物探震源船的总体设计

刘学勤，蒋洪涛，张海彬

（1. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；2. 中海油田服务股份有限公司 物探事业部，天津 300451）

物探震源船的总体设计

刘学勤1，蒋洪涛2，张海彬1

（1. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；2. 中海油田服务股份有限公司 物探事业部，天津 300451）

根据物探船作业方式的差异，介绍主要的物探船船型。重点针对物探震源船，从船型特点、主要技术参数及总布置等方面对该船型进行介绍和分析。以“海洋石油751”号物探船的设计为例，根据物探震源船的船型特点及主要设计要求，对设计中规范的运用、安全区设计、推进形式选择、拖带能力和水下噪声要求等设计要点进行解析。

物探船；总体设计；安全区；水下噪声

0 引 言

物探船是一种用于海洋地球物理勘探的专用作业船，在海洋油气勘探、开发过程中发挥着重要作用。海洋石油开采可分为勘探、开发和生产等3个阶段，物探船作为勘探阶段的关键装备，可完成大面积海域的地质勘探，为后续其他船舶作业提供必要的地质资料支持。因此，一个国家物探船设计建造的能力代表着其海上石油自主勘探、开发的能力。

现阶段全球主要的大型深水物探船大多由PGS，WESTEN GECO，CGG-VERITAS及FUGRO GERTEAM等国外公司建造运营，约占海洋物探市场份额的80%。近年来，我国在物探船的设计建造上取得了长足进步。2008年以前，我国共有拖缆物探船6艘，其中作业能力最强的为8缆物探船“海洋石油719”号，该船由三用工作船改装而成。2010年之后，我国陆续建造了大型深水物探船“海洋石油720”号，“海洋石油721”号和“海洋石油760”号等，弥补了我国在建造大型物探船领域的空白。

“十一五”和“十二五”期间，中国船舶工业集团公司第七〇八研究所（以下简称“七〇八所”）在大型物探船的整船设计技术和新船型开发方面取得了突破，并设计出了系列船型。随着“海洋石油751”号顺利交船，七〇八所在物探船船型开发上又新增了物探震源船，进一步完善了船型布局，适应我国海洋石油开发不断发展的趋势。

1 船型发展

物探船很早就已出现（可能是20世纪90年代，甚至更早），但船型都比较单一，大部分都是由其他船舶改装而成的，并没有形成专业的船型。随着海上石油开发蓬勃发展，各大石油公司及石油运营商开始投入巨资进行物探船船型的开发，逐渐形成了目前比较成熟的挪威Ulstein公司的SX系列、PGS公司的Ramform系列和挪威Skipsteknisk公司的ST系列船型（见图1）。

图1 国外主流物探船船型

根据所实现功能的不同，物探船的船型设计存在很大差异。根据作业方式的不同，物探船可划分为多缆物探船、单缆物探船和物探震源船（见图2）。

图2 国内主要物探船船型

1) 多缆物探船可拖带多根地震信号采集缆，电缆间距小，可实现对海底的3D地震勘探。

2) 单缆物探船一般拖带1根地震信号采集缆，可实现2D地震勘探。

3) 物探震源船不拖带地震信号采集缆，通过拖带枪阵释放地震信号；反馈信号通过其他放缆船下方电缆来接收，主要用于浅海水域作业。

相对来说，物探震源船具有船型尺度小、设备配置专一、能力强和投资小等特点，是一种经济性更优、适用范围更广的物探船。

2 物探震源船船型介绍

2.1 船型特点

物探震源船是典型的布置型船舶，即设备布置决定船舶的主要尺度，需大量的甲板面积和功能性上层建筑。船长主要由艉部甲板布置和上层建筑的长度决定；船宽由艉部甲板布置和船舶稳性要求决定；型深主要由机舱布置要求、空压机舱布置要求、最小干舷要求和储备浮力要求决定。相对来说，物探震源船的长宽比都比较小（接近于4），个别船型为满足作业设备布置需求，会进行艉部船体加宽的设计。该船型方形系数一般在0.75～0.80，不宜过小也不宜过大，在保证船体有足够长的平行中体（方便布置机舱和空压机舱）的同时，保证航行调遣的速度（一般＞12kn）。

该船型艏部采用小型球艏设计，主要为了缓解平行中体较长引起的艏部线型过于肥胖，相对于前倾型艏和直立型艏，该球艏相当于延长了水线，可很大程度上改善艏部兴波。艉部采用方艉，单呆木，双桨双舵，主要考虑解决小吃水下对螺旋桨直径的限制与推进功率需求之间的矛盾，同时考虑对操纵性的要求。

该型船具有功能性上层建筑，共4层（包括驾驶室）。从尺度最优的角度考虑，通过增加甲板层数来满足功能舱室的布置要求；从满足物探作业对作业人员的需求的角度考虑，尽可能地增加人员住舱和公共场所，以提高长期进行海上作业的人员日常生活的舒适性。物探震源船型效果图见图3。

图3 物探震源船型效果图

2.2 主要技术参数

2.2.1 主要参数

该船的主要参数见表1。

表1 物探震源船的主要参数

2.2.2 船级

该船应完全符合中国船级社（China Classification Society，CCS）对物探船的要求，获得以下入级符号：

★ CSA Research Ship，SPS, Ice Class B，Clean，PSPC(B)，BWMP，GPR

★ CSM AUT-0，BWMS

2.2.3 主要性能

该船总体性能优良，适用于全球无限航区，主要从事海底电缆地震勘探震源作业，可在2.5m有义波高、7级风、3kn海流的海况下拖带8排枪阵进行震源作业，作业航速为6kn；轻载吃水90%MCR下航速在13.0kn以上；最大抗风力不低于蒲氏12级；续航力为8000n mile，海上作业自持力为30d。

该船的完整稳性和破舱稳性满足最新规范的要求，具有良好的耐波性，横摇固有周期接近10s，避开了近海的主导波浪周期范围；采用双悬挂式襟翼舵，艏部设置有侧推器，操纵性能优良。全船可满足45人同时居住的要求，设置有13个单人间、6个双人间和5个4人间。

2.3 总布置

物探震源船作为一种海上作业船舶，其总体布置都是以实现作业功能、提高作业能力为目的考虑的。物探震源船全船的主要系统包括船舶通用功能系统和作业功能系统。

1) 船舶通用功能系统包括生活舱室、驾驶室、机舱、舵机舱和锚系泊等。生活舱室位于艏部，提供全船人员的住宿、饮食和休闲服务；驾驶室位于生活舱室上方，具有清晰、开阔的视野；机舱位于主甲板以下，根据推进形式的不同，其位置会有所不同，一般传统柴油机驱动的机舱位于艉部，而电力推进的机舱位于艏部。

2) 作业功能系统包括震源空压机、双联炮缆绞车、气枪阵列收放行吊、气枪阵列储存行车、气枪阵列、辅助绞车、辅助滑道、扩展器和扩展臂等。由于震源作业均采用后拖作业的方式，因此艉部主甲板通常用于布置气枪阵列收放行吊、气枪阵列储存行车、气枪阵列及双联炮缆绞车等；扩展器和扩展臂布置于主甲板上一层（枪阵甲板）；震源空压机布置于主甲板以下的舱室内，尽可能地靠近艉部主甲板作业区域，以缩短高压空气管系的长度。

震源作业系统的布置是全船设计的核心。为布置艉部8排气枪阵列和炮缆绞车，需有宽阔的艉部甲板和较高的甲板层高。这不仅会影响全船的主要尺度，还会使重心高度增加、受风面积增大，进而影响船舶的总体性能。仪器房是震源作业的关键部位，布置有大量的精密设备和计算器材，需尽可能地布置在临近震源作业区域，以便接收数据电缆，且需尽可能地减少振动和噪声，因此需从总布置上综合考虑。机舱和空压机舱均布置在主甲板以下，布置空间有限，且需布置足够的油水舱，因此机舱和空压机舱必须在有限的空间内优化布置。舱内布置见图4。

图4 舱内布置

3 设计要点

3.1 适用规范

在设计该船过程中灵活地运用规范，在满足各种规范的要求和总体性能要求的前提下，通过优化设计，使船型的尺度和配置达到最优，以满足经济、环保的设计理念。

首先按照特种用途船规范来设计，满足国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）《特种用途船舶安全规则》（2008）的要求，设计船员25人，特种人员20人。根据特种用途船的要求，稳性按照不超过60人的客船的要求设计，而防火按照货船的要求设计，采用要求最高的IC法。防火要求没有降低，但规避了规范对客船防火主竖区设计的要求，总体布置更为灵活。

在人员住舱的要求上，由于该船的设计需满足《国际劳工公约》（2006）的要求，同时作为＜3000总吨的特种用途船，对船员住舱的要求可放宽至双人间，而对特种人员不作要求，因此舱室布置采用了较多的双人间和4人间，在满足45人定员要求的前提下，将上层建筑和船舶主尺度降至最小。

由于该船的尺度较小，舱内布置十分紧凑，尤其是油舱和淡水舱的布置。全船油舱均布置在机舱和空压机舱两侧的隔舱内。MARPOL公约对燃油舱保护有着明确的要求。为规避设置燃油舱的双壳保护，通过优化主机选型，将全船的总燃油舱要求控制在600m3以下，无需双壳保护。

3.2 安全区理念

安全区是指船舶设计中的一个设定的区域，通常靠近船体的中部，出现破损的概率非常低，主要用于集中布置贯穿全船的管系、电缆等（见图5）。

图5 安全区设置

安全区理念广泛应用于半潜船的设计中。由于半潜船上的压载舱众多，压载管系多且复杂，一旦船体出现破损，将导致管系破损，造成多舱的延伸进水，威胁到船体的安全。因此，在设计中会考虑设置一个安全区，用于集中布置压载管系，只要管系布置在安全区，其破损的概率就会降低，破损后带来的延伸进水可控，最大程度上减少船体破损后带来的延伸进水，从而增加船体破损后生存的概率。

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物探震源船作为一种海洋工程作业船舶，船型布置紧凑，布置空间和稳性都是设计中必须关注的难点及关键点。受功能需求的影响，液舱较多且分散，全船燃油管系、淡水管系、滑油管系及压载管系等纵横交错，非常复杂，管系的布置对整船的布置影响很大。此外，该类船受风面积大，重心高，稳性紧张，管系破损引起的延伸进水会影响船舶的破舱稳性，而管系的随意布置将使破损产生的延伸进水难以控制。

安全区的设置主要有以下优点：

1) 通过安全区的理念有效控制管系的布置和走向，使管系布置集中有序，最大程度上降低船厂随意走管对船舶的布置和稳性的影响；

2) 在安全区内布置的管系穿过水密舱壁时可不用阀件，从而大大减少阀的数量，一定程度上降低船舶的造价；

3) 通过将管系集中布置在安全区，可有效减少管系的布置空间需求，为设备的布置提供更多的空间，从而使机舱和空压机舱的布置更有条理；

4) 管系的集中布置有利于使用期间对管系进行检修和保养。

安全区的设置同样存在一定的缺点，主要是管系集中布置会在一定程度上增加管系的长度，增大管系布置的难度，因此需要船厂在管系放样上花费更多精力。

3.3 推进形式

物探震源船作业工况的多样性决定了其动力推进形式必须灵活可靠。从目前实际使用的情况看，主要有以下2种推进形式。

1) 传统的柴油机推进：螺旋桨由柴油机主机直接驱动，空压机由柴油机驱动，全船的电力由额外的发电机组或轴带发电机提供。该推进形式的主要优点是在高负荷工况下具有高效率，功率损失＜3%，布置简单、成本低；缺点是难以适应多变的作业工况，低负荷下的效率较低，需额外设置高速发电机组来满足全船的电力供应，布置空间紧张，振动噪声较大。

2) 电力推进：螺旋桨和空压机均由电动机驱动，设置全船电站，全船电力统一分配、调控。该推进形式的最大优点是可动态增加发电机运行数量，保证投入的发电机工作在最佳工况点，降低油耗；主要缺点是装机功率大于传统的柴油机，价格昂贵，全船造价较高，高负荷下的效率低于传统推进形式，电力传输存在功率损失，经济性较差。

从经济性和可靠性的角度考虑，该船采用传统的柴油机驱动轴系螺旋桨的方式，不仅船体尺度要小于电力推进形式，而且系统简单可靠。为适应多工况的需求，采用可调螺距螺旋桨，保证在高航速航行和低航速作业时均具有较高的效率。

3.4 拖带能力

物探震源船除了部分时间处于航行调遣状态，其他大部分时间都处于作业状态，即低航速（6kn）拖带震源枪阵、扩展器等设备进行作业，震源枪阵一般为8排气枪阵列，扩展器为2个，这些作业设备对物探震源船的低速拖带能力有一定的要求，因此低航速下的拖力是衡量物探震源船作业能力的一个重要指标，需在设计中予以考虑。

根据中海油田服务股份有限公司多年的物探作业经验，拖带8排枪阵作业所需的最小拖力为176.4kN，同时考虑设计海况下的波浪增阻、风阻力和流力78kN，静水阻力29.4kN，要求螺旋桨在85%MCR 6kn作业航速下提供的推力≥284.2kN，并依次作为螺旋桨设计的指标要求。此外，为进一步提高螺旋桨低速作业时的推力性能，采用固定导管桨。作业拖力计算见图6。

3.5 水下噪声

物探震源船是通过人工震源发射声波进行地质分析的，作业时除了震源声波外，其他船体发出的噪声也会影响其作业效果。因此，将水下噪声控制在合理的范围内是物探震源船设计的关键技术和设计难点。

一般地，根据科考船对水下噪声的要求及物探作业经验，物探船和物探震源船的水下噪声要求需满足：

1) 在3～250Hz频带内1/3倍频程的最大噪声≤168dB；

2) 在3～300Hz频带内最大噪声≤175dB。

水下噪声主要分为机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声等3类。震源船一般是低速作业，水动力噪声几乎不用考虑。螺旋桨噪声和机械设备引起的船体结构振动通过船体向水下辐射产生的噪声是该船低速作业工况下最主要的噪声源。国内外相关研究结果表明，船舶低速航行时，机械噪声是船体总辐射噪声的主要成分（约占70%）。因此，设计中采取以下措施进行水下噪声控制：

1) 优化螺旋桨设计。通过模型试验对螺旋桨的水下噪声进行测量，对作业工况下的螺旋桨特性进行重点关注，选择合适的螺旋桨直径，合理匹配转速和螺距。

2) 在结构设计中对艉部机舱进行适当加强，并进行隔振处理，通过全船有限元模拟，对振动模态进行计算，指导结构设计。

4 结 语

在海洋工程市场日益萧条的背景下，船舶设计人员应从船型开发的角度，从运营商和油公司的视角，通过不断优化设计，开发出更为经济、环保的船型，降低海洋石油勘探、开发的成本，提高我国海洋勘探队伍在国际上的竞争力。“海洋石油751”号物探震源船正是在这样的背景下诞生的。实船试验结果表明，该船各项性能指标和技术指标均较优，满足船东的要求。

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General Design of Seismic Source Vessel

LIU Xue-qin1，JIANG Hong-tao2，ZHANG Hai-bin1

(1. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China;2. China Oilfield Services Limited, Tianjin 300451, China)

This paper introduces three kinds of seismic vessels according to the difference in operation modes. Of which,the emphasis is laid on the seismic source vessel. The characteristics, main technical specifications, general arrangement of the vessel are specified. Then the design of Hai Yang Shi You 751 is taken as an example to explain the key design points such as the consideration of rules and regulations in design, design of safety zone, selection of propulsion form,towing capacity and underwater noise requirement based on the ship’s characteristics and main design requirements.

seismic source vessel; general design; safety zone; underwater noise

U662；U674.38

A

2095-4069 (2017) 05-0048-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.009

2017-04-11

刘学勤，男，工程师，工学硕士，1985年生。2013年毕业于中国船舶及海洋工程设计研究院，现主要从事总体设计工作。

图6 作业拖力计算