基于可拓理論和熵權(quán)的鉆井 作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型研究與應(yīng)用

顏麗敏

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

0 引言

鉆井作業(yè)是石油勘探、開發(fā)的一個(gè)重要工序，作業(yè)環(huán)境惡劣，工作強(qiáng)度大，作業(yè)人員專業(yè)能力參差不齊，設(shè)備設(shè)施存在缺陷等一系列因素，易誘使事故：事故類型主要有鉆具斷落、卡鉆、嚴(yán)重井塌、鉆頭落井和井噴等；因井噴泄漏出的物質(zhì)成分不同，有可能產(chǎn)生有硫化氫中毒、火災(zāi)爆炸等次生事故，造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失。

風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[1-3]的種類繁多，李歡等人采用模糊層次分析方法對頁巖氣鉆井井噴事故進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)；艾志久等運(yùn)用模糊評判方法進(jìn)行漏安全評價(jià)的研究；劉建華等應(yīng)用灰色評價(jià)方法對院壩企業(yè)的井漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)研究等，但這些方法都存在一定的局限性，如模糊層次分析方法主觀影響較大，且無法明確各評價(jià)對象之間的關(guān)系；灰色關(guān)聯(lián)評價(jià)方法主管因素影響很大。

基于熵權(quán)可拓理論[4-10]被引入到鉆井作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中，可以通過形式化的模型對事物拓展的可能性進(jìn)行高效評價(jià)，同時(shí)可以建立評價(jià)對象之間的關(guān)聯(lián)，可以將定量指標(biāo)和定性指標(biāo)有機(jī)結(jié)合起來，是一種客觀的的評價(jià)方法。

1 鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系的建立

鉆井作業(yè)是一項(xiàng)多工種、多專業(yè)、多環(huán)節(jié)配合的野外作業(yè)，評價(jià)指標(biāo)體系的恰當(dāng)構(gòu)建是風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的基礎(chǔ)，本文結(jié)合現(xiàn)場的安全管理狀況、相關(guān)技術(shù)人員、專家的意見和現(xiàn)有的研究結(jié)果，根據(jù)系統(tǒng)性、科學(xué)性、定量與定性及動態(tài)性原則，從人為因素、物的因素、環(huán)境因素及管理因素構(gòu)建鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，見表1。

2 基于可拓理論的鉆井作業(yè)安全預(yù)警模型

可拓理論研究的對象是客觀世界中的矛盾問題，將基本理論、可拓集理論和可拓邏輯集合結(jié)合起來，采用形式化的模型研究事物拓展的可能性和開拓創(chuàng)新的方法和規(guī)律，同時(shí)也從定性和定量兩個(gè)角度去研究解決矛盾的方法和規(guī)律。本文在建立鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，引入可拓學(xué)理論，從而建立風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型。

表1 鉆井作業(yè)安全預(yù)警指標(biāo)體系

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的經(jīng)典域和節(jié)域的確定

2.1.1風(fēng)險(xiǎn)等級的確定

根據(jù)鉆井作業(yè)相關(guān)的安全法律法規(guī)、日?，F(xiàn)場安全管理積累的數(shù)據(jù)及專家的經(jīng)驗(yàn)將每個(gè)指標(biāo)的最終風(fēng)險(xiǎn)類別分為四級——高風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)，即N為風(fēng)險(xiǎn)等級域，則{RJ,j=1,2,3,…n}。

2.1.2經(jīng)典域和節(jié)域的確定

根據(jù)

式中:m——每個(gè)一級指標(biāo)下的二級指標(biāo)個(gè)數(shù)；

ui——體系第i個(gè)一級指標(biāo)；

uip(p=1,2,…,m)——ui下第p個(gè)二級指標(biāo)；

Vjp=(ajp,bjp)——指標(biāo)uip關(guān)于Rj的取值范圍；

Pj(ui)——ui的經(jīng)典域。

式中:VNp=(aNp,bNp)——指標(biāo)uip關(guān)于N的取值范圍；

PN(ui)——ui的節(jié)域。

則對于ui，其待評物元可表示為：

式中:vim——uim關(guān)于N的量值，即專家的打分。

2.1.3各指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)的確定

其中：

2.2 運(yùn)用熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重

熵權(quán)法是一種客觀權(quán)重賦權(quán)方法，在計(jì)算過程中，熵權(quán)法根據(jù)各指標(biāo)的變異程度，利用信息熵計(jì)算出各指標(biāo)的熵權(quán)，在通過熵權(quán)對各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行修正，從而得出較為客觀的指標(biāo)權(quán)重。

本文根據(jù)鉆井作業(yè)預(yù)警各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)值kj(uip)構(gòu)建權(quán)重判斷矩陣K=kj(uip)(j=1,2,3,…n;p=1,2,…,m)。

則各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的過程為：

a)計(jì)算第p指標(biāo)下第j個(gè)項(xiàng)目的指標(biāo)值比重fjp：

b)計(jì)算第p個(gè)指標(biāo)的熵值Ei,p：

c)計(jì)算第p個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)ωi,p：

2.3 多級可拓評價(jià)

2.3.1一級可拓評價(jià)

一級可拓評價(jià)的計(jì)算方法是評價(jià)指標(biāo)的二級指標(biāo)的權(quán)重乘以二級指標(biāo)對針對風(fēng)險(xiǎn)等級的關(guān)聯(lián)度矩陣：

2.3.2二級可拓評價(jià)

二級可拓評價(jià)的計(jì)算方法是鉆井作業(yè)評價(jià)指標(biāo)的一級指標(biāo)的權(quán)重乘以一級指標(biāo)對針對風(fēng)險(xiǎn)等級的關(guān)聯(lián)度矩陣：

式中：t——鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)一級指標(biāo)個(gè)數(shù)。

2.4 風(fēng)險(xiǎn)等級確定

若Kj=max{Kj(N),j=1,2,3,4}，則判斷待評對象所屬的風(fēng)險(xiǎn)級別為j。

3 算例分析

以某鉆井公司一次鉆井作業(yè)為例，利用可拓理論法對其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，根據(jù)《鉆井安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》、《鉆井作業(yè)安全規(guī)程》等相關(guān)制度以及現(xiàn)場長期從事安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究的專家和現(xiàn)場人員的意見，將鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等級劃分為四個(gè)等級：高風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)、一般風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)，采用百分制，各自的得分區(qū)間分別為[0,70)，[70,80)，[80,90)，[90,100]。

3.1 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的經(jīng)典域和節(jié)域

以風(fēng)險(xiǎn)因素——人的因素及其風(fēng)險(xiǎn)為例計(jì)算其關(guān)聯(lián)度，其他指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度類推。

a)對于影響鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)人的因素的二級經(jīng)典域?yàn)椋?/p>

b)對于影響鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)人的因素的二級節(jié)域分別為：

c)根據(jù)《鉆井安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》、《鉆井作業(yè)安全規(guī)程》等相關(guān)制度，結(jié)合現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，選取專家的對各項(xiàng)指標(biāo)的打分，確定待評物元的分值，其中對人的因素的二級指標(biāo)專家的打分如下：

d)關(guān)聯(lián)度計(jì)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

則其關(guān)聯(lián)度分別為：

即鉆井作業(yè)人的因素下二級指標(biāo)關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)等級的關(guān)聯(lián)度：

3.2 運(yùn)用熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重

a)鉆井作業(yè)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熵權(quán)ω(u1)：

ω(u1)=

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

3.3 多級可拓評價(jià)

鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)人的因素對于各風(fēng)險(xiǎn)等級的加權(quán)關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法如下：

即得到人員因素的加權(quán)關(guān)聯(lián)度為(-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、環(huán)境因素u4及整個(gè)項(xiàng)目u的對于各風(fēng)險(xiǎn)等級的加權(quán)關(guān)聯(lián)度，并根據(jù)Kj=max{Kj(N),j=1,2,3,4}，判斷該鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)級別及各個(gè)影響因素的風(fēng)險(xiǎn)級別，計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)級別計(jì)算結(jié)果

3.4 風(fēng)險(xiǎn)等級確定及結(jié)果分析

a)該鉆井作業(yè)安全等級為較高風(fēng)險(xiǎn)。通過人的因素、物的因素、管理因素、環(huán)境因素一級指標(biāo)的一級可拓評價(jià)可知，人員因素風(fēng)險(xiǎn)及環(huán)境因素是低風(fēng)險(xiǎn)，人員因素及管理因素是一般風(fēng)險(xiǎn)因素。

b)同時(shí)根據(jù)鉆井作業(yè)中人的因素單項(xiàng)指標(biāo)中，違章作業(yè)率u11、違章指揮率u12、違反勞動紀(jì)律率u13風(fēng)險(xiǎn)級別是高風(fēng)險(xiǎn)，不安全裝束率u14風(fēng)險(xiǎn)級別是較高風(fēng)險(xiǎn)，身心健康狀況u15風(fēng)險(xiǎn)級別是一般風(fēng)險(xiǎn)。所以相關(guān)安全管理部門對人員的管理應(yīng)先加大對違章作業(yè)率u11、違章指揮率u12、違反勞動紀(jì)律率u13管理，其次是安全裝束，最后是員工的的身心健康，針對不同的風(fēng)險(xiǎn)采取不同的措施使u11、u12、u133個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)人員因素評價(jià)指標(biāo)逐漸降低到低風(fēng)險(xiǎn)；針對u14，加強(qiáng)對作業(yè)人員的安全培訓(xùn)，使作業(yè)人員意識到作業(yè)中的不安全裝束容易產(chǎn)生的后果，并嚴(yán)格按照要求穿戴個(gè)體勞動防護(hù)用品，監(jiān)護(hù)人員加強(qiáng)對現(xiàn)場的監(jiān)護(hù)；針對身心健康，加強(qiáng)與員工的溝通，及時(shí)了解員工的身心狀況，杜絕現(xiàn)場作業(yè)人員帶“病”上崗。

4 結(jié)論

a)利用熵權(quán)法計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)值，并對各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行修訂，避免了主觀因素的影響，簡化了計(jì)算。同時(shí)將可拓理論與熵權(quán)法結(jié)合起來，明確了各評價(jià)對象的關(guān)聯(lián)，充分發(fā)揮了量化評價(jià)的特點(diǎn)，為最終得到客觀、準(zhǔn)確的評價(jià)結(jié)果提供了重要的理論支撐。

b)將熵權(quán)法和可拓理論結(jié)合，對某鉆井公司一次鉆井作業(yè)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，其結(jié)果與實(shí)際相符，驗(yàn)證了選用可拓理論和熵權(quán)對鉆井作業(yè)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的可行性。

c)用基于可拓理論和熵權(quán)的鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，雖然和模糊層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)法相比有一定的進(jìn)步性，但也存在一定的局限，例如，鉆井作業(yè)涉及的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)根據(jù)作業(yè)環(huán)境不同，指標(biāo)的上、限值取值在一定程度上存在主觀性，所以還需以后深入研究。