海洋地震多缆拖带方式探讨

金 杰，李 斌，杨 明，杜万兴，李玉剑

海洋地震多缆拖带方式探讨

金 杰，李 斌，杨 明，杜万兴，李玉剑

（中国石化集团上海海洋石油局第一海洋地质调查大队，上海 201208）

海洋三维地震拖缆作业中，水下电缆的拖带方式决定了前导缆、扩展器、连接绳索间相互受力关系。通过对10缆拖带方式拖带点的受力分析，可以确定当展开器与前导缆的连接绳索（spur line）与工作电缆垂直时的拖带方式，连接绳索受力最小，并且改变前导缆释放长度，可以改变拖带点的弯折角度，从而改变前导缆与连接绳索的受力情况。因此对多缆拖带方式进行模拟优化，可以减小拖带点各连接设备所受到的拉力，从而降低设备损坏率。

海洋地震；水下电缆；拖带方式；受力分析

海洋三维地震勘探中，物探船通常采用双源多缆的模式进行施工，船尾拖带两个震源和多条电缆。各种水下设备通过连接绳索相互作业在前导缆上的一个点，使得该点受到多个力的作用，该点称为拖带点。各水下设备连接的几何关系称为拖带方式。

由于拖带点之后拖带设备的水中阻力是个固定值，则拖带方式就决定了水下各设备所受拉力的大小。如果拖带方式不合理，部分设备所受拉力增大，导致设备磨损严重而损坏。合理的拖带方式，可以降低设备坏损率，提高设备的使用周期，从而提高工作效率。施工前通过模拟分析可以确定优化的拖带方式[1]。

本文以双源10缆为例，介绍水下电缆拖带设备，并对拖带点各设备的受力情况进行分析，指导实际生产中设计合理的拖带方式。

1 水下电缆拖带设备

地震作业水下电缆拖带的设备包括前导缆、弹性段、工作电缆、展开器、间距绳索、防折器、辅助浮标等，各设备间彼此相连，拖带于船舶后部。

1.1前导缆

前导缆中心为数据传输光纤，外面包裹三层钢丝，可承受较大拉力，连接船舶与采集电缆前端的弹性段。拖带点在前导缆上，位于前导缆与弹性段连接点的前端。

1.2弹性段

弹性段为前导缆与工作电缆之间的连接部分，具有一定的弹性。弹性段通常装有拉力计，可以测量出其后工作电缆所受到的拉力。

1.3工作电缆

工作电缆为信号接收装置，由包裹在聚酯材料中的多个检波器组成。电缆上安装有罗盘鸟、测距鸟、横向鸟以及尾标等。水下电缆间距一般为100 m，电缆长度根据勘探需要可以调整，一般为6 000 m或8 000 m。作业时各工作电缆彼此平行拖带。工作电缆是通过连接绳索与展开器相连，将各电缆拉开一定距离。

1.4展开器

展开器位于水下拖带设备的最外侧，由一个圆筒形浮桶、多个斜装叶片（翼板）、卡箍等连接组件（图1）[2]，使用绳具索具（通常称之为主拖绳）与船舶连接，借助船航行时的速度，由叶片产生横向的扩展力，使扩展器横向运动。前导缆上拖带点通过绳索（spur line）连接在展开器的绳索上，这样就可以把电缆拉向船的两侧。通过调整展开器绳索及前导缆释放的长度，可以将电缆扩展到预定位置。展开器叶片的角度和连接绳索可以调节，从而改变横向扩展力的大小。船速、海流变化都会改变展开器的横向扩展力，因此作业时要适时调整，以保障电缆间距达到设计的宽度。船舶两侧各拖带1个展开器，使电缆左右对称扩展。

图1 展开器

1.5连接绳索

用于水下拖带设备之间的连接，如展开器与船舶连接、展开器与最外侧电缆连接、各根电缆间距离控制连接等都需要用间距绳索进行连接。由于绳索连接多种设备，并承受很大的拉力，因此需要采用具有足够大拉力的绳索。

1.6防折器

前导缆拖带点至船尾，多根前导缆从船尾成扇形放射状展开，拖带点后的工作电缆成平行状态。在拖带点，前导缆被折弯成具有一定角度。为了防止前导缆因受力弯曲角度过小而损坏，在拖带点安装防折器，以保护前导缆。

目前主流的防折器主要采用两种方法进行保护，一种是限制前导缆弯曲的最大角度以保护前导缆不会过度弯曲而损坏；另一种是增加前导缆的铠装保护以增强前导缆抗折能力。无论是哪种保护方式的防折器，均有其设计保护的弯曲范围以及最大承受力。如果水下拖带时超出其设计保护的方式，会对前导缆产生一定的损伤，甚至直接损坏后面拖带的工作电缆。

1.7辅助浮标

辅助浮标是梭型的浮标，容量从500 L到3 000 L不等。在拖带时连接在水下设备上，通过浮力防止水下设备沉得过深。在拖带点上装有浮标，控制工作电缆前端的沉放深度。

2 多缆拖带方式

图2为10缆拖带示意图。根据拖带设备数量，选择大小合适的展开器及分水叶片角度。工作时由两根主拖绳分别拖带两个展开器向两边扩展。最外侧的电缆（1、10号缆）通过连接在防折器上的spur line与展开器相连接，并通过展开器将电缆扩展至设计的工作位置；内侧电缆通过连接在防折器上的间距绳索连接在其外侧的电缆上，实现向两侧扩展。

工作电缆之间的间距绳索长度是固定的，这样就可以保证工作电缆之间的间距稳定在设计的距离范围内。最内侧的电缆（5、6号缆）之间一般不使用距离绳索连接。通过调节连接展开器的主拖绳与各个前导缆释放的长度，可以调节并保持所有电缆之间的间距稳定在设计的距离范围内。

图2 10缆拖带示意图

3 拖带点受力分析

由图2及拖带方式介绍可以知道，拖带的10缆是左右对称的，因此分析一侧电缆拖带点受力情况就可知道另一侧拖带点的受力情况。以1 ～ 5号缆为例，说明拖带点受力情况。

1 ～ 5号缆在拖带点处有三种受力方式：

（1）最外侧1号缆受4个方向的力作用，受力示意见图3A。

（2）2、3、4号缆受到4个方向力的作用，受力示意见图3B。

（3）5号缆受到3个方向力的作用，受力示意见图3C。

由于每根电缆工作段的前端有弹性段，通过弹性段上的拉力测试器可以直接测出电缆所受拉力大小。以拖带6 000 m工作电缆为例，所受阻力最大时约为30 000 N，即F1为已知。

通过各拖带点受力关系可以计算各拉力的大小。

对于1号缆：

对于2、3、4号缆：

对于5号缆：

根据图2拖带关系示意图，将前导缆去弯取直简化后，可以得到理想化的拖带几何关系（图4）。

实例：10缆，电缆间距100 m，导航定位点距拖带点的距离为553 m，根据图3及图4几何关系可以计算每根前导缆拉力与横向连接绳索的扩展力（表1）。

图3 拖带点受力示意图

图4 简化后的拖带几何关系图

通过计算可以知道，当spur line与电缆间距绳索在同一条线上（即垂直于拖带点后的电缆）时，受力最小为67 820.7 N；当spur line与电缆间距绳索夹角为30°时，则spur line所受到的拉力为78 312.6 N；当spur line与电缆间距绳索夹角为60°时，则spur line所受到的拉力为135 641.4 N。图5为前导缆释放长度553 m时，spur line与电缆间距绳索夹角与所受拉力变化曲线。从图可以看出随着spur line与电缆间距绳索夹角的增大，所受到的拉力迅速增大。

图6 为拖带10缆时，1 ～ 5号电缆间距绳索所受横向拉力与前导缆释放长度关系的变化曲线图，图7为1 ～ 5号前导缆所受拉力与前导缆释放长度关系变化曲线图。由图可知，电缆间距绳索所受横向拉力与前导缆所受拉力随着前导缆释放长度的增大而减小。

表1 1 ～ 5号前导缆与横向扩展力

4 拖带方式探讨

图5 spur line与电缆间距绳索夹角与所受拉力变化曲线

由拖带方式及受力分析可知，当spur line与电缆间距绳索在同一直线上并垂直于拖带点后的电缆时，所受拉力最小；当spur line与电缆间距绳索成一定角度时，所受拉力增大，并且随着角度的增大而增大。同样，连接工作电缆的间距绳索与工作电缆垂直时，所受拉力最小。

本文的受力分析是将拖带方式简化成理论状态下所得到的力。在实际工作中防折器与辅助浮标相连接，控制电缆在水下的深度，这样防折器会受到向上的拉力。在重力作用下，前导缆在水下的状态也不是直线而是呈弧线形；受水流影响前导缆向设备行进相反方向弯曲，在防折器前端弧形弯曲度加大（图8），使得防折器保护部分前导缆实际弯折角度增大。这些实际情况使得拖带点的受力情况变得非常复杂。

图6 电缆间距绳索所受横向拉力与前导缆释放长度关系变化曲线

图7 前导缆所受拉力与前导缆释放长度关系变化曲线

图8 拖带点剖面图

前导缆释放长度也直接影响前导缆与连接绳索的受力情况。虽然前导缆释放长度增大，电缆间距绳索所受横向拉力与前导缆所受拉力减小，但前导缆释放长度长使得施工操作难度增加，因此前导缆释放长度也不能过长。另外所有前导缆释放长度需要相互匹配。如果外侧前导缆释放的过短，会导致展开器的牵引力由主拖绳转移至外侧前导缆，从而导致前导缆受到过大的拉力而易损坏。若某根前导缆释放的长度过长，所受到船舶向前的拉力减小，甚至不受拉力，而水流向后的冲击，使得前导缆在防折器位置的弯曲程度变大，也易导致前导缆损坏。

电缆间距绳在外力作用下会存在拉伸，而引起各缆间距存在变化并不一致，这也会造成模拟的数据与实际情况存在一定偏差。

因此在外业施工前，可以根据前导缆重量、展开器扩展力、电缆拖力，对作业拖带情况进行模拟，并根据模拟数据进行防折器的选择。前导缆、展开器释放长度需要彼此匹配，拖带的几何关系向理想模型靠近，使展开器主拖绳及每根前导缆都受力，力的大小变得相对均衡，防止某根前导缆受力过大而损坏。

对于防折器使用，需要根据前导缆弯曲的情况选择防折器镯环的安装数量或铠装保护的长度，同时也要根据模拟的防折器受力情况选择防折器夹具。两种主流防折器中，限制弯曲最大角度的防折器保护的角度有一定的范围。保护的角度过大而前导缆未弯曲到其保护角度范围内，防折器没有受到很大的应力，前导缆上的应力会完全集中于防折器后端，增大前导缆与其连接电缆部分的受力，容易导致前导缆接头损坏；保护的角度过小而前导缆弯曲大于其保护角度范围，会导致前导缆在防折器未保护部分弯折而损坏。另一种增加前导缆铠装保护的防折器没有严格的保护角度，具有应力分布均匀的优点。但铠装保护过多会使“被保护”的部分弯曲程度少，而未保护部分就存在因弯曲而损坏的可能。

在绳具选择上，考虑绳具拉力的同时，也要考虑绳具的弹性延展，由于设备拖带于水中情况复杂，在绳具选择时通常都会选择较粗的绳具，以防止在一些特殊情况下，水中漂浮障碍物与绳具缠绕后不会很迅速造成绳具损坏。在索具选择上，根据模拟的拉力，参考拖带和起吊的安全系数，选择适合的索具即可。值得注意的是，防折器夹具、绳具索具选择时，要留有足够的安全系数，尤其是外侧缆，选择不当就会造成前导缆损坏，甚至连接绳具索具破断，造成事故。

船舶转向时，位于转向内侧的展开器行进速度减慢、受力变小，前导缆会比正常拖带时下垂更多，导致弯折角度增大；位于外侧的展开器速度增大，受力变大，前导缆弯折角度变小。为了减少设备损坏，通常会根据拖带电缆数量设置最小转弯半径（一般可设置4 ～ 5 km），以防止转弯时内侧前导缆下垂和弯折过多损伤设备。在一些特殊情况下，如船舶受到单侧来的流和风影响，即便是直线航行，船舶也会向这个方向压了比较大的角度来抵抗流和风的影响，在这种情况下转向时，即使船舶沿着一个半径比较大的轨迹转向，在某些时段，转向的角速度比较大，也会造成转弯过快的效果，要非常注意这种情况。

5 结论

多缆作业水下拖带的电缆设备多，通过前导缆、连接绳索等设备相互连接，各种力集中在拖带点。合理的拖带方式，可以使各设备受力均衡，从而延长使用周期，提高工作效率。

通过分析认为，spur line、电缆间距绳索与工作电缆垂直时，所受拉力最小。因此在外业施工调节拖带方式时，尽可能使spur line与电缆间距绳索在一条直线上，且垂直于工作电缆。展开器与各前导缆释放长度需要彼此匹配，尽可能使拖带几何关系靠近理想模型，使每根缆受到相对均衡的拉力，防止某根受力过大而损坏。因此在施工前，应对主拖绳与前导缆释放长度、连接绳索连接位置等进行模拟，确定较优的拖带方式后进行现场调试，提高设备的使用周期。

外业施工中，选用合适的设备和绳索，加强转向过程中的操控，可以使优化的拖带方式得以更好地发挥作用，以达到延长设备使用周期、提高工作效率的目的。

[1] 孙宝善，王日新，高士奇．物探船拖缆姿态及拉力预报[J]．海洋工程，2000，18（3）：72-74．

[2] 边新迎，张莺．展开器在水下拖曳系统中的应用[J]．水雷战与监听防护，2012，20（3）：24-27．

世界前沿科技：宽频地震勘探

宽频地震勘探技术是实现高精度地震勘探的重要方法之一，能够获得薄层和小型沉积圈闭的高分辨率图像，并实现深部目标体的清晰成像，提供更多的地层结构及细节信息，提高地震资料的解释水平，同时提供更加稳定的反演结果。西方地球物理公司、CGG等多家公司相继推出宽频地震采集与处理技术，并已在全球很多地区进行应用。

要获得宽频的地震信息，可以在震源激发时尽可能产生较宽的频谱，还可以在接收和数据处理过程中尽量保持宽频信息。在陆上地震数据采集中，对于可控震源进行适当设计，定制扫描，激发低频信号，利用检波器能够记录低于2 Hz的低频信息。在海上数据采集中，可通过对拖缆的不同布设方式，如变频深采集、上/下缆采集方法获得宽频信息。变缆深拖缆采集技术的拖缆深度是一个变量，拖缆的深度由浅到深，随着偏移距的增大而增加，通常缆深变化范围在5 m到50 m，以优化地震信号的带宽。变缆深采集的地震数据频谱范围可以从2.5 Hz到150 Hz，比常规数据频谱宽很多。

宽频地震技术从采集设备、处理、反演各个方面进行研究，在各种情况下低频端和高频端的拓宽均显著地提高了地震资料品质，尤其改进了对盐下、玄武岩下深部地质环境的穿透力和照明，为地震资料解释提供依据，提高了地震资料的解释水平。

目前，国外先进的宽频地震技术采用单发激发、单点接收、室内组合处理的方式，形成了采集—处理—解释一体化的宽频地震勘探技术方案，应用范围涉及海上、陆上及海底。

摘编自《中国石油报》2014年8月5日

Discussions on the Towing Mode of Multi-streamers in Offshore Seismic Survey

JIN Jie, LI Bin, YANG Ming, DU Wanxing, LI Yujian
（No.1Marine Geological Investigation Party of Shanghai Offshore Petroleum Bureau,SINOPEC,Shanghai201208,China）

The towing mode in offshore seismic survey operations determines the force relationship between lead-in cables, deflectors and the ropes (spur lines) that connect them. Based on the force analysis at the towing points in 10 streamer towing mode, we can identify that the tension on the spur lines between deflectors and lead-ins is lowest when it is vertical to the streamers. Changing the lead-in cable lengths will change the bending angle at the towing points, thus change the force between the lead-in cables and the spur lines. Therefore, the simulation of optimization on the multi-streamer towing mode can reduce the tensions on spur lines and lead-in cables at the towing points, thereby reduce the equipment failure rate.

offshore seismic survey; underwater cable; towing mode; analysis of tension

P631.4+6

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2014.03.095

1008-2336（2014）03-0095-06

2014-06-12；改回日期：2014-07-14

金杰，男，1967年生，工程师，船舶驾驶专业，从事海洋油气勘探、海洋工程勘察研究与管理工作。

E-mail：jinjie@sopgc.com。