基于多元線性回歸方法的海上平臺用鋼量分析

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司， 天津300459)

0 引 言

海上平臺是海上石油勘探開發的關鍵基礎。在油氣田開發總體方案研究過程中比選方案眾多，不同方案平臺用鋼量關系到工程設施的總體投資，如何快速地預測各方案平臺用鋼量是項目前期研究的重要內容。張紅等[1-2]通過單因素分析建立了甲板面積與用鋼量一元回歸模型、垂直載荷與下部結構用鋼量回歸模型。朱江等[3]在分析甲板面積與垂直載荷影響因素的基礎上又增加了油品性質和油區探明儲量對平臺用鋼量的影響，分別給出各影響因素下用鋼量的一元回歸模型。但實際情況是平臺用鋼量影響因素眾多，這些因素具有不同類別和層次，很難系統地聯系在一起。對用鋼量影響因素進行強弱次序排列，篩選出主要影響因素，綜合考慮主要因素對用鋼量的影響，是提高用鋼量預測精度的有效途徑。

本文統計渤海海域已建平臺用鋼量，運用灰色理論分析甲板面積、設備干重、油品性質、高峰年產能、高峰年用電負荷，以及最大油、氣、水處理能力和井槽數與用鋼量的關聯程度，建立海上平臺多元線性回歸用鋼量預測方法，在油田總體開發研究過程中快速估算不同方案用鋼總量，篩選出較少用鋼量平臺方案，為海上油氣田比選最優工程方案提供用鋼量估算依據。

1 海上平臺用鋼量組成

目前，渤海海域共有123座樁基式固定平臺，其中：井口平臺75座，平臺總用鋼量大多在4 000～6 000 t；中心平臺16座，用鋼量在10 000～15 000 t。海上平臺的用鋼量主要包括甲板組塊及附屬結構、生活樓、導管架、鋼樁和隔水套管。甲板組塊是提供生產和生活設施的場所，根據功能不同，甲板組塊通常有4層甲板，即上層甲板、中層甲板、下層甲板和底層甲板，生產設施較少的井口平臺通常設置1～2層[4]。甲板組塊的附屬結構包括平臺有關的生產、生活、信號通信等服務設施，例如火炬臂、棧橋、供通信用的微波塔等。生活樓頂層有直升機甲板，供直升飛機起降停泊，其重量包含在生活樓中。導管架由大直徑的鋼管焊接而成，腿柱可作為打樁時的導向管，分為三腿式、四腿式、六腿式和八腿式。鋼樁是固定導管架于海底的設施，其重量取決于樁的數量、上部組塊總重、海底土質性狀、水深、環境條件等。隔水套管的數量取決于平臺設置的井槽數，從而影響平臺用鋼量。

2 海上平臺用鋼量影響因素

2.1 中心平臺用鋼量因素

海上中心平臺作為油氣水集輸、處理的平臺，其規模影響因素較多。因為中心平臺的規模可反映用鋼量的變化，所以選擇中心平臺甲板面積、設備干重、20 ℃原油密度、50 ℃混合油品黏度、高峰年產能、高峰年用電負荷以及最大油、氣、水處理能力作為影響用鋼量的因素[5]。運用灰色理論方法對自變量與因變量進行關聯程度分析，對因變量參考數列與影響因素的比較數列進行量化極差處理，求解因變量影響因素之間的關聯程度，從而確定影響中心平臺用鋼量變化的主要因素。選取渤海海域已建的12個中心平臺用鋼量如表1所示，將各影響因素與用鋼量進行灰色關聯分析，得到中心平臺甲板面積等影響因素與用鋼量之間的關聯程度如表2所示。

表1 12座中心平臺規模影響因素與用鋼量

續表1 12座中心平臺規模影響因素與用鋼量

表2 各影響因素與中心平臺用鋼量的關聯度

2.2 井口平臺用鋼量

海上井口平臺通常作為原油的采出平臺，布置有采油樹，因此增加平臺井槽數作為影響用鋼量的因素。另一方面，由于井口平臺沒有油氣水處理設施，因此不考慮井口平臺用鋼量中最大油、氣、水處理能力，以及原油黏度和密度因素。

利用灰色理論可得到井口平臺用鋼量影響因素的強弱次序。如表3所示，選擇渤海已建12座井口平臺，將平臺甲板面積、設備干重、高峰年用電負荷、井槽數作為影響用鋼量因素，通過灰色關聯方法[6-8]確定海上井口平臺用鋼量的影響因素與用鋼量的關聯程度排序為：設備干重>井槽數>高峰年用電負荷>甲板面積，如表4所示。

表3 12座井口平臺規模影響因素與用鋼量

表4 各影響因素與井口平臺用鋼量的關聯度

3 海上平臺用鋼量預測方法建立

3.1 中心平臺用鋼量預測方法

常規的中心平臺用鋼量預測采用單因素分析方法建立甲板面積與用鋼量一元線性回歸模型。根據表1統計數據，選取平臺甲板面積為自變量，中心平臺用鋼量為因變量，得到中心平臺用鋼量一元回歸預測方程，方程中的回歸系數敏感度觀察滿足顯著性檢驗要求。

y11=2.91x-10 719.8

(1)

改進后的中心平臺用鋼量預測方程利用海上中心平臺用鋼量影響因素與用鋼量灰色關聯分析的結果，選擇相關性較強的平臺設備干重和甲板面積作為自變量，根據渤海已建平臺用鋼量進行多元線性回歸分析，通過多元線性回歸方法得到中心平臺用鋼量回歸系數敏感度觀察t[9]，如表5所示。

表5 中心平臺用鋼量多元線性回歸結果

對海上中心平臺多元線性回歸公式進行整體顯著性檢驗：設定顯著性水平α=0.05，當自由度為9時，整體線性回歸F檢驗的臨界值查表可得F0=4.256，顯著性的觀察值F=113.7，F≥F0，認為線性回歸方程顯著。

對回歸方程中每項系數進行t回歸顯著性檢驗[10-11]：設定的顯著性水平α=0.05，當自由度為9時，查t值分布表可得臨界值t0=2.262，對比表5中每個用鋼量自變量t值，都有觀測值t≥t0，因此可以得到海上平臺中心平臺用鋼量的回歸公式：

y12=3.5x1+1.57x2-8 224.4

(2)

相關系數R2=0.962。

3.2 井口平臺用鋼量預測方法

常規的井口平臺用鋼量預測采用單因素分析方法建立甲板面積與用鋼量一元線性回歸模型。根據表3統計數據，得到井口平臺用鋼量一元回歸預測方程為

y21=1.9x-1 419

(3)

改進后的井口平臺用鋼量預測方程利用海上井口平臺用鋼量的影響因素與用鋼量灰色關聯分析的結果，選擇相關性較強的平臺高峰年用電負荷和井槽數作為自變量，通過多元線性回歸方法得到井口平臺用鋼量回歸系數與各系數敏感度觀察t，如表6所示。

表6 井口平臺用鋼量多元線性回歸結果

對海上井口平臺多元線性回歸公式進行整體顯著性檢驗：設定顯著性水平α=0.05，當自由度為8時，F檢驗的臨界值查表可得F0=4.066，整體線性回歸F檢驗的臨界值查表可得F0=786.24，顯著性觀察值F=113.7，F≥F0，認為線性回歸方程顯著。

對回歸方程中每項系數進行t回歸顯著性檢驗：設定的顯著性水平α=0.05，當自由度為8時，查t值分布表可得臨界值t0=2.306，對比表6中每個用鋼量自變量t值，都有觀測值t≥t0，因此可以得到海上井口平臺用鋼量的回歸公式[12]：

y22=1.43x1+63.36x2+0.45x3+18.56

(4)

相關系數R2=0.99。

3.3 常規和改進后用鋼量預測方程結果比較

從表7和表8可以得到常規和改進后平臺用鋼量預測結果，結果表明：改進后的多元線性用鋼量回歸模型的預測值比常規一元回歸方程準確，相對誤差較小，可控制在10%以內，說明基于多元線性回歸分析的海上平臺用鋼量預測方程擬合度相對較高，可滿足油氣田開發總體方案研究過程中用鋼量預測精度的要求。

表7 常規和改進后中心平臺用鋼量預測結果比較

表8 常規和改進后井口平臺用鋼量預測結果比較

4 回歸效果驗證

旅大某油田計劃新建1座中心平臺、2座井口平臺，采用設備干重、甲板面積、高峰年用電負荷、井槽數作為檢驗數據，將海上中心平臺和井口平臺的用鋼量線性回歸方程進行檢驗，該方法預測精度較高，可滿足前期方案用鋼量篩選要求，如表9所示。

表9 中心平臺和井口平臺用鋼量多元線性回歸檢驗

5 結 論

(1) 相對于單因素分析平臺用鋼量，綜合考慮多種因素對海上平臺用鋼量的影響，采用灰色理論對影響因素進行強弱排序，篩選出影響用鋼量的主要因素。

(2) 對海上平臺用鋼量不同影響因素進行數據統計和灰色關聯分析，結果表明：影響海上中心平臺用鋼量的主要因素是設備干重和甲板面積，影響海上井口平臺用鋼量的主要因素是高峰年用電負荷和井槽數。

(3) 利用多元線性回歸方法分別建立海上中心平臺和井口平臺用鋼量的預測關系式，預測精度達到90%，可滿足在油田前期研究過程中多種工程方案的用鋼量比選要求，合理控制平臺用鋼量。