固定式平台与习惯航线安全距离确定

李国帅，章文俊，尹建川

(大连海事大学 航海学院,辽宁 大连 116026)



固定式平台与习惯航线安全距离确定

李国帅，章文俊，尹建川

(大连海事大学 航海学院,辽宁 大连 116026)

为缩减油田开发成本并保障船舶通航安全，结合钻井平台的安全区和风流要素，对藤井船舶领域模型进行修正，提出一种确定钻井平台与习惯航线安全距离的计算模型。该模型计算结果基本与船舶交通流统计情况及规划航路与已建钻井平台之间的距离相符。

船舶领域；钻井平台；习惯航线；安全距离

随着近海石油及天然气产业的迅速发展，钻井平台在沿海水域逐渐增多，油田的开采与船舶安全通航的矛盾日益突出。《中华人民共和国海事局水上水下活动通航安全影响论证与评估管理办法》[1]明确提出对设置海上钻井平台要重点论证平台与附近水域船舶习惯航线的相互影响。目前国内对钻井平台与习惯航线的安全距离没有相应的规定和标准可以参考，对于油藏处于习惯航线附近的情况，保障船舶通航安全和缩减油田开发成本相互制约。因此，有必要对钻井平台与习惯航线的安全距离进行量化研究，给钻井平台的设计方案及通航专家对设计方案的评定提供数据支撑。

1　研究模型

1.1钻井平台安全区

钻井平台上装有钻井、动力、通信、导航等设备，钻井平台的周边设有海底石油管线[2]，油田工作船和提油船会在钻井平台周边进行靠离作业。为了确保船舶航行及油田生产的安全，通常海事主管机关将钻井平台的周边划定为安全区，与海上石油作业无关的船舶禁止进入安全区范围内。海事主管机关通常将以固定式钻井平台为中心，500 m长为半径的范围划定为钻井平台的安全区，非油田作业船舶禁止进入安全区[3]。

1.2船舶领域模型

习惯航线是指船舶经常(包括季节性)通航的水域，由航海者长期航行实践形成，船舶在沿海水域通常按照习惯航线航行。研究钻井平台与习惯航线安全距离可以通过研究船舶距离钻井平台的最近距离确定。船舶在航行时不是一个点，也不是一条线，而是存在一个保证航行安全、避免碰撞事故的船舶领域[4]。20世纪60年代初，日本学者藤井等[5]首先提出了船舶领域的概念。70年代中，英国学者E. M. Goodwin[6]证实了船舶领域的存在。目前，船舶领域的研究基本可划分为基于统计方法、基于解析表达和基于智能技术的船舶领域三类[7]。藤井提出的船舶领域是众多研究中最典型之一，藤井根据长期以来多次观察日本沿海水道的交通实况，提出的以本船为中心的，长半轴沿首尾方向，短半轴沿船舶正横方向的椭圆形船舶领域模型。其船舶领域尺寸的数值为7倍船长(长轴)/3倍船长(短轴)，通常航行条件下被追越船舶的领域尺寸为8L(L为船长)/(3.2L)(见图1a)。当航行在需要减速的港口内部和狭窄的海峡时，船舶领域尺寸减小到6L/(1.6L)(见图1b)[5]。

图1　藤井船舶领域模型

1.3安全距离研究模型建立

为了保证油田的安全生产作业和平台周边船舶的通航安全，钻井平台在设计立项时要与附近习惯航线保持足够的安全距离，即需要确保平台安全区在习惯航线上航行船舶的安全领域之外。钻井平台安全区通常为500 m长为半径的圆形区域，而船舶领域是随着船型参数而变化的椭圆区域，为了保证船舶的安全通航和油田的安全生产，船舶领域的椭圆形区域与钻井平台安全区的圆形区域临界距离为两者相切，因此，求取钻井平台与习惯航线之间的安全距离可转变为求取一个圆的圆心与一个椭圆圆心之间的最小距离的问题(见图2a)。

图2　船舶与平台安全距离

船舶在海上航行受风、流影响可能产生的横向漂移。船舶受风的影响产生风压差，影响风压差大小的因素多而复杂，经过实测并用统计学方法可得到如下求风压差的经验公式。

(1)

式中：α——风压差角，(°)；

K——风压差系数，(°)；

VW，VL——风速和船速，m/s；

QW——风舷角，(°)。

船舶受流的影响产生流压β，流压差的大小一般通过作图法或直接观测法求取。风压差α和流压差β的代数和为风流压差γ[8]。即

(2)

为了防止船舶偏离计划航线，船舶可以根据风流情况预配风流压差，从而使船舶实际航向与计划航向不一致，在该情形下，船舶领域将以船舶实际航迹方向上为长轴，以与长轴垂直的方向为短轴，即船舶领域模型由图2b)中的虚线椭圆修正为实线椭圆。此时为了保证航行安全，船舶中心至钻井平台中心的最小安全距离为

(3)

式中：Dmin——船舶中心至平台中心的最小安全距离，m；

M——平台的安全区半径，m；

a——船舶领域长轴方向的放大倍数；

b——船舶领域短轴方向的放大倍数；

L——船长，m；

γ——为风流压差角，(°)。

2　安全距离

2.1研究参数的选取

所建立的研究模型表明，钻井平台与习惯航线之间的安全距离主要取决于钻井平台安全区的半径、船舶领域的尺度和所在水域的风流等自然因素。钻井平台安全区的半径为常量，船舶领域的尺度取决于船舶的主要参数，不同船型和吨位船舶的船型参数各异，依据海港总体设计规范[9]选取不同吨级的杂货船、散货船、油船、液化气船、集装箱船、客船为主要研究对象进行研究，所选用的研究船型具体参数见表1。

2.2安全距离分析

通过建立的数学模型，运用MATLAB模拟在不同风流条件下对表1中不同总吨位的杂货船、散货船、油船、液化气船、集装箱船及客船与钻井平台之间的安全距离进行计算，生成各种船舶与钻井平台最小安全距离曲线如图3～8所示。

图3　杂货船与钻井平台安全距离

从图3～8可见，船舶与钻井平台之间的安全距离主要随着船型尺度和风流压差的增大而增大，风流压差在60°～70°之间所需要的安全距离最大。杂货船、散货船、油船、液化气船和客船与钻井平台之间的安全距离都小于1.0 n mile，只有集装箱船与钻井平台之间的安全距离都略大于1.0 n mile。计算结果基本符合在能见度良好的情况下，船舶与附近有显著物标可供定位和避险的危险物，应至少保持1.0 n mile的距离的航海习惯[8]。根据航海经验，通常船舶在海上航行时风流压差不会超过10°，通过船舶与钻井平台安全距离曲线可知，船舶与钻井平台之间的最小安全距离只需保证在0.7 n mile左右即可保证船舶通航安全。因此，钻井平台在选址时距离习惯航线的边线的距离大于1.0 n mile，可以保证过往船舶的正常通航；当钻井平台在选址受到油藏位置限制严重时，钻井平台与习惯航线之间的安全距离可减小到0.7 n mile左右，甚至可根据具体通航船舶的船型尺度进一步减小。

表1　代表船型设计尺度表

图5　油船与钻井平台安全距离

图6　液化气船与钻井平台安全距离

图7　集装箱船与钻井平台安全距离

图8　客船与钻井平台安全距离

3　实例验证分析

锦州21-1WHPA平台[10]位于进出锦州和葫芦岛港的习惯航线附近，通过北方海区AIS(automatic identification system)中心获取的平台附近(自平台中心向右6 670 m长度)的船舶年交通量统计情况见图9。船舶交通量的大小直接反映一个水域船舶交通的规模和繁忙程度，并在一定程度上反映该水域船舶交通的拥挤和危险程度[11]。

图9　锦州21-1WHPA平台附近船舶年交通流统计

通过图9可知，钻井平台周边500 m内主要为油田工作船，钻井平台向右500～1 200 m范围内有少量船舶通航，钻井平台向右约1 300 m(0.7 n mile)外船舶流量明显增大，锦州21-1WHPA平台附近的船舶年交通流统计情况和钻井平台与习惯航线安全距离研究模型的计算结果基本相符。

为使我国沿海水域的船舶航行更安全，降低船舶污染风险，提高水上交通效率，维护国家权益，交通运输部海事局开展了《我国沿海船舶航路规划》的编制工作，其中渤海海区的船舶航路总体规划[12]见图10。从我国渤海船舶航路规划中可以看出，规划航路距离钻井平台的距离基本在1.0 n mile以上，但锦州、渤中和曹妃甸油田群位于习惯航线附近，在进行航路规划时规划航路距离钻井平台较近，具体规划航路边界与钻井平台之间的距离统计结果见表2，统计结果和钻井平台与习惯航线安全距离研究模型的计算结果基本相符。

图10　全国沿海船舶航路总体规划图(渤海部分)

序号平台航路距离/nmile1JZ20-2NW渤海北部-锦州0.12JZ21-1WHPA渤海北部-锦州0.53BZ28-1NW长山水道-天津(西行)0.24BZ28-1SPM长山水道-天津(西行)0.75BZ28-1SW长山水道-天津(东行)0.86BZ28-1SNWHPA长山水道-天津(东行)0.57BZ29-4WHPA长山水道-天津(东行)0.68CFDWHP-E老铁山水道-曹妃甸、天津0.79CFDSPW曹妃甸分道通航制0.710CFDWGP-A曹妃甸分道通航制1.0

4　结论

通过分析不同类型船舶与钻井平台的最近安全距离，确定了钻井平台与习惯航线安全距离的计算模型，计算得出钻井平台在选址时需要距离习惯航线边线约1.0 n mile的距离；当钻井平台在选址受到油藏位置限制严重时，钻井平台与习惯航线之间的安全距离可减小到约0.7 n mile；甚至可根据具体通航船舶的船型尺度进一步减小。目前业界对钻井平台与习惯航线安全距离的研究尚属空白，没有相应的规定和标准可供参考，通常根据航海习惯认为钻井平台与习惯航线的距离在1.0 n mile以上能保证钻井平台安全生产和船舶安全通航，本模型的计算结果为钻井平台的设计方案及通航专家对设计方案的评定提供了参考依据和数据支撑。然而该计算模型有待对能见度不良、突发事件等情况下钻井平台与习惯航线之间安全距离进行进一步研究。

[1] 中华人民共和国交通运输部.中华人民共和国海事局水上水下活动通航安全影响论证与评估管理办法[S]，2011.

[2] 谭箭，李恒志，田博.关于事故性抛锚对海底管线损害的探讨[J]．船海工程，2008，37(1):142-144．

[3] 中华人民共和国天津海事局.津海事(2007)航字3号航行通告[Z].天津：天津海事局，2007.

[4] 贾传荧.拥挤水域内船舶领域的探讨[J]．大连海运学院学报，1989，15(4):15-19．

[5] FUJII Y, TANAKA K. Traffic capacity [J].Journal of Navigation,1971,24:543-552.

[6] GOODWIN E M.A statistical study of ship domains[J].Journal of Navigation,1975,28(3):328-344.

[7] 刘绍满，王宁，吴兆麟.船舶领域研究综述[J]．大连海事大学学报，2011，37(1):51-54．

[8] 郭禹，张吉平.航海学[M]．大连:大连海事大学出版社，2014.

[9] 中华人民共和国交通运输部.JTS165——2013海港总体设计规范[S]，2013.

[10] 刘正江，章文俊，李国帅，等.锦州21-1油气田WHPA平台和锦州20-2凝析气田SW平台设施拆除弃置项目通航安全评估报告[R].大连:大连海事大学，2013.

[11] 翁跃宗，彭国均，张寿桂.船舶交通数据分析及定线制方案表达[J].船海工程，2007，36(2):121-123．

[12] 中华人民共和国交通运输部.全国沿海船舶航路总体规划[Z]，2011.

Determination of the Safety Distance between Drilling Platform and Customary Route

LI Guo-shuai, ZHANG Wen-jun, YIN Jian-chuan

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

To reduce the cost of oilfield development and to ensure ship navigation safety, an improved Fujii ship domain model is proposed by combining the drilling platform safety zone analysis and the influences of environmental factors such as wind and current. The resulted ship domain model is used for determining the safety distance between drilling platform and customary shipping route. The minimum safety distance calculated by using the improved ship domain model consistent well with the actual distance between the platform with the ship traffic statistics, as well as with the stipulated shipping route.

ship domain; drilling platform; customary route; safety distance

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.040

2015-10-08

2015-10-20

辽宁省自然科学基金项目(2014025008)；

李国帅(1981-),男，硕士，讲师

U676.1

A

1671-7953(2016)01-0186-05

辽宁省教育厅科学研究一般项目

(L2014214)

研究方向:通航安全与航海技术

E-mail:18941136667@189.cn