孫旭東， 吳沖龍， 王玉娟， 孫　旭， 郭　俊

( 1. 中國地質大學(武漢) 計算機學院，湖北 武漢　430074；　2. 中國石化石油工程研究院，北京　100101；　3. 中國石化勝利油田物探研究院，山東 東營　257022 )

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基于CSI綜合工作法的油氣地質綜合研究知識模型設計

孫旭東1,2， 吳沖龍1， 王玉娟2， 孫旭2， 郭俊3

( 1. 中國地質大學(武漢) 計算機學院，湖北 武漢430074；2. 中國石化石油工程研究院，北京100101；3. 中國石化勝利油田物探研究院，山東 東營257022 )

油氣地質綜合研究具有實踐性、探索性和風險性特點。根據(jù)CSI綜合工作法原理，應用知識管理技術與本體描述技術，分析油氣地質的多學科研究、多技術協(xié)同和交互滲透的特點，建立從定性到定量的知識表述，形成地質綜合研究過程的量化知識模型。應用結果表明：采用知識地圖、模型方法和主題知識等模型設計技術，可以實現(xiàn)油氣地質綜合研究過程的量化表述和動態(tài)擴展。該成果為后期油氣勘探理論研究的應用奠定技術基礎。

CSI綜合工作法； 油氣勘探； 綜合地質研究； 知識模型； 本體； 決策模型

0　引言

石油勘探的成果不僅取決于地質理論和技術方法，還取決于勘探研究思維方法。石油勘探思維有其特殊的思維特征，它是各種邏輯和非邏輯思維方法的綜合、形象思維和抽象思維的集合、辯證分析和系統(tǒng)思維的結合，以及一般模式識別和個別特征類比的結合[1]。地質綜合研究作為油氣勘探的核心，形成多種研究技術與理論體系[2]。在大慶油田、勝利油田與冀東油田的勘探實踐基礎上，翟光明等提出的“油氣勘探綜合工作法(CSI綜合工作法)”[3]認為，油氣地質勘探過程是采用多學科綜合研究、多技術手段協(xié)同及交互滲透分析研究的探索進程，對地質綜合研究提出系統(tǒng)化的概念闡述和方法指導，是對油氣地質研究方法的理論化總結。

作為多數(shù)地質理論與方法研究的共同問題——量化表達技術存在不足，使得大量石油勘探地質研究的方法停留在定性的理論層面。同樣，在CSI綜合工作法的理論與軟件工具之間，也缺少一個針對地質綜合研究過程與方法的量化表述問題。因此，有必要在CSI工作法基礎上，應用當前知識管理技術的研究成果，對多學科綜合研究、多技術手段協(xié)同及交互滲透技術等要素展開數(shù)字化表述，形成知識模型并量化表述研究特點，為后期油氣勘探理論研究奠定技術基礎。

1　CSI知識模型設計

1.1CSI綜合工作法

油氣勘探綜合工作法(CSI)從3個方面表述勘探地質研究本質(見圖1)：

(1)需要對勘探對象從基礎開始，反復深入、持久地開展地質方面的多學科綜合研究；

(2)強調建立和實施綜合的勘探項目，使地球物理、地球化學、鉆井、測井、錄井、油井完井和酸化壓裂成為一套系統(tǒng)工程，采用多種不斷改進的新技術手段(如物探、鉆井、錄井、測井、預測和試油等)強化勘探實踐；

(3)在工程實施過程中，深入地質多學科研究，并反過來指導工程的進展，實現(xiàn)研究與工程的互動。

圖1　CSI綜合工作法的技術內容Fig.1 Technology of CSI comprehensive research method

1.2油氣勘探業(yè)務本體表述技術

知識模型建立的基礎元素是本體及其描述語言[4]，而本體是一種在語義和知識層次上描述信息系統(tǒng)概念模型的建模工具[5]。本體是對概念和關系的抽象描述，是相關信息資源的組織框架，有助于交換信息和共享信息，消除概念和術語上的分歧[6]。中國石油行業(yè)應用本體技術設計和發(fā)布系列基于XML的數(shù)據(jù)元描述標準，進行數(shù)據(jù)字典標準化[7]與數(shù)據(jù)交換[8]。

圖2　油氣勘探業(yè)務本體構建過程Fig.2 The process of the ontology construction in petroleum exploration

OWL(Ontology web language)是以本體為基礎設計的、由計算機應用程序讀取的一種處理 Web 信息內容和方法的語言[9-10]，它為描述概念之間的關聯(lián)提供豐富的建模元素[11]?？碧街R模型是分析勘探對象與研究過程，將勘探對象及其組織過程應用OWL語言進行定義和描述，形成勘探地質綜合研究過程的領域本體及過程本體，實現(xiàn)知識模型的統(tǒng)一定義。基于各專業(yè)的系統(tǒng)知識和技術，構建油氣勘探地質研究領域本體，在收集專業(yè)詞匯和術語的基礎上，對這些詞集按照CSI綜合工作法的業(yè)務流程進行劃分(見圖2)，主要包括：

(1)知識標準化。用自頂向下的方式建立領域詞匯、專業(yè)術語和概念之間的關系，形成領域本體樹形結構；

(2)邏輯模型。完成各個詞匯、術語、概念的屬性和相關操作的標注，使概念及其相關屬性、操作聯(lián)系起來，為過程模型的建立提供支持。

油氣地質綜合研究的知識模型包括本體模型和過程模型：

(1)本體模型構建過程實質是對油氣地質研究過程進行抽象，對多學科與多技術體系進行描述，使之成為能被計算機識別并存儲的過程。一個專業(yè)領域的本體模型，首先必須確定一個業(yè)務主題，在業(yè)務主題的指導下收集和整理業(yè)務范圍內的詞匯和專業(yè)術語；然后按照詞匯的等級合理劃分詞集，以樹形或網(wǎng)狀的結構模式，在詞集整理完善的基礎上，建立詞匯的概念、屬性、評價技術和參數(shù)、操作流程和識別標準，以及詞匯之間的關系等，形成一個完整的專業(yè)領域本體模型。

(2)過程模型可以提供主題業(yè)務的具體流程和相關數(shù)據(jù)的輸入、輸出，本體模型可以提供實現(xiàn)模塊功能的評價標準和操作規(guī)范，是一個具有普適性規(guī)律的知識組合。兩者有效結合并利用數(shù)據(jù)倉庫的技術進行管理和維護，形成油氣勘探領域的本體知識系統(tǒng)，一方面它將CSI綜合工作法的思維模式進行總結和歸納，形成一個完整的知識過程和規(guī)范操作；另一方面它利用計算機技術對知識進行管理，大幅提高勘探開發(fā)的決策效率。

1.3模型構成

對知識的表達和整理是一個系統(tǒng)的知識工程過程。由于人工智能技術不能滿足計算機系統(tǒng)獨立完成較復雜的知識處理任務的需求[12]，采用知識工程概念中的本體知識表述技術[13]，表達CSI方法的勘探對象與思維過程，建立油氣地質綜合研究的知識模型。目前，地質綜合研究的知識表述技術，能夠實現(xiàn)將研究過程對應的勘探對象、研究流程與思維方法形成知識模型[14]。

作為油氣地質綜合研究的理論總結，CSI綜合工作法的3個關鍵因素的表述重點不同，其中多學科綜合研究(Comprehensive study based multi-disciplinary)部分重點在于“勘探研究多學科的全局性與階段性”；多技術協(xié)同(Synergistic action of multi-technique)部分重點在于“勘探研究的多技術綜合性”；交互滲透(Interaction)部分重點在于“勘探研究的交互性”，建立3個關鍵因素對應的3種類型的知識表述方式，即“CSI知識模型” (見表1)：基于業(yè)務知識地圖的全流程業(yè)務體系描述；基于模型庫和方法庫的數(shù)學模型、圖版、經(jīng)驗公式管理；基于主題知識的特定業(yè)務主題的信息與功能組織。

表1　勘探知識管理的CSI知識模型

2　CSI知識模型實現(xiàn)

2.1多學科綜合

2.1.1業(yè)務特點

多學科綜合是指綜合地質與物探、化探業(yè)務，開展從盆地、區(qū)帶到圈閉的地質研究，最終實現(xiàn)勘探部署決策，具有全局性與階段性特點。全局性即油氣勘探堅持全局著眼、整體研究和評價。在取全、取準第一性資料的基礎上，查明地質結構和構造發(fā)展史、沉積史和烴類熱演化史。階段性即前一階段是后一階段的準備，后一階段是前一階段的繼續(xù)和發(fā)展，表現(xiàn)為“階段不可超越，節(jié)奏可以加快”。

多學科綜合是對業(yè)務體系及其流程描述的理論?？碧窖芯恐R地圖是描述業(yè)務框架及各類知識相互關系的導航，重點描述油氣勘探的總體框架體系，即油氣勘探的總體過程與主要勘探階段的劃分，是以視覺化的方法表示組織的整體知識及其相互關系的導向。通過階段劃分，明確勘探研究各個階段的依賴關系和銜接關系，實現(xiàn)對不同階段的各個學科的綜合應用。

2.1.2知識表述

知識地圖是組織知識的視覺呈現(xiàn)，不描述知識的具體內容，只描述知識的載體信息，是一種組織知識(包括顯性和隱性知識)的導航系統(tǒng)，顯示不同知識存儲之間的重要動態(tài)聯(lián)系。利用知識地圖可以實現(xiàn)勘探研究的多學科的綜合性與階段性。

油氣地質勘探綜合研究的知識地圖是對多學科研究的系統(tǒng)性描述(見圖3)。首先在總體流程上，將勘探地質研究劃分為盆地區(qū)帶分析、含油氣系統(tǒng)分析、圈閉系統(tǒng)研究和部署決策4個環(huán)節(jié)。利用基于多學科綜合應用的流程分支表述各個研究環(huán)節(jié)業(yè)務內容，如：

圖3　油氣勘探地質研究知識地圖Fig.3 Knowledge map of petroleum exploration and geological research

(1)盆地區(qū)帶分析是以地質露頭分析為起點，從地質構造演化、地層沉積剝蝕、地層壓力及其與地熱場分析等階段形成研究的子學科分類。

(2)含油氣系統(tǒng)分析是在盆地區(qū)帶構造演變、地層壓力與地應力基礎上，開展生烴(烴源巖)、排烴、流體勢分析和油氣二次運移等研究，形成含油氣系統(tǒng)的油氣聚集。其中排烴環(huán)節(jié)分為壓實排烴和幕式排烴等。

(3)圈閉系統(tǒng)研究是通過含油氣系統(tǒng)的生排烴和運移分析(含油氣系統(tǒng)背景)，結合圈閉本身的儲、蓋與運移、保存條件等階段成果而形成結論。

(4)部署決策是根據(jù)前期地質研究成果(地質背景)，結合當前地震、探井、鉆井與工程施工成果，以及臨井成果的對比，形成當前探井的鉆探目標和部署方案。

知識地圖技術為各環(huán)節(jié)的協(xié)同研究、交互滲透提供總體框架和基本業(yè)務內容。將勘探地質綜合研究劃分為四個階段，對每個階段繼續(xù)細分為更為具體的研究過程的層次設計，可以實現(xiàn)不同層次的各類業(yè)務內容組合成一個油氣勘探地質研究的總體流程。

2.2多技術協(xié)同

多技術協(xié)同是指將多種技術協(xié)同起來，建立和實施綜合勘探項目，將地球物理、地球化學、鉆井、測井、錄井、油井完井和酸化壓裂等技術形成系統(tǒng)工程，采用多種技術強化勘探實踐，如高精度高分辨率地震技術、非地震勘探技術、精細地震處理技術、儲層預測技術、油藏描述技術、化探技術、測井技術、數(shù)值模擬技術、油層保護技術和石油工程技術等。

基于CSI綜合工作法的多技術協(xié)同是基于勘探研究的技術密集特征，關注地質研究和綜合運用新技術，能夠強化勘探實踐，相互參照，相互印證，進而發(fā)現(xiàn)油氣田。

模型方法知識表述技術可以記錄和存儲各技術環(huán)節(jié)的方法和算法，描述內容涵蓋勘探地質研究過程中的各類基礎數(shù)學算法、專業(yè)數(shù)學算法、地質數(shù)學模型、圖形圖版方法和決策統(tǒng)計分析等量化模型。它將業(yè)務技術體系中的技術設計為不同的解決問題方法，每種方法包含一種或多種業(yè)務邏輯，實現(xiàn)對不同層次的業(yè)務解決方法的量化。該方法將算法模型的知識內容分為輸入、計算和輸出3部分，對3部分分別進行本體描述，給出各類分析決策的圖版、算法與數(shù)學模型實現(xiàn)的統(tǒng)一定義。

如在油氣地質勘探過程中，形成較為成熟的含油氣圈閉評價的技術路線和方法[15]。圈閉評價一般包括地質評價、資料可信度評價、資源量或儲量評價、經(jīng)濟評價和綜合優(yōu)選，其中地質評價一般采用風險概率分析法、模糊數(shù)學法、加權平均法[16]、專家系統(tǒng)法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡法等。

2.3交互滲透

基于CSI綜合工作法的油氣地質綜合研究，采用多學科、多技術發(fā)現(xiàn)各種圈閉和油氣層，交互滲透技術在CSI知識模型中具有核心地位。油氣勘探的綜合性、創(chuàng)新性和整體性是CSI知識模型設計的重點，CSI綜合工作法在交互滲透方面內容包括：一是信息與成果、各種勘探技術的綜合，將地質、地球物理、鉆井、錄井、測井和測試等方面的信息綜合和相互配合；二是相互溝通，交互滲透，將勘探逐漸引向深入。

多學科綜合性是指對勘探對象反復、深入、持久地開展多學科的綜合地質研究，根據(jù)地質學、地球物理、地球化學理論，在構造地質、板塊、沉積學、生烴、古生物和層序地層等綜合對盆地整體進行區(qū)域性、區(qū)帶和勘探目標等3個層次的研究。

針對特定的研究主題，建立系統(tǒng)化的信息組織是主題知識模型設計的重點。主題知識模型是勘探生產研究的關鍵環(huán)節(jié)，通過本體技術建立的信息組織方法將某一環(huán)節(jié)決策需要的各類信息，圍繞主題研究流程與研究特點實現(xiàn)系統(tǒng)組織。

3　現(xiàn)場應用

基于CSI知識模型設計方法，可以針對油氣地質研究的多學科、多技術及其交互滲透的特點，實現(xiàn)地質研究與探井部署過程中的數(shù)據(jù)集成和應用集成，提供針對特定勘探目標的全局性掌握及多技術成果的集成、對比和交互，從而實現(xiàn)研究過程的不斷滲透、促進與提升。

3.1多學科綜合過程

在純梁探區(qū)圈閉研究過程中，根據(jù)CSI知識模型的多學科綜合研究知識表述，利用相關本體描述得到該圈閉所處的盆地與區(qū)域地質概況、油氣地質分析成果及圈閉研究成果，有利于在整體上對該圈閉進行探井部署設計(見圖4)。

圖4　圈閉研究與探井部署主題知識表述Fig.4 Subject knowledge description of trap research and explore well deploy

基于OWL的主題知識表征，建立CSI知識模型體系，根據(jù)知識模型的地質本體組織實現(xiàn)對各類信息的系統(tǒng)化表述，對圈閉基礎信息(區(qū)域概況、圈閉基礎信息)、圈閉詳細信息(地震剖面圖、構造圖、油藏剖面圈閉識別成果表、圈閉含油氣評價成果表)、圈閉變更歷史記錄、圈閉關聯(lián)信息(關聯(lián)探井、關聯(lián)地震工區(qū)、相似圈閉、相鄰圈閉)等進行信息抓取和集成顯示。這種知識地圖構建，將圈閉研究置于宏觀的地質背景和復雜的研究流程之下，為研究目標的深入開展提供框架和方向。

3.2多技術協(xié)同過程

在油氣勘探開發(fā)領域，建立基于業(yè)務模型的數(shù)據(jù)標準體系[17]，包含圈閉、油源、儲層、保存和成藏配套等因素，分別代表不同的研究學科和方法，多技術協(xié)同也是對基于數(shù)據(jù)標準體系的成果圖件展開分析。

以純梁探區(qū)的LFJ區(qū)域為例，該區(qū)域的沙四段灘壩砂油藏儲層橫向變化快、連通性差、油水關系復雜，尋找儲層發(fā)育有利區(qū)域是勘探的關鍵[18]。隨著該地區(qū)勘探程度的深入，儲層研究與評價的重點逐步進入到沙四段的紅層儲層，其中的T7層為沙四段純上(油頁巖與泥巖互層)與純下(砂泥互層)分界，是研究該目標區(qū)域的標準反射層。

在確定勘探目標時，較為常用的成果包括沉積相圖(見圖5(a))、孔隙度分布(見圖5(b))、區(qū)域構造(見圖5(c))和地震震幅屬性(見圖5(d))等。一般利用沉積相圖確定儲層厚度，利用孔隙度分布數(shù)據(jù)確定儲層有效性，利用區(qū)域構造確定儲層的構造高點和斷層運移通道，利用地震震幅屬性圖確定儲層砂體分布。

圖5　純梁探區(qū)LFJ區(qū)域多技術研究成果Fig.5 Multi-technique research result map of Chunliang LFJ survery

以純梁地區(qū)的LFJ區(qū)域地震振幅屬性(見圖5(d))為例，其反射振幅的強弱反映T7的上覆蓋層與下部地層的巖性速度(密度)差異，該地區(qū)上覆泥巖蓋層具有穩(wěn)定性，該圖的最大峰值主要體現(xiàn)儲層展布(橘黃色部分)。在疊合圖上，綜合判斷沉積相環(huán)境、孔滲性、儲層展布和構造、運移通道等影響因素，可以明確圈閉的可能區(qū)域，量化和對比圖形信息。

3.3交互滲透過程

地質圖件是地質綜合研究的重要成果，多種地質圖對比的本質是一種多學科、多技術的研究交互方法，相對于傳統(tǒng)的單圖分析模式，能夠實現(xiàn)思維模式的直觀、精確和量化的表達。

建立面向交互滲透過程的主題知識模型(見表2)，實現(xiàn)多種學科與技術研究成果的融合，如針對地震振幅屬性圖，基于北京54坐標系的平面投影，實現(xiàn)縮放1.023倍，圍繞中心順時針旋轉1.2×10-3弧度，獲得新坐標位置為左下角(20 589 251,4 098 576)和右上角(20 614 817,4 120 685)，設置T7振幅值在1.198×10-5～3.157×10-5之間對應振幅色板的顯示數(shù)值區(qū)域，設置振幅值在2.005×10-5～3.157×10-5之間為振幅色板的不透明區(qū)域，完成純梁地區(qū)的LFJ區(qū)域沙四段T7地震振幅屬性圖的交互數(shù)據(jù)處理。對圖件的區(qū)域儲層評價，調用編號為“007843”的處理函數(shù)計算儲層評價系數(shù)，根據(jù)圖件的模板信息獲得特定區(qū)域的儲層有效性評價。

表2　純梁LFJ區(qū)域儲層評價主題知識模型的構建

基于地震體屬性分析獲得儲層物性、構造解釋成果，基于探井分析獲得孔隙度研究成果、沉積相分析成果，作為圖形成果元素參與構成主題知識模型，通過最終部分參數(shù)的的定性判斷，應用加權評價法初步實現(xiàn)各研究目標區(qū)域的儲層量化評價，實現(xiàn)儲層的預測和圈閉目標的落實。相對于傳統(tǒng)的圖件討論，該知識模型不僅通過知識定義實現(xiàn)各類成果圖形的快速疊合與數(shù)據(jù)融合，也部分實現(xiàn)原有分析過程的量化表述。

圖6　純梁探區(qū)的LFJ區(qū)域的多學科與多技術交互滲透效果

在該區(qū)域特定圈閉的成果疊合過程中，不同學科采用不同的技術體系，綜合分析地震屬性、地質構造、沉積相和地質物性等因素在圖形上的反映，建立圈閉評價與分析模型，通過坐標校正、圖像裁切與圖像融合等技術實現(xiàn)成果圖件的技術處理和各類成果的圖像疊合。同時，進一步將圖件疊加探井井位信息，即可得到該區(qū)域的成果疊合效果圖(見圖6)，通過調節(jié)圖像疊合參數(shù)和采用加權評價算法，可以利用各學科的研究成果，有效實現(xiàn)多學科與多技術的交互滲透。

4　結論

(1)CSI綜合工作法作為勘探研究方法的總結，是在長期勘探地質研究過程中形成的針對油氣勘探過程中多學科綜合研究、多技術手段協(xié)同及其交互滲透分析為主要特點的思維方法。該方法能夠正確認識客觀對象的地質特征，有效獲取和利用信息，以實現(xiàn)有效提升勘探目標客觀評價能力、減少決策失誤的目標。

(2)考慮勘探研究過程的多學科綜合性、多技術協(xié)同性和交互滲透的特點，研究知識地圖、模型方法、主題知識模型等三類知識的本體表述技術，實現(xiàn)地質綜合研究勘探目標、過程和方法的量化表述，為CSI的量化應用提供基礎。

(3)以CSI綜合工作法為出發(fā)點的知識模型設計，為知識本體技術的應用提供技術路線，為地質研究與輔助決策軟件的建設提供研究流程和分析模式的量化方法。

(4)基于CSI的知識模型設計具有開放性，在地質研究過程中，CSI知識模型可以動態(tài)擴展知識本體和過程表述，隨著地質理論研究發(fā)展而不斷更新完善。

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2015-09-17；編輯：任志平

國家科技支撐計劃項目(2012BAH34F00)

孫旭東(1972-)，男，博士研究生，高級工程師，主要從事石油地質信息化方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.01.003

TE11

A

2095-4107(2016)01-0025-08