付學(xué)輝

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

物探船是一種用于海洋地球物理勘探的專用作業(yè)船，用途單一，但擁有大量昂貴的精密專業(yè)設(shè)備。隨著全球海洋開(kāi)發(fā)特別是海洋石油開(kāi)發(fā)的突飛猛進(jìn)，對(duì)該類船型的需求也越來(lái)越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海洋石油儲(chǔ)量約有2 500億噸，約占全球總儲(chǔ)量的45%，目前海洋已探明儲(chǔ)量約400億噸，可見(jiàn)海洋石油勘探與開(kāi)發(fā)還有著極其廣闊的前景［1］。

海洋石油開(kāi)采分勘探、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)三大階段。大型物探船（Seismic Survey Vessel）作為勘探領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備，可獨(dú)立完成大面積海域的地質(zhì)勘探，具備高效的采集能力，并能提供高質(zhì)量的三維地震數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)而言之，物探船的作業(yè)能力對(duì)勘探成本具有最直接的影響。

現(xiàn)階段全球大型深水物探船主要為 PGS、WESTEN GECO、CGG-VERITAS、FUGRO GEOTEAM等國(guó)外公司投資建造，這些公司同時(shí)占有海洋物探市場(chǎng)80%以上的份額。

1 船型發(fā)展

物探船作為特種工程船，其用戶需求主要局限于各大油氣公司的海洋油氣勘探業(yè)務(wù)上。上世紀(jì)90年代以及更早期的物探船往往線型簡(jiǎn)單，作業(yè)能力較差，甚至直接由其他船型改裝而成，對(duì)船型阻力的優(yōu)化也并不充分。

隨著能源問(wèn)題的日益突出，海洋油氣開(kāi)發(fā)在最近十幾年蓬勃發(fā)展。當(dāng)今各油公司競(jìng)相建造大型多功能深水物探船。在巨大投資驅(qū)動(dòng)下，物探船這一船型的技術(shù)水平也獲得長(zhǎng)足發(fā)展，并逐漸在國(guó)際上形成幾種成熟的船型。比較著名的船型有挪威Skipsteknisk公司設(shè)計(jì)的ST系列、挪威Ulstein公司的SX系列和PGS公司的Ramform系列等。

目前在物探船設(shè)計(jì)方面，主流船型的研發(fā)基本由挪威SKIPSTEKNISK、VIK-SANDVIK、ULSTEIN及Rolls-Royce等設(shè)計(jì)公司主導(dǎo)。

圖1 Ulstein公司SX系列物探船

圖2 PGS公司Ramform系列物探船

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維物探船的作業(yè)能力迅速提升，目前國(guó)外先進(jìn)物探船拖帶電纜數(shù)已經(jīng)發(fā)展到22纜。

到2008年底，我國(guó)共有三維拖纜物探船6艘，其中最大作業(yè)能力為8纜的物探船“海洋石油719”號(hào)是由海上三用工作船改造而成。

2010年以來(lái)，我國(guó)陸續(xù)建造了大型多纜深水物探船如“海洋石油 720”號(hào)、“海洋石油 721”號(hào)、“發(fā)現(xiàn)6”號(hào)等，彌補(bǔ)我國(guó)在建造大型先進(jìn)物探船領(lǐng)域的空白，但在大型深水物探船的整船設(shè)計(jì)、關(guān)鍵裝備制造等方面依然與國(guó)外有較大差距。因此，急需在大型深水物探船的整船設(shè)計(jì)技術(shù)方面和新船型開(kāi)發(fā)能力方面獲得突破，才能夠適應(yīng)我國(guó)海洋石油工業(yè)發(fā)展的需要。

圖3 上海船廠為中海油建造的“海洋石油720”號(hào)

2 物探作業(yè)特點(diǎn)

在海洋油氣勘探的初期，海洋地震的震源主要使用的是炸藥震源，鑒于炸藥的不安全性和對(duì)魚(yú)類資源的巨大破壞性逐漸淘汰?，F(xiàn)普遍采用非炸藥震源，氣槍震源應(yīng)用最為廣泛。

海洋地震勘探通過(guò)人工震源及氣槍陣列激發(fā)地震波，并由壓電檢波器組成的接收系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集，最終經(jīng)過(guò)船上精密儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到初步分析結(jié)果。同時(shí)，物探船引導(dǎo)拖纜按測(cè)線方向前進(jìn)，形成邊行駛、邊激發(fā)、邊接收的作業(yè)模式。海洋地震勘探需要精確的實(shí)時(shí)衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并隨時(shí)記錄激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，包括海水流向造成的拖纜不同偏移方位（工作示意圖見(jiàn)圖4）。

圖4 海上拖纜地震勘探工作示意圖

3 總布置特點(diǎn)

（1）物探船主要由以下幾個(gè)功能區(qū)域組成：

物探作業(yè)及設(shè)備存放區(qū)域、數(shù)據(jù)處理處所、生活艙室、機(jī)艙及推進(jìn)機(jī)艙等、油水等補(bǔ)給品、壓載水艙。

（2）物探船總體布置考慮的主要問(wèn)題：

物探系統(tǒng)的布置、船舶通用設(shè)施及系統(tǒng)的布置、數(shù)據(jù)處理處所須低振動(dòng)及低噪聲、生活艙室舒適性、規(guī)范對(duì)穩(wěn)性、防火救生、環(huán)保等方面的要求。

（3）主甲板以上舯后一般為物探作業(yè)區(qū)域，舯前為生活艙室，主甲板以下需設(shè)置震源設(shè)備間、推進(jìn)及輔助機(jī)器處所、液艙等。震源設(shè)備必須考慮與炮纜系統(tǒng)的合理銜接，不宜相隔太遠(yuǎn)。電纜系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理處所之間同樣需要考慮便于電纜連接。

對(duì)物探船的布置影響最大的區(qū)域當(dāng)屬物探采集作業(yè)相關(guān)的區(qū)域，而采集電纜的排纜數(shù)量直接影響船寬的選取。隨著物探船對(duì)多纜作業(yè)的不斷追求，電纜系統(tǒng)所需的空間越來(lái)越大，簡(jiǎn)單增加船寬既不經(jīng)濟(jì)且無(wú)必要。因此往往單獨(dú)將船體尾部區(qū)域加寬，而船體中、前部維持不變，圖1和圖3所示的船型均為此類船型。對(duì)排纜數(shù)量需求較多甚至出現(xiàn)如圖2所示的Ramform系列船型，該船型外形近似三角形狀，極大地保障了尾部作業(yè)空間。典型物探設(shè)備布置情況如圖5-圖8所示。

物探設(shè)備按使用功能可分為震源系統(tǒng)和信號(hào)采集系統(tǒng)。震源系統(tǒng)設(shè)備主要包括：震源空壓機(jī)、雙聯(lián)炮纜絞車(chē)、氣槍陣列收放行吊、氣槍陣列存儲(chǔ)行車(chē)、氣槍陣列、輔助絞車(chē)、輔助滑道。

圖5 “海洋石油721”號(hào)物探設(shè)備布置側(cè)視圖

圖6 “海洋石油721”號(hào)電纜絞車(chē)、拖點(diǎn)等設(shè)備示意圖

信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)備主要包括：雙聯(lián)電纜絞車(chē)、雙聯(lián)備用電纜絞車(chē)、雙聯(lián)排纜器、電纜拖點(diǎn)、尾標(biāo)行吊、電纜擴(kuò)展繩絞車(chē)、擴(kuò)展器及收放存儲(chǔ)裝置、橫向拖點(diǎn)、電纜油系統(tǒng)等。

下頁(yè)圖9為“海洋石油721”號(hào)物探設(shè)備的系統(tǒng)劃分情況。

需要特別注意的是，大型物探船上的工作人員眾多，規(guī)范對(duì)救生、防火等方面的要求往往需按照客船的相關(guān)規(guī)定配置，這對(duì)主尺度及總布置將帶來(lái)極大影響。此外，物探船甲板層數(shù)多、方形系數(shù)較小，往往會(huì)面臨布置緊張、穩(wěn)性不夠等問(wèn)題。

圖7 “海洋石油760”號(hào)電纜絞車(chē)、槍陣及炮纜等設(shè)備示意圖

圖8 某震源船炮纜絞車(chē)、槍陣等設(shè)備示意圖

圖9 物探震源系統(tǒng)與水下接收系統(tǒng)

4 總體性能

4 .1 主要技術(shù)參數(shù)特點(diǎn)

大型物探船最明顯的尺度特點(diǎn)是船寬較大，甲板層數(shù)較多。船寬一般在24 m以上，無(wú)貨物處所，船長(zhǎng)達(dá)到100～120 m即可符合縱向布置要求。長(zhǎng)寬比L/B接近于4，但為更大限度滿足物探布置，往往將尾部船體加寬。一般而言物探船總縱強(qiáng)度問(wèn)題不大，但局部強(qiáng)度及船體剛度問(wèn)題比較突出。穩(wěn)性、抗風(fēng)能力等指標(biāo)也比較緊張。方形系數(shù)一般取0.7～0.75，主要是為保證非作業(yè)時(shí)的航行速度。

物探船由于其獨(dú)特的作業(yè)方式及營(yíng)運(yùn)模式，往往需要長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障作業(yè)，對(duì)拖帶能力、續(xù)航力、耐波性、冗余度的要求非常高。下頁(yè)表1為“海洋石油720”號(hào)的主要技術(shù)參數(shù)。

4.2 拖帶能力

物探船除部分時(shí)間處于調(diào)遣航行狀態(tài)外，絕大部分時(shí)間處于作業(yè)狀態(tài)，即低航速（4～5.5 kn）下拖帶若干水下電纜、炮纜、擴(kuò)展器等設(shè)備。

大型物探船采集電纜數(shù)量一般在12根以上，最大可達(dá)22～24纜，每根電纜長(zhǎng)度約6 000～12 000 m；水下震源設(shè)施一般為8排氣槍陣列（帶浮體）；擴(kuò)展器一般為2個(gè)，用于保持電纜及炮纜之間的距離。

這些水下設(shè)施對(duì)大型物探船的低速拖帶要求一般在100 t以上。該拖力要求為船東對(duì)物探船的首要指標(biāo)，亦為動(dòng)力配置的重要決定因素。

表1 “海洋石油720”號(hào)的主要技術(shù)參數(shù)m

4.3 完整穩(wěn)性及破艙穩(wěn)性

物探船由于主甲板以上布置有大量物探設(shè)備，生活樓也較高，直接導(dǎo)致空船較重且重心位置偏高。

完整穩(wěn)性方面，一般按照IS CODE 2008對(duì)所有船型的穩(wěn)性衡準(zhǔn)進(jìn)行校核。主要需注意其中對(duì)最大復(fù)原力臂橫傾角25°的要求。物探船空船較重、重心高、水線面小，所以浮力計(jì)算模型應(yīng)盡可能考慮更多的上層建筑及甲板室，但主甲板以上區(qū)域的船中后部由于物探布置需要往往缺少浮力體，導(dǎo)致大傾角下的復(fù)原力臂欠佳。

某大型物探船對(duì)各工況的該條衡準(zhǔn)的校核結(jié)果見(jiàn)表2，其中SD工況僅為26.9°，可見(jiàn)十分緊張。

表2 某大型物探船對(duì)各工況下該條衡準(zhǔn)的校核結(jié)果

破艙穩(wěn)性方面，一般根據(jù)SPS 2008相關(guān)要求進(jìn)行校核。從概率破艙計(jì)算結(jié)果而言，船型尺度越大計(jì)算結(jié)果越好，但考慮到大型物探船通常會(huì)考慮設(shè)置減搖水艙以改善耐波性，這對(duì)穩(wěn)性的損失是非常明顯的，需綜合權(quán)衡后嚴(yán)格控制水艙自由液面大小。另外大型物探船雙層底設(shè)置也難以保證滿足規(guī)范要求，因此需要單獨(dú)進(jìn)行破損校核。如某大型物探船的雙層底校核發(fā)現(xiàn)，部分工況破損后橫傾角達(dá)6.9°，僅能勉強(qiáng)滿足規(guī)范不超過(guò)7°的要求，因此，該問(wèn)題也需同樣引起重視。

關(guān)于改善完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性，在總布置上可綜合考慮，比較有效的方法為增加水密分隔、設(shè)置U型壓載艙、增加橫貫浸水裝置等。

4.4 續(xù)航力

大型物探船的綜合續(xù)航力一般在12 000 n mile以上，因此對(duì)油水等消耗液體艙室需求很大。在方形系數(shù)偏小、壓載水量必須保證等情況下，已然成為設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題，可從線型優(yōu)化、總布置優(yōu)化及節(jié)能控制等方面著手解決。

5 水下噪聲控制

物探船通過(guò)人工震源發(fā)射和接收聲波進(jìn)行地質(zhì)分析，若船舶水下噪聲過(guò)大，將直接影響檢波器的探測(cè)，最終令物探作業(yè)效果大打折扣，因此保證水下噪聲在合理范圍內(nèi)成為物探船設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

水下輻射噪聲主要分為機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲三大類，船舶在低航速下，水動(dòng)力噪聲對(duì)全船水下噪聲的影響幾乎可不予考慮。螺旋槳噪聲相對(duì)于剛性安裝的柴電機(jī)組、空壓機(jī)組、推進(jìn)電機(jī)等產(chǎn)生的機(jī)械噪聲亦較低，而由機(jī)械設(shè)備引起的船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)，并由船體外殼向水下輻射的噪聲將成為物探船低速工況下的最主要噪聲源。因此，水下噪聲的控制措施為：重點(diǎn)控制機(jī)械設(shè)備振動(dòng)傳遞到船體產(chǎn)生的水下噪聲，主要采用隔振措施，需具體針對(duì)每一個(gè)大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行噪聲評(píng)估，并進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)；優(yōu)化螺旋槳設(shè)計(jì)，確保在低速工況下螺旋槳水下噪聲不超過(guò)限制指標(biāo)。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中還需對(duì)全船進(jìn)行有效的水下噪聲評(píng)估，主要通過(guò)建模和數(shù)值計(jì)算。以下為“海洋石油720”號(hào)的評(píng)估模型及評(píng)估結(jié)果［2］。

圖10 水下噪聲評(píng)估模型

圖11 水下噪聲評(píng)估結(jié)果

6 諧波干擾

物探船工況特殊，為保證低航速下的拖力以及調(diào)遣時(shí)能高速航行，同時(shí)保證大量物探設(shè)備的正常使用和維護(hù)，新建大型物探船幾乎全部采用全電力推進(jìn)系統(tǒng)，一般設(shè)置4臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組保證各工況下的用電需求，同時(shí)保證一定的冗余度。

大型物探船需配備大量變頻器設(shè)備，以供各推進(jìn)電機(jī)、空壓機(jī)、側(cè)推等設(shè)備使用。船舶電力網(wǎng)中變頻器諧波含量因此不斷上升，造成電壓波形畸變，使電能質(zhì)量下降、電能損耗增大。諧波還可能引起重要的控制和保護(hù)裝置誤動(dòng)作、電力設(shè)備過(guò)載或損壞、電容器組損壞等。

船級(jí)社對(duì)船舶電力系統(tǒng)在波形畸變方面的要求如下：交流電氣設(shè)備應(yīng)能在供電電源的電壓諧波成分不大于5%的情況下正常工作；對(duì)于通用電網(wǎng)的電壓諧波，任何分量不得超過(guò)3%，且總諧波畸變率不得超過(guò)5%。

因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須準(zhǔn)確評(píng)估電網(wǎng)的諧波，必要時(shí)采用相關(guān)的濾波措施加以控制。圖12為“海洋石油720”號(hào)400 V母線加裝不同容量濾波器的諧波抑制效果［3］。

圖12 不同濾波容量的諧波抑制效果（400 V）

7 結(jié) 論

大型深水物探船作為海洋開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備之一，無(wú)論在建造還是設(shè)計(jì)上都存在極高的技術(shù)門(mén)檻。隨著近年來(lái)我國(guó)對(duì)海洋油氣開(kāi)發(fā)的大舉投入，針對(duì)該船型展開(kāi)的研究也逐步縮小了與國(guó)外的差距。筆者有幸參與了國(guó)內(nèi)幾型新建物探船的設(shè)計(jì)與研究工作，也總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)，希望能對(duì)從事相關(guān)研究的科研人員有所幫助。

［1］ 荊波.海洋石油勘探開(kāi)發(fā)安全概論［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2006：1-5.

［2］ 童宗鵬，葉林昌，倪明杰，等.深水物探船水下噪聲評(píng)估及控制技術(shù)［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2012（2）：79-82.

［3］ 張舒蓉.12纜物探船電力推進(jìn)系統(tǒng)研究［J］.船舶與海洋工程，2012（2）：47-52.