層次分析法在鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔效率評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

欒建建 班凡生 寧正福

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院， 北京 102200； 2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)， 北京 102249)

層次分析法在鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔效率評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

欒建建1，2班凡生1寧正福2

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院， 北京 102200； 2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)， 北京 102249)

以造腔成本、造腔時(shí)間、造腔體積、鹵水濃度達(dá)標(biāo)率和腔體穩(wěn)定性5個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為研究對(duì)象，采用層次分析法對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔效率進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)例表明，提出的造腔指標(biāo)可操作性較好，應(yīng)用層次分析法能對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔效率進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而優(yōu)選最佳造腔方案，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)； 權(quán)重； 層次分析法； 造腔效率

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局報(bào)告，2015年我國(guó)油氣消費(fèi)總量達(dá)5.43×108t。按照國(guó)際能源局設(shè)定的安全標(biāo)準(zhǔn)，石油戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備應(yīng)達(dá)到1.27×108t，而我國(guó)實(shí)際能源儲(chǔ)備僅0.24×108t。分析發(fā)現(xiàn)，制約我國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的主要問(wèn)題在于造腔效率。因此，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建腔效率研究成為了我國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的重點(diǎn)。此外，對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔效率評(píng)價(jià)便于篩選高效的造腔方案，確定適合的造腔方法。

造腔效率評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是建立合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)。目前，對(duì)于造腔的效率問(wèn)題，國(guó)外研究仍局限于定性分析。國(guó)內(nèi)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)研究主要是從設(shè)計(jì)方案出發(fā)，所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)尚未涉及到經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，即造腔效率問(wèn)題。

1 層次分析法原理分析

美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家薩蒂于12世 紀(jì)70年代提出了層次分析法(簡(jiǎn)稱(chēng)AHP法)，其原理是將決策有關(guān)的因素分解成目標(biāo)方案等多個(gè)層次，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行定性與定量的決策。運(yùn)用層次分析法評(píng)價(jià)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔效率主要是運(yùn)用層次分析法計(jì)算各指標(biāo)自身權(quán)重以及各方案的權(quán)重、各方案的綜合關(guān)聯(lián)度，達(dá)到優(yōu)選造腔方案的目的。

運(yùn)用層次分析法解決評(píng)價(jià)問(wèn)題的流程見(jiàn)圖1。

圖1 運(yùn)用層次分析法解決評(píng)價(jià)問(wèn)題的流程圖

(1) 根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)、備選方案建立層次結(jié)構(gòu)模型。層次結(jié)構(gòu)模型包括最高層、中間層和最低層。其中，最高層是目的層，即要解決的問(wèn)題；中間層是實(shí)現(xiàn)目的需要考慮的因素；最低層為備選方案。層次數(shù)與問(wèn)題的復(fù)雜程度直接相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，每一層的元素不宜超過(guò)9個(gè)。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔效率評(píng)價(jià)的目標(biāo)層即為最優(yōu)方案，中間層是評(píng)價(jià)指標(biāo)，最低層為備選方案。

(2) 構(gòu)造各層次中的所有判斷矩陣(比較矩陣)。判斷矩陣是層次分析法的基本信息，是進(jìn)行權(quán)重計(jì)算的依據(jù)。因此，矩陣構(gòu)建的準(zhǔn)確性直接關(guān)

系著評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。判斷矩陣可以分為：對(duì)于總目標(biāo)，構(gòu)造判斷層各因素的比較矩陣；對(duì)于各考慮因素，構(gòu)造各方案的比較矩陣。在判斷矩陣中，各元素的確定方法依據(jù)比較各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的重要性而得到(見(jiàn)表1)。具體方法如下：

設(shè)C1，C2，…，Cn分別表示各指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的重要性，通過(guò)比較重要性得到判斷矩陣中的元素值。

(1)

(3) 層次單排序及一致性檢驗(yàn)。對(duì)應(yīng)于判斷矩陣最大特征根λmax所對(duì)應(yīng)的特征向量，經(jīng)歸一化(使向量中各元素之和等于1)后記為W。層次單排序是指同一層次中因素(指標(biāo))對(duì)于上一層次因素(方案)相對(duì)重要性的排序。能否得到層次單排序，取決于能否構(gòu)造符合實(shí)際的判斷矩陣。因此，需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，要求最終判斷矩陣的不一致性在允許范圍內(nèi)。

①定性一致性檢測(cè)。

定義1：一致性指標(biāo)CI：

(2)

式中：n—— 判斷矩陣的階數(shù)；

λ—— 判斷矩陣的最大特征值。

當(dāng)CI=0，表示有完整的一致性；當(dāng)CI接近于0，表示具有滿(mǎn)意的一致性。CI越大不一致性越嚴(yán)重。

②定量一致性檢驗(yàn)。

定義2：引入隨機(jī)一致性指標(biāo)RI。隨機(jī)一致性指標(biāo)可由表2直接查得。

定義3：一致性比率CR：

(3)

一般，當(dāng)一致性比率CR<0.1時(shí)，判斷矩陣A具有滿(mǎn)意的一致性，認(rèn)為A的不一致性在容許的范圍之內(nèi)；反之，重新構(gòu)造成對(duì)比較矩陣，對(duì)aij進(jìn)行調(diào)整直至判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

綜合關(guān)聯(lián)度kj越大，方案的綜合造腔效率越高。綜合關(guān)聯(lián)度最高的方案即為最優(yōu)方案。

2 算例分析

運(yùn)用層次分析法對(duì)某鹽礦各井造腔的造腔效率進(jìn)行評(píng)價(jià)。該鹽礦共3個(gè)造腔實(shí)施方案，分別命名為A、B、C。每種方案考慮了5個(gè)不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別是造腔成本、造腔體積、造腔時(shí)間、鹵水濃度達(dá)標(biāo)率、形態(tài)穩(wěn)定性，分別用u1、u2、u3、u4、u5表示，它們直接影響鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的造腔效率。具體的評(píng)價(jià)過(guò)程如下：

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型。其中，目的層為選擇的最優(yōu)(造腔效率最高)方案，準(zhǔn)則層為5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，方案層即為3個(gè)備選方案。

根據(jù)提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別計(jì)算造腔成本、造腔時(shí)間、造腔體積等指標(biāo)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3)，并分析同一指標(biāo)在不同方案中的大小關(guān)系，為構(gòu)造判斷矩陣做好準(zhǔn)備。

表3 A、B、C方案評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

(2) 據(jù)據(jù)各指標(biāo)對(duì)各方案造腔效率的重要性，應(yīng)用層次分析法建立比較矩陣，以確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各方案的權(quán)重。構(gòu)造的比較矩陣如下：

分別求出各比較矩陣的特征值，如表4所示。

表4 各評(píng)價(jià)指標(biāo)比較矩陣的最大特征值

(3) 分別對(duì)各比較矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，若未通過(guò)一致性檢驗(yàn)，則需要重新構(gòu)造比較矩陣直到通過(guò)一致性檢驗(yàn)為止。各矩陣一致性比率見(jiàn)表5。

表5 各比較矩陣的一致性比率

當(dāng)一致性比率CR<0.1時(shí)，通過(guò)一致性檢驗(yàn)，解不等式可得：λmax< 3.116，經(jīng)檢驗(yàn)各比較矩陣(判斷矩陣)均可通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

求各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各方案造腔效率的權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各方案的權(quán)重

(4) 根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)間的重要性，建立比較矩陣A，經(jīng)過(guò)一致性檢驗(yàn)求出各指標(biāo)的權(quán)重。其中，比較矩陣如下所示：

根據(jù)層次分析法得到各指標(biāo)的權(quán)重：

W=(0.122,0.514,0.258,0.529,0.529)T

(5)根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)方案的權(quán)重，運(yùn)用層次分析法綜合關(guān)聯(lián)度公式，計(jì)算各方案的綜合關(guān)聯(lián)度(見(jiàn)表7)。

表7 各方案的綜合關(guān)聯(lián)度

綜合關(guān)聯(lián)度排序由大到小的方案依次為方案1、方案3、方案2。3個(gè)方案中，綜合考慮造腔時(shí)間、造腔成本、造腔體積、鹵水濃度、腔體的穩(wěn)定性等5個(gè)因素，方案1最優(yōu)，造腔效率最高，方案3次之，方案2造腔效率最差。

3 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用層次分析法構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造各層次判斷矩陣、進(jìn)行各判斷矩陣一致性檢驗(yàn)并確定權(quán)重和各方案的綜合關(guān)聯(lián)度，評(píng)價(jià)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔效率。評(píng)價(jià)結(jié)果可以用于優(yōu)選造腔方案，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

[1] 班凡生，高樹(shù)生，單文文，等.灰色物元分析法在巖鹽儲(chǔ)氣庫(kù)水溶造腔方案評(píng)選中的應(yīng)用[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(5)：2-3．

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[3]高東坡，李冬梅．層次分析法在煤炭企業(yè)內(nèi)部控制自我評(píng)價(jià)中的應(yīng)用：以A煤炭企業(yè)為例[J]．特區(qū)經(jīng)濟(jì)，2012(11)：1-2.

[4]彭鵬．基于層次分析法的壩基帷幕灌漿方案評(píng)估探析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2016(3)：1-2.

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Application of AHP to Evaluation of Cavity Efficiency in Salt Cavern Gas Storage

LUANJianjian1,2BANFansheng1NINGZhengfu2

(1.CNPC Drilling Research Institute, Beijing 102200, China;2. China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China)

Based on five calculation indexes —— cavity making cost, cavity making time, cavity volume, the standard rate of concentration of brine and the cavity stability, this paper applied AHP to evaluate cavity efficiency in salt cavern gas storage. Examples show that the proposed evaluation index system is very practical and AHP method can be applied to the evaluation of cavity efficiency in salt cavern gas storage to select suitable cavity making project plan and to guide the real cavity making.

economic evaluation; weight; AHP; cavity efficiency

2016-06-02

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重大專(zhuān)項(xiàng)“儲(chǔ)氣庫(kù)優(yōu)快鉆完井技術(shù)與裝備研究”(2015E-4003)

欒建建(1989 — )，男，陜西延安人，中國(guó)石油大學(xué)(北京)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)辂}穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔技術(shù)。

TE972

A

1673-1980(2017)01-0028-04