基于层次分析法的海上采油人工举升方式选择

杨 旭，刘 健，吴 磊

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛266580）

基于层次分析法的海上采油人工举升方式选择

杨 旭，刘 健，吴 磊

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛266580）

在海洋油气开发过程中，受复杂环境因素的影响，在选择合理的采油方式时存在难度。采用模糊数学理论和层次分析法对目前常用的5种人工举升采油方式进行比较、分析、计算，不仅建立了较为完整、可靠的评价体系，验证了电动潜油泵在海上油田开发上的优越性，而且完成了对这5种油气举升方法的数据量化评估。这对于优化海上油田生产系统，提高经济效益，完善采油工程设计理论等方面都具有重要意义。

海上开采；人工举升；层次分析法；评价体系

在海上油气田开发过程中，选择合理的油气开采方式对于充分发挥油井产能、提高采收率和降低生产成本起着重要作用［1］。现行的几种采油方式在技术和经济上都存在着合理的适用范围，这些适用范围不仅取决于采油方式自身的工作原理、使用的设备和技术完善情况，而且也与油藏地质特征、开发政策、开发现状及环境条件等众多因素有关［2］。因此，针对以上条件建立一个相对合理、较为完整的评价体系很有必要。

1 常用采油方式简介

常见的采油方式分为自喷采油和人工举升采油2类，人工举升又可以分为有杆泵采油、无杆泵采油、气举采油3种。其中，有杆泵采油主要包括常规抽油机采油方式。无杆泵采油包括潜油电泵采油方式（潜油电动离心泵、潜油电动螺杆泵）和水力泵采油方式（水力活塞泵、水力射流泵）2种［3］。鉴于海上采油的特殊环境因素，不宜使用有杆泵采油，初步拟定采用气举或者无杆泵进行采油，即，气举采油、电动潜油泵采油、潜油螺杆泵采油、水力射流泵采油、水力活塞泵采油。这5种方式各有利弊，其适用条件也各有不同。例如，气举采油适用的油藏范围较广，灵活性较好，但是需要保证气源；螺杆泵虽然适用于高黏度、高含砂的油藏，但是其不易乳化，泵效较低，寿命较短［4］。

为了便于说明，笔者从适用油品、工作寿命、特殊需求和优缺点等7个方面对5种采油方式进行了定性对比分析，结果如表1所示。

表1 采油方式的对比

总体来讲，采油方式要受到经济效益、可操作性、适用油藏等诸多因素的影响，不能单纯的考虑某一方面而顾此失彼。因此建立一个合理的评价方法，综合多种因素选择适合的采油方式是很有必要的。

2 模糊层次分析法

2.1 简介

模糊数学的基本思想是隶属程度的思想，应用模糊数学建立数学模型的关键是建立符合实际的隶属函数［5］。层次分析法（Analytical Hierarchy Process）作为一种特殊的模糊分析方法，是将选择问题的相关元素分解成目标、准则、方案等3个层次，在此基础上进行定性、定量的分析。该方法的核心是因素权重的确定，而因素权重本身就是1个Fuzzy集［6］。首先通过深入分析复杂问题的本质、找出关键的影响因素及内在关系，构建出一个清晰的层次结构模型；其次将各因素两两比较，构造相应的判断矩阵；然后逐个求解各个判断矩阵的权重向量；最后计算各层次构成要素对总目标的综合权重，进而对方案层进行优劣排序，从而为最优方案提供理论依据。

2.2 分析步骤

1） 建立递阶层次结构模型 按照因素的不同属性自上向下将实际的决策问题分解成若干层次，同一层次的元素受相邻两层元素的支配和影响。一般情况下，层次结构模型自上而下可以分为目标层、准则层和方案层［7］。

2） 确定判断矩阵 各相关因素的权重不易定量化，权值选取的基本思想是：通过两两比较来确定所有评价因素之间的相对权重并建立判断矩阵，求解判断矩阵来获得各指标的相对权重［8］，即每次取两个因素xi和xj，以Yij表示xi和xj对总体的影响大小之比，全部比较结果用矩阵M＝（Yij）n×n表示，用数字1～9及其倒数作为Yij的值，具体如表2所示。

表2 判断矩阵标度及其含义

3） 检验判断矩阵的一致性并求权重向量 判断矩阵虽然克服了很多缺点，但其一致性仍然难以完全保证，所以要对所求判断矩阵进行一致性检验，以便确定是否接受采油方式A。

式中：λmax是判断矩阵对应的最大特征值；n是影响因素的个数。

②查找相应的平均一致性指标RI，不同的n对应的RI如表3所示。

其步骤如下：

①计算一致性指标（consistency index）CI

表3 平均随机一致性指标RI

式中：CI为一致性指标；RI为平均随机一致性指标。

当CR＜0.10时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的，否则应对判断矩阵做适当修正。

若A符合一致性检验，则将其最大特征值对应的特征向量归一化后作为权重向量［9］。

4） 计算综合指标权重 根据上一步指标权重的计算结果，将方案层因素的指标权重与准则层各个因素的指标权重相乘再求和即得各个选择方案的综合指标权重。综合指标权重值最大者即为最优方案。

层次分析法量化了各个影响因素的重要程度，使决策过程数据化、合理化、科学化，因此便于接受。

③计算一致性比例CR

3 层次分析法在海上油田采油方式选择中的应用

作为一种实用的决策工具，层次分析法（AHP）在海洋工程风险评价、方案优选、经济效益评价等方面得到了广泛应用［10］，选择合理的采油方式不仅能够充分发挥油井产能、提高采收率，同时还可以降低生产成本。海上油田的发展，对采油方式的选用也提出了一些新的需求。笔者经过调查整理，归纳总结出各个采油方式在不同的油藏、井型以及可操作性方面的一些适用条件，如表4所示。

表4 各采油方式的适用工况数据

表4（ 续）

下面将层次分析法运用到海上采油方式的选择中，具体步骤如下：

1） 建立递阶层次模型 首先确定目标层为最优的海上油田采油方式A，其次依据海上油田采油方式的特点以及选择原则确定四个准则层：经济效益B1、适用油藏B2、适用井型B3以及可操作性B4。同时为了能够更全面更科学的进行论证分析，再将4个准则层分解成各自的子准则层（C i），最后得出方案层［11］，即前面提到的5种采油方式，据此可建立递阶层次模型，如图1所示。

图1 采油方式选择的递阶层次模型

2） 确定判断矩阵 按照上面建立的递阶层次模型，分别构造不同层次的的判断矩阵A-B i、B-C i、C-D i，因个数较多，不能一一例举，故每层各取一定数量作为参考，在子准则层的13个影响因素中，C1（投资），C2（产量），C12（检修）占的比重较大，因此作为参考，即取A-B i，B1-C i、C1-D i、C2-D i、C4-D i、C12-D i这6个判断矩阵，如表5～10所示。

3） 检验判断矩阵的一致性并求出权重向量本文一共涉及18个判断矩阵，因篇幅所限，仅以A-B i（表5）判断矩阵为例来检验其一致性，其余的判断矩阵用同样的方法进行检验即可：

①对于判断矩阵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查找相应的平均随机一致性指标RI：因n＝4，故查得RI＝0.89。

③计算一致性指标CR＝0.0138＜0.10，故该判断矩阵的一致性是可以接受的［12］。

对于其余的B i-C j、C i-D j等判断矩阵用上述同样的方法进行处理，将所得结果列于表11。

表5 A-B i判断矩阵

表6 B1-C i判断矩阵

表7 C1-D i判断矩阵

表8 C2-D i判断矩阵

表9 C4-D i判断矩阵

表10 C12-D i判断矩阵

表11 各因素一致性检验结果

由表11可以看出，对于文中涉及的18个判断矩阵，所求的CR值均小于0.1，因此其一致性是可以接受的，据此可以计算其权重向量。

笔者在建立递阶层次模型时将准则层分解为子准则层，因此计算求解过程与无准则层时稍有不同，具体过程如下：

1） 计算A-B i判断矩阵的最大特征值λmax对应的正实数特征向量w1＝［a1，a2，a3，a4］T。

2） 计算B1-C i、B2-C i等四个准则层的特征向量w2、w3、w4、w5，令

若令W2、W3、W4、W5为综合后的权重，则有计算式：W2＝a1·w2；W3＝a2·w3；W4＝a3·w4；W5＝a4·w5。再令w＝［W2，W3，W4，W5］作为B i-C j的指标权重，将w归一化便得到最终的归一化权重，记为W，W＝［c1，c2，…，c13］T

3） 计算C1-D i、C2-D i等13个子准则层的特征向量wi，i＝6～18，将这13个特征向量的元素与上一步所得的W的各元素分别相乘，再将所得元素归一化便作为C i-D j的最终综合权重向量。

经计算，得权重分配结果如表12。

表12 各层权重分配表

从表12可以得出：

1） 在影响采油方式的4个因素中，其重要性从高到低依次为经济效益、可操作性、油藏因素、井型条件。

2） 在子准则层的13个因素里面，其重要性排在前3位的分别是C1（投资）、C2（排量）、C12（检修），3者权重加起来可占到整个影响因素的75%，因此对于这3个因素的考虑需谨慎。

3） 综合权重的结果显示，在海上采油人工举升方式的选择中，这5种采油方式的优先顺序依次为电动潜油泵采油、射流泵采油、气举采油、螺杆泵采油、水力活塞泵采油。从数据可以看出，前面3种的优越性是远高于后两者的。结合表1知，射流泵需要供给高压动力液，风险较大，而在没有气源保障的前提下，选择气举也会承担一定风险，因此最终选定电动潜油泵采油作为海上油气田开发过程中合理的开采方式。

4 结语

在实际选择采油方式的过程中，受复杂环境和条件的限制，常带有任意性和主观性。本文通过对比各个采油方式的特点以及适用范围，同时结合相关的数学理论对此进行判断，并考虑现实条件，为选定电动潜油泵作为海上油田最佳的开采方式提供了合理依据。

［1］ 陈仁保.采油方式综合评价系统的研究与应用［J］.石油工程建设，2005，31（Z1）：13-16.

［2］ 姜哲，谢彬，谢文会.新型深水半潜式生产平台发展综述［J］.海洋工程，2011，29（3）：132-138.

［3］ 韩冬.浅谈采油方式及设备［J］.中国化工贸易，2013（4）：102-103.

［4］ 张钧.海上采油工程手册［K］.北京：石油工业出版社，2001：716-880.

［5］ 王茜，杨传栋，刘泓.基于模糊集的隐私保护方法研究［J］.计算机应用研究，2013，30（2）：518-520.

［6］ 胡宝清.模糊理论基础［M］.武汉：武汉大学出版社，2010：351-355.

［7］ 夏新艳.深水半潜式平台钻井系统选型与配置研究［D］.青岛：中国石油大学（华东），2013.

［8］ 郭严赞，季新生，刘彩霞，等.一种基于模糊综合评价的IMS网络攻击后果评估方法［J］.计算机应用研究，2013，30（11）：3400-3403.

［9］ Alessio Ishizaka，Craig Pearman，Philippe Nemery.AHP Sort：an AH-P-based method for sorting problems［J］.International Journal of Production Research，2012，50（17）：4767-4770.

［10］ 徐慧，罗超，刘志刚.层次分析法评价指标筛选方法探讨［J］.中国海上油气，2007，19（6）：415-418.

［11］ Singh S P，Singh V K.Three-level AHP-based heuristic approach for a multi-objective facility layout problem［J］.International Journal of Production Research，2011，49（14）：1105-1125.

［12］ 李登峰.直觉模糊集决策与对策分析方法［M］.北京：国防工业出版社，2012：73-79.

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

国家高技术研究发展计划（863计划）项目“深海半潜式生产平台总体设计关键技术研究——平台上部采油、生产作业流程设计研究”（K24269）

杨 旭（1989-），男，甘肃兰州人，硕士研究生，主要从事石油机械及海洋石油装备方面的研究，E-mail：yangxupc＠163.com。