層次分析法在臨興區(qū)塊集輸管道積液解決方案優(yōu)選中的應(yīng)用

胡連興，郭 穎

中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉西分公司，北京 100016

近年來，中海油中聯(lián)公司晉西分公司新獲高含水致密氣井增多。目前臨興區(qū)塊部分集輸管網(wǎng)積液嚴(yán)重，導(dǎo)致井口回壓過高，存在超壓風(fēng)險。針對以上情形，對臨興區(qū)塊集輸管道積液方案進(jìn)行優(yōu)選，提高致密氣產(chǎn)量，降低井口回壓，以提高經(jīng)濟(jì)效益。

層次分析法（The Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）最早由美國匹茨堡大學(xué)薩蒂教授在20世紀(jì)70年代初提出[1]，其原理是將復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維進(jìn)行層次化，再將優(yōu)選過程中的定量因素和定性因素綜合起來分析[2]，利用數(shù)學(xué)方法計(jì)算所有因素的相對權(quán)重，最終比選得到最優(yōu)方案。本文運(yùn)用多目標(biāo)決策分析的原理，基于層次分析法，構(gòu)建潛在產(chǎn)能發(fā)揮方案優(yōu)選模型，通過算術(shù)平均法得到評價指標(biāo)權(quán)重，建立判斷矩陣，計(jì)算綜合評價指標(biāo)并排序，將具有主觀性的指標(biāo)用數(shù)值形式表達(dá)并進(jìn)行量化綜合比較，克服了傳統(tǒng)方案優(yōu)選采用優(yōu)缺點(diǎn)對比方式的不足。

1 地面集輸系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

中海油中聯(lián)公司晉西分公司某區(qū)塊西北部A、B、C、D、E 5座井場及管網(wǎng)呈枝狀排布，輸至下游集氣站進(jìn)行集中處理。五座井場所在地的地形起伏大，產(chǎn)水量大，管網(wǎng)攜液能力差[3]，導(dǎo)致支線末端井場回壓大，存在超壓風(fēng)險（要求壓力低于4 MPa），2021年6月某日生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 某區(qū)塊地面集輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

為促進(jìn)臨興區(qū)塊致密氣資源勘探開發(fā)，加快產(chǎn)能發(fā)揮，迫切需要解決臨興區(qū)塊集輸管道積液問題。

2 集輸管道積液解決方案

依據(jù)目前臨興區(qū)塊氣田開發(fā)以及地面集輸系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀，在保證安全運(yùn)行的前提下，為了使臨興區(qū)塊管網(wǎng)積液得到最大程度的解決，提出三個集輸管道積液解決方案。

2.1 方案一：低點(diǎn)設(shè)置自動排液裝置方案

鑒于5座井場所處地理位置地形起伏大，考慮在低點(diǎn)處設(shè)置自動排液裝置。集輸管道中低點(diǎn)產(chǎn)生的積液通過排液管道進(jìn)入低點(diǎn)排液污水罐，通過天然氣疏水閥自動排至地面設(shè)置的污水收集設(shè)施。同時罐體設(shè)置了臨時檢修放空管道，放空時引至地面安全位置放空。

2.2 方案二：井口橇裝分離器方案

在高產(chǎn)水氣井井口加裝橇裝化裝置，根據(jù)單井產(chǎn)水量選用小型立式分離器及其他適宜的設(shè)備。橇裝設(shè)備方便搬運(yùn)以及安裝，能夠最大程度地減少征地以及建造時間，根據(jù)開發(fā)時間實(shí)現(xiàn)滾動開發(fā)。

2.3 方案三：依托E井場設(shè)置分水閥組方案

根據(jù)集輸管網(wǎng)分布以及輸送情況，E井場較空曠，可考慮在E井場設(shè)置分水閥組。5座井場的來氣先經(jīng)分水閥組的分離器初步分離，然后再輸至集氣站進(jìn)行集中處理。初步分離出的采出水存放在水罐中，由拉水車定期拉運(yùn)。設(shè)置分水閥組，便于統(tǒng)一管理。

對上述方案從建設(shè)周期、工程投資、建設(shè)過程對當(dāng)前生產(chǎn)影響程度、對當(dāng)?shù)匾?guī)劃影響程度和產(chǎn)能發(fā)揮效果5個指標(biāo)進(jìn)行評價，各方案綜合對比結(jié)果如表2所示。

表2 各方案綜合對比結(jié)果

3 方案比選

3.1 構(gòu)建潛在產(chǎn)能發(fā)揮方案優(yōu)選模型

影響集輸管道積液解決方案優(yōu)選的因素眾多，而且這些因素之間還存在相互影響的關(guān)系。本文主要確定了以下5個評價指標(biāo)：建設(shè)周期A1、工程投資A2、建設(shè)過程對當(dāng)前生產(chǎn)影響程度A3、對當(dāng)?shù)匾?guī)劃影響程度A4、產(chǎn)能發(fā)揮效果A5。通過對各方案的因素進(jìn)行分析，構(gòu)建適合潛在產(chǎn)能發(fā)揮方案的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集輸管道積液解決方案的層次結(jié)構(gòu)

集輸管道積液解決方案優(yōu)選模型為：

式中：Ui為第i個集輸管道積液解決方案決策的結(jié)果，n為準(zhǔn)則層指標(biāo)個數(shù)，kij為第i個集輸管道積液解決方案在j個指標(biāo)的評價值，wj為第j個指標(biāo)在準(zhǔn)則層的權(quán)重值。

3.2 確定評價指標(biāo)權(quán)重

對方案進(jìn)行優(yōu)選時，首先需要確定各評價指標(biāo)的權(quán)重值。權(quán)重值設(shè)置的細(xì)微差距會對整個方案比選結(jié)果產(chǎn)生很大程度的影響。因此，確定合理的評價指標(biāo)權(quán)重值具有決定性的作用。目前，在工程領(lǐng)域中，評價指標(biāo)權(quán)重主要運(yùn)用二項(xiàng)系數(shù)法、特爾斐法（Delphi）、層次分析法等進(jìn)行確定[4]。其中層次分析法包括幾何平均法、算術(shù)平均法、特征向量法和最小二乘法。本文采用層次分析法中的算術(shù)平均法確定集輸管道積液解決方案評價指標(biāo)的權(quán)重。

駱正清等學(xué)者在早期研究標(biāo)度法中，認(rèn)為三標(biāo)度法和九標(biāo)度法在單一準(zhǔn)則下，兩種方法均能保序，但后者精度更高[5]。所以本文采用美國匹茨堡大學(xué)薩蒂教授推薦的九標(biāo)度法。在5個影響因素中，每次只對其中兩個因素做比較，aij為準(zhǔn)則層兩指標(biāo)之間重要性比較的賦值，見表3。

表3 九標(biāo)度法描述

（1）根據(jù)表3和表2對兩兩影響因素進(jìn)行比較，得到比較矩陣：

（2）將A按列規(guī)范化得到：

（3） 將A′按行相加得到：

（4） 將A″規(guī)范化得到：

（5）進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

式中：λmax為矩陣A的最大特征值；wi為權(quán)重矢量；CI為一致性指標(biāo)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，n=5時取1.12。

因?yàn)镃R＜0.1，所以滿足一致性檢驗(yàn)的要求。故取各評價指標(biāo)的權(quán)重：

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

3.3 建立判斷矩陣

在同一個項(xiàng)目評價模型中，同時存在不同的評價量綱時，為了在同一個標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行比選，需要對各項(xiàng)評價指標(biāo)無量綱化。評價指標(biāo)通常分為兩大類，一類為獲益性指標(biāo)，其數(shù)值越大對方案越有利，如產(chǎn)能發(fā)揮效果等；另一類指標(biāo)其數(shù)值越大對方案越不利，稱為損失性指標(biāo)，如建設(shè)過程對當(dāng)前生產(chǎn)過程影響程度等。

（1）獲益性指標(biāo)計(jì)算：

（2）損失性指標(biāo)計(jì)算：

式中：Dij為第i個方案中第j項(xiàng)評價指標(biāo)計(jì)算值，Dmax，j、Dmin，j分別為評價系統(tǒng)中第 j項(xiàng)評價指標(biāo)的最大值與最小值，Pij為第i個方案中第j項(xiàng)評價指標(biāo)進(jìn)行無量綱化后的值。

在集輸管道積液解決方案中，既包括定性指標(biāo)，也有定量指標(biāo)，故本文采用以下評價指標(biāo)計(jì)算值反映他們之間的差異，具體分類見表4。

表4 評價指標(biāo)計(jì)算值

根據(jù)方案綜合對比表、獲益性指標(biāo)計(jì)算公式、損失性指標(biāo)計(jì)算公式和評價指標(biāo)計(jì)算值，計(jì)算得到判斷矩陣：

3.4 計(jì)算綜合評價指標(biāo)

通過對三個方案運(yùn)用層次分析法進(jìn)行比選，得到U3＞U1＞U2，即方案三（依托E井場設(shè)置分水閥組方案）為最優(yōu)方案。

4 結(jié)論

（1）本文采用層次分析法中的九標(biāo)度法計(jì)算評價指標(biāo)權(quán)重，該方法精度更高，滿足一致性檢驗(yàn)的要求，減少了決策者主觀因素對優(yōu)選過程的影響。

（2）通過對集輸管道積液解決方案優(yōu)選，結(jié)果表明運(yùn)用層次分析法得出與傳統(tǒng)優(yōu)選方式相同的結(jié)論，為決策者提供了更科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

（3）綜合對比三種方案的建設(shè)周期、工程投資、建設(shè)過程對當(dāng)前生產(chǎn)影響程度、對當(dāng)?shù)匾?guī)劃影響程度、產(chǎn)能發(fā)揮效果。推薦采用方案三，即依托E井場設(shè)置分水閥組方案，使得臨興區(qū)塊集輸管道積液問題得到最大程度的解決。