基于故障树的油井动液面监测系统可靠性分析

时间：2024-07-28

冯宁，张乃禄，袁瑛

(1.西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065；2.陕西省油气井测控技术重点实验室，陕西西安 710065)

随着物联网技术的发展，油井动液面监测系统是油田必不可少的技术。实时监测动液面深度能够有效的提高采油效率，但动液面监测系统长期运行于户外环境，对系统的可靠性要求很高。故障树分析法广泛应用于各个领域进行可靠性分析，采用因果关系图直观的表现出系统故障之间的关系，且可以对可靠性因素定性定量分析。因此，本文采用故障树分析法(FTA)建立了油井动液面监测系统的可靠性分析模型，改善和提高了系统的可靠性。

1 油井动液面监测系统构成

油井动液面监测系统是一个典型的基于物联网的油田数字化应用系统，由数据采集子系统，数据传输子系统及动液面监控子系统三部分构成[1]，如图1所示。

图1 油井动液面监测系统构

数据采集子系统包括井口监测装置、控制柜、球阀以及加药阀；数据传输子系统采用无线传输，由无线网桥及交换机等构成；动液面监控子系统由服务器、监控主机以及远程终端组成。

2 系统可靠性因素分析与建模

2.1 可靠性因素分析

通过分别对动液面监测系统三层子系统进行分析，确定影响系统可靠性因素，选取系统故障(T)作为顶事件，系统故障主要分为三方面：数据采集子系统故障、数据传输子系统故障、动液面监控子系统故障。经过分析影响系统可靠性的基本事件共35个，其动液面监测系统故障因素如表1所示。

表1 油井动液面监测系统故障因素

2.2 故障树分析模型建立

根据油井动液面监测系统可靠性因素，以油井动液面监测系统故障(T)为顶事件，采用演绎法和合成法构建系统可靠性模型[2]，如图2所示。

图2 动液面监测系统故障树分析模型

3 系统可靠性定性与定量分析

3.1 定性分析

对动液面监测系统故障树模型进行定性分析，首先确定故障树的结构函数，再运用布尔代数对故障树函数化简，得到最小割集，最后再对结构重要度进行计算[3]。

3.1.1 结构函数

T=M1+M2+M3

=(F1+X1+X2+F2)+(F3+X27+F4)+(X33+X34+X35)

=X3+X6+X7+X4+X8+X9+X5+X1+X2+X10+X12+X13+X14+X15+X3+X19X20+X4+X21X22X23+X5+X24+X25+X26+X28+X29+X32X23+X30X31+X33+X34+X35

3.1.2 最小割集

对故障树结构函数通过布尔代数化简，得到最小割集为：{X1},{X2},{X3},{X4},{X5},{X6},{X7},{X8},{X9},{X10} {X11} {X12} {X13} {X14} {X15} {X16} {X17} {X18} {X19,X20} {X21,X22,X23} {X24} {X25} {X26} {X27} {X28} {X29}{X30}{X31}{X32,X23}{X33}{X34}{X35}

通过计算得到31组系统最小割集，一阶割集共28组，说明共有31种途径导致系统故障，割集越多，阶数越低说明系统可靠性越差。

3.1.3 结构重要度

根据最小割集的计算结果分析故障树的结构重要度，其计算公式为：

(1)

式中：I(i)表示基本事件Xi的结构重要度系数近似判断值；Ki表示包含的所有最小割集；ni表示Xi的最小割集中的基本事件个数[4]。

将数据代入式(1)，得到个基本事件的重要度排序为：I(X1)=I(X2)=I(X3)=I(X4)=I(X5)=I(X6)=I(X7)=I(X8)=I(X9)=I(X10)=I(X11)=I(X12)=I(X13)=I(X14)=I(X15)=I(X16)=I(X17)=I(X18)=I(X24)=I(X25)=I(X26)=I(X27)=I(X28)=I(X29)=I(X30)=I(X31)=I(X33)=I(X34)=I(X35)>I(X23)>I(X19)=I(X20)=I(X32)>I(X21)=X(X22)

分析可得对顶事件发生影响最大的基本事件有： X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14、X15、X16、X17、X18、X24、X25、X26、X27、X28、X29、X30、X31、X33、X34、X35。