基于风险的油气管道最优完整性维护决策.pdf

3 本文为石油科技中青年创新基金、 油气藏地质及开发工程国家重点实验室开放基金PLN0113、 四川省应用基础研究 专项基金01GY051 - 40资助项目。 作者简介张鹏,1964年生,教授、 博士生导师;先后毕业于西南石油学院、 哈尔滨建筑大学,2000年从哈尔滨工业大学力 学博士后流动站完成研究工作;现任西南石油学院建筑工程学院副院长,主要从事油气管道安全可靠性评价、 剩余寿命评估 和风险评价与管理技术等方面的研究工作。地址610500四川省成都市新都区新都大道8号西南石油学院建筑工程学院。 电话02883032105。E2mail zp-swpi sina. com 基于风险的油气管道最优完整性维护决策一 3 张 鹏1 陈利琼1 侯向秦1 施林圆2 1. 西南石油学院 2.中国石油西南油气田分公司输气管理处 张鹏等.基于风险的油气管道最优完整性维护决策一 . 天然气工业,2004;249 159162 摘 要 对管线进行完整性维护是目前管道公司的一项重要任务。文章分析了油气管线风险评价技术的现 状,指出目前研究工作的范围和重点;介绍了一种处理管线维护资源最优分配的技术 基于风险的管线完整性 维护决策优化技术。该方法分为系统排序和决策分析两过程系统排序按照完整性维修等级或单位风险降低费用 对不同管段进行排序;决策分析评估可供选择的维修方式,确定每一个目标管段的最优维修方式。建立了管道完 整性维护决策的数学模型,模型包括五要素状态集、 决策集、 概率分布、 后果函数、 决策准则与最优值。着重介绍 了完整性维护决策优化的效用函数方法,包括效用函数的定义、 分析原理、 多准则效用函数的评估方法、 基于效用 函数的决策树、 效用函数的构成等。还介绍了有限费用的决策优化方法。最后指出定量风险评价以及该技术中存 在的难点,并提出建议。 主题词 油气集输 管道维修 费用 风险分析 决策分析 在役管道完整性是指在运行条件下,管道系统 及各组成部分能够满足运行要求,安全经济地完成 输送任务的各项性能指标的完整程度 〔1〕。其完整性 维护是全世界管道公司关心的一个主要问题,要搞 好这项工作需要大量的投入。受维护资源的限制, 管理者需将有限的资金最有效地用于降低管线的风 险,以提高管线运行的安全性 〔2〕。因此应在对管道 进行风险评价基础上,对管道完整性维护决策进行 优化,采取经济合理的措施提高管道完整性。 一、 管道风险评价技术现状 迄今为止,管道风险分析方法可分为定性风险 评价、 半定量风险分析和定量风险分析3类。 定性风险评价 〔3 ,4〕 的主要作用是找出管道系统 存在哪些事故危险及诱发因素,这些因素对系统的 影响程度及在何种条件下会导致管道失效,最终确 定控制管道事故的措施。特点是不必建立精确的数 学模型和计算方法,对影响失效概率和结果的不同 因素进行主观打分,再用简单公式对这些分数进行 处理,得出代表风险水平的指数。 半定量风险评价 〔3 ,5〕 以风险的数量指标为基础, 对管道事故损失后果和事故发生概率按权重值各自 分配一个指标,然后用加和除将两个对应事故概率 和后果严重程度的指标进行组合,从而形成一个相 对风险指标。近年来,为了有效处理专家打分中的 主观信息,管线模糊风险评价技术也得到了开发和 应用 〔6 ,7〕。 定量风险分析是管道风险评价的高级阶段,也 叫做概率风险评价。该方法基于失效概率和失效结 果直接评价的基础上。目前大多数研究工作集中于 生命安全风险或经济风险上,而生命安全风险、 环境 破坏风险和经济风险的综合评价尚未有合适的方 951 第24卷第9期 天 然 气 工 业 经 营 管 理 法。 另外,现行方法中尚没有采用失效概率来定量 决策整体性维护策略〔 8〕。 二、 管道完整性维护策略问题的提出 现行的风险分析方法应回答① 不同管段的风 险怎样与全线进行比较;② 特定管段的生命风险或 经济风险的可接受水平。而实施最优完整性维护活 动需要回答① 管线系统中哪一管段需要通过提高 完整性维护来降低风险;② 对这些管段,完整性维修 活动的最优组合是什么。 用风险分析方法回答这些问题的步骤如图1所 示。该图说明了实施基于风险的完整性维修的技术 过程,也指出了需要进一步发展的学科领域。 图1 基于风险的最优完整性维修的技术组成 目前研究工作的重点是要填补当前技术空白。 首先,阐述和定位各种不同的完整性维护活动和失 效原因;其次,明确所用的优化方法。 基于风险的完整性维护活动决策优化以定量风 险分析为基础,将生命安全、 环境破坏和经济风险有 机地结合起来对管线的失效后果进行定量评估,从 而选择最优的管线完整性维护措施。 三、 最优完整性维护决策技术框架 基于风险的管线完整性维修优化的总体框图见 图2。首先将管线系统进行分段,每一段都具有不同 的性质。分段后,按如下过程进行①系统排序,按 照完整性维修等级对不同管段进行排序;② 决策分 析,评估可供选择的维修方式,确定每一个目标管段 的最优维修方式。 图2 管线完整性维修的风险性优化框架 如图2所示,框图中允许根据决策分析阶段的 信息修正系统排序的结果。最初的排序是根据风险 水平即风险水平较高的管段排序在前或风险降低 的费用即降低单位风险所需费用较低的管段排序 在前进行的。由于特定的维修活动实现的风险降 低水平是未知的,因此风险降低的费用只能主观地 估计。在完成目标管段的决策分析后,给定管段的 最优风险降低抉择成为已知,且其费用也就确定了。 这样就可得到每一管段单位风险降低费用的精确估 计,它可作为这些管段优先性排序的基础。 下面讨论方法的实现过程。 1.系统的优先性排序 此阶段用户应提供特定管段的属性,以此为基 础估计失效率失效原因函数和失效后果环境破 坏程度、 人员伤亡数量和经济损失情况等3个后果 单元。然后将特定原因失效率与失效后果的总损 失量综合为一个风险测度,根据风险水平给出管段 排序。如果风险可能降低量估计和相关费用可以求 得的话,还可根据风险降低费用给出管段排序。 图3描述了优先性排序过程的流程图。 1评估失效率。评估引起管线泄漏和破裂的 潜在失效原因第三方破坏、 内外腐蚀、 设计、 运营和 自然灾害。为了使排序过程具有实际意义,失效率 估计必须尽可能反映管段的特性。因此,要综合考 虑公共数据如,加拿大NEB和ERCB和美国的 DOT收集的数据、 公司特殊信息和主观判断等多 061 经 营 管 理 天 然 气 工 业 2004年9月 图3 管线系统优先性排序流程图 方面因素。 2评估失效结果。评估潜在危害即喷火、 火 花、 油层火、 爆炸、 有毒气体和液体泄漏所造成的后 果即人身安全、 环境破坏和经济损失的影响程度, 并估计每一种后果的损失值。后果评估过程可用于 任何管线或管段的综合定量风险评估,如果用户明 确了每一项抉择对失效概率的影响,它还可用来优 化整体性维修活动。 3评估风险。综合评估由泄漏和破裂所造成 的风险,并分析每一个失效因素对风险的影响。 4估计风险降低费用。利用已有的信息计算 管段单位风险降低的费用,它对应于管段的单位失 效率降低费用。例如,若花费一定量资金采用高效 的在线检测方法,可使腐蚀失效率降低,那么就要求 估计腐蚀失效率的降低量。 5管段排序。按风险水平从大到小或按单位 风险降低的费用从小到大的顺序对管段进行排序。 2.决策分析 决策分析中需区别对待两种情况① 防止可能 损伤即未来机械损伤的检测和维修策略;② 发现 和补救持续损伤如点蚀、 裂纹缺陷和由地面运动引 起的过量纵向应变的检测和维修策略。图4、5是 两种情况的一般影响示意图。 为简化描述,图4、5用了单元节点的概念,这些 节点代表一组参数。如图5中代表剩余损害范围的 节点可包括诸如腐蚀数量、 深度和长度在内的许多 参数。为了求解影响示意图,所有复合节点必须展 开成一系列的单元节点,每个节点代表单一的未知 量。这些节点全部展开后形成一个非常复杂的图 图 6 。一些高效算法可以解决这种复杂图。 图4 用完整性维修策略指导降低潜在损害的 决策分析影响示意图 图5 用完整性维修策略指导降低损害范围的 决策分析影响示意图 图6 后果评估的展开影响图 对于降低潜在损伤图 4 的维护活动,采用单一 决策如提高巡线频率或实施直呼系统即可解决问 题。对于持续损伤图5 ,应考虑① 检测方法的选 择;②缺陷修补准则的选择;③检测时间间隔的确 定。影响图显示了决策的结果和影响下一步决策的 参数。值得注意的是,发出进入决策节点的弧线的 161 第24卷第9期 天 然 气 工 业 经 营 管 理 节点的情况应是已知的。 图4和图5表明对一项检测和维修活动的评估 取决于相关结果,而结果直接取决于措施即检测和 维修费用的选择及管段的状态即影响危害结果的 失效率。在采取检测和维修行动后,管段状态取决 于持续破坏范围或潜在破坏范围 , 也取决于检测 和维修活动的选择。 在决策分析阶段,运用影响图和自动求解算法 可以确定为完整性维修提供一系列的最佳决策。这 种决策是基于效用函数期望值的最优化基础上进行 的,系列决策将在3类不同后果之间作出最优折衷, 或者在人身安全风险和/或环境破坏风险约束下产 生最小化期望费用。 3.结果的评估 对系统优先性排序和决策分析来说,结果评估 是必要的。包括对管线泄漏介质的建模、 灾害类型 如喷火、 油层火灾、 蒸气云火灾或爆炸的确定、 考 虑气候条件时不同地点的灾害程度的评估;对意外 事故数量和环境破坏程度总体损失的计算。由于这 些参数的不确定性,结果必须由概率分布来描述。 这些分布参数的估计要求对图5中的结果节点进一 步展开,如图6所示,它描述了评估失效后果的过 程。 4.优化方法 管线完整性维护决策是在已知管线状态发生概 率的前提下的决策问题,属于风险型决策问题。其 特点是 〔9〕 ① 系统的状态是受到不可控制或不确定 性因素影响的结果,状态发生的概率为主观概率,是 决策者凭借主观经验作出的判断;② 由于决策者各 有自己的价值观念,因此决策者对效益或损失的偏 好程度不一样,其标志就是效用。决策者是凭借主 观概率和自定的后果函数去解决决策问题的,因而 要承担一定的风险。 选择最佳的完整性维护决策也是一个不确定性 优化问题。而决策分析是适合于风险型决策问题和 不确定性优化问题的方法之一。该方法在概率论与 数理统计理论基础上,以主观概率和效用函数为主 要概念,把统计决策方法应用于不可控制或不确定 性因素的决策问题。决策分析提供了一种定量决策 方法,是决策理论的一个分支,大大开拓了统计决策 方法领域,已经成为运筹学、 系统科学与管理工作的 重要工具 〔10〕。 图7是一个管线完整性维修优化问题的简化决 策影响图。 图中节点代表影响决策问题的参数,箭 图7 运用影响图作出完整性维修决策的基本框架 头代表这些参数之间的关系。方形节点即决策节点 代表一个确定参数或行动或方案 , 圆形节点即机 会节点代表一个不确定性参数。管线状态指管线是 否会失效,是一个不确定性参数。决策节点到管线 状态节点的箭头表示后者在某种程度上依赖于前 者。同样,结果取决于决策和管道状态,也是不确定 性参数。最后一个节点叫做值节点,由圆角方形节 点表示,代表目标函数或值函数,是优化的基础。当 值函数定义为 “使更好的决策具有较高的期望值” 时,最优决策就是使期望值最大的那一个。 未完待续 参 考 文 献 1 钱成文,侯铜瑞等.管道的完整性评价技术.油气储运, 2000;197 1115 2 张鹏.压力容器和管道风险技术的价值和相互关系的展 望.油气储运,1996;155 5459 3 张鹏,段永红.长输管线风险技术的研究.天然气工业, 1998;185 7276 4 Kent Muhlbauer W. Pipeline risk management manual. First Edition ,Gulf Publishing Company ,Houston ,Texas ,1992 5 Kent Muhlbauer W. Pipeline risk management manual ,Second Edition ,Gulf Publishing Company ,Houston ,Texas ,1996 6 Zhang Peng. Fuzzy assessment of pipeline risk. The Proceedings of 1st Inter. Conf. on Computer Simulation in Risk Analysis 232 117119 8 Maher A Nessim ,Mark J Stephens. Risk2based optimization of pipeline integrity maintenance. 1995 OMAE2Volume II,Safety and Reliability ASME,1995303314 9 张连诚.决策分析.沈阳辽宁教育出版社,1994 10 朱松春,孙之荣.实用决策科学.北京解放军出版社, 1988 修改回稿日期 2004207226 编辑 赵 勤 261 经 营 管 理 天 然 气 工 业 2004年9月 DRILLING FLUID TECHNOLOGY OF DAZHANG TUO GAS STORAGE1 Liu Zaitong , Dong Deren , Wang Lei , Tai Jianmin Drilling and Production Technology Re search Institute of Dagang Oil Field Group . NA TUR. G AS IND. v. 24 , no. 9 ,pp. 153 - 155. 9/ 25/ 2004. ISSN 1000 - 0976 ; In Chinese ABSTRACTDazhangtuo underground gas storage takes the sands of condensate reservoir as storing beds. The beds have the characteristics of pressure shortfall and high porosi ty and permeabili2 ty. So , according to the bed features of litho - logy and physical property while drilling, the factors to damage the storing beds should be found , and the drilling fluid system, the perance parameters and the protecting measures should be optimized correspondingly. Practice demonstrates the drilling fluid system with polymer and or ganic silicon can meet the working requirements of different stagesfor drilling in Dazhangtuo underground gas storage , which ensure safe andfast drilling. The drilling fluid hasstable perance and strong damping force. The borehole wall is stable. With bi - phase shielding protect - ant and pro tecting measures , the storing bed can be pro2 tected perfectly. SUBJECT HEADINGS Dazhangtuo gas field , Under ground gas storage , Sand rock , Reservoir , Drilling fluid , Polymer , Organic silicon , Prevent ation damage Liu Zaitong engineer was born in 1962. AddiTian - jin 300280 , China Tel 022 25925320 Cell 13602184596 E - maililiuzaitong MATCHING TECHNIQUES OF PROCESS PIPE STRING FOR INJECTION AND RECOVERY WELLS IN DAZHANGTUO UNDERGROUND GAS STORAGE 1 Li Guotao , Liu Fei , Song Guihua , Wen Qing - he Drilling and Production Technology Research Institute of Dagang Oil Field Group . NATUR. G ASIND. v. 24 , no. 9 ,pp. 156 - 158 ,9/ 25/ 2004. ISSN 1000 - 0976 ; In Chinese ABSTRACTDazhangtuo underground gas storage is the first underground gas storage built in China. According to the basic requirements of injection and recoverywellsfor gas storages , the spe2 cial surface conditionsof Dazhangtuo area , and the feature of very low - pressure coefficient of the reser voir , the process pipe string with multi - functions for perfo ration , production test , gas injection , and gas recovery, etc. is developed. By practice , the pipe string with multi - func tions is completed inonlyonce job. The job success ratio reaches 100 , which proves the pipe string reliable. The pipe string can protect the reservoir effectively and solve the problemof secondary pollution produced by conventional programs. It has many characteris2 tics such as safety, relia bility, practicability, and long term without repairing, etc. It provides the successful example for underground gas stor age building in future. Also , the program of upping the whole Christmas tree and the design of surface safety control system not only meet the requirements of environment pro tection and fire prevention for special flood - draining areas , but also have the characteristics such as simplicity, practica bility, reliability and economy etc. It also provides the refer ence for developing oil and gas fields under special environ ments in future. SUBJECT HEADINGSDazhangtuo Gas Field , Under ground gas storage , Injection and recoverywells , Processpipe string, Match2 ing tools Li Guotao . engineer was born in 1975.Add Tianjin 300280 . China Tel 02225910394 Cell 13920507390 E- rnail lgt-czh hotmail. com DECISION BASED ON RISK FOR OPTIMUM IN TEGRITY MAINTENANCE OF OIL/ GAS PIPELINE 1 Zhang Peng , Chen Liqiong , Hou Xiangqin South2 west Petroleum Institute and Shi Linyuan Gas Transmis2 sion Department of Southwest OilGas Branch , PCD. NATUR. G ASIND. v. 24 , no. 9 , pp. 159 - 162 , 9/ 25/ 2004. ISSN 1000 - 0976 ; In Chinese ABSTRACTThe article analyzes the actualities of the risk uation technology for oil/ gas pipelines , proposes the range and emphasis of nowadays research , and introduces a technique the de2 cision - making optimization technique based on risk for pipeline in2 tegrity maintenance for optimized dis tribution of maintenance re2 source. The technique consistsof two stages , i. e. systemprioritizing and decision - making a - nalysis. In the stage of system prioritizing, different pipe sections are prioritized in term of the level of pipe in2 tegrity maintenance o’r of the cost of the unit risk reduce. In the stage of decision - making analysis , the options of maintenance mea2 sures are uated to make sure an optimal maintenance measure for each target section. The mathematical model of pipeline integrity maintenance is established. It covers five elements. They are state aggregate, decision - making aggre gate , probability distribution , consequence function , deci sion - making criterion andoptimum. The utilityfunction of decision - making optimization for oil/ gas pipeline integrity maintenance is mainly introduced , including the definition and analysis principle of the utilityfunction , the e - valua2 tion of multi - criterion utility function , the deci sion - mak2 ing tree basedon the utilityfunction , and the compositionof the util2 02 NATURAL G AS INDUSTRY/ Sep.,2004 ity function , etc. Also , the decision - mak ingoptimization is introducedfor limited money. In the end , the quantitative risk u2 ation is described. Its dif ficulties are pointed out. And the related suggestions are proposed. SUBJECT HEADINGS Oil/ gas gathering and transmis sion , Pipeline repairing, Cost , Risk analysis , Decision - mak ing analysis , Mathematical model Zhang Peng professor , instructor of doctoral candi dates’ was born in 1964. Add 8 Xindu Ave., Xindu Dis trict , Chengdu , Sichuan 610500 , China Tel 028 83032105 E- mail zp-swpi sina. com RATE OF RISKED RETURN A NEW INDEXINTRO2 DUCING GEOLOGICAL RISK FOR ECO NOMIC UA2 TION 1 Gao Shikui1’ 2 , Dong Dazhong1 ,3l. Petroleum Uni2 versity , Beijing; 2. China Geology University , Beijing; 3. EIn Chinese ABSTRACTThe traditional economic uation of oil/ gas exploration projects is a single analysis essentially either by char2 acterizing the investment return gained from the ex ploration projects , or by weighting the geologic risk borne by the projects. In order to e2 valuate the economicfeasibility and the geologic riskof the exploration projects simultaneously, a new economic uation indexdhe rate of risked return is proposed , which combines the geologic index ex2 ploration success ratio with the economic indexnet present value ef fectively. It can be regarded as the criterion and ground of investment decision for exploration projects. Based on the in troduction of the concept and ula for the rate of risked return , the difference and connection between the rate of risked return and the internal rate of return is described. Taking the real data of J oil field as example , it is demon strated how to calculate and derive the rate of risked return. And the applicable range and features of the rate of risked return are analyzed. With the rate of risked return , selection and decisionof ex2 ploration projects can be made in one step. The boundary value of risk investment exploration invest ment can be estimated. So , the conclusion is the indexof the rate of risked return introducing the ex2 ploration success ratio can be effectively used for economic uation of explo ration projects. At the end , the key points are explained for application of the rate of risked return. SUBJECT HEADINGS Risk analysis , Economic ua tion , Exploration success ratio , Index G ao Shikui female , teacher , born in 1969 , is stud ying for doctoral degree. Add 29 Xueyuan Rd., Haidian District , Beijing 100083 , China Cell 13811332280 E- mail gshk sohu. com COMPARATIVE OF DESIGN PRO GRAMS FOR UNDERGROUND GAS STORAGE 1 LiangGuangchuan ,ZhengYunping Southwest Petroleum Institute , Gan XiaCShandong Shi - hua Gas Ltd. and Chen Ze Hainan Fuel In Chi - nese ABSTRACTA set of systemic mature theory and meth ods are not ed for optimized design technology of under ground gas storages in China. Taking the gas storageswith depleted gas reservoirs as research subject , taking the in vestment of the gas storages and an2 nual operating cost to constitute the annual discounted cost of the gas storage , and taking it as the target function , the mathematical model of comparative of optimized design programsfor gas storages is developed. The investment of the gas storage is divided into 5 compo2 nents, i. e. the gas - storing reservoir , the injection and recovery wells , the transmission and purifi cation facilities , the compressors and auxiliary devices , and the cushion gas. The annual operating cost is divided into 3 components , i. e. the gas reservoir and injection and recovery wells , the transmission and purification processing sys2 tem and the gas injection system. Also , the ula is made for cal2 culation of investment or operating cost of each component. The me