基于風險的油田注水管線的維護決策優(yōu)化方法

王 強,陳健飛,陳麗娜,劉慶福,仇東泉,趙 杰

(1. 勝利油田技術檢測中心，東營 257000; 2. 海上石油工程技術檢驗有限公司，東營 257000;3. 東營市特種設備檢驗研究院，東營 257000; 4. 勝利油田檢測評價研究有限公司，東營 257000)

目前,針對注水系統(tǒng)的決策優(yōu)化少有研究，梁永圖等[1]以管網(wǎng)運行能耗與注水井注入量偏差損失成本總和最小為目標建立了混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，較大程度上提高了注水系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性。辛勝超等[2]以管網(wǎng)運行費用最小為目標函數(shù)建立模型，確定注水站最佳注水方案及每口注水井的節(jié)流壓力降，采用分段線性化變?yōu)镸ILP模型簡化求解，驗證了模型在油田節(jié)能降耗應用中的可行性。張昕等[3]針對注水井區(qū)域劃分及配水間的站址優(yōu)化問題建立了混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，采用模擬退火遺傳算法進行兩階段求解得到最優(yōu)的配水間位置，并將模型應用于大慶油田某區(qū)塊進行油田注水管網(wǎng)布局優(yōu)化。RUAN等[4]通過對大量注水系統(tǒng)數(shù)據(jù)的計算和評價，確定了注水系統(tǒng)最佳運行方式的選擇方法，形成了注水系統(tǒng)最佳運行方式的五條判別規(guī)則，給出了確定運行方式的數(shù)學模型和運行參數(shù)的優(yōu)化方法。陳利瓊等[5]為管線維護決策優(yōu)化問題提出了兩種優(yōu)化方法，即效用函數(shù)法和有限費用優(yōu)化法[6-7]。效用函數(shù)法[8]是在管道風險維護決策問題中，從經(jīng)濟損失、環(huán)境損害、人身損失三個方面去考慮，而定義的多準則函數(shù)，以效用值最大的方案為最佳決策。尹斌等[9]采用損失函數(shù)法對油氣集輸管線進行維護決策優(yōu)化，并應用于某原油外輸管線，維護效果顯著。趙志峰等[10]以管道外腐蝕中的土壤腐蝕數(shù)據(jù)為基礎，建立了管道土壤腐蝕多因素分類決策樹。馬大中等[11]采用管網(wǎng)的壓力、流量等運行數(shù)據(jù)，提出了一種基于大維數(shù)據(jù)驅動的管網(wǎng)泄漏監(jiān)控模糊決策方法。以上有關注水管道決策優(yōu)化的研究主要集中在運行能耗和管網(wǎng)布局優(yōu)化，并未涉及維護決策優(yōu)化；而現(xiàn)有的油氣管道決策優(yōu)化研究均沒有把風險與決策有機融合，存在一定的片面性。

本工作以油田注水管道的風險評價結果為基礎，建立油田注水管道決策優(yōu)化數(shù)學模型，結合油田注水管道運行方案、措施、設備狀況、人員管理等因素，采用期望值和決策樹法，將風險控制在可接受范圍內，以追求最低的投入成本，并制定相應風險管控優(yōu)化措施。

1 油田注水管道決策優(yōu)化數(shù)學模型

決策優(yōu)化系統(tǒng)由注水管道風險評價、決策準則、狀態(tài)集、決策集、決策費用集、概率分布集、狀態(tài)損失集、決策樹八部分組成。

1.1 注水管道風險評價

將T-S模糊故障樹與注水管道危險有害因素及失效特征相結合，根據(jù)可獲取的油田檢測數(shù)據(jù)，構建注水管道失效模糊子集及T-S故障重要度分析算法，改進建立在油氣管道風險評價基礎上的評價指標及取值，得到注水管線失效的概率。參考管道公司規(guī)定的油氣管道沿線地區(qū)等級，根據(jù)注水管道失效特點及失效后果，從人身傷害、環(huán)境污染及停產(chǎn)風險三個角度劃分注水管道失效后果級別。將注水管道失效概率及失效后果劃分為五個等級，采用對稱風險矩陣來表示注水管道的風險等級。

1.2 決策準則

注水系風險管控最理想的狀態(tài)是：經(jīng)濟損失最小、生命損失最小、環(huán)境損失最小。然而，在追求低生命損失和環(huán)境損失的同時，必然會引起更高的經(jīng)濟損失。依據(jù)管道可接受風險水平的 ALARP原則，在決策過程中，首先把風險控制在可接受的中低風險，再追求最小的經(jīng)濟損失。

1.3 狀態(tài)集

a為狀態(tài)變量，指注水管道系統(tǒng)可能處于的不同狀況，A為狀態(tài)集，是全體狀態(tài)所構成的集合，記為A={a}。注水管道決策優(yōu)化系統(tǒng)中管道的失效狀況包括:斷裂(a1)、穿孔(a2)、不失效(a3)，則A={a1,a2,a3}。

1.4 決策集

b為決策變量，指為了降低風險而提出的每一個方案，B為決策集，是全體決策所構成的集合，記作B=。

注水管道決策集的建立思路如下：結合注水管線風險評價T-S模糊故障樹的底事件，從第三方破壞、腐蝕、誤操作、設計、自然災害五方面給出相對應的解決措施。采用窮舉法對決策措施進行排列組合，形成多種決策方案，把決策措施間有沖突的方案剔除，剩余I種降低風險的決策方案，建立決策集B={b1,b2,b3,……bj}。

1.5 決策費用集

不同的決策方案，投入的成本不同，為了在符合風險等級的前提下，追求最小的經(jīng)濟投入，需要計算每種決策方案的經(jīng)濟性。c為決策費用變量，是指每種決策所需要投入的成本，其全體集合稱為決策費用集C={c}。

考慮實施每個措施所需要耗費的人力物力，以及停產(chǎn)所帶來的經(jīng)濟損失，計算每個措施每條管道每年所需要投入的費用。計算決策集中I種決策方案的費用，組成決策費用集C={c1,c2,c3,……cj}。

1.6 概率分布集

在某一決策下，系統(tǒng)所處的狀態(tài)，稱為該決策下系統(tǒng)出現(xiàn)的后果，記為D=(b,a)。后果出現(xiàn)的可能性，稱為后果發(fā)生概率p，記為p(b,a)。在某一決策b下，所有狀態(tài)的概率分布稱為展望，記作P={p1,D1;p2,D2;……pj,DJ}。

在油田注水管道維護決策優(yōu)化系統(tǒng)中，狀態(tài)的發(fā)生概率是在不同維護決策bj下，注水管道出現(xiàn)斷裂a1、穿孔a2、不失效a3三種狀態(tài)的可能性，分別表示為:pi1=(bj,a1);pi2=(bj,a2);pi3=(bj,a3)，顯然最后得到pi1+pi2+pi3=1。

1.7 狀態(tài)損失集

計算不同管道狀態(tài)所造成的經(jīng)濟損失，把狀態(tài)的損失數(shù)量化，稱為狀態(tài)損失變量，記為h，其全體集合，稱為狀態(tài)損失集，記作H={h}。

對管道管理公司來說，一般從經(jīng)濟損失、生命損失和環(huán)境破壞(損失)三個方面進行考慮管線的失效后果損失[12-17]。由貨幣量化準則，將注水管道斷裂、穿孔、不發(fā)生故障，三種事故狀態(tài)量化，建立狀態(tài)損失集，記為H={h1,h2,h3}。

1.8 決策樹

決策樹圖是運用圖論的方法，來表達決策過程的一種樹形圖，通常由決策點、方案分枝、狀態(tài)結點、概率分枝和結果點等幾部分組成，見圖1。決策分析時，首先，要從左向右按書寫的邏輯順序橫向展開，畫出決策樹圖；其次，把各個方案的損益期望值從右向左逐一進行計算；最后，各方案的損失期望值從左到右分級比較，進行方案選優(yōu)。

圖1 決策樹結構圖Fig. 1 Structure of decision tree

根據(jù)注水管道風險評價結果，結合決策組合解決的風險因素，對該決策組合下注水管道的風險等級重新評定，若處于高風險，則代表該決策組合下注水管道存在不可接受的風險，決策組合棄用，若處于中低風險，計算出在該決策組合下注水管道出現(xiàn)三種狀態(tài)的概率。分別計算處于中低風險各種決策組合下的期望值，期望值最小的決策組合即為最優(yōu)決策。

2 油田注水管道的決策優(yōu)化過程

2.1 注水管道風險評價

2.1.1 計算注水管道的失效概率

建立子事故樹主要考慮第三方破壞、腐蝕、設計、誤操作及自然災害五個方面，分析引發(fā)注水管道失效的關鍵因素。結合現(xiàn)場調研參數(shù)，將注水管道失效子事故樹進行剪枝和優(yōu)化處理，從而建立注水管道T-S模糊故障樹，如圖2所示。包含32個基本事件(X1～X32)，19個中間事件及20個T-S門。

圖2 注水管道T-S模糊故障樹Fig. 2 T-S fuzzy fault tree for water injection pipeline

基于現(xiàn)場調研參數(shù)、管道完整性管理規(guī)范QSY.1180.3-2014及肯特法，通過專家調查權重法，采用模糊子集來描述根節(jié)點故障概率，將風險發(fā)生可能性劃分為5個等級，見表1。

2.1.2 注水管道失效后果分析

國內外關于注水管道高后果區(qū)識別并沒有明確范圍，參考管道公司規(guī)定的油氣管道沿線地區(qū)等級，將注水管道兩側各200m、泄漏點上下游管段各100 m區(qū)域作為注水管道事故的影響范圍。注水管道失效導致的污水泄漏，會引起高壓水傷害、大面積污染、生產(chǎn)中斷等事故；在自然保護區(qū)、水源地等發(fā)生泄漏，更會造成嚴重的環(huán)境污染事故；建(構)筑物直接占壓及不符合安全距離占壓的注水管道泄漏，會對周圍居民的財產(chǎn)甚至生命構成威脅。綜合以上因素將注水管道失效后果劃分為五個等級。

表1 風險發(fā)生可能性的等級標準Tab. 1 Level of probability for risk occurrence

2.1.3 建立風險矩陣

基于發(fā)生概率和失效后果風險矩陣圖可以對風險進行定性評價。它在乘積法的基礎上用模糊的概念實現(xiàn)了優(yōu)化，分別用縱橫坐標對發(fā)生概率和失效后果進行衡量。本工作將注水管道失效概率及失效后果劃分為五個等級，采用對稱風險矩陣來表示注水管道風險等級。注水管道失效概率、失效后果及風險等級劃分見表2所示。注水管道風險矩陣見圖3所示。I～V對應風險等級分別為低、較低、中等、較高和高。

表2 注水管道失效后果、失效概率及風險等級的劃分Tab. 2 Classification of water injection pipeline failure consequences, failure probability and risk levels

圖3 注水管道的風險矩陣圖Fig. 3 Risk matrix of water injection pipeline

結合管道風險矩陣圖，采用風險分值和風險等級最終展示風險計算結果，以滿足投資決策的需求。

2.2 建立注水管道的狀態(tài)集

注水管道輸送介質主要為水，管道狀態(tài)可分為：斷裂、穿孔、正常。建立注水管道狀態(tài)集A。

A={a1,a2，a3}={斷裂，穿孔，正常}

(1)

2.3 建立注水管道決策集

建立決策集的主要思路是結合注水管線風險評價的底事件，從第三方破壞、腐蝕、誤操作、設計、自然災害五方面給出相對應的解決措施，詳情見表3。

表3所示腐蝕因素中“特定腐蝕環(huán)境”，“特定大氣腐蝕環(huán)境”屬于客觀因素，無法通過相應決策改變，同樣，開發(fā)較早的勝利油田的注水管線管徑較小，沒有管道內檢測的條件，因此“內檢測周期長”無法給出相應措施。由表3得到注水管道失效因素風險控制的10條措施，建立注水管道決策集B。第六條措施"更換管材"可有效解決管材內腐蝕中管材耐腐蝕性差、內防腐失效的問題，第五條措施“添加緩蝕劑”可有效解決管材內腐蝕中內防腐失效的問題?！案鼡Q管材”包含“添加緩蝕劑”，因此實施“更換管材”，即不需要實施“添加緩蝕劑”。依此建立注水管道決策集B。

B={b1,b2,b3,……,b766,b767,b768}

(2)

2.4 建立決策費用集

計算實施每條措施需要耗費的人力物力，以及停產(chǎn)帶來的經(jīng)濟損失，核算每條管道每年需要投入的費用，見表4。

每種決策包含1～9個決策措施，每個決策措施的費用明細見表4，通過計算每種決策的費用，建立決策費用集。

C={c1,c2,c3,……c766,c767,c768}

(3)

2.5 建立概率分布集

采取不同的決策解決相對應的失效因素，因此每一種決策組合下都對應有發(fā)生管道斷裂、穿孔、正常對應的概率。建立注水管道不同決策下的概率分布集pij，其中i={1,2,3,……766,767,768},j={1，2，3}。

P={pi1,pi2,pi3}

(4)

2.6 建立狀態(tài)損失集

由貨幣量化準則，將管道斷裂、穿孔，兩種事故狀態(tài)量化，建立狀態(tài)損失集。

E={e1,e2,e3}={管道斷裂200萬元，管道穿孔50萬元，管道正常0元}

(5)

2.7 決策樹的建立

由于決策組合共有768種，種類過多，在這里只給出決策樹的示意圖，說明思想方法。

如圖4所示，方框代表決策結點，圓圈代表機會結點，三角形代表終止。由注水管道風險評價的結果，結合決策組合解決的風險因素，對該決策組合下注水管道的風險等級重新評定，若處于高風險，則代表該決策組合下管道存在不可接受的風險，決策組合棄用，若處于中低風險，計算出在該決策組合下注水管道三種狀態(tài)的概率。分別計算處于中低風險各種決策組合下的期望值，期望值最小的決策組合即為最優(yōu)決策。

表3 注水管道失效因素的風險控制措施Tab. 3 Risk control measures for failure factors of water injection pipeline

表4 決策費用明細表Tab. 4 Decision cost schedule

圖4 決策樹示意圖Fig. 4 Schematic diagram of decision tree

2.8 比選最優(yōu)決策

決策的費用期望值包括實施決策的成本以及在該決策下的狀態(tài)損失，把每種決策的期望值數(shù)量化，記為e，其全體集合記作E={e}。

(6)

式中：Ei為第i種決策下的損失函數(shù)。Ci為第i種決策下的決策費用。Hj為第j種管道狀態(tài)損失。Pij為第i種決策下，第j種管道狀態(tài)下的概率。

風險處于中低風險的決策中，MinEi對應的決策組合即為最優(yōu)決策。

3 決策優(yōu)化實例

實地對某油田某段注水管道進行數(shù)據(jù)采集，該注水管道沿線人口密度較大，管道上方人口活動較為頻繁，容易給管道施加外應力，縮短管道壽命；管道用地標志情況較清晰地標明管道路由走向及管道與公路、鐵路、溝渠及江河的所有穿越處，但存在標志物缺失問題；由于注水管道輸送介質為含有腐蝕性介質的水，管道運行溫度大于40 ℃且運行壓力高于10 MPa，滿足管道發(fā)生腐蝕的內部環(huán)境；管材選用20號鋼，耐蝕性較差，無法有效抵御內腐蝕風險；管道沿線土壤電阻率小于10 Ω·m，表明土壤含水率及含鹽量較高，管道外防腐層一旦破損，管道的外腐蝕問題尤為突出；另外，管道外防腐措施采用單一的防腐層，并沒有對管道施加陰極保護，外防腐措施單一。

采用Python編程實現(xiàn)風險識別與決策優(yōu)化的過程，對某油田某段注水管道進行數(shù)據(jù)采集并錄入軟件，計算得到導致該注水管道風險增加的主要因素有：地面活動頻繁、管材耐腐蝕性差、無陰極保護。表5為針對每個因素采取的對應措施。

表5 針對每個因素采取的對應措施Tab. 5 Corresponding measures for each factor

將4組措施進行排列組合得到15種決策方案：(1) 加裝管道套管；(2) 加裝管道標記；(3) 更換管材；(4) 加裝管道陰極保護；(5) 加裝管道套管、加裝管道標記；(6) 加裝管道套管、更換管材；(7) 加裝管道套管、加裝管道陰極保護；(8) 加裝管道標記、更換管材；(9) 加裝管道標記、加裝管道陰極保護；(10) 更換管材、加裝管道陰極保護；(11) 加裝管道套管、加裝管道標記、更換管材；(12) 加裝管道套管、加裝管道標記、加裝管道陰極保護;(13) 加裝管道標記、更換管材、加裝管道陰極保護；(14) 加裝管道套管、更換管材、加裝管道陰極保護；(15) 加裝管道套管、加裝管道標記、更換管材、加裝管道陰極保護。

程序計算每種決策下的風險等級、失效概率及經(jīng)濟損失，見表6。

表6 各個決策條件下的預算及損失計算結果Tab. 6 Budget and loss calculation results for each decision condition

由表6得:執(zhí)行決策(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)時，管道仍處于高風險，故決策(1)～(9)作廢，對比管道處于中、低風險時的經(jīng)濟損失，決策(10)的經(jīng)濟損失最低，則決策(10)為最優(yōu)決策，即：更換管材、加裝管道陰極保護。

4 結論

(1) 基于T-S模糊故障樹的注水管道風險評價結果，引入決策準則、狀態(tài)集、決策集、決策費用集、概率分布集、狀態(tài)損失集、決策樹建立了注水管線的決策優(yōu)化數(shù)學模型。

(2) 結合注水管線風險評價的底事件，從第三方破壞、腐蝕、誤操作、設計、自然災害五方面給出相對應的解決措施，計算實施每條措施所需要的人力物力，以及停產(chǎn)所帶來的經(jīng)濟損失，核算每條措施每條管道每年所需要投入的費用，由貨幣量化準則，將管道事故狀態(tài)量化。最終通過決策樹，將風險控制在中低風險以下，計算期望值，選出最優(yōu)決策，提出了優(yōu)先控制風險，再比較經(jīng)濟性的決策優(yōu)化新方法。