欒建建 班凡生 寧正福

(1. 中國石油集團鉆井工程技術研究院， 北京 102200； 2. 中國石油大學(北京)， 北京 102249)

層次分析法在鹽穴儲氣庫造腔效率評價中的應用

欒建建1，2班凡生1寧正福2

(1. 中國石油集團鉆井工程技術研究院， 北京 102200； 2. 中國石油大學(北京)， 北京 102249)

以造腔成本、造腔時間、造腔體積、鹵水濃度達標率和腔體穩(wěn)定性5個經(jīng)濟指標為研究對象，采用層次分析法對鹽穴儲氣庫造腔效率進行評價。實例表明，提出的造腔指標可操作性較好，應用層次分析法能對鹽穴儲氣庫造腔效率進行評價，從而優(yōu)選最佳造腔方案，指導現(xiàn)場施工。

經(jīng)濟評價； 權重； 層次分析法； 造腔效率

根據(jù)國家統(tǒng)計局報告，2015年我國油氣消費總量達5.43×108t。按照國際能源局設定的安全標準，石油戰(zhàn)略儲備應達到1.27×108t，而我國實際能源儲備僅0.24×108t。分析發(fā)現(xiàn)，制約我國儲氣庫建設的主要問題在于造腔效率。因此，鹽穴儲氣庫建腔效率研究成為了我國儲氣庫建設的重點。此外，對鹽穴儲氣庫造腔效率評價便于篩選高效的造腔方案，確定適合的造腔方法。

造腔效率評價的關鍵是建立合適的評價指標。目前，對于造腔的效率問題，國外研究仍局限于定性分析。國內(nèi)鹽穴儲氣庫研究主要是從設計方案出發(fā)，所建立的評價指標尚未涉及到經(jīng)濟性評價，即造腔效率問題。

1 層次分析法原理分析

美國運籌學家薩蒂于12世 紀70年代提出了層次分析法(簡稱AHP法)，其原理是將決策有關的因素分解成目標方案等多個層次，在此基礎上，進行定性與定量的決策。運用層次分析法評價鹽穴儲氣庫造腔效率主要是運用層次分析法計算各指標自身權重以及各方案的權重、各方案的綜合關聯(lián)度，達到優(yōu)選造腔方案的目的。

運用層次分析法解決評價問題的流程見圖1。

圖1 運用層次分析法解決評價問題的流程圖

(1) 根據(jù)評價指標、備選方案建立層次結構模型。層次結構模型包括最高層、中間層和最低層。其中，最高層是目的層，即要解決的問題；中間層是實現(xiàn)目的需要考慮的因素；最低層為備選方案。層次數(shù)與問題的復雜程度直接相關，一般來說，每一層的元素不宜超過9個。鹽穴儲氣庫造腔效率評價的目標層即為最優(yōu)方案，中間層是評價指標，最低層為備選方案。

(2) 構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，是進行權重計算的依據(jù)。因此，矩陣構建的準確性直接關

系著評價結果的可靠性。判斷矩陣可以分為：對于總目標，構造判斷層各因素的比較矩陣；對于各考慮因素，構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)比較各評價指標對評價結果的重要性而得到(見表1)。具體方法如下：

設C1，C2，…，Cn分別表示各指標對評價結果的重要性，通過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。對應于判斷矩陣最大特征根λmax所對應的特征向量，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)對于上一層次因素(方案)相對重要性的排序。能否得到層次單排序，取決于能否構造符合實際的判斷矩陣。因此，需要進行一致性檢驗，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。

定義1：一致性指標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CI=0，表示有完整的一致性；當CI接近于0，表示具有滿意的一致性。CI越大不一致性越嚴重。

②定量一致性檢驗。

定義2：引入隨機一致性指標RI。隨機一致性指標可由表2直接查得。

定義3：一致性比率CR：

(3)

一般，當一致性比率CR<0.1時，判斷矩陣A具有滿意的一致性，認為A的不一致性在容許的范圍之內(nèi)；反之，重新構造成對比較矩陣，對aij進行調(diào)整直至判斷矩陣通過一致性檢驗。

表2 隨機一致性指標RI

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

2 算例分析

運用層次分析法對某鹽礦各井造腔的造腔效率進行評價。該鹽礦共3個造腔實施方案，分別命名為A、B、C。每種方案考慮了5個不同的評價指標，分別是造腔成本、造腔體積、造腔時間、鹵水濃度達標率、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氣庫的造腔效率。具體的評價過程如下：

(1)建立層次結構模型。其中，目的層為選擇的最優(yōu)(造腔效率最高)方案，準則層為5個評價指標，方案層即為3個備選方案。

根據(jù)提出的評價指標，分別計算造腔成本、造腔時間、造腔體積等指標數(shù)據(jù)(見表3)，并分析同一指標在不同方案中的大小關系，為構造判斷矩陣做好準備。

表3 A、B、C方案評價指標數(shù)據(jù)

(2) 據(jù)據(jù)各指標對各方案造腔效率的重要性，應用層次分析法建立比較矩陣，以確定各評價指標對各方案的權重。構造的比較矩陣如下：

分別求出各比較矩陣的特征值，如表4所示。

表4 各評價指標比較矩陣的最大特征值

(3) 分別對各比較矩陣進行一致性檢驗，若未通過一致性檢驗，則需要重新構造比較矩陣直到通過一致性檢驗為止。各矩陣一致性比率見表5。

表5 各比較矩陣的一致性比率

當一致性比率CR<0.1時，通過一致性檢驗，解不等式可得：λmax< 3.116，經(jīng)檢驗各比較矩陣(判斷矩陣)均可通過一致性檢驗。

求各評價指標對各方案造腔效率的權重，結果見表6。

表6 各評價指標對各方案的權重

(4) 根據(jù)各評價指標間的重要性，建立比較矩陣A，經(jīng)過一致性檢驗求出各指標的權重。其中，比較矩陣如下所示：

根據(jù)層次分析法得到各指標的權重：

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

(5)根據(jù)各評價指標對方案的權重，運用層次分析法綜合關聯(lián)度公式，計算各方案的綜合關聯(lián)度(見表7)。

表7 各方案的綜合關聯(lián)度

綜合關聯(lián)度排序由大到小的方案依次為方案1、方案3、方案2。3個方案中，綜合考慮造腔時間、造腔成本、造腔體積、鹵水濃度、腔體的穩(wěn)定性等5個因素，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 語

運用層次分析法構建層次結構模型、構造各層次判斷矩陣、進行各判斷矩陣一致性檢驗并確定權重和各方案的綜合關聯(lián)度，評價鹽穴儲氣庫造腔效率。評價結果可以用于優(yōu)選造腔方案，指導現(xiàn)場施工。

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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

中國石油天然氣集團公司重大專項“儲氣庫優(yōu)快鉆完井技術與裝備研究”(2015E-4003)

欒建建(1989 — )，男，陜西延安人，中國石油大學(北京)在讀碩士研究生，研究方向為鹽穴儲氣庫造腔技術。

TE972

A

1673-1980(2017)01-0028-04