基于AHP的水下采油樹海試模糊綜合評(píng)價(jià)

肖仕紅 唐鵬 孫傳軒 梁政 沙喆

1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司；3.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心

水下采油樹是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心設(shè)備，海試是水下采油樹性能驗(yàn)證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和驗(yàn)證樣機(jī)功能的必要程序，但關(guān)于水下采油樹海試工藝技術(shù)，特別是海試評(píng)價(jià)的相關(guān)文獻(xiàn)較少［1-3］。海試評(píng)價(jià)涉及的因素復(fù)雜，屬多目標(biāo)、多準(zhǔn)則決策問題。海試指標(biāo)評(píng)價(jià)帶有主觀性，且相鄰評(píng)價(jià)等級(jí)之間界限模糊，因此需要對(duì)信息進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)。為了科學(xué)評(píng)價(jià)水下采油樹綜合性能，提高水下采油樹的研制能力，結(jié)合其結(jié)構(gòu)、功能和海試作業(yè)過程，運(yùn)用層次分析法建立了水下采油樹海試分析評(píng)價(jià)體系，同時(shí)利用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)其性能進(jìn)行定量分析。研究結(jié)果為實(shí)際海試數(shù)據(jù)的采集、定量評(píng)價(jià)水下采油樹性能、海試后水下采油樹的優(yōu)化方案提供指導(dǎo)和參考依據(jù)。

1 水下采油樹海試評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 水下采油樹及海試介紹

水下采油樹安裝在水下井口上，用于隔離海水、建立油氣產(chǎn)出通道，實(shí)現(xiàn)油氣的可控采收。主要由采油樹主體(TB)、油管懸掛器(TH)、采油樹帽(TC)、水下控制模塊(SCM)等組成。其中采油樹主體主要由生產(chǎn)主閥、生產(chǎn)翼閥、環(huán)空主閥、環(huán)空翼閥、轉(zhuǎn)換閥、四通和各種傳感器等組成［4-7］。水下采油樹分為立式采油樹(如圖1所示)和臥式采油樹2大類。立式采油樹的油管懸掛器安裝在井口內(nèi)，臥式采油樹的油管懸掛器安裝在采油樹主體內(nèi)。水下立式采油樹和水下臥式采油樹雖然安裝順序不同，但海試評(píng)價(jià)指標(biāo)基本相同［7-9］。

水下采油樹海試過程指水下采油樹及其配套海試設(shè)備從出廠運(yùn)輸?shù)酱a頭、裝船運(yùn)輸?shù)綔y(cè)試平臺(tái)、平臺(tái)下放安裝測(cè)試和測(cè)試完成后各部件回收全過程。測(cè)試內(nèi)容可歸納為設(shè)備運(yùn)輸?shù)跹b測(cè)試、水下安裝回收測(cè)試、接口密封性測(cè)試、功能測(cè)試和ROV操作性測(cè)試5大類。

圖1 立式采油樹Fig.1 Vertical Christmas tree

1.2 海試評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

評(píng)價(jià)指標(biāo)選取時(shí)要系統(tǒng)性與科學(xué)性、代表性與可操作性相結(jié)合。通過分析水下采油樹結(jié)構(gòu)、功能及水下采油樹海試作業(yè)過程，利用層次分析法，構(gòu)建水下采油樹綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。整個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、子準(zhǔn)則層和指標(biāo)層組成。

(1)目標(biāo)層。水下采油樹海試目標(biāo)就是獲取水下采油樹的綜合性能評(píng)價(jià)，并期望獲得較高的綜合性能。

(2)準(zhǔn)則層。為實(shí)現(xiàn)采油樹海試目標(biāo)所涉及的中間環(huán)節(jié)稱為準(zhǔn)則層。根據(jù)水下采油樹海試測(cè)試內(nèi)容，結(jié)合水下采油樹結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出準(zhǔn)則層包含運(yùn)輸?shù)跹b性、安裝回收性、功能性(包含接口密封性)和ROV操作性4個(gè)因素。

(3)子準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。根據(jù)Saaty所提出的分層構(gòu)造方法并結(jié)合海試特點(diǎn)［10-11］，進(jìn)一步將準(zhǔn)則層細(xì)分為子準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，使評(píng)價(jià)指標(biāo)具體化，提高評(píng)價(jià)的可操作性。

運(yùn)輸?shù)跹b性主要指水下采油樹從出廠到作業(yè)平臺(tái)整個(gè)過程的運(yùn)輸和吊裝性能，可細(xì)分為TH運(yùn)輸?shù)跹b性、TB運(yùn)輸?shù)跹b性和SCM運(yùn)輸?shù)跹b性。主要考慮其空間尺寸和模塊化程度是否方便運(yùn)輸，其吊裝結(jié)構(gòu)以及重量是否方便提升吊裝，以及其運(yùn)輸?shù)跹b過程對(duì)設(shè)備的安全性和可靠性的影響。

安裝回收性可細(xì)分為TH、TB、SCM、VX和TC安裝回收性。TH、TB和SCM安裝回收性主要考慮其能否順利實(shí)現(xiàn)定位(SCM與TB上的SCM基座定位)，其鎖緊機(jī)構(gòu)是否易于與安裝工具進(jìn)行鎖緊及解鎖。還需考慮TH安裝過程中出現(xiàn)故障時(shí)安裝工具緊急斷開功能。此外，由于SCM和VX在水下采油樹工作壽命期間，通常需要進(jìn)行維護(hù)或更換操作，因此需要考慮SCM和VX的維護(hù)或更換性。對(duì)于TC，利用ROV定位安裝在TB上，測(cè)試完成后進(jìn)行回收操作，因此需考慮TC定位安裝性和回收性。

功能性可細(xì)分為TH、TB、SCM功能性［12-13］。TH安裝時(shí)，與井口或采油樹主體實(shí)現(xiàn)環(huán)空密封，同時(shí)TH上布有與TB連通的電液通道，并安裝有環(huán)空通道閥，因此需考慮TH的密封性、電液結(jié)構(gòu)連通性和環(huán)空通道閥的啟閉功能。TB下部與井口連接，上部與TC連接，并與TH各通道一一對(duì)應(yīng)連通，同時(shí)通過SCM控制的液控閥或ROV操作的手動(dòng)閥控制井液或注入液，并安裝有溫度、壓力等傳感器。因此，TB的功能測(cè)試需關(guān)注TB與井口、TC的密封性，電液結(jié)構(gòu)連通性，各種閥的功能及傳感器通信功能。SCM由水下電子模塊、電磁閥、液壓閥、傳感器等組成，通過液接頭和電接頭與SCM基座實(shí)現(xiàn)電液連通，接收平臺(tái)信息以控制水下采油樹上的各種液控閥，同時(shí)采集水下傳感器信號(hào)回傳到水上控制平臺(tái)。因此，需關(guān)注SCM與各接頭及SCM內(nèi)部各閥的密封性、電液結(jié)構(gòu)連通性、通信功能及控制功能。

ROV操作性主要根據(jù)ROV在水下的操作內(nèi)容進(jìn)行細(xì)分［14-15］。在海試中，需進(jìn)行ROV操作手動(dòng)閥的測(cè)試，評(píng)判手動(dòng)閥的啟閉力矩及圈數(shù)是否滿足要求；需評(píng)判在風(fēng)浪及周圍其他水下設(shè)備干擾下，ROV接近各操作口的能力；需評(píng)判ROV操作水下采油樹上各熱刺的能力；以及評(píng)判ROV操作電液飛頭(或類似電液飛頭的零部件)與MQC液接頭和SCM上濕式電接頭連接的能力。

綜上所述水下采油樹綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖2所示，各層依次用A、B、C和D表示，該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系綜合考慮了水下采油樹的各項(xiàng)性能，各指標(biāo)具有一定的代表性和可操作性，并且適用于立式采油樹和臥式采油樹2種水下采油樹的海試評(píng)價(jià)。

圖2 水下采油樹海試評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 Sea-test evaluation index system for subsea Christmas tree

2 海試評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

為了便于水下采油樹綜合性能評(píng)價(jià)，需要將水下采油樹海試信息的定性分析轉(zhuǎn)化為定量分析。即在建立水下采油樹綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系后，還需進(jìn)一步對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行定量分析。其中，量化分析的關(guān)鍵步驟是確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。主要流程：（1）把復(fù)雜的系統(tǒng)分解成若干組成因素，并按照它們之間的從屬關(guān)系分組，建立有序的階梯層次結(jié)構(gòu)；（2）利用1-9標(biāo)度法對(duì)同一層次要素進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣；（3）進(jìn)行層次單排序；（4）進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，滿足一致性要求后進(jìn)行總排序，得到各指標(biāo)權(quán)重［12-16］。下面以采油樹運(yùn)輸?shù)跹b性B1為例，詳細(xì)闡述海試指標(biāo)權(quán)重確定過程。

2.1 建立判斷矩陣

由 TH(C11)、TB(C12)、SCM(C13)兩兩比較得到采油樹運(yùn)輸?shù)跹b性B1的判斷矩陣UB1為

乘船來到和悅洲。舊址上重建的景區(qū)“修舊如舊”，青石板路打掃得干干凈凈，使老街清寂卻不失尊嚴(yán)體面。從舊址揣摩房子當(dāng)年規(guī)模構(gòu)造，可想當(dāng)年和悅洲上商務(wù)繁忙，房屋主人殷實(shí)富足。乘坐電瓶觀光車環(huán)島參觀，司機(jī)是本地居民，是個(gè)健談的人。“當(dāng)年鼎盛時(shí)，大通有十萬人口，報(bào)館就有4個(gè)，還有女子學(xué)堂！”我們還來不及追憶感嘆，車已行至和悅洲西，“這里才播種了油菜。明天春天更好看了！”他指給我們看眼前的一片江灘，話語里全是對(duì)家鄉(xiāng)過往的自豪，正鋪展開新畫卷的憧憬。

2.2 層次單排序

得到B1判斷矩陣后，采用特征向量法確定子準(zhǔn)則層C11、C12和C13對(duì)B1的影響程度，并依次排序。

式中，λmax為UB1最大特征根，K為λmax的特征向量。對(duì)K歸一化后其分量就是n個(gè)因素的權(quán)重W，其中n為矩陣UB1階數(shù)。

運(yùn)用MATLAB軟件可求得UB1對(duì)應(yīng)的λmax=3，特征向量K=[0.302 0.905 0.302]。歸一化處理后的權(quán)重向量WB1=[C11C12C13]=[0.2 0.6 0.2]。

2.3 一致性檢驗(yàn)

層次單排序的一致性檢驗(yàn)，需要計(jì)算一致性指標(biāo)CI。B1的一致性指標(biāo)為

將一致性指標(biāo)CI和平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值RI(n從 1到 6，RI分別為 0,0,0.52,0.89,1.12,1.26)進(jìn)行比較，得到一致性比例CR。

根據(jù)式(4)可得出B1的一致性比例為

3 水下采油樹海試模糊綜合評(píng)價(jià)

由于水下采油樹海試評(píng)價(jià)存在模糊性和主觀性，難以精確界定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化值，因此，采用模糊評(píng)價(jià)法進(jìn)行量化。先從指標(biāo)層各個(gè)因素進(jìn)行綜合模糊評(píng)價(jià)，依次遞進(jìn)，直到目標(biāo)層，從而得到最終評(píng)價(jià)結(jié)果［12-16］。以運(yùn)輸?shù)跹b性B1為例，詳細(xì)闡述其模糊評(píng)價(jià)過程。

3.1 確定評(píng)價(jià)因素集

根據(jù)圖2確定評(píng)價(jià)因素集，其中B1={C11C12C13}={TH TB SCM}；C11={D111D112} ={TH運(yùn)輸性TH吊裝性}；C12={D121D122} ={TB運(yùn)輸性 TB吊裝性}；C13={D131D132} ={SCM運(yùn)輸性 SCM吊裝性}。

3.2 建立評(píng)語集

確定水下采油樹海試評(píng)語集Z={Z1Z2Z3Z4Z5}={優(yōu)，良，中，差，不合格}。給評(píng)語集賦值，賦值后的評(píng)語向量η=[90 80 70 60 0]T。規(guī)定90～100分為優(yōu)，80～90分為良，70～80分為中，60～70分為差，0～60分為不合格。

表1 水下采油樹海試評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重Table 1 Weights of sea-test evaluation indexes for subsea Christmas tree

3.3 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量

由表1可知，運(yùn)輸?shù)跹b性各評(píng)價(jià)要素的權(quán)重向量為

3.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度確定

模擬5位該領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)采油樹指標(biāo)層每個(gè)要素進(jìn)行等級(jí)打分，因海試要素打分情況具有主觀模糊性，可統(tǒng)計(jì)專家打分的次數(shù)，得出該海試相對(duì)于評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，以此構(gòu)建運(yùn)輸?shù)跹b性B1的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣。MC11表示子準(zhǔn)則層TH的指標(biāo)層對(duì)運(yùn)輸?shù)跹b性的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣；MC12表示子準(zhǔn)則層TB的指標(biāo)層對(duì)運(yùn)輸?shù)跹b性的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣；MC13表示子準(zhǔn)則層SCM的指標(biāo)層對(duì)運(yùn)輸?shù)跹b性的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣，計(jì)算結(jié)果為

3.5 模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)單因素模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣，可計(jì)算出指標(biāo)層對(duì)子準(zhǔn)則層的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣，RC11、RC12和RC13分別表示C11、C12和C13的模糊判斷矩陣，其計(jì)算為

以此構(gòu)建B1模糊評(píng)價(jià)矩陣為

同理可得B2、B3和B4模糊評(píng)價(jià)矩陣為

所以目標(biāo)層A模糊評(píng)價(jià)矩陣RA為

最后計(jì)算出水下采油樹海試的百分制評(píng)價(jià)得分S為

對(duì)應(yīng)水下采油樹海試評(píng)語集Z，其評(píng)價(jià)等級(jí)為“良”，表明水下采油樹系統(tǒng)綜合性能表現(xiàn)良好。此外，通過該評(píng)價(jià)體系的評(píng)價(jià)，還可以獲取水下采油樹整體某單因素性能或各分部件的單項(xiàng)性能，如可獲取水下采油樹的安裝性能或水下采油樹本體的安裝性能。根據(jù)海試評(píng)判結(jié)論，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果為“不合格”或“差”等分部件或水下采油樹整體某單因素性能可以進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)，以提高水下采油樹的整體性能。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)水下采油樹結(jié)構(gòu)及海試作業(yè)過程，利用層次分析法建立水下采油樹綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。同時(shí)運(yùn)用模糊分析方法，對(duì)水下采油樹各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化分析，定量評(píng)判水下采油樹在運(yùn)輸?shù)跹b性、安裝回收性、功能性和ROV操作性4個(gè)方面的綜合性能。

(2)運(yùn)用層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法將海試定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)，客觀、全面、科學(xué)地對(duì)水下采油樹海試進(jìn)行定量綜合評(píng)價(jià)。運(yùn)用此方法也可對(duì)水下采油樹單項(xiàng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過評(píng)價(jià)結(jié)果有針對(duì)性地改進(jìn)水下采油樹單項(xiàng)性能，并提高水下采油樹的研制能力。

(3)水下采油樹海試是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要運(yùn)輸船、鉆井平臺(tái)等大型設(shè)備配套，同時(shí)還需考慮測(cè)試海況，具有高投入、高風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)還未有水下采油樹海試實(shí)踐，僅對(duì)水下采油樹海試后的性能評(píng)價(jià)進(jìn)行前期理論研究，為下一步水下采油樹海試實(shí)踐的數(shù)據(jù)采集及海試評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)，同時(shí)本方法還需在海試實(shí)踐中進(jìn)行驗(yàn)證及完善。