物探震源船的總體設計

劉學勤，蔣洪濤，張海彬

（1. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2. 中海油田服務股份有限公司 物探事業部，天津 300451）

物探震源船的總體設計

劉學勤1，蔣洪濤2，張海彬1

（1. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2. 中海油田服務股份有限公司 物探事業部，天津 300451）

根據物探船作業方式的差異，介紹主要的物探船船型。重點針對物探震源船，從船型特點、主要技術參數及總布置等方面對該船型進行介紹和分析。以“海洋石油751”號物探船的設計為例，根據物探震源船的船型特點及主要設計要求，對設計中規范的運用、安全區設計、推進形式選擇、拖帶能力和水下噪聲要求等設計要點進行解析。

物探船；總體設計；安全區；水下噪聲

0 引 言

物探船是一種用于海洋地球物理勘探的專用作業船，在海洋油氣勘探、開發過程中發揮著重要作用。海洋石油開采可分為勘探、開發和生產等3個階段，物探船作為勘探階段的關鍵裝備，可完成大面積海域的地質勘探，為后續其他船舶作業提供必要的地質資料支持。因此，一個國家物探船設計建造的能力代表著其海上石油自主勘探、開發的能力。

現階段全球主要的大型深水物探船大多由PGS，WESTEN GECO，CGG-VERITAS及FUGRO GERTEAM等國外公司建造運營，約占海洋物探市場份額的80%。近年來，我國在物探船的設計建造上取得了長足進步。2008年以前，我國共有拖纜物探船6艘，其中作業能力最強的為8纜物探船“海洋石油719”號，該船由三用工作船改裝而成。2010年之后，我國陸續建造了大型深水物探船“海洋石油720”號，“海洋石油721”號和“海洋石油760”號等，彌補了我國在建造大型物探船領域的空白。

“十一五”和“十二五”期間，中國船舶工業集團公司第七〇八研究所（以下簡稱“七〇八所”）在大型物探船的整船設計技術和新船型開發方面取得了突破，并設計出了系列船型。隨著“海洋石油751”號順利交船，七〇八所在物探船船型開發上又新增了物探震源船，進一步完善了船型布局，適應我國海洋石油開發不斷發展的趨勢。

1 船型發展

物探船很早就已出現（可能是20世紀90年代，甚至更早），但船型都比較單一，大部分都是由其他船舶改裝而成的，并沒有形成專業的船型。隨著海上石油開發蓬勃發展，各大石油公司及石油運營商開始投入巨資進行物探船船型的開發，逐漸形成了目前比較成熟的挪威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（見圖1）。

圖1 國外主流物探船船型

根據所實現功能的不同，物探船的船型設計存在很大差異。根據作業方式的不同，物探船可劃分為多纜物探船、單纜物探船和物探震源船（見圖2）。

圖2 國內主要物探船船型

1) 多纜物探船可拖帶多根地震信號采集纜，電纜間距小，可實現對海底的3D地震勘探。

2) 單纜物探船一般拖帶1根地震信號采集纜，可實現2D地震勘探。

3) 物探震源船不拖帶地震信號采集纜，通過拖帶槍陣釋放地震信號；反饋信號通過其他放纜船下方電纜來接收，主要用于淺海水域作業。

相對來說，物探震源船具有船型尺度小、設備配置專一、能力強和投資小等特點，是一種經濟性更優、適用范圍更廣的物探船。

2 物探震源船船型介紹

2.1 船型特點

物探震源船是典型的布置型船舶，即設備布置決定船舶的主要尺度，需大量的甲板面積和功能性上層建筑。船長主要由艉部甲板布置和上層建筑的長度決定；船寬由艉部甲板布置和船舶穩性要求決定；型深主要由機艙布置要求、空壓機艙布置要求、最小干舷要求和儲備浮力要求決定。相對來說，物探震源船的長寬比都比較小（接近于4），個別船型為滿足作業設備布置需求，會進行艉部船體加寬的設計。該船型方形系數一般在0.75～0.80，不宜過小也不宜過大，在保證船體有足夠長的平行中體（方便布置機艙和空壓機艙）的同時，保證航行調遣的速度（一般＞12kn）。

該船型艏部采用小型球艏設計，主要為了緩解平行中體較長引起的艏部線型過于肥胖，相對于前傾型艏和直立型艏，該球艏相當于延長了水線，可很大程度上改善艏部興波。艉部采用方艉，單呆木，雙槳雙舵，主要考慮解決小吃水下對螺旋槳直徑的限制與推進功率需求之間的矛盾，同時考慮對操縱性的要求。

該型船具有功能性上層建筑，共4層（包括駕駛室）。從尺度最優的角度考慮，通過增加甲板層數來滿足功能艙室的布置要求；從滿足物探作業對作業人員的需求的角度考慮，盡可能地增加人員住艙和公共場所，以提高長期進行海上作業的人員日常生活的舒適性。物探震源船型效果圖見圖3。

圖3 物探震源船型效果圖

2.2 主要技術參數

2.2.1 主要參數

該船的主要參數見表1。

表1 物探震源船的主要參數

2.2.2 船級

該船應完全符合中國船級社（China Classification Society，CCS）對物探船的要求，獲得以下入級符號：

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

★ CSM AUT-0，BWMS

2.2.3 主要性能

該船總體性能優良，適用于全球無限航區，主要從事海底電纜地震勘探震源作業，可在2.5m有義波高、7級風、3kn海流的海況下拖帶8排槍陣進行震源作業，作業航速為6kn；輕載吃水90%MCR下航速在13.0kn以上；最大抗風力不低于蒲氏12級；續航力為8000n mile，海上作業自持力為30d。

該船的完整穩性和破艙穩性滿足最新規范的要求，具有良好的耐波性，橫搖固有周期接近10s，避開了近海的主導波浪周期范圍；采用雙懸掛式襟翼舵，艏部設置有側推器，操縱性能優良。全船可滿足45人同時居住的要求，設置有13個單人間、6個雙人間和5個4人間。

2.3 總布置

物探震源船作為一種海上作業船舶，其總體布置都是以實現作業功能、提高作業能力為目的考慮的。物探震源船全船的主要系統包括船舶通用功能系統和作業功能系統。

1) 船舶通用功能系統包括生活艙室、駕駛室、機艙、舵機艙和錨系泊等。生活艙室位于艏部，提供全船人員的住宿、飲食和休閑服務；駕駛室位于生活艙室上方，具有清晰、開闊的視野；機艙位于主甲板以下，根據推進形式的不同，其位置會有所不同，一般傳統柴油機驅動的機艙位于艉部，而電力推進的機艙位于艏部。

2) 作業功能系統包括震源空壓機、雙聯炮纜絞車、氣槍陣列收放行吊、氣槍陣列儲存行車、氣槍陣列、輔助絞車、輔助滑道、擴展器和擴展臂等。由于震源作業均采用后拖作業的方式，因此艉部主甲板通常用于布置氣槍陣列收放行吊、氣槍陣列儲存行車、氣槍陣列及雙聯炮纜絞車等；擴展器和擴展臂布置于主甲板上一層（槍陣甲板）；震源空壓機布置于主甲板以下的艙室內，盡可能地靠近艉部主甲板作業區域，以縮短高壓空氣管系的長度。

震源作業系統的布置是全船設計的核心。為布置艉部8排氣槍陣列和炮纜絞車，需有寬闊的艉部甲板和較高的甲板層高。這不僅會影響全船的主要尺度，還會使重心高度增加、受風面積增大，進而影響船舶的總體性能。儀器房是震源作業的關鍵部位，布置有大量的精密設備和計算器材，需盡可能地布置在臨近震源作業區域，以便接收數據電纜，且需盡可能地減少振動和噪聲，因此需從總布置上綜合考慮。機艙和空壓機艙均布置在主甲板以下，布置空間有限，且需布置足夠的油水艙，因此機艙和空壓機艙必須在有限的空間內優化布置。艙內布置見圖4。

圖4 艙內布置

3 設計要點

3.1 適用規范

在設計該船過程中靈活地運用規范，在滿足各種規范的要求和總體性能要求的前提下，通過優化設計，使船型的尺度和配置達到最優，以滿足經濟、環保的設計理念。

首先按照特種用途船規范來設計，滿足國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）《特種用途船舶安全規則》（2008）的要求，設計船員25人，特種人員20人。根據特種用途船的要求，穩性按照不超過60人的客船的要求設計，而防火按照貨船的要求設計，采用要求最高的IC法。防火要求沒有降低，但規避了規范對客船防火主豎區設計的要求，總體布置更為靈活。

在人員住艙的要求上，由于該船的設計需滿足《國際勞工公約》（2006）的要求，同時作為＜3000總噸的特種用途船，對船員住艙的要求可放寬至雙人間，而對特種人員不作要求，因此艙室布置采用了較多的雙人間和4人間，在滿足45人定員要求的前提下，將上層建筑和船舶主尺度降至最小。

由于該船的尺度較小，艙內布置十分緊湊，尤其是油艙和淡水艙的布置。全船油艙均布置在機艙和空壓機艙兩側的隔艙內。MARPOL公約對燃油艙保護有著明確的要求。為規避設置燃油艙的雙殼保護，通過優化主機選型，將全船的總燃油艙要求控制在600m3以下，無需雙殼保護。

3.2 安全區理念

安全區是指船舶設計中的一個設定的區域，通常靠近船體的中部，出現破損的概率非常低，主要用于集中布置貫穿全船的管系、電纜等（見圖5）。

圖5 安全區設置

安全區理念廣泛應用于半潛船的設計中。由于半潛船上的壓載艙眾多，壓載管系多且復雜，一旦船體出現破損，將導致管系破損，造成多艙的延伸進水，威脅到船體的安全。因此，在設計中會考慮設置一個安全區，用于集中布置壓載管系，只要管系布置在安全區，其破損的概率就會降低，破損后帶來的延伸進水可控，最大程度上減少船體破損后帶來的延伸進水，從而增加船體破損后生存的概率。

“溫比亞”露出了她真實的面容，原來是一位猙獰兇殘的巫婆。她吼叫著，像只餓狼。上天悲切，嚎啕痛哭；大地顫抖，呻吟不止。樓下碗口粗的梧桐樹，被摁彎了腰，頑強抗爭著；咯吱咯吱——這只巨獸撕咬著樓房厚厚的墻壁；密集的雨滴擊打著玻璃窗，抬頭一望，窗戶淚流滿面，一肚子委屈。巫婆在外瘋狂地叫囂：“哈哈，這個世界是我的！是我的！”看我一臉不屑，她怒火萬丈，隔窗向我挑戰。我起身干脆打開一扇窗，她伸出冰冷的手拽我，怎奈我紋絲不動，她氣急敗壞又無可奈何。我戴著花鏡，繼續看書。哈，看誰能笑到最后。

物探震源船作為一種海洋工程作業船舶，船型布置緊湊，布置空間和穩性都是設計中必須關注的難點及關鍵點。受功能需求的影響，液艙較多且分散，全船燃油管系、淡水管系、滑油管系及壓載管系等縱橫交錯，非常復雜，管系的布置對整船的布置影響很大。此外，該類船受風面積大，重心高，穩性緊張，管系破損引起的延伸進水會影響船舶的破艙穩性，而管系的隨意布置將使破損產生的延伸進水難以控制。

安全區的設置主要有以下優點：

1) 通過安全區的理念有效控制管系的布置和走向，使管系布置集中有序，最大程度上降低船廠隨意走管對船舶的布置和穩性的影響；

2) 在安全區內布置的管系穿過水密艙壁時可不用閥件，從而大大減少閥的數量，一定程度上降低船舶的造價；

3) 通過將管系集中布置在安全區，可有效減少管系的布置空間需求，為設備的布置提供更多的空間，從而使機艙和空壓機艙的布置更有條理；

4) 管系的集中布置有利于使用期間對管系進行檢修和保養。

安全區的設置同樣存在一定的缺點，主要是管系集中布置會在一定程度上增加管系的長度，增大管系布置的難度，因此需要船廠在管系放樣上花費更多精力。

3.3 推進形式

物探震源船作業工況的多樣性決定了其動力推進形式必須靈活可靠。從目前實際使用的情況看，主要有以下2種推進形式。

1) 傳統的柴油機推進：螺旋槳由柴油機主機直接驅動，空壓機由柴油機驅動，全船的電力由額外的發電機組或軸帶發電機提供。該推進形式的主要優點是在高負荷工況下具有高效率，功率損失＜3%，布置簡單、成本低；缺點是難以適應多變的作業工況，低負荷下的效率較低，需額外設置高速發電機組來滿足全船的電力供應，布置空間緊張，振動噪聲較大。

2) 電力推進：螺旋槳和空壓機均由電動機驅動，設置全船電站，全船電力統一分配、調控。該推進形式的最大優點是可動態增加發電機運行數量，保證投入的發電機工作在最佳工況點，降低油耗；主要缺點是裝機功率大于傳統的柴油機，價格昂貴，全船造價較高，高負荷下的效率低于傳統推進形式，電力傳輸存在功率損失，經濟性較差。

從經濟性和可靠性的角度考慮，該船采用傳統的柴油機驅動軸系螺旋槳的方式，不僅船體尺度要小于電力推進形式，而且系統簡單可靠。為適應多工況的需求，采用可調螺距螺旋槳，保證在高航速航行和低航速作業時均具有較高的效率。

3.4 拖帶能力

物探震源船除了部分時間處于航行調遣狀態，其他大部分時間都處于作業狀態，即低航速（6kn）拖帶震源槍陣、擴展器等設備進行作業，震源槍陣一般為8排氣槍陣列，擴展器為2個，這些作業設備對物探震源船的低速拖帶能力有一定的要求，因此低航速下的拖力是衡量物探震源船作業能力的一個重要指標，需在設計中予以考慮。

根據中海油田服務股份有限公司多年的物探作業經驗，拖帶8排槍陣作業所需的最小拖力為176.4kN，同時考慮設計海況下的波浪增阻、風阻力和流力78kN，靜水阻力29.4kN，要求螺旋槳在85%MCR 6kn作業航速下提供的推力≥284.2kN，并依次作為螺旋槳設計的指標要求。此外，為進一步提高螺旋槳低速作業時的推力性能，采用固定導管槳。作業拖力計算見圖6。

3.5 水下噪聲

物探震源船是通過人工震源發射聲波進行地質分析的，作業時除了震源聲波外，其他船體發出的噪聲也會影響其作業效果。因此，將水下噪聲控制在合理的范圍內是物探震源船設計的關鍵技術和設計難點。

一般地，根據科考船對水下噪聲的要求及物探作業經驗，物探船和物探震源船的水下噪聲要求需滿足：

1) 在3～250Hz頻帶內1/3倍頻程的最大噪聲≤168dB；

2) 在3～300Hz頻帶內最大噪聲≤175dB。

水下噪聲主要分為機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲等3類。震源船一般是低速作業，水動力噪聲幾乎不用考慮。螺旋槳噪聲和機械設備引起的船體結構振動通過船體向水下輻射產生的噪聲是該船低速作業工況下最主要的噪聲源。國內外相關研究結果表明，船舶低速航行時，機械噪聲是船體總輻射噪聲的主要成分（約占70%）。因此，設計中采取以下措施進行水下噪聲控制：

1) 優化螺旋槳設計。通過模型試驗對螺旋槳的水下噪聲進行測量，對作業工況下的螺旋槳特性進行重點關注，選擇合適的螺旋槳直徑，合理匹配轉速和螺距。

2) 在結構設計中對艉部機艙進行適當加強，并進行隔振處理，通過全船有限元模擬，對振動模態進行計算，指導結構設計。

4 結 語

在海洋工程市場日益蕭條的背景下，船舶設計人員應從船型開發的角度，從運營商和油公司的視角，通過不斷優化設計，開發出更為經濟、環保的船型，降低海洋石油勘探、開發的成本，提高我國海洋勘探隊伍在國際上的競爭力。“海洋石油751”號物探震源船正是在這樣的背景下誕生的。實船試驗結果表明，該船各項性能指標和技術指標均較優，滿足船東的要求。

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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

劉學勤，男，工程師，工學碩士，1985年生。2013年畢業于中國船舶及海洋工程設計研究院，現主要從事總體設計工作。

圖6 作業拖力計算