物探船硬浮體陣列自擴(kuò)變量分析與應(yīng)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(jié)構(gòu)

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

圖1 BARO硬浮體

分水板的作用：一是內(nèi)部采用特殊設(shè)計(jì)，達(dá)到足夠強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)硬浮體對(duì)槍陣的掛載、沉放、釋放及回收；二是可通過(guò)牽引的角度變化，改變水流對(duì)分水板的作用力，使浮體產(chǎn)生位移，實(shí)現(xiàn)槍陣的自擴(kuò)功能，使槍陣能在船舶的拖帶下，達(dá)到指定的擴(kuò)展位置，滿足震源陣列的排布。在海洋石油勘探作業(yè)中，借助物探船強(qiáng)大的拖帶能力，硬浮體陣列憑借自身獨(dú)特的自擴(kuò)特性，使其能最大限度滿足海洋物探對(duì)震源擴(kuò)展的要求，并減少擴(kuò)展陣列所需的專用設(shè)備，因此被廣泛應(yīng)用于大中型物探船。

2 硬浮體動(dòng)態(tài)平衡的力學(xué)分析

物探船通過(guò)柔性炮纜牽引震源浮體，掛載槍陣進(jìn)行擴(kuò)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(gè)力作用，一是物探船通過(guò)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(kuò)展力Fk。

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

圖2 物探船拖帶單排硬浮體圖

2.1 以處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的浮體及分水板為研究對(duì)象

建立基本力學(xué)模型如圖3。

圖3 動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的浮體受力分析

浮體處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，物探船將以勻速直線航行，此時(shí)浮體受力平衡狀態(tài)，即

(1)

根據(jù)流體力學(xué)原理，運(yùn)動(dòng)物體在流體介質(zhì)中受到的阻力是

F=0.5Cρv2S

(2)

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

設(shè)定海水阻尼系數(shù)為C，海水密度是ρ，浮體和海水之間相對(duì)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(jù)勾股定理，浮體的橫向擴(kuò)展力為

Fk=Fbtanβ=0.5CρΔv2Ssinαtanβ

(4)

Fb=Facosβ=0.5CρΔv2Ssinα

(5)

由公式(4)推導(dǎo)出：

Facosβ=0.5CρΔv2Ssinα

(6)

(7)

2.2 以炮纜為研究對(duì)象

炮纜受到兩個(gè)力，一是來(lái)自于浮體的相互拖拽力Fa，二是來(lái)自物探船的拖帶力Fs，見(jiàn)圖4。

圖4 炮纜受力平衡狀態(tài)時(shí)的受力

炮纜動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)在水平方向的受力必然平衡，則Fs=Facosβ，F(xiàn)a=Fs/cosβ。

3 硬浮體起始狀態(tài)到動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程的力學(xué)分析

假設(shè)物探船：①處于起始狀態(tài)；②物探船能提供穩(wěn)定的動(dòng)力輸出；③物探船拖帶三排獨(dú)立的硬浮體槍陣，從右往左編號(hào)依次4、5、6，處于起始狀態(tài)的三排陣列擴(kuò)展角度β，此時(shí)β相等，β=β1=β2=β3；以浮體為研究對(duì)象。

3.1 α變化對(duì)Fk、β、Fa、Fb影響分析

根據(jù)公式(2)，每排槍陣受到橫向擴(kuò)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(tài)，處于同等水文條件時(shí)，參數(shù)C、ρ、 Δv2、S數(shù)值相同，每排槍陣橫向擴(kuò)展力Fk伴隨浮體有效擴(kuò)展角度α變化而變化。α角度范圍是0～π/2，橫向擴(kuò)展力Fk在0～π/2范圍內(nèi)隨著α變大而變大。在Fk作用下，浮體會(huì)橫向擴(kuò)展，角度β會(huì)隨著浮體的擴(kuò)展而變大，F(xiàn)k越大，浮體的橫向位移越大，即β越大。依據(jù)F=ma和r=0.5at2+v0t+r0可知，相同質(zhì)量的浮體，F(xiàn)k越大，獲得的橫向初始加速度a越大，浮體獲得初始橫向擴(kuò)展動(dòng)能越大，相同時(shí)間的橫向位移r越大。由此得知：α越大，浮體的橫向擴(kuò)展力Fk越大，β越大。

當(dāng)浮體向外擴(kuò)展，在炮纜牽引力、浮體擴(kuò)展力及流體阻力作用下達(dá)到受力平衡時(shí)，浮體在最大橫向位移r處，依據(jù)公式(6)推出：

(11)

α、β定義域(0，π/2)，得出結(jié)論：α越大，槍陣來(lái)自于炮纜(船舶)的牽引力Fa越大；或者，船舶動(dòng)力輸出在不同擴(kuò)展角度α的浮體上是不同的，α越大，船舶動(dòng)力輸出在該浮體上越大。依據(jù)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(duì)Fk、β、Fa、Fb影響分析

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

根據(jù) MIO公式(4)可知：Δv變大，F(xiàn)k變大，β變大。頂流時(shí)浮體橫向擴(kuò)展力Fk變大，β變大；順流時(shí)浮體橫向擴(kuò)展力Fk減小，β變小。

根據(jù)公式(5)可知：當(dāng)Δv變大時(shí)，β變大，那么來(lái)自于炮纜的拖帶力Fa變大。

3.3 Fa變化對(duì)Fk、β、Fb影響分析

依據(jù)公式(5)，物探船處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)α是定量，故1/2CρΔv2Ssinα是常量。因此，加大船舶拖帶力，F(xiàn)a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(nèi)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(kuò)展力Fk變大。

3.4 硬浮體自擴(kuò)展能力上限分析

根據(jù)公式(11)可知，浮體、分水板的連接方式?jīng)Q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(kuò)展軌跡圖

4 自擴(kuò)式硬浮體設(shè)計(jì)與應(yīng)用

4.1 自擴(kuò)式硬浮體陣列拖帶方式設(shè)計(jì)

用浮體動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的β驗(yàn)證浮體自擴(kuò)展能力，基于上述分析可知影響浮體擴(kuò)力關(guān)鍵因素是：①浮體有效擴(kuò)展角度α，②船和流體之間的相對(duì)速度Δv，③船舶的拖動(dòng)力Fs，④浮體分水板的面積S。

要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定合理的陣列布局，浮體首先在平面位置分布對(duì)擴(kuò)力進(jìn)行梯化設(shè)置，避免出現(xiàn)同等擴(kuò)力浮體之間交叉纏繞故障發(fā)生，使陣列釋放、回收、擴(kuò)展成為可能；其次，物探船必須有足夠動(dòng)力輸出；水下環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，流體和船舶之間的相對(duì)速度是影響浮體擴(kuò)力的重要因素，必須要審慎考慮；不同擴(kuò)力的浮體間要有合理的互相制約機(jī)制，使陣列間距穩(wěn)定可控。

基于上述分析可知：α越大，浮體的橫向擴(kuò)展力Fk越大，β越大(圖6)，擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)下的陣列，雙震源對(duì)稱分布，浮體1、6的α相等并最大，2、5相等次之，3、4靠?jī)?nèi)側(cè)相等且最小。此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了浮體擴(kuò)力階梯化分布，通過(guò)陣列的合理布局，理論上避免了槍陣之間交叉纏繞。

同時(shí)，α越大，槍陣來(lái)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(dòng)力輸出，才能保證陣列穩(wěn)定擴(kuò)展。

在錯(cuò)綜復(fù)雜的水文環(huán)境下，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可控的浮體間距，浮體本身有擴(kuò)力是不夠的，浮體間相互制約的合理機(jī)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(kuò)力的陣列在同一約束機(jī)制下，形成穩(wěn)定可控的震源間距。

圖6 硬浮體陣列的自擴(kuò)展圖

4.2 自擴(kuò)式硬浮體陣列的操作

第一種方法是通過(guò)調(diào)節(jié)炮纜和分水板之間的連接位置，改變有效擴(kuò)展角度α(圖7)。

圖7 分水板擴(kuò)展點(diǎn)位分布

BARO公司設(shè)計(jì)的硬浮體，靠近頭部區(qū)域設(shè)置三個(gè)擴(kuò)展區(qū)，擴(kuò)展區(qū)之間直線距離2 m左右，每個(gè)擴(kuò)展區(qū)有三個(gè)可選擇的安裝點(diǎn)位，安裝點(diǎn)位越靠近浮體頭部位置α角度越小。單個(gè)擴(kuò)展區(qū)上的三個(gè)點(diǎn)位用來(lái)微調(diào)α，靠前變小，靠后變大。圖8中炮纜、分水板不同連接位置，對(duì)應(yīng)不同α和β角度，連接位置越靠后，α越大。

圖8 調(diào)節(jié)炮纜和分水板不同連接位置改變?chǔ)?/p>

第二種調(diào)節(jié)方法是通過(guò)調(diào)節(jié)炮纜和分水板間的繩索長(zhǎng)度改變?chǔ)?圖9)。相同安裝點(diǎn)位，改變連接繩索長(zhǎng)度可有效改變?chǔ)?，繩索越長(zhǎng)，α越大。

圖9 調(diào)節(jié)連接繩索長(zhǎng)度改變?chǔ)?/p>

第三種方法是將上述兩種方法搭配使用，也是常規(guī)做法。

4.3 基于硬浮體擴(kuò)展理論的收放調(diào)節(jié)操作

陣列收放過(guò)程中容易出現(xiàn)槍陣交叉纏繞，如何避免是陣列操作人員必須要解決的問(wèn)題。

假設(shè)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(duì)速度Δv=va+v1或Δv=va-v2。

4.3.1 單排槍陣回收過(guò)程

依據(jù)自擴(kuò)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(xiàn)以下情況：①回收狀態(tài)的浮體要向外擴(kuò)展，和靠近的浮體間存在交叉纏繞風(fēng)險(xiǎn)；②炮纜承受的拉力變大。

操作方法：減小物探船動(dòng)力輸出，降低船速va，同時(shí)浮體在經(jīng)過(guò)容易發(fā)生交叉位置時(shí)減小v1，目的是在關(guān)鍵區(qū)域位置處穩(wěn)定或減小β，控制浮體在安全范圍以內(nèi)，避免和旁邊的浮體發(fā)生碰撞、交叉、纏繞，同時(shí)減小炮纜的受力，對(duì)炮纜起保護(hù)作用。回收操作時(shí)，應(yīng)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(tài)

4.3.2 單排槍陣釋放過(guò)程

依據(jù)槍陣自擴(kuò)理論： Δv變小，β也要變??；加大船舶拖帶力，即β要變大，減小時(shí)則相反。

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

操作方法：加大物探船動(dòng)力輸出，此時(shí)釋放好的浮體β要增大，如圖11，β5、β6增大，同時(shí)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(huì)互相錯(cuò)開(kāi)，避免交叉纏繞。適當(dāng)加大船速，炮纜上的拉力加大，可避免炮纜松弛脫出絞盤(pán)的事故發(fā)生。

圖11 浮體初始釋放狀態(tài)

圖12 加大船速va,加快浮體釋放速度v2時(shí)的狀態(tài)

如圖13，在釋放第4排槍陣時(shí)，加大船速va的同時(shí)，同步回收第5、6排槍陣，可以使β5和β6明顯變大，同時(shí)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(fā)生。

圖13 加大va, v2，同步回收浮體5和6的狀態(tài)

4.3.3 陣列同步釋放操作

根據(jù)自擴(kuò)理論： Δv變大，β變大。在同步釋放槍陣時(shí)，會(huì)出現(xiàn)所有浮體的β都變小的情況，三排浮體在釋放的過(guò)程中貼合纏繞風(fēng)險(xiǎn)加大(圖14)。

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

圖14 陣列同步釋放

圖15 加大va，減小v2陣列同步釋放狀態(tài)

4.3.4 陣列同步回收操作

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

圖16 陣列同步回收的狀態(tài)

在陣列同步回收時(shí)，出現(xiàn)的情況：①浮體和流體的相對(duì)速度Δv=va+v1，Δv變大，浮體擴(kuò)展角度β變大；②浮體阻力Fb和炮纜的受力Fa要變大。常規(guī)情況下不容易發(fā)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(hù)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(nèi)，提高回收效率。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以硬浮體為研究對(duì)象，采用變量分析方法，研究硬浮體自擴(kuò)原理，對(duì)浮體從起始擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程建立基本力學(xué)模型，從變量的常態(tài)變化入手，分析浮體的擴(kuò)展動(dòng)態(tài)，得出硬浮體自擴(kuò)的相關(guān)結(jié)論，同時(shí)為陣列擴(kuò)展設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供理論支持。