油气田管道完整性管理效益评估

2023-05-06梅海粟周润智张卫朋陈思锭

焊管 2023年4期

梅海粟，周润智，张卫朋，谷坛，胡敏，陈思锭，赵飞，刘杰

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院，北京 100083；2.中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院，新疆库尔勒 841000）

0 前言

管道完整性管理是目前股份公司极力推进的风险管理模式，配套标准逐步建立并分阶段完善。目前，完整性管理工作已在股份公司层面持续推进了5 年，各油田深耕细作后，完整性管理技术得到了有效运用和长足发展，工作也已日趋常态化。然而在提质增效的企业大背景下，亟需从效益角度考察完整性工作成效，进而巩固工作基础，提升工作效能[1]。各油田对完整性管理效益评估已有了一定探索但未能实现工作常态化，亟待从股份公司层面进行规范指引。

管道完整性管理在股份公司统筹下，16 家油气田具体落实各项工作，每年资金投入巨大，需要从效益上说明其合理性。目前，由于效益评估模型缺失，导致效益数据只能依靠统计上报，缺乏了科学性；完整性成效只从失效率降低的风险层面进行说明，失去了市场生命力。效能评价、审核、年度总结等常态化工作缺乏相应的评估工具，阻碍了工作开展。效益评估标准对完整性管理将起到融会贯通的作用，从经济上打通各环节联系。

1 效益评估现状

1.1 国内现状

目前国内各油田企业的完整性管理工作虽广泛且深入，但普遍缺乏科学有效的效益评估方法从经济角度评判成效，这很大程度上制约了其后续发展。因此，制定效益评估方法标准，促使国内油气田领域达成统一的经济考核指标刻不容缓。现阶段，国内国际油气田领域管道完整性效益计算尚未形成以失效费用节支作为充分必要条件，以维护改造费用下降、管道使用寿命延长为辅助依据，货币化考核完整性管理工作机制的效益评估方法。

在国家标准方面，围绕完整性管理领域核心标准GB 32167—2015 进行了相关10 项标准的布置，主要强调完整性管理技术应用而非效益[2]。在企业标准方面，目前中国石油天然气集团有限公司企业标准Q/SY 01039第6部分《效能评价与审核》仅考虑了管道更新维护改造费用，不是完整性管理效益计算方法的标准。国内类似的标准有：《油田/气田开发方案及调整方案效益计算技术要求》、《油(气)田开发建设项目效益计算》、《海上油（气）天开发项目效益计算方法》和《石油企业节能技措项目效益评估方法》[3-4]。这些标准普遍采用了财务净现值（FNPV）的计算方法对项目投资进行经济测算，用财务内部收益率（FIRR）的计算方法对期待收益率进行评价，同时各标准规定了本框架下所允许的极值。

1.2 国外现状

在国际标准方面，API 1160《有害液体管道系统完整性管理》和ASME B31.8《气体管道系统完整性管理》均未对管道效益评估提出要求，仅在ISO 19345-1《陆上管道全生命周期完整性管理》中提到了管道完整性管理的经济可行性评价[5-6]，包括经济性比对(换管和管道延寿的比对、低输送状态的不同输送方法的比对)、最小年度平均费用法（仅从运行成本上进行考虑，适用于上游资源充足下游需求稳定的情况）、成本-收益法（仅包含管道运行收益和费用，适用于经济模型不稳定的情况），但也不是效益评估标准。从应用情况来分析，美国交通运输部PHMSA 在管道失效发生后对事故、事件的定级和停输造成的经济直接、间接损失上有具体的指导算法。

与管道完整性管理类似的是金融保险行业，同样需要量化风险，其将风险货币化的过程对完整性管理效益评估有借鉴意义。国外工程保险厘定，会根据项目的危险程度、保险期、损失概率和责任划分来厘定费率，是一种风险对冲的服务，一般是通过行业协会或者精算在考虑了承保的接受能力后，基于大数据分析制定出风险对冲费率[7]。

总的来说，国际上完整性管理相关标准规范完全没有涉及开展管道完整性管理后的效益评估，仅美国管道运营商监管单位根据事故经济损失进行了测算定级；而国内GB 32167—2015 和Q/SY 01039这两个标准和国际标准保持了高度一致，同样尚无可参考执行项，也尚无企业标准颁布实施[8]。

2 理论与概念

2.1 顶层设计

效益评估在石油天然气领域以节能技措项目经济效益评价和开发建设项目投资预评价为代表为完整性管理树立了理论对照模板，同为风险量化的金融保险行业在效益评估的数学模型建立上也积累了大量经验和理论依据。实现管道完整性管理效益评估的过程也是充实完整性管理内涵的过程，需要充分借鉴相近行业同类型业务的运作模式，遵循管理规范，融合本领域的实际操作方法。效益评估的实施会使股份公司和油田企业新增量化管道完整性管理经济效益的能力、整合提升管道完整性管理资源配置的能力和从效益角度支持管理层决策部署的能力。

油气管道完整性管理效益评估方法对原完整性管理投入和产出提出货币化要求。通过该评估方法，可以明确各油田企业核算完整性管理经济效益的口径和依据，从经济层面指引完整性管理工作，支撑完整性管理投资预算决策，从提质增效角度考察完整性管理。随着完整性管理的不断深入和拓展，全生命周期的完整性管理更需要管理者从投资开始考虑，从项目建设期入手，将现有的单一成本费用构成打破，回答投资收益的问题，而这离不开运行期管道失效大数据的收集和风险对冲模型的建立。而在运行期，对管道类型和风险等级的划分是关键，依据完整性管理规定在股份公司层面对失效数据进行处理，油田公司负责本地区所辖管道的失效率和失效损失的平台录入工作。量化完整性管理工作风险控制价值，将经济学思想纳入完整性管理体系，将促使原有的纯成本开支业务更好与企业经营融合。

2.2 效益评估的适用范围

本研究中的效益评估规范化了整体评估方法、实施步骤、数据收集方法、效益指标和其计算方法，适用于国内陆上油气田管道完整性管理效益评估。对于气田管道而言[9-10]，覆盖范围如图1所示；对于油田管道而言，按照集油系统的布站级数考虑，管道范围如图2所示。

图1 气田管道覆盖范围

图2 油田管道覆盖范围

2.3 效益评估概念与定义

广义上的效益包括了某主体得到的直接效益和主体引起的间接效益或者主体对国民经济的贡献，计算方法涵盖了间接效益、间接费用、直接效益和直接费用[11]。就完整性管理的特点而言其中的效益是指完整性管理本身对国民经济所作的贡献，主要考虑直接费用（完整性管理活动使用和投入所形成，在具体项目范围内计算的费用）和间接效益（完整性管理活动为社会做出了贡献，而本身并未得到的那部分效益）。具体而言，在完整性管理中，如果工作成果大于消耗，效益为正；如果工作成果小于消耗，效益为负；效益为零的情况几乎不存在。从不同高度考察效益，从股份公司层面、从油田公司级层面、从厂处级层面、从单个项目层面或者从单条管道层面都会得出不同的盈亏结论。广义上的效益出发一般分为经济效益、环境效益和社会效益三个大方面[12]，完整性管理目前需从经济效益入手夯实基础，后续优化纳入社会效益和环境效益。从统计计算角度看，完整性管理经济效益是指有和无相比较所增加的财富或减少的损失。按照经济学原理，通常从3 个方面估算：①损失减免，用避免损失评估效益；②费用节支，用减免替代措施节省评估效益；③增加的收益，从给社会带来的经济增量计算。

经济层面完整性管理成果不涉及收益的增加，而是风险有效管控后的损失减免以及技术提升后的费用节支。为了满足股份公司和油田公司的评估需求，本研究在管道完整性管理效益评估的框架之下，对以下6 项中的1～2 项注入了数据需求，3～6 项赋予了全新理念。

（1）管道完整性管理费用节支，即抢维修费用节支、环境处置费用节支、泄露损失费用节支、生产延误费用节支、特殊赔偿费用节支和其他费用节支。

（2）累计投资和成本，是管道完整性管理实施以来的费用总投入。成本费用包括人员费、管理费、检测评价费、维修维护费、完整性管理技术研发费和其他费用。

（3）完整性管理资金强度，即计算单位管道长度每年投入的完整性费用（说明完整性投入的周期性资金大小）。

（4）单位失效率下降完整性管理资金强度，即失效率在达到稳定状态前，相较于上年度每下降1%所花费的资金量（宜用以从资金角度划分完整性管理前中后期；同一失效率水平下的资金使用效率；同一失效率水平下结合间接效益后的，完整性管理资金合理性，现有技术和管理下资金投入的边际效应）。

（5）效益平衡失效率，即完整性管理效益为零时的失效率（该失效率越低说明完整性管理的资金效能越高）。

（6）单位管道效益，即均摊到单位长度的评估对象所辖管道完整性管理效益值。

2.4 总体实施方法

效益评估以宏观定量分析为主，微观层面应统计日常单条管道失效费用和管理单元费用支出。本文研究的方法是基于完整性管理管道失效风险削减的间接经济效益统计分析，对于单条管道完整性管理，数据采集是核心，微观上由基层直接上报数据，宏观上采用平均值的方法。计算模型方面，由于管理规定趋于涵盖管道完整性管理功能的全生命周期，所以应采用动态评估的方法，局部底层宜采用静态评估的方式。本研究的效益评估总体上遵照以下规则：

（1）以间接经济效益为主，进行“有无对比”，分析有无完整性管理时的效益差异；

（2）采用平均值取代个体差异，进行分类全局计算；

（3）以价值量分析为主，兼顾实物量指标折现；

（4）以节支增量分析为主，兼顾资产寿命延长；

（5）以完整性管理财务分析和失效统计上报为主，暂不考虑社会效益；

（6）以动态分析为主，静态分析由厂（站、队）组织实施的小规模完整性管理；

（7）费用（成本、投资）与效益计算方法一致。

3 数学模型构建

3.1 数据规范与采集

完整性管理效益评估的基础数据收集主要包含间接效益、失效率统计和完整性管理财务数据，其中间接效益和失效率需在完整性管理日常工作中进行收集，效益评估时调用；失效率统计用于计算完整性管理前后失效减缓差异，给定分类分区域管道完整性管理开展前随时间失效分布。油气集输管道完整性管理项目产出是基于油气集输管道失效损失节约的成本，不是实际发生的直接收入，税金可忽略不计。完整性管理建设期，费用投入（投资）按照全生命周期业务拓展实际情况和管理规定统计。完整性管理运行期，费用投入（成本）按照本文2.3章节中内容统计。本研究中数据收集依托“管道失效管理平台”，平台参照表见表1，同时结合风险管理标定和按照分类管理标定双维度，进一步细化油田管道划分，使得管道的风险对冲费率更加精准，划分方式如下：

表1 油气田管道失效率和失效费率数据上报平台参照表

（1）按照管道风险管理规定将失效概率划分为0～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%、80%～100%五个等级；

（2）按照管道风险管理规定将失效后果划分为低、中、高3个等级；

（3）按照股份公司油气田集输管道管理规定分为I、II、III类管道；

（4）按照介质类型分为油、气、水；

（5）按照管道本体材料分为金属和非金属管道；

（6）按地区分为西北地区、西南地区、东北地区、华北地区、陕甘蒙地区和海南自贸区；

（7）依据管道日常失效管理统计数据和分类分区原则，输出管道生命周期内失效率模型。

3.2 模型搭建

3.2.1 宏观架构

设X1，X2，…，Xn是由相互独立的随机变量所构成的序列，每一随机变量都有有限方差，并且方差都有最大值，即D(X1)≤C,D(X2)≤C, …,D(Xn)≤C[13]。

则对于任意的ε> 0

大数法则的结论运用在本研究中说明，当各类型管道失效样本数量足够大时，管道实际失效的费率与风险评估出的费率期望值相等，且其波动趋于平缓。同时也表明在宏观统计层面，可根据失效率和失效费率计算得出对应的风险对冲费用。而该费用的下降减去各项成本就等于完整性管理的效益，下式计算的是完整性管理开展以来取得的累积效益，各年度计算或其他需求可参考

式中：E——完整性开展以来的总效益；

Mn——完整性管理开展第n年风险对冲费用；

M0——完整性管理原始年份风险对冲费用；

C——各年成本总和。

3.2.2 微观组成

在管道完整性管理效益评估中，宏观的评估分析是日常积累的单条管道微观失效数据累积而成的。微观层面，单条管道的效益评估模型设计是本研究的核心。规模间接效益和失效率、管道规模、单次失效费率强相关。本质上是单条管道失效时按照标定项目（引入管道类型、时间、地区等多维度数据标记单条管道失效，按照表1沿时间轴大数统计失效率分部情况）统计，根据管道所标记的属性和权重份额更新该类型管道的年度失效率和对应的失效费率，效益评估时调用失效管理平台数据库进行计算即可。需要注意的是，维度属性过多可能导致无法收敛，需要按实际情况减小维度，例如减小到：地区和管道类型两个维度。按年度比较管道历史失效率，发现失效率下降，再结合该类型管道失效费率得出该年度该条管道完整性管理绝对效益，管道完整性管理单条管道动态效益评估模型如图3所示。依照股份公司完整性管理前移要求，本次研究包含完整性管理功能建成前期，功能建成后，可收集数据用于前期投资对比，就可以按照传统投资项目经济评价方法对单条管道建设进行评估。而在完整性管理实践中，功能实际终止期可能和功能设计终止期不同，推迟按照功能实际终止年份计算管道延寿效益，提前则按照功能实际终止年份根据属性和权重份额更新数据库。

图3 管道完整性管理单条管道动态效益评估模型示意图

3.2.3 具体指标计算

（1）管道失效控制率

管道失效控制率是指管道按照材质、介质、地区、类别和风险等级5种属性进行标定划分后统计出的实际失效率和原始失效率之差（根据属性组合收敛程度，选定统计属性）。其计算公式为

式中：Si,j,k,m,n,f——某类型管道第n年失效率控制值；

Yi,j,k,m,n,f——某类型管道第n年基础失效率；

Xi,j,k,m,n,f——某类型管道第n年实际失效率。

（2）管道单次失效费率

管道单次失效费率是完整性管理过程中对管道失效产生费用的统计加成平均。其计算公式为

式中：Gi,j,k,m,f——管道单次平均失效费率；

qi,j,k,m,f——管道单次平均抢维修费用；

hi,j,k,m,f——管道单次平均环境处置费用；

xi,j,k,m,f——管道单次平均泄露损失费用；

si,j,k,m,f——管道单次平均生产延误费用；

ti,j,k,m,f——管道单次平均特殊赔偿费用；

li,j,k,m,f——管道单次平均其它费用。

（3）管道年度间接效益

管道年度间接效益由管道规模、失效控制率和单次失效费率乘积得出，各类型统计数据用以支撑分类分区间接效益的计算。其计算公式为

式中：Pi,j,k,m,n,f——管道年度间接效益；

Li,j,k,m,n,f——管道总长度。

（4）延寿年度间接效益

管道延寿年度间接效益由管道延寿、该管道建设费用、设计寿命计算得出。其计算公式为

式中：Exi,j,k,m,n,f——管道延寿年度间接效益；

Cxi,j,k,m,n,f——管道建设完整性管理总投资；

dn——管道设计年限。

（5）年度总间接效益

年度总间接效益是对所有类型管道产生的年度间接效益累加求和，需注意的是当下管道寿命不尽相同，故需用n表示，这也是动态评估的一大优势。其计算公式为

式中：Ptoti——管道完整性管理年度总间接效益。

（6）年度总成本

管道完整性管理年度总成本公式为

式中：C——管道完整性管理年度总成本；

r——年度完整性管理人员费；

u——年度完整性管理管理费；

b——年度完整性管理检测评价费；

a——年度完整性管理维修维护费；

d——年度完整性管理完整性技术研发费；

c——年度完整性管理的其他费用。

（7）年度效益

管道完整性管理年度总效益公式为

式中：Ptot——管道完整性管理年度总效益。

（8）资金强度

完整性管理资金强度是用以衡量单位管道长度所对应的完整性管理成本费用，按照统计口径进行评估，如果成本统计没有考虑管道类型则不必细分。其公式为

式中：ρ——管道完整性管理资金强度；

L——管道总里程。

（9）失效率控制资金强度

失效率控制资金强度是指失效率每下降1%所对应的管道完整性管理资金投入量。失效率控制资金强度公式为

式中：ρsn——特定年度失效率控制资金强度，失效率相较于上年度每下降1%所需资金投入；

Cn——特定年度管道完整性总成本；

Sn——特定年度管道失效率；

Sn-1——上年度管道失效率。

需要注意的是，当Sn-1

（10）单位管道效益

单位管道效益公式为

式中：Pu——单位管道均摊的完整性管理效益。

（11）效益平衡失效率

计算效益平衡失效率可以在对标时得出完整性管理投入资金与失效率的转化效率高低。完整性管理效益为零时的原始失效率，该失效率越低说明完整性管理的资金效能越高。

式中：Bi,j,k,m,n,f——某类型管道失效率控制值；

Xi,j,k,m,n,f——某类型管道实际失效率。

（12）投入产出比

油气集输管道完整性管理项目投入产出比指油气集输管道完整性管理产出与投入的比值，用来判断项目经济效益，当投入产出比大于1 时，说明项目可行。投入产出比计算公式为

油气集输管道是油气田开发项目的一部分，在新建油气田开发项目经济评价中，考虑油气集输管道完整性管理费用，对油气开发项目进行整体效益评价，并进行油气集输管道完整性管理投入效益分析。管道完整性管理运行后，选定管道完整性管理项目，按照公式（14）之前内容计算年度效益作为收入，年度完整性管理支出作为成本，对投资进行评估分析。

（13）总投资（Ip）

总投资等于完整性管理建设性投资（机构、平台、管道和设施等）和建设投资利息之和，即

（14）总投资收益率（ROI）

总投资收益率等于管道完整性管理综合效益与总投资的比率，即

（15）投资回收期（Pt）

投资回收期指项目的净收益抵偿全部投资所需要的时间[14]，即

（16）内部收益率（IRR）

管道完整性管理评价期内，能够使其基于初始年的净现值等于零的折现率[15]，其表达式为

（17）净现值（NPV）

管道完整性管理各年资金流量已经发生，故NPV是按预定的折现率折现到评估当年（第z年）年末的现有价值和之前实际发生净费用之和，即

4 执行流程

根据年度完整性审核、效能评价具体需求，依据效益评估对象选取适用的数据范围。选定范围后，按照评估流程，如图4所示，效应评估主要步骤包含：①提取完整性管理财务数据；②对完整性管理带来的间接效益进行分析统计；③根据业务需求选取效益评估指标进行计算[13]。基于此，建议管道完整性管理单位做好以下4点：

图4 效益评估执行流程

（1）完整性管理财务分析→运行期划分完整性成本、建设期划分完整性投资。

（2）完整性管理产出分析→间接经济效益计算：失效减缓效益（节支）和资产延寿效益（增收）。

（3）选取评估指标→对于完整性管理功能还未建成的应按照投资来进行评估；对于完整性管理功能建成投用的计算已投用年份效益，预估设计期限效益。

（4）效益评估指标→按照具体管理需求选取评估指标：计算资金强度、单位管道效益、年度总效益、单位失效率控制成本、内部收益率、投资净现值、投资回收期等，固定资产平均年成本、年成本节约额等。

5 油田应用

管道失效管理平台对于失效费率和失效率关于管道属性的数据采集功能尚未建立，油田根据自身情况展开了效益评估工作，以下阐述两种典型的油田现场应用以及其应用结果。

第一种适应现场的应用模式：油田针对实际情况结合本研究采用了基于失效率的静态效益评估模式，以油田级平均值作为计算依据。该模式是基于历史数据的有无对比分析，没有引入资金的时间成本，无法预估潜在的效益，且新建管道对失效率数据的冲击较大。第二种适应现场的应用模式：油田针对实际情况结合本研究采用基于维修维护的静态效益评估模式，以实际统计的维修维护工作量为基础，结合单点的平均泄漏损失费用，评估节约费用，该模式默认检验检测缺陷如不经修复立即失效，未定义缺陷的扩展时间，造成评估不准确，且检验检测与维修维护不能说明完整性管理的全部内容。两种模式相较于本研究提出的方法，改进方向是以结果为导向，待平台数据完善后调整为动态分析，细化失效统计口径。

根据现有数据条件，油田应用的结果如图5所示，分析现场数据并对比本研究提出的效益评估方法，普遍存在以下共性问题：