海上拖缆地震勘探前导缆动态响应预报与分析

孙 青，翟慧杰，张昊楠，张 伟，王振波，王洪峰

（中海油田服务股份有限公司 物探事业部，天津300459）

随着我国海洋勘探开发力度的不断加大，海洋地震勘探装备和技术发展迅速，采用多源多缆模式的三维地震勘探成了主流作业方法[1]。前导缆作为拖带电缆和设备的主要部件，其缆形及受力情况对整个作业安全的影响不容忽视，尤其是浅水作业，前导缆过大的悬垂有触底或触碰障碍物的风险。多年来，为了实现高精度的数据采集，人们多致力于电缆位置和受力的预报和控制，取得了巨大的进展[2-5]，但前导缆尚无配套控制装置，因此准确预报前导缆的缆形和受力显得尤为重要。

国内外学者针对海上拖缆作业过程中缆索姿态、受力的预报和控制开展了一些研究[6-9]，但多局限于单根缆索的计算。对于多根前导缆的计算，国内学者进行了以下研究：孙宝善等[10]根据物探船布设探测网络实际工况的要求，提出一种拟合数值计算与模型实验结果预报拖缆姿态及拉力的方法，并经海上拖航实验证明可行；金杰等[11]通过对10缆拖带模式下的拖带点进行水平面内的静力分析，计算并对比分析了不同拖带方式下的缆索受力，认为当辅拖带缆、缆间扩展绳和工作电缆垂直时前导缆拖带点处所受拉力最小；汤志臣等[12]用OrcaFlex软件模拟并分析了四缆多分支拖曳线列阵系统拖曳段张力和尾绳段振动极值，计算对比了系统在不同波高和流速下的稳定性，表示系统在使用水鸟的情况下可以提高稳定性；张大朋等[13]用OrcaFlex软件建立了波流联合作用下双缆拖带回转过程的动力学分析简化模型，得到了拖缆的张力和曲率沿缆长方向的变化规律及缆端点张力的时域结果，给出了多分枝拖曳线列阵在回转过程中的优化设计方案。本文从拖曳系统的工作模式入手，分析了作业过程中前导缆的受力情况，并以某海上三维12缆地震勘探作业为例，建立勘探船和拖曳系统的有限元模型，并进行多缆、多体以及船舶耦合的动态响应分析，为实际工程项目提供前期预报和作业指导。

1 拖曳系统物理模型

图1为海上12缆地震勘探拖曳系统示意图，船舶以一定的航速沿测线航行，后方拖带前导缆、主拖带绳、扩展器、工作电缆和尾标等主要构件和设备，使工作电缆排成等间距阵列形式实现物探数据的采集。前导缆为多根沿船舶行驶方向左右对称布置的光纤芯镀锌钢缆，其前端连接在位于船尾的绞车上，后端与工作电缆的前弹段衔接于拖带点。船舶行驶过程中，扩展器由主、辅拖带绳牵拉，连接于船舶与拖带点，扩展器上部为圆柱形浮筒，下部为机翼形叶片，其叶片与船首方向保持一定的攻角，产生垂直于船行驶方向沿外侧的扩展力使拖带点保持一定的间距展开排列，拖带点附近悬挂浮鱼作为头标控制位置及深度，各个缆索水下部分还受到波流的水动力载荷作用。除位于最外边的两条前导缆的拖带点外侧受辅拖带牵拉以外，其余前导缆拖带点处水平方向受缆间扩展绳拉力作用。

图1 拖曳系统示意图

2 拖曳系统有限元模型

本文采用海洋工程动力分析软件OrcaFlex进行12缆拖曳系统建模分析，拖曳系统模型共包括41个构件，分别为：1艘勘探船、12根前导缆、2根主拖带绳、2根辅拖带绳、10根缆间扩展绳、2个扩展器以及拖带点上悬挂的12个浮鱼。本模型中并未包括工作电缆，实际工作电缆共12根，每根长6 km，其上配备有检波器、水鸟等设备，深度和缆间距均受自动化控制，为简化计算将电缆前端点拉力作为外力加载于各前导段末端的拖带点上，拉力值可根据拖曳力计算公式获得，也可根据前期作业中前弹段拉力计测量值换算得到。所建立的以前导缆为主的地震勘探拖曳系统模型的三向视图如图2所示，图中红色线条代表船舶，蓝色线条代表水面，黑色线条代表各缆索，紫红色点状代表浮鱼和扩展器。

图2 拖曳系统模型三视图

模型中，勘探船采用Vessel单元模拟，该船垂线间长96.6 m，型宽24 m，作业吃水7.5 m，若计及波浪对船体运动的影响，输入参数中需包括船体运动响应幅值算子（Response Amplitude Operator，RAO）。

前导缆、主拖带绳、辅拖带绳和缆间扩展绳均采用Line单元模拟，前导缆与缆间扩展绳的交点处采用3D Buoy单元连接，6 #和7 #前导缆对应的拖带点中间无任何缆索，建模时增加一个赋值较大轴向刚度的Tether用于保持两拖带点的间距及相对位置。建模中采用的各缆索参数如表1所示，其中缆索的名义外径、干重、轴向刚度和破断拉力为实际采用的缆索厂家数据，缆索的阻力系数包括法向阻力系数Cdn和切向阻力系数Cdt参考了国内外文献[14-17]中关于一般绳索及导流缆的阻力系数研究成果，工作电缆的阻力系数由在拖曳过程中实测的拉力值换算得到。

表1 缆索参数

扩展器采用6D Buoy中的Towed Fish单元模拟。其浮筒外径为1.524 m，内径为1.4 m，长度为8.5 m，叶片弦长8.5 m，高度8 m，扩展器总质量为8.85 t，升力系数和阻力系数根据扩展器产品手册中不同攻角下对应的升力和阻力曲线换算得到，如表2所示。

表2 扩展器升力系数和阻力系数

浮鱼为梭形浮体，带尾翼，体积为2 m3，长度3.6 m，宽度1.1 m，高度1.46 m，质量294 kg，本文将浮鱼作为连接在前导缆后端点上的附件来模拟，连接浮鱼与拖带点之间的定深绳长度为7 m。

3 模拟工况讨论

3.1 不同航速下计算结果

本文模拟了拖曳系统在迎浪状态下不同航速所对应的前导缆缆形及拉力极值。考虑极端情况所模拟的海况采用波高4 m，周期为7 s的规则波；因取同向海流，模拟过程中只需输入船舶航速与海流表面流速的相对速度即可，相对速度v分别取4.0 kn、4.3 kn和4.5 kn。因几何模型和载荷均对称，左右两侧计算结果相同，故给出一侧共6根前导缆的结果。

当相对速度分别为4.0 kn、4.3 kn和4.5 kn时，各前导缆出缆长度、前端点最大拉力及最大悬垂深度如表3所示。

表3 计算结果

从表3所列结果可以看出航速对前导缆拉力和悬垂深度的影响：当航速由4.0 kn增加到4.5 kn时，受拉力最大的前导缆（1 #缆）前端点的最大拉力由61.3 kN增加到了72.4 kN；悬垂最深的前导缆（5 #缆）的最大悬垂深度从70.5 m减小到了58.1 m。根据悬链线理论，前导缆的拉力和缆形与出缆长度及前后端点相对位置也有很大关系，在本算例中各前导缆出缆长度不变，航速的增加不仅直接导致作用于整个拖曳系统上的拖曳力增加，同时扩展器施加的扩展力增加，使拖带点位置与低航速位置相比更远离前端点，从而引起缆上拉力的增加，悬垂深度的减小。

3.2 加设浮鱼计算结果

如表3所示，对于12缆的拖缆作业来说，为了满足电缆间距要求，前导缆出缆长度变长，导致最大悬垂深度也相应增大，在浅水作业中，可采取加设浮鱼的方式减小悬垂深度。在模型中对每根前导缆中后段设置一个浮鱼，并计算当相对速度v分别为4.0 kn、4.3 kn和4.5 kn时，各前导缆前端点最大拉力及最大悬垂深度如表4所示。

表4 加浮鱼计算结果

根据表3与表4结果对比可知，加设浮鱼之后，浮鱼悬挂点被拉起至水下8 m的位置，悬垂深度有了明显改善。当航速为4.0 kn时，6#前导缆的最大悬垂深度由65.3 m减小到22.6 m，航速为4.5 kn时，最大悬垂深度由55.4 m减小到19.4 m。此外，挂浮鱼后的最大悬垂深度还与浮鱼位置有关，本算例中的悬垂深度结果是根据调整浮鱼位置使其两侧悬垂深度接近来达到的最小值（以下称最优点），实际浮鱼悬挂位置越远离最优点，最大悬垂深度越大，浮鱼悬挂最优位置通过多次搜索计算得到，一般位于沿缆长方向中间偏后位置。当航速为4.5 kn时，未挂浮鱼和挂浮鱼的1#前导缆相比，前端点最大拉力由72.4 kN增加到84.2 kN，但并未达到破断拉力。

4 实测数据对比

某船在国外某平均水深31 m的海域进行12缆勘探作业时，采用测深仪对前导缆悬垂深度进行了测试，如图3所示，最大悬垂深度约26 m。在OrcaFlex中建模计算得到当航速为4.5 kn时，中间缆（6 #）悬挂浮鱼沿缆长方向距尾端点350 m时最大悬垂点深度的时间历程如图4所示，其最大悬垂处的平均深度为26.2 m，最大深度为27.5 m，与实际海上测试结果相比，最大悬垂深度相差1.5 m，超出实测值5.8 %，模拟计算结果能够满足实际作业需要。引起数值模拟结果与实测结果差别的因素为：实际作业海况可能并未达到计算海况波高，此外，由于海流方向的不确定性，实际作业各拖带点的位置与计算值可能会有细微差别。

图3 海上实测深度

图4 计算与实测对比图

5 结 论

本文采用OrcaFlex软件模拟了12缆海上地震采集拖曳系统，并进行了船-缆-体的耦合动力分析，分别在无浮鱼和有浮鱼工况下计算了航速为4.0 kn、4.3 kn及4.5 kn时单侧共6根前导缆的轴向拉力和悬垂深度，并统计了对工程实际有参考意义的前端点的最大拉力和全缆最大悬垂深度，通过与海上实测数据对比，数值模拟的悬垂深度与实测值相吻合，能够满足要求，根据不同工况下结果对比发现以下结论。

（1）同一航速下，中间缆（5 #、6 #、7 #、8 #）的悬垂深度最大，拉力最小，而外侧缆（1 #、12 #）的悬垂深度最小，拉力最大，在实际作业中需重点关注中间缆的悬垂深度和外侧缆的拉力。

（2）在同样出缆长度的情况下，当勘探船航速增加，各缆索及拖体上的阻力增加，导致前导缆拉力增加，而拖带点后移，使悬垂深度相应减小，在作业前的出缆长度和拖带点纵向位置设计时可以根据不同航速下计算的前导缆受力和悬垂深度进行综合考虑，除了避免前导缆过载之外更应注意在浅水作业降速时悬垂深度增加带来的触底风险。

（3）加设浮鱼是目前浅水作业中为减小缆索悬垂比较常用的方法，本文计算结果显示加单个浮鱼较无浮鱼时的悬垂深度最大可减少约70%，同一根缆上加多个浮鱼能够起到更加显著的效果。通过对不同浮鱼数量以及安装位置进行模拟，可以对加浮鱼后的缆索悬垂深度进行良好的预判，为实际作业中浮鱼的布设提供指导。

因受工作电缆简化方法的限制，本文仅考虑了沿船体轴线方向的波流载荷，对于受横向波流载荷和船舶回转状态下的前导缆动态响应计算问题还需深入研究。