物探船硬浮體陣列自擴變量分析與應用

蔣先鋒

(中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司，上海 200120)

1 硬浮體結構

圖1所示的硬浮體由挪威BARO公司生產制造，直徑800 mm，長20 079 mm，浮力95.795 kN，黑色部分是硬浮體主體，材質PEH工程塑料。硬浮體下方是分水板，材質雙向不銹鋼。

圖1 BARO硬浮體

分水板的作用：一是內部采用特殊設計，達到足夠強度，以實現硬浮體對槍陣的掛載、沉放、釋放及回收；二是可通過牽引的角度變化，改變水流對分水板的作用力，使浮體產生位移，實現槍陣的自擴功能，使槍陣能在船舶的拖帶下，達到指定的擴展位置，滿足震源陣列的排布。在海洋石油勘探作業中，借助物探船強大的拖帶能力，硬浮體陣列憑借自身獨特的自擴特性，使其能最大限度滿足海洋物探對震源擴展的要求，并減少擴展陣列所需的專用設備，因此被廣泛應用于大中型物探船。

2 硬浮體動態平衡的力學分析

物探船通過柔性炮纜牽引震源浮體，掛載槍陣進行擴展。如圖2所示，硬浮體槍陣在物探船的拖帶牽引下，受到三個力作用，一是物探船通過炮纜作用在浮體上的牽引力Fa，二是硬浮體受到的正面流體阻力Fb，三是海水作用在浮體分水板上的橫向擴展力Fk。

設定浮體和船向夾角為α，炮纜和船向夾角為β，船速為va(對地速度)，海水的流速vb(對地速度)，浮體和流體之間的相對速度是Δv，頂流時Δv=va+vb，順流時Δv=va-vb。

圖2 物探船拖帶單排硬浮體圖

2.1 以處于動態平衡時的浮體及分水板為研究對象

建立基本力學模型如圖3。

圖3 動態平衡狀態的浮體受力分析

浮體處于動態平衡時，物探船將以勻速直線航行，此時浮體受力平衡狀態，即

(1)

根據流體力學原理，運動物體在流體介質中受到的阻力是

F=0.5Cρv2S

(2)

式中：C為流體的阻尼系數；ρ為流體密度；v為流體和浮體之間的相對速度；S為物體相對流體的正面投影面積。

設定海水阻尼系數為C，海水密度是ρ，浮體和海水之間相對速度是Δv，浮體分水板面積S，則

Fb=0.5CρΔv2Ssinα

(3)

式中：α為浮體分水板和船向夾角。根據勾股定理，浮體的橫向擴展力為

Fk=Fbtanβ=0.5CρΔv2Ssinαtanβ

(4)

Fb=Facosβ=0.5CρΔv2Ssinα

(5)

由公式(4)推導出：

Facosβ=0.5CρΔv2Ssinα

(6)

(7)

2.2 以炮纜為研究對象

炮纜受到兩個力，一是來自于浮體的相互拖拽力Fa，二是來自物探船的拖帶力Fs，見圖4。

圖4 炮纜受力平衡狀態時的受力

炮纜動態平衡狀態時在水平方向的受力必然平衡，則Fs=Facosβ，Fa=Fs/cosβ。

3 硬浮體起始狀態到動態平衡過程的力學分析

假設物探船：①處于起始狀態；②物探船能提供穩定的動力輸出；③物探船拖帶三排獨立的硬浮體槍陣，從右往左編號依次4、5、6，處于起始狀態的三排陣列擴展角度β，此時β相等，β=β1=β2=β3；以浮體為研究對象。

3.1 α變化對Fk、β、Fa、Fb影響分析

根據公式(2)，每排槍陣受到橫向擴展力分別為：

Fk1=Fbtanβ=0.5CρΔv2Ssinα1tanβ1

(8)

Fk2=Fbtanβ=0.5CρΔv2Ssinα2tanβ2

(9)

Fk3=Fbtanβ=0.5CρΔv2Ssinα3tanβ3

(10)

同艘物探船，在起始狀態，處于同等水文條件時，參數C、ρ、 Δv2、S數值相同，每排槍陣橫向擴展力Fk伴隨浮體有效擴展角度α變化而變化。α角度范圍是0～π/2，橫向擴展力Fk在0～π/2范圍內隨著α變大而變大。在Fk作用下，浮體會橫向擴展，角度β會隨著浮體的擴展而變大，Fk越大，浮體的橫向位移越大，即β越大。依據F=ma和r=0.5at2+v0t+r0可知，相同質量的浮體，Fk越大，獲得的橫向初始加速度a越大，浮體獲得初始橫向擴展動能越大，相同時間的橫向位移r越大。由此得知：α越大，浮體的橫向擴展力Fk越大，β越大。

當浮體向外擴展，在炮纜牽引力、浮體擴展力及流體阻力作用下達到受力平衡時，浮體在最大橫向位移r處，依據公式(6)推出：

(11)

α、β定義域(0，π/2)，得出結論：α越大，槍陣來自于炮纜(船舶)的牽引力Fa越大；或者，船舶動力輸出在不同擴展角度α的浮體上是不同的，α越大，船舶動力輸出在該浮體上越大。依據公式(5)分析浮體受到的阻力Fb可知：α變大，浮體受到流體阻力Fb變大。

3.2 Δv變化對Fk、β、Fa、Fb影響分析

依據公式(5)可知，浮體和流體之間相對速度Δv變大，流體阻力Fb變大，反之亦然。頂流時， Δv=va+vb變大，浮體受的流體阻力Fb變大；順流時， Δv=va-vb變小，浮體受的流體阻力Fb變小。

根據 MIO公式(4)可知：Δv變大，Fk變大，β變大。頂流時浮體橫向擴展力Fk變大，β變大；順流時浮體橫向擴展力Fk減小，β變小。

根據公式(5)可知：當Δv變大時，β變大，那么來自于炮纜的拖帶力Fa變大。

3.3 Fa變化對Fk、β、Fb影響分析

依據公式(5)，物探船處于穩定狀態時α是定量，故1/2CρΔv2Ssinα是常量。因此，加大船舶拖帶力，Fa要變大，維持等式成立條件是cosβ變小，所以β要變大，而在(0, π/2)定義域內β越大，cosβ越小。因此，加大船舶拖帶力，β變大，浮體阻力Fb變大，浮體橫向擴展力Fk變大。

3.4 硬浮體自擴展能力上限分析

根據公式(11)可知，浮體、分水板的連接方式決定角度α大小，一旦連接方式確定，α確定，即sinα是固定值，上述等式中只有Fa和β是變量。

圖5 浮體擴展軌跡圖

4 自擴式硬浮體設計與應用

4.1 自擴式硬浮體陣列拖帶方式設計

用浮體動態平衡時的β驗證浮體自擴展能力，基于上述分析可知影響浮體擴力關鍵因素是：①浮體有效擴展角度α，②船和流體之間的相對速度Δv，③船舶的拖動力Fs，④浮體分水板的面積S。

要實現穩定合理的陣列布局，浮體首先在平面位置分布對擴力進行梯化設置，避免出現同等擴力浮體之間交叉纏繞故障發生，使陣列釋放、回收、擴展成為可能；其次，物探船必須有足夠動力輸出；水下環境錯綜復雜，流體和船舶之間的相對速度是影響浮體擴力的重要因素，必須要審慎考慮；不同擴力的浮體間要有合理的互相制約機制，使陣列間距穩定可控。

基于上述分析可知：α越大，浮體的橫向擴展力Fk越大，β越大(圖6)，擴展狀態下的陣列，雙震源對稱分布，浮體1、6的α相等并最大，2、5相等次之，3、4靠內側相等且最小。此設計實現了浮體擴力階梯化分布，通過陣列的合理布局，理論上避免了槍陣之間交叉纏繞。

同時，α越大，槍陣來自于炮纜(船舶)的牽引力Fa越大。不同α的浮體，船舶拖帶力不同，船舶需足夠動力輸出，才能保證陣列穩定擴展。

在錯綜復雜的水文環境下，要實現穩定可控的浮體間距，浮體本身有擴力是不夠的，浮體間相互制約的合理機制是必須的。圖6中顯示了4種陣列約束方法，炮纜上安裝滑套，滑套間連接間距繩，不同擴力的陣列在同一約束機制下，形成穩定可控的震源間距。

圖6 硬浮體陣列的自擴展圖

4.2 自擴式硬浮體陣列的操作

第一種方法是通過調節炮纜和分水板之間的連接位置，改變有效擴展角度α(圖7)。

圖7 分水板擴展點位分布

BARO公司設計的硬浮體，靠近頭部區域設置三個擴展區，擴展區之間直線距離2 m左右，每個擴展區有三個可選擇的安裝點位，安裝點位越靠近浮體頭部位置α角度越小。單個擴展區上的三個點位用來微調α，靠前變小，靠后變大。圖8中炮纜、分水板不同連接位置，對應不同α和β角度，連接位置越靠后，α越大。

圖8 調節炮纜和分水板不同連接位置改變α

第二種調節方法是通過調節炮纜和分水板間的繩索長度改變α(圖9)。相同安裝點位，改變連接繩索長度可有效改變α，繩索越長，α越大。

圖9 調節連接繩索長度改變α

第三種方法是將上述兩種方法搭配使用，也是常規做法。

4.3 基于硬浮體擴展理論的收放調節操作

陣列收放過程中容易出現槍陣交叉纏繞，如何避免是陣列操作人員必須要解決的問題。

假設浮體回收速度v1，浮體釋放速度v2，船速va，浮體和流體間相對速度Δv=va+v1或Δv=va-v2。

4.3.1 單排槍陣回收過程

依據自擴理論：Δv變大，β變大；加大船舶的拖帶力，β變大。

浮體、炮纜出現以下情況：①回收狀態的浮體要向外擴展，和靠近的浮體間存在交叉纏繞風險；②炮纜承受的拉力變大。

操作方法：減小物探船動力輸出，降低船速va，同時浮體在經過容易發生交叉位置時減小v1，目的是在關鍵區域位置處穩定或減小β，控制浮體在安全范圍以內，避免和旁邊的浮體發生碰撞、交叉、纏繞，同時減小炮纜的受力，對炮纜起保護作用。回收操作時，應控制船速在合理范圍，并靈活控制浮體回收速度。

圖10 浮體回收狀態

4.3.2 單排槍陣釋放過程

依據槍陣自擴理論： Δv變小，β也要變小；加大船舶拖帶力，即β要變大，減小時則相反。

浮體、炮纜出現的情況：①釋放中的浮體容易撞到已經釋放好的浮體，并發生交纏纏繞；②炮纜上的牽引力變小，釋放過程中，絞盤上的炮纜松弛，排列不緊，容易跳出絞盤，造成事故。

操作方法：加大物探船動力輸出，此時釋放好的浮體β要增大，如圖11，β5、β6增大，同時加快本浮體的釋放速度v2，如此操作可減小或保持該浮體的β4，伴隨各浮體的橫向位移，浮體在空間上會互相錯開，避免交叉纏繞。適當加大船速，炮纜上的拉力加大，可避免炮纜松弛脫出絞盤的事故發生。

圖11 浮體初始釋放狀態

圖12 加大船速va,加快浮體釋放速度v2時的狀態

如圖13，在釋放第4排槍陣時，加大船速va的同時，同步回收第5、6排槍陣，可以使β5和β6明顯變大，同時加快第4排槍陣的釋放速度，可明顯減小β4，第4排槍陣和第5、6排槍陣的橫向間距明顯變大，可避免交叉事件的發生。

圖13 加大va, v2，同步回收浮體5和6的狀態

4.3.3 陣列同步釋放操作

根據自擴理論： Δv變大，β變大。在同步釋放槍陣時，會出現所有浮體的β都變小的情況，三排浮體在釋放的過程中貼合纏繞風險加大(圖14)。

操作方法：如圖15所示，加大船速va并同時減小釋放速度vb，使Δv不變或變大，即Δv=va-v2，所有浮體的擴力要加大，β保持不變或變大，降低或消除纏繞風險。

圖14 陣列同步釋放

圖15 加大va，減小v2陣列同步釋放狀態

4.3.4 陣列同步回收操作

浮體和流體間相對速度Δv=va+v1，根據自擴理論：Δv變大，β也要變大；浮體和流體之間相對速度Δv變大，流體阻力變大(圖16)。

圖16 陣列同步回收的狀態

在陣列同步回收時，出現的情況：①浮體和流體的相對速度Δv=va+v1，Δv變大，浮體擴展角度β變大；②浮體阻力Fb和炮纜的受力Fa要變大。常規情況下不容易發生槍陣交叉事件，但炮纜的受力加大，回收阻力加大。

操作方法：出于保護炮纜和減小回收阻力并提高回收速度的目的，通常減小船速va，控制β在合理范圍內，提高回收效率。

5 結語

本文以硬浮體為研究對象，采用變量分析方法，研究硬浮體自擴原理，對浮體從起始擴展到動態平衡的過程建立基本力學模型，從變量的常態變化入手，分析浮體的擴展動態，得出硬浮體自擴的相關結論，同時為陣列擴展設計及應用提供理論支持。