基于灰色聚类方法的钻井作业安全性综合评价

谭 露 王 兵 刘 昆 汤成斌

(1.西南石油大学研究生院，成都 610500;2.西南石油大学计算机科学学院，成都 610500;3.中国石油集团测井有限公司生产中心，西安 710000;4.中国石油川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司物探研究中心，成都 610213)

油气钻井作业是一个多工种、多工序、立体交叉、连续作业的系统工程，也是隐蔽性很强的地下工程。如果防范不当，容易发生各类事故，危害作业人员人身安全，造成国家财产的巨大损失。由于油气钻井作业风险的复杂性和随机性，其风险度量困难重重。目前，国内外有单因素钻井风险评价的介绍，而多因素钻井风险综合评价则鲜少研究。

此次研究以现有的安全系统工程、安全管理工程和安全评价学为基础，从人—机—环境的观点出发，对钻井作业安全评价指标体系进行系统研究，针对油气钻井作业系统过程中的危险、危害因素以及可能发生的钻井工程事故的特征，建立了多层面的指标评价体系。由于油气钻井作业系统是非线性动力学系统，结构关系不完全清晰，内涵无法用特定的数学函数表述，是一个典型的灰色系统，且钻井作业安全处于复杂的自然社会系统之中，环境多变，难以控制。为了解决上述问题，本次研究采用灰色聚类法对油气钻井作业存在的风险进行综合评价。灰色聚类法可以充分体现油气钻井作业风险的复杂性和不确定性，能真实反映钻井公司的综合安全情况，为油气钻井作业安全评价方法的建立提供新的技术途径［5－6］。

1 钻井作业风险综合评价指标体系

1.1 风险综合评价指标体系

针对油气钻井作业系统过程中的危险、危害因素以及可能发生的钻井工程事故的特征，将油气钻井作业的安全评价以易发性和后果严重度两个分支作为主要分析因素，结合现场安全情况和井队安全管理，建立了多层面的评价指标体系(见表1)。同时，通过层次分析法确定了各个指标的权重，如表2所示。

依据表1进行检查评定，统计在一段时间内发生的不同等级的事故次数ni，为计算风险值做准备。

1.2 风险指数的确定

根据事故导致的结果，按其程度分为4个等级(1—无伤亡;2—轻伤;3—重伤;4—死亡)，经过专家评分得到各等级的分值si分别为1，2，3，5。

在不同指标下，根据事故发生的次数及事故造成的结果来确定风险指数，具体计算见公式(1)。

表1 钻井事故危险性评价表(节选)

表2 钻井事故危险性评价指标及其权重

其中:Rmj表示某段时间的平均风险指数;t表示某段时间的天数;m表示评价对象;j表示指标，j=1，2，3，4;ni表示造成的事故次数;si表示不同事故结果等级对应的评分，i表示结果的等级，i=1，2，3，4。

2 灰色聚类评估模型

灰色聚类评估是建立在灰数的白化函数生成基础上的多维灰色评估方法，它将聚类对象对于不同聚类指标所拥有的白化数按若干灰类进行归纳，从而判断聚类对象属于哪一类。其具体步骤如下［6］:

(1) 记评估对象为 m，m=1，2，…，ω，指标为j，j=1，2，…，q，决策灰类为 k，(k=1，2，3，4)。

(2)风险值样本Rmj，m对象对于指标j的样本，样本矩阵R=(Rmj)，m=1，2，…ω，j=1，2，…q，则样本矩阵R为:

(3)给出j指标k子类的白化权函数fjk(˙)，k=1，2，3，4，j=1，2，…，q。计算各对象各指标值的白化权函数值fjk(Rmj)，得到各灰类的白化权函数值矩阵 Fk(k=1，2，3，4)。

(4)根据白化矩阵F和表1中的权值ηj，计算对象 m关于k子类的聚类系数m=1，2，…，ω，k=1，2，3，4。聚类系数计算如下:

由此得到聚类系数矩阵:

3 评价实例

以某钻探公司为例，利用灰色聚类法对其2012年12个月的钻井安全情况进行评价。根据公式(1)计算出每月各指标的风险值(见表3)，并以表3中的数据作为12个月的聚类样本。

3.1 灰类划分与灰类白化权函数确定

将钻井安全性评估指标划分为:Ⅰ—很危险;Ⅱ—危险;Ⅲ—般;Ⅳ—安全。通过数据分析，结合实际经验，并综合专家意见得出白化权函数，如表4所示。

3.2 计算灰色聚类系数矩阵

由公式(2)计算灰色聚类系数σkm，当m=1时，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。

综上，可得聚类系数矩阵为:

3.3 聚类结果及分析

分析上述聚类系数矩阵可知该公司2012年1—12月份的安全情况，如表5所示。1、2、11、12月份属于类型Ⅰ，即安全状态，公司应注意防止小事故的发生。3、4、5、9、10月份属于类型Ⅱ，即一般状态，公司应及时整改存在的问题。6、7月份属于类型Ⅲ，即危险状态，是第一次事故高峰，而且持续时间较长，其主要原因在于6月份通常搞所谓“时间过半，任务过半”的上半年生产会战(在计划经济条件下更为突出)，抢任务所致。8月份属于类型Ⅳ，即很危险，是第二次事故高峰，主要原因在于此时为雨季生产，钻井工程作业地面条件和工作环境情况较差，安全生产的不利因素增多。并且6、7、8月份是钻井作业风险较大的月份，因此公司应该按应急预案采取相应措施，防止高温给施工人员带来的身体和情绪上的不适、并且注意设备设施的检查与维护。

表3 2012年风险指数表

表4 白化权函数

表4 白化权函数

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 某钻探公司2012年钻井作业安全水平

4 结语

油气钻井作业安全评价是一项复杂的系统工程，影响因素较多。本次研究提出基于灰色聚类的安全评价方法，克服了系统信息呈现灰色状态的不足，为油气钻井作安全评价的纵深发展提供了研究方向。

本次研究采用灰色聚类法评估，选取评价指标，确立钻井作业安全评价体系，建立了钻井作业安全灰色聚类评价模型，并以某钻探公司为例进行安全评价。结果表明，所建立的钻井作业安全评价指标体系能在复杂的系统中较准确地反映出钻井作业的安全状况，使评价结果更为公正、客观，适用于钻井作业的安全评价。

灰色聚类法克服了单因素评价中受个别因素影响较大的缺陷，能比较全面地反映各个评价因子的影响，可为油气钻井作业安全评价方法的建立提供新的技术途径，也为油气勘探开发的安全管理在一定程度上提供了科学的决策依据。

［1］张洪，王凯，曾宏.钻井井喷事故人因失误特征分析和对策［J］.天然气工业，2010，30(8):98 －100.

［2］王登文，周长江.油田生产安全技术［J］.北京:中国石化出版社，2003:50－144.

［3］王瑞勤.风险分析:钻井作业实施HSE管理的核心［J］.安全、健康和环境，2003，3(6):32 －33.

［4］李冬生，付明文，文建设，等.石油钻井作业实施HSE管理体系工作存在的问题及对策［J］.石油工业技术监督，2000，16(7):20 －21.

［5］陈元高.石油钻井伤亡事故的原因及对策［J］.地质勘探安全，1994(3):14－18.

［6］邓聚龙.灰理论基础［M］.武汉:华中科技大学出版社，2002.

［7］刘思峰.定权灰色聚类评估与应用:灰色系统新方法与应用［J］.北京:农业出版社，1992:104 －110.

［8］Long Y.Grey Relational Methed for Diseriminating Systems Faetors［J］.GreySystem，1991，3(1):11 －26.

［9］刘思峰，党耀国.灰色系统理论及其应用［M］.北京:科学出版社，2010.

［10］唐其环.灰色聚类灰类白化函数确定方法的探讨［J］.四川兵工学报，1996，17(4):4 －7.