白曉寅

油氣勘探中高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用綜述

白曉寅

白曉寅 孟旺才 陳義國 張 格 張洪美

陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院

白曉寅（1982年-）男，工程師，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）地球探測與信息專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事石油天然氣勘探技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用工作。

隨著高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展，高光譜遙感作為油氣勘查中的一項新技術(shù)，其快速、經(jīng)濟(jì)、精確的特點受到眾多油氣勘探企業(yè)的重視。通過簡述了高光譜遙感技術(shù)在油氣勘探領(lǐng)域主要的兩個研究內(nèi)容及其研究方法：構(gòu)造信息提取和各種烴類微滲漏信息的提取，并分國外、國內(nèi)系統(tǒng)概述了高光譜遙感技術(shù)在油氣勘探領(lǐng)域的研究進(jìn)程和成功實例；指出了我國發(fā)展高光譜遙感油氣勘查技術(shù)的必要性及其未來的發(fā)展方向。

引言

高光譜遙感油氣勘探技術(shù)研究，旨在獲取航天高光譜遙感數(shù)據(jù)，通過遙感數(shù)據(jù)處理與分析，提取油氣微滲漏有關(guān)的油氣勘探相關(guān)信息，實現(xiàn)對地下油氣藏目標(biāo)特性的綜合探測與識別，被譽(yù)為油氣勘探技術(shù)中的一次飛躍。高光譜遙感勘探技術(shù)之所以能夠達(dá)到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其突出特點就是快速、高效，并且不受自然地理條件、國界等的影響，且經(jīng)濟(jì)成本較低，這符合當(dāng)前經(jīng)濟(jì)國際化、企業(yè)全球化的特點。高光譜遙感技術(shù)在油氣勘探中的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)80年代，隨著油氣資源的日益緊缺，我國在油氣資源勘探上對遙感關(guān)鍵技術(shù)也有強(qiáng)烈需求，可以通過已知油氣區(qū)高光譜遙感油氣勘查應(yīng)用研究，提高遙感信息處理及分析水平，修正、完善高光譜遙感勘查技術(shù)體系，為在境外、未知區(qū)及無人區(qū)開展油氣勘探提供技術(shù)支持。

主要研究內(nèi)容

構(gòu)造信息提取

眾所周知，大多數(shù)油氣藏的分布都與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造信息有著密不可分的關(guān)系，因此，構(gòu)造信息的提取對油氣勘探具有重大意義。而高光譜遙感數(shù)據(jù)由于其信息密度大、連續(xù)性好等特點能較為真實的記錄地質(zhì)構(gòu)造的地表幾何形體及其物理特征，尤其是還蘊(yùn)藏了特殊地質(zhì)構(gòu)造德爾隱伏信息。因此，利用高光譜遙感數(shù)據(jù)提取構(gòu)造信息就成為傳統(tǒng)地質(zhì)點線觀測方法局限性的較為有效補(bǔ)充，其顯著特點就是經(jīng)濟(jì)、便捷。實踐證明：深部構(gòu)造基底、古老斷層活動的痕跡以及盆地演化、發(fā)展的過程都能在高光譜遙感數(shù)據(jù)上有所反應(yīng)，主要解譯為線-環(huán)形影像異常特征。該異常不同的分布規(guī)律及組合形體對應(yīng)于不同的地質(zhì)構(gòu)造特征，通過分析可以獲取有利的油氣運聚條件，提高油氣勘探成功率，降低油氣勘探成本。

烴類微滲漏信息提取

烴類微滲漏是指地下油氣藏由于內(nèi)部壓力等作用，油氣藏中的烴類物質(zhì)通過地層節(jié)理、裂隙等通道運移到地表并在近地表大氣中擴(kuò)散的特征。擴(kuò)散到地表和空氣中烴類物質(zhì)常常會引起土壤、植被、空氣等異常，通常將這種異常稱之為烴類微滲漏暈（簡稱烴暈）。發(fā)生烴暈現(xiàn)象的區(qū)域會其他正常區(qū)域在地表光譜信息上存在某種規(guī)律性差異，因此，尋找這種規(guī)律并將之與高光譜遙感光譜數(shù)據(jù)建立某種聯(lián)系，就能通過選取合適的高光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，提取到烴類微滲漏信息。

對Hyperion遙感影像的處理，主要從兩個方面進(jìn)行：一方面是對研究區(qū)內(nèi)無植被覆蓋的裸露地表所呈現(xiàn)出的蝕變礦物信息及土壤吸附烴信息進(jìn)行提取；另一方面是對研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋區(qū)內(nèi)的植被所呈現(xiàn)出的“脅迫效應(yīng)”信息進(jìn)行提取。前者的開展需要抑制掉植被信息的干擾，后者的開展需要抑制掉土壤背景的干擾，這就需要選擇合適的方法實現(xiàn)上述所需，目前較為常用的方法就是選擇合適的植被指數(shù)來對影像上的植被信息進(jìn)行提取。

植被指數(shù)是利用遙感數(shù)據(jù)對地表植被的定性描述。通過對不同波段的信息進(jìn)行線性或非線性的組合來構(gòu)造植被指數(shù)，以達(dá)到最大化植被發(fā)射信息、最小化外部因素影響。植被指數(shù)為從遙感影像中獲取大范圍植被覆蓋信息常用的經(jīng)濟(jì)、有效的方法，通常選用植被反射光譜中的紅光波段和近紅外波段來構(gòu)建植被指數(shù)，其中，紅光波段反映的是植物體內(nèi)葉綠素的強(qiáng)吸收作用，近紅外波段反映的是植被的高反射和高透射特性。這兩個波段均是綠色植物進(jìn)行光合作用中的重要波段，利用對這兩個波段的比值、差分、線性組合等多種處理方法所得的植被指數(shù)可以用來增強(qiáng)或者解釋隱含的植被信息。常用的植被指數(shù)可以大致分為三類：基于波段簡單線性組合的植被指數(shù)、消除影響因子的植被指數(shù)和針對高光譜遙感及熱紅外遙感的植被指數(shù)。

然后根據(jù)研究區(qū)的具體地理環(huán)境，采用合適的植被指數(shù)對影像上的植被信息進(jìn)行提?。涸趯ρ芯繀^(qū)的裸露地表的蝕變信息進(jìn)行提取的時候，采用掩膜技術(shù)，將提取出的植被信息從影像上掩去；在對研究區(qū)的地植物異常信息進(jìn)行提取的時候，采用掩摸技術(shù)將除植被外的土壤背景信息從影像上掩去（圖1）。

圖1 Hyperion影像數(shù)據(jù)油氣異常信息提取流程

針對研究區(qū)內(nèi)的無植被覆蓋或經(jīng)過植被信息淹埋處理后區(qū)域，將蝕變碳酸鹽、蝕變黏土、二價鐵礦物及土壤吸附烴的異常富集作為主要指示標(biāo)志，分別采用基于完全波形特征和基于特征譜帶的蝕變信息提取方法對油氣滲漏信息進(jìn)行提取，如圖2所示。

圖2 基于譜形特征的高光譜油氣蝕變礦物識別分類方法

基于完全波形特征的分類方法，主要采用了基于已知油氣田區(qū)典型蝕變光譜及基于典型蝕變礦物標(biāo)準(zhǔn)光譜的光譜角制圖（SAM）的“純像元”識別方法，及基于線性光譜解混的混合像元識別方法；基于特征譜帶的分類方法，主要對研究區(qū)內(nèi)的蝕變礦物的診斷性吸收特征進(jìn)行提取，包括吸收波段波長位置（AP）、深度（AD）、寬度（W）、對稱度（AS）、面積（AA），以及光譜吸收指數(shù)（SAI）。

國內(nèi)外研究進(jìn)程

國外研究進(jìn)程

高光譜遙感技術(shù)是由美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）于二十世紀(jì)八十年代最早提出，并與美國航空航天局（NASA）合作開發(fā)的新一代遙感技術(shù)。

二十多年來，美國、加拿大、澳大利亞、法國、德國、以色列等國家競相投入開發(fā)機(jī)載高光譜遙感器，已有40余臺航空高光譜遙感器投入運行，代表性的機(jī)載高光譜遙感器包括AVIRIS、CASI、HyMap、PROBE-1等。2001年美國率先成功地發(fā)射了搭載以資源調(diào)查為主要目的Hyperion試驗型高光譜遙感器的EO-1衛(wèi)星，標(biāo)志著高光譜遙感技術(shù)已經(jīng)由航空應(yīng)用試驗階段轉(zhuǎn)入星載商業(yè)試驗運行階段。近幾年來，主要用于全球環(huán)境變化監(jiān)測的星載大氣痕量氣體遙感器（如ADEOS IMG和EOS Aqua AIRS，光譜波段多達(dá)幾千以致上萬個的超光譜遙感器）也已經(jīng)投入業(yè)務(wù)運行。

世界最高級科學(xué)雜志《Science》（科學(xué)）上的兩篇文章（Goetz，A.F.H.，1985；Cloutis，E.A.，1989）奠定了高光譜遙感油氣勘探的理論和技術(shù)依據(jù)；高光譜遙感油氣勘探技術(shù)是基于反射光譜學(xué)和油氣微滲漏理論，反射光譜學(xué)提供了一種高效和低成本的鑒別物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)的方法；油氣微滲漏理論則建立了油氣藏與其上部地表的特定異常之間的因果關(guān)系。因此，可以通過檢測地表異常的反射光譜來勘探油氣。高光譜遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，保證了高效、快速地實現(xiàn)地表反射光譜的準(zhǔn)確檢測。

油氣信息的遙感識別，是探測隱蔽油氣藏的前沿新技術(shù)之一，具有相當(dāng)強(qiáng)的探索性。國外有關(guān)研究與勘探部門利用日趨成熟的高光譜遙感技術(shù)開展了若干的油氣勘探試驗研究工作。試驗結(jié)果表明，土壤吸附烴在1.69～1.79μm和2.27～2.46μm光譜段具有明顯的“指紋”光譜特征；與油氣微滲漏效應(yīng)相關(guān)的不同蝕變礦物在2.1～2.4μm光譜段具有各自的特征吸收光譜?；谶@些“指紋”光譜特征，西方國家一些石油公司競相發(fā)展高光譜遙感油氣勘探技術(shù)，在規(guī)避勘探風(fēng)險中發(fā)揮了重要作用。

進(jìn)入2000年以后，國外學(xué)者利用Hymap、AVimS等航空高光譜儀器以及ASD便攜式光譜儀進(jìn)行了油氣勘探，得到了較為成功的案例。2001年jM Ellis等通過大量的油氣微滲漏研究在美國加利福尼亞南部圣巴巴拉地區(qū)利用高光譜遙感異常信息圈定了由油氣滲漏而引起的植被異常區(qū)域，并建立了油氣滲漏區(qū)土壤光譜庫。VanderMeer等通過研究油氣微滲漏理論，利用相關(guān)的決策方法，結(jié)合地質(zhì)、地球化學(xué)及高光譜遙感等數(shù)據(jù)，對可能的油氣微滲漏異常區(qū)進(jìn)行了提取和驗證。2003年Noomen等通過對野外光譜地實地測量，結(jié)合室內(nèi)試驗對高光譜圖像進(jìn)行了分析，對油氣微滲漏造成的植被光譜影響進(jìn)行了研究，通過植被異常地識別從而達(dá)到對油氣資源進(jìn)行探測的目的。Noomen還于2007對油氣滲漏造成的地表植被（小麥和玉米）在高光譜影像上光譜反射的變化進(jìn)行研究，從HYMAP影像上提取出了油氣滲漏異常信息，實現(xiàn)了對油氣管道的監(jiān)測。美國的ShuhabD. Khan和Sarah Jacobson等在2008年對油田的烴類微滲漏和巖石與土壤中的礦物獨變之間的關(guān)系取得較好的驗證效果。

高光譜遙感油氣勘探的應(yīng)用，自二十世紀(jì)九十年代末以來，國外已進(jìn)行了大量的研究和實踐，并存在典型的應(yīng)用實例。

（1）1998年美國West Virginia大學(xué)利用224個波段的美國AVIRIS航空高光譜儀器，通過圈定烴滲漏礦物蝕變異常，對加州圣巴巴拉海岸油氣微滲漏進(jìn)行了成功的探測。

（2）1999年9月德國地球科學(xué)與自然資源聯(lián)邦研究所針對澳大利亞HyMap高光譜儀器直接探測油氣烴能力，進(jìn)行了地面與航空綜合實驗。研究結(jié)果表明，從高信噪比的HyMap像元的輻射特征譜中就可以識別油氣異常和確定位置。

（3）1999年，美國雪佛龍與Geosat公司利用PROBE-1航空高光譜傳感器，在美國加州圣巴巴拉成功進(jìn)行了油氣勘探研發(fā)項目，證實地面和航空高光譜遙感傳感器均能夠成功實現(xiàn)油氣勘探。

（4）西班牙2000年利用196個波段的航空TEEMS高光譜遙感圖像成功地通過圈定油氣微滲漏引起的地表巖性蝕變和熱異常，尋找到地下油氣藏。

（5）2003年澳大利亞的Hyvist公司利也用自己研制的128個波段機(jī)載HyMap高光譜儀器成功地探測了加利福尼亞州圣巴巴拉海岸烴滲漏和近海水域的3個海底油氣微滲漏的油氣藏。

（6）2004年4月-2006年4月，美國休斯頓大學(xué)Sarah Jacobson和Shuhab Khan等人所組成的團(tuán)隊，在美國懷俄明州Patrick Draw地區(qū)采用EO-1衛(wèi)星Hyperion高光譜遙感器數(shù)據(jù)進(jìn)行油氣勘探，也取得一定的勘探成果。

（7）由Etiope領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊還構(gòu)建了最新（2009/2013版）的全球海上油氣泄漏區(qū)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含了全球84個國家的1150個泄漏區(qū)的數(shù)據(jù)。

國內(nèi)研究進(jìn)程

國內(nèi)90年代末，國內(nèi)開始高光譜遙感研究，首先是中科院開展了高光譜傳感器的研制、并開發(fā)了OMIS高光譜掃描儀，獲得自主知識產(chǎn)權(quán)。而高光譜在油氣勘探中的應(yīng)用研究起步相對較晚，直到近10來年才開始有專家在以往多光譜研究的基礎(chǔ)上利用高光譜遙感數(shù)據(jù)在中國石油的某些區(qū)塊進(jìn)行了嘗試性研究。

田慶久2006年9月和2007年8月通過遼東灣海上野外光譜、實驗室油膜光譜實驗及樣品采集分析，建立了基于EO- 1衛(wèi)星高光譜遙感HYPERION數(shù)據(jù)特點的譜段選擇和海面薄油膜和厚油膜檢測模式。趙欣梅2007年通過系統(tǒng)分析歸納烴類微滲漏與地表各種異常之間的對應(yīng)關(guān)系，利用高光譜數(shù)據(jù)建立了研究區(qū)天然氣烴類微滲漏蝕變礦物和遙感異常數(shù)據(jù)組合標(biāo)志，為新的油氣勘探有利區(qū)的確定提供了較好依據(jù)。徐大琦等2007年利用提基于野外測量的反射光譜來確定特定蝕變的地表分布（即分類）的方法在青海某地區(qū)野外測量的反射光譜的分析中取得了較好效果，成功圈出了測區(qū)內(nèi)的3個較大含氣區(qū)。王向成等2007通過在柴達(dá)木地區(qū)進(jìn)行高光譜數(shù)據(jù)與油氣區(qū)光譜特征分析對比，確定了該區(qū)的有利波長范圍，提出了光譜角制圖（SAM）技術(shù)為高光譜遙感油氣勘探提供了有效技術(shù)方法與途徑。宋亞軍等2008應(yīng)用小波PCA的特征提取方法和非監(jiān)督/監(jiān)督分類混合訓(xùn)練策略有效區(qū)分干擾信息，提取該區(qū)地表微弱的天然氣蝕變特征。鄭鴻瑞2014年在新疆吉木薩爾地區(qū)利用ASTER數(shù)據(jù)和SASI數(shù)據(jù)在巖性油氣藏范圍內(nèi)對多光譜異常結(jié)果和高光譜異常結(jié)果進(jìn)行了結(jié)合，提出了一種新的多光譜異常分量閾值確定方法，并與常用的門限法進(jìn)行了對比，結(jié)果吻合程度很高。

從以上國內(nèi)外油氣遙感技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展概況和發(fā)展趨勢分析來看，遙感技術(shù)在油氣探測中的應(yīng)用已經(jīng)從間接性、輔助性逐漸邁入直接性的發(fā)展階段；高光譜遙感油氣勘探方法一旦突破，將成為油氣勘探程序不可缺少的技術(shù)手段；國內(nèi)外利用高光譜遙感進(jìn)行直接油氣勘探應(yīng)用正處在一個關(guān)鍵的時期，一些遙感技術(shù)較發(fā)達(dá)得國家競相將高光譜遙感技術(shù)納入油氣勘探規(guī)范中，競相爭取率先獲得大的突破，進(jìn)而爭奪這一高新技術(shù)在油氣勘探研究國際舞臺的制高點。

結(jié)束語

（1） 高光譜遙感技術(shù)由于其快速、高效、經(jīng)濟(jì)成本較低，并且不受自然地理條件、國界等地影響，是在境外、未知區(qū)及無人區(qū)開展油氣勘探的重要技術(shù)選擇。因此，我國在油氣資源勘探上對遙感關(guān)鍵技術(shù)的深入研究十分必要：1）開展高光譜遙感油氣勘探技術(shù)研究是國家能源安全的需要；2）開展高光譜遙感油氣勘探技術(shù)研究是油氣資源勘探技術(shù)發(fā)展需要；3）開展高光譜遙感油氣勘探技術(shù)研究是企業(yè)高效發(fā)展的需要。

（2） 高光譜遙感技術(shù)作為油氣勘探的一項新技術(shù)手段，應(yīng)在加強(qiáng)其支撐理論—油氣微滲研究的同時，注意高光譜遙感技術(shù)與其他技術(shù)手段的結(jié)合，建立星/空（衛(wèi)星/航空）信息與地表信息、地下信息的相關(guān)關(guān)系，通過對信息相關(guān)關(guān)系分析研究，高效、準(zhǔn)確地達(dá)到目標(biāo)，形成星-地一體化的立體油氣勘探技術(shù)。

陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司技術(shù)創(chuàng)新項目（ycsy2013sfzs-A-01）

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.019