制造與服役特征融合的石油專用管質(zhì)量集成評價方法研究*

劉 震，謝軍太，馮 春，高建民，朱麗娟,楊尚諭

(1.西安交通大學(xué)，中國西部質(zhì)量科學(xué)與技術(shù)研究院 陜西 西安 710049) (2.中國石油集團石油管工程技術(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 陜西 西安 710077)

0 引 言

石油專用管包括油管、套管等，是油氣田建立井筒、形成油氣通道的唯一載體，在油氣田生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，其質(zhì)量直接影響油氣井壽命。在服役過程中，石油管不僅要承受井下復(fù)雜的受力工況，同時還承受著高溫、高壓，及CO2和H2S等腐蝕介質(zhì)的長時間接觸腐蝕，復(fù)雜的工作環(huán)境導(dǎo)致了石油專用管失效形式的多樣化,如腐蝕、磨損失效等[1]。目前石油專用管的質(zhì)量評價存在評價過程不集成、不可靠等問題，造成評價結(jié)果不準確、適用性差，油田生產(chǎn)中石油專用管的選擇和實際工況不匹配，產(chǎn)品服役存在適用性低的問題。同時，由于產(chǎn)品質(zhì)量后評價的缺失，基于石油專用管服役全生命周期質(zhì)量的采購過程常年無據(jù)可依，采購標準無法量化。因此對石油專用管來說,從制造與服役特征融合的角度合理地評價其服役質(zhì)量狀態(tài)并提高其安全性、可靠性，能有效提高油田行業(yè)的經(jīng)濟利益和安全生產(chǎn)能力。綜上可知，對石油專用管進行制造與服役質(zhì)量融合的產(chǎn)品質(zhì)量集成評價具有重要的現(xiàn)實意義。

目前針對石油專用管的質(zhì)量評價研究主要是從引起石油專用管失效的某一個因素出發(fā)，從失效機理的角度研究其對石油專用管服役性能質(zhì)量的影響。西安石油大學(xué)的馬云[2]等人對某油區(qū)的28口油井進行了腐蝕監(jiān)測，應(yīng)用主成分分析法對出液理化性質(zhì)及腐蝕影響因素之間的相關(guān)性進行了分析，并證實了利用出液性質(zhì)可以預(yù)判油管的腐蝕狀況。中國石油大學(xué)李勐[3]等通過建立復(fù)雜工作載荷下2種典型油管腐蝕缺陷的有限元模型，研究了各影響因素對油管安全性和失效模式的影響，為腐蝕缺陷石油專用管的安全評估提供了依據(jù)。西南石油大學(xué)馬尚余[4]等人通過模擬油田生產(chǎn)實際工況開展桿管偏磨試驗，分析了不同工況下的磨損規(guī)律并推導(dǎo)出了油管磨損量的預(yù)測模型。Xiaoqiang Guo[5]等通過系統(tǒng)地分析各因素尤其是非線性流激振動對管柱安全性的影響，提出了油田油管柱的安全評價控制的理論方法。Zhang Bo[6]等通過建立多個油管泄漏點引起的持續(xù)環(huán)空壓力模型，利用環(huán)空壓力和流體分布特征，實現(xiàn)了對油管完整性的診斷。Zhao Guanghui[7]等通過試驗和有限元計算建立了連續(xù)油管疲勞強度模型，提出了基于參數(shù)極值時程的最佳疲勞參數(shù)確定方法，為連續(xù)油管壽命預(yù)測提供了一種新方法。

此外，國內(nèi)外也有部分學(xué)者從可靠性的角度研究石油專用管的的服役性能評價方法。中國石油大學(xué)(華東)周云霞[8]通過分析油管的結(jié)構(gòu)、功能和工作環(huán)境，運用故障類型、影響和危險度分析和故障樹分析方法找出油管失效的主要原因并利用層次分析法建立了油管多層次多目標模糊綜合評判模型。大慶油田有限責任公司的楊金鑫[9]利用時間序列模型對連續(xù)油管的疲勞壽命可靠性進行分析和預(yù)測，找到了最準確的預(yù)測模型，預(yù)測準確率達到了98%。

可見，在石油專用管的服役質(zhì)量評價研究領(lǐng)域，已經(jīng)有國內(nèi)外的學(xué)者用理論計算、試驗、有限元仿真等方法在石油專用管失效機理和可靠性方面進行了部分研究。但仍存在以下幾個問題：

1)目前常見的評價方法主要基于石油專用管的失效機理分析，目的是實現(xiàn)其功能完整性的評價，以安全性為主要目標進行分析，然而在石油專用管服役過程質(zhì)量評價中，安全性只是一個方面，故此類方法并不能完全滿足當前石油專用管質(zhì)量管控的需求。

2)目前針對石油專用管失效因素的分析評價往往只考慮了某一種失效模式如磨損或腐蝕等，無法全面地考慮多因素耦合下的石油專用管服役性能的演化情況，造成評價結(jié)果不準確。

3)影響石油專用管的服役質(zhì)量水平的除了服役過程中的工況參數(shù)水平及其他管理因素以外，制造質(zhì)量的好壞也會在一定程度上影響石油專用管的服役質(zhì)量。而目前的評價方法基本沒有融合石油專用管制造質(zhì)量水平，導(dǎo)致評價過程不集成，評價結(jié)果不準確。

針對目前石油專用管服役質(zhì)量評價研究存在的問題，本文提出了一種石油專用管服役質(zhì)量集成評價新方法。首先通過前期調(diào)研和石油專用管服役過程分析構(gòu)建了石油專用管服役質(zhì)量評價體系，從5個主要方面宏觀刻畫了石油專用管服役質(zhì)量狀態(tài)；其次，提出了石油專用管服役質(zhì)量指數(shù)的概念，并基于屬性數(shù)學(xué)模型引入了評語等級加權(quán)向量分析；最后，以某油田區(qū)塊油管為例進行了評價示例，通過評語等級向量將評價結(jié)果以百分制表示，使石油專用管的服役質(zhì)量狀態(tài)得到了更加直觀量化的表達。

1 石油專用管服役質(zhì)量指標體系建立

石油專用管的服役階段的主要失效形式有腐蝕和磨損兩個方面，由于受到復(fù)雜的拉、壓、彎、扭、剪切及復(fù)合應(yīng)力與溫度及CO2、H2S、Cl-等腐蝕介質(zhì)的共同作用,石油專用管極易發(fā)生失效[10-11]。通過對石油專用管的服役環(huán)境條件和服役行為的深入研究，以及對典型失效事故的分析，確定了石油專用管服役狀態(tài)的主要維度。在此基礎(chǔ)上，研究服役性能與材料的成分/結(jié)構(gòu)、合成/加工、性質(zhì)的關(guān)系[12]。從制造和服役融合的角度，石油專用管的服役質(zhì)量的含義主要包括其運行過程質(zhì)量、功能實現(xiàn)性質(zhì)量、平穩(wěn)性質(zhì)量、靜態(tài)和動態(tài)質(zhì)量等[13]。

基于石油專用管服役過程分析，本文提出的石油專用管服役質(zhì)量評價因素體系如圖1所示。綜合考慮常見的油氣井管類型，分析服役過程中使用、維修等各項指標特征，將石油專用管的制造質(zhì)量評價因素及產(chǎn)品出廠各項性能水平與服役中的井下工作環(huán)境、工作運行狀態(tài)、設(shè)備整體結(jié)構(gòu)、安全管理、人員素質(zhì)因素進行融合，形成石油專用管服役質(zhì)量評價指標體系。

圖1 石油專用管服役過程要素分解

通過以上分析，本文得到的石油專用管服役質(zhì)量評價指標體系如圖2所示，指標體系的頂層指標為石油專用管服役質(zhì)量狀態(tài)，第1層指標包括出廠性能水平、服役環(huán)境因素等共計5項；第2層指標包括機械性能水平、服役環(huán)境因素等共計18項。

圖2 石油專用管服役質(zhì)量評估指標體系

2 石油專用管服役質(zhì)量指數(shù)概念及計算

在建立起服役全過程的石油專用管服役質(zhì)量評價體系之后，可針對性地選擇評價模型進行評價。目前常見的針對指標體系和指標數(shù)據(jù)展開評價的方法有模糊綜合評價[14-15]和屬性數(shù)學(xué)評價[16]等方法。但以上方法由于客觀性或直觀性的問題在實際應(yīng)用中仍存在一定的局限性。在模糊綜合評價方法中，隸屬度函數(shù)的確定方式往往不夠客觀，導(dǎo)致許多本身存在的客觀信息并沒有在結(jié)果中得到有效地反映；利用屬性數(shù)學(xué)模型可以得到相對客觀的指標特征隸屬度計算結(jié)果，但此模型無法得到直觀量化的評價結(jié)果。針對傳統(tǒng)方法存在的問題，結(jié)合屬性數(shù)學(xué)的方法，本文提出了石油專用管服役質(zhì)量指數(shù)的概念，并將其作為最終結(jié)果實現(xiàn)綜合評價。

石油專用管服役質(zhì)量指數(shù)定義式如下:

Q=A×S

(1)

式中：Q指服役質(zhì)量指數(shù)，A指石油專用管的服役質(zhì)量的隸屬度向量，S指評語等級向量。

石油專用管服役質(zhì)量指數(shù)綜合表示在各因素作用下，石油專用管保持服役狀態(tài)平穩(wěn)、高效、安全的能力。

在工程實際中，有大量描述性問題可以歸結(jié)為定性度量的綜合評價問題，而屬性數(shù)學(xué)理論主要解決定性指標的度量及相關(guān)關(guān)系的問題。其基本原理如下，設(shè)評價對象空間為F，評語集V={C1，C2...Ck}，Ck稱為一個屬性集，j個指標的指標值t具有級別Ck的大小用屬性測度函數(shù)μjk(t)來表示。基于屬性數(shù)學(xué)模型計算石油專用管服役質(zhì)量指數(shù)步驟主要有：

1)指標權(quán)重確定

通過建立判斷矩陣An×n，以矩陣的形式表達各要素相對上下層要素的相對重要度的大小。通過指標兩兩比較得到的指標的判斷矩陣，利用方根法求取An×n的最大特征根以計算各指標的權(quán)重。具體步驟如下：

(a)計算每一行各個元素的乘積Mk，即：

(2)

(3)

(c)歸一化得到權(quán)重值：

(4)

(d)求最大特征根：

(5)

(e)通過隨機一致性指標CR進行一致性檢驗：

(6)

(7)

其中RI為隨機一致性指標，當CR≤0.1時的判斷矩陣滿足一致性要求，否則應(yīng)修改判斷矩陣，直到滿足一致性要求為止。

2)劃分指標等級

將各個指標的評價值劃分為多個等級，本文將指標等級分為4個，即評語集V={C1，C2...C4}。

3)評價值量化

本文在傳統(tǒng)屬性數(shù)學(xué)評價模型的基礎(chǔ)上，通過引入百分制的評語等級向量，S={A，B，C，D}，使得評價結(jié)果更加直觀量化。

4)求取評價指標的隸屬度

根據(jù)實際情況的要求，可將評價等級分為C1，C2，...，Ck，見表2。

表2 指標等級劃分

am(k-1)、amk分別是指標值各個等級劃分的上下限。

假設(shè)第j個指標的指標值為t，依據(jù)表2中的劃分規(guī)則，求取指標屬性測度函數(shù)μjc(t)。在表2中,假定滿足aj0

(8)

djc=min(|bjc-ajc|,|bj(c+1)-ajc|)

(9)

其中c=1，2，…，k。

指標的屬性測度函數(shù)μjc(t)如下:

(12)

以上3個公式中j=1,2,…，m；c=2，3，…，(k-1)。

經(jīng)過以上的計算過程，可以得到第2層指標對應(yīng)第1層指標的隸屬度矩陣，再利用第2層指標的權(quán)重乘對應(yīng)的隸屬度矩陣得到第1層指標的隸屬度向量Bi，得到的所有Bi構(gòu)成第1層指標隸屬度矩陣B。

Bi=Wi×ui

(13)

其中：i=1，2，3，4；Wi表示各二級指標權(quán)重；ui表示二級隸屬度矩陣。

再將各個一級指標的權(quán)重與隸屬度矩陣B相乘，得到石油專用管服役質(zhì)量的隸屬度向量A：

A=W×B

(14)

式中：W代表一級指標的權(quán)重，B代表一級指標隸屬度矩陣。

5)服役質(zhì)量指數(shù)計算

石油專用管服役質(zhì)量指數(shù)由評語等級向量與以上步驟求得的表示石油專用管服役質(zhì)量狀態(tài)的隸屬度向量相乘得到。

Q=A×S

(15)

式中：Q指石油專用管服役質(zhì)量指數(shù)，A指服役質(zhì)量隸屬度向量，S指評語等級向量。

3 油管集成質(zhì)量評價實例

以國內(nèi)某油田區(qū)塊的服役油管數(shù)據(jù)為例進行集成質(zhì)量評價，以驗證本文所提方法的效果，該區(qū)塊油管服役過程中的指標值見表3。

表3 某油田區(qū)塊油管相關(guān)服役指標數(shù)據(jù)

依據(jù)本文第2章所述方法進行油管服役質(zhì)量指數(shù)計算及評價，主要步驟如下：

1)利用公式(2)～(4)，獲得判斷矩陣及各級指標的權(quán)重。因文章篇幅原因，各級指標之間相對于上一級的判斷矩陣沒有列出。計算結(jié)果為：一級指標權(quán)重W=(0.301 6，0.453 2，0.130 0，0.070 7，0.044 6)；二級指標的權(quán)重W1=(0.236 1，0.604 1，0.054 5，0.105 4)；W2=(0.333 3，0.666 7)；W3=(0.344 1，0.073 7，0.275 5，0.069 8，0.237 0)；W4=(0.558 4，0.319 6，0.122 0)；W5=(0.250 0，0.250 0，0.250 0，0.250 0)。

2)利用公式(8)～(12)，可得到各級指標的隸屬度向量，以及出廠性能水平、服役環(huán)境因素、工作運行狀態(tài)、設(shè)備整體結(jié)構(gòu)和安全管理指標的隸屬度矩陣u1，u2，u3，u4，u5，分別為：

在隸屬度矩陣中，每一行表示該一級指標的下的二級指標的隸屬度向量。利用二級指標的權(quán)重乘以二級指標的隸屬度矩陣可以得到一級指標的隸屬度向量：

Bi=Wi×ui，i=1，2，3，4，5

(16)

由Bi組成一級指標的隸屬度矩陣B：

其中每一行表示該一級指標的隸屬度向量。

3)利用公式(14)可得到油管服役質(zhì)量的隸屬度向量：

A=W×B

(17)

即可得到油管服役質(zhì)量隸屬度A=(0.003 4，0.197 5，0.531 9，0.250 6)

4)根據(jù)實際質(zhì)量評價需求，設(shè)置評語等級向量S={62.5，75，87.5，100}，其中100～62.5分別為第1～4等級。聯(lián)合公式(1)，可求得油管的服役質(zhì)量指數(shù)Q=86.627，因為Q為百分制分數(shù)值，因此可以定量化表示當前服役質(zhì)量狀態(tài)，也有利于未來趨勢的預(yù)測，具有較強的實際指導(dǎo)意義；此外，根據(jù)規(guī)定的評語等級S可知，87.5>Q>75，即當前油管的服役質(zhì)量略低于第二等級，屬于相對較良好的服役狀態(tài)。

綜上所述，本文提出的基于屬性數(shù)學(xué)的評價方法可以通過計算石油專用管服役質(zhì)量指數(shù)，實現(xiàn)制造和服役要素融合的定量化質(zhì)量評價，直觀、實時地反映該油田油管服役質(zhì)量狀態(tài)，滿足實際生產(chǎn)中油管的評價和管理需求。

4 結(jié) 論

本文通過分析石油專用管服役環(huán)境、服役行為特點，提出了石油專用管服役質(zhì)量的概念，基于石油專用管服役全過程建立了包含制造、環(huán)境、人、設(shè)備、管理等因素的質(zhì)量評價體系，并提出了基于屬性數(shù)學(xué)的石油專用管服役質(zhì)量定量化評價方法。最后，以某油田區(qū)塊油管服役過程的數(shù)據(jù)為例進行了驗證。結(jié)果證明此方法能夠直觀、量化且較為準確地反映石油專用管的服役質(zhì)量，為以后的石油專用管的質(zhì)量評估和壽命預(yù)測分析提供了技術(shù)支持。

在本文所提的石油專用管質(zhì)量評價體系和方法的基礎(chǔ)上，未來的工作可進一步細化制造與服役要素融合的石油專用管質(zhì)量水平評價體系，將底層指標進一步分解為可量化的試驗指標或檢測指標，以增加評價結(jié)果的客觀性、科學(xué)性。