大型深水物探船船型研究

付学辉

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

物探船是一种用于海洋地球物理勘探的专用作业船，用途单一，但拥有大量昂贵的精密专业设备。随着全球海洋开发特别是海洋石油开发的突飞猛进，对该类船型的需求也越来越大。据统计，海洋石油储量约有2 500亿吨，约占全球总储量的45%，目前海洋已探明储量约400亿吨，可见海洋石油勘探与开发还有着极其广阔的前景［1］。

海洋石油开采分勘探、开发、生产三大阶段。大型物探船（Seismic Survey Vessel）作为勘探领域的关键装备，可独立完成大面积海域的地质勘探，具备高效的采集能力，并能提供高质量的三维地震数据。简而言之，物探船的作业能力对勘探成本具有最直接的影响。

现阶段全球大型深水物探船主要为 PGS、WESTEN GECO、CGG-VERITAS、FUGRO GEOTEAM等国外公司投资建造，这些公司同时占有海洋物探市场80%以上的份额。

1 船型发展

物探船作为特种工程船，其用户需求主要局限于各大油气公司的海洋油气勘探业务上。上世纪90年代以及更早期的物探船往往线型简单，作业能力较差，甚至直接由其他船型改装而成，对船型阻力的优化也并不充分。

随着能源问题的日益突出，海洋油气开发在最近十几年蓬勃发展。当今各油公司竞相建造大型多功能深水物探船。在巨大投资驱动下，物探船这一船型的技术水平也获得长足发展，并逐渐在国际上形成几种成熟的船型。比较著名的船型有挪威Skipsteknisk公司设计的ST系列、挪威Ulstein公司的SX系列和PGS公司的Ramform系列等。

目前在物探船设计方面，主流船型的研发基本由挪威SKIPSTEKNISK、VIK-SANDVIK、ULSTEIN及Rolls-Royce等设计公司主导。

图1 Ulstein公司SX系列物探船

图2 PGS公司Ramform系列物探船

随着科学技术的不断发展，三维物探船的作业能力迅速提升，目前国外先进物探船拖带电缆数已经发展到22缆。

到2008年底，我国共有三维拖缆物探船6艘，其中最大作业能力为8缆的物探船“海洋石油719”号是由海上三用工作船改造而成。

2010年以来，我国陆续建造了大型多缆深水物探船如“海洋石油 720”号、“海洋石油 721”号、“发现6”号等，弥补我国在建造大型先进物探船领域的空白，但在大型深水物探船的整船设计、关键装备制造等方面依然与国外有较大差距。因此，急需在大型深水物探船的整船设计技术方面和新船型开发能力方面获得突破，才能够适应我国海洋石油工业发展的需要。

图3 上海船厂为中海油建造的“海洋石油720”号

2 物探作业特点

在海洋油气勘探的初期，海洋地震的震源主要使用的是炸药震源，鉴于炸药的不安全性和对鱼类资源的巨大破坏性逐渐淘汰。现普遍采用非炸药震源，气枪震源应用最为广泛。

海洋地震勘探通过人工震源及气枪阵列激发地震波，并由压电检波器组成的接收系统进行信号采集，最终经过船上精密仪器进行数据处理得到初步分析结果。同时，物探船引导拖缆按测线方向前进，形成边行驶、边激发、边接收的作业模式。海洋地震勘探需要精确的实时卫星定位系统，并随时记录激发点和接收点的准确位置，包括海水流向造成的拖缆不同偏移方位（工作示意图见图4）。

图4 海上拖缆地震勘探工作示意图

3 总布置特点

（1）物探船主要由以下几个功能区域组成：

物探作业及设备存放区域、数据处理处所、生活舱室、机舱及推进机舱等、油水等补给品、压载水舱。

（2）物探船总体布置考虑的主要问题：

物探系统的布置、船舶通用设施及系统的布置、数据处理处所须低振动及低噪声、生活舱室舒适性、规范对稳性、防火救生、环保等方面的要求。

（3）主甲板以上舯后一般为物探作业区域，舯前为生活舱室，主甲板以下需设置震源设备间、推进及辅助机器处所、液舱等。震源设备必须考虑与炮缆系统的合理衔接，不宜相隔太远。电缆系统与数据处理处所之间同样需要考虑便于电缆连接。

对物探船的布置影响最大的区域当属物探采集作业相关的区域，而采集电缆的排缆数量直接影响船宽的选取。随着物探船对多缆作业的不断追求，电缆系统所需的空间越来越大，简单增加船宽既不经济且无必要。因此往往单独将船体尾部区域加宽，而船体中、前部维持不变，图1和图3所示的船型均为此类船型。对排缆数量需求较多甚至出现如图2所示的Ramform系列船型，该船型外形近似三角形状，极大地保障了尾部作业空间。典型物探设备布置情况如图5-图8所示。

物探设备按使用功能可分为震源系统和信号采集系统。震源系统设备主要包括：震源空压机、双联炮缆绞车、气枪阵列收放行吊、气枪阵列存储行车、气枪阵列、辅助绞车、辅助滑道。

图5 “海洋石油721”号物探设备布置侧视图

图6 “海洋石油721”号电缆绞车、拖点等设备示意图

信号采集系统设备主要包括：双联电缆绞车、双联备用电缆绞车、双联排缆器、电缆拖点、尾标行吊、电缆扩展绳绞车、扩展器及收放存储装置、横向拖点、电缆油系统等。

下页图9为“海洋石油721”号物探设备的系统划分情况。

需要特别注意的是，大型物探船上的工作人员众多，规范对救生、防火等方面的要求往往需按照客船的相关规定配置，这对主尺度及总布置将带来极大影响。此外，物探船甲板层数多、方形系数较小，往往会面临布置紧张、稳性不够等问题。

图7 “海洋石油760”号电缆绞车、枪阵及炮缆等设备示意图

图8 某震源船炮缆绞车、枪阵等设备示意图

图9 物探震源系统与水下接收系统

4 总体性能

4 .1 主要技术参数特点

大型物探船最明显的尺度特点是船宽较大，甲板层数较多。船宽一般在24 m以上，无货物处所，船长达到100～120 m即可符合纵向布置要求。长宽比L/B接近于4，但为更大限度满足物探布置，往往将尾部船体加宽。一般而言物探船总纵强度问题不大，但局部强度及船体刚度问题比较突出。稳性、抗风能力等指标也比较紧张。方形系数一般取0.7～0.75，主要是为保证非作业时的航行速度。

物探船由于其独特的作业方式及营运模式，往往需要长时间无故障作业，对拖带能力、续航力、耐波性、冗余度的要求非常高。下页表1为“海洋石油720”号的主要技术参数。

4.2 拖带能力

物探船除部分时间处于调遣航行状态外，绝大部分时间处于作业状态，即低航速（4～5.5 kn）下拖带若干水下电缆、炮缆、扩展器等设备。

大型物探船采集电缆数量一般在12根以上，最大可达22～24缆，每根电缆长度约6 000～12 000 m；水下震源设施一般为8排气枪阵列（带浮体）；扩展器一般为2个，用于保持电缆及炮缆之间的距离。

这些水下设施对大型物探船的低速拖带要求一般在100 t以上。该拖力要求为船东对物探船的首要指标，亦为动力配置的重要决定因素。

表1 “海洋石油720”号的主要技术参数m

4.3 完整稳性及破舱稳性

物探船由于主甲板以上布置有大量物探设备，生活楼也较高，直接导致空船较重且重心位置偏高。

完整稳性方面，一般按照IS CODE 2008对所有船型的稳性衡准进行校核。主要需注意其中对最大复原力臂横倾角25°的要求。物探船空船较重、重心高、水线面小，所以浮力计算模型应尽可能考虑更多的上层建筑及甲板室，但主甲板以上区域的船中后部由于物探布置需要往往缺少浮力体，导致大倾角下的复原力臂欠佳。

某大型物探船对各工况的该条衡准的校核结果见表2，其中SD工况仅为26.9°，可见十分紧张。

表2 某大型物探船对各工况下该条衡准的校核结果

破舱稳性方面，一般根据SPS 2008相关要求进行校核。从概率破舱计算结果而言，船型尺度越大计算结果越好，但考虑到大型物探船通常会考虑设置减摇水舱以改善耐波性，这对稳性的损失是非常明显的，需综合权衡后严格控制水舱自由液面大小。另外大型物探船双层底设置也难以保证满足规范要求，因此需要单独进行破损校核。如某大型物探船的双层底校核发现，部分工况破损后横倾角达6.9°，仅能勉强满足规范不超过7°的要求，因此，该问题也需同样引起重视。

关于改善完整稳性和破舱稳性，在总布置上可综合考虑，比较有效的方法为增加水密分隔、设置U型压载舱、增加横贯浸水装置等。

4.4 续航力

大型物探船的综合续航力一般在12 000 n mile以上，因此对油水等消耗液体舱室需求很大。在方形系数偏小、压载水量必须保证等情况下，已然成为设计的一个重要问题，可从线型优化、总布置优化及节能控制等方面着手解决。

5 水下噪声控制

物探船通过人工震源发射和接收声波进行地质分析，若船舶水下噪声过大，将直接影响检波器的探测，最终令物探作业效果大打折扣，因此保证水下噪声在合理范围内成为物探船设计的关键技术之一。

水下辐射噪声主要分为机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三大类，船舶在低航速下，水动力噪声对全船水下噪声的影响几乎可不予考虑。螺旋桨噪声相对于刚性安装的柴电机组、空压机组、推进电机等产生的机械噪声亦较低，而由机械设备引起的船体结构振动，并由船体外壳向水下辐射的噪声将成为物探船低速工况下的最主要噪声源。因此，水下噪声的控制措施为：重点控制机械设备振动传递到船体产生的水下噪声，主要采用隔振措施，需具体针对每一个大型机械设备进行噪声评估，并进行隔振设计；优化螺旋桨设计，确保在低速工况下螺旋桨水下噪声不超过限制指标。

在设计过程中还需对全船进行有效的水下噪声评估，主要通过建模和数值计算。以下为“海洋石油720”号的评估模型及评估结果［2］。

图10 水下噪声评估模型

图11 水下噪声评估结果

6 谐波干扰

物探船工况特殊，为保证低航速下的拖力以及调遣时能高速航行，同时保证大量物探设备的正常使用和维护，新建大型物探船几乎全部采用全电力推进系统，一般设置4台主柴油发电机组保证各工况下的用电需求，同时保证一定的冗余度。

大型物探船需配备大量变频器设备，以供各推进电机、空压机、侧推等设备使用。船舶电力网中变频器谐波含量因此不断上升，造成电压波形畸变，使电能质量下降、电能损耗增大。谐波还可能引起重要的控制和保护装置误动作、电力设备过载或损坏、电容器组损坏等。

船级社对船舶电力系统在波形畸变方面的要求如下：交流电气设备应能在供电电源的电压谐波成分不大于5%的情况下正常工作；对于通用电网的电压谐波，任何分量不得超过3%，且总谐波畸变率不得超过5%。

因此，在设计过程中必须准确评估电网的谐波，必要时采用相关的滤波措施加以控制。图12为“海洋石油720”号400 V母线加装不同容量滤波器的谐波抑制效果［3］。

图12 不同滤波容量的谐波抑制效果（400 V）

7 结 论

大型深水物探船作为海洋开发领域的关键装备之一，无论在建造还是设计上都存在极高的技术门槛。随着近年来我国对海洋油气开发的大举投入，针对该船型展开的研究也逐步缩小了与国外的差距。笔者有幸参与了国内几型新建物探船的设计与研究工作，也总结了一些经验，希望能对从事相关研究的科研人员有所帮助。

［1］ 荆波.海洋石油勘探开发安全概论［M］.北京：石油工业出版社，2006：1-5.

［2］ 童宗鹏，叶林昌，倪明杰，等.深水物探船水下噪声评估及控制技术［J］.噪声与振动控制，2012（2）：79-82.

［3］ 张舒蓉.12缆物探船电力推进系统研究［J］.船舶与海洋工程，2012（2）：47-52.