石油套管质量评价方法研究
2020-03-04剑2韩华刚余国民马跃鹏
□ 闫 凯 □ 梁 剑2 □ 卫 栋 □ 韩华刚□ 余国民 □ 马跃鹏
1. 中国石油集团石油管工程技术研究院石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室 西安 710077 2. 莆田海关 福建莆田 351111
1 研究背景
石油套管是油气田开采中的重要物资装备,其质量优劣直接影响油气田的生产安全和开采效率[1-5]。无论是美国石油学会标准的石油套管，还是非美国石油学会标准的石油套管,所执行的标准对石油套管的规格型号、理化性能、几何尺寸、外观质量、螺纹参数等都有明确要求,并规定了性能参数的目标值及公差范围[6-8]。制造厂根据产品标准要求加工石油套管,各项参数符合标准要求，则判定为合格产品，可以交付使用。在油田现场实际使用中发现,各项性能参数趋于目标值的石油套管使用效果明显好于各项性能参数偏离目标值较大的石油套管。
能否将石油套管各项性能参数控制得更趋向于目标值,是制造厂对石油套管质量水平控制的体现。各大油田客户也更趋向于订购石油套管质量水平较高的工厂所制造的产品。
在对石油套管质量进行评价时,常用手段是检测石油套管各种参数是否符合标准,统计检测数据的平均值、标准差等指标。这些指标仅能单独反映数据的平均水平或离散程度,不能综合反映石油套管的质量水平,难以为油田客户在采购石油套管时提供更为直接客观的参考。笔者针对石油套管质量评价现状,提出一种设计合理、反映准确，并能实际应用的石油套管质量评价方法。这一方法通过对制造厂生产出的合格石油套管的各项性能参数进行统计计算和评价,反映该批次石油套管的质量水平。实例说明应用这一方法可以获得较好的效果,能够对石油套管质量进行有效评价。
2 评价模型
反映石油套管质量水平的参数众多,各参数的影响作用不尽相同,如何有效整合各项参数,并进行优选和处理，是需要重点关注的问题。按照设计合理、反映准确，并能实际应用的要求,建立石油套管质量评价流程,如图1所示。
▲图1 石油套管质量评价流程
2.1 参数抽样
针对一批某规格的合格石油套管,随机抽取n根石油套管,对抽取的每根石油套管均进行m项性能参数的检测,形成检测数据矩阵A:
(1)
式中：Bij为对第j根石油套管进行第i项性能参数检测的结果，1≤i≤m，1≤j≤n。
性能参数包括几何尺寸、理化性能和螺纹参数。几何尺寸包括外径和壁厚，理化性能包括硫元素与磷元素的质量分数、屈服强度、抗拉强度，螺纹参数包括紧密距、锥度、螺距偏差、齿高偏差。
2.2 确定理想偏差值
根据不同性能参数的特性,由专家参照相关标准和技术规范确定每个性能参数的理想目标值xi,并通过计算得到每个性能参数的理想偏差值li：
(2)
由此,m项性能参数的理想偏差值形成理想偏差值矩阵L:
(3)
2.3 归一化处理
通过生长曲线隶属度函数对每个性能参数的理想偏差值进行评分计算,得出每个性能参数理想偏差值的归一化得分fi:
(4)
式中：ai为根据最好最差原则设置的第i项性能参数的斜率因数；bi为根据最好最差原则设置的第i项性能参数的偏移因数。
ai和bi的确定方法如下：以由最接近目标值且离散度最小的数列得出的理想偏差值归一化得分为1,以由最远离目标值且离散度最大的数列得出的理想偏差值归一化得分为0,以理想偏差值处于黄金分割点处的归一化得分为0.5,从而确定ai和bi。
由此,m项性能参数的理想偏差值归一化后，形成理想偏差值归一化得分矩阵F:
(5)
2.4 质量评分
D=f1Q1+f2Q2+…fmQm
(6)
2.5 质量评价
根据该批次石油套管的质量水平得分,确定该批次石油套管的质量评价结果。将石油套管质量预先划分为五个等级,分别为优、良好、较好、一般和差。计算得到的质量水平得分对应石油套管质量等级,从而确定该批次石油套管的质量评价结果。
优等级对应的质量水平得分D≥85，良好等级对应的质量水平得分85>D≥75，较好等级对应的质量水平得分75>D≥65，一般等级对应的质量水平得分65>D≥55，差等级对应的质量水平得分D<55。
3 应用分析
针对某工厂出厂的一批次合格φ139.70 mm×7.72 mm P110 BC石油套管进行质量评价,该批次石油套管共24炉批。
随机抽取该批次中20根石油套管进行性能参数检测,理化性能选取前20炉批。石油套管性能参数技术要求见表1。
表1 石油套管性能参数技术要求
抽检形成检测数据矩阵:
A=139.587.541.6464110.0050.003788934139.667.321.22631-10.0060.014793976140.327.450.7864110.0120.012856966140.027.771.1264010.0120.012877934139.997.890.8865000.0080.006843923139.568.021.4262110.0050.005876953139.967.881.34631-20.0060.006866893139.767.921.5263110.0110.011865975139.568.041.0262110.0040.014793893139.437.920.4263000.0040.004833899140.127.450.1262-1-20.0030.013799925140.427.531.6264000.0060.006899953140.247.770.8865-1-10.0060.012901985139.987.230.2465100.0090.009912933140.227.881.2263110.0080.009896965140.547.461.4262120.0020.012868923139.488.221.5862-120.0110.011868964139.828.431.3864-2-20.0030.013892963139.588.221.42631-10.0040.004881978139.768.021.0262000.0020.012872897
根据各参数的特性,组织专家参照API SPEC 5CT《套管和油管规范》、API SPEC 5B《套管、油管和管线管螺纹加工、测量和检验规范》等确定各性能参数的理想目标值x:
x={140.05,7.72,1.27,62.5,0,0,0.001,
0.001,861,1 000}
通过式(2)、式(3)计算各性能参数的统计指标理想偏差值,形成理想偏差矩阵L：
L=[0.358,0.327,0.464,1.285,0.949,0.371,
0.004 7,0.008 1,37.766,65.485]
专家根据最好最差原则设置各隶属度函数的因数ai和bi，以由最接近目标值且离散度最小的数列得出的理想偏差为1,以由最远离目标值且离散度最大的数列得出的理想偏差为0，各隶属度函数的因数ai和bi为:
ai={-4,-4,-4,-2,-5,-6,-280,-280,
-0.07,0.08}
bi={0.82,0.84,0.92,1.72,1.12,0.68,0.013,
0.013,52,50}
依据式(4)计算出各性能参数理想偏差li归一化得分fi：
fi={0.864,0.886,0.861,0.705,0.702,0.865,
0.910,0.798,0.730,0.775}
专家根据油田石油套管质量问题分析情况和各性能参数对石油套管质量的影响程度,确定在质量评价时各性能参数的权重Qi：
Qi={6,6,10,10,10,10,12,12,12,12}
根据式(6)计算该批次石油套管的质量水平得分为80.386。
基于石油套管质量水平等级划分,确定该批次石油套管的质量评价结果为良好级,可以作为工厂质量控制的依据,也可以为油田用户采购时提供参考,具有较强的实用性。
4 结束语
在笔者提出的石油套管质量评价方法中,所选择的评价性能参数包括了反映石油套管性能的关键参数,能很好地体现石油套管质量。对各性能参数采用理想偏差值进行统计计算,既能体现检测参数的离散程度,又能体现检测参数与理想值的偏差情况,可以更有效地反映石油套管的加工质量水平。应用这一评价方法对石油套管进行质量评价,结果直观,有利于工厂质量控制，油田客户在采购时也可以作为质量参考依据。通过实例说明了这一方法的有效性。由于反映石油套管质量的参数有很多,并且各个参数反映性能状态的程度不同,直接影响到评价时所占的权重,因此在这一方面还需要继续研究。
