石油套管質(zhì)量評價方法研究

□ 閆 凱 □ 梁 劍2 □ 衛(wèi) 棟 □ 韓華剛□ 余國民 □ 馬躍鵬

1. 中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 西安 710077 2. 莆田海關(guān) 福建莆田 351111

1 研究背景

石油套管是油氣田開采中的重要物資裝備,其質(zhì)量優(yōu)劣直接影響油氣田的生產(chǎn)安全和開采效率[1-5]。無論是美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)的石油套管，還是非美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)的石油套管,所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)對石油套管的規(guī)格型號、理化性能、幾何尺寸、外觀質(zhì)量、螺紋參數(shù)等都有明確要求,并規(guī)定了性能參數(shù)的目標(biāo)值及公差范圍[6-8]。制造廠根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求加工石油套管,各項參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，則判定為合格產(chǎn)品，可以交付使用。在油田現(xiàn)場實際使用中發(fā)現(xiàn),各項性能參數(shù)趨于目標(biāo)值的石油套管使用效果明顯好于各項性能參數(shù)偏離目標(biāo)值較大的石油套管。

能否將石油套管各項性能參數(shù)控制得更趨向于目標(biāo)值,是制造廠對石油套管質(zhì)量水平控制的體現(xiàn)。各大油田客戶也更趨向于訂購石油套管質(zhì)量水平較高的工廠所制造的產(chǎn)品。

在對石油套管質(zhì)量進(jìn)行評價時,常用手段是檢測石油套管各種參數(shù)是否符合標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)計檢測數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等指標(biāo)。這些指標(biāo)僅能單獨反映數(shù)據(jù)的平均水平或離散程度,不能綜合反映石油套管的質(zhì)量水平,難以為油田客戶在采購石油套管時提供更為直接客觀的參考。筆者針對石油套管質(zhì)量評價現(xiàn)狀,提出一種設(shè)計合理、反映準(zhǔn)確，并能實際應(yīng)用的石油套管質(zhì)量評價方法。這一方法通過對制造廠生產(chǎn)出的合格石油套管的各項性能參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計計算和評價,反映該批次石油套管的質(zhì)量水平。實例說明應(yīng)用這一方法可以獲得較好的效果,能夠?qū)κ吞坠苜|(zhì)量進(jìn)行有效評價。

2 評價模型

反映石油套管質(zhì)量水平的參數(shù)眾多,各參數(shù)的影響作用不盡相同,如何有效整合各項參數(shù),并進(jìn)行優(yōu)選和處理，是需要重點關(guān)注的問題。按照設(shè)計合理、反映準(zhǔn)確，并能實際應(yīng)用的要求,建立石油套管質(zhì)量評價流程,如圖1所示。

▲圖1 石油套管質(zhì)量評價流程

2.1 參數(shù)抽樣

針對一批某規(guī)格的合格石油套管,隨機抽取n根石油套管,對抽取的每根石油套管均進(jìn)行m項性能參數(shù)的檢測,形成檢測數(shù)據(jù)矩陣A:

(1)

式中：Bij為對第j根石油套管進(jìn)行第i項性能參數(shù)檢測的結(jié)果，1≤i≤m，1≤j≤n。

性能參數(shù)包括幾何尺寸、理化性能和螺紋參數(shù)。幾何尺寸包括外徑和壁厚，理化性能包括硫元素與磷元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、屈服強度、抗拉強度，螺紋參數(shù)包括緊密距、錐度、螺距偏差、齒高偏差。

2.2 確定理想偏差值

根據(jù)不同性能參數(shù)的特性,由專家參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范確定每個性能參數(shù)的理想目標(biāo)值xi,并通過計算得到每個性能參數(shù)的理想偏差值li：

(2)

由此,m項性能參數(shù)的理想偏差值形成理想偏差值矩陣L:

(3)

2.3 歸一化處理

通過生長曲線隸屬度函數(shù)對每個性能參數(shù)的理想偏差值進(jìn)行評分計算,得出每個性能參數(shù)理想偏差值的歸一化得分fi:

(4)

式中：ai為根據(jù)最好最差原則設(shè)置的第i項性能參數(shù)的斜率因數(shù)；bi為根據(jù)最好最差原則設(shè)置的第i項性能參數(shù)的偏移因數(shù)。

ai和bi的確定方法如下：以由最接近目標(biāo)值且離散度最小的數(shù)列得出的理想偏差值歸一化得分為1,以由最遠(yuǎn)離目標(biāo)值且離散度最大的數(shù)列得出的理想偏差值歸一化得分為0,以理想偏差值處于黃金分割點處的歸一化得分為0.5,從而確定ai和bi。

由此,m項性能參數(shù)的理想偏差值歸一化后，形成理想偏差值歸一化得分矩陣F:

(5)

2.4 質(zhì)量評分

D=f1Q1+f2Q2+…fmQm

(6)

2.5 質(zhì)量評價

根據(jù)該批次石油套管的質(zhì)量水平得分,確定該批次石油套管的質(zhì)量評價結(jié)果。將石油套管質(zhì)量預(yù)先劃分為五個等級,分別為優(yōu)、良好、較好、一般和差。計算得到的質(zhì)量水平得分對應(yīng)石油套管質(zhì)量等級,從而確定該批次石油套管的質(zhì)量評價結(jié)果。

優(yōu)等級對應(yīng)的質(zhì)量水平得分D≥85，良好等級對應(yīng)的質(zhì)量水平得分85>D≥75，較好等級對應(yīng)的質(zhì)量水平得分75>D≥65，一般等級對應(yīng)的質(zhì)量水平得分65>D≥55，差等級對應(yīng)的質(zhì)量水平得分D<55。

3 應(yīng)用分析

針對某工廠出廠的一批次合格φ139.70 mm×7.72 mm P110 BC石油套管進(jìn)行質(zhì)量評價,該批次石油套管共24爐批。

隨機抽取該批次中20根石油套管進(jìn)行性能參數(shù)檢測,理化性能選取前20爐批。石油套管性能參數(shù)技術(shù)要求見表1。

表1 石油套管性能參數(shù)技術(shù)要求

抽檢形成檢測數(shù)據(jù)矩陣:

A=139.587.541.6464110.0050.003788934139.667.321.22631-10.0060.014793976140.327.450.7864110.0120.012856966140.027.771.1264010.0120.012877934139.997.890.8865000.0080.006843923139.568.021.4262110.0050.005876953139.967.881.34631-20.0060.006866893139.767.921.5263110.0110.011865975139.568.041.0262110.0040.014793893139.437.920.4263000.0040.004833899140.127.450.1262-1-20.0030.013799925140.427.531.6264000.0060.006899953140.247.770.8865-1-10.0060.012901985139.987.230.2465100.0090.009912933140.227.881.2263110.0080.009896965140.547.461.4262120.0020.012868923139.488.221.5862-120.0110.011868964139.828.431.3864-2-20.0030.013892963139.588.221.42631-10.0040.004881978139.768.021.0262000.0020.012872897

根據(jù)各參數(shù)的特性,組織專家參照API SPEC 5CT《套管和油管規(guī)范》、API SPEC 5B《套管、油管和管線管螺紋加工、測量和檢驗規(guī)范》等確定各性能參數(shù)的理想目標(biāo)值x:

x={140.05,7.72,1.27,62.5,0,0,0.001,

0.001,861,1 000}

通過式(2)、式(3)計算各性能參數(shù)的統(tǒng)計指標(biāo)理想偏差值,形成理想偏差矩陣L：

L=[0.358,0.327,0.464,1.285,0.949,0.371,

0.004 7,0.008 1,37.766,65.485]

專家根據(jù)最好最差原則設(shè)置各隸屬度函數(shù)的因數(shù)ai和bi，以由最接近目標(biāo)值且離散度最小的數(shù)列得出的理想偏差為1,以由最遠(yuǎn)離目標(biāo)值且離散度最大的數(shù)列得出的理想偏差為0，各隸屬度函數(shù)的因數(shù)ai和bi為:

ai={-4,-4,-4,-2,-5,-6,-280,-280,

-0.07,0.08}

bi={0.82,0.84,0.92,1.72,1.12,0.68,0.013,

0.013,52,50}

依據(jù)式(4)計算出各性能參數(shù)理想偏差li歸一化得分fi：

fi={0.864,0.886,0.861,0.705,0.702,0.865,

0.910,0.798,0.730,0.775}

專家根據(jù)油田石油套管質(zhì)量問題分析情況和各性能參數(shù)對石油套管質(zhì)量的影響程度,確定在質(zhì)量評價時各性能參數(shù)的權(quán)重Qi：

Qi={6,6,10,10,10,10,12,12,12,12}

根據(jù)式(6)計算該批次石油套管的質(zhì)量水平得分為80.386。

基于石油套管質(zhì)量水平等級劃分,確定該批次石油套管的質(zhì)量評價結(jié)果為良好級,可以作為工廠質(zhì)量控制的依據(jù),也可以為油田用戶采購時提供參考,具有較強的實用性。

4 結(jié)束語

在筆者提出的石油套管質(zhì)量評價方法中,所選擇的評價性能參數(shù)包括了反映石油套管性能的關(guān)鍵參數(shù),能很好地體現(xiàn)石油套管質(zhì)量。對各性能參數(shù)采用理想偏差值進(jìn)行統(tǒng)計計算,既能體現(xiàn)檢測參數(shù)的離散程度,又能體現(xiàn)檢測參數(shù)與理想值的偏差情況,可以更有效地反映石油套管的加工質(zhì)量水平。應(yīng)用這一評價方法對石油套管進(jìn)行質(zhì)量評價,結(jié)果直觀,有利于工廠質(zhì)量控制，油田客戶在采購時也可以作為質(zhì)量參考依據(jù)。通過實例說明了這一方法的有效性。由于反映石油套管質(zhì)量的參數(shù)有很多,并且各個參數(shù)反映性能狀態(tài)的程度不同,直接影響到評價時所占的權(quán)重,因此在這一方面還需要繼續(xù)研究。