基于可拓理论和熵权的钻井 作业风险评价模型研究与应用

颜丽敏

(中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266071)

0 引言

钻井作业是石油勘探、开发的一个重要工序，作业环境恶劣，工作强度大，作业人员专业能力参差不齐，设备设施存在缺陷等一系列因素，易诱使事故：事故类型主要有钻具断落、卡钻、严重井塌、钻头落井和井喷等；因井喷泄漏出的物质成分不同，有可能产生有硫化氢中毒、火灾爆炸等次生事故，造成人员伤亡、财产损失。

风险评价[1-3]的种类繁多，李欢等人采用模糊层次分析方法对页岩气钻井井喷事故进行风险评价；艾志久等运用模糊评判方法进行漏安全评价的研究；刘建华等应用灰色评价方法对院坝企业的井漏风险进行评价研究等，但这些方法都存在一定的局限性，如模糊层次分析方法主观影响较大，且无法明确各评价对象之间的关系；灰色关联评价方法主管因素影响很大。

基于熵权可拓理论[4-10]被引入到钻井作业安全风险评价中，可以通过形式化的模型对事物拓展的可能性进行高效评价，同时可以建立评价对象之间的关联，可以将定量指标和定性指标有机结合起来，是一种客观的的评价方法。

1 钻井作业风险评价指标体系的建立

钻井作业是一项多工种、多专业、多环节配合的野外作业，评价指标体系的恰当构建是风险评价的基础，本文结合现场的安全管理状况、相关技术人员、专家的意见和现有的研究结果，根据系统性、科学性、定量与定性及动态性原则，从人为因素、物的因素、环境因素及管理因素构建钻井作业风险评价指标体系，见表1。

2 基于可拓理论的钻井作业安全预警模型

可拓理论研究的对象是客观世界中的矛盾问题，将基本理论、可拓集理论和可拓逻辑集合结合起来，采用形式化的模型研究事物拓展的可能性和开拓创新的方法和规律，同时也从定性和定量两个角度去研究解决矛盾的方法和规律。本文在建立钻井作业风险评价指标体系的基础上，引入可拓学理论，从而建立风险评价模型。

表1 钻井作业安全预警指标体系

2.1 风险评价指标的经典域和节域的确定

2.1.1风险等级的确定

根据钻井作业相关的安全法律法规、日常现场安全管理积累的数据及专家的经验将每个指标的最终风险类别分为四级——高风险、较高风险、中等风险、低风险，即N为风险等级域，则{RJ,j=1,2,3,…n}。

2.1.2经典域和节域的确定

根据

式中:m——每个一级指标下的二级指标个数；

ui——体系第i个一级指标；

uip(p=1,2,…,m)——ui下第p个二级指标；

Vjp=(ajp,bjp)——指标uip关于Rj的取值范围；

Pj(ui)——ui的经典域。

式中:VNp=(aNp,bNp)——指标uip关于N的取值范围；

PN(ui)——ui的节域。

则对于ui，其待评物元可表示为：

式中:vim——uim关于N的量值，即专家的打分。

2.1.3各指标关联函数的确定

其中：

2.2 运用熵权法计算各指标权重

熵权法是一种客观权重赋权方法，在计算过程中，熵权法根据各指标的变异程度，利用信息熵计算出各指标的熵权，在通过熵权对各指标的权重进行修正，从而得出较为客观的指标权重。

本文根据钻井作业预警各指标的关联函数值kj(uip)构建权重判断矩阵K=kj(uip)(j=1,2,3,…n;p=1,2,…,m)。

则各评价指标权重的过程为：

a)计算第p指标下第j个项目的指标值比重fjp：

b)计算第p个指标的熵值Ei,p：

c)计算第p个指标的熵权ωi,p：

2.3 多级可拓评价

2.3.1一级可拓评价

一级可拓评价的计算方法是评价指标的二级指标的权重乘以二级指标对针对风险等级的关联度矩阵：

2.3.2二级可拓评价

二级可拓评价的计算方法是钻井作业评价指标的一级指标的权重乘以一级指标对针对风险等级的关联度矩阵：

式中：t——钻井作业风险评价一级指标个数。

2.4 风险等级确定

若Kj=max{Kj(N),j=1,2,3,4}，则判断待评对象所属的风险级别为j。

3 算例分析

以某钻井公司一次钻井作业为例，利用可拓理论法对其进行风险评价，根据《钻井安全评价标准》、《钻井作业安全规程》等相关制度以及现场长期从事安全风险评价研究的专家和现场人员的意见，将钻井作业风险等级划分为四个等级：高风险、较高风险、一般风险、低风险，采用百分制，各自的得分区间分别为[0,70)，[70,80)，[80,90)，[90,100]。

3.1 风险评价指标的经典域和节域

以风险因素——人的因素及其风险为例计算其关联度，其他指标的关联度类推。

a)对于影响钻井作业风险人的因素的二级经典域为：

b)对于影响钻井作业风险人的因素的二级节域分别为：

c)根据《钻井安全评价标准》、《钻井作业安全规程》等相关制度，结合现场作业环境，选取专家的对各项指标的打分，确定待评物元的分值，其中对人的因素的二级指标专家的打分如下：

d)关联度计算公式：

ρ(v12,v1)=-4ρ(v12,v2)=4

ρ(v12,v3)=14ρ(v12,v4)=24ρ(v12,vR)=-34;

ρ(v13,v1)=-5ρ(v13,v2)=5

ρ(v13,v3)=15ρ(v13,v4)=25

ρ(v13,vR)=-35;

ρ(v14,v1)=1ρ(v14,v2)=-3

ρ(v14,v3)=7ρ(v14,v4)=17ρ(v14,vR)=-27

ρ(v15,v1)=13ρ(v15,v2)=3

ρ(v15,v3)=-3ρ(v15,v4)=7

ρ(v15,vR)=-17

则其关联度分别为：

即钻井作业人的因素下二级指标关于风险等级的关联度：

3.2 运用熵权法计算各指标权重

a)钻井作业人的因素u1比重f(u1)：

b)人的因素u1熵值E(u1)：

E(u1)=

(0.970 1 0.978 0 0.975 4 0.982 5 0.971 0)

c)人的因素u1熵权ω(u1)：

ω(u1)=

(0.243 2 0.179 0 0.200 1 0.141 8 0.235 9)

3.3 多级可拓评价

钻井作业风险评价人的因素对于各风险等级的加权关联度计算方法如下：

即得到人员因素的加权关联度为(-0.001 4 -0.110 2 -0.171 9 -0.385 3)。同理可得物的因素u2、管理因素u3、环境因素u4及整个项目u的对于各风险等级的加权关联度，并根据Kj=max{Kj(N),j=1,2,3,4}，判断该钻井作业风险级别及各个影响因素的风险级别，计算结果如表2。

表2 钻井作业风险级别计算结果

3.4 风险等级确定及结果分析

a)该钻井作业安全等级为较高风险。通过人的因素、物的因素、管理因素、环境因素一级指标的一级可拓评价可知，人员因素风险及环境因素是低风险，人员因素及管理因素是一般风险因素。

b)同时根据钻井作业中人的因素单项指标中，违章作业率u11、违章指挥率u12、违反劳动纪律率u13风险级别是高风险，不安全装束率u14风险级别是较高风险，身心健康状况u15风险级别是一般风险。所以相关安全管理部门对人员的管理应先加大对违章作业率u11、违章指挥率u12、违反劳动纪律率u13管理，其次是安全装束，最后是员工的的身心健康，针对不同的风险采取不同的措施使u11、u12、u133个高风险人员因素评价指标逐渐降低到低风险；针对u14，加强对作业人员的安全培训，使作业人员意识到作业中的不安全装束容易产生的后果，并严格按照要求穿戴个体劳动防护用品，监护人员加强对现场的监护；针对身心健康，加强与员工的沟通，及时了解员工的身心状况，杜绝现场作业人员带“病”上岗。

4 结论

a)利用熵权法计算各评价指标的熵权值，并对各指标的权重进行修订，避免了主观因素的影响，简化了计算。同时将可拓理论与熵权法结合起来，明确了各评价对象的关联，充分发挥了量化评价的特点，为最终得到客观、准确的评价结果提供了重要的理论支撑。

b)将熵权法和可拓理论结合，对某钻井公司一次钻井作业进行风险评价，其结果与实际相符，验证了选用可拓理论和熵权对钻井作业进行风险评价的可行性。

c)用基于可拓理论和熵权的钻井作业风险评价，虽然和模糊层次分析法、灰色关联法相比有一定的进步性，但也存在一定的局限，例如，钻井作业涉及的风险评价指标根据作业环境不同，指标的上、限值取值在一定程度上存在主观性，所以还需以后深入研究。