陸上油氣鉆井作業(yè)風(fēng)險評價的指標(biāo)權(quán)重方法應(yīng)用研究*

楊 杰,官臣彬,李朝輝,吳志懷,李千登

(1.中石化安全工程研究院有限公司,山東青島 266104 2.中石化華北石油工程有限公司河南鉆井分公司,河南南陽 473132 3.中石化勝利石油工程有限公司西南分公司,山東東營 257000)

0 前言

作為油氣勘探開發(fā)的一種重要手段,鉆井作業(yè)的嚴(yán)重性、多變性、隱蔽性等特殊性決定了鉆井作業(yè)存在著各種各樣潛在的安全風(fēng)險,也決定了鉆井作業(yè)過程隱藏著各種復(fù)雜和不確定性因素[1-3]。影響鉆井作業(yè)風(fēng)險的指標(biāo)因素很多,受限于儲層地質(zhì)條件、技術(shù)裝備水平、人才隊伍素質(zhì)以及經(jīng)營管理方式等諸多因素[4],各因素之間相互作用且有一定的關(guān)聯(lián)性。目前國內(nèi)外已有很多學(xué)者針對油氣鉆井作業(yè)的風(fēng)險識別與評價進(jìn)行了相關(guān)研究,李琪,等[2]采用層次分析法與模糊綜合評價相結(jié)合的方法建立了鉆井風(fēng)險綜合評價模型,確定各風(fēng)險因素之間的指標(biāo)權(quán)重;李歡,等[5]構(gòu)建了模糊綜合評價模型對頁巖氣鉆井井噴事故進(jìn)行風(fēng)險評價;顏麗敏[6]針對基于可拓理論和熵權(quán)法對鉆井作業(yè)開展風(fēng)險評價的研究與應(yīng)用;張洪大,等[7]基于AHP方法研究構(gòu)建了大慶海外石油鉆探項目政治風(fēng)險、財務(wù)風(fēng)險、地質(zhì)條件技術(shù)風(fēng)險、管理風(fēng)險、社會文化風(fēng)險等指標(biāo)體系。這些風(fēng)險評價方法或未全面考慮評價信息來源的準(zhǔn)確性,或因?qū)υu價對象與評價指標(biāo)的關(guān)系缺乏統(tǒng)一認(rèn)知,忽略了各評價指標(biāo)狀態(tài)均衡程度的差異性對評估結(jié)果的影響,因此可能使得評估結(jié)果所確定的權(quán)重與實(shí)際有一定的偏差。

為了統(tǒng)籌考慮和處理風(fēng)險評價中主客觀賦權(quán)方法各自存在的局限性,本文在用層次分析法和熵權(quán)法對陸上油氣鉆井作業(yè)風(fēng)險評價的基礎(chǔ)上,綜合考慮主客觀因素對評估結(jié)果的影響,針對不同評價指標(biāo)權(quán)重之間在相互競爭中尋求相對比較均衡結(jié)果的博弈論思想,提出適用于陸上油氣鉆井作業(yè)風(fēng)險評價的博弈論組合法。

1 構(gòu)建風(fēng)險評價指標(biāo)體系

本文參考GB/T 13861—2022《生產(chǎn)過程危險和有害因素分類與代碼》,考慮陸上油氣鉆井作業(yè)的行業(yè)特點(diǎn),本著指標(biāo)體系構(gòu)建科學(xué)性、系統(tǒng)性和實(shí)用性的原則,將影響鉆井作業(yè)風(fēng)險的因素分為人-物-環(huán)-管4個方面,即人員行為、物理狀態(tài)、環(huán)境條件和管理因素4個一級指標(biāo);通過文獻(xiàn)調(diào)研[6-8]、油氣鉆井事故分析報告和專家咨詢等方式,進(jìn)一步將4個一級指標(biāo)劃分為15個二級指標(biāo),陸上油氣鉆井作業(yè)風(fēng)險評價指標(biāo)體系見圖1。

圖1 陸上油氣鉆井作業(yè)風(fēng)險評價指標(biāo)體系

2 選取風(fēng)險評價指標(biāo)賦權(quán)方法確定指標(biāo)權(quán)重

2.1 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是在20世紀(jì)70年代由美國運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty提出的一種層次權(quán)重決策分析方法[9]。它是一種將定性和定量相結(jié)合的主觀權(quán)重量化評價方法,通過評價指標(biāo)間的兩兩比較,利用九標(biāo)度法構(gòu)造相鄰評價指標(biāo)間的判斷矩陣A=[aij]n*n(aij表示指標(biāo)體系中同一層級相鄰評價指標(biāo)間的相對重要程度的無量綱比值)。

計算判斷矩陣A的特征向量和矩陣的最大特征根λmax。具體計算步驟如下:

計算判斷矩陣的最大特征根λmax,見公式(1)。

(1)

式中:A——判斷矩陣,無量綱;

n——指標(biāo)數(shù)目,無量綱。

計算一次性指標(biāo)CI,見公式(2)。

(2)

一致性檢驗CR,按公式(3)計算。

(3)

式中:RI——平均隨機(jī)一致性指標(biāo),無量綱。

RI值的大小與n的數(shù)值有關(guān),可查詢平均隨機(jī)一致性指標(biāo)表。當(dāng)CR<0.1時,則說明通過一致性檢驗,證明指標(biāo)權(quán)重有效。

2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法(Entropy Weight Method,EWM)是一種對評價指標(biāo)客觀賦權(quán)的方法,基本思路是根據(jù)指標(biāo)變異性的大小(熵值)來確定客觀權(quán)重,可在一定程度上避免主觀因素的影響,其權(quán)重主要由指標(biāo)自身的數(shù)據(jù)信息量反映得出。熵權(quán)法計算客觀權(quán)重的計算步驟如下:

原始矩陣的構(gòu)建,設(shè)被評價對象的對應(yīng)指標(biāo)的值記為bij,則原始矩陣B表示為B=(bij)n*m,即:

m為評價指標(biāo)數(shù)目,n為評價對象數(shù)目。

原始矩陣標(biāo)準(zhǔn)化計算,確定各評價指標(biāo)的熵值ej,按公式(4)計算。

(4)

式中:pij——第j個指標(biāo)下第i個項目的指標(biāo)值比重,無量綱;

n——指標(biāo)數(shù)目,無量綱。

(5)

式中:ej——各評價指標(biāo)的熵值,無量綱。

2.3 博弈論組合法

博弈論(Game Theory,GT)是研究具有斗爭或競爭性質(zhì)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論和方法。這種方法是尋求不同指標(biāo)權(quán)重之間的一致性和妥協(xié)性,計算以和的離差極小化為目標(biāo),在相互競爭中得到相對比較均衡的結(jié)果,將主客觀賦權(quán)方法計算得到的權(quán)重再組合優(yōu)化,得到更加科學(xué)合理的組合權(quán)重。其基本原理如下:

(6)

式中:ak——組合系數(shù),無量綱。

(7)

3 實(shí)例應(yīng)用

鑒于層次分析法對指標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且缺乏必要數(shù)據(jù)情況下指標(biāo)權(quán)重的確定非常實(shí)用;而熵權(quán)法要求樣本中風(fēng)險指標(biāo)屬性數(shù)據(jù)齊全,只適用于指標(biāo)層的賦權(quán)、不適用于中間層的賦權(quán)[10]。故本文研究某企業(yè)陸上油氣鉆井作業(yè)風(fēng)險評價二級指標(biāo)權(quán)重之間的對比關(guān)系。

3.1 層次分析法計算結(jié)果

本文征求某企業(yè)30位鉆井技術(shù)骨干和中層管理人員意見,發(fā)放30份打分表格,回收30份表格,并對有效表格進(jìn)行統(tǒng)計分析,以獲得同級評價指標(biāo)間的相對重要程度。根據(jù)九標(biāo)度法,構(gòu)建判斷矩陣A′,求解運(yùn)用層級分析法得出的一級指標(biāo)權(quán)重,見表1。

表1 陸上油氣鉆井作業(yè)風(fēng)險評價判斷矩陣(A′)

根據(jù)公式(1)、(2)、(3),求解判斷矩陣A′最大特征值,邀請30位石油工程鉆井專家分別對4項一級指標(biāo)的重要性打分,得出4項一級指標(biāo)的最大特征值λmax和一致性比率CR。為進(jìn)一步細(xì)化表征統(tǒng)計各評價指標(biāo)間的相對重要程度,需計算得出二級評價指標(biāo)權(quán)重,見表2。

3.2 熵權(quán)法計算結(jié)果

根據(jù)構(gòu)建的油氣鉆井作業(yè)風(fēng)險評價指標(biāo)體系,邀請某企業(yè)6家二級單位30位鉆井技術(shù)骨干和中層管理人員對15項二級指標(biāo)的重要性進(jìn)行打分,發(fā)放30份打分表格,回收30份表格,專家賦值取平均值作為各指標(biāo)的最終值。

根據(jù)公式(4)、(5)(其中,m=15,n=6),計算得出熵值、權(quán)重,見表3。

表3 熵權(quán)法計算陸上油氣鉆井作業(yè)風(fēng)險評價二級指標(biāo)熵值和權(quán)重結(jié)果

3.3 層次分析法和熵權(quán)法計算結(jié)果的比對分析

由表2和表3,比較層次分析法和熵權(quán)法這2種評價方法計算結(jié)果,各二級指標(biāo)部分權(quán)重排序有較大差異。其中,用層次分析法計算得出的如安全責(zé)任落實(shí)A44、安全能力與意識A12等指標(biāo)權(quán)重較大,而用熵權(quán)法計算得出的這2項指標(biāo)權(quán)重則較小;用層次分析法計算得出的如鉆具組合可靠性A22、井壁穩(wěn)定性A23等指標(biāo)權(quán)重較小,而用熵權(quán)法計算得出的這2項指標(biāo)權(quán)重較大。故單純采用主觀法或者客觀法確定權(quán)重結(jié)果存在一定缺陷。

因此,本文采用博弈論組合法的風(fēng)險評價指標(biāo)賦權(quán)方法,目的是提出一種計算以和的離差極小化為目標(biāo)、在相互競爭中得到相對比較均衡的結(jié)果。

3.4 博弈論組合法計算結(jié)果及分析

表4 各權(quán)重確定方法計算陸上油氣鉆井作業(yè)風(fēng)險評價二級指標(biāo)權(quán)重和排序

由表4可以看出:①通過主觀賦權(quán)(層次分析法)與客觀賦權(quán)(熵權(quán)法)得出的評價指標(biāo)權(quán)重明顯不同,層次分析法比熵權(quán)法對評價指標(biāo)權(quán)重結(jié)果影響更大;②博弈論組合法計算以和的離差極小化為目標(biāo),在相互競爭中得到相對均衡的結(jié)果,評價指標(biāo)權(quán)重排序基本與層次分析法比較吻合;對鉆井作業(yè)風(fēng)險影響較小的后幾項二級指標(biāo)(如鉆機(jī)設(shè)備完好性A21、井壁穩(wěn)定性A23)排序有細(xì)微差別,較好地綜合考慮了主客觀權(quán)重明顯不同的問題。

4 結(jié)論

a) 通過對比層次分析法、熵權(quán)法和博弈論組合法,3種風(fēng)險評價指標(biāo)賦權(quán)方法計算陸上油氣鉆井作業(yè)風(fēng)險評價指標(biāo)的權(quán)重,結(jié)果存在較大差異。

b) 結(jié)合現(xiàn)場實(shí)例進(jìn)行應(yīng)用,博弈論組合法較好地平衡了層次分析法和熵權(quán)法的優(yōu)缺點(diǎn),可為陸上油氣鉆井作業(yè)管理人員和技術(shù)人員開展風(fēng)險評價提供新的思路和參考。

c) 由于油氣鉆井作業(yè)風(fēng)險評價指標(biāo)體系尚未形成統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn),因此,構(gòu)建陸上油氣鉆井作業(yè)風(fēng)險評價指標(biāo)體系的全面性、層次性以及選取更加適用于現(xiàn)場實(shí)際的風(fēng)險評價方法,實(shí)現(xiàn)對鉆井作業(yè)風(fēng)險評價準(zhǔn)確性、科學(xué)化管理,將是下一步努力的方向。