物探船多缆作业阻力预报及推进冗余评价

翟慧杰ZHAI Hui-jie

（中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津 300451）

0 引言

海洋拖缆地震勘探是目前海洋油气勘探过程中应用最为广泛的方法[1]。物探船尾部拖带电缆、空气枪、扩展器、水鸟等多个设备，通过空气枪发出震波，经过海底地层反射由拖带电缆接收，从而获得地震资料用于油气资源的识别。为了获得大面积高效的地震资料，通常采用三维地震勘探拖缆采集技术，三维地震勘探作业对船舶的推进系统要求较高，主要表现在以下两个方面：

①拖带体量庞大。三维地震勘探作业拖缆数量多，国内最先进的物探船拖缆数可达12 根，单根缆长达数公里，对拖力要求高。

②作业工况多变。根据作业技术要求设计船舶航速、拖带的电缆数、缆长和缆间距等方案，不同的作业配置方案对拖力要求不同。

因此，在进行拖带缆数较多、风险较高的复杂工况作业时，有必要在作业前根据拖带配置对航行阻力进行预报，同时还要对推进冗余进行评估，以满足规范及作业的要求。

1 阻力计算方法

物探船在水中航行需克服较大的阻力，主要包括船体阻力和拖带阻力两大部分，拖带阻力是拖曳系统特有的，根据拖曳系统的类型可分为拖缆阻力和拖体阻力。拖缆主要包括工作电缆、用于连接船舶和电缆的前导缆、用于连接扩展器的主、辅拖带绳，用于连接船舶和空气枪的炮缆及用于电缆间连接的扩展绳等，拖体主要包括扩展器、空气枪、头标、尾标、水鸟等，如图1 所示，物探作业拖曳系统大部分都位于水面以下，因此主要计算水流引起的阻力。

图1 物探船拖曳系统

1.1 拖缆阻力计算公式

对于拖曳系统中的缆索类构件，包括前导缆、主拖带绳、缆间扩展绳等，其拖缆阻力计算公式[2]如下。

式中，Fx、Fy、Fz分别为缆索单元在x、y、z 方向上受到的阻力；p 为瞬时入水比例；ρ 为海水密度，vn为缆索与水流的相对速度矢量，vx、vy分别为vn在x、y 方向上的分量，vz为缆索与水流在z 方向上的相对速度分量；Cdx、Cdy、Cdz分别为x、y、z 方向上的阻力系数；Dn为缆索径向直径，Da为缆索轴向直径；L 为缆索单元长度。

作业过程中，等浮的电缆位于水面以下某一固定深度，沿船舶航行方向延伸并保持直线状态，在计算沿船长方向的拖缆阻力时，不考虑缆索弯矩、扭矩及惯性力等因素的影响，单根拖缆的阻力计算公式可简化为以下形式[3]。

式中，F 为单根缆索的阻力，ρw为海水密度，D 为缆索直径，L 为缆索长度，Vt为缆索切向的相对速度，Ct为缆索的切向阻力系数。

缆索的切向阻力系数Ct主要根据经验公式计算[4]，该公式适用于光滑圆柱体受轴向流作用的情况，即仅考虑光滑电缆不考虑其附属设备时可采用该公式计算的系数；

式中，ReL为与缆长有关的切向雷诺数，单位长度的切向雷诺数公式如下：

式中，η 为海水的动力粘性系数。

对于电缆来说，可以将以往作业中前弹段（连接于电缆前端）处测得的拉力值近似为电缆整体阻力，并按阻力公式逆推切向阻力系数。根据该方法获得的切向阻力系数是将电缆及电缆上的附属设备，包括水鸟、浮鱼等考虑在内的。

缆索的法向阻力系数Cn在没有可用的试验数据时，可以参考典型缆索的阻力系数取值[5，6]，如表1 所示。一般缆间扩展绳为减阻型缆，配有导流罩，前导缆和主拖带绳上配有减震须。

表1 缆索的阻力系数

1.2 拖体阻力计算公式

在地震勘探拖曳系统中，主要的拖体为扩展器和浮鱼。对于扩展器浮筒及浮鱼来说，受到的阻力由下式[2]计算：

式中，fDx、fDy、fDz分别为拖体在x、y、z 方向上的阻力；ρ为海水密度，vn为拖体与水流的相对速度矢量，vx、vy分别为vn在x、y 方向上的分量，vz为拖体与水流在z 方向上的相对速度分量；An为垂向拖曳面积，Aa为轴向拖曳面积，为拖体垂向阻力系数，为拖体轴向阻力系数。

扩展器由上部圆柱形浮体和下部多个机翼型叶片组成。作业时，两个扩展器对称布置在电缆阵列的两侧，由主、辅拖带缆牵拉，并与船舶航行方向形成一定的夹角，水流流经叶片产生升力，形成将电缆阵列扩展一定间距的扩力，扩展器的倾斜角度越大，扩力越大，同时也伴随着阻力。扩展器的扩力和阻力可以根据作业设计的倾斜角度从产品手册中查到相应的扩力和阻力值。

1.3 拖力计算方法

对于多缆的物探作业来说，逐个缆索及拖体的阻力计算较为繁琐，尤其是前导缆这种水平及垂向投影均为弯曲形状的缆索，并每根前导缆的阻力均不一样，因此，采用OrcaFlex 软件进行整体建模计算，某12 缆物探船的拖曳模型（对称显示一半）如图2 所示。由于工作电缆长达几公里，为简化计算采用上述提到的方法计算每根电缆的阻力，并将阻力施加在电缆前端点连接处，方向沿船舶航行反方向；扩展器的阻力和扩力根据前述公式计算之后，施加在主、辅拖带绳的交点处，阻力方向与船舶航行方向相反，扩力垂直于航行方向并向外两侧对称施加。

图2 物探船拖曳计算模型

根据各构件的尺寸及材料属性进行建模，按要求的航速计算与船连接处各缆索，包括前导缆、炮缆和主拖带绳前端点沿船纵向水平方向的力，将力的大小累加作为总的拖力。分别计算得到正常作业工况航速下对应的拖力和发生故障并损失一半动力工况下航速对应的拖力。

2 推进冗余评价

船舶阻力根据船模拖曳试验结果换算成实船阻力获得。船舶的推进系统提供的有效推力为船舶阻力与总的拖力之和[7]。将有效推力与航速相乘换算成有效功率。根据有效功率与推进效率和轴系效率的比值计算得到螺旋桨的收到功率及主机需要发出功率。

物探作业过程中，推进功率的大幅降低不仅会因为航速降低导致电缆下沉，此外，对于多缆物探船，航速降低还会引起扩展力不足，扩展间距缩小，严重的会引起缆索缠绕。以某12 缆物探船为例，该船采用柴油电力推进系统，配备4 台柴油机，各驱动一台发电机，采可调螺距螺旋桨，在拖航状态通常采用较小的螺距，单个主机额定功率为4200kW，校核用到的主机发出功率的限值为额定功率的80%。

如图3 所示，该船配备两个主配电板，1 号6.6KV 配电板连接1&2 号发电机，2 号配电板连接3&4 号发电机，二者之间通过断路器互联，该断路器在冗余推进操作时是闭合的。其中，1 号配电板负载有：1 号主推变压器、1 号日用变压器、1 号物探变压器，艏侧推；2 号配电板负载有：2号主推变压器、2 号日用变压器、2&3 号物探变压器、全回转推进器启动器。参考该船失效模式及影响分析报告，最严重的工况是失去一段母排，或者两个发电机，或者一组推进器，此时用于推进的动力丧失50%。根据DNV 规范[8]要求，船舶在发生任何单个故障之后仍能有50%的推进功率及辅助系统可以使用，剩余的推进能力能够确保船舶在足够安全的条件下航行一段时间。对于物探船来说，一般要求在作业过程中应能够保持至少3 节的航速。

图3 冗余推进简化示意图

根据1 号和2 号主配电板上的日用配电负荷、物探及辅助设备负荷，以及主机发出功率限值推出各配电板可用于推进的最大功率。推进冗余功率为最大可用推进功率与推进功率消耗值之差，根据推进冗余功率的正负来判断是否满足规范及作业要求。

计算物探船12 缆，缆长6.45km，缆间距100m 电缆配置下正常作业工况（航速4.5 节）和推进故障工况（航速3节）下的推进冗余结果，其中，推进故障工况考虑配电板1和配电板2 分别关闭的情况，配电板1 和配电板2 的日用负载分别为600kW 和400kW，配电板1 和配电板2 的物探及辅助设备负载分别700kW 和300kW。计算结果如表2 所示，表中数据与作业时电气监控系统输出数据相符。

表2 推进冗余计算结果

3 结语

通过本文介绍的方法可以实现物探作业阻力的预报和推进冗余的评估，根据计算结果可以有效预判主机功率的分配情况，为降低作业风险提供了参考。根据拖曳系统阻力与推进冗余的相反关系，降低阻力是提高冗余增加安全性的重要手段。因此，选用阻力系数较低的缆索导流装置的选用，并且定期清理电缆上的海生物都是降低拖曳系统阻力的有效手段。