基于層次分析法的海上采油人工舉升方式選擇

楊 旭，劉 健，吳 磊

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266580）

基于層次分析法的海上采油人工舉升方式選擇

楊 旭，劉 健，吳 磊

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266580）

在海洋油氣開發過程中，受復雜環境因素的影響，在選擇合理的采油方式時存在難度。采用模糊數學理論和層次分析法對目前常用的5種人工舉升采油方式進行比較、分析、計算，不僅建立了較為完整、可靠的評價體系，驗證了電動潛油泵在海上油田開發上的優越性，而且完成了對這5種油氣舉升方法的數據量化評估。這對于優化海上油田生產系統，提高經濟效益，完善采油工程設計理論等方面都具有重要意義。

海上開采；人工舉升；層次分析法；評價體系

在海上油氣田開發過程中，選擇合理的油氣開采方式對于充分發揮油井產能、提高采收率和降低生產成本起著重要作用［1］。現行的幾種采油方式在技術和經濟上都存在著合理的適用范圍，這些適用范圍不僅取決于采油方式自身的工作原理、使用的設備和技術完善情況，而且也與油藏地質特征、開發政策、開發現狀及環境條件等眾多因素有關［2］。因此，針對以上條件建立一個相對合理、較為完整的評價體系很有必要。

1 常用采油方式簡介

常見的采油方式分為自噴采油和人工舉升采油2類，人工舉升又可以分為有桿泵采油、無桿泵采油、氣舉采油3種。其中，有桿泵采油主要包括常規抽油機采油方式。無桿泵采油包括潛油電泵采油方式（潛油電動離心泵、潛油電動螺桿泵）和水力泵采油方式（水力活塞泵、水力射流泵）2種［3］。鑒于海上采油的特殊環境因素，不宜使用有桿泵采油，初步擬定采用氣舉或者無桿泵進行采油，即，氣舉采油、電動潛油泵采油、潛油螺桿泵采油、水力射流泵采油、水力活塞泵采油。這5種方式各有利弊，其適用條件也各有不同。例如，氣舉采油適用的油藏范圍較廣，靈活性較好，但是需要保證氣源；螺桿泵雖然適用于高黏度、高含砂的油藏，但是其不易乳化，泵效較低，壽命較短［4］。

為了便于說明，筆者從適用油品、工作壽命、特殊需求和優缺點等7個方面對5種采油方式進行了定性對比分析，結果如表1所示。

表1 采油方式的對比

總體來講，采油方式要受到經濟效益、可操作性、適用油藏等諸多因素的影響，不能單純的考慮某一方面而顧此失彼。因此建立一個合理的評價方法，綜合多種因素選擇適合的采油方式是很有必要的。

2 模糊層次分析法

2.1 簡介

模糊數學的基本思想是隸屬程度的思想，應用模糊數學建立數學模型的關鍵是建立符合實際的隸屬函數［5］。層次分析法（Analytical Hierarchy Process）作為一種特殊的模糊分析方法，是將選擇問題的相關元素分解成目標、準則、方案等3個層次，在此基礎上進行定性、定量的分析。該方法的核心是因素權重的確定，而因素權重本身就是1個Fuzzy集［6］。首先通過深入分析復雜問題的本質、找出關鍵的影響因素及內在關系，構建出一個清晰的層次結構模型；其次將各因素兩兩比較，構造相應的判斷矩陣；然后逐個求解各個判斷矩陣的權重向量；最后計算各層次構成要素對總目標的綜合權重，進而對方案層進行優劣排序，從而為最優方案提供理論依據。

2.2 分析步驟

1） 建立遞階層次結構模型 按照因素的不同屬性自上向下將實際的決策問題分解成若干層次，同一層次的元素受相鄰兩層元素的支配和影響。一般情況下，層次結構模型自上而下可以分為目標層、準則層和方案層［7］。

2） 確定判斷矩陣 各相關因素的權重不易定量化，權值選取的基本思想是：通過兩兩比較來確定所有評價因素之間的相對權重并建立判斷矩陣，求解判斷矩陣來獲得各指標的相對權重［8］，即每次取兩個因素xi和xj，以Yij表示xi和xj對總體的影響大小之比，全部比較結果用矩陣M＝（Yij）n×n表示，用數字1～9及其倒數作為Yij的值，具體如表2所示。

表2 判斷矩陣標度及其含義

3） 檢驗判斷矩陣的一致性并求權重向量 判斷矩陣雖然克服了很多缺點，但其一致性仍然難以完全保證，所以要對所求判斷矩陣進行一致性檢驗，以便確定是否接受采油方式A。

式中：λmax是判斷矩陣對應的最大特征值；n是影響因素的個數。

②查找相應的平均一致性指標RI，不同的n對應的RI如表3所示。

其步驟如下：

①計算一致性指標（consistency index）CI

表3 平均隨機一致性指標RI

式中：CI為一致性指標；RI為平均隨機一致性指標。

當CR＜0.10時，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應對判斷矩陣做適當修正。

若A符合一致性檢驗，則將其最大特征值對應的特征向量歸一化后作為權重向量［9］。

4） 計算綜合指標權重 根據上一步指標權重的計算結果，將方案層因素的指標權重與準則層各個因素的指標權重相乘再求和即得各個選擇方案的綜合指標權重。綜合指標權重值最大者即為最優方案。

層次分析法量化了各個影響因素的重要程度，使決策過程數據化、合理化、科學化，因此便于接受。

③計算一致性比例CR

3 層次分析法在海上油田采油方式選擇中的應用

作為一種實用的決策工具，層次分析法（AHP）在海洋工程風險評價、方案優選、經濟效益評價等方面得到了廣泛應用［10］，選擇合理的采油方式不僅能夠充分發揮油井產能、提高采收率，同時還可以降低生產成本。海上油田的發展，對采油方式的選用也提出了一些新的需求。筆者經過調查整理，歸納總結出各個采油方式在不同的油藏、井型以及可操作性方面的一些適用條件，如表4所示。

表4 各采油方式的適用工況數據

表4（ 續）

下面將層次分析法運用到海上采油方式的選擇中，具體步驟如下：

1） 建立遞階層次模型 首先確定目標層為最優的海上油田采油方式A，其次依據海上油田采油方式的特點以及選擇原則確定四個準則層：經濟效益B1、適用油藏B2、適用井型B3以及可操作性B4。同時為了能夠更全面更科學的進行論證分析，再將4個準則層分解成各自的子準則層（C i），最后得出方案層［11］，即前面提到的5種采油方式，據此可建立遞階層次模型，如圖1所示。

圖1 采油方式選擇的遞階層次模型

2） 確定判斷矩陣 按照上面建立的遞階層次模型，分別構造不同層次的的判斷矩陣A-B i、B-C i、C-D i，因個數較多，不能一一例舉，故每層各取一定數量作為參考，在子準則層的13個影響因素中，C1（投資），C2（產量），C12（檢修）占的比重較大，因此作為參考，即取A-B i，B1-C i、C1-D i、C2-D i、C4-D i、C12-D i這6個判斷矩陣，如表5～10所示。

3） 檢驗判斷矩陣的一致性并求出權重向量本文一共涉及18個判斷矩陣，因篇幅所限，僅以A-B i（表5）判斷矩陣為例來檢驗其一致性，其余的判斷矩陣用同樣的方法進行檢驗即可：

①對于判斷矩陣A-B i（表5），求出其最大的特征值λmax＝4.0735。

由式（1）可得CI＝0.0123。

②查找相應的平均隨機一致性指標RI：因n＝4，故查得RI＝0.89。

③計算一致性指標CR＝0.0138＜0.10，故該判斷矩陣的一致性是可以接受的［12］。

對于其余的B i-C j、C i-D j等判斷矩陣用上述同樣的方法進行處理，將所得結果列于表11。

表5 A-B i判斷矩陣

表6 B1-C i判斷矩陣

表7 C1-D i判斷矩陣

表8 C2-D i判斷矩陣

表9 C4-D i判斷矩陣

表10 C12-D i判斷矩陣

表11 各因素一致性檢驗結果

由表11可以看出，對于文中涉及的18個判斷矩陣，所求的CR值均小于0.1，因此其一致性是可以接受的，據此可以計算其權重向量。

筆者在建立遞階層次模型時將準則層分解為子準則層，因此計算求解過程與無準則層時稍有不同，具體過程如下：

1） 計算A-B i判斷矩陣的最大特征值λmax對應的正實數特征向量w1＝［a1，a2，a3，a4］T。

2） 計算B1-C i、B2-C i等四個準則層的特征向量w2、w3、w4、w5，令

若令W2、W3、W4、W5為綜合后的權重，則有計算式：W2＝a1·w2；W3＝a2·w3；W4＝a3·w4；W5＝a4·w5。再令w＝［W2，W3，W4，W5］作為B i-C j的指標權重，將w歸一化便得到最終的歸一化權重，記為W，W＝［c1，c2，…，c13］T

3） 計算C1-D i、C2-D i等13個子準則層的特征向量wi，i＝6～18，將這13個特征向量的元素與上一步所得的W的各元素分別相乘，再將所得元素歸一化便作為C i-D j的最終綜合權重向量。

經計算，得權重分配結果如表12。

表12 各層權重分配表

從表12可以得出：

1） 在影響采油方式的4個因素中，其重要性從高到低依次為經濟效益、可操作性、油藏因素、井型條件。

2） 在子準則層的13個因素里面，其重要性排在前3位的分別是C1（投資）、C2（排量）、C12（檢修），3者權重加起來可占到整個影響因素的75%，因此對于這3個因素的考慮需謹慎。

3） 綜合權重的結果顯示，在海上采油人工舉升方式的選擇中，這5種采油方式的優先順序依次為電動潛油泵采油、射流泵采油、氣舉采油、螺桿泵采油、水力活塞泵采油。從數據可以看出，前面3種的優越性是遠高于后兩者的。結合表1知，射流泵需要供給高壓動力液，風險較大，而在沒有氣源保障的前提下，選擇氣舉也會承擔一定風險，因此最終選定電動潛油泵采油作為海上油氣田開發過程中合理的開采方式。

4 結語

在實際選擇采油方式的過程中，受復雜環境和條件的限制，常帶有任意性和主觀性。本文通過對比各個采油方式的特點以及適用范圍，同時結合相關的數學理論對此進行判斷，并考慮現實條件，為選定電動潛油泵作為海上油田最佳的開采方式提供了合理依據。

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Artificial Lift Methods Selection of Offshore Producing Based on Analytical Hierarchy Process

YANG Xu，LIU Jian，WU Lei
（College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

In the offshore oil and gas development process，affected by complex environmental factors，choosing effective ways of drilling is relatively difficult.Five lifting ways are analyzed andevery way is compared with others through fuzzy theory and Analytical Hierarchy Process.A more complete and reliable evaluation system is established，the advantages of electric submersible pump in the development of offshore oil fields is verified，and the quantitative data assessment of five methods is completed，which is of important significance in the optimization of offshore oil production systems，improving economic efficiency，and perfecting oil extraction engineering design theory.

offshore producing；artificial lift；AHP；evaluation system

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.005

1001-3482（2014）12-0017-06

2014-06-05

國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目“深海半潛式生產平臺總體設計關鍵技術研究——平臺上部采油、生產作業流程設計研究”（K24269）

楊 旭（1989-），男，甘肅蘭州人，碩士研究生，主要從事石油機械及海洋石油裝備方面的研究，E-mail：yangxupc＠163.com。