丁玉璐 朱樂(lè)

油氣資源評(píng)價(jià)研究中的難點(diǎn)是描述各種地質(zhì)場(chǎng)景的不確定性，綜合定量數(shù)據(jù)和定性知識(shí)做出科學(xué)的決策。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是進(jìn)行不確定性概率推理的有效模型。本文首先以假想的油氣成藏為例，結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)得到后驗(yàn)概率并創(chuàng)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算成藏可能性；然后構(gòu)建塔河地區(qū)成藏可能性的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)設(shè)置證據(jù)節(jié)點(diǎn)，預(yù)測(cè)效果有較大改善。結(jié)果表明，應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可以在一定程度上提高油氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。

一、研究成因

地質(zhì)人員對(duì)地下認(rèn)知往往涉及眾多相互聯(lián)系又相互影響的系列地質(zhì)因素，這些因素本身及其相互之間的關(guān)系都存在大量的不確定性，一類(lèi)是由于人們對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)不足、信息缺失或知識(shí)缺乏而導(dǎo)致的認(rèn)知不確定性，如對(duì)成藏過(guò)程分析的不確定性造成的不同成藏模式解釋的差異；另一類(lèi)是客觀事物內(nèi)在本質(zhì)的隨機(jī)不確定性，如三級(jí)圈閉的資源量不能由其系列四級(jí)圈閉簡(jiǎn)單累加，需要客觀刻畫(huà)不同四級(jí)圈閉隨機(jī)出現(xiàn)的可能性。

針對(duì)這種不確定性問(wèn)題的研究，專家學(xué)者們也提出了多種預(yù)測(cè)油藏分布的方法，如李建華、龐雄奇等預(yù)測(cè)目的層段巖性油氣藏有利區(qū)分布通過(guò)求取TCDPS指數(shù)；徐野提出相應(yīng)的模型及算法通過(guò)結(jié)合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與信息融合技術(shù)；趙重遠(yuǎn)繪制出油氣成藏預(yù)測(cè)圖以已有的成烴期烴源巖或近烴源巖輸導(dǎo)層的構(gòu)造圖為基礎(chǔ)并且結(jié)合了成藏期后原生油氣藏的變化情況；操成杰、陳忠等分別應(yīng)用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)驅(qū)油理論、三維有限元法對(duì)某地區(qū)進(jìn)行油氣成藏預(yù)測(cè)。綜上分析，油氣成藏預(yù)測(cè)中，不確定性因素很多，而這些因素又具有不確定性、隨機(jī)性和相關(guān)性等特點(diǎn)。因此，本文以貝葉斯方法為基礎(chǔ)，建立油氣成藏模式分析貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，探索貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在油氣成藏模式中的應(yīng)用，希望能在一定程度上提高油氣勘探成功率。

二、 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

1.貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的定義。令G=（I，E）表示一個(gè)有向無(wú)環(huán)圖（Directed Acyclic Graph， DAG），其中I代表圖形中所有節(jié)點(diǎn)的集合，E表示有向連接線段的集合。令X=Xi 為有向無(wú)環(huán)圖中的某一節(jié)點(diǎn) 所代表的隨機(jī)向量，若節(jié)點(diǎn)X的聯(lián)合概率可以表示成 ，則稱X為相對(duì)于一有向無(wú)環(huán)圖G的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，其中，pa（i）表示節(jié)點(diǎn) i 的父節(jié)點(diǎn)（parents）。

在上述定義中，對(duì)于任意隨機(jī)變量，其聯(lián)合概率可由各自的局部條件概率相乘得到：

2.貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理類(lèi)型。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的推理是在給定證據(jù)節(jié)點(diǎn)值后，利用貝葉斯條件概率計(jì)算方法，計(jì)算出感興趣的查詢節(jié)點(diǎn)的概率。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的推理問(wèn)題有三大類(lèi)：后驗(yàn)概率問(wèn)題、最大后驗(yàn)假設(shè)問(wèn)題及最大可能解釋問(wèn)題。

①后驗(yàn)概率問(wèn)題是指根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中某些變量的取值，計(jì)算另外一些變量的后驗(yàn)概率分布。在此類(lèi)問(wèn)題中，已知變量通常稱為證據(jù)變量，記為E，取值記為e；需要計(jì)算其后驗(yàn)概率分布的變量稱為查詢變量，記為Q，需要計(jì)算的后驗(yàn)分布為P（Q|E=e）。

根據(jù)證據(jù)變量和查詢變量所扮演的因果角色的不同，后驗(yàn)概率問(wèn)題有四種不同的類(lèi)型：a.從結(jié)果到原因的診斷；b.從原因到結(jié)果的預(yù)測(cè)；c.在同一結(jié)果的不同原因之間的原因關(guān)聯(lián)推導(dǎo)；d.包含多種上述類(lèi)型的混合推理。

②最大可能解釋問(wèn)題。在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中，以變量消元法和團(tuán)樹(shù)傳播法為代表的確定性推理和以隨機(jī)抽樣算法為代表的近似性推理，當(dāng)節(jié)點(diǎn)眾多并且連接稠密時(shí)，它們的計(jì)算復(fù)雜度較高，精確推理算法不太適用。此時(shí)通常有兩種選擇：一種是利用概率分布中的局部結(jié)構(gòu)，如因果機(jī)制獨(dú)立和環(huán)境獨(dú)立，來(lái)進(jìn)一步降低精確推理的復(fù)雜度；另一種是降低對(duì)精度的要求，考慮近似推理算法，以求在限定的時(shí)間內(nèi)得到一個(gè)近似解。

三、油氣成藏模式貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造

1.假想成藏模式。以一個(gè)假想的成藏模式分析為例，構(gòu)造了一個(gè)有限的離散隨機(jī)成藏地質(zhì)因素集合U ={“構(gòu)造劇烈抬升”，“斷層是否封閉”，“近距離運(yùn)移”，“某一構(gòu)造帶成藏可能性”}的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)：假定“近距離運(yùn)移”是決定“成藏可能性”的唯一因素，“構(gòu)造劇烈運(yùn)動(dòng)”和“斷層不封閉”是決定“近距離運(yùn)移”的充分條件。其中，每個(gè)地質(zhì)因素Xi有有限個(gè)狀態(tài)（本文假定有兩個(gè)狀態(tài)：成立和不成立），利用該網(wǎng)絡(luò)可以求取不同成藏地質(zhì)因素在不同狀態(tài)組合下的聯(lián)合概率。

其中 是一個(gè)隨機(jī)變量集合，使得 與 在 條件下獨(dú)立。以岐中斷裂帶為例，采用三個(gè)成藏條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置構(gòu)建的特定地質(zhì)場(chǎng)景來(lái)分析其成藏可能性：假定“近距離運(yùn)移”是其成藏主要影響因素，同時(shí)假定兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的地質(zhì)事件是決定“近距離運(yùn)移”的充分條件，并通過(guò)現(xiàn)有地質(zhì)資料對(duì)上述地質(zhì)事件給出盡可能客觀的可能性定義及設(shè)定每個(gè)節(jié)點(diǎn)各種可能概率值，利用團(tuán)樹(shù)傳播算法進(jìn)行確定性概率推理，獲取近距離運(yùn)移及成藏可能性的后驗(yàn)概率，從而構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。

隨著鉆井資料對(duì)該構(gòu)造帶斷層封閉性驗(yàn)證，確定為不封閉，即“斷層不封閉”節(jié)點(diǎn)可作為現(xiàn)有證據(jù)結(jié)點(diǎn)，重新進(jìn)行確定性和不確定性概率推理，動(dòng)態(tài)調(diào)整其它節(jié)點(diǎn)的概率值，以最終檢驗(yàn)上述成藏條件配置的合理性。通過(guò)設(shè)置斷層不封閉為證據(jù)節(jié)點(diǎn)，近距離運(yùn)移和成藏可能性的概率值都有所增加。因此，以上構(gòu)建的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，在某個(gè)地質(zhì)場(chǎng)景很確定的情況下，會(huì)對(duì)成藏可能性造成很大的影響，從而對(duì)探索油氣勘探成藏模式提供了新的方法。下面對(duì)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行探索并構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，分析成藏可能性。

2.塔河成藏預(yù)測(cè)。在多旋回海相沉積盆地中，多期構(gòu)造活動(dòng)的疊加導(dǎo)致多期生烴過(guò)程、油氣輸導(dǎo)體系演化與運(yùn)聚機(jī)理和油氣多期成藏與保存等，使得碳酸鹽巖儲(chǔ)層成因多為多因素的聯(lián)合控制和多階段的復(fù)合成因。而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)很適合定量描述碳酸鹽巖層系復(fù)雜地質(zhì)場(chǎng)景和成藏過(guò)程的不同地質(zhì)因素的可能性，通過(guò)團(tuán)樹(shù)傳播和隨機(jī)取樣兩個(gè)算法進(jìn)行確定性（精確）和不確定性（相似）貝葉斯推理，可以分析最大可能的碳酸鹽巖儲(chǔ)層成因機(jī)制。此外，在某些地質(zhì)事件或儲(chǔ)層成因被確認(rèn)的情況下，可實(shí)現(xiàn)針對(duì)上述地質(zhì)活動(dòng)結(jié)果的反向求解過(guò)程，獲取假設(shè)地質(zhì)變量條件下的后驗(yàn)最大可能成藏模式（最大后驗(yàn)假設(shè)）。結(jié)合相關(guān)資料與實(shí)際的應(yīng)用背景，最終決定設(shè)定沉積相控制、不整合面控制、流體（巖溶）作用為證據(jù)節(jié)點(diǎn)（此處為軟證據(jù)）。對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，有時(shí)不可能只對(duì)某一個(gè)或兩個(gè)場(chǎng)景的可能性很確定，或許更多。因此，對(duì)于以上塔河成藏可能性，有三個(gè)確定場(chǎng)景，即沉積相控制、不整合面控制、流體（巖溶），并將其設(shè)置為證據(jù)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比可知即在不確定的情況下，成藏只有不到一半的可能性，但在確定了某些場(chǎng)景并設(shè)置為證據(jù)節(jié)點(diǎn)后，大大的提高了成藏可能性。這對(duì)于地質(zhì)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)極大的好消息。

四、 總結(jié)與展望

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)很好的用來(lái)建模潛在的依賴關(guān)系的工具。它很靈活，可以處理不同的地質(zhì)類(lèi)型；也很簡(jiǎn)單，可以使參數(shù)的數(shù)量保持在較低水平。本文嘗試將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)引入油氣成藏預(yù)測(cè)領(lǐng)域，并通過(guò)塔河巖溶儲(chǔ)層成因分析為例進(jìn)行說(shuō)明，文中所構(gòu)建的基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理的油氣成藏預(yù)測(cè)為地質(zhì)人員提供了解決問(wèn)題的新思路。

以系統(tǒng)論為指導(dǎo)的油氣成藏體系研究過(guò)程，其實(shí)質(zhì)就是對(duì)成藏要素從靜態(tài)特征和動(dòng)態(tài)演化兩個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)分析，分析的結(jié)果可以基于不同的形式（定性和定量）來(lái)表達(dá)。石油地質(zhì)學(xué)家往往是根據(jù)對(duì)某些地質(zhì)事件的認(rèn)識(shí)，結(jié)合己知的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行定性成藏模式分析，注重強(qiáng)調(diào)圍繞油氣藏的“生”、“儲(chǔ)”、“蓋”相關(guān)的系列成藏條件展開(kāi)靜態(tài)定性成藏模式分析，而對(duì)于“運(yùn)”、“聚”、“保”等成藏過(guò)程的動(dòng)態(tài)定量成藏過(guò)程分析仍然是研究相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。二者的差異在于：靜態(tài)分析關(guān)注基于某種特定地質(zhì)場(chǎng)景假設(shè)，推斷每個(gè)成藏地質(zhì)條件的主觀可能性。

但所面臨的問(wèn)題是，對(duì)某一成藏地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)往往存在不確定性或者多解性。比如，針對(duì)某一油氣成藏的烴源巖是單源還是多源？如果是多源，那么不同來(lái)源的烴源巖的貢獻(xiàn)是多少？這些假設(shè)問(wèn)題的提出不是立刻就能夠得到答案的，很多問(wèn)題甚至隨著勘探程度的提高而仍然不得其解。動(dòng)態(tài)分析則考慮地質(zhì)模型的多解性，假定不同成藏條件間的條件關(guān)系配置以及不同地質(zhì)場(chǎng)景假設(shè)情況下的后驗(yàn)調(diào)整，展開(kāi)針對(duì)后驗(yàn)概率、最大后驗(yàn)假設(shè)或最大可能解釋問(wèn)題的貝葉斯推理，從各種地質(zhì)假設(shè)中尋找最有可能的成藏模式或地質(zhì)模型。

（作者單位：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢））