海洋地震多纜拖帶方式探討

金 杰，李 斌，楊 明，杜萬(wàn)興，李玉劍

海洋地震多纜拖帶方式探討

金 杰，李 斌，楊 明，杜萬(wàn)興，李玉劍

（中國(guó)石化集團(tuán)上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，上海 201208）

海洋三維地震拖纜作業(yè)中，水下電纜的拖帶方式?jīng)Q定了前導(dǎo)纜、擴(kuò)展器、連接繩索間相互受力關(guān)系。通過(guò)對(duì)10纜拖帶方式拖帶點(diǎn)的受力分析，可以確定當(dāng)展開器與前導(dǎo)纜的連接繩索（spur line）與工作電纜垂直時(shí)的拖帶方式，連接繩索受力最小，并且改變前導(dǎo)纜釋放長(zhǎng)度，可以改變拖帶點(diǎn)的彎折角度，從而改變前導(dǎo)纜與連接繩索的受力情況。因此對(duì)多纜拖帶方式進(jìn)行模擬優(yōu)化，可以減小拖帶點(diǎn)各連接設(shè)備所受到的拉力，從而降低設(shè)備損壞率。

海洋地震；水下電纜；拖帶方式；受力分析

海洋三維地震勘探中，物探船通常采用雙源多纜的模式進(jìn)行施工，船尾拖帶兩個(gè)震源和多條電纜。各種水下設(shè)備通過(guò)連接繩索相互作業(yè)在前導(dǎo)纜上的一個(gè)點(diǎn)，使得該點(diǎn)受到多個(gè)力的作用，該點(diǎn)稱為拖帶點(diǎn)。各水下設(shè)備連接的幾何關(guān)系稱為拖帶方式。

由于拖帶點(diǎn)之后拖帶設(shè)備的水中阻力是個(gè)固定值，則拖帶方式就決定了水下各設(shè)備所受拉力的大小。如果拖帶方式不合理，部分設(shè)備所受拉力增大，導(dǎo)致設(shè)備磨損嚴(yán)重而損壞。合理的拖帶方式，可以降低設(shè)備壞損率，提高設(shè)備的使用周期，從而提高工作效率。施工前通過(guò)模擬分析可以確定優(yōu)化的拖帶方式[1]。

本文以雙源10纜為例，介紹水下電纜拖帶設(shè)備，并對(duì)拖帶點(diǎn)各設(shè)備的受力情況進(jìn)行分析，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)計(jì)合理的拖帶方式。

1 水下電纜拖帶設(shè)備

地震作業(yè)水下電纜拖帶的設(shè)備包括前導(dǎo)纜、彈性段、工作電纜、展開器、間距繩索、防折器、輔助浮標(biāo)等，各設(shè)備間彼此相連，拖帶于船舶后部。

1.1前導(dǎo)纜

前導(dǎo)纜中心為數(shù)據(jù)傳輸光纖，外面包裹三層鋼絲，可承受較大拉力，連接船舶與采集電纜前端的彈性段。拖帶點(diǎn)在前導(dǎo)纜上，位于前導(dǎo)纜與彈性段連接點(diǎn)的前端。

1.2彈性段

彈性段為前導(dǎo)纜與工作電纜之間的連接部分，具有一定的彈性。彈性段通常裝有拉力計(jì)，可以測(cè)量出其后工作電纜所受到的拉力。

1.3工作電纜

工作電纜為信號(hào)接收裝置，由包裹在聚酯材料中的多個(gè)檢波器組成。電纜上安裝有羅盤鳥、測(cè)距鳥、橫向鳥以及尾標(biāo)等。水下電纜間距一般為100 m，電纜長(zhǎng)度根據(jù)勘探需要可以調(diào)整，一般為6 000 m或8 000 m。作業(yè)時(shí)各工作電纜彼此平行拖帶。工作電纜是通過(guò)連接繩索與展開器相連，將各電纜拉開一定距離。

1.4展開器

展開器位于水下拖帶設(shè)備的最外側(cè)，由一個(gè)圓筒形浮桶、多個(gè)斜裝葉片（翼板）、卡箍等連接組件（圖1）[2]，使用繩具索具（通常稱之為主拖繩）與船舶連接，借助船航行時(shí)的速度，由葉片產(chǎn)生橫向的擴(kuò)展力，使擴(kuò)展器橫向運(yùn)動(dòng)。前導(dǎo)纜上拖帶點(diǎn)通過(guò)繩索（spur line）連接在展開器的繩索上，這樣就可以把電纜拉向船的兩側(cè)。通過(guò)調(diào)整展開器繩索及前導(dǎo)纜釋放的長(zhǎng)度，可以將電纜擴(kuò)展到預(yù)定位置。展開器葉片的角度和連接繩索可以調(diào)節(jié)，從而改變橫向擴(kuò)展力的大小。船速、海流變化都會(huì)改變展開器的橫向擴(kuò)展力，因此作業(yè)時(shí)要適時(shí)調(diào)整，以保障電纜間距達(dá)到設(shè)計(jì)的寬度。船舶兩側(cè)各拖帶1個(gè)展開器，使電纜左右對(duì)稱擴(kuò)展。

圖1 展開器

1.5連接繩索

用于水下拖帶設(shè)備之間的連接，如展開器與船舶連接、展開器與最外側(cè)電纜連接、各根電纜間距離控制連接等都需要用間距繩索進(jìn)行連接。由于繩索連接多種設(shè)備，并承受很大的拉力，因此需要采用具有足夠大拉力的繩索。

1.6防折器

前導(dǎo)纜拖帶點(diǎn)至船尾，多根前導(dǎo)纜從船尾成扇形放射狀展開，拖帶點(diǎn)后的工作電纜成平行狀態(tài)。在拖帶點(diǎn)，前導(dǎo)纜被折彎成具有一定角度。為了防止前導(dǎo)纜因受力彎曲角度過(guò)小而損壞，在拖帶點(diǎn)安裝防折器，以保護(hù)前導(dǎo)纜。

目前主流的防折器主要采用兩種方法進(jìn)行保護(hù)，一種是限制前導(dǎo)纜彎曲的最大角度以保護(hù)前導(dǎo)纜不會(huì)過(guò)度彎曲而損壞；另一種是增加前導(dǎo)纜的鎧裝保護(hù)以增強(qiáng)前導(dǎo)纜抗折能力。無(wú)論是哪種保護(hù)方式的防折器，均有其設(shè)計(jì)保護(hù)的彎曲范圍以及最大承受力。如果水下拖帶時(shí)超出其設(shè)計(jì)保護(hù)的方式，會(huì)對(duì)前導(dǎo)纜產(chǎn)生一定的損傷，甚至直接損壞后面拖帶的工作電纜。

1.7輔助浮標(biāo)

輔助浮標(biāo)是梭型的浮標(biāo)，容量從500 L到3 000 L不等。在拖帶時(shí)連接在水下設(shè)備上，通過(guò)浮力防止水下設(shè)備沉得過(guò)深。在拖帶點(diǎn)上裝有浮標(biāo)，控制工作電纜前端的沉放深度。

2 多纜拖帶方式

圖2為10纜拖帶示意圖。根據(jù)拖帶設(shè)備數(shù)量，選擇大小合適的展開器及分水葉片角度。工作時(shí)由兩根主拖繩分別拖帶兩個(gè)展開器向兩邊擴(kuò)展。最外側(cè)的電纜（1、10號(hào)纜）通過(guò)連接在防折器上的spur line與展開器相連接，并通過(guò)展開器將電纜擴(kuò)展至設(shè)計(jì)的工作位置；內(nèi)側(cè)電纜通過(guò)連接在防折器上的間距繩索連接在其外側(cè)的電纜上，實(shí)現(xiàn)向兩側(cè)擴(kuò)展。

工作電纜之間的間距繩索長(zhǎng)度是固定的，這樣就可以保證工作電纜之間的間距穩(wěn)定在設(shè)計(jì)的距離范圍內(nèi)。最內(nèi)側(cè)的電纜（5、6號(hào)纜）之間一般不使用距離繩索連接。通過(guò)調(diào)節(jié)連接展開器的主拖繩與各個(gè)前導(dǎo)纜釋放的長(zhǎng)度，可以調(diào)節(jié)并保持所有電纜之間的間距穩(wěn)定在設(shè)計(jì)的距離范圍內(nèi)。

圖2 10纜拖帶示意圖

3 拖帶點(diǎn)受力分析

由圖2及拖帶方式介紹可以知道，拖帶的10纜是左右對(duì)稱的，因此分析一側(cè)電纜拖帶點(diǎn)受力情況就可知道另一側(cè)拖帶點(diǎn)的受力情況。以1 ～ 5號(hào)纜為例，說(shuō)明拖帶點(diǎn)受力情況。

1 ～ 5號(hào)纜在拖帶點(diǎn)處有三種受力方式：

（1）最外側(cè)1號(hào)纜受4個(gè)方向的力作用，受力示意見圖3A。

（2）2、3、4號(hào)纜受到4個(gè)方向力的作用，受力示意見圖3B。

（3）5號(hào)纜受到3個(gè)方向力的作用，受力示意見圖3C。

由于每根電纜工作段的前端有彈性段，通過(guò)彈性段上的拉力測(cè)試器可以直接測(cè)出電纜所受拉力大小。以拖帶6 000 m工作電纜為例，所受阻力最大時(shí)約為30 000 N，即F1為已知。

通過(guò)各拖帶點(diǎn)受力關(guān)系可以計(jì)算各拉力的大小。

對(duì)于1號(hào)纜：

對(duì)于2、3、4號(hào)纜：

對(duì)于5號(hào)纜：

根據(jù)圖2拖帶關(guān)系示意圖，將前導(dǎo)纜去彎取直簡(jiǎn)化后，可以得到理想化的拖帶幾何關(guān)系（圖4）。

實(shí)例：10纜，電纜間距100 m，導(dǎo)航定位點(diǎn)距拖帶點(diǎn)的距離為553 m，根據(jù)圖3及圖4幾何關(guān)系可以計(jì)算每根前導(dǎo)纜拉力與橫向連接繩索的擴(kuò)展力（表1）。

圖3 拖帶點(diǎn)受力示意圖

圖4 簡(jiǎn)化后的拖帶幾何關(guān)系圖

通過(guò)計(jì)算可以知道，當(dāng)spur line與電纜間距繩索在同一條線上（即垂直于拖帶點(diǎn)后的電纜）時(shí)，受力最小為67 820.7 N；當(dāng)spur line與電纜間距繩索夾角為30°時(shí)，則spur line所受到的拉力為78 312.6 N；當(dāng)spur line與電纜間距繩索夾角為60°時(shí)，則spur line所受到的拉力為135 641.4 N。圖5為前導(dǎo)纜釋放長(zhǎng)度553 m時(shí)，spur line與電纜間距繩索夾角與所受拉力變化曲線。從圖可以看出隨著spur line與電纜間距繩索夾角的增大，所受到的拉力迅速增大。

圖6 為拖帶10纜時(shí)，1 ～ 5號(hào)電纜間距繩索所受橫向拉力與前導(dǎo)纜釋放長(zhǎng)度關(guān)系的變化曲線圖，圖7為1 ～ 5號(hào)前導(dǎo)纜所受拉力與前導(dǎo)纜釋放長(zhǎng)度關(guān)系變化曲線圖。由圖可知，電纜間距繩索所受橫向拉力與前導(dǎo)纜所受拉力隨著前導(dǎo)纜釋放長(zhǎng)度的增大而減小。

表1 1 ～ 5號(hào)前導(dǎo)纜與橫向擴(kuò)展力

4 拖帶方式探討

圖5 spur line與電纜間距繩索夾角與所受拉力變化曲線

由拖帶方式及受力分析可知，當(dāng)spur line與電纜間距繩索在同一直線上并垂直于拖帶點(diǎn)后的電纜時(shí)，所受拉力最??；當(dāng)spur line與電纜間距繩索成一定角度時(shí)，所受拉力增大，并且隨著角度的增大而增大。同樣，連接工作電纜的間距繩索與工作電纜垂直時(shí)，所受拉力最小。

本文的受力分析是將拖帶方式簡(jiǎn)化成理論狀態(tài)下所得到的力。在實(shí)際工作中防折器與輔助浮標(biāo)相連接，控制電纜在水下的深度，這樣防折器會(huì)受到向上的拉力。在重力作用下，前導(dǎo)纜在水下的狀態(tài)也不是直線而是呈弧線形；受水流影響前導(dǎo)纜向設(shè)備行進(jìn)相反方向彎曲，在防折器前端弧形彎曲度加大（圖8），使得防折器保護(hù)部分前導(dǎo)纜實(shí)際彎折角度增大。這些實(shí)際情況使得拖帶點(diǎn)的受力情況變得非常復(fù)雜。

圖6 電纜間距繩索所受橫向拉力與前導(dǎo)纜釋放長(zhǎng)度關(guān)系變化曲線

圖7 前導(dǎo)纜所受拉力與前導(dǎo)纜釋放長(zhǎng)度關(guān)系變化曲線

圖8 拖帶點(diǎn)剖面圖

前導(dǎo)纜釋放長(zhǎng)度也直接影響前導(dǎo)纜與連接繩索的受力情況。雖然前導(dǎo)纜釋放長(zhǎng)度增大，電纜間距繩索所受橫向拉力與前導(dǎo)纜所受拉力減小，但前導(dǎo)纜釋放長(zhǎng)度長(zhǎng)使得施工操作難度增加，因此前導(dǎo)纜釋放長(zhǎng)度也不能過(guò)長(zhǎng)。另外所有前導(dǎo)纜釋放長(zhǎng)度需要相互匹配。如果外側(cè)前導(dǎo)纜釋放的過(guò)短，會(huì)導(dǎo)致展開器的牽引力由主拖繩轉(zhuǎn)移至外側(cè)前導(dǎo)纜，從而導(dǎo)致前導(dǎo)纜受到過(guò)大的拉力而易損壞。若某根前導(dǎo)纜釋放的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，所受到船舶向前的拉力減小，甚至不受拉力，而水流向后的沖擊，使得前導(dǎo)纜在防折器位置的彎曲程度變大，也易導(dǎo)致前導(dǎo)纜損壞。

電纜間距繩在外力作用下會(huì)存在拉伸，而引起各纜間距存在變化并不一致，這也會(huì)造成模擬的數(shù)據(jù)與實(shí)際情況存在一定偏差。

因此在外業(yè)施工前，可以根據(jù)前導(dǎo)纜重量、展開器擴(kuò)展力、電纜拖力，對(duì)作業(yè)拖帶情況進(jìn)行模擬，并根據(jù)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行防折器的選擇。前導(dǎo)纜、展開器釋放長(zhǎng)度需要彼此匹配，拖帶的幾何關(guān)系向理想模型靠近，使展開器主拖繩及每根前導(dǎo)纜都受力，力的大小變得相對(duì)均衡，防止某根前導(dǎo)纜受力過(guò)大而損壞。

對(duì)于防折器使用，需要根據(jù)前導(dǎo)纜彎曲的情況選擇防折器鐲環(huán)的安裝數(shù)量或鎧裝保護(hù)的長(zhǎng)度，同時(shí)也要根據(jù)模擬的防折器受力情況選擇防折器夾具。兩種主流防折器中，限制彎曲最大角度的防折器保護(hù)的角度有一定的范圍。保護(hù)的角度過(guò)大而前導(dǎo)纜未彎曲到其保護(hù)角度范圍內(nèi)，防折器沒有受到很大的應(yīng)力，前導(dǎo)纜上的應(yīng)力會(huì)完全集中于防折器后端，增大前導(dǎo)纜與其連接電纜部分的受力，容易導(dǎo)致前導(dǎo)纜接頭損壞；保護(hù)的角度過(guò)小而前導(dǎo)纜彎曲大于其保護(hù)角度范圍，會(huì)導(dǎo)致前導(dǎo)纜在防折器未保護(hù)部分彎折而損壞。另一種增加前導(dǎo)纜鎧裝保護(hù)的防折器沒有嚴(yán)格的保護(hù)角度，具有應(yīng)力分布均勻的優(yōu)點(diǎn)。但鎧裝保護(hù)過(guò)多會(huì)使“被保護(hù)”的部分彎曲程度少，而未保護(hù)部分就存在因彎曲而損壞的可能。

在繩具選擇上，考慮繩具拉力的同時(shí)，也要考慮繩具的彈性延展，由于設(shè)備拖帶于水中情況復(fù)雜，在繩具選擇時(shí)通常都會(huì)選擇較粗的繩具，以防止在一些特殊情況下，水中漂浮障礙物與繩具纏繞后不會(huì)很迅速造成繩具損壞。在索具選擇上，根據(jù)模擬的拉力，參考拖帶和起吊的安全系數(shù)，選擇適合的索具即可。值得注意的是，防折器夾具、繩具索具選擇時(shí)，要留有足夠的安全系數(shù)，尤其是外側(cè)纜，選擇不當(dāng)就會(huì)造成前導(dǎo)纜損壞，甚至連接繩具索具破斷，造成事故。

船舶轉(zhuǎn)向時(shí)，位于轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)的展開器行進(jìn)速度減慢、受力變小，前導(dǎo)纜會(huì)比正常拖帶時(shí)下垂更多，導(dǎo)致彎折角度增大；位于外側(cè)的展開器速度增大，受力變大，前導(dǎo)纜彎折角度變小。為了減少設(shè)備損壞，通常會(huì)根據(jù)拖帶電纜數(shù)量設(shè)置最小轉(zhuǎn)彎半徑（一般可設(shè)置4 ～ 5 km），以防止轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)側(cè)前導(dǎo)纜下垂和彎折過(guò)多損傷設(shè)備。在一些特殊情況下，如船舶受到單側(cè)來(lái)的流和風(fēng)影響，即便是直線航行，船舶也會(huì)向這個(gè)方向壓了比較大的角度來(lái)抵抗流和風(fēng)的影響，在這種情況下轉(zhuǎn)向時(shí)，即使船舶沿著一個(gè)半徑比較大的軌跡轉(zhuǎn)向，在某些時(shí)段，轉(zhuǎn)向的角速度比較大，也會(huì)造成轉(zhuǎn)彎過(guò)快的效果，要非常注意這種情況。

5 結(jié)論

多纜作業(yè)水下拖帶的電纜設(shè)備多，通過(guò)前導(dǎo)纜、連接繩索等設(shè)備相互連接，各種力集中在拖帶點(diǎn)。合理的拖帶方式，可以使各設(shè)備受力均衡，從而延長(zhǎng)使用周期，提高工作效率。

通過(guò)分析認(rèn)為，spur line、電纜間距繩索與工作電纜垂直時(shí)，所受拉力最小。因此在外業(yè)施工調(diào)節(jié)拖帶方式時(shí)，盡可能使spur line與電纜間距繩索在一條直線上，且垂直于工作電纜。展開器與各前導(dǎo)纜釋放長(zhǎng)度需要彼此匹配，盡可能使拖帶幾何關(guān)系靠近理想模型，使每根纜受到相對(duì)均衡的拉力，防止某根受力過(guò)大而損壞。因此在施工前，應(yīng)對(duì)主拖繩與前導(dǎo)纜釋放長(zhǎng)度、連接繩索連接位置等進(jìn)行模擬，確定較優(yōu)的拖帶方式后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，提高設(shè)備的使用周期。

外業(yè)施工中，選用合適的設(shè)備和繩索，加強(qiáng)轉(zhuǎn)向過(guò)程中的操控，可以使優(yōu)化的拖帶方式得以更好地發(fā)揮作用，以達(dá)到延長(zhǎng)設(shè)備使用周期、提高工作效率的目的。

[1] 孫寶善，王日新，高士奇．物探船拖纜姿態(tài)及拉力預(yù)報(bào)[J]．海洋工程，2000，18（3）：72-74．

[2] 邊新迎，張鶯．展開器在水下拖曳系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．水雷戰(zhàn)與監(jiān)聽防護(hù)，2012，20（3）：24-27．

世界前沿科技：寬頻地震勘探

寬頻地震勘探技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高精度地震勘探的重要方法之一，能夠獲得薄層和小型沉積圈閉的高分辨率圖像，并實(shí)現(xiàn)深部目標(biāo)體的清晰成像，提供更多的地層結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)信息，提高地震資料的解釋水平，同時(shí)提供更加穩(wěn)定的反演結(jié)果。西方地球物理公司、CGG等多家公司相繼推出寬頻地震采集與處理技術(shù)，并已在全球很多地區(qū)進(jìn)行應(yīng)用。

要獲得寬頻的地震信息，可以在震源激發(fā)時(shí)盡可能產(chǎn)生較寬的頻譜，還可以在接收和數(shù)據(jù)處理過(guò)程中盡量保持寬頻信息。在陸上地震數(shù)據(jù)采集中，對(duì)于可控震源進(jìn)行適當(dāng)設(shè)計(jì)，定制掃描，激發(fā)低頻信號(hào)，利用檢波器能夠記錄低于2 Hz的低頻信息。在海上數(shù)據(jù)采集中，可通過(guò)對(duì)拖纜的不同布設(shè)方式，如變頻深采集、上/下纜采集方法獲得寬頻信息。變纜深拖纜采集技術(shù)的拖纜深度是一個(gè)變量，拖纜的深度由淺到深，隨著偏移距的增大而增加，通常纜深變化范圍在5 m到50 m，以優(yōu)化地震信號(hào)的帶寬。變纜深采集的地震數(shù)據(jù)頻譜范圍可以從2.5 Hz到150 Hz，比常規(guī)數(shù)據(jù)頻譜寬很多。

寬頻地震技術(shù)從采集設(shè)備、處理、反演各個(gè)方面進(jìn)行研究，在各種情況下低頻端和高頻端的拓寬均顯著地提高了地震資料品質(zhì)，尤其改進(jìn)了對(duì)鹽下、玄武巖下深部地質(zhì)環(huán)境的穿透力和照明，為地震資料解釋提供依據(jù)，提高了地震資料的解釋水平。

目前，國(guó)外先進(jìn)的寬頻地震技術(shù)采用單發(fā)激發(fā)、單點(diǎn)接收、室內(nèi)組合處理的方式，形成了采集—處理—解釋一體化的寬頻地震勘探技術(shù)方案，應(yīng)用范圍涉及海上、陸上及海底。

摘編自《中國(guó)石油報(bào)》2014年8月5日

Discussions on the Towing Mode of Multi-streamers in Offshore Seismic Survey

JIN Jie, LI Bin, YANG Ming, DU Wanxing, LI Yujian
（No.1Marine Geological Investigation Party of Shanghai Offshore Petroleum Bureau,SINOPEC,Shanghai201208,China）

The towing mode in offshore seismic survey operations determines the force relationship between lead-in cables, deflectors and the ropes (spur lines) that connect them. Based on the force analysis at the towing points in 10 streamer towing mode, we can identify that the tension on the spur lines between deflectors and lead-ins is lowest when it is vertical to the streamers. Changing the lead-in cable lengths will change the bending angle at the towing points, thus change the force between the lead-in cables and the spur lines. Therefore, the simulation of optimization on the multi-streamer towing mode can reduce the tensions on spur lines and lead-in cables at the towing points, thereby reduce the equipment failure rate.

offshore seismic survey; underwater cable; towing mode; analysis of tension

P631.4+6

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2014.03.095

1008-2336（2014）03-0095-06

2014-06-12；改回日期：2014-07-14

金杰，男，1967年生，工程師，船舶駕駛專業(yè)，從事海洋油氣勘探、海洋工程勘察研究與管理工作。

E-mail：jinjie@sopgc.com。