慧眼识宝藏 科学创财富---地震勘探智能信息处理系统

 

中国科学院院士  清华大学自动化系教授  李衍达

 

 

    我国神话中有不少神人、仙人，他们大智大慧，晓天洞地，奇功异能，无所不及。抛却迷信色彩，这是劳动人民的良好愿望。然而，只有在科学高度发展的今天，嫦娥奔月、千里眼、顺风耳、腾云架雾、下海入地才真的变为了现实。科学的方法才是晓天洞地的慧眼，科学技术才是创造财富的第一生产力。宇宙是浩瀚的，无论是宏观世界还是微观世界，都还有非常多的领域需要我们去研究、去探索，地震勘探数据的处理就是其中的一个领域。

 

 

    为了帮助国家寻找油气资源，从八十年代初起，我们就介入地震勘探数据处理的研究。通过几年的实践，我们感到由于地下地质情况复杂，用传统的地质勘探方法找油越来越困难，需要有新的突破。经过深入分析，我们意识到传统方法命中率低的主要原因在于仅用地震勘探法得到的资料对寻找地下油藏来说，信息量是不够的，需要综合利用地质师的地质知识和测井的信息。虽然地质师在解释地震剖面时也在头脑中综合利用了地质经验与测井知识，但是这种综合是模糊的，受限于地质师个人的经验与水平，不同的地质师可能有不同的解释结果。如果能发展出一种智能技术，使计算机能帮助地质师来综合利用这几种信息，就有可能较大地提高勘探的命中率。因此在八十年代中后期，我们就提出研究地震勘探智能信息处理系统这一课题，当时这在国内外都是属于较早提出的研究课题。

 

 

    油气勘探是风险很大的事情，打一口井在陆上需花费数百万元，在海上则要耗资数千万元，而且初探井的成功率往往不到1/10。经过长期的实践，大家逐步认识到，由单一的地球科学学科（如反射波地震勘探或测井）收集到的信息不足以唯一确定地下界面的构造及参数。为了在某些程度上解决这一问题。人们提出了一些数学方法，如吉洪诺夫的正则化方法等，但应用这些数学方法往往不能得到符合地质情况的结果，虽然在数学上它是稳定的、唯一的。单凭数学方法并不能解决信息量不足的问题，还要综合利用其他学科所获取的信息，现在这种观点已被人们广泛接受。

 

    对一个储层体来说，如果取一口井的10%的岩心，大体上是对该储层体积进行了十亿分之一（10^-9）的采样。如果把所有的岩心收集起来，采样增加了10倍，也仅是十亿分之十（10^-8），再利用测井等方法还可将采样提高10倍，即为10^-7。即使用地震勘探如三维地震勘探和扩展的垂直地震剖面，其采样也不过占储层体积的十万分之一（10^-5~10^-3），仍然是很低的，这从另一个侧面说明靠单一方法所采集到的信息是不充分的。将测井、地球物理与地质、岩石物理等多学科相互结合以寻找油气藏，已被公认为具有最佳地质一经济效益的技术途径。

 

    例如，油藏描述是指发现一个地下油气藏后，如果利用各种技术手段以获得对油气藏的构造、特征、分布范围、岩性参数等尽可能详细和准确的描述，这是油气勘探和开发中十分重要的一步。油藏描述所依赖的基本资料主要有三类：一类是基础地质资料，包括关于该油气藏的地质环境、成因、地质特点等的了解以及在过去的勘探中积累经验。这些资料以定性信息为主，很大一部分只存储于地质专家的头脑中；第二类资料是钻井与测井资料，它可以提供井眼附近较为准确、可靠的地质信息，其纵向分辨率很高，但影响范围常常受到限制，正所谓只是一孔之见；第三类资料是反射波地震勘探资料，它的覆盖范围广，有较高的横向分辨率，但只是一种间接的观测资料，而且纵向分辨率较低。这几种信息各有优点又各有不足，只有将三者合理结合起来，才能得到对一个复杂油气藏的较准确的描述。这就需要用到智能综合技术，其核心问题是如何将定性的知识与定量的知识结合起来，将来自不同的观测系统和具有不同量纲、不同分辨率的数据综合起来。这个问题本身也是对智能技术的一种挑战。我们采用的方法并不是完全离开人，而是一种人机结合的技术，其目的是将人的智能与机器智能充分结合。

 

 

    为了要把测井，地震勘探资料与地质师头脑中的地质知识与经验这三者结合起来，我们进行了长时期、多方面的探索。

 

    首先，我们探索如何将测井资料与地震勘探结合的问题，这两者都是定量的数据，但是来自不同的观测系统，其观测范围与分辨率有很大不同，测井资料只适用于局部范围，分辨率可达到厘米级，地震资料适用于较大范围，分辨率一般为几十米，两者如何综合呢？关键点在于如何将同一地点的两种资料对比起来，找到结合点，因此我们研究出一套智能比对技术，首先利用专家经验定出大范围内的一些关键比对点，然后再对局部区域综合运用信号处理与模式识别方法解决局部区域的比对问题，由于巧妙的综合了人的知识与数学方法，我们就可以将测井资料与地震资料结合，在这个基础上，我们研制出一个测井资料的智能比对系统，它具有对测井与地震资料进行尺度变换，非线性伸缩，专家标定，智能比对等功能，这一系统再加上我们研究出的地震资料高分辨率处理方法以及高频分量横向扩展方法等，可以较好地解决测井资料与地震资料的综合问题。

 

 

    接下来，我们研究的重点转向如何将地质师头脑中的定性经验与地震资料这种定量数据相结合的问题。这是一个更为困难的问题，也是目前世界上尚未能很好解决的问题。

 

    过去，人们曾试图用构造一个专家系统的方法将地质师头脑中的专家知识提取出来。但构造专家系统时遇到很大困难，因为地质师头脑中的地质经验很多是模糊的，一些方面很难用语言描述清楚，因此，让地质师说出他自己的经验时，专家们往往表示难以讲清楚，即使总结出一部分，也不够确切与全面，因此，利用专家系统的方法是计算机专家提出来的，并不切合地质专家的情况。那么，究竟用什么方法可以使地质专家很好表示他们的经验与看法呢，一段时间以来成为我们思考的一个难题。

 

     但是，一次偶然的机会，使我们找到解决这一难题的钥匙，事情的经过是这样的：在渤海一个浅海区的勘探中，两组地质师提出两种不同的意见，一时难以决断。原来，根据地质经验，油气往往储存于海底的高部位（较浅的部位），但是，在该区的高部位打出的井却是干井，而在低部位却打出油气井。因此，一部分专家主张继续在低部位打井，另一部分专家则主张向高部位打井。在海上打一口井需花上千万元，风险大，油田勘探负责人一时难以决定。由于知道我们在综合多种信息以及地震勘探中有较深入的研究，因此，希望我们给出一个意见，并与我们共同探索这一问题，这就使我们有了一个与地质专家密切结合的机会。

 

 

    在这一地区只打了四口井，可以利用的数据不多，我们应用我们提出的SOM分析法对地震资料的地震波特征进行自聚类分析，又利用将测井与地震资料相结合的方法，用测井资料对地震的自聚类图加以标定，从而形成一种油气分布预测图，这种图是在地质结构上加上不同的颜色以表示油气的可能分布，由于选用不同的地震波特征，就可以得到不同的自聚类图，而到底选用什么特征是需要根据地区的特点的，我们不了解该地区的特点，因而，就用多种特征组合产生了多张自聚类图。当我们把许多个这种聚类图提交给地质师以征求他们的意见时，地质师对这些图都很感兴趣，最后，他们从多张图中选出一张图说这张图很符合他们头脑中想像的这个地区的地质构造。综合地质师的意见，我们就可以给出对这个地区油气藏的预测图了，这张预测图表明，这个地区与一般的地质经验不同，应该在低部位地区继续打井。由于这种预测也符合地质师头脑中的关于该地区的地质模式，因此，也得到地质师的支持，但是，我们提供的预测分布图却比地质师头脑中的地质模式精细得多了，因为在细节部分应用了测井与地震资料，因而可以得到更为准确的图形。根据我们提供的预测图，地质师选定了井位，连续在低部位打了两口井，结果都是高产油井，打井的结果与我们预测的结果相当符合。

 

下表列出了部分我们预测与实测结果的比较，它说明我们预测估算结果是比较准确的。

 

井号	深度（m）	砂层厚度（m）		砂岩含量
		实测	估算	实测	估算
A	1 233~1 410	37.5	/	20%	/
B	1 242~1 420	51.9	/	29.2%	/
C	1 239~1 416	21.8	/	11.8%	/
D	1 264~1 441	42.1	42.4	23.2%	23.7%
E	1 261~1 440	45.6	42.8	25.2%	23.9%

 

  

  应用这个方法与打井相结合，我们已在该地区找到了四千万吨的石油储量。更重要的是，这一经历给了我们如何使地质师的经验与定量数据相结合的一种启发。地质专家将关于某地区油气藏的知识综合在一起，在头脑中形成一个模糊的油气藏分布的趋势和模式（例如弯曲河流形、三角洲形等），这种模式是以2维或3维图形表示的。如果我们给出一个2维或3维的分布图，地质专家很容易将图上的模式与其头脑中的模式进行比较，从而给出评价意见。如果两者一致，并假设地质专家的经验正确地反映了储层分布的实际情况，则可认为我们所选的特征集是正确的。反之，如果两者不一致，则应另选一组特征，重复这一过程直到得到我们所需的特征集。这种人机结合所选的特征可保证与地质专家综合了多种地质知识与经验而形成的地质模式相一致，同时又避免了地质专家描述其多种知识与经验的困难，而且这种方法与地质专家习惯的表示方法与思维方式相一致，因而容易为地质专家所接受。实际上这是一种基于“模式”的人机结合方法，由于人类分析问题往往采取一种模式分类的方法，如果我们只将特征用数字、表格的形式交给专家，他们很难将其与头脑中的“模式”相比较。而将特征进行聚类、划分类别，再映射回原地理位置，这样分类后的特征便会呈现某种分布，或者说是某种“模式”，则专家很容易进行模式对比和分析。可以认为，基于模式分析的人机结合方法是将人的定性经验和模式识别等定量分析方法相结合的一条有效途径。正是由于采用了这种方法，使我们的方法有别于一般的模式识别方法，并且在应用中取得了成功。

 

    现在，我们研制的地震勘探智能信息处理系统已在国内20多个油田中使用，发挥了应有的作用。

 

 

    根据这些成果，我们提出了“模式预测理论”，这一理论为解决将定性经验与定量数据相结合问题开辟了一条新的思路。我们发展的综合多种信息的智能技术从原理上来说，也可广泛应用于各类反演问题。据统计，人类所面临的问题，大部分是反演问题，因此，这种智能技术有着广阔的应用前景。