基于贝叶斯网络的钻井作业危害因素交叉影响研究

张福蕾

(中石化安全工程研究院有限公司，山东青岛 266104)

0 前言

钻井作业是上游勘探开发中的重要一环，是一种高风险、高投入和技术水平要求高的特殊作业[1-3]，并且钻井作业事故时常发生。

评价危害因素对钻井作业安全影响的研究方法很多，李海宏[4]通过模糊评判法评价钻井作业过程危害的强度；刘天佳，等[5]利用模糊层次分析法对钻井事故进行危害因素分析；谭露，等[6]使用灰色聚类评价法研究钻井危害因素影响的强弱。这些研究人员们采用的方法有一定的局限，存在主观因素影响大、不能描述危害因素之间关系等问题。

基于贝叶斯网络模型[7-11]研究钻井作业危害因素的交叉影响，通过网络结构模型分析危害因素间的影响层次、关系和影响程度，可以提升钻井作业安全措施制定的针对性。

1 钻井作业危害因素指标体系

1.1 主要风险分析

钻井作业风险类型多，各个阶段对钻井人员产生的健康安全危害也不同，钻井作业存在的主要风险有井喷、中毒、高压伤害、高空落物、火灾爆炸、物体打击、触电等，主要风险分析情况见表1。

表1 钻井作业的主要风险分析

1.2 危害因素指标体系建立

针对钻井作业的主要风险特征，从人、物、环境和管理4个方面对致使钻井作业安全事故发生的危害因素进行汇总分析，基于系统性和可操作性原则建立钻井作业危害因素指标体系，包含15个危害因素指标，指标体系构成见表2。

表2 钻井作业危害因素指标体系

1.3 危害因素的交叉影响

钻井作业过程某一危害因素会受到其他危害因素不同程度的交叉影响，各种危害因素的交叉影响增加了危害产生的可能性。

同类危害因素间产生交叉影响的概率较大(图1)，如钻井作业过程中，人员身体素质或心理素质不能满足钻井作业的要求时，人员违章作业的概率会增加。

图1 钻井作业同类危害因素交叉影响示意

若两类危害因素来自不同的危害因素类型，危害因素间的交叉影响容易被忽视，如钻井作业环境存在的问题会引起作业人员的身体素质下降。两类危害因素的交叉影响见图2。

图2 钻井作业两类危害因素交叉影响示意

危害因素的种类越多，影响发生的概率越小，但通常产生的后果越大。如钻井作业现场巡查不到位，易导致现场个体防护用品和安全设施配备不完善，作业人员交底走形式，也不能及时发现作业人员的钻井安全知识缺失等问题，最终引起不可控的事故事件发生。多类危害因素的交叉影响见图3。

图3 钻井作业多类危害因素交叉影响示意

2 钻井作业危害因素贝叶斯网络建模

贝叶斯网络利用条件概率分布反映变量间的关联强度，能较好地描述钻井作业过程危害因素间的交叉影响，通过构建危害因素交叉影响的评价模型来分析危害因素的影响情况。

2.1 贝叶斯网络基本理论

2.1.1 条件概率

条件概率指有附加条件下事件发生的概率。条件概率公式为式(1)：

(1)

式中：A——事件A；

B——事件B；

P——事件发生的概率，%；

P(B|A)——事件A条件下事件B发生的概率。

2.1.2 先验概率

Ai是样本空间中的随机事件，通过历史数据分析等方法获取事件Ai发生的概率，称为先验概率。

2.1.3 后验概率

利用采集的实际数据修正P(Ai)，得到事件B条件下事件Ai发生的概率P(Ai|B)，可将P(B|A)称为后验概率。后验概率随样本数据变化而变化，可变为新的先验概率，新的先验概率可再变为新的后验概率，概率值会重复更新。

2.1.4 全概率公式

(2)

式中：i——1，2，……，n。

式(2)中P(B)不易直接获得，而P(Ai)和P(B|Ai)相对容易求取，因此P(B)一般由全概率公式计算得到。

2.1.5 贝叶斯公式

(3)

式中：j——1，2，……，n。

式(3)为贝叶斯公式，由此可得到事件B条件下事件Ai发生的概率P(Ai|B)。贝叶斯网络结构见图4，子节点为事件B，父节点为事件Ai。

图4 贝叶斯网络结构示意

2.2 危害因素贝叶斯网络建模过程

钻井作业危害因素贝叶斯网络的建模过程为：①贝叶斯网络模型变量定义。定义钻井作业危害因素贝叶斯网络的节点变量，即危害因素指标体系确定的 15 个指标作为研究钻井作业危害交叉的变量。②贝叶斯网络结构学习。通过考虑钻井作业15个危害因素间的交叉影响，学习构建符合钻井作业研究需要的贝叶斯网络结构。③贝叶斯网络参数学习。基于钻井作业危害因素数据的收集统计，得到贝叶斯网络各节点条件概率的分布情况。

3 钻井作业危害因素交叉影响评价

3.1 危害因素交叉影响层次模型

通过建立的钻井作业危害因素贝叶斯网络模型分析危害因素间可能的交叉影响，得到危害因素交叉影响层次模型(图5)。利用交叉影响层次模型，可从不同层次研究钻井作业过程危害因素的影响程度。

图5 危害因素交叉影响层次模型

3.1.1 里层影响层的危害因素

里层影响层的危害因素没有直接导致钻井事故事件发生，但会持续影响钻井全过程的安全状态。

“钻井人员综合素质”不足将减弱钻井安全知识的培训效果和影响人员岗位知识技能的储备，也会增加违章情况发生的概率。

“钻井方案”存在安全措施不全面、钻进流程不正确、岗位分工不合理等问题时，将导致岗位安全职责不明确，人员无法履职尽责，钻井现场的监护巡查、作业环境和钻井的安全设备设施也无法得到有效的保障。

3.1.2 间接作用层的危害因素

间接作用层的危害因素对直接致因层和作业防护层的危害因素产生重要作用，交叉影响的关系也比较复杂。

“钻井地区气候条件”主要作用钻井作业环境而影响钻井安全，因为钻井在野外作业，高温、严寒、大风、雨雪等恶劣天气将极大地影响野外作业人员的人身安全和健康状况。

“钻井安全职责”既很大程度地作用同层的钻井作业交底，也作用到钻井岗位知识技能，是钻井责任制度完善与否的体现，而钻井相关人员的尽职尽责是安全作业的基本保证。

“钻井作业交底”作用于钻井岗位知识技能、人员违章和钻井安全知识等人的危害因素类型，是增强岗位知识技能和作业安全知识的重要途径，有效的作业交底也能预防违章现象的发生。

“钻井现场监护巡查”作用的危害因素多达7个，几乎覆盖直接致因层和作业防护层的危害因素，说明钻井作业过程的监护巡查对保障钻井安全极其重要。

3.1.3 直接致因层的危害因素

直接致因层的危害因素存在问题将直接导致事故事件的发生。

该层危害因素包含了人员、油气介质、设备和环境等方面，说明钻井作业安全工作是一项全方位的工作，为避免产生严重后果，不能轻视钻井任何一个流程的安全管理。

3.1.4 作业防护层的危害因素

作业防护层的危害因素可以预防事故事件的发生，也可在事故事件发生时保护人员安全。

该层危害因素存在问题将导致危害的发生，并增强危害的结果，甚至使危害达到不可控的程度，其中“钻井安全知识”也是影响人员违章发生的因素之一。只有落实多种作业防护措施，才能保证作业防护到位。

3.2 危害因素交叉影响评价结果

通过危害因素贝叶斯网络模型评价某钻井作业过程，得到危害因素的影响结果数据见表3，危害因素的综合影响结果为25%。

表3 某钻井作业危害因素影响结果 %

按照最低合理可行(ALARP)原则判定危害的可接受性，针对危害因素的影响结果采取3种级别的应对方式，见表4。

危害因素的综合影响结果为25%，表明作业整体处于可接受状态。但“钻井作业现场监护巡查”和“人员违章”影响结果为30%以上的不可接受状态，这两个危害因素极有可能将是造成作业事故发生的原因，需要采取主要的应对措施。另外有7个危害因素影响结果较高，处于基本安全状态，特别是“钻井安全职责”和“钻井安全知识”的影响结果在20%以上，这些危害因素也应采取一定的安全控制措施。

分析危害因素的贝叶斯网络模型结构和数据结果可知，钻井作业处于危险状态时，最严重的交叉影响关系是“钻井方案”-“钻井现场监护巡查”-“人员违章”这一链条，因此应在钻井方案中明确钻井各环节的安全措施和职责分工，保证现场监护巡查的人员、技术和装备等资源支持，及时发现并纠正作业人员的违章行为，增强钻井作业的安全管控。“钻井现场监护巡查”也是钻井作业影响最广、最强烈的关键节点，其不仅影响直接致因层，还对“个体防护用品配备”等作业防护层产生比较大的影响。

4 结论

a) 通过分析钻井作业的主要风险，确定了风险的基本特征和易受伤害的人员。基于风险分析梳理了钻井作业的危害因素，建立了危害因素指标体系，包含人、物、环境和管理等4大类共15项指标，并得到了同类、两类、多类危害因素间的交叉影响形式。

b) 基于贝叶斯网络模型的基本理论和建模步骤建立了钻井作业危害因素交叉影响的评价模型。

c) 通过模型分析了钻井作业危害因素的影响层次和关系，得到了危害因素的影响结果，利用数据分析了因素间交叉影响的程度。建立的模型也为钻井现场交叉作业场景下危害因素间的影响研究提供基础，可进一步研究交叉作业时危害因素的影响关系。