海上油氣田生產設施安全防范系統(tǒng)研究及應用

丁 一

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300450）

0 引言

近年來我國海洋石油工業(yè)快速發(fā)展，探明石油天然氣地質儲量屢創(chuàng)新高，油氣產量持續(xù)增長。在這一過程中，我國海上油氣田生產設施數量和船舶數量快速增長，并呈現出規(guī)?；⒋笮突陌l(fā)展趨勢，同時由于海上油氣田開發(fā)生產環(huán)境日益復雜，航行船舶與海上石油平臺之間的碰撞概率及船舶之間的碰撞概率明顯增加[1]。另外，受到其他海上船舶影響，海上石油平臺、海底輸油管線、地震電纜以及浮式生產儲油輪等生產設施面臨的風險日益增加，這既給海上油氣田安全高效生產帶來了挑戰(zhàn)，也成為海洋環(huán)境的潛在威脅。

通過梳理近年來我國海上油氣田生產設施相關安全事故發(fā)現，過去的安全防控主要集中在內部安全方面，較少關注外來船舶、水下不明物體等外部隱患。防控措施主要采用肉眼觀察等方式監(jiān)控水面及空中的目標，對于水下的目標監(jiān)控基本上處于空白狀態(tài)，手段落后、技術較為單一，風險防控意識不強[2-3]。為了提升海上油氣田生產設施的安全性和穩(wěn)定性，有必要開展生產設施安全防范系統(tǒng)研究。

1 海上油氣田生產設施安全防范系統(tǒng)及關鍵技術

1.1 防范系統(tǒng)現狀

隨著我國海洋石油工業(yè)以及海上交通運輸業(yè)的不斷發(fā)展，海上油氣田附近航行環(huán)境日益復雜，航道、通航密集區(qū)等與海上油氣田生產設施的沖突越來越多，這給海上油氣田的安全生產帶來安全隱患。尤其是距離航道距離較小的海上石油平臺，與航行船舶發(fā)生碰撞的概率較大，如何采取有效措施規(guī)避船舶碰撞成為海上油氣田安全生產重點思考的問題。同時，海底管道長度不斷增加，平臺與平臺之間以及平臺與陸地終端之間的海底管道日益復雜，在部分情況下受到海底地形限制管道必須要穿過已有航道，增加了海底管道受損的風險[4]。

基于當前生產設施安全防范要求，我國海上油氣田借鑒國外安全防控理念，提出了“主動防御、準確測報、防范未然、規(guī)避事故”的十六字方針，通過應用數據采集技術、視頻聯動監(jiān)控報警技術、遠程監(jiān)控技術，如AIS（Automatic Identification System，船舶自動識別系統(tǒng)）、自動雷達標繪儀系統(tǒng)、紅外成像監(jiān)視系統(tǒng)、水聲監(jiān)測系統(tǒng)等，形成了一套系統(tǒng)完善的生產設施安全防范系統(tǒng)，可以對海上石油平臺以及海底管道等生產設施附近目標進行全程監(jiān)控并進行自動報警，有助于在發(fā)現風險隱患時及時采取有效的應對措施，避免生產設施被外部不明船只或拋錨作業(yè)等損壞。目前該生產設施安全防范系統(tǒng)主要應用于習慣航道區(qū)保護、密集油田區(qū)保護、長輸管道保護等方面。

1.2 安全防范關鍵技術

1.2.1 AIS

AIS 是在先進網絡信息技術支持下形成的一種新型助航系統(tǒng)和海上安全信息系統(tǒng)，其在VHF（Very-High Frequency，甚高頻）海上頻段進行自動識別應答，可以顯著提升船舶交通管理效率，保障船舶航行安全。按照國際海上人命安全公約第五章相關內容要求，所有2002 年7 月1 日之后建造的噸位超過300 t的國際航運船舶以及噸位超過500 t 的非國際航運船舶，均需要強制性安裝AIS 系統(tǒng)。中國海事局考慮我國具體國情，于2003 年建設沿海的AIS 船舶自動識別岸基系統(tǒng)，包括國家級AIS 數據中心、海區(qū)管理維護中心以及大量的岸臺基站，目前我國已經形成了亞洲最大的沿海AIS 系統(tǒng)網絡，可以有效覆蓋我國沿海主要水域以及港口，實現數據的實時傳輸、存儲以及查詢。

AIS 可以實現船舶與船舶以及船舶與海岸之間的信息互換，構成包括AIS 船臺、基站、數據鏈、計算機網絡以及信息系統(tǒng)等。其中，船臺和基站共同構成AIS 臺站，其具體由GPS/DGPS 模塊、數據處理器以及調制解調器等模塊組成，船臺系統(tǒng)可以實時傳送航行船舶的信息（包括動靜態(tài)信息以及安全信息等），基站系統(tǒng)可以實時傳送中轉船舶以及交管信息，從而為船舶航行安全提供信息支持。

1.2.2 自動雷達標繪儀系統(tǒng)

在大霧天氣及夜間等能見度較低的環(huán)境中航行時，為了保障船舶行業(yè)安全，可以采用船用雷達來對目標進行探測和測量，以有效避免船舶與其他物體發(fā)生碰撞。在一定的距離范圍內，船用雷達可以對海岸、礁石、航行船舶以及浮標等距離和方向進行準確測量，并且可以基于航線情況進行實時顯示，為船舶航行提供引導。隨著網絡信息技術的快速發(fā)展，自動雷達標繪儀系統(tǒng)誕生并實現成功應用，它包括常規(guī)常用雷達、計程儀及羅經等，可以對多個目標進行捕捉跟蹤，并通過矢量方式顯示目標的航向、航速，同時還具有危險風險、預警等多種功能。

1.2.3 AIS 與雷達系統(tǒng)的比較

1.2.3.1 AIS 的4 個優(yōu)勢

（1）可以自動識別目標并準確了解船舶的目的港，便于船舶之間的溝通。

（2）采用VHF 進行目標數據傳輸，其對目標的探測能力大幅提升，同時可以檢測到被陸地以及其他障礙物所遮擋的船舶，減少監(jiān)測盲區(qū)。

（3）通過GPS 獲取目標數據，具有非常高的數據精度，特別是在頻繁操作較為復雜的通航環(huán)境中，AIS可以及時掌握碰撞危險。

（4）雷達信號容易受到雨雪以及海浪等復雜環(huán)境的影響，而AIS 的GPS 數據不會受到這些干擾的影響，具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。

1.2.3.2 AIS 不能取代雷達系統(tǒng)的原因

（1）對于沒有按照規(guī)定安裝AIS 設備或關閉AIS設備的船舶，AIS 系統(tǒng)不能進行識別。

（2）雷達系統(tǒng)是一種自主的監(jiān)測跟蹤技術，能夠獲取全水域交通圖像，包括運動目標和靜止目標。

（3）AIS 系統(tǒng)中GPS 數據為天線所在點的船舶運動數據，在圖像顯示上船舶僅表現為一個點，而雷達系統(tǒng)可以對船舶的大小和形狀進行反饋。

2 海上油氣田生產設施安全防范系統(tǒng)的應用

2.1 在海上平臺防碰撞中的應用

按照《1972 年國際海上避碰規(guī)則公約》，海上航行船舶為了保障安全性應與礙航物之間最小保持3.1 km的會遇距離，基于此，可以在海上平臺周邊安全作業(yè)區(qū)、警戒區(qū)以及排它區(qū)分別設置相應的通航安全區(qū)、控制區(qū)和禁航區(qū)，并將其在海事圖上公開顯示。通常將海上石油平臺最外緣生產設施的外邊線擴500 m 作為禁航區(qū)，將禁航區(qū)向外擴3100 m 作為通航控制區(qū)，通航控制區(qū)外側為通航安全區(qū)（圖1）。

圖1 海上石油平臺通航安全區(qū)、控制區(qū)和禁航區(qū)示意

本文以單個海上石油平臺和船舶為例，論述它們如何通過AIS 實現防碰撞。

（1）船舶從港口出發(fā)之后，在其還未進入海上平臺AIS 系統(tǒng)輻射區(qū)域內（通常距離為46.3 km），船舶與海上平臺之間雖然無法識別對方存在，但是由于兩者距離較遠，因此沒有碰撞的風險（圖2）。

圖2 船舶在海上平臺AIS 系統(tǒng)輻射區(qū)域外

（2）隨著船舶與海上平臺之間的距離不斷減小，船舶與海上平臺之間可以相互識別對方的存在并可以溝通，但是船舶此時在平臺通航安全區(qū)范圍內，這時平臺安全管理人員只需要觀察船舶的動向，雙方均無須采取防碰撞措施（圖3）。

圖3 船舶在海上平臺通航安全區(qū)范圍內

（3）待船舶駛入海上平臺的通航控制區(qū)之后，AIS船舶自動識別系統(tǒng)進行預警。在非必要情況下船舶不能駛入海上平臺的通航控制區(qū)，在必要情況下船舶確實需要駛入海上平臺的通航控制區(qū)，需要向海上平臺控制中心報告，并且聽從海上平臺控制中心指揮，禁止會遇、追越和拋錨，并將航速控制在一定范圍內（圖4）。

圖4 船舶駛入海上平臺通航控制區(qū)

（4）如果船舶駛入了海上平臺禁航區(qū)，船舶與海上平臺之間的距離非常近，兩者發(fā)生碰撞的風險非常高，此時船舶和海上平臺均應基于AIS 系統(tǒng)識別報警信息，及時采取有效的防碰撞措施，避免發(fā)生碰撞（圖5）。在非特殊情況下，嚴禁船舶駛入海上平臺禁航區(qū)。

圖5 船舶駛入海上平臺禁航區(qū)

海上油氣田安全生產除了關注平臺安全外，還需要密切關注海管以及電纜等設施的安全。通常來說對于海底管道，規(guī)定其上方200 m 范圍內為作業(yè)禁止區(qū)、200～500 m 為作業(yè)警戒區(qū)、500～1000 m 為作業(yè)監(jiān)測區(qū)、大于1000 m 為作業(yè)安全區(qū)。通過對海上油氣田生產設施安裝相應的安全防范系統(tǒng)，可以實現對海上平臺、海底管道區(qū)域范圍內水面以及水下目標的實時監(jiān)測，對于進入海上平臺通航控制區(qū)、海底管道作業(yè)警戒區(qū)的目標及時進行目標跟蹤分析，并給出相應的警戒信息，為安全決策提供依據，及時消除各種危險因素，實現主動安全防范。

2.2 應用案例

目前渤海海域的船舶基本上安裝了AIS 系統(tǒng)，渤海某油田以AIS 系統(tǒng)為主、以船用雷達為輔，構建了完善的生產設施安全防范系統(tǒng)，避免油田生產設施與船舶發(fā)生碰撞。

在系統(tǒng)硬件方面，油田配置了1 套AIS 系統(tǒng)和1套船用雷達系統(tǒng)，可以發(fā)布自身信息和采集目標信息。該油田AIS 系統(tǒng)與目前船舶上的AIS 系統(tǒng)保持一致，通過VHF 頻段固定時間間隔向外發(fā)布平臺MMSI 碼等信息。海上航行的船舶一旦進入AIS 覆蓋區(qū)，便可以獲得海上油氣田向外發(fā)布的相關信息、了解平臺位置，然后將其作為一個障礙物采用有效的避讓措施，避免發(fā)生碰撞?？紤]到部分船舶出于某些原因可能沒有安裝或臨時關閉了AIS 系統(tǒng)，當船舶進入海上油氣田AIS 覆蓋范圍后，雙方均無法通過AIS 系統(tǒng)獲取對方信息，這時需要通過船用雷達系統(tǒng)進行監(jiān)測，在確認對方為危險障礙物的情況下，海上平臺與船舶之間可以通過VHF 進行溝通，有助于船舶提前降低航速或轉變航向，避免發(fā)生碰撞事故。安裝在海上油氣田陸地終端的AIS 系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)，可以有效監(jiān)測登錄管線以及在關鍵區(qū)域內航行的船舶，如果發(fā)現異常及時進行預警，便于安全管理人員及時采取有效的應對措施。

在系統(tǒng)軟件方面，該油田在海上平臺中控安裝了1 套AIS 系統(tǒng)，可以處理AIS 以及船用雷達系統(tǒng)產生的預警信號，并將結果顯示在電子海圖上，有效監(jiān)測往來船舶。陸地終端預警中心提前對油田平臺以及海底管道等生產設施位置進行標繪、明確報警區(qū)域，如果船舶等其他目標進入報警區(qū)域后系統(tǒng)自動進行聲音報警，并在屏幕上閃爍提示。

3 結束語

隨著我國海洋石油工業(yè)的發(fā)展海上油氣田開發(fā)生產環(huán)境日益復雜，給油氣田生產設施安全穩(wěn)定運行帶來了挑戰(zhàn)。本文提出的海上油氣田生產設施安全防范系統(tǒng)，應用AIS 自動識別技術、自動雷達標繪儀技術等，可以實現對生產設施的全面立體監(jiān)測，為海上油氣田的安全高效生產提供支持，同時為平臺智能安全防范系統(tǒng)建設奠定基礎。目前該系統(tǒng)已經在我國部分海上油氣田得到成功應用，取得了良好成效，但是該系統(tǒng)尚處于初步應用階段，還有待于進一步完善。