石油套管質量評價方法研究

□ 閆 凱 □ 梁 劍2 □ 衛 棟 □ 韓華剛□ 余國民 □ 馬躍鵬

1. 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 西安 710077 2. 莆田海關 福建莆田 351111

1 研究背景

石油套管是油氣田開采中的重要物資裝備,其質量優劣直接影響油氣田的生產安全和開采效率[1-5]。無論是美國石油學會標準的石油套管，還是非美國石油學會標準的石油套管,所執行的標準對石油套管的規格型號、理化性能、幾何尺寸、外觀質量、螺紋參數等都有明確要求,并規定了性能參數的目標值及公差范圍[6-8]。制造廠根據產品標準要求加工石油套管,各項參數符合標準要求，則判定為合格產品，可以交付使用。在油田現場實際使用中發現,各項性能參數趨于目標值的石油套管使用效果明顯好于各項性能參數偏離目標值較大的石油套管。

能否將石油套管各項性能參數控制得更趨向于目標值,是制造廠對石油套管質量水平控制的體現。各大油田客戶也更趨向于訂購石油套管質量水平較高的工廠所制造的產品。

在對石油套管質量進行評價時,常用手段是檢測石油套管各種參數是否符合標準,統計檢測數據的平均值、標準差等指標。這些指標僅能單獨反映數據的平均水平或離散程度,不能綜合反映石油套管的質量水平,難以為油田客戶在采購石油套管時提供更為直接客觀的參考。筆者針對石油套管質量評價現狀,提出一種設計合理、反映準確，并能實際應用的石油套管質量評價方法。這一方法通過對制造廠生產出的合格石油套管的各項性能參數進行統計計算和評價,反映該批次石油套管的質量水平。實例說明應用這一方法可以獲得較好的效果,能夠對石油套管質量進行有效評價。

2 評價模型

反映石油套管質量水平的參數眾多,各參數的影響作用不盡相同,如何有效整合各項參數,并進行優選和處理，是需要重點關注的問題。按照設計合理、反映準確，并能實際應用的要求,建立石油套管質量評價流程,如圖1所示。

▲圖1 石油套管質量評價流程

2.1 參數抽樣

針對一批某規格的合格石油套管,隨機抽取n根石油套管,對抽取的每根石油套管均進行m項性能參數的檢測,形成檢測數據矩陣A:

(1)

式中：Bij為對第j根石油套管進行第i項性能參數檢測的結果，1≤i≤m，1≤j≤n。

性能參數包括幾何尺寸、理化性能和螺紋參數。幾何尺寸包括外徑和壁厚，理化性能包括硫元素與磷元素的質量分數、屈服強度、抗拉強度，螺紋參數包括緊密距、錐度、螺距偏差、齒高偏差。

2.2 確定理想偏差值

根據不同性能參數的特性,由專家參照相關標準和技術規范確定每個性能參數的理想目標值xi,并通過計算得到每個性能參數的理想偏差值li：

(2)

由此,m項性能參數的理想偏差值形成理想偏差值矩陣L:

(3)

2.3 歸一化處理

通過生長曲線隸屬度函數對每個性能參數的理想偏差值進行評分計算,得出每個性能參數理想偏差值的歸一化得分fi:

(4)

式中：ai為根據最好最差原則設置的第i項性能參數的斜率因數；bi為根據最好最差原則設置的第i項性能參數的偏移因數。

ai和bi的確定方法如下：以由最接近目標值且離散度最小的數列得出的理想偏差值歸一化得分為1,以由最遠離目標值且離散度最大的數列得出的理想偏差值歸一化得分為0,以理想偏差值處于黃金分割點處的歸一化得分為0.5,從而確定ai和bi。

由此,m項性能參數的理想偏差值歸一化后，形成理想偏差值歸一化得分矩陣F:

(5)

2.4 質量評分

D=f1Q1+f2Q2+…fmQm

(6)

2.5 質量評價

根據該批次石油套管的質量水平得分,確定該批次石油套管的質量評價結果。將石油套管質量預先劃分為五個等級,分別為優、良好、較好、一般和差。計算得到的質量水平得分對應石油套管質量等級,從而確定該批次石油套管的質量評價結果。

優等級對應的質量水平得分D≥85，良好等級對應的質量水平得分85>D≥75，較好等級對應的質量水平得分75>D≥65，一般等級對應的質量水平得分65>D≥55，差等級對應的質量水平得分D<55。

3 應用分析

針對某工廠出廠的一批次合格φ139.70 mm×7.72 mm P110 BC石油套管進行質量評價,該批次石油套管共24爐批。

隨機抽取該批次中20根石油套管進行性能參數檢測,理化性能選取前20爐批。石油套管性能參數技術要求見表1。

表1 石油套管性能參數技術要求

抽檢形成檢測數據矩陣:

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

根據各參數的特性,組織專家參照API SPEC 5CT《套管和油管規范》、API SPEC 5B《套管、油管和管線管螺紋加工、測量和檢驗規范》等確定各性能參數的理想目標值x:

x={140.05,7.72,1.27,62.5,0,0,0.001,

0.001,861,1 000}

通過式(2)、式(3)計算各性能參數的統計指標理想偏差值,形成理想偏差矩陣L：

L=[0.358,0.327,0.464,1.285,0.949,0.371,

0.004 7,0.008 1,37.766,65.485]

專家根據最好最差原則設置各隸屬度函數的因數ai和bi，以由最接近目標值且離散度最小的數列得出的理想偏差為1,以由最遠離目標值且離散度最大的數列得出的理想偏差為0，各隸屬度函數的因數ai和bi為:

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}

依據式(4)計算出各性能參數理想偏差li歸一化得分fi：

fi={0.864,0.886,0.861,0.705,0.702,0.865,

0.910,0.798,0.730,0.775}

專家根據油田石油套管質量問題分析情況和各性能參數對石油套管質量的影響程度,確定在質量評價時各性能參數的權重Qi：

Qi={6,6,10,10,10,10,12,12,12,12}

根據式(6)計算該批次石油套管的質量水平得分為80.386。

基于石油套管質量水平等級劃分,確定該批次石油套管的質量評價結果為良好級,可以作為工廠質量控制的依據,也可以為油田用戶采購時提供參考,具有較強的實用性。

4 結束語

在筆者提出的石油套管質量評價方法中,所選擇的評價性能參數包括了反映石油套管性能的關鍵參數,能很好地體現石油套管質量。對各性能參數采用理想偏差值進行統計計算,既能體現檢測參數的離散程度,又能體現檢測參數與理想值的偏差情況,可以更有效地反映石油套管的加工質量水平。應用這一評價方法對石油套管進行質量評價,結果直觀,有利于工廠質量控制，油田客戶在采購時也可以作為質量參考依據。通過實例說明了這一方法的有效性。由于反映石油套管質量的參數有很多,并且各個參數反映性能狀態的程度不同,直接影響到評價時所占的權重,因此在這一方面還需要繼續研究。