基于层次分析法的抽油机井全生命周期效益评价*

梁毅 甘庆明 赵春 樊松 石海霞 雷宇

（1.中国石油长庆油田分公司；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室）

长庆油田采用有杆泵采油，截至2017年12月，油井总数5.3万口。近几年，机采设备（机、杆、管、泵）初期投资约10.0亿元，机采系统耗电量约占全油田耗电量的60.0%，年均维护修井费用逾20亿元，机采设备的高故障率和高能耗致使油井成本居高不下。

油井全生命周期是指油井从设备购置、生产运行、维护作业、设备报废的全过程（图1），整个生命周期成本是各阶段所发生费用的总和。油井全生命周期成本是从油井长期经济效益出发，在整个生命周期既要符合技术适应性，又要满足成本最佳要求。构成抽油机井全生命周期成本的因素相互影响和耦合，如何确定影响油井整个生产过程成本的关键因素，其核心就是建立评价油井全生命周期成本的指标体系。而层次分析法是一种多准则决策方法[1]，该方法首先把问题层次化，按总目标分解成不同层次，构成一个多层次的分析结构模型，并逐层比较多种有关的因素，为解决问题提供一个定量化的方法。但目前主要是应用层次分析法对不同机械采油方式进行优选[2]，未开展抽油机井全生命周期的综合效益评价[3]，并且抽油机井全生命周期成本符合层次分析法的构建要素。因此，在当前低油价下，为了进一步降低油田开发成本，确定影响抽油机井全生命周期成本的关键因素显得尤为重要。

图1 抽油机井举升设备全生命周期示意图

1 抽油机井全生命周期成本评价指标建立

1.1 指标体系的构建原则

为了建立全面的抽油机井全生命周期成本评价指标体系，应遵守以下原则[4]：

1）全面性。在保证评价目标可实现的条件下，所选择的指标能涵盖全生命周期的各个阶段。

2）技术适应性与成本指标相结合。

3）重要性与可操作性。所定的指标应具有可量化和可采集的特点，且选取的指标是构成油井全生命周期成本的主要因素。

4）定量与定性相结合。

1.2 全生命周期成本评价指标的选取

抽油机井全生命周期成本由设备购置、运行费、油井故障维修费及设备折旧费组成[5]。

1）初期购置费：为了获得设备而一次性投入的资金，费用构成包括抽油机、抽油泵、抽油杆、油管等设备，设备材质、外径、结构与成本均相关。

2）生产运行费：是指抽油机在正常使用过程中发生的能耗费，费用构成包括抽油机型号、日产液、泵挂、抽油杆材质等。

3）维护作业费：是指油井出现故障时实施修井作业产生的费用，作业频次高低直接影响其经济效益，费用构成包括抽油设备的材质、管理水平、修井作业水平等。

4）年折旧折耗费：是指消耗设备原值的5%费用，计算公式为（资产原值-预计净残值）/折旧年限。

抽油机井全生命周期成本=初期购置费+生产运行费+维护作业费-年折旧折耗费

1）初期购置费：设备原值来源于中石油招标数据库、厂家及油田，其中货币贬值率取3%，其计算公式为

2）生产运行费：根据中石油股份公司采油数据报表、游梁式抽油机调研数据、研究得到游梁式抽油机日产液与系统效率关系曲线、百米吨液耗电，以及新装备相对于游梁式抽油机的节电率，其计算公式为

3）维护作业费：长庆油田井筒状况复杂，结蜡严重，维修作业高；因此，该阶段考虑的影响成本的主要因素是检泵作业费和清蜡费，其计算公式为

4）年折旧折耗费：设备残值取5%，其计算公式为

2 层次分析法基本原理

2.1 建立递阶层次结构模型

按照因素的不同属性自上向下将实际的决策问题分解为若干层次[6]，同一层次的元素受相邻两层元素的支配和影响，层次结构模型自上而下可以分为目标层、准则层和方案层（图2）。

图2 层次结构模型

2.2 确定判断矩阵

为使判断定量化，判断矩阵的元素根据国际通用的层次分析法标度表取值（表1）。对不同情况的评比给出数量标度，用数字1～9及其倒数构成。

表1 层次分析法标度

2.3 层次单排序及一致性检验

层次单排序是，根据判断矩阵计算出某层次因素相对上层次中某一因素的相对重要性权值，从而计算得到下一层次因素相对上一层次因素的多组权值，需求解矩阵最大特征值，最常用的方法是和积法。首先将判断矩阵的每一列元素作归一化处理，即

将每列归一化后判断矩阵按行相加：

进行归一化处理：

Wi=（W1，W2，…，Wn）T为所求的特征向量的近似解，计算判断矩阵最大特征值，即

为使判断矩阵保持一致性，要进行一致性检验。根据CI和随机一致性比率CR并结合表2计算：

式中：CI——一致性指标；

RI——随即一致性指标；

CR——随即一致性比率；

λmax——最大特征值。

表2 随即一致性比率取值

当CR＜0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的，否则应对判断矩阵做适当修正。

2.4 层次总排序

层次总排序是指确定某层所有因素对于总目标相对重要的排序权值过程，这一过程是从最高层到最底层依次进行的。

3 确定影响抽油机井生产全过程综合效益的关键因素

根据抽油机井全生命周期成本构成分析，进行成本构成的分解，应用层次分析法建立评价指标体系。构成全生命周期成本的因素是相互交叉、耦合的。比如：油井设备的材质既是初期购置成本构成，又是后期维护作业费的影响因素；抽油机型号既是初期购置成本构成，又是后期运行费用构成。

3.1 建立抽油机井生产全过程层次模型

本文的目的是确定影响抽油机井全生命周期的关键因素，因此其目的层是降低抽油机井全生命周期成本，对其进行分解，建立层次模型（图3）。

3.2 建立判断矩阵并进行一致性检验

按照上面建立的递阶层次模型，考虑油井全生命周期为30年所产生的费用，判断矩阵结合公式（1）到公式（5）确定两因素之间的重要程度。根据表2取值，构建表3至表7的判断矩阵，然后根据公式（6）至公式（11），求取每个矩阵的最大特征值并进行一致性检验。比如，机采设备初期投资较折旧折耗费重要，但考虑油井全生命周期，较生产运行费和维护作业费影响程度低，设备的材质与初期投资和维护作业费均相关。在初期投资时，防腐材质的成本更高，但后期维护作业费更低，设备材质在降低维护作业费中较其他因素更重要。

图3 降低抽油机井全生命周期成本层次结构模型

表3 A-Bi判断矩阵

求 得 特 征 向 量 W=（0.122， 0.307， 0.505，0.066）T，最大特征值λmax=4.15，得到一致性指标CR=0.057＜0.1，故该矩阵一致性是可以接受的。

表4 B1-Ci判断矩阵

求 得 特 征 向 量 W=（0.364， 0.02， 0.038，0.03，0.052，0.123，0.103，0.269）T，最大特征值 λmax=8.862，得到一致性指标CR=0.087＜0.1，故该矩阵的一致性是可以接受的。

表5 B2-Ci判断矩阵

求 得 特 征 向 量 W=（0.493， 0.184， 0.064，0.036，0.09，0.028，0.127）T，最大特征值 λmax=7.58，得到一致性指标CR=0.073＜0.1，故该矩阵的一致性是可以接受的。

求 得 特 征 向 量 W=（0.025， 0.019， 0.014，0.204.0.204.0.204， 0.147， 0.09， 0.041， 0.051）T，最大特征值 λmax=11.031，得到一致性指标CR=0.076＜0.1，故该矩阵的一致性是可以接受的。

表7 B4-Ci判断矩阵

求得特征向量W=（0.681，0.201，0.119）T，最大特征值 λmax=3.025，得到一致性指标CR=0.021＜0.1，故该矩阵的一致性是可以接受的。

3.3 层次总排序

根据上一步指标权重的计算结果，将方案层因素的指标权重与准则层各个因素的指标权重相乘再求和，得到各个因素的综合指标权重，确定了降低抽油机井全生命周期成本的关键因素是抽油机型号、设备材质以及泵结构（表8）。

4 现场试验

根据前面的层次分析法研究，得出降低抽油机井全生命周期成本的关键因素，因此，进行了抽油设备优化选型和材质优选，降低了抽油机型号，应用了特殊材质，使得“降投资、低能耗、延寿命”效果明显。2011年在长庆油田某区块选取地质因素、井况、生产参数相同的3口井分别开展现场试验（表9）。这3口油井均预测生产周期为30年，分别在不同阶段配套技术，成本构成为抽油泵+抽油杆+抽油机+电费+清蜡费+修井费+设备折旧折耗费，对比分析在整个生产过程中的经济效益。

表6 B3-Ci判断矩阵

表8 层次总排序

表9 试验井不同机采设备配套情况

1）使用普通材质和结构：机采设备整个生产过程为普通的结构和材质，抽油机为6型。

2）从后期配套技术成本：机采设备初期投产为普通的结构和材质，抽油机为6型。第一次修井后，抽油杆配套防腐抽油杆，抽油泵配套防气和防腐抽油泵。

3）从初期配套技术成本：机采设备初期投产使用内涂层油管、防腐抽油杆、防气防腐抽油泵。通过抽油机选型技术研究，配套5型抽油机即可满足生产需求。

从投产开始配套技术的油井，虽然初期投资高，但分别在1.9年和4.3年时投入费用相等，到后期投入最低。主要是因为应用抽油机选型技术、特殊材质、特殊泵结构，减小了抽油机型号，电动机功率随之降低，运行费用降低，作业频率低，维护作业费用低。从整个生产全过程考虑，从投产开始配套技术的油井综合效益最好，与使用普通材质和结构机采设备的油井相比，平均每年节约3.27万元/口。同时，油井实测日耗电量表明，相同生产参数下负载率越高，耗电量越低，单井日耗电量由75.2kWh降低到65.5kWh，降低了9.7kWh。通过理论和实践表明，应该从油井投产开始，对机采设备配套防腐、防磨等特殊材质和特殊结构，以及应用抽油机优选技术，才能实现最大成本的效益。

5 结论

1）考虑油井全生命周期成本，确定了抽油机井全生命周期成本由初期购置费、生产运行费、维护作业费和折旧折耗费构成，并对其进行了进一步分解。

2）应用层次分析法，构建了降低抽油机井全生命周期成本评价层次模型，建立了各层次判断矩阵，得到了影响因素权重系数，得出影响综合效益的关键因素是抽油机型号、设备材质及泵结构。

3）现场试验表明，应用抽油机选型技术、特殊材质、特殊泵结构的油井综合效益最好，平均每年节约3.27万元/口；因此，从源头提高入井管杆泵质量，要优于长期维护性投入。