摘 要

近年来，随着海洋油气开采的需求、投资力度不断增大，海上钻井平台等采油、储油设备的数量逐渐增多。当海上钻井平台建设在习惯航路附近时，由于其生产、作业特性，一旦发生火灾爆炸、与船舶间碰撞等事故，其后果不堪设想。因此，研究海上钻井平台与航行在习惯航路的船舶的安全距离意义重大。本文利用池火灾害热辐射模型，根据风险可接受标准，并考虑船舶在发生紧急情况时采取紧急停船的操作，研究海上钻井平台发生火灾爆炸等事故时对船舶不造成影响的安全距离，该距离由海上钻井平台安全区半径、船舶紧急制动距离组成。本文选取北部湾涠洲油田群为例，以散货船、油轮、集装箱船和LNG船作为代表船型，通过收集北部湾海域环境、钻井平台、船舶习惯航路、船舶尺度等数据，建立数学模型计算两者间的安全距离，并得出结论。

关键词：钻井平台；习惯航路；安全距离；池火灾害热辐射模型；紧急制动距离

Abstract

In recent years, with the increasing demand and investment for marine oil and gas exploration, the number of oil drilling and oil storage equipment such as offshore drilling platform has gradually increased. Due to its production and operation characteristics, when offshore drilling platforms are built near the customary route, the consequences of fire and explosion and collision with passing ships are unimaginable. Therefore, it is of great significance to study the safe distance between the offshore drilling platform and the vessel navigating on the custom route. In this paper, the author uses the pool fire disaster thermal radiation model and the theory of the risk acceptance criteria, considering the ship taking the emergency measure to stop the ship in the emergency situation, to study the safety distance when the fire and explosion accidents at the offshore drilling platform do not affect the passing ships. The safety distance is consisted of the offshore drilling platform safety zone radius and the ship's emergency braking distance. This paper selects the Weizhou oilfield group, Beibu Gulf as an example. The bulk carrier, tanker, container ship and LNG ship are used as representative ships. The safety distance between the two aspects is calculated by building the mathematical model which needs to collect data such as the Beibu Gulf environment condition, drilling platform,ship`s customary route and ship scale. An the end of the paper, the author draw some conclusions on the safety distance.

Key words: Offshore drilling platform; Customary route; Safe distance; Pool fire disaster thermal radiation model; Emergency braking distance

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的及意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 国内研究现状 2

1.3.2 国外研究现状 3

1.4 研究内容 3

第2章 北部湾通航环境 5

2.1 水文气象 5

2.1.1 气候 5

2.1.2 风场 6

2.1.3 浪场 6

2.1.4 潮汐潮流 6

2.1.5 热带气旋 7

2.1.6 风暴潮 7

2.1.7 水文气象对船舶航行的影响 7

2.2 交通环境 8

2.2.1 船舶交通流量 8

2.2.2 事故统计 9

2.3 海上钻井平台 10

2.4 船舶习惯航路 12

第3章 海上钻井平台与船舶习惯航路安全距离数学模型 18

3.1 海上钻井平台安全区 18

3.1.1 池火灾害热辐射模型 18

3.1.2 风险可接受标准 20

3.1.3 安全区半径的计算 21

3.2 船舶紧急制动距离 22

第4章 安全距离计算与分析 26

4.1 安全距离模型参数取值及计算 26

4.1.1 散货船 26

4.1.2 油轮 27

4.1.3 集装箱船 29

4.1.4 LNG船 31

4.2 安全距离计算结果分析 32

第5章 结论与展望 36

5.1 结论 36

5.2 对我国海事主管机关制定安全距离标准的展望 36

参考文献 38

致 谢 40

第1章 绪论

1.1 研究背景

2008年，国土资源部发布了第三次石油资源动态的评价成果，报告显示:我国海洋的石油资源量246亿吨，占全国石油总量的23%，海域各盆地天然气地质资源量16万亿立方米，占全国天然气总量的30%。2016年的评价结果显示：天然气资源增长幅度较大，海域中各个盆地的天然气地质资源量为20.8万亿立方米，其中可采的资源量为12.2万亿立方米，与2007年的评价结果相比，分别增长了55%和57%。其中，有20%的剩余石油资源分布在深水海域，20%以上的天然气资源位于深水海域。

我国海洋油气资源较为丰富，虽然已探测量比较低，但是随着海洋油气探测、勘探科技的发展，油气开采中心将从陆地转移到海洋，海洋油气的产量和储存量将不断上升。为了全面推进海洋强国战略，走向深蓝，为了满足人们对石油、天然气等燃料资源日益增长的需求，我国沿海、近海海域，如渤海湾、北部湾等兴建了众多海上钻井平台等海上石油设备，以进行石油等化石燃料的勘探、开采、储存。

海上钻井平台的兴建对航运业产生了一定影响。一方面，石油、天然气的需求、开采量的增加促使海运量和周转量的增多，这意味着对油轮，特别是大型油轮的需求增多，油轮运输市场呈现发展的趋势。另一方面，海上钻井平台对船舶航行的安全性和经济性造成影响，表现在其对习惯航路的影响上。海上钻井平台在海上占据着庞大的空间，例如水上的钻井作业平台和水下海底管道、海底电缆、吸力锚等设备构件会缩减航道的尺度，对航行在钻井平台附近的船舶造成影响。钻井平台生产的油气需要过驳和运输到大陆，以及钻井平台上工作的人员和设备需要日常的补给，所以要为平台提供过驳船、油船和补给船，这些船舶将增大钻井平台附近的船舶密度，增大过往船舶避让和航行难度。另外，当钻井平台废弃尚无得到及时处理时，将成为水上或水下碍航物，威胁过往船舶的航行安全。

经统计^[1]，在水域面积仅为1.59万平方公里的渤海湾中，密布着30多座钻井平台。在2014年，仅京唐港、天津港、黄骅港和曹妃甸四个港口的船舶交通流量就超过60万艘次。由于海上钻井平台占据了大量的海域空间，使得船舶可选择的航路减少，加上渤海湾水域船舶交通量巨大，导致渤海湾水域通航空间资源异常紧张，使得船舶航行困难。

1.2 研究目的及意义

虽然海上钻井平台的发展历史已经有100多年，但是在这方面的科学研究大部分集中在钻井平台的设计、建造等技术上，研究海上钻井平台对习惯航路的影响方面较少，因而对海上钻井平台与习惯航路之间的距离没有形成统一的规定和标准。《1982年联合国海洋法公约》及我国海事主管机关均规定，以海上平台为中心作一个半径不超过500m的圆，作为海上平台的安全区，除规定的情况之外，其他船舶不得驶进该区域。为了充分保障海上钻井平台及过往船舶的安全，根据船舶制动时的运动特性，我国《1972年国际海上避碰规则》和航海习惯，一般认为海上钻井平台与附近习惯航路的距离应大于2海里，但是这个距离并没有经过科学论证，如果可以通过科学的模型和大量数据分析得到一个广泛适用的安全距离标准，能够确定海上钻井平台与习惯航路安全距离，就可以保障海上钻井平台及配合其工作的其他船舶的作业安全，过往船舶亦可规划最短的航行路线，提高船舶的航行安全和经济效益，同时对海上钻井平台的选址、在建或已建的平台选择采取的防护措施等有一定的积极意义。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国内研究现状

在研究海上钻井平台对过往船舶和习惯航路产生的影响方面，极大部分研究者们认为海上钻井平台会对其附近海域习惯航路的通航环境和海域环境等产生消极影响。海上钻井平台在海上占据着庞大的空间，例如水上的钻井作业平台和水下海底管道、海底电缆、吸力锚等设备构件会缩减航道的尺度，使得船舶可选择的航路减少，航道尺度缩减。当平台附近水域的船舶交通量较大时，会导致水域通航空间资源紧张。钻井平台生产的油气需要过驳和运输到陆地，以及要为钻井平台上工作的人员和设备提供日常的补给，所以需要给平台提供过驳船、油船和补给船，这些船舶将增大钻井平台附近的船舶密度，增大过往船舶避让和航行难度。另外，当钻井平台废弃尚无得到及时处理时，将成为水上或水下碍航物，威胁过往船舶的航行安全。孙海涛等^[2]认为海上钻井平台在施工和营运期间，会增加过往船舶航行及避让难度，若船舶偏离航向可能会造成安全事故。陈智辉^[3]认为不能忽视废弃后的钻井平台对习惯航路通航环境的不良影响。王魁涛^[4]则认为如果在通航水域进行海上油气开发建设等工程，该海域的通航环境、条件和海域环境就可能会被永久性地改变。

在研究确定海上钻井平台与船舶的距离方面，研究者们习惯采用AIS数据统计、理论数学模型以及船舶领域模型的方法，通过直接计算海上钻井平台的中心至船舶中心的距离或计算海上钻井平台的通航安全区的大小间接得出平台与船舶的距离。

（1）基于AIS数据统计。许兴康^[5]对AIS数据进行处理和挖掘，分析统计出一般水域中海上钻井平台与船舶的安全距离值。

（2）基于理论数学模型。沈崇松^[6]基于船舶失控理论确定了渤海海域油田平台的安全作业区的范围大小。翁建军等^[7]基于船舶失控漂移理论，建立模型计算海上钻井平台与习惯航线的距离。许兴康^[8]分别基于平台泄漏火灾灾害热辐射危害理论、船舶失控理论和船舶制动理论，建立了求取海上钻井平台警戒区范围大小的模型。考虑到一些情况下，船舶为避免进入平台安全区会采取满舵旋回措施，Tian B等^[9]人基于船舶旋回性，使用“旋回初径法”建立船舶旋回运动模型，得到平台警戒区的半径大小。李平^[10]采用船舶失控漂移理论模型，主要考虑船舶的惯性减速阶段，确定了南海文昌油田工程作业区的大小。

（3）基于船舶领域模型。李国帅等^[11]采用藤井船舶领域模型，以散货船为例，将固定式海上钻井平台分别作为危险物、转向物标和导航物标计算其与船舶之间的安全距离。李国帅等^[12]在另一篇文章中，通过加入风流因素对藤井船舶领域模型进行修正，通过合理分析、实例验证等方式得出海上钻井平台与习惯航路边线的安全距离。战世勋^[13]利用藤井船舶领域模型和平滑不等扇形领域边界的圆形模型分别计算海上钻井平台与船舶的安全距离。

1.3.2 国外研究现状

在研究确定海上钻井平台与船舶的距离方面，《1982年联合国海洋法》规定，应以海上平台为中心划定一个半径不超过500米的圆，作为平台的安全区，除了作业船等船舶其他船舶禁止进入，但没有对警戒区的半径作出要求。国际海事组织颁发的《1972年国际海上避碰规则》规定海上钻井平台距离附近习惯航路的距离一般应大于2海里。美国《1987年石油法》规定海上平台的安全区为延伸至装置任何部分500米以内的任意一点，以及该点上下垂直的水中每一点。Cornelis J. Wennick^[14]在研究平台与船舶的接触碰撞时，认为2海里的通过距离是安全的。Elgin Wellhead平台在作业中发生漏气事故，导致该平台和附近的Rowan Viking钻机平台上的人员紧急撤离，当时将平台周围2英里范围划定为危险区。Mikhail Kashubsky^[15]论证了海上平台设置500米以上的安全隔离区和实施船舶定线制的合法性。

1.4 研究内容

本论文研究部分主要分为五章，主要研究内容如下：

第1章，绪论。论述研究背景、研究的目的及意义，对国内外的研究现状进行综述。

第2章，北部湾通航环境。对北部湾的水文气象、交通环境、海上钻井平台和船舶习惯航路进行了概述。

第3章，海上钻井平台与船舶习惯航路安全距离数学模型。安全距离由海上钻井平台安全区半径和船舶紧急制动距离组成，分别计算其距离，建立数学模型。

第4章，安全距离计算与分析。对相关参数的取值进行说明，选取各吨级的散货船、油轮、集装箱船和LNG船作为代表船型进行计算，得出结果并进行分析。

第5章，结论与展望。对研究内容进行总结，得出结论，并对我国海事主管机关制定安全距离标准进行展望。

第2章 北部湾通航环境

北部湾是南海西北部的一个半封闭海湾，其北面为中国和越南两国陆地领土海岸、东面为中国雷州半岛和海南岛海岸、西面为越南大陆海岸所环抱的半封闭海湾，其南部界限的地理坐标为18°30′19″N/108°41′17″E的中国海南岛莺歌嘴最外缘突出点经越南昏果岛至越南海岸地理坐标16°57′40″N/107°08′42″E的两点之间的直线连线。北部湾拥有着1628公里海岸线，12.9万平方公里海域。北部湾岛屿众多，500m²以上岛屿有651个，岛屿岸线长531km，主要岛屿有涠洲岛、斜阳岛、及杉呵岛、白龙尾岛、拜子龙群岛、印赞山岛、永实岛等。

广西北部湾既是我国广西、云南、四川、贵州、重庆五省区(市)向南方出海的最近通道，又是我国离东南亚各国以及南亚海湾区最近的海域。当前，随着广西北部湾经济区的开放开发上升为国家战略和中国—东盟自由贸易区建设的不断深入，广西将发展成为我国向东盟的国际大通道、西南、中南地区开放发展新的战略支点和“一带一路” 有机衔接的重要门户，形成与粤港澳发达地区和东盟国家联动发展新格局。

2.1 水文气象

北部湾北部和沿海海域位于北回归线以南的亚热带气候区，属于海洋性气候，高温高湿，雨量充沛，空气湿润，蒸发量大。

2.1.1 气候

气温：年平均气温22.5°Ｃ，7、8月份气温高，月平均为 28°Ｃ左右，年极端最高气温可达37.5°Ｃ；1月份气温最低，月平均为14°Ｃ左右。

降水：平均降水量为1600~2000mm；雨季集中在4~9月，以6~8月份雨量最大。

海雾：12月至次年的4月为雾的活跃季节，有雾日占全年的90%以上。一般以2、3月份雾最多。出现雾的天气类型主要有两类：一类是冷空气到达前的锋前雾，另一类是大陆冷高压入海变性，在此高压脊西南部影响下，沿岸吹东到东南风，若风速不大，易出现雾。雾的日变化以早晨和后半夜较多，中午、傍晚较少。

雷暴：通常在4~5月间，在西南倒槽的诱导下，有时可出现直径仅为数百米的闭合低压，可伴随猛烈大风（阵风可达6~8级）和雷暴天气。

2.1.2 风场

北部湾位于亚热带季风气候区，秋冬季主要受大陆冷空气南下影响，平均风力3~4级，强冷空气南下时常伴有大风，但风力一般不超过8级，大风以N-NE方向为主；春季、夏季主要受西南暖湿气流控制大，风主要为西南风。风向季节性变化较为明显。累年平均风速为3.6m/s。5、6月份风速最小。最大风速出现在盛夏季节，主要受热带气旋影响引起。

平均风速：累年平均风速为3.6m/s。平均风速以S、SSW、SW向风依次为最大，主要是受春夏季西南季风和热带气旋的影响所致。其次是NNE、N向风，主要是受冬季西路冷空气的影响较大。

风向：全年盛行NE、ENE和NNE风向。季节变化明显，冬半年（9月~翌年3月）以东北偏北（NNE）风为主；夏半年（4~8月）以偏南、西南风为主。

最大风速：强风向为N风，出现在冬季。次强风向为SSE、SW风，最大风速14.5m/s，出现在夏季热带气旋影响时；大风风向主要是SSW风，SSW向风出现6级以上大风次数最多，其主要是受西南季风系统和热带气旋西南云带影响所致。

2.1.3 浪场

北部湾波型以风浪为主，年频率达89.25%，涌浪为辅，年频率1.28%。波向以NNE方向频率最高；ESE方向次之。台风影响期间最大波高可达4.0m；波高频率分布以H_1/10在0.75m以下居多，占96.6%。波向的季节变化为：S~SW方向波浪主要发生在夏季；NNE~N波向发生在秋冬季；ESE方向波浪主要发生在春季。

海况：全年各级海况频率的分布，2级和3级海况较多，分别为40.8%和41.5%，4级为8.3%。四季（代表月）各级海况频率的分布为：春季波浪最小，夏季波浪最大,秋季、冬季的海况与全年相似。