制造與服役特征融合的石油專用管質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，中國西部質量科學與技術研究院 陜西 西安 710049) (2.中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構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，在油氣田生產中發揮著重要的作用，其質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等腐蝕介質的長時間接觸腐蝕，復雜的工作環境導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量評價存在評價過程不集成、不可靠等問題，造成評價結果不準確、適用性差，油田生產中石油專用管的選擇和實際工況不匹配，產品服役存在適用性低的問題。同時，由于產品質量后評價的缺失，基于石油專用管服役全生命周期質量的采購過程常年無據可依，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量狀態并提高其安全性、可靠性，能有效提高油田行業的經濟利益和安全生產能力。綜上可知，對石油專用管進行制造與服役質量融合的產品質量集成評價具有重要的現實意義。

目前針對石油專用管的質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，從失效機理的角度研究其對石油專用管服役性能質量的影響。西安石油大學的馬云[2]等人對某油區的28口油井進行了腐蝕監測，應用主成分分析法對出液理化性質及腐蝕影響因素之間的相關性進行了分析，并證實了利用出液性質可以預判油管的腐蝕狀況。中國石油大學李勐[3]等通過建立復雜工作載荷下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。西南石油大學馬尚余[4]等人通過模擬油田生產實際工況開展桿管偏磨試驗，分析了不同工況下的磨損規律并推導出了油管磨損量的預測模型。Xiaoqiang Guo[5]等通過系統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環空壓力模型，利用環空壓力和流體分布特征，實現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油管疲勞強度模型，提出了基于參數極值時程的最佳疲勞參數確定方法，為連續油管壽命預測提供了一種新方法。

此外，國內外也有部分學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(華東)周云霞[8]通過分析油管的結構、功能和工作環境，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油管的疲勞壽命可靠性進行分析和預測，找到了最準確的預測模型，預測準確率達到了98%。

可見，在石油專用管的服役質量評價研究領域，已經有國內外的學者用理論計算、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，造成評價結果不準確。

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

針對目前石油專用管服役質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量集成評價新方法。首先通過前期調研和石油專用管服役過程分析構建了石油專用管服役質量評價體系，從5個主要方面宏觀刻畫了石油專用管服役質量狀態；其次，提出了石油專用管服役質量指數的概念，并基于屬性數學模型引入了評語等級加權向量分析；最后，以某油田區塊油管為例進行了評價示例，通過評語等級向量將評價結果以百分制表示，使石油專用管的服役質量狀態得到了更加直觀量化的表達。

1 石油專用管服役質量指標體系建立

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，由于受到復雜的拉、壓、彎、扭、剪切及復合應力與溫度及CO2、H2S、Cl-等腐蝕介質的共同作用,石油專用管極易發生失效[10-11]。通過對石油專用管的服役環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的主要維度。在此基礎上，研究服役性能與材料的成分/結構、合成/加工、性質的關系[12]。從制造和服役融合的角度，石油專用管的服役質量的含義主要包括其運行過程質量、功能實現性質量、平穩性質量、靜態和動態質量等[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量評價因素及產品出廠各項性能水平與服役中的井下工作環境、工作運行狀態、設備整體結構、安全管理、人員素質因素進行融合，形成石油專用管服役質量評價指標體系。

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量狀態，第1層指標包括出廠性能水平、服役環境因素等共計5項；第2層指標包括機械性能水平、服役環境因素等共計18項。

圖2 石油專用管服役質量評估指標體系

2 石油專用管服役質量指數概念及計算

在建立起服役全過程的石油專用管服役質量評價體系之后，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據展開評價的方法有模糊綜合評價[14-15]和屬性數學評價[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，隸屬度函數的確定方式往往不夠客觀，導致許多本身存在的客觀信息并沒有在結果中得到有效地反映；利用屬性數學模型可以得到相對客觀的指標特征隸屬度計算結果，但此模型無法得到直觀量化的評價結果。針對傳統方法存在的問題，結合屬性數學的方法，本文提出了石油專用管服役質量指數的概念，并將其作為最終結果實現綜合評價。

石油專用管服役質量指數定義式如下:

Q=A×S

(1)

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

石油專用管服役質量指數綜合表示在各因素作用下，石油專用管保持服役狀態平穩、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為定性度量的綜合評價問題，而屬性數學理論主要解決定性指標的度量及相關關系的問題。其基本原理如下，設評價對象空間為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μjk(t)來表示?；趯傩詳祵W模型計算石油專用管服役質量指數步驟主要有：

1)指標權重確定

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

本文在傳統屬性數學評價模型的基礎上，通過引入百分制的評語等級向量，S={A，B，C，D}，使得評價結果更加直觀量化。

4)求取評價指標的隸屬度

根據實際情況的要求，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。

假設第j個指標的指標值為t，依據表2中的劃分規則，求取指標屬性測度函數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μjc(t)如下:

(12)

以上3個公式中j=1,2,…，m；c=2，3，…，(k-1)。

經過以上的計算過程，可以得到第2層指標對應第1層指標的隸屬度矩陣，再利用第2層指標的權重乘對應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表示各二級指標權重；ui表示二級隸屬度矩陣。

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

A=W×B

(14)

式中：W代表一級指標的權重，B代表一級指標隸屬度矩陣。

5)服役質量指數計算

石油專用管服役質量指數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量狀態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量指數，A指服役質量隸屬度向量，S指評語等級向量。

3 油管集成質量評價實例

以國內某油田區塊的服役油管數據為例進行集成質量評價，以驗證本文所提方法的效果，該區塊油管服役過程中的指標值見表3。

表3 某油田區塊油管相關服役指標數據

依據本文第2章所述方法進行油管服役質量指數計算及評價，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。計算結果為：一級指標權重W=(0.301 6，0.453 2，0.130 0，0.070 7，0.044 6)；二級指標的權重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、服役環境因素、工作運行狀態、設備整體結構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)可得到油管服役質量的隸屬度向量：

A=W×B

(17)

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

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

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

4 結 論

本文通過分析石油專用管服役環境、服役行為特點，提出了石油專用管服役質量的概念，基于石油專用管服役全過程建立了包含制造、環境、人、設備、管理等因素的質量評價體系，并提出了基于屬性數學的石油專用管服役質量定量化評價方法。最后，以某油田區塊油管服役過程的數據為例進行了驗證。結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量，為以后的石油專用管的質量評估和壽命預測分析提供了技術支持。

在本文所提的石油專用管質量評價體系和方法的基礎上，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，以增加評價結果的客觀性、科學性。