孫旭東， 吳沖龍， 周　霞， 郭　俊

(1.中國地質(zhì)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(zhì)大學(北京)，北京100083)

石油地質(zhì)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(zhì)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(zhì)大學(北京)，北京100083)

摘要：石油勘探是高風險行業(yè)，勘探地質(zhì)研究業(yè)務需要復雜的邏輯思維，也需要創(chuàng)新性的抽象思維?！爸腔塾吞铩焙汀爸悄芸碧健崩碚擉w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(yè)中石油地質(zhì)勘探智能化信息框架實施策略。

關鍵詞：數(shù)字油田；智能勘探；知識模型；數(shù)字盆地；協(xié)同研究；業(yè)務微循環(huán)

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(fā)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(zhì)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(zhì)理論研究、及時轉變勘探思路是油氣勘探持續(xù)突破和發(fā)現(xiàn)的技術支撐(邱旭明等，2014)。以地質(zhì)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(jīng)濟型、規(guī)律性和可持續(xù)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(nèi)產(chǎn)生了以“地質(zhì)信息科學”理論為代表的系列地質(zhì)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(fā)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(zhì)研究信息繁多、業(yè)務復雜和協(xié)作困難的現(xiàn)狀，通過“石油地質(zhì)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(zhì)研究的數(shù)據(jù)組織、研究協(xié)同、智能決策的石油地質(zhì)信息化框架，對當前勘探地質(zhì)研究的信息技術實踐進行了有效探索。

1石油地質(zhì)勘探的業(yè)務特點

油氣勘探開發(fā)過程是一個從數(shù)據(jù)采集、信息處理、知識發(fā)現(xiàn)，到管理決策的高度智慧化過程，油氣勘探的業(yè)務流程也是伴隨著信息技術不斷深化應用的過程。國內(nèi)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(tǒng)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(guī)劃到油藏評價的流程中，充分體現(xiàn)著業(yè)務的知識化過程，該業(yè)務流程也是數(shù)據(jù)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(jīng)過專業(yè)團隊的交流分析，形成了油氣運營與管理策略。

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

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

國內(nèi)針對數(shù)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(yè)提出了數(shù)字油田概念(陳新發(fā)等，2008)、數(shù)字油田信息平臺(李清輝等，2008)和數(shù)字油田實施策略(段鴻杰，2003)。然而，針對這種業(yè)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(huán)節(jié)。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(fā)展了地質(zhì)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(yè)自研發(fā)軟件的支持，國內(nèi)石油公司在這種一體化支持方法上長期缺乏系統(tǒng)而有效的信息支持框架。在油氣勘探的地質(zhì)研究領域，雖然地質(zhì)理論豐富，但量化分析方面在一定程度上缺乏軟件研發(fā)支持，這種缺失主要在于信息化軟件框架及其實現(xiàn)方法的薄弱，從而無法在現(xiàn)有地質(zhì)理論和信息技術實現(xiàn)之間形成一個有效的橋梁，也未能形成一個面向業(yè)務目標的系統(tǒng)化框架。

2智能化信息支撐框架設計

長期以來，石油地質(zhì)勘探智能化框架在專業(yè)與信息的建設思路上存在不同的認識，國內(nèi)各油田在數(shù)字油田建設中形成了數(shù)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(yè)務與信息技術的連接層，即要達到勘探業(yè)務的智能化支持，需要在數(shù)據(jù)和軟件集成層之上建立一個業(yè)務智能化的技術層面，實現(xiàn)軟件技術與業(yè)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(yè)務層的展開，通過細化油氣勘探業(yè)務的智能化支持技術來建立連接信息與業(yè)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(xiàn)油氣勘探多源異構的信息組織；(2) 數(shù)字盆地支持平臺，實現(xiàn)基于業(yè)務的軟件功能定義；(3) 智能業(yè)務協(xié)同平臺，實現(xiàn)以模擬分析為核心的業(yè)務認知；(4) 智庫系統(tǒng)決策中心，實現(xiàn)團體智能化的決策指揮。

2.1　業(yè)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(yè)務的主題化表述，從而形成對現(xiàn)有各類勘探數(shù)據(jù)的有組織的整理。形成業(yè)務知識地圖、關聯(lián)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(yè)務知識地圖設計。實現(xiàn)油氣勘探從盆地區(qū)帶到圈閉研究的全流程業(yè)務體系描述，突出地質(zhì)研究的勘探程序；(2) 主題知識庫設計。針對特定勘探業(yè)務研究與決策主題，整合相關信息與支持手段，建立圍繞業(yè)務主題的工具與數(shù)據(jù)體系；(3)關聯(lián)知識庫設計。針對油氣勘探思維的風險性與創(chuàng)新性特點，實現(xiàn)各類勘探對象與成果的關聯(lián)，提供信息的關聯(lián)組織和分析對比；(4)案例知識庫。依托地質(zhì)研究的“每一口探井就是一個系統(tǒng)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(tǒng)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(zhì)研究的地質(zhì)演變、生排烴、運移和聚集過程中的各類數(shù)學模型、圖版與經(jīng)驗公式組織，提供基于三維空間數(shù)據(jù)的數(shù)學模型。

2.2　數(shù)字盆地技術體系

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

數(shù)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(shù)據(jù)資源接口實現(xiàn)各專業(yè)和平臺信息導入，通過三維地質(zhì)數(shù)據(jù)建模實現(xiàn)信息歸一化與多尺度融合，通過全盆地勘探成果集成實現(xiàn)地下地質(zhì)對象的可視化表述，通過全盆地可視化交互分析環(huán)境實現(xiàn)全盆地地質(zhì)對象的空間交互分析。在實現(xiàn)方法上，由于國內(nèi)地質(zhì)研究技術的延續(xù)性，數(shù)字盆地可以從3個層次建設：傳統(tǒng)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(shù)字盆地將逐步形成地面與地下一體化、地質(zhì)與工程一體化的全三維地質(zhì)模型集成，成為勘探研究與管理的基礎平臺。

2.3　智能業(yè)務協(xié)同平臺

第三個層次是實現(xiàn)模擬分析模型的智能業(yè)務協(xié)同平臺。該平臺實現(xiàn)地質(zhì)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(zhì)學家或找油者的腦海里, 那么它的發(fā)現(xiàn)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(zhì)學家的創(chuàng)新認識。但是，面對同樣的勘探目標，不同地質(zhì)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(zhì)理論→數(shù)學模型、文字圖形→ 三維可視”的方法，實現(xiàn)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(yè)思維框架，而智能業(yè)務協(xié)同平臺就能解決這種思維模式的工具化問題。

石油地質(zhì)研究協(xié)同平臺可以實現(xiàn)各團隊中智能化業(yè)務的有效協(xié)同，這種協(xié)同包括2個方面：(1) 縱向?qū)哟螀f(xié)同。建立縱向信息快速流轉機制，實現(xiàn)勘探施工—地質(zhì)研究—勘探管理—勘探?jīng)Q策全過程的信息實時、全面?zhèn)鬟f；(2) 橫向流程協(xié)同。建立同層面的管理溝通，實現(xiàn)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(xié)同的智能業(yè)務是針對從地質(zhì)綜合研究到建模—含油氣系統(tǒng)模擬與評價—圈閉評價—油氣資源評價的全部地質(zhì)過程。其主要內(nèi)容包括3個組成部分：(1) 盆地知識工具。實現(xiàn)含油氣盆地內(nèi)多學科的研究成果的知識化管理；(2) 數(shù)學地質(zhì)模擬工具。針對地質(zhì)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(yè)化過程，提供智能化的模擬算法與數(shù)學模型(孫旭東等，2015b);(3) 針對各研究環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)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(tǒng)，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(yè)務知識體系的建立。形成了業(yè)務背景，使研究和管理能夠從盆地區(qū)帶到圈閉這樣一個宏觀的、歷史的、系統(tǒng)的角度來看待問題；(2) 場景實時動態(tài)支持。實現(xiàn)勘探最新的生產(chǎn)動態(tài)、研究動態(tài)、流程變更等信息實時反映到?jīng)Q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(huán)境，促進復雜問題的簡單化與清晰化；(4) 團隊的智慧協(xié)作。通過多學科協(xié)同、溝通和交流技術等信息交互技術的設計，實現(xiàn)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(xié)同的群體決策模式。

3勘探智能化框架的建設策略與創(chuàng)新思維

勘探智能化框架的創(chuàng)新思維，就是建立多學科、多因素共同作用的支持系統(tǒng)，勘探活動本身就是知識收集和知識創(chuàng)造的過程，油氣勘探工作的核心在于油氣地質(zhì)理論的創(chuàng)造和創(chuàng)新。因此，油氣勘探的認識過程就是認知、歸納、創(chuàng)新、決策的循環(huán)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?jīng)Q策系統(tǒng)通過信息集成與交互的方式提供了地質(zhì)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(xiàn)扁平化支持模式，通過業(yè)務信息組織、信息支持、智能方法支持，形成針對勘探業(yè)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(yè)務目標到技術實施的持續(xù)整合路線。特定行業(yè)的信息技術有效地促進了業(yè)務認知體系的落地，但信息技術作為技術工具，其本質(zhì)是業(yè)務工作模式實現(xiàn)的媒介。信息技術不直接引導行業(yè)變革，而是促進和輔助行業(yè)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?qū)嵤?、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(yè)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(xiàn)勘探業(yè)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(yè)務微循環(huán)：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(xiàn)過程的規(guī)范與控制，而針對復雜業(yè)務建立一個從支持目標到技術實現(xiàn)的“業(yè)務微循環(huán)”來實現(xiàn)總體框架。這種貫穿了勘探智能化框架架構的業(yè)務微循環(huán)以業(yè)務目標驅(qū)動，其架構內(nèi)容來自于業(yè)務實現(xiàn)過程，在具體的業(yè)務應用中實現(xiàn)框架的層面要素，如“業(yè)務功能”、“技術組件”、“知識定義”與“領域模型”等。最終通過多個業(yè)務子系統(tǒng)的迭代建設，實現(xiàn)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(jù)這種結構化框架設計方法，勘探智能化框架的建設通過業(yè)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(zhì)研究”這一討論決策環(huán)節(jié)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(xiàn)的“業(yè)務微循環(huán)”，將技術研究過程分為交互模式確定、軟件系統(tǒng)、配套場景、數(shù)據(jù)組織等4個部分。首先，針對“地震解釋與地質(zhì)綜合研究”業(yè)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(xié)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(tǒng)功能支持，進而針對軟件的應用，確定應用的配套場景、網(wǎng)絡和軟硬件環(huán)境。最后，明確相關的數(shù)據(jù)與知識體系建設。

圖4　業(yè)務應用案例：“綜合地質(zhì)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(yè)務目標為出發(fā)點，通過前人知識的集中實現(xiàn)了知識傳遞，通過二維、三維圖形和觸摸交互實現(xiàn)了高效交流、通過多學科分析評價模型實現(xiàn)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(yè)，勘探地質(zhì)研究需要實踐性和流程性邏輯思維，也需要創(chuàng)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(tǒng)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(yè)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(shù)字盆地、協(xié)同與決策支持4個層次的技術方案設計，實現(xiàn)了石油行業(yè)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(chuàng)新思維展開研究，提出了“層次設計，縱向?qū)嵤钡慕ㄔO方法。油氣勘探業(yè)務的智能化技術發(fā)展取決于數(shù)字油田中數(shù)字化、智能化支持技術形成的有機整體,它們是數(shù)字勘探發(fā)展的不同階段。

參考文獻：

陳強,王宏琳.2002.數(shù)字油田：集成油田的數(shù)據(jù)、信息、軟件和知識[J].石油地球物理勘探，37(1)：90-96.

陳新發(fā)，曾穎，李清輝.2008.數(shù)字油田建設與實踐: 新疆油田信息化建設[M].北京：石油工業(yè)出版社.

段鴻杰.2003.勝利油田信息化框架構建研究[R].山東東營：勝利油田博士后流動站.

郭元嶺.2010.油氣勘探發(fā)展規(guī)律及戰(zhàn)略研究方法[M].北京：石油工業(yè)出版社.

李清輝，文必龍，曾穎.2008.數(shù)字油田信息平臺架構[M].北京：石油工業(yè)出版社.

李青元,張麗云,魏占營,等.2013.三維地質(zhì)建模軟件發(fā)展現(xiàn)狀及問題探討[J].地質(zhì)學刊，37(4)：554-561.

邱旭明，嚴元鋒，唐焰，等.2014.蘇北盆地沙瓦油區(qū)滾動勘探方法研究[J].地質(zhì)學刊，38(1)：66-71.

石廣仁.2004.油氣盆地數(shù)值模擬方法[M].3版.北京：石油工業(yè)出版社.

孫旭東,吳沖龍,陳歷勝.2015a.油氣地質(zhì)綜合研討廳的設計思路與關鍵技術[J].石油實驗地質(zhì)，37(3)：383-389.

孫旭東，吳沖龍，隋志強，等.2015b.基于陸相斷陷盆地的油氣運聚模擬[J].西安石油大學學報，30(3)：1-5.

吳沖龍,毛小平,田宜平，等.2006.三維數(shù)字盆地構造-地層格架模擬技術[J].地質(zhì)科技情報,25(4)：1-8

王根海.2008.石油勘探哲學與思維[M].北京：石油工業(yè)出版社.

吳沖龍,劉剛,田宜平,等.2014.地質(zhì)信息科學與技術概論[M].北京：科學出版社.

翟光明,王玉普,何文淵.2007.中國油氣勘探綜合工作法[M].北京：石油工業(yè)出版社.

PRATT W E.1952.Toward a philosophy of oil-finding[J].AAPG Bulletin，36(12)：2231-2236.

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