[发明专利]一种海底溢油预测方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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，ρ_a为周围环境流体的密度，Q_e＝Q_s+Q_f是由剪切应力和对流引起的卷吸体积通量，Q_s为卷吸剪切，Q_f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；K_C为油浓度扩散系数，为溢油浓度梯度；C和C_a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，V_l(x(t),y(t),t)为拉格朗日追踪速度，V_x和V_y分别为网格点上不同深度下的水流流速的x、y方向分量；S_α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，k_α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：