應(yīng)用FAHP模型的石油鉆采設(shè)備節(jié)能運行安全評估方法

趙 明，毛 煉

(中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057)

日益壯大的化工產(chǎn)業(yè)導(dǎo)致能源需求不斷提升，使石油鉆井工程范圍和工作強度增大，但是在滿足社會需求的過程中，大量能源消耗問題也成為阻礙其發(fā)展的限制條件。我國社會能源消費和國民經(jīng)濟增長率呈正比關(guān)系，說明當(dāng)經(jīng)濟不斷提升時，對應(yīng)所需求的石油能源消耗也隨之增高，如何在根本上降低能源消耗節(jié)省資源、提升石油鉆井工程效率，成為研究領(lǐng)域的熱點課題。在石油鉆井作業(yè)中，能源主要應(yīng)用在鉆井作業(yè)的相關(guān)設(shè)備上，應(yīng)通過技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)揮節(jié)能技術(shù)在鉆井工程中的作用[1]，實現(xiàn)降低能源消耗。

但在節(jié)能運行模式下，石油鉆采設(shè)備不僅會受因旋轉(zhuǎn)向下運動而產(chǎn)生的強烈垂直震蕩，而且會遭受往復(fù)運動不平衡慣性力，產(chǎn)生水平振動、泵閥開關(guān)沖擊問題等，進(jìn)而加重設(shè)備軸承在運行時所產(chǎn)生的磨損，減少泵閥、活塞使用壽命，引起突發(fā)性故障，嚴(yán)重影響鉆井設(shè)備正常運行。同時，由于我國石油行業(yè)采用的關(guān)鍵性鉆井設(shè)備功率都較大，一旦發(fā)生事故，就會產(chǎn)生重大安全威脅。為了降低人員工作危險，本文提出一種應(yīng)用FAHP(模糊層次分析)模型的石油鉆采設(shè)備節(jié)能運行安全評估方法，實現(xiàn)預(yù)測維修，在節(jié)省設(shè)備所用資源同時，保持鉆井工作的安全、平穩(wěn)運行，可提升國家或是企業(yè)經(jīng)濟效益[2]，其創(chuàng)新性地利用模糊層次分析法構(gòu)建多級遞階模型，將層級關(guān)系與參數(shù)權(quán)重取值相結(jié)合，動態(tài)性地計算出隸屬度函數(shù)矩陣，獲得石油鉆采設(shè)備節(jié)能運行事件數(shù)據(jù)權(quán)重取值，得出最終安全評估值。

1 設(shè)備節(jié)能運行安全評估研究

1.1 鉆采設(shè)備運行信號采集和FAHP模型構(gòu)建

選擇采集反映活塞運動的時標(biāo)信號以及閥箱機體、軸承座等零部件的振動加速度信號，明確鉆井開采作業(yè)的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。鉆采設(shè)備節(jié)能運行監(jiān)測如圖1所示。

圖1 鉆采設(shè)備節(jié)能運行監(jiān)測Fig.1 Energy saving operation monitoring of drilling and production equipment

在鉆井開采作業(yè)中，很多設(shè)備零件發(fā)揮著重要的作用，以鉆井的泵閥為例，該零件是循環(huán)泵中極為重要的組件，具有接通或隔開液缸與排出、吸入管道的作用，實現(xiàn)對液體流動的控制。作業(yè)中如果泵閥的閥盤以異常速度降落[3]，那么在整個設(shè)備壓力以及液動力的作用下，閥盤將會比正常撞擊閥座的速度快幾倍，造成零件損壞。

環(huán)境因素、設(shè)備自身因素、管理因素和操作水平對鉆井工程的運行狀態(tài)具有重大安全威脅，威脅小到設(shè)備損壞，大到井下事故、人員傷亡等，因此提出以下假設(shè)：

假設(shè)A1：環(huán)境因素的好壞可以直接影響鉆井工程運行狀態(tài)，環(huán)境條件越好，鉆井中設(shè)備可能出現(xiàn)事故的風(fēng)險就越低；反之，環(huán)境因素惡劣，發(fā)生事故的可能性就會提高，安全性降低[4]。

假設(shè)A2：鉆井設(shè)備可以直接決定鉆井工程的完成度，主鉆頭機組性能、井控裝置設(shè)備越先進(jìn)，風(fēng)險就越低；反之如果鉆井設(shè)備性能不高，設(shè)備老舊，發(fā)生事故的可能性就越大，安全性就越低。

假設(shè)A3：鉆井工程中，管理水平越高，作業(yè)操作嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行，安全性就越高；反之現(xiàn)場監(jiān)管能力不高，管理人員不重視，發(fā)生事故的可能性也會增大，安全性就越低。

假設(shè)A4：相關(guān)工作人員水平越嫻熟，鉆井風(fēng)險就越低，安全性高；反之，如果水平技術(shù)落后，鉆壓、鉆速以及井斜控制力不當(dāng)，就越容易發(fā)生事故，安全性就越低。

綜上，最大隸屬度原則下，運行狀態(tài)參數(shù)評估與安全等級關(guān)系見表1。

表1 運行狀態(tài)安全等級Tab.1 Safety level of operation state

憑借設(shè)備泵沖傳感器采集的加速度、噪聲信號、環(huán)境溫度、壓力、震動信號等是否出現(xiàn)故障，分析得出設(shè)備可能失效的因素特征，同時綜合分析運行環(huán)境、管理環(huán)境、工藝水平、操作規(guī)范內(nèi)威脅因子，構(gòu)成多級遞階模型，針對可能影響設(shè)備安全運行因素的隸屬度，進(jìn)行全面計算，具體因素指標(biāo)如圖2所示。

圖2 因素指標(biāo)級別Fig.2 Factor index level

1.2 影響因素隸屬度矩陣

應(yīng)用在FAHP模型中的安全影響因素隸屬度計算過程如下：假設(shè)出現(xiàn)的m個事件影響因素[5]，都是n級別，那么影響因素隸屬度函數(shù)矩陣R的m×n階模糊矩陣表示為：

(1)

1.3 建立權(quán)重集

影響因素的隸屬度矩陣可全方面評價鉆采設(shè)備可能面臨的安全威脅，這里進(jìn)一步計算不同事件因素對比值，以對應(yīng)的模糊一致矩陣，將指標(biāo)標(biāo)度量化結(jié)果進(jìn)行對比，得到模糊判斷矩陣，確定指標(biāo)一致性影響值：Wi=Ci/Si，分別將Ci和Si描述為鉆采安全評估因素指標(biāo)i的實際測量數(shù)據(jù)值和不同級別標(biāo)準(zhǔn)的算術(shù)平均值，而Wi則是參數(shù)i的權(quán)重取值。

為了確保模糊運算的準(zhǔn)確性，需要將權(quán)重矩陣中影響設(shè)備運行的因素進(jìn)行歸一化計算，得出對應(yīng)參數(shù)的歸一化權(quán)重值Vi。

(2)

經(jīng)過上述模糊一致矩陣對影響因素數(shù)據(jù)賦值[6]，獲取出模糊判斷矩陣R，矩陣中包含0≤rij≤1，假設(shè)出現(xiàn)rij=rik-rjk+0.5的情況(k為任意常數(shù))，那么定義R為模糊一致矩陣。

根據(jù)影響因素指標(biāo)，可計算得出與因素指標(biāo)相對應(yīng)的特征向量，且當(dāng)向量取值完全滿足矩陣一致性后，能構(gòu)成1×m矩陣，將A描述為權(quán)重集合A=(V1，V2，…，Vm)。

1.4 模糊矩陣的復(fù)合運算

根據(jù)上述計算，使與影響鉆井設(shè)備安全運行的數(shù)據(jù)因素權(quán)重集合與隸屬度函數(shù)矩陣進(jìn)行復(fù)合運算[7-8]，可得：

U=A·(u1，u2，u3，…，u5)

(3)

式中，ui為復(fù)合運算結(jié)果，權(quán)重集合A和矩陣U結(jié)合則可得出二級模糊分析判斷，進(jìn)而計算結(jié)果將分別對應(yīng)不同級別影響因素的隸屬度。

1.5 指標(biāo)權(quán)重計算

1.5.1 一級指標(biāo)權(quán)重計算

石油鉆采設(shè)備風(fēng)險分析主要有4個一級指標(biāo)，分別是環(huán)境因素(A1)、設(shè)備自身因素(A2)、管理因素(A3)以及設(shè)備操作水平(A4)，本文根據(jù)模糊層次分析算法，建立隸屬度矩陣，明確權(quán)重集，獲得出一級指標(biāo)重要性權(quán)重值見表2。

表2 一級指標(biāo)權(quán)重Tab.2 Weight of primary indicators

計算得出判斷矩陣S的最大特征值λmax=4.052，由n=4查表得出平均隨機一致性指標(biāo)RI=0.86，設(shè)CI代表一致性指標(biāo)，λmax為判斷矩陣的最大特征根，CR則表示為隨機一致性比率，RI為平均隨機一致性指標(biāo)，從上式結(jié)果得知，判斷矩陣具有極佳一致性。當(dāng)最大特征值λmax=4.052時，經(jīng)過歸一化計算處理后[9-11]，可得一級指標(biāo)的權(quán)重為：

Wmax=(0.169 5，0.120 9，0.433 7，0.275 9)T

(4)

1.5.2 二級指標(biāo)權(quán)重計算

由圖2可知，事故風(fēng)險分析有4個一級指標(biāo)，對應(yīng)12個二級指標(biāo)，根據(jù)模糊層次分析算法求出最大特征值，經(jīng)查表判斷一致性，歸一化計算處理后，獲取出二級指標(biāo)的最終權(quán)重，見表3。

基于表3，每個權(quán)重對應(yīng)的參數(shù)值，即石油鉆采設(shè)備節(jié)能運行安全評估結(jié)果，參數(shù)值越大，該指標(biāo)重要度越高，其對節(jié)能運行的影響程度越大。結(jié)合實際情況可知，上述二級指標(biāo)權(quán)重決定了一級指標(biāo)的安全威脅程度。地層壓力系數(shù)、地層溫度、流體性質(zhì)作為設(shè)備地質(zhì)環(huán)境因素可以直接影響鉆井工程運行狀態(tài)，地質(zhì)環(huán)境條件越好，鉆井中設(shè)備發(fā)生安全事故的風(fēng)險越低；鉆機性能、井控裝置、設(shè)備維護狀態(tài)都屬于設(shè)備自身安全因素，直接決定了鉆井工程的完

表3 二級指標(biāo)權(quán)重Tab.3 Weight of secondary indicators

成度，主鉆機組、井控裝置設(shè)備如果性能不高、設(shè)備老舊，發(fā)生設(shè)備運行事故的可能性較大，石油鉆采設(shè)備節(jié)能運行安全性將降低；在鉆井工程實際工作中，管理人員對設(shè)備監(jiān)管越重視，設(shè)備管理水平越高，作業(yè)操作越嚴(yán)格，石油鉆采設(shè)備節(jié)能運行安全性就越高；相關(guān)工作人員對鉆井液性能了解越充分，鉆壓、鉆速以及井斜等操作的控制力較強，石油鉆采設(shè)備節(jié)能運行安全性就越高。將兩層指標(biāo)的層級關(guān)系與參數(shù)權(quán)重取值相結(jié)合，獲得最終安全評估值。

2 實例測試

為了驗證本文評估方法，以某油田X鉆井為例進(jìn)行鉆井工程安全評估實驗。該油田位于四川盆地川西坳陷陸相碎屑巖領(lǐng)域，是一口復(fù)雜且非常規(guī)性的混合型油田，油田邊長為7.26 km×6.98 km，含油面積為46 km2，地質(zhì)儲量為323×118 m3，地理區(qū)域分布如圖3所示。

圖3 地理位置Fig.3 Geographical location map

本文以附近區(qū)域的D區(qū)作為主要研究區(qū)域，完成設(shè)備檢修，檢查結(jié)果內(nèi)未出現(xiàn)重大異常點，其石油鉆采設(shè)備如圖4所示。

圖4 石油鉆采設(shè)備Fig.4 Oil drilling and production equipment

采用FAHP模型評估模型，基于上述設(shè)備，對該片區(qū)在鉆井工程中的設(shè)備節(jié)能運行狀況進(jìn)行評估。

2.1 一級模糊評估

利用FAHP模型確定的權(quán)重指標(biāo)，對鉆井風(fēng)險因子進(jìn)行評估[12]，以負(fù)荷計算矩陣UA1、UA2、UA3以及UA4來表示。

(1)環(huán)境因素UA1。根據(jù)上述模糊判斷矩陣RA1和權(quán)重集AA1，可得到環(huán)境因素的模糊評價[13-15]：

UA1=(0.204，0.352，0.262，0.182)

(5)

參照最大隸屬度原則和表1安全等級，鉆井施工中涉及的管理因素智能使用該鉆井項目的安全性達(dá)到“較好”等級。

(2)設(shè)備自身因素UA2。通過模糊判斷矩陣RA2和權(quán)重結(jié)合AA2，得出設(shè)備自身因素模糊評價：

UA2=(0.451，0.301，0.183，0.065)

(6)

再參照最大隸屬度原則和表1安全等級，得出鉆井工程的安全性達(dá)到“好”。

(3)管理因素UA3。利用模糊判斷矩陣RA3和權(quán)重集合AA3，得出：

UA3=(0.228，0.336，0.255，0.181)

(7)

按照最大隸屬度原則和表1安全等級。鉆井工程安全性達(dá)到“較好”水平。

(4)操作水平UA4。將其代入模糊判斷矩陣RA4和權(quán)重集合AA4，計算得出模糊評價為：

UA4=(0.419，0.293，0.187，0.101)

(8)

經(jīng)過計算后，采用最大隸屬度原則和表1安全等級，鉆井工程的安全性達(dá)到“較好”。

2.2 二級模糊評估

將環(huán)境因素、設(shè)備自身因素、操作水平、管理因素都看作為單一的影響因素[16-20]，他們的一級模糊綜合評價結(jié)果也是單一的評估集。因此，構(gòu)成的二級模糊綜合評估的單因素評估矩陣，結(jié)合權(quán)重集合，獲取出二級模糊綜合評估。根據(jù)最大隸屬度原則，綜合一級和二級指標(biāo)，得知油田鉆采設(shè)備的運行狀態(tài)處于“較好”水平。鉆井工程一級和二級影響因子綜合評估結(jié)果見表4。

表4 鉆采設(shè)備節(jié)能運行狀態(tài)評估結(jié)果Tab.4 Evaluation results of energy-saving operation status of drilling and production equipment

從表4可知，其評估結(jié)果與原始狀態(tài)參數(shù)較為擬合，安全等級評估結(jié)果符合實際，雖然設(shè)備自身因素安全等級為“好”，但其他3個因素都處于“較好”水平?！拜^好”的等級只能說明目前該現(xiàn)場都處于正常水平，但也會存在一些小的安全隱患，不容疏忽，應(yīng)在嚴(yán)格要求相關(guān)部門的基礎(chǔ)上，加強管理。

3 結(jié)論

本文采用模糊層次分析法構(gòu)成多級遞階模型，針對其影響因素的隸屬度計算，將權(quán)重矩陣中每一個具有影響設(shè)備安全運行的因素進(jìn)行歸一化計算，獲得出權(quán)重取值后，令權(quán)重集合和隸屬度函數(shù)矩陣做復(fù)合運算，并對指標(biāo)因素權(quán)重進(jìn)行計算，最終得出影響因子評估等級。