物探船硬浮体阵列自扩变量分析与应用

蒋先锋

(中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司，上海 200120)

1 硬浮体结构

图1所示的硬浮体由挪威BARO公司生产制造，直径800 mm，长20 079 mm，浮力95.795 kN，黑色部分是硬浮体主体，材质PEH工程塑料。硬浮体下方是分水板，材质双向不锈钢。

图1 BARO硬浮体

分水板的作用：一是内部采用特殊设计，达到足够强度，以实现硬浮体对枪阵的挂载、沉放、释放及回收；二是可通过牵引的角度变化，改变水流对分水板的作用力，使浮体产生位移，实现枪阵的自扩功能，使枪阵能在船舶的拖带下，达到指定的扩展位置，满足震源阵列的排布。在海洋石油勘探作业中，借助物探船强大的拖带能力，硬浮体阵列凭借自身独特的自扩特性，使其能最大限度满足海洋物探对震源扩展的要求，并减少扩展阵列所需的专用设备，因此被广泛应用于大中型物探船。

2 硬浮体动态平衡的力学分析

物探船通过柔性炮缆牵引震源浮体，挂载枪阵进行扩展。如图2所示，硬浮体枪阵在物探船的拖带牵引下，受到三个力作用，一是物探船通过炮缆作用在浮体上的牵引力Fa，二是硬浮体受到的正面流体阻力Fb，三是海水作用在浮体分水板上的横向扩展力Fk。

设定浮体和船向夹角为α，炮缆和船向夹角为β，船速为va(对地速度)，海水的流速vb(对地速度)，浮体和流体之间的相对速度是Δv，顶流时Δv=va+vb，顺流时Δv=va-vb。

图2 物探船拖带单排硬浮体图

2.1 以处于动态平衡时的浮体及分水板为研究对象

建立基本力学模型如图3。

图3 动态平衡状态的浮体受力分析

浮体处于动态平衡时，物探船将以匀速直线航行，此时浮体受力平衡状态，即

(1)

根据流体力学原理，运动物体在流体介质中受到的阻力是

F=0.5Cρv2S

(2)

式中：C为流体的阻尼系数；ρ为流体密度；v为流体和浮体之间的相对速度；S为物体相对流体的正面投影面积。

设定海水阻尼系数为C，海水密度是ρ，浮体和海水之间相对速度是Δv，浮体分水板面积S，则

Fb=0.5CρΔv2Ssinα

(3)

式中：α为浮体分水板和船向夹角。根据勾股定理，浮体的横向扩展力为

Fk=Fbtanβ=0.5CρΔv2Ssinαtanβ

(4)

Fb=Facosβ=0.5CρΔv2Ssinα

(5)

由公式(4)推导出：

Facosβ=0.5CρΔv2Ssinα

(6)

(7)

2.2 以炮缆为研究对象

炮缆受到两个力，一是来自于浮体的相互拖拽力Fa，二是来自物探船的拖带力Fs，见图4。

图4 炮缆受力平衡状态时的受力

炮缆动态平衡状态时在水平方向的受力必然平衡，则Fs=Facosβ，Fa=Fs/cosβ。

3 硬浮体起始状态到动态平衡过程的力学分析

假设物探船：①处于起始状态；②物探船能提供稳定的动力输出；③物探船拖带三排独立的硬浮体枪阵，从右往左编号依次4、5、6，处于起始状态的三排阵列扩展角度β，此时β相等，β=β1=β2=β3；以浮体为研究对象。

3.1 α变化对Fk、β、Fa、Fb影响分析

根据公式(2)，每排枪阵受到横向扩展力分别为：

Fk1=Fbtanβ=0.5CρΔv2Ssinα1tanβ1

(8)

Fk2=Fbtanβ=0.5CρΔv2Ssinα2tanβ2

(9)

Fk3=Fbtanβ=0.5CρΔv2Ssinα3tanβ3

(10)

同艘物探船，在起始状态，处于同等水文条件时，参数C、ρ、 Δv2、S数值相同，每排枪阵横向扩展力Fk伴随浮体有效扩展角度α变化而变化。α角度范围是0～π/2，横向扩展力Fk在0～π/2范围内随着α变大而变大。在Fk作用下，浮体会横向扩展，角度β会随着浮体的扩展而变大，Fk越大，浮体的横向位移越大，即β越大。依据F=ma和r=0.5at2+v0t+r0可知，相同质量的浮体，Fk越大，获得的横向初始加速度a越大，浮体获得初始横向扩展动能越大，相同时间的横向位移r越大。由此得知：α越大，浮体的横向扩展力Fk越大，β越大。

当浮体向外扩展，在炮缆牵引力、浮体扩展力及流体阻力作用下达到受力平衡时，浮体在最大横向位移r处，依据公式(6)推出：

(11)

α、β定义域(0，π/2)，得出结论：α越大，枪阵来自于炮缆(船舶)的牵引力Fa越大；或者，船舶动力输出在不同扩展角度α的浮体上是不同的，α越大，船舶动力输出在该浮体上越大。依据公式(5)分析浮体受到的阻力Fb可知：α变大，浮体受到流体阻力Fb变大。

3.2 Δv变化对Fk、β、Fa、Fb影响分析

依据公式(5)可知，浮体和流体之间相对速度Δv变大，流体阻力Fb变大，反之亦然。顶流时， Δv=va+vb变大，浮体受的流体阻力Fb变大；顺流时， Δv=va-vb变小，浮体受的流体阻力Fb变小。

根据 MIO公式(4)可知：Δv变大，Fk变大，β变大。顶流时浮体横向扩展力Fk变大，β变大；顺流时浮体横向扩展力Fk减小，β变小。

根据公式(5)可知：当Δv变大时，β变大，那么来自于炮缆的拖带力Fa变大。

3.3 Fa变化对Fk、β、Fb影响分析

依据公式(5)，物探船处于稳定状态时α是定量，故1/2CρΔv2Ssinα是常量。因此，加大船舶拖带力，Fa要变大，维持等式成立条件是cosβ变小，所以β要变大，而在(0, π/2)定义域内β越大，cosβ越小。因此，加大船舶拖带力，β变大，浮体阻力Fb变大，浮体横向扩展力Fk变大。

3.4 硬浮体自扩展能力上限分析

根据公式(11)可知，浮体、分水板的连接方式决定角度α大小，一旦连接方式确定，α确定，即sinα是固定值，上述等式中只有Fa和β是变量。

图5 浮体扩展轨迹图

4 自扩式硬浮体设计与应用

4.1 自扩式硬浮体阵列拖带方式设计

用浮体动态平衡时的β验证浮体自扩展能力，基于上述分析可知影响浮体扩力关键因素是：①浮体有效扩展角度α，②船和流体之间的相对速度Δv，③船舶的拖动力Fs，④浮体分水板的面积S。

要实现稳定合理的阵列布局，浮体首先在平面位置分布对扩力进行梯化设置，避免出现同等扩力浮体之间交叉缠绕故障发生，使阵列释放、回收、扩展成为可能；其次，物探船必须有足够动力输出；水下环境错综复杂，流体和船舶之间的相对速度是影响浮体扩力的重要因素，必须要审慎考虑；不同扩力的浮体间要有合理的互相制约机制，使阵列间距稳定可控。

基于上述分析可知：α越大，浮体的横向扩展力Fk越大，β越大(图6)，扩展状态下的阵列，双震源对称分布，浮体1、6的α相等并最大，2、5相等次之，3、4靠内侧相等且最小。此设计实现了浮体扩力阶梯化分布，通过阵列的合理布局，理论上避免了枪阵之间交叉缠绕。

同时，α越大，枪阵来自于炮缆(船舶)的牵引力Fa越大。不同α的浮体，船舶拖带力不同，船舶需足够动力输出，才能保证阵列稳定扩展。

在错综复杂的水文环境下，要实现稳定可控的浮体间距，浮体本身有扩力是不够的，浮体间相互制约的合理机制是必须的。图6中显示了4种阵列约束方法，炮缆上安装滑套，滑套间连接间距绳，不同扩力的阵列在同一约束机制下，形成稳定可控的震源间距。

图6 硬浮体阵列的自扩展图

4.2 自扩式硬浮体阵列的操作

第一种方法是通过调节炮缆和分水板之间的连接位置，改变有效扩展角度α(图7)。

图7 分水板扩展点位分布

BARO公司设计的硬浮体，靠近头部区域设置三个扩展区，扩展区之间直线距离2 m左右，每个扩展区有三个可选择的安装点位，安装点位越靠近浮体头部位置α角度越小。单个扩展区上的三个点位用来微调α，靠前变小，靠后变大。图8中炮缆、分水板不同连接位置，对应不同α和β角度，连接位置越靠后，α越大。

图8 调节炮缆和分水板不同连接位置改变α

第二种调节方法是通过调节炮缆和分水板间的绳索长度改变α(图9)。相同安装点位，改变连接绳索长度可有效改变α，绳索越长，α越大。

图9 调节连接绳索长度改变α

第三种方法是将上述两种方法搭配使用，也是常规做法。

4.3 基于硬浮体扩展理论的收放调节操作

阵列收放过程中容易出现枪阵交叉缠绕，如何避免是阵列操作人员必须要解决的问题。

假设浮体回收速度v1，浮体释放速度v2，船速va，浮体和流体间相对速度Δv=va+v1或Δv=va-v2。

4.3.1 单排枪阵回收过程

依据自扩理论：Δv变大，β变大；加大船舶的拖带力，β变大。

浮体、炮缆出现以下情况：①回收状态的浮体要向外扩展，和靠近的浮体间存在交叉缠绕风险；②炮缆承受的拉力变大。

操作方法：减小物探船动力输出，降低船速va，同时浮体在经过容易发生交叉位置时减小v1，目的是在关键区域位置处稳定或减小β，控制浮体在安全范围以内，避免和旁边的浮体发生碰撞、交叉、缠绕，同时减小炮缆的受力，对炮缆起保护作用。回收操作时，应控制船速在合理范围，并灵活控制浮体回收速度。

图10 浮体回收状态

4.3.2 单排枪阵释放过程

依据枪阵自扩理论： Δv变小，β也要变小；加大船舶拖带力，即β要变大，减小时则相反。

浮体、炮缆出现的情况：①释放中的浮体容易撞到已经释放好的浮体，并发生交缠缠绕；②炮缆上的牵引力变小，释放过程中，绞盘上的炮缆松弛，排列不紧，容易跳出绞盘，造成事故。

操作方法：加大物探船动力输出，此时释放好的浮体β要增大，如图11，β5、β6增大，同时加快本浮体的释放速度v2，如此操作可减小或保持该浮体的β4，伴随各浮体的横向位移，浮体在空间上会互相错开，避免交叉缠绕。适当加大船速，炮缆上的拉力加大，可避免炮缆松弛脱出绞盘的事故发生。

图11 浮体初始释放状态

图12 加大船速va,加快浮体释放速度v2时的状态

如图13，在释放第4排枪阵时，加大船速va的同时，同步回收第5、6排枪阵，可以使β5和β6明显变大，同时加快第4排枪阵的释放速度，可明显减小β4，第4排枪阵和第5、6排枪阵的横向间距明显变大，可避免交叉事件的发生。

图13 加大va, v2，同步回收浮体5和6的状态

4.3.3 阵列同步释放操作

根据自扩理论： Δv变大，β变大。在同步释放枪阵时，会出现所有浮体的β都变小的情况，三排浮体在释放的过程中贴合缠绕风险加大(图14)。

操作方法：如图15所示，加大船速va并同时减小释放速度vb，使Δv不变或变大，即Δv=va-v2，所有浮体的扩力要加大，β保持不变或变大，降低或消除缠绕风险。

图14 阵列同步释放

图15 加大va，减小v2阵列同步释放状态

4.3.4 阵列同步回收操作

浮体和流体间相对速度Δv=va+v1，根据自扩理论：Δv变大，β也要变大；浮体和流体之间相对速度Δv变大，流体阻力变大(图16)。

图16 阵列同步回收的状态

在阵列同步回收时，出现的情况：①浮体和流体的相对速度Δv=va+v1，Δv变大，浮体扩展角度β变大；②浮体阻力Fb和炮缆的受力Fa要变大。常规情况下不容易发生枪阵交叉事件，但炮缆的受力加大，回收阻力加大。

操作方法：出于保护炮缆和减小回收阻力并提高回收速度的目的，通常减小船速va，控制β在合理范围内，提高回收效率。

5 结语

本文以硬浮体为研究对象，采用变量分析方法，研究硬浮体自扩原理，对浮体从起始扩展到动态平衡的过程建立基本力学模型，从变量的常态变化入手，分析浮体的扩展动态，得出硬浮体自扩的相关结论，同时为阵列扩展设计及应用提供理论支持。