海上拖纜地震勘探前導(dǎo)纜動態(tài)響應(yīng)預(yù)報(bào)與分析

孫 青，翟慧杰，張昊楠，張 偉，王振波，王洪峰

（中海油田服務(wù)股份有限公司 物探事業(yè)部，天津300459）

隨著我國海洋勘探開發(fā)力度的不斷加大，海洋地震勘探裝備和技術(shù)發(fā)展迅速，采用多源多纜模式的三維地震勘探成了主流作業(yè)方法[1]。前導(dǎo)纜作為拖帶電纜和設(shè)備的主要部件，其纜形及受力情況對整個(gè)作業(yè)安全的影響不容忽視，尤其是淺水作業(yè)，前導(dǎo)纜過大的懸垂有觸底或觸碰障礙物的風(fēng)險(xiǎn)。多年來，為了實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集，人們多致力于電纜位置和受力的預(yù)報(bào)和控制，取得了巨大的進(jìn)展[2-5]，但前導(dǎo)纜尚無配套控制裝置，因此準(zhǔn)確預(yù)報(bào)前導(dǎo)纜的纜形和受力顯得尤為重要。

國內(nèi)外學(xué)者針對海上拖纜作業(yè)過程中纜索姿態(tài)、受力的預(yù)報(bào)和控制開展了一些研究[6-9]，但多局限于單根纜索的計(jì)算。對于多根前導(dǎo)纜的計(jì)算，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了以下研究：孫寶善等[10]根據(jù)物探船布設(shè)探測網(wǎng)絡(luò)實(shí)際工況的要求，提出一種擬合數(shù)值計(jì)算與模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)報(bào)拖纜姿態(tài)及拉力的方法，并經(jīng)海上拖航實(shí)驗(yàn)證明可行；金杰等[11]通過對10纜拖帶模式下的拖帶點(diǎn)進(jìn)行水平面內(nèi)的靜力分析，計(jì)算并對比分析了不同拖帶方式下的纜索受力，認(rèn)為當(dāng)輔拖帶纜、纜間擴(kuò)展繩和工作電纜垂直時(shí)前導(dǎo)纜拖帶點(diǎn)處所受拉力最??；湯志臣等[12]用OrcaFlex軟件模擬并分析了四纜多分支拖曳線列陣系統(tǒng)拖曳段張力和尾繩段振動極值，計(jì)算對比了系統(tǒng)在不同波高和流速下的穩(wěn)定性，表示系統(tǒng)在使用水鳥的情況下可以提高穩(wěn)定性；張大朋等[13]用OrcaFlex軟件建立了波流聯(lián)合作用下雙纜拖帶回轉(zhuǎn)過程的動力學(xué)分析簡化模型，得到了拖纜的張力和曲率沿纜長方向的變化規(guī)律及纜端點(diǎn)張力的時(shí)域結(jié)果，給出了多分枝拖曳線列陣在回轉(zhuǎn)過程中的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。本文從拖曳系統(tǒng)的工作模式入手，分析了作業(yè)過程中前導(dǎo)纜的受力情況，并以某海上三維12纜地震勘探作業(yè)為例，建立勘探船和拖曳系統(tǒng)的有限元模型，并進(jìn)行多纜、多體以及船舶耦合的動態(tài)響應(yīng)分析，為實(shí)際工程項(xiàng)目提供前期預(yù)報(bào)和作業(yè)指導(dǎo)。

1 拖曳系統(tǒng)物理模型

圖1為海上12纜地震勘探拖曳系統(tǒng)示意圖，船舶以一定的航速沿測線航行，后方拖帶前導(dǎo)纜、主拖帶繩、擴(kuò)展器、工作電纜和尾標(biāo)等主要構(gòu)件和設(shè)備，使工作電纜排成等間距陣列形式實(shí)現(xiàn)物探數(shù)據(jù)的采集。前導(dǎo)纜為多根沿船舶行駛方向左右對稱布置的光纖芯鍍鋅鋼纜，其前端連接在位于船尾的絞車上，后端與工作電纜的前彈段銜接于拖帶點(diǎn)。船舶行駛過程中，擴(kuò)展器由主、輔拖帶繩牽拉，連接于船舶與拖帶點(diǎn)，擴(kuò)展器上部為圓柱形浮筒，下部為機(jī)翼形葉片，其葉片與船首方向保持一定的攻角，產(chǎn)生垂直于船行駛方向沿外側(cè)的擴(kuò)展力使拖帶點(diǎn)保持一定的間距展開排列，拖帶點(diǎn)附近懸掛浮魚作為頭標(biāo)控制位置及深度，各個(gè)纜索水下部分還受到波流的水動力載荷作用。除位于最外邊的兩條前導(dǎo)纜的拖帶點(diǎn)外側(cè)受輔拖帶牽拉以外，其余前導(dǎo)纜拖帶點(diǎn)處水平方向受纜間擴(kuò)展繩拉力作用。

圖1 拖曳系統(tǒng)示意圖

2 拖曳系統(tǒng)有限元模型

本文采用海洋工程動力分析軟件OrcaFlex進(jìn)行12纜拖曳系統(tǒng)建模分析，拖曳系統(tǒng)模型共包括41個(gè)構(gòu)件，分別為：1艘勘探船、12根前導(dǎo)纜、2根主拖帶繩、2根輔拖帶繩、10根纜間擴(kuò)展繩、2個(gè)擴(kuò)展器以及拖帶點(diǎn)上懸掛的12個(gè)浮魚。本模型中并未包括工作電纜，實(shí)際工作電纜共12根，每根長6 km，其上配備有檢波器、水鳥等設(shè)備，深度和纜間距均受自動化控制，為簡化計(jì)算將電纜前端點(diǎn)拉力作為外力加載于各前導(dǎo)段末端的拖帶點(diǎn)上，拉力值可根據(jù)拖曳力計(jì)算公式獲得，也可根據(jù)前期作業(yè)中前彈段拉力計(jì)測量值換算得到。所建立的以前導(dǎo)纜為主的地震勘探拖曳系統(tǒng)模型的三向視圖如圖2所示，圖中紅色線條代表船舶，藍(lán)色線條代表水面，黑色線條代表各纜索，紫紅色點(diǎn)狀代表浮魚和擴(kuò)展器。

圖2 拖曳系統(tǒng)模型三視圖

模型中，勘探船采用Vessel單元模擬，該船垂線間長96.6 m，型寬24 m，作業(yè)吃水7.5 m，若計(jì)及波浪對船體運(yùn)動的影響，輸入?yún)?shù)中需包括船體運(yùn)動響應(yīng)幅值算子（Response Amplitude Operator，RAO）。

前導(dǎo)纜、主拖帶繩、輔拖帶繩和纜間擴(kuò)展繩均采用Line單元模擬，前導(dǎo)纜與纜間擴(kuò)展繩的交點(diǎn)處采用3D Buoy單元連接，6 #和7 #前導(dǎo)纜對應(yīng)的拖帶點(diǎn)中間無任何纜索，建模時(shí)增加一個(gè)賦值較大軸向剛度的Tether用于保持兩拖帶點(diǎn)的間距及相對位置。建模中采用的各纜索參數(shù)如表1所示，其中纜索的名義外徑、干重、軸向剛度和破斷拉力為實(shí)際采用的纜索廠家數(shù)據(jù)，纜索的阻力系數(shù)包括法向阻力系數(shù)Cdn和切向阻力系數(shù)Cdt參考了國內(nèi)外文獻(xiàn)[14-17]中關(guān)于一般繩索及導(dǎo)流纜的阻力系數(shù)研究成果，工作電纜的阻力系數(shù)由在拖曳過程中實(shí)測的拉力值換算得到。

表1 纜索參數(shù)

擴(kuò)展器采用6D Buoy中的Towed Fish單元模擬。其浮筒外徑為1.524 m，內(nèi)徑為1.4 m，長度為8.5 m，葉片弦長8.5 m，高度8 m，擴(kuò)展器總質(zhì)量為8.85 t，升力系數(shù)和阻力系數(shù)根據(jù)擴(kuò)展器產(chǎn)品手冊中不同攻角下對應(yīng)的升力和阻力曲線換算得到，如表2所示。

表2 擴(kuò)展器升力系數(shù)和阻力系數(shù)

浮魚為梭形浮體，帶尾翼，體積為2 m3，長度3.6 m，寬度1.1 m，高度1.46 m，質(zhì)量294 kg，本文將浮魚作為連接在前導(dǎo)纜后端點(diǎn)上的附件來模擬，連接浮魚與拖帶點(diǎn)之間的定深繩長度為7 m。

3 模擬工況討論

3.1 不同航速下計(jì)算結(jié)果

本文模擬了拖曳系統(tǒng)在迎浪狀態(tài)下不同航速所對應(yīng)的前導(dǎo)纜纜形及拉力極值?？紤]極端情況所模擬的海況采用波高4 m，周期為7 s的規(guī)則波；因取同向海流，模擬過程中只需輸入船舶航速與海流表面流速的相對速度即可，相對速度v分別取4.0 kn、4.3 kn和4.5 kn。因幾何模型和載荷均對稱，左右兩側(cè)計(jì)算結(jié)果相同，故給出一側(cè)共6根前導(dǎo)纜的結(jié)果。

當(dāng)相對速度分別為4.0 kn、4.3 kn和4.5 kn時(shí)，各前導(dǎo)纜出纜長度、前端點(diǎn)最大拉力及最大懸垂深度如表3所示。

表3 計(jì)算結(jié)果

從表3所列結(jié)果可以看出航速對前導(dǎo)纜拉力和懸垂深度的影響：當(dāng)航速由4.0 kn增加到4.5 kn時(shí)，受拉力最大的前導(dǎo)纜（1 #纜）前端點(diǎn)的最大拉力由61.3 kN增加到了72.4 kN；懸垂最深的前導(dǎo)纜（5 #纜）的最大懸垂深度從70.5 m減小到了58.1 m。根據(jù)懸鏈線理論，前導(dǎo)纜的拉力和纜形與出纜長度及前后端點(diǎn)相對位置也有很大關(guān)系，在本算例中各前導(dǎo)纜出纜長度不變，航速的增加不僅直接導(dǎo)致作用于整個(gè)拖曳系統(tǒng)上的拖曳力增加，同時(shí)擴(kuò)展器施加的擴(kuò)展力增加，使拖帶點(diǎn)位置與低航速位置相比更遠(yuǎn)離前端點(diǎn)，從而引起纜上拉力的增加，懸垂深度的減小。

3.2 加設(shè)浮魚計(jì)算結(jié)果

如表3所示，對于12纜的拖纜作業(yè)來說，為了滿足電纜間距要求，前導(dǎo)纜出纜長度變長，導(dǎo)致最大懸垂深度也相應(yīng)增大，在淺水作業(yè)中，可采取加設(shè)浮魚的方式減小懸垂深度。在模型中對每根前導(dǎo)纜中后段設(shè)置一個(gè)浮魚，并計(jì)算當(dāng)相對速度v分別為4.0 kn、4.3 kn和4.5 kn時(shí)，各前導(dǎo)纜前端點(diǎn)最大拉力及最大懸垂深度如表4所示。

表4 加浮魚計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表3與表4結(jié)果對比可知，加設(shè)浮魚之后，浮魚懸掛點(diǎn)被拉起至水下8 m的位置，懸垂深度有了明顯改善。當(dāng)航速為4.0 kn時(shí)，6#前導(dǎo)纜的最大懸垂深度由65.3 m減小到22.6 m，航速為4.5 kn時(shí)，最大懸垂深度由55.4 m減小到19.4 m。此外，掛浮魚后的最大懸垂深度還與浮魚位置有關(guān)，本算例中的懸垂深度結(jié)果是根據(jù)調(diào)整浮魚位置使其兩側(cè)懸垂深度接近來達(dá)到的最小值（以下稱最優(yōu)點(diǎn)），實(shí)際浮魚懸掛位置越遠(yuǎn)離最優(yōu)點(diǎn)，最大懸垂深度越大，浮魚懸掛最優(yōu)位置通過多次搜索計(jì)算得到，一般位于沿纜長方向中間偏后位置。當(dāng)航速為4.5 kn時(shí)，未掛浮魚和掛浮魚的1#前導(dǎo)纜相比，前端點(diǎn)最大拉力由72.4 kN增加到84.2 kN，但并未達(dá)到破斷拉力。

4 實(shí)測數(shù)據(jù)對比

某船在國外某平均水深31 m的海域進(jìn)行12纜勘探作業(yè)時(shí)，采用測深儀對前導(dǎo)纜懸垂深度進(jìn)行了測試，如圖3所示，最大懸垂深度約26 m。在OrcaFlex中建模計(jì)算得到當(dāng)航速為4.5 kn時(shí)，中間纜（6 #）懸掛浮魚沿纜長方向距尾端點(diǎn)350 m時(shí)最大懸垂點(diǎn)深度的時(shí)間歷程如圖4所示，其最大懸垂處的平均深度為26.2 m，最大深度為27.5 m，與實(shí)際海上測試結(jié)果相比，最大懸垂深度相差1.5 m，超出實(shí)測值5.8 %，模擬計(jì)算結(jié)果能夠滿足實(shí)際作業(yè)需要。引起數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果差別的因素為：實(shí)際作業(yè)海況可能并未達(dá)到計(jì)算海況波高，此外，由于海流方向的不確定性，實(shí)際作業(yè)各拖帶點(diǎn)的位置與計(jì)算值可能會有細(xì)微差別。

圖3 海上實(shí)測深度

圖4 計(jì)算與實(shí)測對比圖

5 結(jié) 論

本文采用OrcaFlex軟件模擬了12纜海上地震采集拖曳系統(tǒng)，并進(jìn)行了船-纜-體的耦合動力分析，分別在無浮魚和有浮魚工況下計(jì)算了航速為4.0 kn、4.3 kn及4.5 kn時(shí)單側(cè)共6根前導(dǎo)纜的軸向拉力和懸垂深度，并統(tǒng)計(jì)了對工程實(shí)際有參考意義的前端點(diǎn)的最大拉力和全纜最大懸垂深度，通過與海上實(shí)測數(shù)據(jù)對比，數(shù)值模擬的懸垂深度與實(shí)測值相吻合，能夠滿足要求，根據(jù)不同工況下結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)以下結(jié)論。

（1）同一航速下，中間纜（5 #、6 #、7 #、8 #）的懸垂深度最大，拉力最小，而外側(cè)纜（1 #、12 #）的懸垂深度最小，拉力最大，在實(shí)際作業(yè)中需重點(diǎn)關(guān)注中間纜的懸垂深度和外側(cè)纜的拉力。

（2）在同樣出纜長度的情況下，當(dāng)勘探船航速增加，各纜索及拖體上的阻力增加，導(dǎo)致前導(dǎo)纜拉力增加，而拖帶點(diǎn)后移，使懸垂深度相應(yīng)減小，在作業(yè)前的出纜長度和拖帶點(diǎn)縱向位置設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)不同航速下計(jì)算的前導(dǎo)纜受力和懸垂深度進(jìn)行綜合考慮，除了避免前導(dǎo)纜過載之外更應(yīng)注意在淺水作業(yè)降速時(shí)懸垂深度增加帶來的觸底風(fēng)險(xiǎn)。

（3）加設(shè)浮魚是目前淺水作業(yè)中為減小纜索懸垂比較常用的方法，本文計(jì)算結(jié)果顯示加單個(gè)浮魚較無浮魚時(shí)的懸垂深度最大可減少約70%，同一根纜上加多個(gè)浮魚能夠起到更加顯著的效果。通過對不同浮魚數(shù)量以及安裝位置進(jìn)行模擬，可以對加浮魚后的纜索懸垂深度進(jìn)行良好的預(yù)判，為實(shí)際作業(yè)中浮魚的布設(shè)提供指導(dǎo)。

因受工作電纜簡化方法的限制，本文僅考慮了沿船體軸線方向的波流載荷，對于受橫向波流載荷和船舶回轉(zhuǎn)狀態(tài)下的前導(dǎo)纜動態(tài)響應(yīng)計(jì)算問題還需深入研究。