ADCP坐底验潮数据在海上油气田开发中的应用

段宝生

中海油田服务股份有限公司物探事业部 天津 300459

在海上油气田开发过程中，海洋环境贯穿勘探、开发、钻井、工程、生产及弃置全部环节，海洋水文信息对场址勘察、平台建设和后期运营均有重要意义，尤其随着深水油气和天然气水合物的勘探开发，海洋水文致灾因素对钻井平台自身安全和钻井作业都会产生重大影响，如海啸、孤立内波、近底强流等［1］。渤海某油田区块需要新建海床面以下生产系统，为此在预定区域进行了全剖面海流观测，分析泥面以上1 m至海表处的流速，以便更好地为相关设计提供环境参数支持。

潮汐为海面产生的一种周期性的升降运动。引起潮汐的原因包括天体万有引力、地球公转、地球自转、气象变化等，其中主要为月球及太阳的引力。潮汐调和分析是将潮汐视作由一系列谐和振动组成，每一谐和振动称为一个分潮，分潮的周期同引潮力各分场的周期一一对应。

潮汐依其形成原因，主要分为太阳潮（solar tide）、太阴潮（lunar tide）、日月潮（lunisolar tide）等。若依周期来分，主要分为全日潮（diurnal tides）、半日潮（semi-diurnal tides）等。潮汐以4 种分潮为主，分别是M2（主太阴半日周期）、S2（主太阳半日周期）、K1（日月合成日周期）及O1（主太阴日周期）。

调和分析法的目的是将潮位视为各种周期的分潮之线性总和，对于某地的潮位记录，若能搜集并求出各分潮的振幅及相位角，则可决定当地之潮汐特性并推算未来之潮位。一般而言，潮汐包含了无限多的分潮成分，但一般基于以上有限的主要分潮来进行分析。

1 数据采集

声学多普勒海流剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP），又称为“海流垂线仪”［2］。ADCP 的探头部分由4 个声波脉冲换能器组成，各换能器都按照与探头内置坐标系的固定夹角排列［3］。每个换能器既是发射源又是接收源，换能器按照某一频率发出集中于一定狭窄范围内的声波脉冲后［4］，即开始聆听被水体中悬浮颗粒物体反射回来的声波。假设悬浮颗粒物的运动速度与海水流速相同［5］，则当颗粒物向换能器靠近移动时，换能器接收到的回声频率比发射频率要高；当颗粒物远离换能器移动时，换能器接收到的回声频率要比发射频率低。这种因为悬浮颗粒物的运动而引起声波频率的改变称为声学多普勒频移，即为发射声波频率与返回声波频率之差［6］。声束坐标沿ADCP换能器的轴线建立，每条轴线对应一个声束坐标，每个换能器测量的流速方向与声束坐标方向相同，即任意3 条轴线可组成一个独立的空间声束坐标系［7］。ADCP首先测量计算出各声束坐标的流速分量，然后根据内置空间直角坐标系与声束坐标系的七参数转换关系［8］，采用赫尔默特变换法，将声束坐标系海流矢量转换为内置空间直角坐标系下的三维矢量，再根据电罗经测量的真北艏向数据和姿态仪测量的姿态数据，将内置空间直角坐标系下的海流矢量归算至绝对地理坐标系［9］。

ADCP 安装在海床基内部，向上观测全深度海流剖面，采样间隔3 min，空间分辨率0.25 m，流速精度0.25%±2 mm/s，数据采集时间为31 d，100%完成率。

2 数据质控

海流资料质量控制一般包括设备姿态检验、跳点检验、异常值标识、信噪比检验等。分层选取规则概括如下。

①底层选取：选取距离海底1 m左右深度的海流数据。

②中层选取：按现场水深值的一半进行选取。

③表层选取：根据仪器的深度，扣除旁瓣效应盲区，向下选层。

仪器姿态较为稳定，横摇（roll）和纵摇（pitch）均稳定在2°左右，满足设计要求，如图1 所示。

图1 ADCP姿态变化曲线Fig.1 Attitude curve of ADCP

通常认为goodping高于80%的数据可靠，此次观测的goodping均在94%以上。

综上所述，在观测期间，ADCP仪器姿态和goodping均满足观测要求。

3 数据分析

调和分析：海流为矢量，先将海流分解为东西方向分量（U）和南北方向分量（V），并分别进行低通滤波，得到时间间隔为1 h的海流矢量序列。本次海流观测时间长度较短，故在调和分析过程中引入了M2（主太阴半日周期）、S2（主太阳半日周期）、O1（主太阴日周期）和K1（日月合成日周期）4 个主要分潮的差比关系。

根据分析结果，求出潮流调和常数，主要分潮的潮流调和常数如表1 所示。

表1 主要分潮潮流调和常数Tab.1 Harmonic constants of main tidal currents

由表1 可知，潮流表层、中层和底层各分潮流按量值大小排列依次为M2＞S2＞K1＞O1（以下讨论仅限于O1、K1、M2、S24 个主要分潮流）。

基于调和常数，进一步计算潮流椭圆要素，4 个主要分潮潮流椭圆要素如表2 所示。

表2 主要分潮潮流椭圆要素Tab.2 Elliptic elements of main tidal currents

各层的潮流性质参数（WO1+WK1）/WM2如表2 所示。潮流类型指数如表3 所示，可以看出，表、中、底层潮流均为正规半日潮流。各分潮流的椭圆率在0.06～0.77 之间，表、中和底层的半日分流均为左旋。监测站最大可能潮流和余流特征如表4 所示。

表3 潮流类型指数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 结 论

本次调查采用坐底式ADCP，进行了全剖面海流观测，通过对有效观测数据的分析，得出主要结论为：调查海区主要分潮按重要性排序依次为表、中和底层，各分潮流按量值大小排列依次为M2＞S2＞K1＞O1；表、中、底层潮流性质指数分别为0.30、0.28 和0.31，故表、中、底层潮流均为正规半日潮流；各分潮流的椭圆率在0.06～0.77 之间，表、中和底层的半日分潮流均为左旋；表、中、底层的最大可能潮流流速分别为107.8、102.7、83.9 cm/s，对应的潮流方向依次为37°、37°、35°。

随着海流剖面观测调查技术的日益成熟，尤其是可靠数据回收稳定性的提高，海上潮汐数据必将为油气资源勘探开发，特别是为海上油田群的建设提供更多的设计参数支持，助力海上油田开发全周期安全性的提高和建造成本的降低，并不断走向更深水域。■