层次分析法在盐穴储气库造腔效率评价中的应用

栾建建 班凡生 宁正福

(1. 中国石油集团钻井工程技术研究院， 北京 102200； 2. 中国石油大学(北京)， 北京 102249)

层次分析法在盐穴储气库造腔效率评价中的应用

栾建建1，2班凡生1宁正福2

(1. 中国石油集团钻井工程技术研究院， 北京 102200； 2. 中国石油大学(北京)， 北京 102249)

以造腔成本、造腔时间、造腔体积、卤水浓度达标率和腔体稳定性5个经济指标为研究对象，采用层次分析法对盐穴储气库造腔效率进行评价。实例表明，提出的造腔指标可操作性较好，应用层次分析法能对盐穴储气库造腔效率进行评价，从而优选最佳造腔方案，指导现场施工。

经济评价； 权重； 层次分析法； 造腔效率

根据国家统计局报告，2015年我国油气消费总量达5.43×108t。按照国际能源局设定的安全标准，石油战略储备应达到1.27×108t，而我国实际能源储备仅0.24×108t。分析发现，制约我国储气库建设的主要问题在于造腔效率。因此，盐穴储气库建腔效率研究成为了我国储气库建设的重点。此外，对盐穴储气库造腔效率评价便于筛选高效的造腔方案，确定适合的造腔方法。

造腔效率评价的关键是建立合适的评价指标。目前，对于造腔的效率问题，国外研究仍局限于定性分析。国内盐穴储气库研究主要是从设计方案出发，所建立的评价指标尚未涉及到经济性评价，即造腔效率问题。

1 层次分析法原理分析

美国运筹学家萨蒂于12世 纪70年代提出了层次分析法(简称AHP法)，其原理是将决策有关的因素分解成目标方案等多个层次，在此基础上，进行定性与定量的决策。运用层次分析法评价盐穴储气库造腔效率主要是运用层次分析法计算各指标自身权重以及各方案的权重、各方案的综合关联度，达到优选造腔方案的目的。

运用层次分析法解决评价问题的流程见图1。

图1 运用层次分析法解决评价问题的流程图

(1) 根据评价指标、备选方案建立层次结构模型。层次结构模型包括最高层、中间层和最低层。其中，最高层是目的层，即要解决的问题；中间层是实现目的需要考虑的因素；最低层为备选方案。层次数与问题的复杂程度直接相关，一般来说，每一层的元素不宜超过9个。盐穴储气库造腔效率评价的目标层即为最优方案，中间层是评价指标，最低层为备选方案。

(2) 构造各层次中的所有判断矩阵(比较矩阵)。判断矩阵是层次分析法的基本信息，是进行权重计算的依据。因此，矩阵构建的准确性直接关

系着评价结果的可靠性。判断矩阵可以分为：对于总目标，构造判断层各因素的比较矩阵；对于各考虑因素，构造各方案的比较矩阵。在判断矩阵中，各元素的确定方法依据比较各评价指标对评价结果的重要性而得到(见表1)。具体方法如下：

设C1，C2，…，Cn分别表示各指标对评价结果的重要性，通过比较重要性得到判断矩阵中的元素值。

(1)

(3) 层次单排序及一致性检验。对应于判断矩阵最大特征根λmax所对应的特征向量，经归一化(使向量中各元素之和等于1)后记为W。层次单排序是指同一层次中因素(指标)对于上一层次因素(方案)相对重要性的排序。能否得到层次单排序，取决于能否构造符合实际的判断矩阵。因此，需要进行一致性检验，要求最终判断矩阵的不一致性在允许范围内。

①定性一致性检测。

定义1：一致性指标CI：

(2)

式中：n—— 判断矩阵的阶数；

λ—— 判断矩阵的最大特征值。

当CI=0，表示有完整的一致性；当CI接近于0，表示具有满意的一致性。CI越大不一致性越严重。

②定量一致性检验。

定义2：引入随机一致性指标RI。随机一致性指标可由表2直接查得。

定义3：一致性比率CR：

(3)

一般，当一致性比率CR<0.1时，判断矩阵A具有满意的一致性，认为A的不一致性在容许的范围之内；反之，重新构造成对比较矩阵，对aij进行调整直至判断矩阵通过一致性检验。

表2 随机一致性指标RI

综合关联度kj越大，方案的综合造腔效率越高。综合关联度最高的方案即为最优方案。

2 算例分析

运用层次分析法对某盐矿各井造腔的造腔效率进行评价。该盐矿共3个造腔实施方案，分别命名为A、B、C。每种方案考虑了5个不同的评价指标，分别是造腔成本、造腔体积、造腔时间、卤水浓度达标率、形态稳定性，分别用u1、u2、u3、u4、u5表示，它们直接影响盐穴储气库的造腔效率。具体的评价过程如下：

(1)建立层次结构模型。其中，目的层为选择的最优(造腔效率最高)方案，准则层为5个评价指标，方案层即为3个备选方案。

根据提出的评价指标，分别计算造腔成本、造腔时间、造腔体积等指标数据(见表3)，并分析同一指标在不同方案中的大小关系，为构造判断矩阵做好准备。

表3 A、B、C方案评价指标数据

(2) 据据各指标对各方案造腔效率的重要性，应用层次分析法建立比较矩阵，以确定各评价指标对各方案的权重。构造的比较矩阵如下：

分别求出各比较矩阵的特征值，如表4所示。

表4 各评价指标比较矩阵的最大特征值

(3) 分别对各比较矩阵进行一致性检验，若未通过一致性检验，则需要重新构造比较矩阵直到通过一致性检验为止。各矩阵一致性比率见表5。

表5 各比较矩阵的一致性比率

当一致性比率CR<0.1时，通过一致性检验，解不等式可得：λmax< 3.116，经检验各比较矩阵(判断矩阵)均可通过一致性检验。

求各评价指标对各方案造腔效率的权重，结果见表6。

表6 各评价指标对各方案的权重

(4) 根据各评价指标间的重要性，建立比较矩阵A，经过一致性检验求出各指标的权重。其中，比较矩阵如下所示：

根据层次分析法得到各指标的权重：

W=(0.122,0.514,0.258,0.529,0.529)T

(5)根据各评价指标对方案的权重，运用层次分析法综合关联度公式，计算各方案的综合关联度(见表7)。

表7 各方案的综合关联度

综合关联度排序由大到小的方案依次为方案1、方案3、方案2。3个方案中，综合考虑造腔时间、造腔成本、造腔体积、卤水浓度、腔体的稳定性等5个因素，方案1最优，造腔效率最高，方案3次之，方案2造腔效率最差。

3 结 语

运用层次分析法构建层次结构模型、构造各层次判断矩阵、进行各判断矩阵一致性检验并确定权重和各方案的综合关联度，评价盐穴储气库造腔效率。评价结果可以用于优选造腔方案，指导现场施工。

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Application of AHP to Evaluation of Cavity Efficiency in Salt Cavern Gas Storage

LUANJianjian1,2BANFansheng1NINGZhengfu2

(1.CNPC Drilling Research Institute, Beijing 102200, China;2. China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China)

Based on five calculation indexes —— cavity making cost, cavity making time, cavity volume, the standard rate of concentration of brine and the cavity stability, this paper applied AHP to evaluate cavity efficiency in salt cavern gas storage. Examples show that the proposed evaluation index system is very practical and AHP method can be applied to the evaluation of cavity efficiency in salt cavern gas storage to select suitable cavity making project plan and to guide the real cavity making.

economic evaluation; weight; AHP; cavity efficiency

2016-06-02

中国石油天然气集团公司重大专项“储气库优快钻完井技术与装备研究”(2015E-4003)

栾建建(1989 — )，男，陕西延安人，中国石油大学(北京)在读硕士研究生，研究方向为盐穴储气库造腔技术。

TE972

A

1673-1980(2017)01-0028-04