大型深水物探船船型研究

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船，用途單一，但擁有大量昂貴的精密專業設備。隨著全球海洋開發特別是海洋石油開發的突飛猛進，對該類船型的需求也越來越大。據統計，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還有著極其廣闊的前景［1］。

海洋石油開采分勘探、開發、生產三大階段。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勘探，具備高效的采集能力，并能提供高質量的三維地震數據。簡而言之，物探船的作業能力對勘探成本具有最直接的影響。

現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，作業能力較差，甚至直接由其他船型改裝而成，對船型阻力的優化也并不充分。

隨著能源問題的日益突出，海洋油氣開發在最近十幾年蓬勃發展。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展，三維物探船的作業能力迅速提升，目前國外先進物探船拖帶電纜數已經發展到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、“發現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能力方面獲得突破，才能夠適應我國海洋石油工業發展的需要。

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。現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地震波，并由壓電檢波器組成的接收系統進行信號采集，最終經過船上精密儀器進行數據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、邊接收的作業模式。海洋地震勘探需要精確的實時衛星定位系統，并隨時記錄激發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域組成：

物探作業及設備存放區域、數據處理處所、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：

物探系統的布置、船舶通用設施及系統的布置、數據處理處所須低振動及低噪聲、生活艙室舒適性、規范對穩性、防火救生、環保等方面的要求。

（3）主甲板以上舯后一般為物探作業區域，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的合理銜接，不宜相隔太遠。電纜系統與數據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域當屬物探采集作業相關的區域，而采集電纜的排纜數量直接影響船寬的選取。隨著物探船對多纜作業的不斷追求，電纜系統所需的空間越來越大，簡單增加船寬既不經濟且無必要。因此往往單獨將船體尾部區域加寬，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。對排纜數量需求較多甚至出現如圖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和信號采集系統。震源系統設備主要包括：震源空壓機、雙聯炮纜絞車、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

信號采集系統設備主要包括：雙聯電纜絞車、雙聯備用電纜絞車、雙聯排纜器、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、電纜油系統等。

下頁圖9為“海洋石油721”號物探設備的系統劃分情況。

需要特別注意的是，大型物探船上的工作人員眾多，規范對救生、防火等方面的要求往往需按照客船的相關規定配置，這對主尺度及總布置將帶來極大影響。此外，物探船甲板層數多、方形系數較小，往往會面臨布置緊張、穩性不夠等問題。

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 物探震源系統與水下接收系統

4 總體性能

4 .1 主要技術參數特點

大型物探船最明顯的尺度特點是船寬較大，甲板層數較多。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。穩性、抗風能力等指標也比較緊張。方形系數一般取0.7～0.75，主要是為保證非作業時的航行速度。

物探船由于其獨特的作業方式及營運模式，往往需要長時間無故障作業，對拖帶能力、續航力、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。

4.2 拖帶能力

物探船除部分時間處于調遣航行狀態外，絕大部分時間處于作業狀態，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m

4.3 完整穩性及破艙穩性

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。

完整穩性方面，一般按照IS CODE 2008對所有船型的穩性衡準進行校核。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

破艙穩性方面，一般根據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現，部分工況破損后橫傾角達6.9°，僅能勉強滿足規范不超過7°的要求，因此，該問題也需同樣引起重視。

關于改善完整穩性和破艙穩性，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 續航力

大型物探船的綜合續航力一般在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，可從線型優化、總布置優化及節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射和接收聲波進行地質分析，若船舶水下噪聲過大，將直接影響檢波器的探測，最終令物探作業效果大打折扣，因此保證水下噪聲在合理范圍內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，一般設置4臺主柴油發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幾型新建物探船的設計與研究工作，也總結了一些經驗，希望能對從事相關研究的科研人員有所幫助。

［1］ 荊波.海洋石油勘探開發安全概論［M］.北京：石油工業出版社，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研究［J］.船舶與海洋工程，2012（2）：47-52.