馬 晶， 金科君， 梁羽豐， 張浩然， 梁永圖

(1.中國石油大學(xué)(北京) 城市油氣輸配集輸北京市重點實驗室，北京 102249； 2.中海油研究總院，北京 100027)

海上油氣田工程模式綜合評價研究

馬 晶1， 金科君1， 梁羽豐2， 張浩然1， 梁永圖1

(1.中國石油大學(xué)(北京) 城市油氣輸配集輸北京市重點實驗室，北京 102249； 2.中海油研究總院，北京 100027)

海上油氣田的合理開發(fā)決定海上油氣田開采的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性。在參考現(xiàn)有單個指標(biāo)評價研究的基礎(chǔ)之上，通過模糊層次分析法制定評分等級標(biāo)準(zhǔn)，確定評價指標(biāo)權(quán)重，建立以可靠性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性為三個主要指標(biāo)的海上油氣田工程模式綜合評價模型，以定量評價優(yōu)選海上區(qū)塊最佳的工程模式方案，以期有助于經(jīng)濟(jì)合理開發(fā)海上油氣田。結(jié)果表明，該模型評價更加全面、客觀，有效地避免了單一指標(biāo)評價不全面的缺陷，為海上工程模式優(yōu)選提供了一種更加系統(tǒng)的評價方法。

海上油氣田； 工程模式； 綜合評價； 模糊層次分析法

海上油氣田開發(fā)工程模式的選擇取決于其可靠性、經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性，這對項目可行性和后續(xù)設(shè)備選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造會產(chǎn)生重要影響[1-2]?？煽啃允窃u價系統(tǒng)優(yōu)劣的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)學(xué)者先后對海底的油氣集輸管網(wǎng)[3]、超大型FPSO結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度[4]、張力腿平臺的局部節(jié)點強(qiáng)度可靠度[5]和FPSO串靠外輸過程中斷纜風(fēng)險[6]等進(jìn)行可靠性分析。相比于中心點法、一次二階矩法，驗算點法(JC法)具有明顯的優(yōu)勢，李繼祥等[7]將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)可靠度計算，李斌等[8]應(yīng)用JC法評價了腐蝕管道剩余強(qiáng)度的可靠性。經(jīng)濟(jì)性是考察海上油氣田工程模式綜合評價的重要指標(biāo)之一。黨學(xué)博等[1]制定出可行的工程模式后對投資進(jìn)行分析，得到優(yōu)選的投資模型。宋濤[9]提出用專業(yè)軟件QUE$TOR對地面工程進(jìn)行投資估算。謝彬等[10]提出FLNG/FLPG的工程模式，以南海某深水氣田作為目標(biāo)氣田分析、比較，得到經(jīng)濟(jì)性較好的工程模式，適用于離岸較遠(yuǎn)的深海氣田開發(fā)。適應(yīng)性是評價海上油氣田工程模式能否適應(yīng)當(dāng)?shù)睾Ｓ蚬こ棠Ｊ教攸c。劉真[11]針對勝利海上油田，從油田的類型和開發(fā)模式論證了其工程模式的適應(yīng)性。劉杰鳴等[12]提出適應(yīng)我國南海深水環(huán)境的工程模式，討論了海底管線方式輸送對南海的適應(yīng)性。

為滿足設(shè)計者在實際設(shè)計過程中能夠較全面定量評價和比選不同工程模式方案的需求，本文建立以可靠性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性為三個主要指標(biāo)的海上油氣田工程模式綜合評價模型，用于評價和選擇最佳的工程模式方案。

1 綜合評價模型

1.1 模型建立

采用模糊層次分析法建立海上油氣田工程模式綜合評價模型。模糊層次分析法[13]是對SAATY提出定性、定量相結(jié)合的層次分析法的改進(jìn)，解決了層次分析法中存在的諸如一致性檢驗困難和缺乏科學(xué)性等問題。在采用模糊層次分析法時應(yīng)用模糊一致矩陣，無需對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗，解決了標(biāo)度繁瑣的問題。

在總結(jié)文獻(xiàn)[2]的基礎(chǔ)上，按照層次分析法的結(jié)構(gòu)，建立了海上油氣田工程模式綜合評價模型，如圖1所示。A為目標(biāo)層，B1、B2、B3所處層級屬于準(zhǔn)則層，B11、B21—B25、B31—B35屬于子準(zhǔn)則層。

圖1 海上油氣田工程模式綜合評價模型

本海上油氣田工程模式綜合評價模型綜合了可靠性、經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性，采用相關(guān)方法進(jìn)行綜合評價。指標(biāo)的計算包含指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化和指標(biāo)賦權(quán)重。指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化是為了消除不同指標(biāo)間量綱的差異，將不同量綱的指標(biāo)，通過適當(dāng)?shù)淖儞Q，化為無量綱的標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)。指標(biāo)賦權(quán)重是否科學(xué)決定了整個評價模型的準(zhǔn)確性。指標(biāo)的權(quán)重賦值可以參考指標(biāo)說明部分內(nèi)容，結(jié)合實際情況給出評分。

根據(jù)圖1的層次結(jié)構(gòu)，對各指標(biāo)進(jìn)行定性分析，比較各指標(biāo)兩兩之間的相對重要性，構(gòu)造出模型中層次A的模糊一致矩陣(見表1)。

表1 層次A的模糊一致矩陣

由表1可知，準(zhǔn)則層各指標(biāo)之間的相對權(quán)重分別是0.333、0.400、0.267。采用相似的方法計算各自準(zhǔn)則層指標(biāo)之間的相對權(quán)重，因為準(zhǔn)則B1只有一個子準(zhǔn)則層，所以指標(biāo)權(quán)重ω1=1。準(zhǔn)則B2、B3的計算結(jié)果如表2、表3所示。

表2 準(zhǔn)則B2的模糊一致矩陣及其求解結(jié)果

表3 準(zhǔn)則B3的模糊一致矩陣及其求解結(jié)果

1.2 指標(biāo)說明

1.2.1 可靠性指標(biāo) 采用JC法計算各種平臺和井口設(shè)施失效模式下的可靠性指標(biāo)，該方法也是國際結(jié)構(gòu)安全度委員會(JCSS)及《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[14]推薦的可靠度計算方法。

JC法的解題思路是對非正態(tài)基本隨機(jī)變量作當(dāng)量正態(tài)化處理，將其轉(zhuǎn)換為等效正態(tài)隨機(jī)變量。用結(jié)構(gòu)在設(shè)計驗算點處的切平面代替極限狀態(tài)曲面，可靠性指標(biāo)β表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)空間內(nèi)坐標(biāo)原點到切平面的最短距離[15]。

設(shè)Xi(i=1，2，…，n)表示影響結(jié)構(gòu)某一功能的基本變量，則結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程為：

Z=g(X1，X2，…，Xn)=0

(1)

以Xi表示已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)化后的隨機(jī)變量值，則JC法求解結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)：

(2)

以JC法為可靠性分析方法，運用Matlab編程，計算得到了各種平臺和井口設(shè)施的總體失效概率和可靠性指標(biāo)。

1.2.2 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 海上油氣田開發(fā)投入經(jīng)費很高，經(jīng)濟(jì)性是工程模式選擇最重要的決定因素。本文選取的海上工程模式經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)有初次建設(shè)費用、維修費用、故障維修費用、輔助生產(chǎn)費用和經(jīng)營收入。在評分時可參考本文給出的指標(biāo)描述，根據(jù)實際情況，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性打分。

經(jīng)濟(jì)性差異主要體現(xiàn)在不同類型井口設(shè)施、開發(fā)平臺設(shè)施的初次建設(shè)費用。同時，在后期開發(fā)運行過程中，設(shè)備處于不斷變化的復(fù)雜海洋環(huán)境中，需要不斷更新和維護(hù)，所產(chǎn)生的維護(hù)費用不容輕視。所選設(shè)施不同，在發(fā)生故障時所產(chǎn)生的維修費用也很懸殊，比如水下井口在發(fā)生故障時需要專用設(shè)備潛入水下修理，費用很高[16]，相對來說井口平臺在維修時費用小很多。為了維持海上主要工藝設(shè)施的正常運行和工作人員的正常生活，需要一系列輔助生產(chǎn)設(shè)施，比如發(fā)電機(jī)、海水淡化裝置等，這些會帶來輔助生產(chǎn)費用。

在評價經(jīng)濟(jì)性時考慮費用的同時，也應(yīng)考慮所選工程模式帶來的預(yù)期經(jīng)營收入。在本評價模型中，把所選工程模式的產(chǎn)能大小等效為經(jīng)營收入多少。

1.2.3 適應(yīng)性指標(biāo) 海上油氣田工程模式選擇與油氣田所在海域有密切聯(lián)系，適應(yīng)性是影響工程模式選擇的重要指標(biāo)。本文評價選取指標(biāo)為地方法規(guī)、儲油及外輸方式、技術(shù)管理水平及偏好、建造和安裝能力及銷售方式。

工程模式的選擇要符合各海域當(dāng)?shù)卣南嚓P(guān)法規(guī)要求[17]。目前各個國家對環(huán)境保護(hù)、人員安全等提出了越來越嚴(yán)格的要求，有些國家明確規(guī)定了海洋工程設(shè)施國產(chǎn)化所占的比例，也有國家直接限定某種工程設(shè)施[18]，因此在適應(yīng)性評分時要特別考慮地方法規(guī)的要求。能否實現(xiàn)儲油及外輸功能是選擇工程模式的一個重要因素。具有儲油功能意味著不必鋪設(shè)昂貴的海底管道，因而能節(jié)約投資成本。外輸方式的選擇決定是“全海式”還是“半海半陸式”工程模式，從而影響工程設(shè)施的選擇?，F(xiàn)有的技術(shù)管理水平及偏好會影響工程模式的選擇。不同的石油公司對于相同的區(qū)塊會做出不同的選擇，究其原因就是對某種工程設(shè)施的技術(shù)和管理的掌控程度不同。不同海域周邊地區(qū)對于不同設(shè)施的建造和安裝能力差異顯著，比如大型導(dǎo)管架平臺最好在本地區(qū)建造，避免長距離拖航風(fēng)險；在選用SPAR式平臺要注意其船體的建造具有一定的區(qū)域性和壟斷性。不同于原油國際有統(tǒng)一的標(biāo)價，天然氣的價格區(qū)域性差異較大。有時為了尋求較高利益，可能會“舍近求遠(yuǎn)”，通過海上船運至其他地區(qū)，而不是選擇通過管道直接輸送到岸上，這時就選擇全海式工程模式更佳。

2 算 例

模糊層次分析法可以定量描述每個指標(biāo)的重要程度，但是不能定量描述具體工程模式方案的優(yōu)劣[2, 19]，因此需要用模糊綜合評價方法對海上工程模式進(jìn)行綜合評價。將此兩種方法相結(jié)合使用可同時確定指標(biāo)的權(quán)重和具體工程模式方案的評分。

本文選取文獻(xiàn)[1]中的算例，采用相同的海況條件，運用本模型對選擇的工程模式重新進(jìn)行評估。該海上油田位于西非海上，環(huán)境條件較好，不存在極端惡劣海況，但是附近沒有任何基礎(chǔ)設(shè)施，油田特征和開發(fā)參數(shù)見表4。通過基礎(chǔ)設(shè)施狀況分析可知，附近沒有可借用的設(shè)施，全部需要作業(yè)者新建。由表4可知，油田水深200m，可以采用固定式平臺，也可以用FPSO；油田離岸距離50km，可以采用半海半陸式，也可以采用全海式。

表4 油田特征和開發(fā)參數(shù)

利用QUE$TOR石油工程費用估算軟件計算出5種工程模式對應(yīng)的海洋工程投資，結(jié)果見表5。

表5 工程模式與造價對照

2.1 單層次指標(biāo)計算

(1)可靠性方面。采用可靠性計算方法計算每種工程模式的可靠性評分，結(jié)果見表6。

表6 工程模式與整體可靠度對照

將數(shù)據(jù)歸一化，得到R1關(guān)系矩陣為{0.170,0.201,0.183,0.219,0.228}。B1=ω1R1={1}{0.170,0.201,0.183,0.219,0.228}={0.170,0.201,0.183,0.219,0.228}。其中，“”是模糊合成運算符號。

可靠性越高，評分也越高。從B1結(jié)果可知，工程模式5評分最高，為0.228。從表5可知，工程模式5整體可靠性評分最高。

(2)經(jīng)濟(jì)性方面。經(jīng)過分析和計算，得到R2的關(guān)系矩陣為：

B2=ω2R2={0.215,0.210,0.209,0.199,0.166}。

投資費用越少，經(jīng)濟(jì)性越好，相應(yīng)的評分也越高。從B2結(jié)果可知，工程模式1經(jīng)濟(jì)性最好。該結(jié)果與文獻(xiàn)[1]中結(jié)果相同，且優(yōu)先順序也一致，說明單從經(jīng)濟(jì)性評價方面來看，本模型有效。

(3)適應(yīng)性方面。采用同樣的方法，經(jīng)過分析和計算，得到R3的關(guān)系矩陣為：

B3=ω3R3={0.208,0.179,0.205,0.208,0.201}。

從B3結(jié)果可知，工程方案1和4適應(yīng)性分值均為0.208，說明這兩種工程方案在該地區(qū)適應(yīng)性最好。分析具體的工程模式，發(fā)現(xiàn)這兩種方案均為“水下井口+FPSO”，區(qū)別在于FPSO是新建還是舊油輪改造，兩種方案的適應(yīng)性評分應(yīng)該相等，這與模型判斷一致。

2.2 多層次綜合評價

(1)最佳工程模式A與子指標(biāo)層的模糊矩陣為R={R1,R2,R3}。

(2)最佳工程模式A的權(quán)重為ω={0.333,0.400,0.267}。同理，按照公式A=ωR可計算出最佳工程模式的綜合評價評分。

A= {0.333,0.400,0.267}

={0.198,0.199,0.199,0.208,0.196}

結(jié)果表明，工程模式4“水下井口+FPSO(新建)”評分最高，通過綜合考慮各項指標(biāo)，認(rèn)為該地區(qū)選擇該種工程模式最優(yōu)。

將文獻(xiàn)[1]結(jié)果與本模型結(jié)果匯總，如圖2所示。為了便于比較，表5費用做倒數(shù)處理，成柱狀條越高，方案越優(yōu)。

圖2 文獻(xiàn)[1]結(jié)果與本模型結(jié)果匯總對比

由圖2可知，文獻(xiàn)[1]僅從經(jīng)濟(jì)性考慮，推薦方案1“水下井口+FPSO(改造)”，沒有考慮到工程可靠性和地區(qū)適應(yīng)性，欠妥；本文從可靠性、經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性三個方面綜合評價，推薦方案4“水下井口+FPSO(新建)”。因為方案4僅比方案1造價高13.57%，但方案4更可靠，更適合復(fù)雜多變的海洋環(huán)境，所以本文推薦方案4是合理的，同時也驗證了本文模型的有效性。

3 結(jié) 論

運用模糊層次分析法，建立海上工程模式綜合評價模型，綜合考慮了工程模式的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性，并將模型運用到實際算例中，經(jīng)過計算得出了該地區(qū)最優(yōu)的工程模式。針對不同的海上油氣田進(jìn)行評價時，可以根據(jù)油氣田的特點或工程設(shè)計的不同需要，更改相應(yīng)指標(biāo)的相對權(quán)重，來達(dá)到突出或者減弱某個指標(biāo)的目的，以此提高模型的適應(yīng)性。

海上油氣田工程模式綜合評價模型具有定量評判工程模式優(yōu)劣的功能，相對于單一指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)，考慮更加全面，評價更加客觀，有效地避免了單一指標(biāo)評價不全面的缺陷，為海上工程模式優(yōu)選提供了一種更加全面、系統(tǒng)的評價方法。

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Study on Comprehensive Evaluation for Engineering Mode of Offshore Oil and Gas Fields

Ma Jing1, Jin Kejun1, Liang Yufeng2, Zhang Haoran1, Liang Yongtu1

(1.BeijingKeyLaboratoryofUrbanoilandGasDistributionTechnology,ChinaUniversityofPetroleum-Beijing,Beijing102249，China; 2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100027，China)

The reliability, economy and adaptability of offshore oil and gas field development offshore are determined by the rational offshore development. Based on the evaluation model of single index, the weight of each index and rating grades are established by the fuzzy analytic hierarchy process. Then, the comprehensive evaluation model that considers reliability, adaptability and economy of offshore oil and gas fields is proposed, in order to evaluate and optimize the engineering model of offshore fields, which is essential to develop offshore field economically and reasonably. The results shows that the model is more comprehensive objective and effective, which could avoid the defects of single index evaluation and provide a more systematic evaluation method for the optimization of offshore engineering modle.

Offshore oil and gas field; Engineering mode; Comprehensive evaluation; Fuzzy analytic hierarchy process

1672-6952(2017)05-0044-05

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-12-28

2017-03-09

馬晶(1991-)，男，碩士研究生，從事油氣長距離管輸和海上油氣田集輸方面的研究；E-mail：cupmajing@163.com。

梁永圖(1971-)，男，博士，教授，從事油氣長距離管輸和油氣田集輸方面的研究；E-mail：liangyt21st@163.com。

TE832

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.05.009

(編輯 宋官龍)