层次分析法在临兴区块集输管道积液解决方案优选中的应用

胡连兴，郭 颖

中联煤层气有限责任公司晋西分公司，北京 100016

近年来，中海油中联公司晋西分公司新获高含水致密气井增多。目前临兴区块部分集输管网积液严重，导致井口回压过高，存在超压风险。针对以上情形，对临兴区块集输管道积液方案进行优选，提高致密气产量，降低井口回压，以提高经济效益。

层次分析法（The Analytic Hierarchy Process，简称AHP）最早由美国匹茨堡大学萨蒂教授在20世纪70年代初提出[1]，其原理是将复杂系统的决策思维进行层次化，再将优选过程中的定量因素和定性因素综合起来分析[2]，利用数学方法计算所有因素的相对权重，最终比选得到最优方案。本文运用多目标决策分析的原理，基于层次分析法，构建潜在产能发挥方案优选模型，通过算术平均法得到评价指标权重，建立判断矩阵，计算综合评价指标并排序，将具有主观性的指标用数值形式表达并进行量化综合比较，克服了传统方案优选采用优缺点对比方式的不足。

1 地面集输系统运行现状

中海油中联公司晋西分公司某区块西北部A、B、C、D、E 5座井场及管网呈枝状排布，输至下游集气站进行集中处理。五座井场所在地的地形起伏大，产水量大，管网携液能力差[3]，导致支线末端井场回压大，存在超压风险（要求压力低于4 MPa），2021年6月某日生产数据见表1。

表1 某区块地面集输系统现状

为促进临兴区块致密气资源勘探开发，加快产能发挥，迫切需要解决临兴区块集输管道积液问题。

2 集输管道积液解决方案

依据目前临兴区块气田开发以及地面集输系统运行现状，在保证安全运行的前提下，为了使临兴区块管网积液得到最大程度的解决，提出三个集输管道积液解决方案。

2.1 方案一：低点设置自动排液装置方案

鉴于5座井场所处地理位置地形起伏大，考虑在低点处设置自动排液装置。集输管道中低点产生的积液通过排液管道进入低点排液污水罐，通过天然气疏水阀自动排至地面设置的污水收集设施。同时罐体设置了临时检修放空管道，放空时引至地面安全位置放空。

2.2 方案二：井口橇装分离器方案

在高产水气井井口加装橇装化装置，根据单井产水量选用小型立式分离器及其他适宜的设备。橇装设备方便搬运以及安装，能够最大程度地减少征地以及建造时间，根据开发时间实现滚动开发。

2.3 方案三：依托E井场设置分水阀组方案

根据集输管网分布以及输送情况，E井场较空旷，可考虑在E井场设置分水阀组。5座井场的来气先经分水阀组的分离器初步分离，然后再输至集气站进行集中处理。初步分离出的采出水存放在水罐中，由拉水车定期拉运。设置分水阀组，便于统一管理。

对上述方案从建设周期、工程投资、建设过程对当前生产影响程度、对当地规划影响程度和产能发挥效果5个指标进行评价，各方案综合对比结果如表2所示。

表2 各方案综合对比结果

3 方案比选

3.1 构建潜在产能发挥方案优选模型

影响集输管道积液解决方案优选的因素众多，而且这些因素之间还存在相互影响的关系。本文主要确定了以下5个评价指标：建设周期A1、工程投资A2、建设过程对当前生产影响程度A3、对当地规划影响程度A4、产能发挥效果A5。通过对各方案的因素进行分析，构建适合潜在产能发挥方案的层次结构如图1所示。

图1 集输管道积液解决方案的层次结构

集输管道积液解决方案优选模型为：

式中：Ui为第i个集输管道积液解决方案决策的结果，n为准则层指标个数，kij为第i个集输管道积液解决方案在j个指标的评价值，wj为第j个指标在准则层的权重值。

3.2 确定评价指标权重

对方案进行优选时，首先需要确定各评价指标的权重值。权重值设置的细微差距会对整个方案比选结果产生很大程度的影响。因此，确定合理的评价指标权重值具有决定性的作用。目前，在工程领域中，评价指标权重主要运用二项系数法、特尔斐法（Delphi）、层次分析法等进行确定[4]。其中层次分析法包括几何平均法、算术平均法、特征向量法和最小二乘法。本文采用层次分析法中的算术平均法确定集输管道积液解决方案评价指标的权重。

骆正清等学者在早期研究标度法中，认为三标度法和九标度法在单一准则下，两种方法均能保序，但后者精度更高[5]。所以本文采用美国匹茨堡大学萨蒂教授推荐的九标度法。在5个影响因素中，每次只对其中两个因素做比较，aij为准则层两指标之间重要性比较的赋值，见表3。

表3 九标度法描述

（1）根据表3和表2对两两影响因素进行比较，得到比较矩阵：

（2）将A按列规范化得到：

（3） 将A′按行相加得到：

（4） 将A″规范化得到：

（5）进行一致性检验：

式中：λmax为矩阵A的最大特征值；wi为权重矢量；CI为一致性指标；RI为平均随机一致性指标，n=5时取1.12。

因为CR＜0.1，所以满足一致性检验的要求。故取各评价指标的权重：

w=（w1，w2，w3，w4，w5）=（0.055 1，0.235 0，0.1548，0.1197，0.4372）。

3.3 建立判断矩阵

在同一个项目评价模型中，同时存在不同的评价量纲时，为了在同一个标准条件下进行比选，需要对各项评价指标无量纲化。评价指标通常分为两大类，一类为获益性指标，其数值越大对方案越有利，如产能发挥效果等；另一类指标其数值越大对方案越不利，称为损失性指标，如建设过程对当前生产过程影响程度等。

（1）获益性指标计算：

（2）损失性指标计算：

式中：Dij为第i个方案中第j项评价指标计算值，Dmax，j、Dmin，j分别为评价系统中第 j项评价指标的最大值与最小值，Pij为第i个方案中第j项评价指标进行无量纲化后的值。

在集输管道积液解决方案中，既包括定性指标，也有定量指标，故本文采用以下评价指标计算值反映他们之间的差异，具体分类见表4。

表4 评价指标计算值

根据方案综合对比表、获益性指标计算公式、损失性指标计算公式和评价指标计算值，计算得到判断矩阵：

3.4 计算综合评价指标

通过对三个方案运用层次分析法进行比选，得到U3＞U1＞U2，即方案三（依托E井场设置分水阀组方案）为最优方案。

4 结论

（1）本文采用层次分析法中的九标度法计算评价指标权重，该方法精度更高，满足一致性检验的要求，减少了决策者主观因素对优选过程的影响。

（2）通过对集输管道积液解决方案优选，结果表明运用层次分析法得出与传统优选方式相同的结论，为决策者提供了更科学的数据支撑。

（3）综合对比三种方案的建设周期、工程投资、建设过程对当前生产影响程度、对当地规划影响程度、产能发挥效果。推荐采用方案三，即依托E井场设置分水阀组方案，使得临兴区块集输管道积液问题得到最大程度的解决。