陆上油气钻井作业风险评价的指标权重方法应用研究*

杨 杰,官臣彬,李朝辉,吴志怀,李千登

(1.中石化安全工程研究院有限公司,山东青岛 266104 2.中石化华北石油工程有限公司河南钻井分公司,河南南阳 473132 3.中石化胜利石油工程有限公司西南分公司,山东东营 257000)

0 前言

作为油气勘探开发的一种重要手段,钻井作业的严重性、多变性、隐蔽性等特殊性决定了钻井作业存在着各种各样潜在的安全风险,也决定了钻井作业过程隐藏着各种复杂和不确定性因素[1-3]。影响钻井作业风险的指标因素很多,受限于储层地质条件、技术装备水平、人才队伍素质以及经营管理方式等诸多因素[4],各因素之间相互作用且有一定的关联性。目前国内外已有很多学者针对油气钻井作业的风险识别与评价进行了相关研究,李琪,等[2]采用层次分析法与模糊综合评价相结合的方法建立了钻井风险综合评价模型,确定各风险因素之间的指标权重;李欢,等[5]构建了模糊综合评价模型对页岩气钻井井喷事故进行风险评价;颜丽敏[6]针对基于可拓理论和熵权法对钻井作业开展风险评价的研究与应用;张洪大,等[7]基于AHP方法研究构建了大庆海外石油钻探项目政治风险、财务风险、地质条件技术风险、管理风险、社会文化风险等指标体系。这些风险评价方法或未全面考虑评价信息来源的准确性,或因对评价对象与评价指标的关系缺乏统一认知,忽略了各评价指标状态均衡程度的差异性对评估结果的影响,因此可能使得评估结果所确定的权重与实际有一定的偏差。

为了统筹考虑和处理风险评价中主客观赋权方法各自存在的局限性,本文在用层次分析法和熵权法对陆上油气钻井作业风险评价的基础上,综合考虑主客观因素对评估结果的影响,针对不同评价指标权重之间在相互竞争中寻求相对比较均衡结果的博弈论思想,提出适用于陆上油气钻井作业风险评价的博弈论组合法。

1 构建风险评价指标体系

本文参考GB/T 13861—2022《生产过程危险和有害因素分类与代码》,考虑陆上油气钻井作业的行业特点,本着指标体系构建科学性、系统性和实用性的原则,将影响钻井作业风险的因素分为人-物-环-管4个方面,即人员行为、物理状态、环境条件和管理因素4个一级指标;通过文献调研[6-8]、油气钻井事故分析报告和专家咨询等方式,进一步将4个一级指标划分为15个二级指标,陆上油气钻井作业风险评价指标体系见图1。

图1 陆上油气钻井作业风险评价指标体系

2 选取风险评价指标赋权方法确定指标权重

2.1 层次分析法

层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是在20世纪70年代由美国运筹学家T.L.Saaty提出的一种层次权重决策分析方法[9]。它是一种将定性和定量相结合的主观权重量化评价方法,通过评价指标间的两两比较,利用九标度法构造相邻评价指标间的判断矩阵A=[aij]n*n(aij表示指标体系中同一层级相邻评价指标间的相对重要程度的无量纲比值)。

计算判断矩阵A的特征向量和矩阵的最大特征根λmax。具体计算步骤如下:

计算判断矩阵的最大特征根λmax,见公式(1)。

(1)

式中:A——判断矩阵,无量纲;

n——指标数目,无量纲。

计算一次性指标CI,见公式(2)。

(2)

一致性检验CR,按公式(3)计算。

(3)

式中:RI——平均随机一致性指标,无量纲。

RI值的大小与n的数值有关,可查询平均随机一致性指标表。当CR<0.1时,则说明通过一致性检验,证明指标权重有效。

2.2 熵权法

熵权法(Entropy Weight Method,EWM)是一种对评价指标客观赋权的方法,基本思路是根据指标变异性的大小(熵值)来确定客观权重,可在一定程度上避免主观因素的影响,其权重主要由指标自身的数据信息量反映得出。熵权法计算客观权重的计算步骤如下:

原始矩阵的构建,设被评价对象的对应指标的值记为bij,则原始矩阵B表示为B=(bij)n*m,即:

m为评价指标数目,n为评价对象数目。

原始矩阵标准化计算,确定各评价指标的熵值ej,按公式(4)计算。

(4)

式中:pij——第j个指标下第i个项目的指标值比重,无量纲;

n——指标数目,无量纲。

(5)

式中:ej——各评价指标的熵值,无量纲。

2.3 博弈论组合法

博弈论(Game Theory,GT)是研究具有斗争或竞争性质现象的数学理论和方法。这种方法是寻求不同指标权重之间的一致性和妥协性,计算以和的离差极小化为目标,在相互竞争中得到相对比较均衡的结果,将主客观赋权方法计算得到的权重再组合优化,得到更加科学合理的组合权重。其基本原理如下:

(6)

式中:ak——组合系数,无量纲。

(7)

3 实例应用

鉴于层次分析法对指标结构复杂,且缺乏必要数据情况下指标权重的确定非常实用;而熵权法要求样本中风险指标属性数据齐全,只适用于指标层的赋权、不适用于中间层的赋权[10]。故本文研究某企业陆上油气钻井作业风险评价二级指标权重之间的对比关系。

3.1 层次分析法计算结果

本文征求某企业30位钻井技术骨干和中层管理人员意见,发放30份打分表格,回收30份表格,并对有效表格进行统计分析,以获得同级评价指标间的相对重要程度。根据九标度法,构建判断矩阵A′,求解运用层级分析法得出的一级指标权重,见表1。

表1 陆上油气钻井作业风险评价判断矩阵(A′)

根据公式(1)、(2)、(3),求解判断矩阵A′最大特征值,邀请30位石油工程钻井专家分别对4项一级指标的重要性打分,得出4项一级指标的最大特征值λmax和一致性比率CR。为进一步细化表征统计各评价指标间的相对重要程度,需计算得出二级评价指标权重,见表2。

3.2 熵权法计算结果

根据构建的油气钻井作业风险评价指标体系,邀请某企业6家二级单位30位钻井技术骨干和中层管理人员对15项二级指标的重要性进行打分,发放30份打分表格,回收30份表格,专家赋值取平均值作为各指标的最终值。

根据公式(4)、(5)(其中,m=15,n=6),计算得出熵值、权重,见表3。

表3 熵权法计算陆上油气钻井作业风险评价二级指标熵值和权重结果

3.3 层次分析法和熵权法计算结果的比对分析

由表2和表3,比较层次分析法和熵权法这2种评价方法计算结果,各二级指标部分权重排序有较大差异。其中,用层次分析法计算得出的如安全责任落实A44、安全能力与意识A12等指标权重较大,而用熵权法计算得出的这2项指标权重则较小;用层次分析法计算得出的如钻具组合可靠性A22、井壁稳定性A23等指标权重较小,而用熵权法计算得出的这2项指标权重较大。故单纯采用主观法或者客观法确定权重结果存在一定缺陷。

因此,本文采用博弈论组合法的风险评价指标赋权方法,目的是提出一种计算以和的离差极小化为目标、在相互竞争中得到相对比较均衡的结果。

3.4 博弈论组合法计算结果及分析

表4 各权重确定方法计算陆上油气钻井作业风险评价二级指标权重和排序

由表4可以看出:①通过主观赋权(层次分析法)与客观赋权(熵权法)得出的评价指标权重明显不同,层次分析法比熵权法对评价指标权重结果影响更大;②博弈论组合法计算以和的离差极小化为目标,在相互竞争中得到相对均衡的结果,评价指标权重排序基本与层次分析法比较吻合;对钻井作业风险影响较小的后几项二级指标(如钻机设备完好性A21、井壁稳定性A23)排序有细微差别,较好地综合考虑了主客观权重明显不同的问题。

4 结论

a) 通过对比层次分析法、熵权法和博弈论组合法,3种风险评价指标赋权方法计算陆上油气钻井作业风险评价指标的权重,结果存在较大差异。

b) 结合现场实例进行应用,博弈论组合法较好地平衡了层次分析法和熵权法的优缺点,可为陆上油气钻井作业管理人员和技术人员开展风险评价提供新的思路和参考。

c) 由于油气钻井作业风险评价指标体系尚未形成统一的划分标准,因此,构建陆上油气钻井作业风险评价指标体系的全面性、层次性以及选取更加适用于现场实际的风险评价方法,实现对钻井作业风险评价准确性、科学化管理,将是下一步努力的方向。