梁毅 甘慶明 趙春 樊松 石海霞 雷宇

（1.中國石油長慶油田分公司；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室）

長慶油田采用有桿泵采油，截至2017年12月，油井總數(shù)5.3萬口。近幾年，機(jī)采設(shè)備（機(jī)、桿、管、泵）初期投資約10.0億元，機(jī)采系統(tǒng)耗電量約占全油田耗電量的60.0%，年均維護(hù)修井費(fèi)用逾20億元，機(jī)采設(shè)備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從設(shè)備購置、生產(chǎn)運(yùn)行、維護(hù)作業(yè)、設(shè)備報(bào)廢的全過程（圖1），整個(gè)生命周期成本是各階段所發(fā)生費(fèi)用的總和。油井全生命周期成本是從油井長期經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，在整個(gè)生命周期既要符合技術(shù)適應(yīng)性，又要滿足成本最佳要求。構(gòu)成抽油機(jī)井全生命周期成本的因素相互影響和耦合，如何確定影響油井整個(gè)生產(chǎn)過程成本的關(guān)鍵因素，其核心就是建立評價(jià)油井全生命周期成本的指標(biāo)體系。而層次分析法是一種多準(zhǔn)則決策方法[1]，該方法首先把問題層次化，按總目標(biāo)分解成不同層次，構(gòu)成一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型，并逐層比較多種有關(guān)的因素，為解決問題提供一個(gè)定量化的方法。但目前主要是應(yīng)用層次分析法對不同機(jī)械采油方式進(jìn)行優(yōu)選[2]，未開展抽油機(jī)井全生命周期的綜合效益評價(jià)[3]，并且抽油機(jī)井全生命周期成本符合層次分析法的構(gòu)建要素。因此，在當(dāng)前低油價(jià)下，為了進(jìn)一步降低油田開發(fā)成本，確定影響抽油機(jī)井全生命周期成本的關(guān)鍵因素顯得尤為重要。

圖1 抽油機(jī)井舉升設(shè)備全生命周期示意圖

1 抽油機(jī)井全生命周期成本評價(jià)指標(biāo)建立

1.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建原則

為了建立全面的抽油機(jī)井全生命周期成本評價(jià)指標(biāo)體系，應(yīng)遵守以下原則[4]：

1）全面性。在保證評價(jià)目標(biāo)可實(shí)現(xiàn)的條件下，所選擇的指標(biāo)能涵蓋全生命周期的各個(gè)階段。

2）技術(shù)適應(yīng)性與成本指標(biāo)相結(jié)合。

3）重要性與可操作性。所定的指標(biāo)應(yīng)具有可量化和可采集的特點(diǎn)，且選取的指標(biāo)是構(gòu)成油井全生命周期成本的主要因素。

4）定量與定性相結(jié)合。

1.2 全生命周期成本評價(jià)指標(biāo)的選取

抽油機(jī)井全生命周期成本由設(shè)備購置、運(yùn)行費(fèi)、油井故障維修費(fèi)及設(shè)備折舊費(fèi)組成[5]。

1）初期購置費(fèi)：為了獲得設(shè)備而一次性投入的資金，費(fèi)用構(gòu)成包括抽油機(jī)、抽油泵、抽油桿、油管等設(shè)備，設(shè)備材質(zhì)、外徑、結(jié)構(gòu)與成本均相關(guān)。

2）生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)：是指抽油機(jī)在正常使用過程中發(fā)生的能耗費(fèi)，費(fèi)用構(gòu)成包括抽油機(jī)型號、日產(chǎn)液、泵掛、抽油桿材質(zhì)等。

3）維護(hù)作業(yè)費(fèi)：是指油井出現(xiàn)故障時(shí)實(shí)施修井作業(yè)產(chǎn)生的費(fèi)用，作業(yè)頻次高低直接影響其經(jīng)濟(jì)效益，費(fèi)用構(gòu)成包括抽油設(shè)備的材質(zhì)、管理水平、修井作業(yè)水平等。

4）年折舊折耗費(fèi)：是指消耗設(shè)備原值的5%費(fèi)用，計(jì)算公式為（資產(chǎn)原值-預(yù)計(jì)凈殘值）/折舊年限。

抽油機(jī)井全生命周期成本=初期購置費(fèi)+生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)+維護(hù)作業(yè)費(fèi)-年折舊折耗費(fèi)

1）初期購置費(fèi)：設(shè)備原值來源于中石油招標(biāo)數(shù)據(jù)庫、廠家及油田，其中貨幣貶值率取3%，其計(jì)算公式為

2）生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)：根據(jù)中石油股份公司采油數(shù)據(jù)報(bào)表、游梁式抽油機(jī)調(diào)研數(shù)據(jù)、研究得到游梁式抽油機(jī)日產(chǎn)液與系統(tǒng)效率關(guān)系曲線、百米噸液耗電，以及新裝備相對于游梁式抽油機(jī)的節(jié)電率，其計(jì)算公式為

3）維護(hù)作業(yè)費(fèi)：長慶油田井筒狀況復(fù)雜，結(jié)蠟嚴(yán)重，維修作業(yè)高；因此，該階段考慮的影響成本的主要因素是檢泵作業(yè)費(fèi)和清蠟費(fèi)，其計(jì)算公式為

4）年折舊折耗費(fèi)：設(shè)備殘值取5%，其計(jì)算公式為

2 層次分析法基本原理

2.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

按照因素的不同屬性自上向下將實(shí)際的決策問題分解為若干層次[6]，同一層次的元素受相鄰兩層元素的支配和影響，層次結(jié)構(gòu)模型自上而下可以分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層（圖2）。

圖2 層次結(jié)構(gòu)模型

2.2 確定判斷矩陣

為使判斷定量化，判斷矩陣的元素根據(jù)國際通用的層次分析法標(biāo)度表取值（表1）。對不同情況的評比給出數(shù)量標(biāo)度，用數(shù)字1～9及其倒數(shù)構(gòu)成。

表1 層次分析法標(biāo)度

2.3 層次單排序及一致性檢驗(yàn)

層次單排序是，根據(jù)判斷矩陣計(jì)算出某層次因素相對上層次中某一因素的相對重要性權(quán)值，從而計(jì)算得到下一層次因素相對上一層次因素的多組權(quán)值，需求解矩陣最大特征值，最常用的方法是和積法。首先將判斷矩陣的每一列元素作歸一化處理，即

將每列歸一化后判斷矩陣按行相加：

進(jìn)行歸一化處理：

Wi=（W1，W2，…，Wn）T為所求的特征向量的近似解，計(jì)算判斷矩陣最大特征值，即

為使判斷矩陣保持一致性，要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。根據(jù)CI和隨機(jī)一致性比率CR并結(jié)合表2計(jì)算：

式中：CI——一致性指標(biāo)；

RI——隨即一致性指標(biāo)；

CR——隨即一致性比率；

λmax——最大特征值。

表2 隨即一致性比率取值

當(dāng)CR＜0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應(yīng)對判斷矩陣做適當(dāng)修正。

2.4 層次總排序

層次總排序是指確定某層所有因素對于總目標(biāo)相對重要的排序權(quán)值過程，這一過程是從最高層到最底層依次進(jìn)行的。

3 確定影響抽油機(jī)井生產(chǎn)全過程綜合效益的關(guān)鍵因素

根據(jù)抽油機(jī)井全生命周期成本構(gòu)成分析，進(jìn)行成本構(gòu)成的分解，應(yīng)用層次分析法建立評價(jià)指標(biāo)體系。構(gòu)成全生命周期成本的因素是相互交叉、耦合的。比如：油井設(shè)備的材質(zhì)既是初期購置成本構(gòu)成，又是后期維護(hù)作業(yè)費(fèi)的影響因素；抽油機(jī)型號既是初期購置成本構(gòu)成，又是后期運(yùn)行費(fèi)用構(gòu)成。

3.1 建立抽油機(jī)井生產(chǎn)全過程層次模型

本文的目的是確定影響抽油機(jī)井全生命周期的關(guān)鍵因素，因此其目的層是降低抽油機(jī)井全生命周期成本，對其進(jìn)行分解，建立層次模型（圖3）。

3.2 建立判斷矩陣并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

按照上面建立的遞階層次模型，考慮油井全生命周期為30年所產(chǎn)生的費(fèi)用，判斷矩陣結(jié)合公式（1）到公式（5）確定兩因素之間的重要程度。根據(jù)表2取值，構(gòu)建表3至表7的判斷矩陣，然后根據(jù)公式（6）至公式（11），求取每個(gè)矩陣的最大特征值并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。比如，機(jī)采設(shè)備初期投資較折舊折耗費(fèi)重要，但考慮油井全生命周期，較生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)和維護(hù)作業(yè)費(fèi)影響程度低，設(shè)備的材質(zhì)與初期投資和維護(hù)作業(yè)費(fèi)均相關(guān)。在初期投資時(shí)，防腐材質(zhì)的成本更高，但后期維護(hù)作業(yè)費(fèi)更低，設(shè)備材質(zhì)在降低維護(hù)作業(yè)費(fèi)中較其他因素更重要。

圖3 降低抽油機(jī)井全生命周期成本層次結(jié)構(gòu)模型

表3 A-Bi判斷矩陣

求 得 特 征 向 量 W=（0.122， 0.307， 0.505，0.066）T，最大特征值λmax=4.15，得到一致性指標(biāo)CR=0.057＜0.1，故該矩陣一致性是可以接受的。

表4 B1-Ci判斷矩陣

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，得到一致性指標(biāo)CR=0.087＜0.1，故該矩陣的一致性是可以接受的。

表5 B2-Ci判斷矩陣

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，得到一致性指標(biāo)CR=0.073＜0.1，故該矩陣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，得到一致性指標(biāo)CR=0.076＜0.1，故該矩陣的一致性是可以接受的。

表7 B4-Ci判斷矩陣

求得特征向量W=（0.681，0.201，0.119）T，最大特征值 λmax=3.025，得到一致性指標(biāo)CR=0.021＜0.1，故該矩陣的一致性是可以接受的。

3.3 層次總排序

根據(jù)上一步指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算結(jié)果，將方案層因素的指標(biāo)權(quán)重與準(zhǔn)則層各個(gè)因素的指標(biāo)權(quán)重相乘再求和，得到各個(gè)因素的綜合指標(biāo)權(quán)重，確定了降低抽油機(jī)井全生命周期成本的關(guān)鍵因素是抽油機(jī)型號、設(shè)備材質(zhì)以及泵結(jié)構(gòu)（表8）。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

根據(jù)前面的層次分析法研究，得出降低抽油機(jī)井全生命周期成本的關(guān)鍵因素，因此，進(jìn)行了抽油設(shè)備優(yōu)化選型和材質(zhì)優(yōu)選，降低了抽油機(jī)型號，應(yīng)用了特殊材質(zhì)，使得“降投資、低能耗、延壽命”效果明顯。2011年在長慶油田某區(qū)塊選取地質(zhì)因素、井況、生產(chǎn)參數(shù)相同的3口井分別開展現(xiàn)場試驗(yàn)（表9）。這3口油井均預(yù)測生產(chǎn)周期為30年，分別在不同階段配套技術(shù)，成本構(gòu)成為抽油泵+抽油桿+抽油機(jī)+電費(fèi)+清蠟費(fèi)+修井費(fèi)+設(shè)備折舊折耗費(fèi)，對比分析在整個(gè)生產(chǎn)過程中的經(jīng)濟(jì)效益。

表6 B3-Ci判斷矩陣

表8 層次總排序

表9 試驗(yàn)井不同機(jī)采設(shè)備配套情況

1）使用普通材質(zhì)和結(jié)構(gòu)：機(jī)采設(shè)備整個(gè)生產(chǎn)過程為普通的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，抽油機(jī)為6型。

2）從后期配套技術(shù)成本：機(jī)采設(shè)備初期投產(chǎn)為普通的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，抽油機(jī)為6型。第一次修井后，抽油桿配套防腐抽油桿，抽油泵配套防氣和防腐抽油泵。

3）從初期配套技術(shù)成本：機(jī)采設(shè)備初期投產(chǎn)使用內(nèi)涂層油管、防腐抽油桿、防氣防腐抽油泵。通過抽油機(jī)選型技術(shù)研究，配套5型抽油機(jī)即可滿足生產(chǎn)需求。

從投產(chǎn)開始配套技術(shù)的油井，雖然初期投資高，但分別在1.9年和4.3年時(shí)投入費(fèi)用相等，到后期投入最低。主要是因?yàn)閼?yīng)用抽油機(jī)選型技術(shù)、特殊材質(zhì)、特殊泵結(jié)構(gòu)，減小了抽油機(jī)型號，電動(dòng)機(jī)功率隨之降低，運(yùn)行費(fèi)用降低，作業(yè)頻率低，維護(hù)作業(yè)費(fèi)用低。從整個(gè)生產(chǎn)全過程考慮，從投產(chǎn)開始配套技術(shù)的油井綜合效益最好，與使用普通材質(zhì)和結(jié)構(gòu)機(jī)采設(shè)備的油井相比，平均每年節(jié)約3.27萬元/口。同時(shí)，油井實(shí)測日耗電量表明，相同生產(chǎn)參數(shù)下負(fù)載率越高，耗電量越低，單井日耗電量由75.2kWh降低到65.5kWh，降低了9.7kWh。通過理論和實(shí)踐表明，應(yīng)該從油井投產(chǎn)開始，對機(jī)采設(shè)備配套防腐、防磨等特殊材質(zhì)和特殊結(jié)構(gòu)，以及應(yīng)用抽油機(jī)優(yōu)選技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)最大成本的效益。

5 結(jié)論

1）考慮油井全生命周期成本，確定了抽油機(jī)井全生命周期成本由初期購置費(fèi)、生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)、維護(hù)作業(yè)費(fèi)和折舊折耗費(fèi)構(gòu)成，并對其進(jìn)行了進(jìn)一步分解。

2）應(yīng)用層次分析法，構(gòu)建了降低抽油機(jī)井全生命周期成本評價(jià)層次模型，建立了各層次判斷矩陣，得到了影響因素權(quán)重系數(shù)，得出影響綜合效益的關(guān)鍵因素是抽油機(jī)型號、設(shè)備材質(zhì)及泵結(jié)構(gòu)。

3）現(xiàn)場試驗(yàn)表明，應(yīng)用抽油機(jī)選型技術(shù)、特殊材質(zhì)、特殊泵結(jié)構(gòu)的油井綜合效益最好，平均每年節(jié)約3.27萬元/口；因此，從源頭提高入井管桿泵質(zhì)量，要優(yōu)于長期維護(hù)性投入。