石油地質勘探智能化信息支撐框架設計

孫旭東， 吳沖龍， 周　霞， 郭　俊

(1.中國地質大學(武漢),湖北武漢430074； 2.中石化石油工程研究院,北京100101; 3.中石化勝利油田物探研究院，山東東營257022； 4.中國地質大學(北京)，北京100083)

石油地質勘探智能化信息支撐框架設計

孫旭東1,2， 吳沖龍1， 周霞3,4， 郭俊3

(1.中國地質大學(武漢),湖北武漢430074； 2.中石化石油工程研究院,北京100101; 3.中石化勝利油田物探研究院，山東東營257022； 4.中國地質大學(北京)，北京100083)

摘要：石油勘探是高風險行業，勘探地質研究業務需要復雜的邏輯思維，也需要創新性的抽象思維。“智慧油田”和“智能勘探”理論體系的提出，順應了油氣勘探的智能、快速和高效的需求。通過剖析油氣勘探的信息支撐框架設計，提出了未來智能化勘探的4層設計概念，形成了層次之間的銜接和溝通的關鍵技術，并針對此理論體系探索了石油行業中石油地質勘探智能化信息框架實施策略。

關鍵詞：數字油田；智能勘探；知識模型；數字盆地；協同研究；業務微循環

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2015.03.383

中圖分類號：P628.5;TE11

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3636(2015)03-0383-06

收稿日期：2015-06-15；修回日期：2015-07-29；編輯：侯鵬飛

基金項目：國家高技術研究發展計劃(863計劃)重點項目(2009AA0628),國家自然科學基金項目(41101368)

作者簡介：孫旭東(1972—)，男，高級工程師，博士研究生，主要從事石油地質信息化研究工作,E-mail：sunxd.sripe@SINOPEC.com

0引言

多年的油氣勘探實踐說明：不斷深化石油地質理論研究、及時轉變勘探思路是油氣勘探持續突破和發現的技術支撐(邱旭明等，2014)。以地質研究為核心的油氣勘探工作具有思想性、科學性、高風險性、經濟型、規律性和可持續性等基本特征(郭元嶺，2010)，因此有效的技術支持手段尤為重要。針對油氣勘探的信息化支撐技術，國內產生了以“地質信息科學”理論為代表的系列地質信息化理論，取得了良好的實踐效果(吳沖龍等,2014)。然而，長期以來，油氣勘探信息化技術研究的短板導致了油氣勘探軟件體系發展的整體滯后，在一定程度上制約了高水平勘探理論的實踐應用。

面對油氣地質研究信息繁多、業務復雜和協作困難的現狀，通過“石油地質勘探智能化信息支撐框架”的設計和實踐應用，探討了一種地質研究的數據組織、研究協同、智能決策的石油地質信息化框架，對當前勘探地質研究的信息技術實踐進行了有效探索。

1石油地質勘探的業務特點

油氣勘探開發過程是一個從數據采集、信息處理、知識發現，到管理決策的高度智慧化過程，油氣勘探的業務流程也是伴隨著信息技術不斷深化應用的過程。國內專家結合國際油氣公司的盆地油氣勘探技術特點展開了較為系統的論述(王根海，2008)。埃克森美孚公司的“含油氣盆地研究流程圖”中充分表達出信息技術的作用，在從勘探規劃到油藏評價的流程中，充分體現著業務的知識化過程，該業務流程也是數據的全面采集和形成信息、知識與智慧的過程，最終這些分析成果經過專業團隊的交流分析，形成了油氣運營與管理策略。

國內油田的勘探流程也體現著勘探的智能化特點。在勝利油田的勘探業務體系中(圖1)，油氣勘探分為生產科研、過程管理、勘探決策3個層次，分別進行數據的采集與分析、針對業務的信息系統化管理、目標決策與反饋。由生產與科研過渡到第二層次的管理，到最核心的勘探決策，可以發現勘探業務的過程就是依托有限信息進行分析、不斷接近地質事實的過程，例如勘探生產過程通過物理化學方法獲得地質信息，勘探研究過程展開數據處理和分析，勘探管理過程實現信息集中與流轉，勘探決策過程形成統一理論與認知，最終的地質認識則以概率和量化指標體系表述，油氣勘探工作的本質就是知識的獲取和再創造的過程。因此，從系統學角度，石油地質勘探的智能化框架是一個從數據到決策支持的多層框架體系。

圖1　油氣勘探業務體系示意圖Fig.1　Sketch showing oil-gas exploration business system

國內針對數字油田的總體框架設計做了大量的探索，以大慶油田、新疆油田與勝利油田為代表的油田企業提出了數字油田概念(陳新發等，2008)、數字油田信息平臺(李清輝等，2008)和數字油田實施策略(段鴻杰，2003)。然而，針對這種業務框架的實施，如何設計有效的軟件支持框架一直是薄弱環節。雖然國外斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯等石油公司的信息服務部門都發展了地質理論與信息技術支持的一體化手段，但目前基本用于其企業自研發軟件的支持，國內石油公司在這種一體化支持方法上長期缺乏系統而有效的信息支持框架。在油氣勘探的地質研究領域，雖然地質理論豐富，但量化分析方面在一定程度上缺乏軟件研發支持，這種缺失主要在于信息化軟件框架及其實現方法的薄弱，從而無法在現有地質理論和信息技術實現之間形成一個有效的橋梁，也未能形成一個面向業務目標的系統化框架。

2智能化信息支撐框架設計

長期以來，石油地質勘探智能化框架在專業與信息的建設思路上存在不同的認識，國內各油田在數字油田建設中形成了數字油田的軟件框架，為油田信息化建設提供了理論指導(陳強等，2002)。為保證信息技術支持體系的落地，需要在此軟件框架的基礎上建立一個勘探業務與信息技術的連接層，即要達到勘探業務的智能化支持，需要在數據和軟件集成層之上建立一個業務智能化的技術層面，實現軟件技術與業務的有效銜接(圖2)。

圖2　勘探智能化框架軟件架構設計Fig.2　Software architecture design of intelligent oil-gas exploration

該框架的設計立足于業務層的展開，通過細化油氣勘探業務的智能化支持技術來建立連接信息與業務的中間架構層。其技術體系包含4個層面：(1) 油氣知識管理平臺，實現油氣勘探多源異構的信息組織；(2) 數字盆地支持平臺，實現基于業務的軟件功能定義；(3) 智能業務協同平臺，實現以模擬分析為核心的業務認知；(4) 智庫系統決策中心，實現團體智能化的決策指揮。

2.1　業務知識管理平臺

該體系結構中第一個層次是油氣勘探知識管理平臺，這是在信息集成和軟件集成基礎上建立的針對勘探業務的主題化表述，從而形成對現有各類勘探數據的有組織的整理。形成業務知識地圖、關聯知識、主題知識、案例知識和模型方法的5類知識定義(孫旭東等，2015a)：(1) 業務知識地圖設計。實現油氣勘探從盆地區帶到圈閉研究的全流程業務體系描述，突出地質研究的勘探程序；(2) 主題知識庫設計。針對特定勘探業務研究與決策主題，整合相關信息與支持手段，建立圍繞業務主題的工具與數據體系；(3)關聯知識庫設計。針對油氣勘探思維的風險性與創新性特點，實現各類勘探對象與成果的關聯，提供信息的關聯組織和分析對比；(4)案例知識庫。依托地質研究的“每一口探井就是一個系統工程”這一中國油氣勘探綜合工作法理論(翟光明等，2007)，針對探井典型案例的系統化信息組織；(5) 模型方法庫。針對油氣勘探中的盆地模擬“五史”理念與相關算法(石廣仁, 2004)，建立油氣地質研究的地質演變、生排烴、運移和聚集過程中的各類數學模型、圖版與經驗公式組織，提供基于三維空間數據的數學模型。

2.2　數字盆地技術體系

第二個層次是數字盆地。盆地是含油氣系統中最大的地質單元，油田是組織勘探、生產的實體單元。多年來，針對數字盆地的研究取得了豐碩的成果,提出了建立勘探區的三維地質模型的研究方法與三維數字盆地構造-地層格架模擬技術(吳沖龍等, 2006)，數字盆地層設計關注于地下多尺度地質元素集中管理和圖形化表達，建立全盆地的交互分析環境，提供油氣勘探研究、分析和決策的基礎平臺。

數字盆地技術研究的核心部分劃分為4個層次建設：通過全盆地數據資源接口實現各專業和平臺信息導入，通過三維地質數據建模實現信息歸一化與多尺度融合，通過全盆地勘探成果集成實現地下地質對象的可視化表述，通過全盆地可視化交互分析環境實現全盆地地質對象的空間交互分析。在實現方法上，由于國內地質研究技術的延續性，數字盆地可以從3個層次建設：傳統成果集成、地面為核心的三維集成和地下為核心的三維集成，未來的數字盆地將逐步形成地面與地下一體化、地質與工程一體化的全三維地質模型集成，成為勘探研究與管理的基礎平臺。

2.3　智能業務協同平臺

第三個層次是實現模擬分析模型的智能業務協同平臺。該平臺實現地質研究成果的定量化、可視化和知識化。萊沃森說過(Pratt，1952)：“如果說新油田的形成，首先是在地質學家或找油者的腦海里, 那么它的發現當然必須有待于我們智慧的形象化，即我們的想象力。”說明油氣勘探的成功來自于地質學家的創新認識。但是，面對同樣的勘探目標，不同地質學家的認識差異是不可見的，只有提供必要的共享與傳遞手段才能進行溝通和對比。因此，通過“定性描述→過程量化、地質理論→數學模型、文字圖形→ 三維可視”的方法，實現隱性知識到顯性知識的轉變、個人想法到團隊認識的轉變、專家知識到形成行業思維框架，而智能業務協同平臺就能解決這種思維模式的工具化問題。

石油地質研究協同平臺可以實現各團隊中智能化業務的有效協同，這種協同包括2個方面：(1) 縱向層次協同。建立縱向信息快速流轉機制，實現勘探施工—地質研究—勘探管理—勘探決策全過程的信息實時、全面傳遞；(2) 橫向流程協同。建立同層面的管理溝通，實現針對同一研究主題的決策過程能夠在多學科分析中快速流轉，促進理論認識不斷迭代提升。

基于研究協同的智能業務是針對從地質綜合研究到建模—含油氣系統模擬與評價—圈閉評價—油氣資源評價的全部地質過程。其主要內容包括3個組成部分：(1) 盆地知識工具。實現含油氣盆地內多學科的研究成果的知識化管理；(2) 數學地質模擬工具。針對地質構造演變、沉積、剝蝕、地熱、地壓，生排烴，油氣運移與聚集等專業化過程，提供智能化的模擬算法與數學模型(孫旭東等，2015b);(3) 針對各研究環節的成果設計的分析評價模型、預測決策模型等。上述3種工具體系用于提供勘探各環節的智能化分析。

2.4　智能決策支持

油氣勘探智能化決策支持是勘探智能化框架的第四層，即智庫系統，是智慧化的決策中心建立。智慧化決策中心設計是以“人”(團隊)為核心的智能化目標解決方案，形成信息、知識、工具與方法的綜合應用。

依托于油氣勘探信息支撐框架的智能化決策中心具有以下4個特征：(1) 業務知識體系的建立。形成了業務背景，使研究和管理能夠從盆地區帶到圈閉這樣一個宏觀的、歷史的、系統的角度來看待問題；(2) 場景實時動態支持。實現勘探最新的生產動態、研究動態、流程變更等信息實時反映到決策中心，保證決策的針對性；(3) 智能交互分析。通過提供不同粒度的預測模型、預警模型、決策模型，提供三維交互分析環境，促進復雜問題的簡單化與清晰化；(4) 團隊的智慧協作。通過多學科協同、溝通和交流技術等信息交互技術的設計，實現從個人決策到團隊決策的轉變，使個人的智慧形成團隊的智慧及多學科協同的群體決策模式。

3勘探智能化框架的建設策略與創新思維

勘探智能化框架的創新思維，就是建立多學科、多因素共同作用的支持系統，勘探活動本身就是知識收集和知識創造的過程，油氣勘探工作的核心在于油氣地質理論的創造和創新。因此，油氣勘探的認識過程就是認知、歸納、創新、決策的循環提升過程，勘探智能化框架的目標是針對油氣勘探總結歸納提供支持的過程。

油氣勘探決策系統通過信息集成與交互的方式提供了地質研究和探井部署決策支持，而智能化的決策模式則要求從組織流程、信息管理、智能方法上改進，即針對快速決策、高效決策、實時決策的要求，針對決策實現扁平化支持模式，通過業務信息組織、信息支持、智能方法支持，形成針對勘探業務特點的決策支持技術。

勘探智能化框架的建設是一個從業務目標到技術實施的持續整合路線。特定行業的信息技術有效地促進了業務認知體系的落地，但信息技術作為技術工具，其本質是業務工作模式實現的媒介。信息技術不直接引導行業變革，而是促進和輔助行業變革。因此，本次研究針對勘探智能化框架的建設策略提出了“層次設計、縱向實施、分塊落地、迭代豐富”的實施策略(圖3)，即以信息技術為平臺的層次，以特定業務需求貫穿框架，自頂向下逐層設計。首先依托應用場景實現勘探業務需求的落地，逐步豐富完善軟件配套體系，逐步落實智能化技術平臺。

圖3　業務微循環：軟件框架建設策略Fig.3　Business microcirculation：Strategy of software architecture

這一策略的核心是：框架的層面要素用于整體架構實現過程的規范與控制，而針對復雜業務建立一個從支持目標到技術實現的“業務微循環”來實現總體框架。這種貫穿了勘探智能化框架架構的業務微循環以業務目標驅動，其架構內容來自于業務實現過程，在具體的業務應用中實現框架的層面要素，如“業務功能”、“技術組件”、“知識定義”與“領域模型”等。最終通過多個業務子系統的迭代建設，實現框架的原型，保證軟件框架針對需求的充分支撐。

4實踐探索

根據這種結構化框架設計方法，勘探智能化框架的建設通過業務模塊設計逐步細化與完善，最終形成集成化平臺。例如在理論體系的應用上，以“地震解釋-綜合地質研究”這一討論決策環節為支持目標，針對提升研究與決策水平，從多個角度探討全面的信息支持方法，這種方法針對建立一個從支持目標到技術實現的“業務微循環”，將技術研究過程分為交互模式確定、軟件系統、配套場景、數據組織等4個部分。首先，針對“地震解釋與地質綜合研究”業務，在組織流程上劃分多個流程步驟；針對不同流程確定人機交互模式，確定信息傳達、分析、知識碰撞、溝通、協同模式等支持方式。其次是針對這種交互模式，確定相關的軟件系統功能支持，進而針對軟件的應用，確定應用的配套場景、網絡和軟硬件環境。最后，明確相關的數據與知識體系建設。

圖4　業務應用案例：“綜合地質研究決策”軟件框架建設Fig.4　Business application case：software architecture for ″comprehensive geological research strategy″

在這種綜合思想下建立的新決策模式(圖4)，基于明確的業務目標為出發點，通過前人知識的集中實現了知識傳遞，通過二維、三維圖形和觸摸交互實現了高效交流、通過多學科分析評價模型實現了智能決策。

5結論

(1) 油氣勘探是一項具有高度復雜性的高風險行業，勘探地質研究需要實踐性和流程性邏輯思維，也需要創新性和跳躍性的抽象思維。作為信息化支撐的勘探智能化框架的提出，便是順應了當前快速勘探、高效勘探的需求而提出的系統化的信息框架。

(2) 通過剖析油氣勘探的信息支撐框架設計，指出業務層次與信息技術之間的銜接與溝通的在總體框架設計中的重要性，通過智能化勘探信息支撐框架的4層技術體系設計，針對知識、數字盆地、協同與決策支持4個層次的技術方案設計，實現了石油行業中智能化勘探實施策略的有效探索。

(3) 針對智能化勘探的建設策略與創新思維展開研究，提出了“層次設計，縱向實施”的建設方法。油氣勘探業務的智能化技術發展取決于數字油田中數字化、智能化支持技術形成的有機整體,它們是數字勘探發展的不同階段。

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Design of information support framework in intelligent oil and gas exploration

SUN Xu-dong1,2， WU Chong-long1， ZHOU Xia3,4, GUO Jun3

(1. China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, Hubei, China; 2. Institute of Petroleum Engineering Technology, Sinopec, Beijing 100101, China; 3. Geophysical Research Institute, Sinopec Shengli Oilfield, Dongying 257022, Shandong, China; 4. China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China)

Abstract：Oil and gas exploration is a highly risky industry. The exploration geological research needs not only complex logical thinking but also innovative abstract thinking. At present, the proposal of ″smart oilfield″ and ″intelligent exploration″ theoretical system just complies with the intelligent, fast and efficient demand of petroleum exploration. Based on the analysis of oil and gas exploration information support framework, this study put forward the four levels of design concepts for the future intelligent exploration, pointed out that the key technologies of connection and communication between each levels, and further explored the implementation strategy of information framework for intelligent exploration in the oil industry based on this theoretical system.

Keywords：digital oil field; intelligent exploration; knowledge model; digital basin; collaborative geological research; business microcirculation