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GIS在油氣勘探中的應用

  來源:安全管理網 
評論: 更新日期:2020年07月24日

摘要 GIS 是以空間數據為基礎,在計算機軟硬件的支持下,對地理空間數據進行采集、管理、處理、分析及可視化的科學與技術。早期GIS主要用于數據管理、查詢及圖形數據的顯示,隨著GIS理論與技術的不斷發展與完善,對空間數據的處理與分析得到了越來越廣泛的關注,其應用也將逐漸擴張到社會生活的方方面面。與其他資源與環境科學一樣,油氣勘探作為一項復雜的系統工程,所處理的對象具有其固有的空間特性,同時處理這些對象在地下精確的空間位置信息及屬性信息是一個相當復雜的信息處理過程。本文將重點介紹GIS在油氣勘探過程中的應用,探討有關GIS在油氣勘探中應用的問題。

關鍵詞 GIS 油氣勘探

石油行業GIS 發展概況

1.1國外石油行業GIS發展概況

石油行業是一個空間數據和圖件密集型行業,然而GIS在國土資源管理、地理科學、環境科學等領域的廣泛應用相比,GIS 在石油行業應用起步較晚。1990年以前,有關GIS 在油氣勘探中應用方面的參考文獻較少,根據Georef統計,不超過10篇,最早涉及GIS 在油氣勘探中應用的文獻見于1982年美國NASA的會議記錄《NASA Conference Publication》。 1990年以后,有關GIS 在油氣勘探中應用的文獻逐漸增多,一些相關的學會如美國地質協會(AAPG)開始安排GIS應用專題和召開GIS 應用專題年會。同時一些GIS公司也成立了油氣行業應用小組,討論GIS在油氣行業中應用的可能。如GITA(Geospatial Information & Technology Association空間信息與技術協會)從上世紀90年代初期開始召開每年一次“GIS for the Oil & Gas Industry Conference and Exhibition”年會,ESRI公司從1991年起成立了ESRI石油用戶組(ESRI Petroleum User Group-PUG),每年召開一次用戶大會,就GIS在油氣田勘探開發中的應用進行研討。2000年,AAPG就計算機在地質學中的應用??芯庉嫵霭媪恕禛eographic Information Systems in Petroleum Exploration and Development》一書,專門介紹GIS在油氣勘探領域應用的最新成果,極大地推動了GIS 在油氣田勘探領域的應用和推廣。

九十年代以來,GIS在油氣行業的應用逐漸增多。1990 年代初,一些跨國公司,如Shell公司、Chevron公司已經開始嘗試采用GIS管理油氣勘探數據。運行實踐表明,運用GIS平臺管理分析油氣勘探開發數據,可以有效的提高空間數據管理能力,協同作業能力和生產決策效率,從而提高數據價值,并支持勘探和生產的全球化運作,減少由于地圖錯誤導致的鉆井失誤,減少因施工導致的管道和通信設施的破壞,避免錯誤的理解邊界的定義等。

1998年,“數字地球”的概念提出以后,“數字油田”的概念也提出來。實際上,之前類似的概念早已提出,如Smart field ,i-field ,e-field等,但是這些概念并沒有像數字油田一樣一經提出便得到油氣行業的認可。其中一個重要原因就是GIS近年來在油氣行業的廣泛應用使數字油田的概念變得更實際和可操作。

1.2我國石油行業GIS發展概況

相對于其它行業來說,我國石油行業計算機應用、特別是數據庫建設起步早,專業化程度較其他行業高。如大慶油田從1985年開始建設勘探數據庫,勝利油田從1985年正式建設勘探數據庫。數據庫的建設為GIS的應用打下了良好的基礎。但是由于石油行業的特點,GIS的應用并不比其他行業早。1990年代中后期,部分油田開始嘗試引入GIS軟件管理油氣勘探數據。同時,一些公司也開發了一些以油氣專業圖形編輯與分析為主的軟件,經過進20年的發展,GIS已經在各油田得到廣泛應用,目前發展狀況主要有以下特點:

石油行業對GIS的認同感不斷增強

基于GIS的油氣勘探集成系統初現端倪,數字油田建設納入規劃

基于GIS的應用越來越廣

GIS 油氣勘探中的應用

2.1 GIS與石油行業專題制圖

石油賦存于地表以下,看不見,摸不著,長期以來,人們對石油的勘探主要通過物探、測井等間接方法結合鉆孔取心獲得的“一孔之見”和地表地質調查獲得的感性認識,制作各種專題圖,在地質和油氣成藏理論的指導下,分析和圈定油氣在地下的賦存規律和聚集場所。因此,石油行業的各種專題圖(如構造圖、等厚圖、各種地質剖面圖、沉積相圖、儲層分布與評價圖、生油巖分布圖,油氣資源評價與預測圖等) 的制作一直是石油地質工作的有機組成部分,在開展多學科、多途徑的石油地質科研下作中,自始至終都運用制圖方法表現它的研究成果,然而,傳統的石油地質制圖過程尚存在以下不足:

(1)勞動強度大、效率低、重復勞動多。傳統的石油地質制圖工作一般由手工完成,其基本工藝流程是: 人工讀取各種專題數據、將數據按地理位置坐標標定于各種紙制底圖上,勾繪各種專題圖草圖,繪圖員清繪或手扶跟蹤數字化后計算機輔助圖件清繪。顯然,這種工藝流程勞動強度大,效率底,且同一區塊隨著勘探程度的不斷提高, 每年有大量相同的圖件需要更新,盡管只有少量的數據的增加或修改,圖件的手工更新也只能是全圖重新編制,從而帶來大量重復性勞動。此外,盡管月前有許多專業分析軟件提供了機助資料解釋和成圖功能,但這些軟件往往各自為陣,最終提供給用戶的為各種圖形產品,不能將生成這些圖形的數據以統一的數據庫格式形式提供給用戶納人統一的數據庫管理中,以便數據的共享和數據的再利用,從而避免諸多重復勞動。

(2)圖件的管理繁雜,利用率低各油田單位每年生產的大量紙制圖件需要人工編目管理存檔,圖件的存儲、管理、借閱手續繁雜,且存在資料易破損、無法實現異地查閱和使用等弊端。

(3)制圖綜合能力差。由于油田生產和研究的需要,同一地區基于不同的目的往往需要編制同類型的不同比例尺的圖件,不同比例尺圖幅之間的縮放拼接和制圖綜合均需要手工完成,不僅工作量大、繁瑣,而且精度低。

(4)多圖幅的綜合分析研究主要停留在“目視判讀”階段,受人為因素影響大。石油勘探開發的許多研究工作需要多圖幅的綜合分析,如在儲層等綜合評價中,石油地質家通常的工作方法是分別編制孔隙度、滲透率和沉積相平面圖,建立儲層評價標準,通過這些圖件的判讀與分析,編制儲層綜合評價圖,進而對研究區儲層進行綜合評價。顯然,這一工作方法主要是受人的知識結構制約的“目視解譯”,特別是所劃分的不同類型儲層的界線存在不確定性。如果能實現各種圖件的數字化管理,上述工作過程通過GIS 的疊加分析實現將快捷方便,且大大減少了分析結果的“二義”性。

(5)無法實現各種專題圖的三維可視化顯示。石油賦存于地下一定的地理空間中,是一個三維的地質體,長期以來,由于難于實現地質體的二維立體表達,石油地質家們通常是用一維(剖面圖和單井柱狀圖)和三維(各種平面圖)圖形相結合的方法表達三維地質體。實現地質體的二維多視角的可視化表達一直是石油地質家的夢想,GIS 的出現無疑使這種夢想的實現成為可能。顯然,以上諸多不足表明傳統的石油地質制圖方法在某種程度上已不能適應迅速發展的油氣田勘探、開發、研究的需要,迫切要求盡可能提高制圖過程自動化,GIS 的出現為石油地質專題制圖提供了現代化的技術手段。GIS應用于石油地質專題制圖,可實現各種專題圖的數字化,建立圖形和屬性兩類地學數據相結合的數據庫,各種專題信息全部存貯于計算機中,實現對地圖數據分層信息成片存貯,易于管理和查詢,可靈活地分幅檢索、添加圖幅、刪除圖幅,圖件的更新、多圖幅的拼接、制圖綜合和綜合分析方便快捷。此外,借助INTERNET還可實現資源的遠程共享;利用GIS 的數字高程模型(DEM)使各種專題制圖立體顯示成為現實,為石油地質家從多視角、多側面觀察、分析石油的賦存規律提供了新途徑。

2.2 GIS與盆地模擬

盆地模擬是以盆地演化、油氣成藏等方面的基本理論為指導,利用平衡剖面的正反演技術、盆地沉降和充填的回剝分析技術、油氣形成、運移和聚集成藏的動態模擬技術等技術手段對含油氣盆地形成演化史、構造發育史、油氣運聚史進行定量、半定量模擬研究的一項綜合性石油地質研究方法。近年來,隨著計算機技術的迅速發展,盆地模擬在盆地分析中得到了廣泛應用。然而,由于盆地的發育存在不可逆性,盆地模擬是以盆地內現今保留的地質記錄為基礎,對過去未知世界的一種科學推斷,其中存在諸多不確定性,因此,其結論的可靠性在很大程度上取決于所利用的技術手段的先進性和利用數學方法表達的精確性。GIS 的許多空間分析功能可直接運用于盆地模擬中,作為盆地模擬技術方法的數學表達的有益補充,有時甚至可以使一些通常難于實現或無法實現的技術變得輕而易舉,例如,利用GIS的地圖代數功能,可以方便地將盆地沉積厚度圖、古海平面變化圖、古水深圖等直接作為參數代人沉降量計算公式中,直接顯示輸出不同時期盆地的古構造形態,以此為依據定量分析盆地的時空演化和古構造發育史,且隨著盆地勘探研究程度的提高,數據的修改、更新和圖形化顯示將非常方便。另一方面,盆地作為地下三維空間的一個非均質體,從地質時間的尺度考察,組成盆地的諸要素在時空上均經歷了長期演化,并還在不斷變化著,在盆地模擬中,考慮時問因索的三維地質空間的研究更為重要,對于復雜地質對象的模擬,不僅僅只是模擬它的剖面、平面特征,更重要的足其內部結構構造、空間特征和時空變化規律的模擬研究,以揭示地質體不同角度、不同方向、不同深度的特征。在盆地三維可視化模擬方面,以往的各種方法遇到了無法克服的困難。隨著GIS 的三維數據模型的建立和不斷完善,將GIS 的二維空間分析和可視化技術應用于盆地模擬,將實現盆地的真三維模擬,斷層封閉性的三維可視化、生油層、儲集層和蓋層空間展布的可視化,以及盆地三維成藏動力學模型的建立將變得簡便易行。使從任意方向、任意視點和任意深度觀察地質體的內部結構,探討其空間變化規律成為可能而發展中的時態GIS 應用于盆地模擬將使建立時空一體化的盆地演化和成藏動力學模型成為可能,具有十分廣闊的發展前景。

2.3 GIS與油氣資源勘探開發管理

石油作為國家能源的支柱產業,由石油勘探、石油開采、石油化土等多個部門組成,其中油氣勘探開發是石油工業的基礎,在國民經濟中占有很重要地位。近年來,為提高辦公效率,石油行業軟件開發人員在微機上研制了大量的辦公自動化軟件,如地質繪圖軟件包、油藏工程軟件包、地質數據庫軟件包及其它相關應用軟件包等,這些軟件對提高石油行業的辦公自動化水平、提高辦公效率發揮了重要作用,但由于微機上軟件開發環境的限制,以及各種管理信息系統在圖形數據管理及空間分析方面的固有不足,目前在石油行業應用最多的是量化信息統計、計算及描述性信息的保存與一些簡單處理軟件。對廣泛應用于油氣田勘探開發的圖形、圖像信息,尤其是成果圖的管理與應用方面的實用軟件相對較少。隨著油田開發時間的增長,我國東部的油氣田大部分己經進人了中后期開發階段,在整個勘探開發過程中,積累大量的包括各種地質圖件在內的地質信息,這些信息的綜合應用對指導油田生產具有重要意義。因此,迫切需要對這些圖形、圖像信息進行有效的保存管理。另一方面,各種地面公共設施(包括油、氣運輸管網、通訊線路、供電線路及泵站、公路、鐵路等)和自然條件(河流、湖泊、城鎮等) 與油氣田的勘探開發有著密切關系,它們都將直接影響著勘探的進程、質量等。將地面地理信息與地下地質信息在同一應用平臺上有機地結合起來,是石油行業中軟件開發人員近年來共同關心的問題. GIS 應用于油氣田勘探開發管理為圖形、圖像信息的有效管理和地面地理信息與地下地質信息的一體化管理開辟了有效途徑,國內已有一些專家學者開始這方面的研究和開發工作。如陳偉等(2001) 對GIS 在油田開發管理方面的應用作了較詳細探討,認為油田開發涉及到多種信息來源,按照信息的組成和結構特點,可劃分為三大類: 屬性類信息、空間類信息、空間屬性類信息。屬性類信息包括油井的生產數據、設備監控數據、井深剖面數據等??臻g類信息主要是二維地圖類信息,包括油田地理分布、地面管網與站場分布、電力供應網絡與設備分布等??臻g屬性類信息主要是連續參數分布類信息,包括儲層的井間剖面結構、層位分布、油藏體的三維結構和參數分布等。為實現地面生產設施和地下油藏的描述,需要在三維空間中描述油藏, 1種有效的處理辦法是: 利用現有的二維GIS 開發工具集成屬性類信息和空間類信息,對于空間屬性類信息的三維空間問題應用特殊的圖形工具,輸出等值線圖、剖面圖、三維構造圖,并且構造專門的三維空間算子。此外,油藏是一種不可直接觀測的復雜時空系統,只能通過生產井進行監測,獲得井筒附近的儲層物性參數和近井地帶的流體分布,需要利用井筒觀測數據進行空間推斷,刻畫油藏的內部狀態分布及其變化。要達到此目的,一方面需要應用油藏工程方法分析油井生產動態數據,另一方面需要應用地質統計學方法進行空間插值,獲得油藏整體描述??傊?,適合油田開發生產管理的GIS 應用系統框架應該包括基于地質統計學方法的地質建模、三維圖形可視化表達、多層次GIS 工具的集成,擴展GIS 的三維空間描述與分析功能。

2.4 GIS與油氣資源評價

油氣資源評價是通過對多源地學信息的綜合分析。對某一地區的油氣資源潛力進行綜合評估,優選出有利區帶,為進一步勘探開發部署提供決策支持的一種系統工程,在油氣田的勘探開發中具有重要作用。隨著油氣勘探上作的深人和發展,已取得了大量的多源地學信息,如地質、地球物理、地球化學、遙感等資料。怎樣從這些眾多的資料中提取有用信息進行綜合分析,達到油氣資源評價的目的,一直是石油勘探部門和石油工作者探索的課題。過去,用人工的方法進行此項工 作,不但費力、費時、投資大,而且難以達到預期的效果,方法技術也不利于推廣。隨著計算機技術的飛速發展,并廣泛應用于各行各業的科學研究中,利用計算機技術高效、快速地處理大量地質資料已成為可能,尤其是近年來發展起來的地理信息系統(GIS ) 在油氣田勘探開發領域的應用,為綜合處理地學資料和進行油氣資源評價開拓了廣闊的前景。進行油氣資源評價必須考慮大量的石油地質因素,包括基礎地層研究和目的層段的生、儲、蓋及它們的組合關系,圈閉、油氣的運移、保存等諸多條件及資源量和經濟評價等。這些因素均與一定的地理空間位置相聯系,具有空間信息的特點,石油地質家通過基于石油地質理論的分析和研究,將諸多因素以圖形方式表達,最終通過對各種圖件的綜合分析達到油氣資源綜合評價的目的。顯然,GIS 的強大的空間數據錄人、處理、分析和表達功能使上述工作的實現更加快速、高效,且能提供常規方法難以實現的分析和研究手段,提高油氣資源評價的可信度。利用GIS輔助油氣資源評價的方法和步驟主要包括:

(1)數據的輸人與管理: 將油氣資源評價需要的各種地理或非地理因素輸人計算機,形成一體化的數據庫,不僅節省大量重復的毛作,并使各類不同的信息相配合應用,便于綜合分析。GIS 對數據的管理采用分層方式,稱之為圖層,地質中的每一類特征數據都可以單獨組成一個圖層,也可以合并若干類特征數據組成一個新的圖層、因此用GIS 對數據進行管理,數據的提取和修改十分靈活和方便

(2)數據的處理: 油氣資源評價數據庫中的各種輸人資料需要經過各種處理(如數據的去噪、數據的變換等) 才能為油氣資源評價所利用,GIS 能為石油地質資料的處理提供方便、快捷的手段和方法,將石油地質資料的收集整理和應用提高到一個新的層次,從而大大提高綜合因素的數量及評價結果的可信度。此外GIS 的數據處理分析模塊具有圖形拼接、地圖比例尺變換,布爾分析等功能,可方便地將不同凹陷的地質數據或圖件匯總拼接,進行各凹陷對比分析和評價。

(3)分析計算與各種專題圖的編制: GIS能對存貯的信息進行綜合的統計計算、建模分析,如面積計算、插值與形成等值線、繪制各種平面圖和剖面圖、建立空間分析模型、時間序列分析等尤其是GIS特有的地圖代數功能可將各種圖形作為變量進行代數運算,將計算結果以表格和圖形的形式直觀表達,為油氣資源評價決策提供更可靠依據。如果用各種地質統計方法對GIS 的空間分析與量算功能進行擴展,將使GIS 在地質統計分析及專題制圖方面的功能更為強大

(4)輔助決策支持: 油氣資源評價的最終目的是綜合評估一個地區的油氣資源潛力,優選出有利區帶,為進一步勘探開發部署提供決策支持。決策支持是GIS 的重要功能之一,GIS 的輔助決策支持功能應用于油氣資源評價,將使油氣資源評價建立在更可靠的基礎之上,降低勘探風險。一方面,由于計算機是以數字化的方法儲存資料信息,使得這些被貯存的資料具有較高的精確性,在此基礎上編制的各種統計表格和圖件也具有較高的精度,從而使研究精度大大提高。另一方面,GIS 功能齊全的數據輸人、輸出功能. 可以用表格、任一方向的切面圖、各種類的平面圖和任一視角的三維立體圖直觀表達中間或最終結果,輸出于各種介質上,并可隨時根據新的資料進行修改補充,以形象化的表達來啟發思維,此外,一些GIS 輔助決策支持模塊應用于油氣資源綜合評價可使一些常規方法只能定性表達的評價指標定量化和直觀化。如通過GIS 的各向異性耗費表面分析,可直接顯示油氣運移路徑,為圈定油氣聚集場所提高可靠的決策支持。

參考文獻:

[1]. 周子勇、李芳玉. 石油地理信息系統導論.

[2]. 劉學鋒、孟令奎、趙春宇, 地理信息系統(GIS)在油氣勘探開發中的應用. 2009.

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