李國帥，章文俊，尹建川

(大連海事大學 航海學院,遼寧 大連 116026)

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固定式平臺與習慣航線安全距離確定

李國帥，章文俊，尹建川

(大連海事大學 航海學院,遼寧 大連 116026)

為縮減油田開發(fā)成本并保障船舶通航安全，結(jié)合鉆井平臺的安全區(qū)和風流要素，對藤井船舶領(lǐng)域模型進行修正，提出一種確定鉆井平臺與習慣航線安全距離的計算模型。該模型計算結(jié)果基本與船舶交通流統(tǒng)計情況及規(guī)劃航路與已建鉆井平臺之間的距離相符。

船舶領(lǐng)域；鉆井平臺；習慣航線；安全距離

隨著近海石油及天然氣產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，鉆井平臺在沿海水域逐漸增多，油田的開采與船舶安全通航的矛盾日益突出?！吨腥A人民共和國海事局水上水下活動通航安全影響論證與評估管理辦法》[1]明確提出對設(shè)置海上鉆井平臺要重點論證平臺與附近水域船舶習慣航線的相互影響。目前國內(nèi)對鉆井平臺與習慣航線的安全距離沒有相應(yīng)的規(guī)定和標準可以參考，對于油藏處于習慣航線附近的情況，保障船舶通航安全和縮減油田開發(fā)成本相互制約。因此，有必要對鉆井平臺與習慣航線的安全距離進行量化研究，給鉆井平臺的設(shè)計方案及通航專家對設(shè)計方案的評定提供數(shù)據(jù)支撐。

1　研究模型

1.1鉆井平臺安全區(qū)

鉆井平臺上裝有鉆井、動力、通信、導(dǎo)航等設(shè)備，鉆井平臺的周邊設(shè)有海底石油管線[2]，油田工作船和提油船會在鉆井平臺周邊進行靠離作業(yè)。為了確保船舶航行及油田生產(chǎn)的安全，通常海事主管機關(guān)將鉆井平臺的周邊劃定為安全區(qū)，與海上石油作業(yè)無關(guān)的船舶禁止進入安全區(qū)范圍內(nèi)。海事主管機關(guān)通常將以固定式鉆井平臺為中心，500 m長為半徑的范圍劃定為鉆井平臺的安全區(qū)，非油田作業(yè)船舶禁止進入安全區(qū)[3]。

1.2船舶領(lǐng)域模型

習慣航線是指船舶經(jīng)常(包括季節(jié)性)通航的水域，由航海者長期航行實踐形成，船舶在沿海水域通常按照習慣航線航行。研究鉆井平臺與習慣航線安全距離可以通過研究船舶距離鉆井平臺的最近距離確定。船舶在航行時不是一個點，也不是一條線，而是存在一個保證航行安全、避免碰撞事故的船舶領(lǐng)域[4]。20世紀60年代初，日本學者藤井等[5]首先提出了船舶領(lǐng)域的概念。70年代中，英國學者E. M. Goodwin[6]證實了船舶領(lǐng)域的存在。目前，船舶領(lǐng)域的研究基本可劃分為基于統(tǒng)計方法、基于解析表達和基于智能技術(shù)的船舶領(lǐng)域三類[7]。藤井提出的船舶領(lǐng)域是眾多研究中最典型之一，藤井根據(jù)長期以來多次觀察日本沿海水道的交通實況，提出的以本船為中心的，長半軸沿首尾方向，短半軸沿船舶正橫方向的橢圓形船舶領(lǐng)域模型。其船舶領(lǐng)域尺寸的數(shù)值為7倍船長(長軸)/3倍船長(短軸)，通常航行條件下被追越船舶的領(lǐng)域尺寸為8L(L為船長)/(3.2L)(見圖1a)。當航行在需要減速的港口內(nèi)部和狹窄的海峽時，船舶領(lǐng)域尺寸減小到6L/(1.6L)(見圖1b)[5]。

圖1　藤井船舶領(lǐng)域模型

1.3安全距離研究模型建立

為了保證油田的安全生產(chǎn)作業(yè)和平臺周邊船舶的通航安全，鉆井平臺在設(shè)計立項時要與附近習慣航線保持足夠的安全距離，即需要確保平臺安全區(qū)在習慣航線上航行船舶的安全領(lǐng)域之外。鉆井平臺安全區(qū)通常為500 m長為半徑的圓形區(qū)域，而船舶領(lǐng)域是隨著船型參數(shù)而變化的橢圓區(qū)域，為了保證船舶的安全通航和油田的安全生產(chǎn)，船舶領(lǐng)域的橢圓形區(qū)域與鉆井平臺安全區(qū)的圓形區(qū)域臨界距離為兩者相切，因此，求取鉆井平臺與習慣航線之間的安全距離可轉(zhuǎn)變?yōu)榍笕∫粋€圓的圓心與一個橢圓圓心之間的最小距離的問題(見圖2a)。

圖2　船舶與平臺安全距離

船舶在海上航行受風、流影響可能產(chǎn)生的橫向漂移。船舶受風的影響產(chǎn)生風壓差，影響風壓差大小的因素多而復(fù)雜，經(jīng)過實測并用統(tǒng)計學方法可得到如下求風壓差的經(jīng)驗公式。

(1)

式中：α——風壓差角，(°)；

K——風壓差系數(shù)，(°)；

VW，VL——風速和船速，m/s；

QW——風舷角，(°)。

船舶受流的影響產(chǎn)生流壓β，流壓差的大小一般通過作圖法或直接觀測法求取。風壓差α和流壓差β的代數(shù)和為風流壓差γ[8]。即

(2)

為了防止船舶偏離計劃航線，船舶可以根據(jù)風流情況預(yù)配風流壓差，從而使船舶實際航向與計劃航向不一致，在該情形下，船舶領(lǐng)域?qū)⒁源皩嶋H航跡方向上為長軸，以與長軸垂直的方向為短軸，即船舶領(lǐng)域模型由圖2b)中的虛線橢圓修正為實線橢圓。此時為了保證航行安全，船舶中心至鉆井平臺中心的最小安全距離為

(3)

式中：Dmin——船舶中心至平臺中心的最小安全距離，m；

M——平臺的安全區(qū)半徑，m；

a——船舶領(lǐng)域長軸方向的放大倍數(shù)；

b——船舶領(lǐng)域短軸方向的放大倍數(shù)；

L——船長，m；

γ——為風流壓差角，(°)。

2　安全距離

2.1研究參數(shù)的選取

所建立的研究模型表明，鉆井平臺與習慣航線之間的安全距離主要取決于鉆井平臺安全區(qū)的半徑、船舶領(lǐng)域的尺度和所在水域的風流等自然因素。鉆井平臺安全區(qū)的半徑為常量，船舶領(lǐng)域的尺度取決于船舶的主要參數(shù)，不同船型和噸位船舶的船型參數(shù)各異，依據(jù)海港總體設(shè)計規(guī)范[9]選取不同噸級的雜貨船、散貨船、油船、液化氣船、集裝箱船、客船為主要研究對象進行研究，所選用的研究船型具體參數(shù)見表1。

2.2安全距離分析

通過建立的數(shù)學模型，運用MATLAB模擬在不同風流條件下對表1中不同總噸位的雜貨船、散貨船、油船、液化氣船、集裝箱船及客船與鉆井平臺之間的安全距離進行計算，生成各種船舶與鉆井平臺最小安全距離曲線如圖3～8所示。

圖3　雜貨船與鉆井平臺安全距離

從圖3～8可見，船舶與鉆井平臺之間的安全距離主要隨著船型尺度和風流壓差的增大而增大，風流壓差在60°～70°之間所需要的安全距離最大。雜貨船、散貨船、油船、液化氣船和客船與鉆井平臺之間的安全距離都小于1.0 n mile，只有集裝箱船與鉆井平臺之間的安全距離都略大于1.0 n mile。計算結(jié)果基本符合在能見度良好的情況下，船舶與附近有顯著物標可供定位和避險的危險物，應(yīng)至少保持1.0 n mile的距離的航海習慣[8]。根據(jù)航海經(jīng)驗，通常船舶在海上航行時風流壓差不會超過10°，通過船舶與鉆井平臺安全距離曲線可知，船舶與鉆井平臺之間的最小安全距離只需保證在0.7 n mile左右即可保證船舶通航安全。因此，鉆井平臺在選址時距離習慣航線的邊線的距離大于1.0 n mile，可以保證過往船舶的正常通航；當鉆井平臺在選址受到油藏位置限制嚴重時，鉆井平臺與習慣航線之間的安全距離可減小到0.7 n mile左右，甚至可根據(jù)具體通航船舶的船型尺度進一步減小。

表1　代表船型設(shè)計尺度表

圖5　油船與鉆井平臺安全距離

圖6　液化氣船與鉆井平臺安全距離

圖7　集裝箱船與鉆井平臺安全距離

圖8　客船與鉆井平臺安全距離

3　實例驗證分析

錦州21-1WHPA平臺[10]位于進出錦州和葫蘆島港的習慣航線附近，通過北方海區(qū)AIS(automatic identification system)中心獲取的平臺附近(自平臺中心向右6 670 m長度)的船舶年交通量統(tǒng)計情況見圖9。船舶交通量的大小直接反映一個水域船舶交通的規(guī)模和繁忙程度，并在一定程度上反映該水域船舶交通的擁擠和危險程度[11]。

圖9　錦州21-1WHPA平臺附近船舶年交通流統(tǒng)計

通過圖9可知，鉆井平臺周邊500 m內(nèi)主要為油田工作船，鉆井平臺向右500～1 200 m范圍內(nèi)有少量船舶通航，鉆井平臺向右約1 300 m(0.7 n mile)外船舶流量明顯增大，錦州21-1WHPA平臺附近的船舶年交通流統(tǒng)計情況和鉆井平臺與習慣航線安全距離研究模型的計算結(jié)果基本相符。

為使我國沿海水域的船舶航行更安全，降低船舶污染風險，提高水上交通效率，維護國家權(quán)益，交通運輸部海事局開展了《我國沿海船舶航路規(guī)劃》的編制工作，其中渤海海區(qū)的船舶航路總體規(guī)劃[12]見圖10。從我國渤海船舶航路規(guī)劃中可以看出，規(guī)劃航路距離鉆井平臺的距離基本在1.0 n mile以上，但錦州、渤中和曹妃甸油田群位于習慣航線附近，在進行航路規(guī)劃時規(guī)劃航路距離鉆井平臺較近，具體規(guī)劃航路邊界與鉆井平臺之間的距離統(tǒng)計結(jié)果見表2，統(tǒng)計結(jié)果和鉆井平臺與習慣航線安全距離研究模型的計算結(jié)果基本相符。

圖10　全國沿海船舶航路總體規(guī)劃圖(渤海部分)

序號平臺航路距離/nmile1JZ20-2NW渤海北部-錦州0.12JZ21-1WHPA渤海北部-錦州0.53BZ28-1NW長山水道-天津(西行)0.24BZ28-1SPM長山水道-天津(西行)0.75BZ28-1SW長山水道-天津(東行)0.86BZ28-1SNWHPA長山水道-天津(東行)0.57BZ29-4WHPA長山水道-天津(東行)0.68CFDWHP-E老鐵山水道-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　結(jié)論

通過分析不同類型船舶與鉆井平臺的最近安全距離，確定了鉆井平臺與習慣航線安全距離的計算模型，計算得出鉆井平臺在選址時需要距離習慣航線邊線約1.0 n mile的距離；當鉆井平臺在選址受到油藏位置限制嚴重時，鉆井平臺與習慣航線之間的安全距離可減小到約0.7 n mile；甚至可根據(jù)具體通航船舶的船型尺度進一步減小。目前業(yè)界對鉆井平臺與習慣航線安全距離的研究尚屬空白，沒有相應(yīng)的規(guī)定和標準可供參考，通常根據(jù)航海習慣認為鉆井平臺與習慣航線的距離在1.0 n mile以上能保證鉆井平臺安全生產(chǎn)和船舶安全通航，本模型的計算結(jié)果為鉆井平臺的設(shè)計方案及通航專家對設(shè)計方案的評定提供了參考依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。然而該計算模型有待對能見度不良、突發(fā)事件等情況下鉆井平臺與習慣航線之間安全距離進行進一步研究。

[1] 中華人民共和國交通運輸部.中華人民共和國海事局水上水下活動通航安全影響論證與評估管理辦法[S]，2011.

[2] 譚箭，李恒志，田博.關(guān)于事故性拋錨對海底管線損害的探討[J]．船海工程，2008，37(1):142-144．

[3] 中華人民共和國天津海事局.津海事(2007)航字3號航行通告[Z].天津：天津海事局，2007.

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[8] 郭禹，張吉平.航海學[M]．大連:大連海事大學出版社，2014.

[9] 中華人民共和國交通運輸部.JTS165——2013海港總體設(shè)計規(guī)范[S]，2013.

[10] 劉正江，章文俊，李國帥，等.錦州21-1油氣田WHPA平臺和錦州20-2凝析氣田SW平臺設(shè)施拆除棄置項目通航安全評估報告[R].大連:大連海事大學，2013.

[11] 翁躍宗，彭國均，張壽桂.船舶交通數(shù)據(jù)分析及定線制方案表達[J].船海工程，2007，36(2):121-123．

[12] 中華人民共和國交通運輸部.全國沿海船舶航路總體規(guī)劃[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

遼寧省自然科學基金項目(2014025008)；

李國帥(1981-),男，碩士，講師

U676.1

A

1671-7953(2016)01-0186-05

遼寧省教育廳科學研究一般項目

(L2014214)

研究方向:通航安全與航海技術(shù)

E-mail:18941136667@189.cn