海底峡谷内浊流流动与沉积特征数值模拟研究

数值模拟已成为研究海底浊流的重要方式,开展海底浊流的流动与沉积特征的数值模拟,对深水沉积体系特征研究、海底工程设施稳定性评价以及深海油气勘探均具有重要意义。本文基于不可压缩流体Navier-Stokes方程与湍流k-ε模型构建了浊流数值计算模型,设定不同粒径、速度与悬浮颗粒物浓度等初始条件,模拟并分析了单粒径悬浮颗粒驱动的持续入流的海底浊流沿海底连续坡折带的流动过程及沉积特征。模拟结果显示,浊流在斜坡段处于加速状态,水平段流速骤减并逐渐沉积,且浊流在小坡度的加速不改变浊流的沉积趋势。浊流由于环境水体的夹带效应逐渐增厚,且浊流头部形态与流动特征与实测资料吻合良好。本文另对多频次持续入流浊流进行了模拟,并将模拟结果与实测地层沉积特征对比,结果显示,多频次持续入流的海底浊流在纵向上可能会形成多个不连续鲍玛层序的叠积。     

水下沙丘形态演化的数值模拟实验

水下沙丘在海洋、湖泊、河流等浅水砂质沉积区广泛分布。基于过程的数值实验方法探讨了沙丘形态演化问题,试图解释在沙丘形成过程中各因素的作用及它们之间的关系。模拟中考虑了以下的变量:水深、沉积物粒度、沉积层厚度以及台风作用。模拟结果显示,沙丘的空间分布控制了空间流场的参数k₂,沙丘波高受水深、沉积物粒度以及沉积层厚度等因素的影响,沉积层厚度决定了沙丘的形态是否饱满。在台风作用中,沙丘波峰的沉积物被侵蚀,高程降低,波高渐小;台风作用后,沉积物被重新输运至波峰,沙丘高度逐渐恢复。因此,沙丘的高度取决于台风作用的时间以及2次台风作用之间的间隔。沙丘形态和尺度在台风作用前后变化较小,但沙丘演化的速度却有所提高。根据台湾浅滩和北海南部地貌系统数据的验证,模拟具有较好的效果。     

水下沙丘形态演化的数值模拟实验

水下沙丘在海洋、湖泊、河流等浅水砂质沉积区广泛分布。基于过程的数值实验方法探讨了沙丘形态演化问题,试图解释在沙丘形成过程中各因素的作用及它们之间的关系。模拟中考虑了以下的变量:水深、沉积物粒度、沉积层厚度以及台风作用。模拟结果显示,沙丘的空间分布控制了空间流场的参数k₂,沙丘波高受水深、沉积物粒度以及沉积层厚度等因素的影响,沉积层厚度决定了沙丘的形态是否饱满。在台风作用中,沙丘波峰的沉积物被侵蚀,高程降低,波高渐小;台风作用后,沉积物被重新输运至波峰,沙丘高度逐渐恢复。因此,沙丘的高度取决于台风作用的时间以及2次台风作用之间的间隔。沙丘形态和尺度在台风作用前后变化较小,但沙丘演化的速度却有所提高。根据台湾浅滩和北海南部地貌系统数据的验证,模拟具有较好的效果。     

弱凝胶体系地层流体转向技术在海上稠油油田的应用

稠油油田注水开发过程中,受不利流度比和非均质性的影响,注入水沿高渗层突进,造成油井暴性水淹,严重影响水驱开发效果。针对海上稠油油田的开发特点和存在问题,对弱凝胶体系的适用性进行了分析,对影响凝胶体系调驱的关键参数进行了优化。结果表明,原油黏度影响弱凝胶调驱效果,随着黏度的增大调驱效果有变差趋势。在含水率40％以后,注入时机越晚,调驱效果越差。注入量越大,调驱效果越好,在实际生产过程中考虑注入能力和经济因素应采取合理的注入量。先导性弱凝胶试验的成功,为海上稠油油田的稳油控水工作指明了方向。     

LD10-1油田调驱效果及影响因素实验研究

LD10—1油田具有高温、高矿化度、高原油黏度和非均质性严重等特点,水驱开发效果较差,应采取技术措施提高采收率。依据矿场实际需求,采用实验和理论分析方法,研究了抗盐聚合物及高分Cr3＋聚合物凝胶的黏度特性、分子结构形态、线团尺寸（Dh）、流动特性和驱油效果,并对两种调驱剂的调驱效果进行对比和机理分析。结果表明,在LD10～1油田注入水条件下,可以形成具有以分子内交联为主要结构特征的Cr3＋聚合物凝胶。与相同浓度聚合物溶液相比较,Cr3＋聚合物凝胶分子线团尺寸（Dh）变化不大,但阻力系数和残余阻力系数明显增加,且残余阻力系数大于阻力系数,表现出独特的渗流特性。在注入时机相同和药剂费用相近条件下,与抗盐聚合物溶液相比较,高分Cr3＋聚合物凝胶调驱增油效果较好,而且调驱剂用量愈大,注入时机愈早,调驱效果愈好。     

块体搬运沉积顶面沉积过程模拟--以南海北部坡为例

块体搬运沉积体系（MTDs）具有起伏不平的顶面,会影响后续的浊流沉积,厘清MTDs顶面对后续沉积的控制作用,有助于了解海底扇的发育规律。基于南海北部琼莺段陆坡的三维地震数据,对块体搬运沉积体系及其上覆充填物的形态进行刻画,并使用Flow3D进行数值模拟,分析其顶面对后续沉积的影响。研究认为：(1)MTDs的体部顶面具有低平、宽缓的特点,可形成宽广低缓的凹槽;趾部挤压区顶面起伏大,可形成孤立的凹槽。(2)MTDs体部顶面可形成大规模的、连续的海底扇;趾部顶面凹槽发育小型扇体;局部隆起的背流面下端可发育规模不一的扇体;MTDs末端低洼处是大型海底扇形成的有利区。(3)MTDs顶面起伏程度越大,越有利于沉积物卸载、沉积,形成更大规模海底扇。     

颗粒粒径对深海采矿提升泵工作性能影响分析

为研究颗粒粒径对深海采矿提升泵工作性能影响,采用RNGκ-ε湍流模型和Hinze-Tchen颗粒湍流粘性系数模型,运用Fluent软件对采矿提升泵内固液两相流进行数值模拟,比较不同的颗粒粒径对采矿提升泵内颗粒浓度、速度、压力分布的影响,进而分析颗粒粒径对扬程、效率等工作性能的影响,指导深海采矿提升泵的设计。研究结果表明:在转速、流量、颗粒体积分数不变情况下,随着颗粒粒径增大,泵的扬程和效率都逐渐下降;叶轮叶片中前部流道内浆体的颗粒浓度大幅上升,叶轮流道内颗粒动态沉积更加严重,叶轮流道过流面积随之减小,反而加大了叶轮流道内贯流的相对速度,从而有效地抑制了边界层分离的发生,但在叶轮叶片中后部压力面上浆体压力下降幅度较大,泵内浆体总压逐渐下降,扬程随之减小;在叶轮出口处,流道内固液两相流的速度差异增大,在叶轮出口处形成的射流-尾迹结构增强,并在空间导叶流道内形成更加明显的二次流及漩涡,从而加大水力损失,降低效率。实验证实了数值模拟方法的可行性及准确性。     

海沟沉积物研究进展

俯冲的大洋板块在自身的重力以及上覆板块的挤压下,下潜时牵引洋底向下倾伏,从而形成了深邃的海沟。板块及其所携带的沉积物在这里俯冲到地幔深处,构成了全球物质循环的重要部分。海沟地处极端环境,海沟沉积物的沉积作用不同于陆架和浅海地区,其物源和水动力基本控制了沉积模式,但海沟沉积物的物源、沉积环境和沉积机理则更为复杂。海沟沉积物受控于各种类型的构造运动,包括由上覆板块刮削下来的深海沉积物和洋壳碎片堆积而成的沉积增生楔;由海沟重力滑塌、地震等因素引发的浊流沉积;以及由火山活动带来的火山物质等。同时,海沟沉积物也受控于海沟逐渐形成过程中和形成后的各种沉积作用,例如生物化学沉积和漏斗效应。由于海沟沉积物的沉积过程受到漏斗效应的影响,使得海沟沉积一般比深海盆地堆积速度更快,堆积厚度也更大,但在海沟的不同位置或不同海沟之间,堆积厚度也会有所不同。海沟的这些沉积机理和沉积过程的差异,影响了海沟沉积物的性质,包括沉积物粒度、矿物、生物等都有所差异。文章根据海沟以上的沉积特点,分析了不同海沟之间和同一海沟内部海沟沉积厚度以及沉积物的粒度特征、矿物组成和生物特征的差异,并总结了海沟重力滑塌、浊流沉积、火山活动、生物化学沉积、漏斗效应这五种海沟沉积机理对海沟沉积物沉积过程的影响。文章最后展望了海沟沉积物的研究热点,希望在此基础上促进海沟沉积物的进一步研究。     

断陷盆地陡坡带扇三角洲模拟及沉积动力学分析

通过水槽实验模拟断陷盆地陡坡带扇三角洲的形成过程及其发育,剖析其沉积动力机制和内部结构特征.结果表明,扇三角洲平原、前缘斜坡和前扇三角洲3个亚相沉积动力机制不同,导致各相带的扇面坡度和粒度分布特征明显不同.扇三角洲平原以水流推力作用为主,沉积物以滚动、跳跃方式搬运,粒度最粗;前缘斜坡以重力作用为主,沉积物顺坡向下滚动、沉积,粒度略细,且具有明显的正粒序特征;前扇三角洲以浮力作用为主,沉积物为悬移质沉降,粒度最细.整体上,扇三角洲的形成是一个沉积物不断前积和垂向加积的过程,湖平面变化不同,二者作用强度不同,致使扇体形态有所差异,但扇面各部分基本维持相对固定的坡度,且沉积物的整体粒度分布趋势一致.     

极地深海冰盖条件下声传播数值试验

研究极地深海声传播特征具有重要的经济、军事价值,战略意义重大。基于KRAKENC分层弹性介质简振波模型对极地深海冰盖条件下的声传播特征进行数值模拟,得出极地海域向上折射环境和较小深度声源,是形成声道现象必要条件;冰盖的散射作用导致声传播衰减强烈,且深度越大的水层受冰盖影响越小,受海底边界影响越大;声源深度越小,受冰盖影响越大。     

黄河清8出汊河口泥沙异重流特征及其时空分布

选用1996年9月5—6日黄河口新口门水文泥沙同步观测资料,采用距离倒数加权插值法(IDW)生成河口泥沙异重流的含沙海水密度、流速和含沙量随时间变化的等值线图。基于此,分析了黄河口泥沙异重流发育形成的时空变化特征,并结合遥感影像和水下地形图进一步探讨了泥沙异重流对河口沉积的影响。研究结果表明,黄河口(新口门)泥沙异重流发育频繁,且其形成时的含沙海水密度与老河口相似;泥沙异重流的空间分布与水下三角洲泥沙堆积体及河口沙嘴的形态存在明显相关,泥沙异重流的存在直接影响河口前缘泥沙的沉积,但对侧缘的影响不大;泥沙异重流形成初期,在低高潮涨潮阶段中的一次较小的涨落潮周期内其形成和消亡过程与潮流的涨落潮周期呈正向对应关系,且在这一时段的涨憩时泥沙异重流的泥沙含量达到最大;流速垂向分布为泥沙异重流形成初期流速小于上层海水流速,且层次分明,随其进一步向深海运动流速呈增大再减小的趋势,至三角洲前缘陡坡段其底层流速大干中上层海水流速。     

波浪作用下三角型人工鱼礁水动力特性数值模拟与实验验证

人工鱼礁在波浪作用下水动力特性的研究对于人工鱼礁的工程安全与设计具有非常重要的意义。基于有限体积法,采用推板造波形式,通过利用VOF方法求解波面的方式建立了模拟人工鱼礁与波浪相互作用的三维数值波浪水槽。基于该数值模型研究了波浪作用下三角型镂空人工鱼礁的受力情况,并与物理模型实验结果进行比较,结果显示模拟得到的人工鱼礁受力和波浪形态均与实验结果吻合良好。根据数值模拟结果,拟合出波浪作用下人工鱼礁的水动力系数。单体三角型镂空人工鱼礁的速度力系数Cd随着Kc数、Re数的增加呈现减小的趋势;惯性力系数Cm则随着Kc数、Re数的增加呈现波动趋势。数值模拟结果显示在一个波浪周期内,人工鱼礁周围产生了较强的上升流和回流,其内部产生了明显的涡旋结构。研究结果为人工鱼礁的设计优化提供了理论依据。     

BZ28-2S油田Cr^3＋聚合物凝胶渗流特征及其调驱效果研究

渤海BZ28-2S油田具有油藏厚度大、平均渗透率高、非均质性严重、溶剂水矿化度较高和原油黏度较低等特点,注水开发过程中水窜现象比较严重,进而影响水驱开发效果,亟待采取调剖技术措施来改善水驱开发效果.针对BZ28-2S油藏储层特征、流体性质和及其井网特点,以黏度、阻力系数、残余阻力系数和采收率为评价指标,开展了Cr^3＋聚合物凝胶配方优选和调驱注入参数优化实验研究.结果表明,在目标油藏储层和流体条件下,交联剂Cr^3＋与聚合物分子链间可以发生交联反应,形成具有“分子内”交联结构特征、独特渗流特性和与储层适应性良好的Cr^3＋聚合物凝胶体系.与聚合物溶液相比较,在段塞相同条件下,Cr^3＋聚合物凝胶调驱效果较好.从技术经济效果考虑,推荐Cr^3＋聚合物凝胶体系组成：Cp=1 200 ～1 600 mg/L,m（Pol）∶m（Cr^3＋）=180∶1～ 270∶1,段塞尺寸为0.075 ～ 0.125 PV,预计采收率增幅1.6％ ～ 2.5％.在室内研究基础上,2012年12月开始在渤海BZ28-2S油田进行了矿场试验.目前矿场调驱施工正在进行之中,截止到2013年5月,由于调驱时间较短,部分油井已经见效.     

伶仃洋河口泥沙絮凝特征及影响因素研究

泥沙絮凝对河口细颗粒泥沙运动过程起着极其重要的作用。本文通过LISST-100激光粒度仪等仪器实测伶仃洋河口2013年洪季悬浮泥沙絮凝体现场粒径及水动力、泥沙条件,结合实验室悬沙粒径分析,研究大小潮期间伶仃洋河口泥沙絮凝特征,探讨紊动剪切强度、含沙量、盐度分层及波浪等因素对伶仃洋河口泥沙絮凝的影响。结果表明:伶仃洋河口水体中现场粒径平均值为148.53 μm,大于实验室悬沙分散粒径36.74 μm,河口絮凝现象明显;沉速与有效密度、粒径呈正相关,絮团平均有效密度为153.49 kg/m3,平均沉速达1.13 mm/s;小潮时絮团平均粒径大于大潮,垂向上表底层絮团粒径小、中层大,中底层絮团沉速大于表层。伶仃洋河口水动力、泥沙条件是影响其泥沙絮凝的重要因素,低剪切强度（小于5 s-1）、低含沙量（小于50 mg/L）及高体积浓度有利于细颗粒泥沙之间的相互碰撞,促进絮凝作用;当剪切强度与颗粒间碰撞强度高于絮团所能承受的强度时,絮团易破碎分解成小絮团或更细的泥沙颗粒;伶仃洋河口盐度层化引起的泥沙捕获现象增大中层泥沙体积浓度,有利于中层絮凝体的发育;观测期相对较大的波浪增强水体紊动,增大了水体细颗粒泥沙的碰撞几率,表层絮团粒径随波高峰值的出现而增大。     

正弦激励下零浮力海洋拖缆动力特性与实验研究

海洋地震拖缆是海洋油气资源勘探中的关键设备,为研究海洋地震拖缆的动力特性及其在不同频率正弦激励干扰下的动力响应,建立了零浮力拖缆的数学模型,设计了一套完整的实验方案,通过弹性测力机构放大张力信号以排除环境干扰,测量了不同拖曳速度与激振频率条件下拖缆首部的张力变化及缆上位移响应情况,初步分析了正弦激励作用下零浮力拖缆的动力学响应。弹性测力机构具有良好的线性度与可重复性,拖缆受到的水阻力与拖曳速度的平方成正比,数值计算与实验结果对比验证了数学模型的正确性,初步分析了正弦激励作用下零浮力拖缆的动力学响应。     

Retrieval of integral parameters of tropospheric aerosol from two-wavelength lidar sounding

A scheme of interpreting the data of two-wavelength lidar sounding is proposed. The scheme is based on functional relationships between the lidar ratios and between some integral characteristics of aerosol and the ratio of the backscattering coefficients at the sounding wavelengths. The AERONET data, results of contact aerosol measurements and multiwavelength lidar sounding, and the OPAC aerosol model are used to find these functional relationships, which are statistical in character. Analysis of data is made separately for continental, dust, oceanic, and smoke aerosols. Backscattering for mineral aerosol fractions are calculated for a model of randomly oriented spheroids. A numerical experiment shows that the errors in determining a number of integral parameters of aerosol (extinction coefficient, characteristic radius of particles, volume concentrations) that are due to the statistical straggling of lidar ratios and other specified integral characteristics are no greater than 32% if the optical thickness of the sounding layer is no greater than 1.     

Evaluation of the effects of sediment characteristics on long-term estuarine morphological modelling driven by waves and tides

Tidal basins are made of several elements that have achieved morphological equilibrium and have been affected by hydrodynamic forces over the centuries with its present form. In addition to the effects of hydrodynamic forces, morphological equilibrium is also affected by the sediment parameters. In this study, the effects of sediment characteristics on the long-term morphology of tidal basins were evaluated. A realistic analogue method was used to illustrate the final form of basin morphology after reaching the equilibrium. Also, the effects of important sedimentary parameters were evaluated to provide the long-term forecast of the morphology comprehensively. Instead of trying to replicate the exact conditions in a particular period of time, the present study aimed to directly investigate the process and effects of the main parameters.In this study, Tiab estuary was considered as a numerical laboratory and enough observations were produced to assess the impact of sedimentary parameters on the morphological equilibrium. In this research, a realistic method was used to model the bed by assessing the impact of morphological changes. The assessment of sedimentary parameters was carried out in the presence of two main hydrodynamic components: wave and tide. Given the computational cost of the long-term morphology models and numerous models needed to evaluate the sediment parameters, statistical methods were used to design the optimal scenarios which is a new method in the analysis of morphological information. A comparison of the model's results and the measured hydrography revealed the validity of the proposed method.     

Experimental and numerical study of current-induced artificial upwelling

The aim of the current paper is to investigate hydrodynamic characteristics of the artificial upwelling induced by ocean currents. Experiments were performed in a flume at different density difference heads, horizontal current velocities and upwelling pipe diameters. A three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model was employed on wider range of parameters for further analysis. The performance of the numerical model has been confirmed by the experimental findings. The present results show that the volume flow rate of current-induced artificial upwelling is influenced by geometrical parameters and inclination angle of the pipe, the horizontal current velocity and vertical distribution of water density. In ideal two-layer density stratified water, the critical current velocity to generate upwelling linearly increases with the increase of the density difference, and the maximum rising height for upwelling is inversely proportional to the density difference. Feasibility analysis was taken by using current and density profiles of the East China Sea near Dongji Islands, which provides an useful reference for engineering practice.