基于灰色聚類方法的鉆井作業(yè)安全性綜合評(píng)價(jià)

譚 露 王 兵 劉 昆 湯成斌

(1.西南石油大學(xué)研究生院，成都 610500;2.西南石油大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，成都 610500;3.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司生產(chǎn)中心，西安 710000;4.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司物探研究中心，成都 610213)

油氣鉆井作業(yè)是一個(gè)多工種、多工序、立體交叉、連續(xù)作業(yè)的系統(tǒng)工程，也是隱蔽性很強(qiáng)的地下工程。如果防范不當(dāng)，容易發(fā)生各類事故，危害作業(yè)人員人身安全，造成國(guó)家財(cái)產(chǎn)的巨大損失。由于油氣鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)雜性和隨機(jī)性，其風(fēng)險(xiǎn)度量困難重重。目前，國(guó)內(nèi)外有單因素鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的介紹，而多因素鉆井風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)則鮮少研究。

此次研究以現(xiàn)有的安全系統(tǒng)工程、安全管理工程和安全評(píng)價(jià)學(xué)為基礎(chǔ)，從人—機(jī)—環(huán)境的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)鉆井作業(yè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行系統(tǒng)研究，針對(duì)油氣鉆井作業(yè)系統(tǒng)過(guò)程中的危險(xiǎn)、危害因素以及可能發(fā)生的鉆井工程事故的特征，建立了多層面的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。由于油氣鉆井作業(yè)系統(tǒng)是非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)關(guān)系不完全清晰，內(nèi)涵無(wú)法用特定的數(shù)學(xué)函數(shù)表述，是一個(gè)典型的灰色系統(tǒng)，且鉆井作業(yè)安全處于復(fù)雜的自然社會(huì)系統(tǒng)之中，環(huán)境多變，難以控制。為了解決上述問(wèn)題，本次研究采用灰色聚類法對(duì)油氣鉆井作業(yè)存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)?；疑垲惙梢猿浞煮w現(xiàn)油氣鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)雜性和不確定性，能真實(shí)反映鉆井公司的綜合安全情況，為油氣鉆井作業(yè)安全評(píng)價(jià)方法的建立提供新的技術(shù)途徑［5－6］。

1 鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

針對(duì)油氣鉆井作業(yè)系統(tǒng)過(guò)程中的危險(xiǎn)、危害因素以及可能發(fā)生的鉆井工程事故的特征，將油氣鉆井作業(yè)的安全評(píng)價(jià)以易發(fā)性和后果嚴(yán)重度兩個(gè)分支作為主要分析因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)安全情況和井隊(duì)安全管理，建立了多層面的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見(jiàn)表1)。同時(shí)，通過(guò)層次分析法確定了各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，如表2所示。

依據(jù)表1進(jìn)行檢查評(píng)定，統(tǒng)計(jì)在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的不同等級(jí)的事故次數(shù)ni，為計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)值做準(zhǔn)備。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的確定

根據(jù)事故導(dǎo)致的結(jié)果，按其程度分為4個(gè)等級(jí)(1—無(wú)傷亡;2—輕傷;3—重傷;4—死亡)，經(jīng)過(guò)專家評(píng)分得到各等級(jí)的分值si分別為1，2，3，5。

在不同指標(biāo)下，根據(jù)事故發(fā)生的次數(shù)及事故造成的結(jié)果來(lái)確定風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，具體計(jì)算見(jiàn)公式(1)。

表1 鉆井事故危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)表(節(jié)選)

表2 鉆井事故危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重

其中:Rmj表示某段時(shí)間的平均風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);t表示某段時(shí)間的天數(shù);m表示評(píng)價(jià)對(duì)象;j表示指標(biāo)，j=1，2，3，4;ni表示造成的事故次數(shù);si表示不同事故結(jié)果等級(jí)對(duì)應(yīng)的評(píng)分，i表示結(jié)果的等級(jí)，i=1，2，3，4。

2 灰色聚類評(píng)估模型

灰色聚類評(píng)估是建立在灰數(shù)的白化函數(shù)生成基礎(chǔ)上的多維灰色評(píng)估方法，它將聚類對(duì)象對(duì)于不同聚類指標(biāo)所擁有的白化數(shù)按若干灰類進(jìn)行歸納，從而判斷聚類對(duì)象屬于哪一類。其具體步驟如下［6］:

(1) 記評(píng)估對(duì)象為 m，m=1，2，…，ω，指標(biāo)為j，j=1，2，…，q，決策灰類為 k，(k=1，2，3，4)。

(2)風(fēng)險(xiǎn)值樣本Rmj，m對(duì)象對(duì)于指標(biāo)j的樣本，樣本矩陣R=(Rmj)，m=1，2，…ω，j=1，2，…q，則樣本矩陣R為:

(3)給出j指標(biāo)k子類的白化權(quán)函數(shù)fjk(˙)，k=1，2，3，4，j=1，2，…，q。計(jì)算各對(duì)象各指標(biāo)值的白化權(quán)函數(shù)值fjk(Rmj)，得到各灰類的白化權(quán)函數(shù)值矩陣 Fk(k=1，2，3，4)。

(4)根據(jù)白化矩陣F和表1中的權(quán)值ηj，計(jì)算對(duì)象 m關(guān)于k子類的聚類系數(shù)m=1，2，…，ω，k=1，2，3，4。聚類系數(shù)計(jì)算如下:

由此得到聚類系數(shù)矩陣:

3 評(píng)價(jià)實(shí)例

以某鉆探公司為例，利用灰色聚類法對(duì)其2012年12個(gè)月的鉆井安全情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)公式(1)計(jì)算出每月各指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)值(見(jiàn)表3)，并以表3中的數(shù)據(jù)作為12個(gè)月的聚類樣本。

3.1 灰類劃分與灰類白化權(quán)函數(shù)確定

將鉆井安全性評(píng)估指標(biāo)劃分為:Ⅰ—很危險(xiǎn);Ⅱ—危險(xiǎn);Ⅲ—般;Ⅳ—安全。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并綜合專家意見(jiàn)得出白化權(quán)函數(shù)，如表4所示。

3.2 計(jì)算灰色聚類系數(shù)矩陣

由公式(2)計(jì)算灰色聚類系數(shù)σkm，當(dāng)m=1時(shí)，可得到

同理:σ21=0.556，σ31=0.208，σ41=0。即得:σk1=(σ11，σ21，σ31，σ41)=(0.752，0.556，0.208，0)，同理可得:σk2，σk3，…，σk12。

綜上，可得聚類系數(shù)矩陣為:

3.3 聚類結(jié)果及分析

分析上述聚類系數(shù)矩陣可知該公司2012年1—12月份的安全情況，如表5所示。1、2、11、12月份屬于類型Ⅰ，即安全狀態(tài)，公司應(yīng)注意防止小事故的發(fā)生。3、4、5、9、10月份屬于類型Ⅱ，即一般狀態(tài)，公司應(yīng)及時(shí)整改存在的問(wèn)題。6、7月份屬于類型Ⅲ，即危險(xiǎn)狀態(tài)，是第一次事故高峰，而且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，其主要原因在于6月份通常搞所謂“時(shí)間過(guò)半，任務(wù)過(guò)半”的上半年生產(chǎn)會(huì)戰(zhàn)(在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)條件下更為突出)，搶任務(wù)所致。8月份屬于類型Ⅳ，即很危險(xiǎn)，是第二次事故高峰，主要原因在于此時(shí)為雨季生產(chǎn)，鉆井工程作業(yè)地面條件和工作環(huán)境情況較差，安全生產(chǎn)的不利因素增多。并且6、7、8月份是鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較大的月份，因此公司應(yīng)該按應(yīng)急預(yù)案采取相應(yīng)措施，防止高溫給施工人員帶來(lái)的身體和情緒上的不適、并且注意設(shè)備設(shè)施的檢查與維護(hù)。

表3 2012年風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表

表4 白化權(quán)函數(shù)

表4 白化權(quán)函數(shù)

ⅠⅡⅢⅣj=1 f11( － ，－ ，35，50) f21(0，－ ，42.5，75) f31(35，－ ，62.5，100) f41(75，100，－ ，－)j=2 f12( － ，－ ，75，150) f22(0，－ ，112.5，215) f32(75，－ ，182.5，275) f42(215，275，－ ，－ )j=3 f13( － ，－ ，25，40) f23(0，－ ，32.5，60) f33(25，－ ，50，80) f43(60，80，－ ，－ )j=4 f14( － ，－ ，10，25) f24(0，－ ，17.5，35) f34(10，－ ，30 ，40) f44(35，40 － ，－)

表5 某鉆探公司2012年鉆井作業(yè)安全水平

4 結(jié)語(yǔ)

油氣鉆井作業(yè)安全評(píng)價(jià)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，影響因素較多。本次研究提出基于灰色聚類的安全評(píng)價(jià)方法，克服了系統(tǒng)信息呈現(xiàn)灰色狀態(tài)的不足，為油氣鉆井作安全評(píng)價(jià)的縱深發(fā)展提供了研究方向。

本次研究采用灰色聚類法評(píng)估，選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，確立鉆井作業(yè)安全評(píng)價(jià)體系，建立了鉆井作業(yè)安全灰色聚類評(píng)價(jià)模型，并以某鉆探公司為例進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，所建立的鉆井作業(yè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系能在復(fù)雜的系統(tǒng)中較準(zhǔn)確地反映出鉆井作業(yè)的安全狀況，使評(píng)價(jià)結(jié)果更為公正、客觀，適用于鉆井作業(yè)的安全評(píng)價(jià)。

灰色聚類法克服了單因素評(píng)價(jià)中受個(gè)別因素影響較大的缺陷，能比較全面地反映各個(gè)評(píng)價(jià)因子的影響，可為油氣鉆井作業(yè)安全評(píng)價(jià)方法的建立提供新的技術(shù)途徑，也為油氣勘探開(kāi)發(fā)的安全管理在一定程度上提供了科學(xué)的決策依據(jù)。

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