南海深水区水下溢油三维可视化模拟系统研发与应用

安伟，赵宇鹏，李建伟，王永刚，陈海波

(1. 中海石油环保服务(天津)有限公司 天津 300452； 2. 国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061；3.中国科学院海洋研究所 青岛 266071)



南海深水区水下溢油三维可视化模拟系统研发与应用

安伟1，赵宇鹏1，李建伟1，王永刚2，陈海波3

(1. 中海石油环保服务(天津)有限公司 天津 300452； 2. 国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061；3.中国科学院海洋研究所 青岛 266071)

针对南海油气田勘探开发溢油污染防治需求，开发了国内首套深水区水下溢油三维可视化模拟系统，由三维海流预报模型、深水溢油模型、三维可视化仿真系统和数据库组成。海流预报模型基于ROMS模式，通过考虑波致混合影响，并利用最优插值技术同化卫星测高资料和嵌套技术，保障了预报结果的准确性。深水溢油模型由羽流模型和对流扩散模型组成，考虑了卷吸、油气分离、溶解、水合物生成、漂移、扩散等复杂过程。系统能够预测深水区水下油气泄漏后行为和归宿过程，提供油、气、天然气水合物粒子的大小、分布、移动速度和漂移轨迹、扩散面积、水体溢油残存量、水面溢油量等三维可视化动态模拟结果。目前系统已经在油气田勘探开发中得到应用，为南海深水溢油应急提供了重要支撑。

深水溢油模型；可视化系统；溢油应急；三维仿真；羽流；对流扩散

2010年美国墨西哥湾“深水地平线”钻井平台爆炸导致的溢油事故，给墨西哥湾海洋生态和沿岸经济造成巨大灾难，也为全球深水区(水深大于300 m)的油气勘探开发活动敲响了警钟。南海是我国深水油气田开发的主战场，特殊的区域环境、复杂油气藏特性，以及浅层灾害、地层孔隙压力和破裂压力窗口狭窄等使的水下溢油风险剧增[1]。与浅水区和海面溢油不同，深水区溢油(含气体)从水下升至海面的过程中，由于受海流、温度和压力的影响，漂移扩散和物理化学性质变化十分复杂，对其行为和归宿的数值模拟工作也变得十分困难。自20世纪70年代，挪威SINTEF和美国Clarkson大学相继开展了深水区水下溢油模型的理论和实验研究工作，分别建立了DEEPFLOW模型和CDOG模型，并开发了相关软件系统[2-6]。近几年，我国在深水溢油数值模拟方面也做了部分工作，但与国外相比还存在一定的差距[7-12]。目前国内外学者普遍认可深水溢油包括喷射流阶段、浮力羽流阶段和对流扩散阶段，经历油气相分离、水合物形成、卷吸、油-气-水合物溶解、羽状流的悬浮以及漂移、扩散等复杂过程，并以此理论为基础，开展深水溢油模型的开发和优化工作。

针对我国南海海域环境条件和溢油应急需求，我们建立了南海高分辨率三维水动力预报模型和深水区水下溢油模型，开发了国内首套深水溢油三维可视化模拟系统，能够对南海深水区水下溢油动态进行快速预测和实时显示，极大地提高了我国深水区海上溢油应急快速反应能力。本文介绍了该系统的组成、功能以及特点。

1 系统结构组成

深水区水下溢油三维可视化模拟系统是基于三维海洋水动力模型和深水溢油模型建立的水下溢油行为仿真预测系统，包括溢油预测、三维仿真、结果输出和数据库4个功能模块(图1)，能够提供油、气、天然气水合物粒子的状态(大小、分布和移动速度)和行为(漂移轨迹、扩散面积、水体溢油残存量、水面溢油量)的三维可视化动态模拟，通过图片、视频、精准坐标记录等形式，再现水下溢油事故的全过程，为溢油应急演习演练、应急计划编制和溢油事故决策指挥提供参考。

图1 深水区水下溢油三维可视化模拟系统框架

系统基于C/S模式构建，超大计算量的水动力预报由服务器完成，人-机交互部分融入客户端，同时采用数据公开加密算法(data encryption standard，DES)对客户端和服务器之间数据交换进行加解密，充分保证数据的安全性。开发语言使用Microsoft Visual C++，利用其面向对象技术架设开放式接口、多线程并发式计算等系统模式，使系统具备良好的兼容性、可扩展性和计算性能，实现内部各功能模块之间以及与外部数据链接和集成。

2 深水区水下溢油预测

深水区水下溢油过程复杂，导致其物理化学性质变化较大，同时监视监测和探测手段不多，特别是油污量和影响范围等无法像海面溢油采用遥感和现场人员观测的方式获得直观的信息，因此准确预测油污从水下到海面的动态对溢油应急起着关键性作用。本系统在对深水溢油行为和归宿理论研究的基础上，通过实验室模拟实验，并基于南海三维水动力预报模型和深水溢油模型，能够预测油(气)自海底至海面过程中的漂移扩散轨迹和状态变化。

2.1 南海海流数值预报模式

基于ROMS(regional oceanic modeling system)模式建立了南海海域高分辨率海流数值预报模型，通过考虑波致混合影响并利用最优插值技术同化卫星测高资料，保障了预报结果的准确性[13]。鉴于关注海域为整个南海(99°E—125°E，2°N—25°N)，通过大区域模式(覆盖整个南海，水平网格分辨率1°/16°)和小区域模式(南海西部和东部，水平网格分辨率1°/32°)嵌套，既实现南海海域的预测，又保证了重点关注海域的计算分辨率。

2.2 深水溢油模型

根据深水水下溢油模型对3个阶段油气的行为和特征，我们将喷射阶段和羽流阶段合并采用羽流动力模型描述，采用Lagrangian积分技术进行模拟；将对流扩散阶段采用对流扩散模型描述，采用Lagrange 粒子追踪法进行模拟。两个模型的描述见表1，具体研究过程参见其他学者研究，如陈海波等[7-10]。

表1 深水溢油模型描述

在模拟计算中，确定油气上升过程中羽流模型和对流扩散模型的转换点至关重要，本系统采用中性浮力层划分两种模型之间的分界点。由于垂向温度、盐度梯度的变化，环境流体密度在垂向上也是变化的，羽流在上升过程中由于卷吸作用密度越来越大，当羽流密度等于环境流体的密度时，这一平面即为中性浮力层，作为羽流动力模型转化对流扩散模型的分界线。

3 三维可视化系统开发与功能

本系统重点针对海洋三维水动力环境开展增强和优化，可视化部分采用OpenSceneGraph三维引擎，内部封装的OpenGL底层细节通过场景图进行三维展示，能够更加精准地模拟海底地形、海洋分层流场、海浪、海水光照等海洋环境因素，在海洋环境三维场景空间对象的构建、组织和交互进行增强，形成一套可靠、稳定运行的溢油三维仿真系统，为用户提供便捷、直观的可视化交互服务。

3.1 三维仿真

3.1.1 油粒子仿真

油粒子仿真模型具有三维坐标、时间、速度、方向、半径等多维属性，保存了粒子在某一时刻的综合状态，本系统基于GPU绘制技术，加快了大规模油粒子数据更新计算和渲染过程，能够支持5万个溢油粒子的动态仿真。

3.1.2 地形仿真

通过OSG几何绘制的三角网格法，采用大量数据点快速绘制和顶点数组索引绑定的方式，实现海底地形大规模数据的快速渲染。同时通过碰撞检测技术和多边形分割化技术，实现局部海面场景的显示。

3.1.3 海流仿真

海流三维仿真模块可以对垂向20层海流大小和方向进行显示，并可以控制海流的经度间隔、纬度间隔、箭头大小参数、海流粗细参数和垂直线参数。

3.1.4 模型加载

对关注海域内船舶、石油平台和油气管道等常见海上设施，可以通过模型加载在系统中呈现，加载模型后可实现模型变换、修改、删除和添加等功能。

3.2 操作与控制

3.2.1 菜单栏与工具栏

系统提供菜单栏、工具栏、对话框、浮动栏、鼠标、键盘控制等，满足用户多功能、多操作形式下对场景的控制和交互，可以通过鼠标和快捷键的组合实现快速浏览，也可以通过工具栏进行像素级的场景平移旋转观察，对应的操控方法与菜单栏上控制按钮相对应。

3.2.2 过程控制与设置

(1)溢油模拟播放：通过滑动速度控制滑动条，控制粒子运动速度，模拟计算时可以全程、任意时刻观看模拟过程，也可暂停观测单点状态。

(2)粒子显示设置：通过对不同类型油粒子进行颜色、半径选择，加强显示效果。

(3)场景观察：通过调节粒子扩展范围、背景颜色、海面透明度和地形颜色等，便于观察。

3.2.3 标注与显示

(1)标注：在三维场景中可以任意添加文字信息，方便用户对重要信息进行备注或者提醒。

(2)角度切换：观察角度切换功能可以通过调整水平角、高度角、参考点到中心点的距离等参数，加强观测的多角度多方位。

(3)优化显示：通过此功能可以进行单一坐标轴方向的比例尺放大和缩小。

4 系统应用

系统开发完成后，在雪佛龙公司南海的42-05区块溢油应急计划编制中进行了应用。模拟区域位于114°57′45.50″E、19°41′36.74″N，井口水深1 486 m，模拟初始信息见表2。

表2 溢油模拟初始信息

由模拟系统显示，油气泄漏后，油粒子刚进入水体时的漂移方向是东偏北，在1 200 m左右水深处转向西南方向移动，泄露222 min后，大油滴在距离溢油点(直线距离)1 335 m的西南方向首先达到海面。又经过约277 min后，中油滴在距离溢油点(直线距离)2 719 m的西南方向达到海面。此时，总溢油量为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点的东北方向。

油气泄漏24 h后，海面的油滴大部分处于溢油点的西侧，较浅水域的油滴大部分在溢油点的西南方，较深水域的油滴大部分在溢油点的东北方，此时总溢油量达到1 337.1 t，其中到达海面的油量约为620.6 t，油的分布范围较之前有了明显增大。油气泄漏48 h后，深水区的污染主要向东北扩展，浅水区和海面的污染主要向西南扩展，最远的油粒子位于溢油点以西23 988 m，以南5 105 m，与溢油点间的水平直线距离为24 525 m，浮出海面的油量增加到950.8 t。水体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以深的深水区，几乎处于悬浮状态，将需要更长的时间才能上升至海面。

5 总结

随着我国南海油气田开发的蓬勃发展，深水溢油风险日益增加。南海深水区水下溢油三维可视化模拟系统能够对溢油行为和归宿进行快速预报，为海上溢油应急决策指挥提供技术支持。该系统的建立和应用，能极大地提升我国深水溢油风险防控能力，为深水油气田开发保驾护航。同时由于我国在深水溢油模拟方面起步较晚，与国外有较大差距，还需要进一步加强基础理论和实验室模拟研究工作。

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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

海洋公益性行业科研专项经费项目“海洋溢油污染风险评估及应急响应关键技术集成及应用示范”(201205012)；中国海洋石油总公司科技项目“深水区水下溢油数值模拟技术研究”.

安伟，高级工程师，博士，研究方向为海上溢油污染防治技术，电子信箱：anwei2@cnooc.com.cn

P751

A

1005-9857(2016)03-0034-05