基于層次分析法的抽油機井全生命周期效益評價*

梁毅 甘慶明 趙春 樊松 石海霞 雷宇

（1.中國石油長慶油田分公司；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室）

長慶油田采用有桿泵采油，截至2017年12月，油井總數5.3萬口。近幾年，機采設備（機、桿、管、泵）初期投資約10.0億元，機采系統耗電量約占全油田耗電量的60.0%，年均維護修井費用逾20億元，機采設備的高故障率和高能耗致使油井成本居高不下。

油井全生命周期是指油井從設備購置、生產運行、維護作業、設備報廢的全過程（圖1），整個生命周期成本是各階段所發生費用的總和。油井全生命周期成本是從油井長期經濟效益出發，在整個生命周期既要符合技術適應性，又要滿足成本最佳要求。構成抽油機井全生命周期成本的因素相互影響和耦合，如何確定影響油井整個生產過程成本的關鍵因素，其核心就是建立評價油井全生命周期成本的指標體系。而層次分析法是一種多準則決策方法[1]，該方法首先把問題層次化，按總目標分解成不同層次，構成一個多層次的分析結構模型，并逐層比較多種有關的因素，為解決問題提供一個定量化的方法。但目前主要是應用層次分析法對不同機械采油方式進行優選[2]，未開展抽油機井全生命周期的綜合效益評價[3]，并且抽油機井全生命周期成本符合層次分析法的構建要素。因此，在當前低油價下，為了進一步降低油田開發成本，確定影響抽油機井全生命周期成本的關鍵因素顯得尤為重要。

圖1 抽油機井舉升設備全生命周期示意圖

1 抽油機井全生命周期成本評價指標建立

1.1 指標體系的構建原則

為了建立全面的抽油機井全生命周期成本評價指標體系，應遵守以下原則[4]：

1）全面性。在保證評價目標可實現的條件下，所選擇的指標能涵蓋全生命周期的各個階段。

2）技術適應性與成本指標相結合。

3）重要性與可操作性。所定的指標應具有可量化和可采集的特點，且選取的指標是構成油井全生命周期成本的主要因素。

4）定量與定性相結合。

1.2 全生命周期成本評價指標的選取

抽油機井全生命周期成本由設備購置、運行費、油井故障維修費及設備折舊費組成[5]。

1）初期購置費：為了獲得設備而一次性投入的資金，費用構成包括抽油機、抽油泵、抽油桿、油管等設備，設備材質、外徑、結構與成本均相關。

2）生產運行費：是指抽油機在正常使用過程中發生的能耗費，費用構成包括抽油機型號、日產液、泵掛、抽油桿材質等。

3）維護作業費：是指油井出現故障時實施修井作業產生的費用，作業頻次高低直接影響其經濟效益，費用構成包括抽油設備的材質、管理水平、修井作業水平等。

4）年折舊折耗費：是指消耗設備原值的5%費用，計算公式為（資產原值-預計凈殘值）/折舊年限。

抽油機井全生命周期成本=初期購置費+生產運行費+維護作業費-年折舊折耗費

1）初期購置費：設備原值來源于中石油招標數據庫、廠家及油田，其中貨幣貶值率取3%，其計算公式為

2）生產運行費：根據中石油股份公司采油數據報表、游梁式抽油機調研數據、研究得到游梁式抽油機日產液與系統效率關系曲線、百米噸液耗電，以及新裝備相對于游梁式抽油機的節電率，其計算公式為

3）維護作業費：長慶油田井筒狀況復雜，結蠟嚴重，維修作業高；因此，該階段考慮的影響成本的主要因素是檢泵作業費和清蠟費，其計算公式為

4）年折舊折耗費：設備殘值取5%，其計算公式為

2 層次分析法基本原理

2.1 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為若干層次[6]，同一層次的元素受相鄰兩層元素的支配和影響，層次結構模型自上而下可以分為目標層、準則層和方案層（圖2）。

圖2 層次結構模型

2.2 確定判斷矩陣

為使判斷定量化，判斷矩陣的元素根據國際通用的層次分析法標度表取值（表1）。對不同情況的評比給出數量標度，用數字1～9及其倒數構成。

表1 層次分析法標度

2.3 層次單排序及一致性檢驗

層次單排序是，根據判斷矩陣計算出某層次因素相對上層次中某一因素的相對重要性權值，從而計算得到下一層次因素相對上一層次因素的多組權值，需求解矩陣最大特征值，最常用的方法是和積法。首先將判斷矩陣的每一列元素作歸一化處理，即

將每列歸一化后判斷矩陣按行相加：

進行歸一化處理：

Wi=（W1，W2，…，Wn）T為所求的特征向量的近似解，計算判斷矩陣最大特征值，即

為使判斷矩陣保持一致性，要進行一致性檢驗。根據CI和隨機一致性比率CR并結合表2計算：

式中：CI——一致性指標；

RI——隨即一致性指標；

CR——隨即一致性比率；

λmax——最大特征值。

表2 隨即一致性比率取值

當CR＜0.1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。

2.4 層次總排序

層次總排序是指確定某層所有因素對于總目標相對重要的排序權值過程，這一過程是從最高層到最底層依次進行的。

3 確定影響抽油機井生產全過程綜合效益的關鍵因素

根據抽油機井全生命周期成本構成分析，進行成本構成的分解，應用層次分析法建立評價指標體系。構成全生命周期成本的因素是相互交叉、耦合的。比如：油井設備的材質既是初期購置成本構成，又是后期維護作業費的影響因素；抽油機型號既是初期購置成本構成，又是后期運行費用構成。

3.1 建立抽油機井生產全過程層次模型

本文的目的是確定影響抽油機井全生命周期的關鍵因素，因此其目的層是降低抽油機井全生命周期成本，對其進行分解，建立層次模型（圖3）。

3.2 建立判斷矩陣并進行一致性檢驗

按照上面建立的遞階層次模型，考慮油井全生命周期為30年所產生的費用，判斷矩陣結合公式（1）到公式（5）確定兩因素之間的重要程度。根據表2取值，構建表3至表7的判斷矩陣，然后根據公式（6）至公式（11），求取每個矩陣的最大特征值并進行一致性檢驗。比如，機采設備初期投資較折舊折耗費重要，但考慮油井全生命周期，較生產運行費和維護作業費影響程度低，設備的材質與初期投資和維護作業費均相關。在初期投資時，防腐材質的成本更高，但后期維護作業費更低，設備材質在降低維護作業費中較其他因素更重要。

圖3 降低抽油機井全生命周期成本層次結構模型

表3 A-Bi判斷矩陣

求 得 特 征 向 量 W=（0.122， 0.307， 0.505，0.066）T，最大特征值λmax=4.15，得到一致性指標CR=0.057＜0.1，故該矩陣一致性是可以接受的。

表4 B1-Ci判斷矩陣

求 得 特 征 向 量 W=（0.364， 0.02， 0.038，0.03，0.052，0.123，0.103，0.269）T，最大特征值 λmax=8.862，得到一致性指標CR=0.087＜0.1，故該矩陣的一致性是可以接受的。

表5 B2-Ci判斷矩陣

求 得 特 征 向 量 W=（0.493， 0.184， 0.064，0.036，0.09，0.028，0.127）T，最大特征值 λmax=7.58，得到一致性指標CR=0.073＜0.1，故該矩陣的一致性是可以接受的。

求 得 特 征 向 量 W=（0.025， 0.019， 0.014，0.204.0.204.0.204， 0.147， 0.09， 0.041， 0.051）T，最大特征值 λmax=11.031，得到一致性指標CR=0.076＜0.1，故該矩陣的一致性是可以接受的。

表7 B4-Ci判斷矩陣

求得特征向量W=（0.681，0.201，0.119）T，最大特征值 λmax=3.025，得到一致性指標CR=0.021＜0.1，故該矩陣的一致性是可以接受的。

3.3 層次總排序

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，得到各個因素的綜合指標權重，確定了降低抽油機井全生命周期成本的關鍵因素是抽油機型號、設備材質以及泵結構（表8）。

4 現場試驗

根據前面的層次分析法研究，得出降低抽油機井全生命周期成本的關鍵因素，因此，進行了抽油設備優化選型和材質優選，降低了抽油機型號，應用了特殊材質，使得“降投資、低能耗、延壽命”效果明顯。2011年在長慶油田某區塊選取地質因素、井況、生產參數相同的3口井分別開展現場試驗（表9）。這3口油井均預測生產周期為30年，分別在不同階段配套技術，成本構成為抽油泵+抽油桿+抽油機+電費+清蠟費+修井費+設備折舊折耗費，對比分析在整個生產過程中的經濟效益。

表6 B3-Ci判斷矩陣

表8 層次總排序

表9 試驗井不同機采設備配套情況

1）使用普通材質和結構：機采設備整個生產過程為普通的結構和材質，抽油機為6型。

2）從后期配套技術成本：機采設備初期投產為普通的結構和材質，抽油機為6型。第一次修井后，抽油桿配套防腐抽油桿，抽油泵配套防氣和防腐抽油泵。

3）從初期配套技術成本：機采設備初期投產使用內涂層油管、防腐抽油桿、防氣防腐抽油泵。通過抽油機選型技術研究，配套5型抽油機即可滿足生產需求。

從投產開始配套技術的油井，雖然初期投資高，但分別在1.9年和4.3年時投入費用相等，到后期投入最低。主要是因為應用抽油機選型技術、特殊材質、特殊泵結構，減小了抽油機型號，電動機功率隨之降低，運行費用降低，作業頻率低，維護作業費用低。從整個生產全過程考慮，從投產開始配套技術的油井綜合效益最好，與使用普通材質和結構機采設備的油井相比，平均每年節約3.27萬元/口。同時，油井實測日耗電量表明，相同生產參數下負載率越高，耗電量越低，單井日耗電量由75.2kWh降低到65.5kWh，降低了9.7kWh。通過理論和實踐表明，應該從油井投產開始，對機采設備配套防腐、防磨等特殊材質和特殊結構，以及應用抽油機優選技術，才能實現最大成本的效益。

5 結論

1）考慮油井全生命周期成本，確定了抽油機井全生命周期成本由初期購置費、生產運行費、維護作業費和折舊折耗費構成，并對其進行了進一步分解。

2）應用層次分析法，構建了降低抽油機井全生命周期成本評價層次模型，建立了各層次判斷矩陣，得到了影響因素權重系數，得出影響綜合效益的關鍵因素是抽油機型號、設備材質及泵結構。

3）現場試驗表明，應用抽油機選型技術、特殊材質、特殊泵結構的油井綜合效益最好，平均每年節約3.27萬元/口；因此，從源頭提高入井管桿泵質量，要優于長期維護性投入。