基于AHP的水下采油树海试模糊综合评价

肖仕红 唐鹏 孙传轩 梁政 沙喆

1.西南石油大学机电工程学院；2.宝鸡石油机械有限责任公司；3.国家油气钻井装备工程技术研究中心

水下采油树是水下生产系统的核心设备，海试是水下采油树性能验证的关键环节和验证样机功能的必要程序，但关于水下采油树海试工艺技术，特别是海试评价的相关文献较少［1-3］。海试评价涉及的因素复杂，属多目标、多准则决策问题。海试指标评价带有主观性，且相邻评价等级之间界限模糊，因此需要对信息进行模糊评价。为了科学评价水下采油树综合性能，提高水下采油树的研制能力，结合其结构、功能和海试作业过程，运用层次分析法建立了水下采油树海试分析评价体系，同时利用模糊综合评价法对其性能进行定量分析。研究结果为实际海试数据的采集、定量评价水下采油树性能、海试后水下采油树的优化方案提供指导和参考依据。

1 水下采油树海试评价指标体系

1.1 水下采油树及海试介绍

水下采油树安装在水下井口上，用于隔离海水、建立油气产出通道，实现油气的可控采收。主要由采油树主体(TB)、油管悬挂器(TH)、采油树帽(TC)、水下控制模块(SCM)等组成。其中采油树主体主要由生产主阀、生产翼阀、环空主阀、环空翼阀、转换阀、四通和各种传感器等组成［4-7］。水下采油树分为立式采油树(如图1所示)和卧式采油树2大类。立式采油树的油管悬挂器安装在井口内，卧式采油树的油管悬挂器安装在采油树主体内。水下立式采油树和水下卧式采油树虽然安装顺序不同，但海试评价指标基本相同［7-9］。

水下采油树海试过程指水下采油树及其配套海试设备从出厂运输到码头、装船运输到测试平台、平台下放安装测试和测试完成后各部件回收全过程。测试内容可归纳为设备运输吊装测试、水下安装回收测试、接口密封性测试、功能测试和ROV操作性测试5大类。

图1 立式采油树Fig.1 Vertical Christmas tree

1.2 海试评价指标体系的建立

评价指标选取时要系统性与科学性、代表性与可操作性相结合。通过分析水下采油树结构、功能及水下采油树海试作业过程，利用层次分析法，构建水下采油树综合评价指标体系。整个评价指标体系由目标层、准则层、子准则层和指标层组成。

(1)目标层。水下采油树海试目标就是获取水下采油树的综合性能评价，并期望获得较高的综合性能。

(2)准则层。为实现采油树海试目标所涉及的中间环节称为准则层。根据水下采油树海试测试内容，结合水下采油树结构特点，提出准则层包含运输吊装性、安装回收性、功能性(包含接口密封性)和ROV操作性4个因素。

(3)子准则层和指标层。根据Saaty所提出的分层构造方法并结合海试特点［10-11］，进一步将准则层细分为子准则层和指标层，使评价指标具体化，提高评价的可操作性。

运输吊装性主要指水下采油树从出厂到作业平台整个过程的运输和吊装性能，可细分为TH运输吊装性、TB运输吊装性和SCM运输吊装性。主要考虑其空间尺寸和模块化程度是否方便运输，其吊装结构以及重量是否方便提升吊装，以及其运输吊装过程对设备的安全性和可靠性的影响。

安装回收性可细分为TH、TB、SCM、VX和TC安装回收性。TH、TB和SCM安装回收性主要考虑其能否顺利实现定位(SCM与TB上的SCM基座定位)，其锁紧机构是否易于与安装工具进行锁紧及解锁。还需考虑TH安装过程中出现故障时安装工具紧急断开功能。此外，由于SCM和VX在水下采油树工作寿命期间，通常需要进行维护或更换操作，因此需要考虑SCM和VX的维护或更换性。对于TC，利用ROV定位安装在TB上，测试完成后进行回收操作，因此需考虑TC定位安装性和回收性。

功能性可细分为TH、TB、SCM功能性［12-13］。TH安装时，与井口或采油树主体实现环空密封，同时TH上布有与TB连通的电液通道，并安装有环空通道阀，因此需考虑TH的密封性、电液结构连通性和环空通道阀的启闭功能。TB下部与井口连接，上部与TC连接，并与TH各通道一一对应连通，同时通过SCM控制的液控阀或ROV操作的手动阀控制井液或注入液，并安装有温度、压力等传感器。因此，TB的功能测试需关注TB与井口、TC的密封性，电液结构连通性，各种阀的功能及传感器通信功能。SCM由水下电子模块、电磁阀、液压阀、传感器等组成，通过液接头和电接头与SCM基座实现电液连通，接收平台信息以控制水下采油树上的各种液控阀，同时采集水下传感器信号回传到水上控制平台。因此，需关注SCM与各接头及SCM内部各阀的密封性、电液结构连通性、通信功能及控制功能。

ROV操作性主要根据ROV在水下的操作内容进行细分［14-15］。在海试中，需进行ROV操作手动阀的测试，评判手动阀的启闭力矩及圈数是否满足要求；需评判在风浪及周围其他水下设备干扰下，ROV接近各操作口的能力；需评判ROV操作水下采油树上各热刺的能力；以及评判ROV操作电液飞头(或类似电液飞头的零部件)与MQC液接头和SCM上湿式电接头连接的能力。

综上所述水下采油树综合评价指标体系如图2所示，各层依次用A、B、C和D表示，该评价指标体系综合考虑了水下采油树的各项性能，各指标具有一定的代表性和可操作性，并且适用于立式采油树和卧式采油树2种水下采油树的海试评价。

图2 水下采油树海试评价指标体系Fig.2 Sea-test evaluation index system for subsea Christmas tree

2 海试评价指标权重的确定

为了便于水下采油树综合性能评价，需要将水下采油树海试信息的定性分析转化为定量分析。即在建立水下采油树综合评价指标体系后，还需进一步对评价指标体系进行定量分析。其中，量化分析的关键步骤是确定各评价指标的权重。主要流程：（1）把复杂的系统分解成若干组成因素，并按照它们之间的从属关系分组，建立有序的阶梯层次结构；（2）利用1-9标度法对同一层次要素进行两两比较，构建判断矩阵；（3）进行层次单排序；（4）进行一致性检验，满足一致性要求后进行总排序，得到各指标权重［12-16］。下面以采油树运输吊装性B1为例，详细阐述海试指标权重确定过程。

2.1 建立判断矩阵

由 TH(C11)、TB(C12)、SCM(C13)两两比较得到采油树运输吊装性B1的判断矩阵UB1为

乘船来到和悦洲。旧址上重建的景区“修旧如旧”，青石板路打扫得干干净净，使老街清寂却不失尊严体面。从旧址揣摩房子当年规模构造，可想当年和悦洲上商务繁忙，房屋主人殷实富足。乘坐电瓶观光车环岛参观，司机是本地居民，是个健谈的人。“当年鼎盛时，大通有十万人口，报馆就有4个，还有女子学堂！”我们还来不及追忆感叹，车已行至和悦洲西，“这里才播种了油菜。明天春天更好看了！”他指给我们看眼前的一片江滩，话语里全是对家乡过往的自豪，正铺展开新画卷的憧憬。

2.2 层次单排序

得到B1判断矩阵后，采用特征向量法确定子准则层C11、C12和C13对B1的影响程度，并依次排序。

式中，λmax为UB1最大特征根，K为λmax的特征向量。对K归一化后其分量就是n个因素的权重W，其中n为矩阵UB1阶数。

运用MATLAB软件可求得UB1对应的λmax=3，特征向量K=[0.302 0.905 0.302]。归一化处理后的权重向量WB1=[C11C12C13]=[0.2 0.6 0.2]。

2.3 一致性检验

层次单排序的一致性检验，需要计算一致性指标CI。B1的一致性指标为

将一致性指标CI和平均随机一致性指标值RI(n从 1到 6，RI分别为 0,0,0.52,0.89,1.12,1.26)进行比较，得到一致性比例CR。

根据式(4)可得出B1的一致性比例为

3 水下采油树海试模糊综合评价

由于水下采油树海试评价存在模糊性和主观性，难以精确界定各评价指标的量化值，因此，采用模糊评价法进行量化。先从指标层各个因素进行综合模糊评价，依次递进，直到目标层，从而得到最终评价结果［12-16］。以运输吊装性B1为例，详细阐述其模糊评价过程。

3.1 确定评价因素集

根据图2确定评价因素集，其中B1={C11C12C13}={TH TB SCM}；C11={D111D112} ={TH运输性TH吊装性}；C12={D121D122} ={TB运输性 TB吊装性}；C13={D131D132} ={SCM运输性 SCM吊装性}。

3.2 建立评语集

确定水下采油树海试评语集Z={Z1Z2Z3Z4Z5}={优，良，中，差，不合格}。给评语集赋值，赋值后的评语向量η=[90 80 70 60 0]T。规定90～100分为优，80～90分为良，70～80分为中，60～70分为差，0～60分为不合格。

表1 水下采油树海试评价指标的权重Table 1 Weights of sea-test evaluation indexes for subsea Christmas tree

3.3 确定评价指标权重向量

由表1可知，运输吊装性各评价要素的权重向量为

3.4 评价指标隶属度确定

模拟5位该领域专家对采油树指标层每个要素进行等级打分，因海试要素打分情况具有主观模糊性，可统计专家打分的次数，得出该海试相对于评价等级的隶属度，以此构建运输吊装性B1的模糊综合评价矩阵。MC11表示子准则层TH的指标层对运输吊装性的模糊综合评价矩阵；MC12表示子准则层TB的指标层对运输吊装性的模糊综合评价矩阵；MC13表示子准则层SCM的指标层对运输吊装性的模糊综合评价矩阵，计算结果为

3.5 模糊综合评价

根据单因素模糊综合评价矩阵，可计算出指标层对子准则层的模糊综合评价矩阵，RC11、RC12和RC13分别表示C11、C12和C13的模糊判断矩阵，其计算为

以此构建B1模糊评价矩阵为

同理可得B2、B3和B4模糊评价矩阵为

所以目标层A模糊评价矩阵RA为

最后计算出水下采油树海试的百分制评价得分S为

对应水下采油树海试评语集Z，其评价等级为“良”，表明水下采油树系统综合性能表现良好。此外，通过该评价体系的评价，还可以获取水下采油树整体某单因素性能或各分部件的单项性能，如可获取水下采油树的安装性能或水下采油树本体的安装性能。根据海试评判结论，对评价结果为“不合格”或“差”等分部件或水下采油树整体某单因素性能可以进行有针对性的改进，以提高水下采油树的整体性能。

4 结论

(1)根据水下采油树结构及海试作业过程，利用层次分析法建立水下采油树综合评价指标体系，并确定评价指标的权重。同时运用模糊分析方法，对水下采油树各评价指标进行量化分析，定量评判水下采油树在运输吊装性、安装回收性、功能性和ROV操作性4个方面的综合性能。

(2)运用层次分析法和模糊综合评价法将海试定性指标转化为定量指标，客观、全面、科学地对水下采油树海试进行定量综合评价。运用此方法也可对水下采油树单项性能进行评价，通过评价结果有针对性地改进水下采油树单项性能，并提高水下采油树的研制能力。

(3)水下采油树海试是一个系统工程，需要运输船、钻井平台等大型设备配套，同时还需考虑测试海况，具有高投入、高风险特点。目前国内还未有水下采油树海试实践，仅对水下采油树海试后的性能评价进行前期理论研究，为下一步水下采油树海试实践的数据采集及海试评价提供指导，同时本方法还需在海试实践中进行验证及完善。