付學輝

（中國船舶及海洋工程設計研究院 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)設備。隨著全球海洋開發(fā)特別是海洋石油開發(fā)的突飛猛進，對該類船型的需求也越來越大。據(jù)統(tǒng)計，海洋石油儲量約有2 500億噸，約占全球總儲量的45%，目前海洋已探明儲量約400億噸，可見海洋石油勘探與開發(fā)還有著極其廣闊的前景［1］。

海洋石油開采分勘探、開發(fā)、生產(chǎn)三大階段。大型物探船（Seismic Survey Vessel）作為勘探領域的關鍵裝備，可獨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)。簡而言之，物探船的作業(yè)能力對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等國外公司投資建造，這些公司同時占有海洋物探市場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)務上。上世紀90年代以及更早期的物探船往往線型簡單，作業(yè)能力較差，甚至直接由其他船型改裝而成，對船型阻力的優(yōu)化也并不充分。

隨著能源問題的日益突出，海洋油氣開發(fā)在最近十幾年蓬勃發(fā)展。當今各油公司競相建造大型多功能深水物探船。在巨大投資驅動下，物探船這一船型的技術水平也獲得長足發(fā)展，并逐漸在國際上形成幾種成熟的船型。比較著名的船型有挪威Skipsteknisk公司設計的ST系列、挪威Ulstein公司的SX系列和PGS公司的Ramform系列等。

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

圖1 Ulstein公司SX系列物探船

圖2 PGS公司Ramform系列物探船

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

到2008年底，我國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”號是由海上三用工作船改造而成。

2010年以來，我國陸續(xù)建造了大型多纜深水物探船如“海洋石油 720”號、“海洋石油 721”號、“發(fā)現(xiàn)6”號等，彌補我國在建造大型先進物探船領域的空白，但在大型深水物探船的整船設計、關鍵裝備制造等方面依然與國外有較大差距。因此，急需在大型深水物探船的整船設計技術方面和新船型開發(fā)能力方面獲得突破，才能夠適應我國海洋石油工業(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

2 物探作業(yè)特點

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魚類資源的巨大破壞性逐漸淘汰?，F(xiàn)普遍采用非炸藥震源，氣槍震源應用最為廣泛。

海洋地震勘探通過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)進行信號采集，最終經(jīng)過船上精密儀器進行數(shù)據(jù)處理得到初步分析結果。同時，物探船引導拖纜按測線方向前進，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時衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并隨時記錄激發(fā)點和接收點的準確位置，包括海水流向造成的拖纜不同偏移方位（工作示意圖見圖4）。

圖4 海上拖纜地震勘探工作示意圖

3 總布置特點

（1）物探船主要由以下幾個功能區(qū)域組成：

物探作業(yè)及設備存放區(qū)域、數(shù)據(jù)處理處所、生活艙室、機艙及推進機艙等、油水等補給品、壓載水艙。

（2）物探船總體布置考慮的主要問題：

物探系統(tǒng)的布置、船舶通用設施及系統(tǒng)的布置、數(shù)據(jù)處理處所須低振動及低噪聲、生活艙室舒適性、規(guī)范對穩(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，主甲板以下需設置震源設備間、推進及輔助機器處所、液艙等。震源設備必須考慮與炮纜系統(tǒng)的合理銜接，不宜相隔太遠。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。

對物探船的布置影響最大的區(qū)域當屬物探采集作業(yè)相關的區(qū)域，而采集電纜的排纜數(shù)量直接影響船寬的選取。隨著物探船對多纜作業(yè)的不斷追求，電纜系統(tǒng)所需的空間越來越大，簡單增加船寬既不經(jīng)濟且無必要。因此往往單獨將船體尾部區(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。典型物探設備布置情況如圖5-圖8所示。

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

圖5 “海洋石油721”號物探設備布置側視圖

圖6 “海洋石油721”號電纜絞車、拖點等設備示意圖

信號采集系統(tǒng)設備主要包括：雙聯(lián)電纜絞車、雙聯(lián)備用電纜絞車、雙聯(lián)排纜器、電纜拖點、尾標行吊、電纜擴展繩絞車、擴展器及收放存儲裝置、橫向拖點、電纜油系統(tǒng)等。

下頁圖9為“海洋石油721”號物探設備的系統(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)范對救生、防火等方面的要求往往需按照客船的相關規(guī)定配置，這對主尺度及總布置將帶來極大影響。此外，物探船甲板層數(shù)多、方形系數(shù)較小，往往會面臨布置緊張、穩(wěn)性不夠等問題。

圖7 “海洋石油760”號電纜絞車、槍陣及炮纜等設備示意圖

圖8 某震源船炮纜絞車、槍陣等設備示意圖

圖9 物探震源系統(tǒng)與水下接收系統(tǒng)

4 總體性能

4 .1 主要技術參數(shù)特點

大型物探船最明顯的尺度特點是船寬較大，甲板層數(shù)較多。船寬一般在24 m以上，無貨物處所，船長達到100～120 m即可符合縱向布置要求。長寬比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度問題不大，但局部強度及船體剛度問題比較突出。穩(wěn)性、抗風能力等指標也比較緊張。方形系數(shù)一般取0.7～0.75，主要是為保證非作業(yè)時的航行速度。

物探船由于其獨特的作業(yè)方式及營運模式，往往需要長時間無故障作業(yè)，對拖帶能力、續(xù)航力、耐波性、冗余度的要求非常高。下頁表1為“海洋石油720”號的主要技術參數(shù)。

4.2 拖帶能力

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

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

這些水下設施對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物探船的首要指標，亦為動力配置的重要決定因素。

表1 “海洋石油720”號的主要技術參數(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備，生活樓也較高，直接導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對所有船型的穩(wěn)性衡準進行校核。主要需注意其中對最大復原力臂橫傾角25°的要求。物探船空船較重、重心高、水線面小，所以浮力計算模型應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，導致大傾角下的復原力臂欠佳。

某大型物探船對各工況的該條衡準的校核結果見表2，其中SD工況僅為26.9°，可見十分緊張。

表2 某大型物探船對各工況下該條衡準的校核結果

破艙穩(wěn)性方面，一般根據(jù)SPS 2008相關要求進行校核。從概率破艙計算結果而言，船型尺度越大計算結果越好，但考慮到大型物探船通常會考慮設置減搖水艙以改善耐波性，這對穩(wěn)性的損失是非常明顯的，需綜合權衡后嚴格控制水艙自由液面大小。另外大型物探船雙層底設置也難以保證滿足規(guī)范要求，因此需要單獨進行破損校核。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6.9°，僅能勉強滿足規(guī)范不超過7°的要求，因此，該問題也需同樣引起重視。

關于改善完整穩(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，已然成為設計的一個重要問題，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

物探船通過人工震源發(fā)射和接收聲波進行地質(zhì)分析，若船舶水下噪聲過大，將直接影響檢波器的探測，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)成為物探船設計的關鍵技術之一。

水下輻射噪聲主要分為機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲三大類，船舶在低航速下，水動力噪聲對全船水下噪聲的影響幾乎可不予考慮。螺旋槳噪聲相對于剛性安裝的柴電機組、空壓機組、推進電機等產(chǎn)生的機械噪聲亦較低，而由機械設備引起的船體結構振動，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：重點控制機械設備振動傳遞到船體產(chǎn)生的水下噪聲，主要采用隔振措施，需具體針對每一個大型機械設備進行噪聲評估，并進行隔振設計；優(yōu)化螺旋槳設計，確保在低速工況下螺旋槳水下噪聲不超過限制指標。

在設計過程中還需對全船進行有效的水下噪聲評估，主要通過建模和數(shù)值計算。以下為“海洋石油720”號的評估模型及評估結果［2］。

圖10 水下噪聲評估模型

圖11 水下噪聲評估結果

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)遣時能高速航行，同時保證大量物探設備的正常使用和維護，新建大型物探船幾乎全部采用全電力推進系統(tǒng)，一般設置4臺主柴油發(fā)電機組保證各工況下的用電需求，同時保證一定的冗余度。

大型物探船需配備大量變頻器設備，以供各推進電機、空壓機、側推等設備使用。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裝置誤動作、電力設備過載或損壞、電容器組損壞等。

船級社對船舶電力系統(tǒng)在波形畸變方面的要求如下：交流電氣設備應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；對于通用電網(wǎng)的電壓諧波，任何分量不得超過3%，且總諧波畸變率不得超過5%。

因此，在設計過程中必須準確評估電網(wǎng)的諧波，必要時采用相關的濾波措施加以控制。圖12為“海洋石油720”號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 論

大型深水物探船作為海洋開發(fā)領域的關鍵裝備之一，無論在建造還是設計上都存在極高的技術門檻。隨著近年來我國對海洋油氣開發(fā)的大舉投入，針對該船型展開的研究也逐步縮小了與國外的差距。筆者有幸參與了國內(nèi)幾型新建物探船的設計與研究工作，也總結了一些經(jīng)驗，希望能對從事相關研究的科研人員有所幫助。

［1］ 荊波.海洋石油勘探開發(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估及控制技術［J］.噪聲與振動控制，2012（2）：79-82.

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