的聲波。假設(shè)懸浮顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度與海水流速相同［5］，則當(dāng)顆粒物向換能器靠近移動(dòng)時(shí)，換能器接收到的回聲頻率比發(fā)射頻率要高；當(dāng)顆粒物遠(yuǎn)離換能器移動(dòng)時(shí)，換能器接收到的回聲頻率要比發(fā)射頻率低。這種因?yàn)閼腋☆w粒物的運(yùn)動(dòng)而引起聲波頻率的改變稱為聲學(xué)多普勒頻移，即為發(fā)射聲波頻率與返回聲波頻率之差［6］。聲束坐標(biāo)沿ADCP換能器的軸線建立，每條軸線對(duì)應(yīng)一個(gè)聲束坐標(biāo)，每個(gè)換能器測(cè)量的流速方向與聲束坐標(biāo)方向相同，即任意3 條軸線可組成一個(gè)獨(dú)立的空間聲束坐標(biāo)系［7］。ADCP首先測(cè)量計(jì)算出各聲束坐標(biāo)的流速分量，然后根據(jù)內(nèi)置空間直角坐標(biāo)系與聲束坐標(biāo)系的七參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系［8］，采用赫爾默特變換法，將聲束坐標(biāo)系海流矢量轉(zhuǎn)換為內(nèi)置空間直角坐標(biāo)系下的三維矢量，再根據(jù)電羅經(jīng)測(cè)量的真北艏向數(shù)據(jù)和姿態(tài)儀測(cè)量的姿態(tài)數(shù)據(jù)，將內(nèi)置空間直角坐標(biāo)系下的海流矢量歸算至絕對(duì)地理坐標(biāo)系［9］。

ADCP 安裝在海床基內(nèi)部，向上觀測(cè)全深度海流剖面，采樣間隔3 min，空間分辨率0.25 m，流速精度0.25%±2 mm/s，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為31 d，100%完成率。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)控

海流資料質(zhì)量控制一般包括設(shè)備姿態(tài)檢驗(yàn)、跳點(diǎn)檢驗(yàn)、異常值標(biāo)識(shí)、信噪比檢驗(yàn)等。分層選取規(guī)則概括如下。

①底層選?。哼x取距離海底1 m左右深度的海流數(shù)據(jù)。

②中層選取：按現(xiàn)場(chǎng)水深值的一半進(jìn)行選取。

③表層選?。焊鶕?jù)儀器的深度，扣除旁瓣效應(yīng)盲區(qū)，向下選層。

儀器姿態(tài)較為穩(wěn)定，橫搖（roll）和縱搖（pitch）均穩(wěn)定在2°左右，滿足設(shè)計(jì)要求，如圖1 所示。

圖1 ADCP姿態(tài)變化曲線Fig.1 Attitude curve of ADCP

通常認(rèn)為goodping高于80%的數(shù)據(jù)可靠，此次觀測(cè)的goodping均在94%以上。

綜上所述，在觀測(cè)期間，ADCP儀器姿態(tài)和goodping均滿足觀測(cè)要求。

3 數(shù)據(jù)分析

調(diào)和分析：海流為矢量，先將海流分解為東西方向分量（U）和南北方向分量（V），并分別進(jìn)行低通濾波，得到時(shí)間間隔為1 h的海流矢量序列。本次海流觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度較短，故在調(diào)和分析過程中引入了M2（主太陰半日周期）、S2（主太陽半日周期）、O1（主太陰日周期）和K1（日月合成日周期）4 個(gè)主要分潮的差比關(guān)系。

根據(jù)分析結(jié)果，求出潮流調(diào)和常數(shù)，主要分潮的潮流調(diào)和常數(shù)如表1 所示。

表1 主要分潮潮流調(diào)和常數(shù)Tab.1 Harmonic constants of main tidal currents

由表1 可知，潮流表層、中層和底層各分潮流按量值大小排列依次為M2＞S2＞K1＞O1（以下討論僅限于O1、K1、M2、S24 個(gè)主要分潮流）。

基于調(diào)和常數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算潮流橢圓要素，4 個(gè)主要分潮潮流橢圓要素如表2 所示。

表2 主要分潮潮流橢圓要素Tab.2 Elliptic elements of main tidal currents

各層的潮流性質(zhì)參數(shù)（WO1+WK1）/WM2如表2 所示。潮流類型指數(shù)如表3 所示，可以看出，表、中、底層潮流均為正規(guī)半日潮流。各分潮流的橢圓率在0.06～0.77 之間，表、中和底層的半日分流均為左旋。監(jiān)測(cè)站最大可能潮流和余流特征如表4 所示。

表3 潮流類型指數(shù)Tab.3 Tidal current type index

表4 最大可能潮流和余流分布Tab.4 Maximum possible tidal current and residual current distribution

4 結(jié) 論

本次調(diào)查采用坐底式ADCP，進(jìn)行了全剖面海流觀測(cè)，通過對(duì)有效觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得出主要結(jié)論為：調(diào)查海區(qū)主要分潮按重要性排序依次為表、中和底層，各分潮流按量值大小排列依次為M2＞S2＞K1＞O1；表、中、底層潮流性質(zhì)指數(shù)分別為0.30、0.28 和0.31，故表、中、底層潮流均為正規(guī)半日潮流；各分潮流的橢圓率在0.06～0.77 之間，表、中和底層的半日分潮流均為左旋；表、中、底層的最大可能潮流流速分別為107.8、102.7、83.9 cm/s，對(duì)應(yīng)的潮流方向依次為37°、37°、35°。

隨著海流剖面觀測(cè)調(diào)查技術(shù)的日益成熟，尤其是可靠數(shù)據(jù)回收穩(wěn)定性的提高，海上潮汐數(shù)據(jù)必將為油氣資源勘探開發(fā)，特別是為海上油田群的建設(shè)提供更多的設(shè)計(jì)參數(shù)支持，助力海上油田開發(fā)全周期安全性的提高和建造成本的降低，并不斷走向更深水域?！?/p>