海上油气田工程模式综合评价研究

马 晶， 金科君， 梁羽丰， 张浩然， 梁永图

(1.中国石油大学(北京) 城市油气输配集输北京市重点实验室，北京 102249； 2.中海油研究总院，北京 100027)

海上油气田工程模式综合评价研究

马 晶1， 金科君1， 梁羽丰2， 张浩然1， 梁永图1

(1.中国石油大学(北京) 城市油气输配集输北京市重点实验室，北京 102249； 2.中海油研究总院，北京 100027)

海上油气田的合理开发决定海上油气田开采的可靠性、经济性、适应性。在参考现有单个指标评价研究的基础之上，通过模糊层次分析法制定评分等级标准，确定评价指标权重，建立以可靠性、适应性、经济性为三个主要指标的海上油气田工程模式综合评价模型，以定量评价优选海上区块最佳的工程模式方案，以期有助于经济合理开发海上油气田。结果表明，该模型评价更加全面、客观，有效地避免了单一指标评价不全面的缺陷，为海上工程模式优选提供了一种更加系统的评价方法。

海上油气田； 工程模式； 综合评价； 模糊层次分析法

海上油气田开发工程模式的选择取决于其可靠性、经济性、适应性，这对项目可行性和后续设备选型、结构设计和建造会产生重要影响[1-2]。可靠性是评价系统优劣的一个重要标准。国内学者先后对海底的油气集输管网[3]、超大型FPSO结构总纵强度[4]、张力腿平台的局部节点强度可靠度[5]和FPSO串靠外输过程中断缆风险[6]等进行可靠性分析。相比于中心点法、一次二阶矩法，验算点法(JC法)具有明显的优势，李继祥等[7]将其应用于结构可靠度计算，李斌等[8]应用JC法评价了腐蚀管道剩余强度的可靠性。经济性是考察海上油气田工程模式综合评价的重要指标之一。党学博等[1]制定出可行的工程模式后对投资进行分析，得到优选的投资模型。宋涛[9]提出用专业软件QUE$TOR对地面工程进行投资估算。谢彬等[10]提出FLNG/FLPG的工程模式，以南海某深水气田作为目标气田分析、比较，得到经济性较好的工程模式，适用于离岸较远的深海气田开发。适应性是评价海上油气田工程模式能否适应当地海域工程模式特点。刘真[11]针对胜利海上油田，从油田的类型和开发模式论证了其工程模式的适应性。刘杰鸣等[12]提出适应我国南海深水环境的工程模式，讨论了海底管线方式输送对南海的适应性。

为满足设计者在实际设计过程中能够较全面定量评价和比选不同工程模式方案的需求，本文建立以可靠性、适应性、经济性为三个主要指标的海上油气田工程模式综合评价模型，用于评价和选择最佳的工程模式方案。

1 综合评价模型

1.1 模型建立

采用模糊层次分析法建立海上油气田工程模式综合评价模型。模糊层次分析法[13]是对SAATY提出定性、定量相结合的层次分析法的改进，解决了层次分析法中存在的诸如一致性检验困难和缺乏科学性等问题。在采用模糊层次分析法时应用模糊一致矩阵，无需对判断矩阵进行一致性检验，解决了标度繁琐的问题。

在总结文献[2]的基础上，按照层次分析法的结构，建立了海上油气田工程模式综合评价模型，如图1所示。A为目标层，B1、B2、B3所处层级属于准则层，B11、B21—B25、B31—B35属于子准则层。

图1 海上油气田工程模式综合评价模型

本海上油气田工程模式综合评价模型综合了可靠性、经济性、适应性，采用相关方法进行综合评价。指标的计算包含指标标准化和指标赋权重。指标标准化是为了消除不同指标间量纲的差异，将不同量纲的指标，通过适当的变换，化为无量纲的标准化指标。指标赋权重是否科学决定了整个评价模型的准确性。指标的权重赋值可以参考指标说明部分内容，结合实际情况给出评分。

根据图1的层次结构，对各指标进行定性分析，比较各指标两两之间的相对重要性，构造出模型中层次A的模糊一致矩阵(见表1)。

表1 层次A的模糊一致矩阵

由表1可知，准则层各指标之间的相对权重分别是0.333、0.400、0.267。采用相似的方法计算各自准则层指标之间的相对权重，因为准则B1只有一个子准则层，所以指标权重ω1=1。准则B2、B3的计算结果如表2、表3所示。

表2 准则B2的模糊一致矩阵及其求解结果

表3 准则B3的模糊一致矩阵及其求解结果

1.2 指标说明

1.2.1 可靠性指标 采用JC法计算各种平台和井口设施失效模式下的可靠性指标，该方法也是国际结构安全度委员会(JCSS)及《工程结构可靠度设计统一标准》[14]推荐的可靠度计算方法。

JC法的解题思路是对非正态基本随机变量作当量正态化处理，将其转换为等效正态随机变量。用结构在设计验算点处的切平面代替极限状态曲面，可靠性指标β表现为标准正态空间内坐标原点到切平面的最短距离[15]。

设Xi(i=1，2，…，n)表示影响结构某一功能的基本变量，则结构的极限状态方程为：

Z=g(X1，X2，…，Xn)=0

(1)

以Xi表示已经标准正态化后的随机变量值，则JC法求解结构可靠性指标：

(2)

以JC法为可靠性分析方法，运用Matlab编程，计算得到了各种平台和井口设施的总体失效概率和可靠性指标。

1.2.2 经济性指标 海上油气田开发投入经费很高，经济性是工程模式选择最重要的决定因素。本文选取的海上工程模式经济性评价指标有初次建设费用、维修费用、故障维修费用、辅助生产费用和经营收入。在评分时可参考本文给出的指标描述，根据实际情况，进行经济性打分。

经济性差异主要体现在不同类型井口设施、开发平台设施的初次建设费用。同时，在后期开发运行过程中，设备处于不断变化的复杂海洋环境中，需要不断更新和维护，所产生的维护费用不容轻视。所选设施不同，在发生故障时所产生的维修费用也很悬殊，比如水下井口在发生故障时需要专用设备潜入水下修理，费用很高[16]，相对来说井口平台在维修时费用小很多。为了维持海上主要工艺设施的正常运行和工作人员的正常生活，需要一系列辅助生产设施，比如发电机、海水淡化装置等，这些会带来辅助生产费用。

在评价经济性时考虑费用的同时，也应考虑所选工程模式带来的预期经营收入。在本评价模型中，把所选工程模式的产能大小等效为经营收入多少。

1.2.3 适应性指标 海上油气田工程模式选择与油气田所在海域有密切联系，适应性是影响工程模式选择的重要指标。本文评价选取指标为地方法规、储油及外输方式、技术管理水平及偏好、建造和安装能力及销售方式。

工程模式的选择要符合各海域当地政府的相关法规要求[17]。目前各个国家对环境保护、人员安全等提出了越来越严格的要求，有些国家明确规定了海洋工程设施国产化所占的比例，也有国家直接限定某种工程设施[18]，因此在适应性评分时要特别考虑地方法规的要求。能否实现储油及外输功能是选择工程模式的一个重要因素。具有储油功能意味着不必铺设昂贵的海底管道，因而能节约投资成本。外输方式的选择决定是“全海式”还是“半海半陆式”工程模式，从而影响工程设施的选择。现有的技术管理水平及偏好会影响工程模式的选择。不同的石油公司对于相同的区块会做出不同的选择，究其原因就是对某种工程设施的技术和管理的掌控程度不同。不同海域周边地区对于不同设施的建造和安装能力差异显著，比如大型导管架平台最好在本地区建造，避免长距离拖航风险；在选用SPAR式平台要注意其船体的建造具有一定的区域性和垄断性。不同于原油国际有统一的标价，天然气的价格区域性差异较大。有时为了寻求较高利益，可能会“舍近求远”，通过海上船运至其他地区，而不是选择通过管道直接输送到岸上，这时就选择全海式工程模式更佳。

2 算 例

模糊层次分析法可以定量描述每个指标的重要程度，但是不能定量描述具体工程模式方案的优劣[2, 19]，因此需要用模糊综合评价方法对海上工程模式进行综合评价。将此两种方法相结合使用可同时确定指标的权重和具体工程模式方案的评分。

本文选取文献[1]中的算例，采用相同的海况条件，运用本模型对选择的工程模式重新进行评估。该海上油田位于西非海上，环境条件较好，不存在极端恶劣海况，但是附近没有任何基础设施，油田特征和开发参数见表4。通过基础设施状况分析可知，附近没有可借用的设施，全部需要作业者新建。由表4可知，油田水深200m，可以采用固定式平台，也可以用FPSO；油田离岸距离50km，可以采用半海半陆式，也可以采用全海式。

表4 油田特征和开发参数

利用QUE$TOR石油工程费用估算软件计算出5种工程模式对应的海洋工程投资，结果见表5。

表5 工程模式与造价对照

2.1 单层次指标计算

(1)可靠性方面。采用可靠性计算方法计算每种工程模式的可靠性评分，结果见表6。

表6 工程模式与整体可靠度对照

将数据归一化，得到R1关系矩阵为{0.170,0.201,0.183,0.219,0.228}。B1=ω1R1={1}{0.170,0.201,0.183,0.219,0.228}={0.170,0.201,0.183,0.219,0.228}。其中，“”是模糊合成运算符号。

可靠性越高，评分也越高。从B1结果可知，工程模式5评分最高，为0.228。从表5可知，工程模式5整体可靠性评分最高。

(2)经济性方面。经过分析和计算，得到R2的关系矩阵为：

B2=ω2R2={0.215,0.210,0.209,0.199,0.166}。

投资费用越少，经济性越好，相应的评分也越高。从B2结果可知，工程模式1经济性最好。该结果与文献[1]中结果相同，且优先顺序也一致，说明单从经济性评价方面来看，本模型有效。

(3)适应性方面。采用同样的方法，经过分析和计算，得到R3的关系矩阵为：

B3=ω3R3={0.208,0.179,0.205,0.208,0.201}。

从B3结果可知，工程方案1和4适应性分值均为0.208，说明这两种工程方案在该地区适应性最好。分析具体的工程模式，发现这两种方案均为“水下井口+FPSO”，区别在于FPSO是新建还是旧油轮改造，两种方案的适应性评分应该相等，这与模型判断一致。

2.2 多层次综合评价

(1)最佳工程模式A与子指标层的模糊矩阵为R={R1,R2,R3}。

(2)最佳工程模式A的权重为ω={0.333,0.400,0.267}。同理，按照公式A=ωR可计算出最佳工程模式的综合评价评分。

A= {0.333,0.400,0.267}

={0.198,0.199,0.199,0.208,0.196}

结果表明，工程模式4“水下井口+FPSO(新建)”评分最高，通过综合考虑各项指标，认为该地区选择该种工程模式最优。

将文献[1]结果与本模型结果汇总，如图2所示。为了便于比较，表5费用做倒数处理，成柱状条越高，方案越优。

图2 文献[1]结果与本模型结果汇总对比

由图2可知，文献[1]仅从经济性考虑，推荐方案1“水下井口+FPSO(改造)”，没有考虑到工程可靠性和地区适应性，欠妥；本文从可靠性、经济性和适应性三个方面综合评价，推荐方案4“水下井口+FPSO(新建)”。因为方案4仅比方案1造价高13.57%，但方案4更可靠，更适合复杂多变的海洋环境，所以本文推荐方案4是合理的，同时也验证了本文模型的有效性。

3 结 论

运用模糊层次分析法，建立海上工程模式综合评价模型，综合考虑了工程模式的可靠性、经济性和适应性，并将模型运用到实际算例中，经过计算得出了该地区最优的工程模式。针对不同的海上油气田进行评价时，可以根据油气田的特点或工程设计的不同需要，更改相应指标的相对权重，来达到突出或者减弱某个指标的目的，以此提高模型的适应性。

海上油气田工程模式综合评价模型具有定量评判工程模式优劣的功能，相对于单一指标评价标准，考虑更加全面，评价更加客观，有效地避免了单一指标评价不全面的缺陷，为海上工程模式优选提供了一种更加全面、系统的评价方法。

[1] 党学博, 徐严波, 郑友林. 海上油气田的工程模式优选[J]. 中外能源, 2015, 20(2):41-44.

[2] 王博弘, 梁永图, 廖绮, 等. 煤层气管网综合评价模型研究[J]. 油气田地面工程, 2016, 35(9):15-20.

[3] 刘震, 潘斌. 海底油气集输管网可靠性评估[J]. 海洋工程, 2003, 21(4):104-109.

[4] 杨利敏. 超大型FPSO结构总纵强度随机可靠度计算[J]. 中国海洋平台, 2007, 22(5):14-18.

[5] 邵景华, 何勇, 胡狄, 等. 张力腿平台局部节点强度可靠度分析方法[J]. 海洋工程, 2012, 30(1):25-32.

[6] 孙海, 孙丽萍, 樊红元. FPSO串靠外输的断缆可靠性与风险分析[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2011, 32(1):11-15.

[7] 李继祥, 谢桂华, 刘建军. JC法在结构可靠度计算中的改进和应用[J]. 湖南科技大学学报(自然科学版), 2005, 20(3):33-36.

[8] 李斌, 陈曦, 王帅. 基于JC算法的腐蚀管道剩余强度可靠性评价[J]. 石油化工腐蚀与防护, 2009, 26(1):62-64.

[9] 宋涛. QUE$TOR软件在地面工程投资估算中的应用[J]. 中国新技术新产品, 2014(17):23-24.

[10] 谢彬, 王世圣, 喻西崇, 等. FLNG/FLPG工程模式及其经济性评价[J]. 天然气工业, 2012, 32(10):99-102.

[11] 刘真. 胜利海上油田开发模式及适应性分析[J].中国造船，2010，51(S2):544-550.

[12] 刘杰鸣, 王世圣, 冯玮, 等. 深水油气开发工程模式及其在我国南海的适应性探讨[J]. 中国海上油气, 2006, 18(6):413-418.

[13] 李威, 周勇, 薛兴昌, 等. 基于模糊数学的有杆泵采油系统能耗评价与诊断方法[J]. 石油化工高等学校学报, 2015, 28(6):39-43.

[14] Xu Shanshan, Liu Shiming, Guo Shaojing, et al. Use of a submodel method to check the bolt strength of marine equipment[J]. Journal of Marine Science & Application, 2009, 8(4):316-322.

[15] 张新培. 建筑结构可靠度分析与设计[M]. 北京：科学出版社, 2001.

[16] 姚海元, 李清平, 程兵, 等. 管道内水合物堵塞块移动速度计算模型的建立与分析[J]. 中国海上油气, 2013, 25(3):83-85.

[17] 李新仲, 谭越. 海上油气田开发工程模式探讨[J]. 石油工程建设, 2015, 41(1):1-4.

[18] 王桂林, 段梦兰, 王莹莹, 等. 西非深水油气田开发状况及其发展趋势[J]. 石油工程建设, 2010, 36(2):18-22.

[19] 贾蔚, 王卫华, 林成发. 石化企业综合竞争能力的模糊评价[J]. 石油化工高等学校学报, 2003, 16(4):77-82.

Study on Comprehensive Evaluation for Engineering Mode of Offshore Oil and Gas Fields

Ma Jing1, Jin Kejun1, Liang Yufeng2, Zhang Haoran1, Liang Yongtu1

(1.BeijingKeyLaboratoryofUrbanoilandGasDistributionTechnology,ChinaUniversityofPetroleum-Beijing,Beijing102249，China; 2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100027，China)

The reliability, economy and adaptability of offshore oil and gas field development offshore are determined by the rational offshore development. Based on the evaluation model of single index, the weight of each index and rating grades are established by the fuzzy analytic hierarchy process. Then, the comprehensive evaluation model that considers reliability, adaptability and economy of offshore oil and gas fields is proposed, in order to evaluate and optimize the engineering model of offshore fields, which is essential to develop offshore field economically and reasonably. The results shows that the model is more comprehensive objective and effective, which could avoid the defects of single index evaluation and provide a more systematic evaluation method for the optimization of offshore engineering modle.

Offshore oil and gas field; Engineering mode; Comprehensive evaluation; Fuzzy analytic hierarchy process

1672-6952(2017)05-0044-05

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-12-28

2017-03-09

马晶(1991-)，男，硕士研究生，从事油气长距离管输和海上油气田集输方面的研究；E-mail：cupmajing@163.com。

梁永图(1971-)，男，博士，教授，从事油气长距离管输和油气田集输方面的研究；E-mail：liangyt21st@163.com。

TE832

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.05.009

(编辑 宋官龙)