基于CSI综合工作法的油气地质综合研究知识模型设计

孙旭东， 吴冲龙， 王玉娟， 孙　旭， 郭　俊

( 1. 中国地质大学(武汉) 计算机学院，湖北 武汉　430074；　2. 中国石化石油工程研究院，北京　100101；　3. 中国石化胜利油田物探研究院，山东 东营　257022 )



基于CSI综合工作法的油气地质综合研究知识模型设计

孙旭东1,2， 吴冲龙1， 王玉娟2， 孙旭2， 郭俊3

( 1. 中国地质大学(武汉) 计算机学院，湖北 武汉430074；2. 中国石化石油工程研究院，北京100101；3. 中国石化胜利油田物探研究院，山东 东营257022 )

油气地质综合研究具有实践性、探索性和风险性特点。根据CSI综合工作法原理，应用知识管理技术与本体描述技术，分析油气地质的多学科研究、多技术协同和交互渗透的特点，建立从定性到定量的知识表述，形成地质综合研究过程的量化知识模型。应用结果表明：采用知识地图、模型方法和主题知识等模型设计技术，可以实现油气地质综合研究过程的量化表述和动态扩展。该成果为后期油气勘探理论研究的应用奠定技术基础。

CSI综合工作法； 油气勘探； 综合地质研究； 知识模型； 本体； 决策模型

0　引言

石油勘探的成果不仅取决于地质理论和技术方法，还取决于勘探研究思维方法。石油勘探思维有其特殊的思维特征，它是各种逻辑和非逻辑思维方法的综合、形象思维和抽象思维的集合、辩证分析和系统思维的结合，以及一般模式识别和个别特征类比的结合[1]。地质综合研究作为油气勘探的核心，形成多种研究技术与理论体系[2]。在大庆油田、胜利油田与冀东油田的勘探实践基础上，翟光明等提出的“油气勘探综合工作法(CSI综合工作法)”[3]认为，油气地质勘探过程是采用多学科综合研究、多技术手段协同及交互渗透分析研究的探索进程，对地质综合研究提出系统化的概念阐述和方法指导，是对油气地质研究方法的理论化总结。

作为多数地质理论与方法研究的共同问题——量化表达技术存在不足，使得大量石油勘探地质研究的方法停留在定性的理论层面。同样，在CSI综合工作法的理论与软件工具之间，也缺少一个针对地质综合研究过程与方法的量化表述问题。因此，有必要在CSI工作法基础上，应用当前知识管理技术的研究成果，对多学科综合研究、多技术手段协同及交互渗透技术等要素展开数字化表述，形成知识模型并量化表述研究特点，为后期油气勘探理论研究奠定技术基础。

1　CSI知识模型设计

1.1CSI综合工作法

油气勘探综合工作法(CSI)从3个方面表述勘探地质研究本质(见图1)：

(1)需要对勘探对象从基础开始，反复深入、持久地开展地质方面的多学科综合研究；

(2)强调建立和实施综合的勘探项目，使地球物理、地球化学、钻井、测井、录井、油井完井和酸化压裂成为一套系统工程，采用多种不断改进的新技术手段(如物探、钻井、录井、测井、预测和试油等)强化勘探实践；

(3)在工程实施过程中，深入地质多学科研究，并反过来指导工程的进展，实现研究与工程的互动。

图1　CSI综合工作法的技术内容Fig.1 Technology of CSI comprehensive research method

1.2油气勘探业务本体表述技术

知识模型建立的基础元素是本体及其描述语言[4]，而本体是一种在语义和知识层次上描述信息系统概念模型的建模工具[5]。本体是对概念和关系的抽象描述，是相关信息资源的组织框架，有助于交换信息和共享信息，消除概念和术语上的分歧[6]。中国石油行业应用本体技术设计和发布系列基于XML的数据元描述标准，进行数据字典标准化[7]与数据交换[8]。

图2　油气勘探业务本体构建过程Fig.2 The process of the ontology construction in petroleum exploration

OWL(Ontology web language)是以本体为基础设计的、由计算机应用程序读取的一种处理 Web 信息内容和方法的语言[9-10]，它为描述概念之间的关联提供丰富的建模元素[11]。勘探知识模型是分析勘探对象与研究过程，将勘探对象及其组织过程应用OWL语言进行定义和描述，形成勘探地质综合研究过程的领域本体及过程本体，实现知识模型的统一定义。基于各专业的系统知识和技术，构建油气勘探地质研究领域本体，在收集专业词汇和术语的基础上，对这些词集按照CSI综合工作法的业务流程进行划分(见图2)，主要包括：

(1)知识标准化。用自顶向下的方式建立领域词汇、专业术语和概念之间的关系，形成领域本体树形结构；

(2)逻辑模型。完成各个词汇、术语、概念的属性和相关操作的标注，使概念及其相关属性、操作联系起来，为过程模型的建立提供支持。

油气地质综合研究的知识模型包括本体模型和过程模型：

(1)本体模型构建过程实质是对油气地质研究过程进行抽象，对多学科与多技术体系进行描述，使之成为能被计算机识别并存储的过程。一个专业领域的本体模型，首先必须确定一个业务主题，在业务主题的指导下收集和整理业务范围内的词汇和专业术语；然后按照词汇的等级合理划分词集，以树形或网状的结构模式，在词集整理完善的基础上，建立词汇的概念、属性、评价技术和参数、操作流程和识别标准，以及词汇之间的关系等，形成一个完整的专业领域本体模型。

(2)过程模型可以提供主题业务的具体流程和相关数据的输入、输出，本体模型可以提供实现模块功能的评价标准和操作规范，是一个具有普适性规律的知识组合。两者有效结合并利用数据仓库的技术进行管理和维护，形成油气勘探领域的本体知识系统，一方面它将CSI综合工作法的思维模式进行总结和归纳，形成一个完整的知识过程和规范操作；另一方面它利用计算机技术对知识进行管理，大幅提高勘探开发的决策效率。

1.3模型构成

对知识的表达和整理是一个系统的知识工程过程。由于人工智能技术不能满足计算机系统独立完成较复杂的知识处理任务的需求[12]，采用知识工程概念中的本体知识表述技术[13]，表达CSI方法的勘探对象与思维过程，建立油气地质综合研究的知识模型。目前，地质综合研究的知识表述技术，能够实现将研究过程对应的勘探对象、研究流程与思维方法形成知识模型[14]。

作为油气地质综合研究的理论总结，CSI综合工作法的3个关键因素的表述重点不同，其中多学科综合研究(Comprehensive study based multi-disciplinary)部分重点在于“勘探研究多学科的全局性与阶段性”；多技术协同(Synergistic action of multi-technique)部分重点在于“勘探研究的多技术综合性”；交互渗透(Interaction)部分重点在于“勘探研究的交互性”，建立3个关键因素对应的3种类型的知识表述方式，即“CSI知识模型” (见表1)：基于业务知识地图的全流程业务体系描述；基于模型库和方法库的数学模型、图版、经验公式管理；基于主题知识的特定业务主题的信息与功能组织。

表1　勘探知识管理的CSI知识模型

2　CSI知识模型实现

2.1多学科综合

2.1.1业务特点

多学科综合是指综合地质与物探、化探业务，开展从盆地、区带到圈闭的地质研究，最终实现勘探部署决策，具有全局性与阶段性特点。全局性即油气勘探坚持全局着眼、整体研究和评价。在取全、取准第一性资料的基础上，查明地质结构和构造发展史、沉积史和烃类热演化史。阶段性即前一阶段是后一阶段的准备，后一阶段是前一阶段的继续和发展，表现为“阶段不可超越，节奏可以加快”。

多学科综合是对业务体系及其流程描述的理论。勘探研究知识地图是描述业务框架及各类知识相互关系的导航，重点描述油气勘探的总体框架体系，即油气勘探的总体过程与主要勘探阶段的划分，是以视觉化的方法表示组织的整体知识及其相互关系的导向。通过阶段划分，明确勘探研究各个阶段的依赖关系和衔接关系，实现对不同阶段的各个学科的综合应用。

2.1.2知识表述

知识地图是组织知识的视觉呈现，不描述知识的具体内容，只描述知识的载体信息，是一种组织知识(包括显性和隐性知识)的导航系统，显示不同知识存储之间的重要动态联系。利用知识地图可以实现勘探研究的多学科的综合性与阶段性。

油气地质勘探综合研究的知识地图是对多学科研究的系统性描述(见图3)。首先在总体流程上，将勘探地质研究划分为盆地区带分析、含油气系统分析、圈闭系统研究和部署决策4个环节。利用基于多学科综合应用的流程分支表述各个研究环节业务内容，如：

图3　油气勘探地质研究知识地图Fig.3 Knowledge map of petroleum exploration and geological research

(1)盆地区带分析是以地质露头分析为起点，从地质构造演化、地层沉积剥蚀、地层压力及其与地热场分析等阶段形成研究的子学科分类。

(2)含油气系统分析是在盆地区带构造演变、地层压力与地应力基础上，开展生烃(烃源岩)、排烃、流体势分析和油气二次运移等研究，形成含油气系统的油气聚集。其中排烃环节分为压实排烃和幕式排烃等。

(3)圈闭系统研究是通过含油气系统的生排烃和运移分析(含油气系统背景)，结合圈闭本身的储、盖与运移、保存条件等阶段成果而形成结论。

(4)部署决策是根据前期地质研究成果(地质背景)，结合当前地震、探井、钻井与工程施工成果，以及临井成果的对比，形成当前探井的钻探目标和部署方案。

知识地图技术为各环节的协同研究、交互渗透提供总体框架和基本业务内容。将勘探地质综合研究划分为四个阶段，对每个阶段继续细分为更为具体的研究过程的层次设计，可以实现不同层次的各类业务内容组合成一个油气勘探地质研究的总体流程。

2.2多技术协同

多技术协同是指将多种技术协同起来，建立和实施综合勘探项目，将地球物理、地球化学、钻井、测井、录井、油井完井和酸化压裂等技术形成系统工程，采用多种技术强化勘探实践，如高精度高分辨率地震技术、非地震勘探技术、精细地震处理技术、储层预测技术、油藏描述技术、化探技术、测井技术、数值模拟技术、油层保护技术和石油工程技术等。

基于CSI综合工作法的多技术协同是基于勘探研究的技术密集特征，关注地质研究和综合运用新技术，能够强化勘探实践，相互参照，相互印证，进而发现油气田。

模型方法知识表述技术可以记录和存储各技术环节的方法和算法，描述内容涵盖勘探地质研究过程中的各类基础数学算法、专业数学算法、地质数学模型、图形图版方法和决策统计分析等量化模型。它将业务技术体系中的技术设计为不同的解决问题方法，每种方法包含一种或多种业务逻辑，实现对不同层次的业务解决方法的量化。该方法将算法模型的知识内容分为输入、计算和输出3部分，对3部分分别进行本体描述，给出各类分析决策的图版、算法与数学模型实现的统一定义。

如在油气地质勘探过程中，形成较为成熟的含油气圈闭评价的技术路线和方法[15]。圈闭评价一般包括地质评价、资料可信度评价、资源量或储量评价、经济评价和综合优选，其中地质评价一般采用风险概率分析法、模糊数学法、加权平均法[16]、专家系统法和人工神经网络法等。

2.3交互渗透

基于CSI综合工作法的油气地质综合研究，采用多学科、多技术发现各种圈闭和油气层，交互渗透技术在CSI知识模型中具有核心地位。油气勘探的综合性、创新性和整体性是CSI知识模型设计的重点，CSI综合工作法在交互渗透方面内容包括：一是信息与成果、各种勘探技术的综合，将地质、地球物理、钻井、录井、测井和测试等方面的信息综合和相互配合；二是相互沟通，交互渗透，将勘探逐渐引向深入。

多学科综合性是指对勘探对象反复、深入、持久地开展多学科的综合地质研究，根据地质学、地球物理、地球化学理论，在构造地质、板块、沉积学、生烃、古生物和层序地层等综合对盆地整体进行区域性、区带和勘探目标等3个层次的研究。

针对特定的研究主题，建立系统化的信息组织是主题知识模型设计的重点。主题知识模型是勘探生产研究的关键环节，通过本体技术建立的信息组织方法将某一环节决策需要的各类信息，围绕主题研究流程与研究特点实现系统组织。

3　现场应用

基于CSI知识模型设计方法，可以针对油气地质研究的多学科、多技术及其交互渗透的特点，实现地质研究与探井部署过程中的数据集成和应用集成，提供针对特定勘探目标的全局性掌握及多技术成果的集成、对比和交互，从而实现研究过程的不断渗透、促进与提升。

3.1多学科综合过程

在纯梁探区圈闭研究过程中，根据CSI知识模型的多学科综合研究知识表述，利用相关本体描述得到该圈闭所处的盆地与区域地质概况、油气地质分析成果及圈闭研究成果，有利于在整体上对该圈闭进行探井部署设计(见图4)。

图4　圈闭研究与探井部署主题知识表述Fig.4 Subject knowledge description of trap research and explore well deploy

基于OWL的主题知识表征，建立CSI知识模型体系，根据知识模型的地质本体组织实现对各类信息的系统化表述，对圈闭基础信息(区域概况、圈闭基础信息)、圈闭详细信息(地震剖面图、构造图、油藏剖面圈闭识别成果表、圈闭含油气评价成果表)、圈闭变更历史记录、圈闭关联信息(关联探井、关联地震工区、相似圈闭、相邻圈闭)等进行信息抓取和集成显示。这种知识地图构建，将圈闭研究置于宏观的地质背景和复杂的研究流程之下，为研究目标的深入开展提供框架和方向。

3.2多技术协同过程

在油气勘探开发领域，建立基于业务模型的数据标准体系[17]，包含圈闭、油源、储层、保存和成藏配套等因素，分别代表不同的研究学科和方法，多技术协同也是对基于数据标准体系的成果图件展开分析。

以纯梁探区的LFJ区域为例，该区域的沙四段滩坝砂油藏储层横向变化快、连通性差、油水关系复杂，寻找储层发育有利区域是勘探的关键[18]。随着该地区勘探程度的深入，储层研究与评价的重点逐步进入到沙四段的红层储层，其中的T7层为沙四段纯上(油页岩与泥岩互层)与纯下(砂泥互层)分界，是研究该目标区域的标准反射层。

在确定勘探目标时，较为常用的成果包括沉积相图(见图5(a))、孔隙度分布(见图5(b))、区域构造(见图5(c))和地震震幅属性(见图5(d))等。一般利用沉积相图确定储层厚度，利用孔隙度分布数据确定储层有效性，利用区域构造确定储层的构造高点和断层运移通道，利用地震震幅属性图确定储层砂体分布。

图5　纯梁探区LFJ区域多技术研究成果Fig.5 Multi-technique research result map of Chunliang LFJ survery

以纯梁地区的LFJ区域地震振幅属性(见图5(d))为例，其反射振幅的强弱反映T7的上覆盖层与下部地层的岩性速度(密度)差异，该地区上覆泥岩盖层具有稳定性，该图的最大峰值主要体现储层展布(橘黄色部分)。在叠合图上，综合判断沉积相环境、孔渗性、储层展布和构造、运移通道等影响因素，可以明确圈闭的可能区域，量化和对比图形信息。

3.3交互渗透过程

地质图件是地质综合研究的重要成果，多种地质图对比的本质是一种多学科、多技术的研究交互方法，相对于传统的单图分析模式，能够实现思维模式的直观、精确和量化的表达。

建立面向交互渗透过程的主题知识模型(见表2)，实现多种学科与技术研究成果的融合，如针对地震振幅属性图，基于北京54坐标系的平面投影，实现缩放1.023倍，围绕中心顺时针旋转1.2×10-3弧度，获得新坐标位置为左下角(20 589 251,4 098 576)和右上角(20 614 817,4 120 685)，设置T7振幅值在1.198×10-5～3.157×10-5之间对应振幅色板的显示数值区域，设置振幅值在2.005×10-5～3.157×10-5之间为振幅色板的不透明区域，完成纯梁地区的LFJ区域沙四段T7地震振幅属性图的交互数据处理。对图件的区域储层评价，调用编号为“007843”的处理函数计算储层评价系数，根据图件的模板信息获得特定区域的储层有效性评价。

表2　纯梁LFJ区域储层评价主题知识模型的构建

基于地震体属性分析获得储层物性、构造解释成果，基于探井分析获得孔隙度研究成果、沉积相分析成果，作为图形成果元素参与构成主题知识模型，通过最终部分参数的的定性判断，应用加权评价法初步实现各研究目标区域的储层量化评价，实现储层的预测和圈闭目标的落实。相对于传统的图件讨论，该知识模型不仅通过知识定义实现各类成果图形的快速叠合与数据融合，也部分实现原有分析过程的量化表述。

图6　纯梁探区的LFJ区域的多学科与多技术交互渗透效果

在该区域特定圈闭的成果叠合过程中，不同学科采用不同的技术体系，综合分析地震属性、地质构造、沉积相和地质物性等因素在图形上的反映，建立圈闭评价与分析模型，通过坐标校正、图像裁切与图像融合等技术实现成果图件的技术处理和各类成果的图像叠合。同时，进一步将图件叠加探井井位信息，即可得到该区域的成果叠合效果图(见图6)，通过调节图像叠合参数和采用加权评价算法，可以利用各学科的研究成果，有效实现多学科与多技术的交互渗透。

4　结论

(1)CSI综合工作法作为勘探研究方法的总结，是在长期勘探地质研究过程中形成的针对油气勘探过程中多学科综合研究、多技术手段协同及其交互渗透分析为主要特点的思维方法。该方法能够正确认识客观对象的地质特征，有效获取和利用信息，以实现有效提升勘探目标客观评价能力、减少决策失误的目标。

(2)考虑勘探研究过程的多学科综合性、多技术协同性和交互渗透的特点，研究知识地图、模型方法、主题知识模型等三类知识的本体表述技术，实现地质综合研究勘探目标、过程和方法的量化表述，为CSI的量化应用提供基础。

(3)以CSI综合工作法为出发点的知识模型设计，为知识本体技术的应用提供技术路线，为地质研究与辅助决策软件的建设提供研究流程和分析模式的量化方法。

(4)基于CSI的知识模型设计具有开放性，在地质研究过程中，CSI知识模型可以动态扩展知识本体和过程表述，随着地质理论研究发展而不断更新完善。

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2015-09-17；编辑：任志平

国家科技支撑计划项目(2012BAH34F00)

孙旭东(1972-)，男，博士研究生，高级工程师，主要从事石油地质信息化方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.01.003

TE11

A

2095-4107(2016)01-0025-08