海上油气田生产设施安全防范系统研究及应用

丁 一

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300450）

0 引言

近年来我国海洋石油工业快速发展，探明石油天然气地质储量屡创新高，油气产量持续增长。在这一过程中，我国海上油气田生产设施数量和船舶数量快速增长，并呈现出规模化、大型化的发展趋势，同时由于海上油气田开发生产环境日益复杂，航行船舶与海上石油平台之间的碰撞概率及船舶之间的碰撞概率明显增加[1]。另外，受到其他海上船舶影响，海上石油平台、海底输油管线、地震电缆以及浮式生产储油轮等生产设施面临的风险日益增加，这既给海上油气田安全高效生产带来了挑战，也成为海洋环境的潜在威胁。

通过梳理近年来我国海上油气田生产设施相关安全事故发现，过去的安全防控主要集中在内部安全方面，较少关注外来船舶、水下不明物体等外部隐患。防控措施主要采用肉眼观察等方式监控水面及空中的目标，对于水下的目标监控基本上处于空白状态，手段落后、技术较为单一，风险防控意识不强[2-3]。为了提升海上油气田生产设施的安全性和稳定性，有必要开展生产设施安全防范系统研究。

1 海上油气田生产设施安全防范系统及关键技术

1.1 防范系统现状

随着我国海洋石油工业以及海上交通运输业的不断发展，海上油气田附近航行环境日益复杂，航道、通航密集区等与海上油气田生产设施的冲突越来越多，这给海上油气田的安全生产带来安全隐患。尤其是距离航道距离较小的海上石油平台，与航行船舶发生碰撞的概率较大，如何采取有效措施规避船舶碰撞成为海上油气田安全生产重点思考的问题。同时，海底管道长度不断增加，平台与平台之间以及平台与陆地终端之间的海底管道日益复杂，在部分情况下受到海底地形限制管道必须要穿过已有航道，增加了海底管道受损的风险[4]。

基于当前生产设施安全防范要求，我国海上油气田借鉴国外安全防控理念，提出了“主动防御、准确测报、防范未然、规避事故”的十六字方针，通过应用数据采集技术、视频联动监控报警技术、远程监控技术，如AIS（Automatic Identification System，船舶自动识别系统）、自动雷达标绘仪系统、红外成像监视系统、水声监测系统等，形成了一套系统完善的生产设施安全防范系统，可以对海上石油平台以及海底管道等生产设施附近目标进行全程监控并进行自动报警，有助于在发现风险隐患时及时采取有效的应对措施，避免生产设施被外部不明船只或抛锚作业等损坏。目前该生产设施安全防范系统主要应用于习惯航道区保护、密集油田区保护、长输管道保护等方面。

1.2 安全防范关键技术

1.2.1 AIS

AIS 是在先进网络信息技术支持下形成的一种新型助航系统和海上安全信息系统，其在VHF（Very-High Frequency，甚高频）海上频段进行自动识别应答，可以显著提升船舶交通管理效率，保障船舶航行安全。按照国际海上人命安全公约第五章相关内容要求，所有2002 年7 月1 日之后建造的吨位超过300 t的国际航运船舶以及吨位超过500 t 的非国际航运船舶，均需要强制性安装AIS 系统。中国海事局考虑我国具体国情，于2003 年建设沿海的AIS 船舶自动识别岸基系统，包括国家级AIS 数据中心、海区管理维护中心以及大量的岸台基站，目前我国已经形成了亚洲最大的沿海AIS 系统网络，可以有效覆盖我国沿海主要水域以及港口，实现数据的实时传输、存储以及查询。

AIS 可以实现船舶与船舶以及船舶与海岸之间的信息互换，构成包括AIS 船台、基站、数据链、计算机网络以及信息系统等。其中，船台和基站共同构成AIS 台站，其具体由GPS/DGPS 模块、数据处理器以及调制解调器等模块组成，船台系统可以实时传送航行船舶的信息（包括动静态信息以及安全信息等），基站系统可以实时传送中转船舶以及交管信息，从而为船舶航行安全提供信息支持。

1.2.2 自动雷达标绘仪系统

在大雾天气及夜间等能见度较低的环境中航行时，为了保障船舶行业安全，可以采用船用雷达来对目标进行探测和测量，以有效避免船舶与其他物体发生碰撞。在一定的距离范围内，船用雷达可以对海岸、礁石、航行船舶以及浮标等距离和方向进行准确测量，并且可以基于航线情况进行实时显示，为船舶航行提供引导。随着网络信息技术的快速发展，自动雷达标绘仪系统诞生并实现成功应用，它包括常规常用雷达、计程仪及罗经等，可以对多个目标进行捕捉跟踪，并通过矢量方式显示目标的航向、航速，同时还具有危险风险、预警等多种功能。

1.2.3 AIS 与雷达系统的比较

1.2.3.1 AIS 的4 个优势

（1）可以自动识别目标并准确了解船舶的目的港，便于船舶之间的沟通。

（2）采用VHF 进行目标数据传输，其对目标的探测能力大幅提升，同时可以检测到被陆地以及其他障碍物所遮挡的船舶，减少监测盲区。

（3）通过GPS 获取目标数据，具有非常高的数据精度，特别是在频繁操作较为复杂的通航环境中，AIS可以及时掌握碰撞危险。

（4）雷达信号容易受到雨雪以及海浪等复杂环境的影响，而AIS 的GPS 数据不会受到这些干扰的影响，具有更高的稳定性和可靠性。

1.2.3.2 AIS 不能取代雷达系统的原因

（1）对于没有按照规定安装AIS 设备或关闭AIS设备的船舶，AIS 系统不能进行识别。

（2）雷达系统是一种自主的监测跟踪技术，能够获取全水域交通图像，包括运动目标和静止目标。

（3）AIS 系统中GPS 数据为天线所在点的船舶运动数据，在图像显示上船舶仅表现为一个点，而雷达系统可以对船舶的大小和形状进行反馈。

2 海上油气田生产设施安全防范系统的应用

2.1 在海上平台防碰撞中的应用

按照《1972 年国际海上避碰规则公约》，海上航行船舶为了保障安全性应与碍航物之间最小保持3.1 km的会遇距离，基于此，可以在海上平台周边安全作业区、警戒区以及排它区分别设置相应的通航安全区、控制区和禁航区，并将其在海事图上公开显示。通常将海上石油平台最外缘生产设施的外边线扩500 m 作为禁航区，将禁航区向外扩3100 m 作为通航控制区，通航控制区外侧为通航安全区（图1）。

图1 海上石油平台通航安全区、控制区和禁航区示意

本文以单个海上石油平台和船舶为例，论述它们如何通过AIS 实现防碰撞。

（1）船舶从港口出发之后，在其还未进入海上平台AIS 系统辐射区域内（通常距离为46.3 km），船舶与海上平台之间虽然无法识别对方存在，但是由于两者距离较远，因此没有碰撞的风险（图2）。

图2 船舶在海上平台AIS 系统辐射区域外

（2）随着船舶与海上平台之间的距离不断减小，船舶与海上平台之间可以相互识别对方的存在并可以沟通，但是船舶此时在平台通航安全区范围内，这时平台安全管理人员只需要观察船舶的动向，双方均无须采取防碰撞措施（图3）。

图3 船舶在海上平台通航安全区范围内

（3）待船舶驶入海上平台的通航控制区之后，AIS船舶自动识别系统进行预警。在非必要情况下船舶不能驶入海上平台的通航控制区，在必要情况下船舶确实需要驶入海上平台的通航控制区，需要向海上平台控制中心报告，并且听从海上平台控制中心指挥，禁止会遇、追越和抛锚，并将航速控制在一定范围内（图4）。

图4 船舶驶入海上平台通航控制区

（4）如果船舶驶入了海上平台禁航区，船舶与海上平台之间的距离非常近，两者发生碰撞的风险非常高，此时船舶和海上平台均应基于AIS 系统识别报警信息，及时采取有效的防碰撞措施，避免发生碰撞（图5）。在非特殊情况下，严禁船舶驶入海上平台禁航区。

图5 船舶驶入海上平台禁航区

海上油气田安全生产除了关注平台安全外，还需要密切关注海管以及电缆等设施的安全。通常来说对于海底管道，规定其上方200 m 范围内为作业禁止区、200～500 m 为作业警戒区、500～1000 m 为作业监测区、大于1000 m 为作业安全区。通过对海上油气田生产设施安装相应的安全防范系统，可以实现对海上平台、海底管道区域范围内水面以及水下目标的实时监测，对于进入海上平台通航控制区、海底管道作业警戒区的目标及时进行目标跟踪分析，并给出相应的警戒信息，为安全决策提供依据，及时消除各种危险因素，实现主动安全防范。

2.2 应用案例

目前渤海海域的船舶基本上安装了AIS 系统，渤海某油田以AIS 系统为主、以船用雷达为辅，构建了完善的生产设施安全防范系统，避免油田生产设施与船舶发生碰撞。

在系统硬件方面，油田配置了1 套AIS 系统和1套船用雷达系统，可以发布自身信息和采集目标信息。该油田AIS 系统与目前船舶上的AIS 系统保持一致，通过VHF 频段固定时间间隔向外发布平台MMSI 码等信息。海上航行的船舶一旦进入AIS 覆盖区，便可以获得海上油气田向外发布的相关信息、了解平台位置，然后将其作为一个障碍物采用有效的避让措施，避免发生碰撞。考虑到部分船舶出于某些原因可能没有安装或临时关闭了AIS 系统，当船舶进入海上油气田AIS 覆盖范围后，双方均无法通过AIS 系统获取对方信息，这时需要通过船用雷达系统进行监测，在确认对方为危险障碍物的情况下，海上平台与船舶之间可以通过VHF 进行沟通，有助于船舶提前降低航速或转变航向，避免发生碰撞事故。安装在海上油气田陆地终端的AIS 系统和雷达系统，可以有效监测登录管线以及在关键区域内航行的船舶，如果发现异常及时进行预警，便于安全管理人员及时采取有效的应对措施。

在系统软件方面，该油田在海上平台中控安装了1 套AIS 系统，可以处理AIS 以及船用雷达系统产生的预警信号，并将结果显示在电子海图上，有效监测往来船舶。陆地终端预警中心提前对油田平台以及海底管道等生产设施位置进行标绘、明确报警区域，如果船舶等其他目标进入报警区域后系统自动进行声音报警，并在屏幕上闪烁提示。

3 结束语

随着我国海洋石油工业的发展海上油气田开发生产环境日益复杂，给油气田生产设施安全稳定运行带来了挑战。本文提出的海上油气田生产设施安全防范系统，应用AIS 自动识别技术、自动雷达标绘仪技术等，可以实现对生产设施的全面立体监测，为海上油气田的安全高效生产提供支持，同时为平台智能安全防范系统建设奠定基础。目前该系统已经在我国部分海上油气田得到成功应用，取得了良好成效，但是该系统尚处于初步应用阶段，还有待于进一步完善。