碳酸盐岩储集层知识库构建方法及其在缝洞型油藏地质建模中的应用

何治亮，孙建芳，郭攀红，魏荷花，吕心瑞，韩科龙

（1.中国石油化工股份有限公司，北京 100728；2.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083）

0 引言

中国含油气盆地碳酸盐岩储集层埋藏深、类型多样，其中，岩溶缝洞型储集层受古地貌、构造及岩溶作用控制，储集空间尺度差异大，非均质性强，空间分布规律复杂，地球物理响应特征多解性强，有效储集层识别、预测、描述和建模非常困难[1-3]。目前储集层研究主要依靠井-震结合手段，由于单井受岩心和测井资料限制，井间受地震预测精度限制，精细表征不同成因类型碳酸盐岩储集层的难度极大[4-9]。

随着计算机运算能力的大幅度提升，基于训练图像的多点统计学地质建模方法和基于样本的深度学习等机器学习类算法发展迅速，其应用领域快速拓展，应用效果不断提升。在碎屑岩储集层研究方面，国内外机构通过建立碎屑岩河流相储集层地质知识库，使地质模型的不确定性显著降低[9-14]。由于训练图像整合了各种数据，获得了各种地质先验知识，如沉积成因、沉积规模、空间形态和展布规律等，较全面获取了储集层单井模型的统计分析等知识[15-20]。因此，基于知识库能够有效提高训练图像的质量，并能够成功用于多点统计学地质建模。

在碳酸盐岩储集层研究方面，由于缺乏有效的数据和知识管理手段，导致这些碎片化知识分散在数据库或专业系统、个人机器以及冗长的研究报告中，难以完整的获取这些知识，从而使得储集层建模能够获取的数据及知识量很少，而且较为片面，难以建立统计规律。同时，碳酸盐岩储集层知识体系的定义、框架设计与碎屑岩储集层不同，由于需要采集洞内结构信息，使得相关的数据采集方法和流程均有差异，常规碎屑岩储集层知识库构建方法无法满足各种碳酸盐岩储集层知识库构建的要求。

本文提出构建针对碳酸盐岩储集层特点及表征难点的储集层知识库，以服务于高质量的储集层研究为目标；通过构建针对性的知识分类体系及知识描述标准，梳理集成各类技术方法，形成技术服务标准，按规范形成技术服务标准包。同时持续采集、积累案例样本，并对相关的案例样本资料实施严格有效的管理，不断建立各类样本的构型模式、参数特征及定量关系[21-22]。当样本数量足够多，知识内容足够丰富的时候，可以基于知识库来开展类比及统计分析，并取得统计规律；同时将更多的地质信息融入到模型中，建立训练图像并持续积累数量，获得与目标区对象更贴合的训练图像，从而提高对储集层的认识精度，解决传统碳酸盐岩储集层建模存在的问题[23-27]。由于有完整、系统、实时更新与完善优化的知识体系作支撑，储集层知识库能够有效降低地质模型的不确定性，提高建模的精细化程度，更有力地支撑油气藏的高效开发工作。

碳酸盐岩储集层知识库的构建及应用主要包括知识库分类框架体系构建、储集层知识库描述规范及标准、储集层知识库知识采集及抽提、基于知识库开展类比分析及储集层建模等4个具体内容和步骤。

1 知识库分类框架体系及要素构成

碳酸盐岩储集层知识库的建设重点需要考虑应用需求、达到的目标、主要技术方法、知识内容，如何获得及分类整理，以方便应用。

基于此，在分析碳酸盐岩储集层研究“主要遵从什么技术流程标准（技术标准类），采取什么技术方法（技术研究方法类），需要些什么基础数据、沉积模式及定量参数等相关知识内容（地质对象案例类）基础上，将储集层专题知识库的知识框架划分为 3大类：技术服务标准类、技术研究方法类及与地质对象有关的专业知识和案例。再根据储集层类型和研究技术领域把这 3大类进一步细分为亚类，每个亚类建立自己的知识体系，同时每个亚类再继续细分为子类，依此类推，由大到小、由粗到细，形成如图 1所示完整的碳酸盐岩储集层知识分类体系。

图1 碳酸盐岩储集层知识框架体系示意图

以地质建模知识结构为例，主要内容包括：总结各种类型地质建模方法；针对不同类型油气藏储集层建模的特点及难点，建立建模流程；优选不同类型油气藏地质建模典型实例，配套相关数据及地质模型；从方法优选、软件技巧、操作指南等方面总结经验，建立经验库，供使用者学习；最重要的是，基于行业标准和企业要求，形成技术服务标准包，确保建模质量。

1.1 技术服务标准

技术服务标准类知识主要通过开发企业技术服务标准包来体现。专业技术服务标准包是经过广泛讨论、由专家编制并经严格审核认可的一系列标准化技术规范及流程，目的是固化业务能力，把专家个人能力固化为组织能力。业务的标准化和流程化程度直接体现了业务的成熟程度与成长性。因而，技术服务标准包是技术服务标准类知识库中最核心的知识内容。

技术服务标准包按业务来进行分类，可根据勘探开发业务分别编制基础性的技术服务标准包，内容包括业务指导书、标准规范、检查要素表、操作指南、典型案例、经验教训总结。技术服务标准包能否成功应用的关键是建立一种机制来保证标准包的内容持续更新，特别是典型案例及经验教训总结等内容的不断更新。

编制技术标准包是构建、丰富、优化知识库的主要内容之一。例如，针对碳酸盐岩储集层地质建模的特殊需求，知识库对原有的技术标准包中的内容进行了必要的扩充，经专家审核后进入基础服务标准包中，形成具有权威性标准体系供上游企业同行参考使用。知识库所涉及的技术服务标准包主要业务有储集层评价、储集层实验研究、地质建模、测井评价、油藏描述、三维地震资料处理、三维地震资料解释 8个技术标准包。如缝洞型碳酸盐岩储集层建模技术服务标准包包括：缝洞型碳酸盐岩储集层地质建模业务指导书、地质建模标准规范、储集层地质建模检查要素表、储集层建模操作指南、储集层建模典型案例和地质建模经验教训总结等。

1.2 技术研究方法

按不同专业技术门类对知识进行分类，其内容大致相当于“最新最全的专业教科书”。针对碳酸盐岩储集层建模所需的技术门类，包括地质分析评价技术、测井评价技术、地球物理处理解释技术和建模技术等。这不仅有利于知识分门别类地收集，也能让使用者更快速地聚焦于本领域的知识，有针对性的解决储集层研究中遇到的实际问题。其中，储集层地质建模技术方法类的知识分类框架包括：储集层地质建模方法、不同类型油气藏地质建模流程等内容。

储集层知识库中技术研究方法类知识是对技术服务标准包知识的有效扩充和增强，它不仅收集了大量基础专业知识，也收集了大量针对各种复杂实际问题的最新的技术方法。它可以让部分专业基础知识不够系统的研究人员快速掌握相关知识和工具，完成所承担的任务，也能够为经验丰富的专业人员提供有效借鉴。技术研究方法类知识内容的自由度和丰富程度比标准类知识要高。

1.3 地质对象案例

使用技术方法对某个地质对象展开研究，形成规律性的认识（如成因机理、分布规律、地质模式等），把这些规律性的认识记录下来并归类，形成案例，为进一步研究提供示例和样本。例如根据露头及油藏实例剖析建立的各种地质模式，就可以为地质建模提供训练图像。由于地质对象案例类知识直接面向应用，其丰富程度和齐全性、完备性，就成为构建知识库是否能成功的关键。

由于碳酸盐岩储集层相关知识内容庞大、结构复杂，本次研究选择生产急需的缝洞型碳酸盐岩储集层为主要建库对象。按照结构成因，将岩溶缝洞分为风化壳、地下暗河、断控岩溶 3类储集体类型，如图 2即为缝洞型碳酸盐岩储集层的知识分类体系。缝洞型碳酸盐岩储集层专题知识库通过广泛收集野外露头、油藏开发实例数据，以知识分类及描述规范为基础，建立了油藏单元、现代岩溶露头及古岩溶露头的典型案例，如图 3即为缝洞型碳酸盐岩储集层古暗河型露头知识框架，主要包含了露头及油藏原始数据、知识提取、知识应用3个部分。

图2 缝洞型碳酸盐岩储集层知识体系

图3 缝洞型碳酸盐岩储集层暗河型露头知识框架

2 储集层知识库构建方法

2.1 储集层知识库描述规范及标准

针对地质对象案例类（露头及油藏）知识的描述需要建立知识描述的规范，即构建知识库建库标准。因为只有标准化以后才能实现类比，统计数据才有意义，才能真正为建模提供借鉴。通过对露头及油藏的研究数据按照标准进行高效地采集和规范、有效地管理，便能够获得一些预期的统计规律。

以露头描述规范为例，要分别明确露头的知识名称、知识内容、展示类型、生成方式、存储方式等内容以及规范化文字、图、数据表的格式和内容。

地质建模需要将岩溶露头的类型、形态和结构直接应用到建模训练图像的制作中，因而对描述的精细化程度要求更高。本专题知识库通过对露头储集体类型的细分，细致地描述其属性参数。表 1所列出的碳酸盐岩暗河型储集体描述的内容及属性参数达49项，各类特征统计数据表的数据字段逾 450多项，涵盖了暗河的主要特征。同时规定了各类数据的入库标准和露头三维数据入库的规范列表，包含序号、数据项名称、拼音代码、类型、小数位数、计量单位及填写规定等内容。设计了溶洞特征统计内容，包括溶洞编号、所属剖面、所属露头区，溶洞类型、溶洞形态、长度最小值、长度最大值、长度平均值，宽度最小值、宽度最大值、宽度平均值，高度最小值、高度最大值、高度平均值，方向最小值、方向最大值、方向平均值，宽高比、长宽比，充填物类型、充填物分布、充填物组合、充填物期次，溶洞形成时期等。

表1 碳酸盐岩暗河储集体描述规范

2.2 储集层知识库信息采集及抽提

储集层知识库的架构构建完成后，就需要开展知识库内容建设工作。通过系统、细致地采集、抽提、整理及入库，不断充实知识库的内容。知识内容的系统性，知识内容的先进性以及知识内容的新颖性是判断知识库建设是否成功的关键指标。

在实际研究与生产过程中，相关的研究资料由于缺乏有效管理，导致成果数据分散，不便于资料、知识共享与应用。因此，如何通过知识库平台，将分散的数据、成果进行分类，实现统一、有效的管理，是知识库首先要解决的问题。

由于储集层知识库需要采集的特征参数众多，需要调查、采集、整理的资料繁杂，工作量巨大，给知识库的建设带来非常大的困难。采用 3个方面的信息化技术，显著提高了知识采集、整理、抽提的效率。

2.2.1 基于多学科协同编辑架构共同完善知识内容

一般的知识库通常是由少数管理员通过后台端进行数据维护。普通使用者只能看内容，没有权限去新增或更改知识内容。由于个人知识的局限性，很难全面了解某个地质对象的所有地质属性，造成知识库内容不够全面，甚至缺失许多关键属性参数。

储集层知识库采用多学科协同编辑架构，可以弥补上述缺陷。多学科协同编辑架构是网络上开放且可供多人协同创作的超文本系统。在前台界面上，任何人都可扩充和编辑内容，通过管理员审核后就可入库。采用这种协同构建知识的方式，由多方面的研究人员共同来完成专题知识内容的构建，其知识内容会随时间推移而不断完善，对具体对象的认识就会逐步深入客观，知识库的内容也会逐步丰富和完善。

2.2.2 基于自然语言处理技术自动抽提地质对象及属性参数

知识管理员编写案例时，需要大范围的查找及阅读资料。通过对已有资料的收集、整理、归纳及总结，提取相关内容编入知识库，其工作耗时耗力。随着深度学习与 NLP（自然语言处理）技术的发展，现今已经可以通过深度学习，自动处理大规模文档并对文档中的知识进行鉴别和自动归类，如图4所示为基于自然语言处理的知识图谱自动生成，可以大幅度减少知识采集整理耗费的时间，大大提高知识管理员的工作效率。

图4 基于自然语言处理的知识图谱自动生成

2.2.3 基于现代精细测量技术的数据采集

碳酸盐岩储集层知识库中露头知识专题库中案例的数量和质量至关重要。这就需要对每个露头开展实地考察，采集地质信息，完成整理、入库工作。如图5所示露头数据的采集工作主要在野外踏勘过程中使用激光雷达及无人机倾斜摄影等最新测量技术完成，其中洞内主要使用激光雷达及近景摄影测量技术来构建内部结构数字化模型，使用无人机倾斜摄影测量技术获取露头影像数据并构建数字化露头模型。通过研发基于影像和激光雷达的岩溶缝洞洞内洞外一体化建模技术，实现了洞内洞外数字模型的融合。

图5 影像点云与激光雷达点云融合建模技术流程

2.3 知识管理软件平台构建

碳酸盐岩储集层知识库平台软件架构采用分层松散耦合的架构体系设计，由1个门户和3个关联集成又可以独立运行的子系统组成，每个子系统可以独立运行同时又与其他系统有深度的交互式数据集成。

整个平台系统的架构功能完备，包含8个主模块，967个功能子模块，具体如下。①深层碳酸盐岩门户系统，其功能是所有挂接子系统的内容集中集成和统一展示，包括一体化的搜索、子系统的入口和用户权限的集成等功能模块。②深层储集层知识文库子系统，其功能类似于百度文库的功能，包括文献资料的上传、浏览、查询及内容推荐等功能模块。③深层储集层知识卡片子系统，其功能类似于百度百科的功能（Wiki架构），是个开放且供多人协同创作的网页系统，同时集成知识图谱、GIS（地理信息系统）、标签、知识推荐等功能模块。④缝洞型碳酸盐岩专业知识子系统，其功能类似于针对专业应用需求而建的专业类数据库，需要根据具体专业应用需求展开精细化的知识刻画及描述，精细化加工和组织，形成本专业领域的专业性知识库，支撑一些专业性的分析应用。整个平台的数据管理形式多样，可以管理非结构化、半结构化和结构化的多种数据格式。

3 基于知识库的类比分析及储集层建模

3.1 基于知识库获取统计规律

建设知识库的主要应用目标是根据知识库相关信息开展类比分析，获取统计规律。通过从知识库中获得目标区的特征参数数据，开展详细统计和对比分析，获得一些初步的统计规律，丰富知识库的内容，也为地质建模提供有效的参考依据。

采集的洞穴长、宽、高等特征参数如果不进行统计对比分析，采集的数据本身是无意义的。如果按照格式规范，统计分析成图，或总结归类，罗列成表，把其赋予地质意义后，这些数据才能成为有用的知识。图6为塔北地区暗河型溶洞及湖南庙前镇现代岩溶管道的参数统计，依据现代地下河的结构特征，通过塔北暗河结构要素成因，分析其发育的地貌和构造位置，划分暗河储集体内部结构类型，综合识别暗河的溶洞类型，形成缝洞特征参数知识模板，为油藏描述和地质建模提供依据。

图6 塔北地区暗河型溶洞及湖南庙前镇现代岩溶管道参数统计模板

如图 7所示，基于知识库的统计分析，获得了断裂控制裂缝、溶洞发育展布的规律认识：断层规模越大，断层断距越大，周围裂缝发育概率越高，裂缝带越宽；距断层越近，相关的裂缝和溶洞越发育；断层核附近裂缝发育程度最高。基于统计分析，获得断层距离与裂缝、溶洞发育频率的响应关系，将相关数据转化为储集体发育的条件概率体，可用于断控溶洞、裂缝的精细地质建模。

图7 距断层距离与裂缝发育密度关系

3.2 基于专题知识库开展储集层建模研究

运用知识库中大量的地质信息构建训练图像，再采取多点地质统计学建模方法，在暗河形态展布刻画的基础上，进一步表征暗河系统的结构特征。其中，基于知识库来制作训练图像是核心内容。下面以塔河地区奥陶系一间房组暗河型岩溶储集层地质建模为例，介绍训练图像的制作方法。

首先，从知识库中优选与研究区相似的古岩溶及现代岩溶露头，统计暗河形态、结构进行研究，测量特征参数，包括：暗河类型、几何参数（长、宽、高、长宽比、宽高比）及内部特征（充填、物性）等，分析暗河中充填、垮塌的分布情况，绘制相应河道展布及结构平面图。

其次，通过比较发现现代地下河宽度（50～100 m）及其概率分布与塔河相邻露头古暗河、溶洞宽度有较大出入，因而需要对现代溶洞宽度数据进行校正。如图 8所示，采用累计概率曲线方法，针对现代溶洞任意一点宽度（82 m），在古溶洞宽度累计频率曲线上找具有相同累计频率的宽度（3.7 m），建立校正前后古暗河与现代暗河对应宽度列表。

图8 暗河宽度校正

最后，如图 9所示，根据校正后的现代暗河、溶洞形态，制作三维训练图像，图像既模拟了典型现代暗河形态和结构等要素，又反映了研究区古暗河、溶洞几何参数特征，能够较好地用于古暗河溶洞建模，可以更加准确地模拟目标区的情况，减少模型的不确定性。

图9 暗河储集体训练图像制作过程

采用塔里木盆地塔河油田主体区典型暗河系统进行建模，该区域面积约47.8 km2，涵盖13个开发单元（见图10）。基于知识库的建模方法与地震体积雕刻为主的建模方法相比，精度进一步得到提升。利用 2口抽稀井共88.5 m的储集层厚度及类型进行对比，实钻井钻遇符合率由67.0%提高到81.8%；原模型刻画了河道的轮廓，主要为河道异常体，新模型包含 2层主河道，6条分支河道，5个溶蚀带和落水洞。基于专题知识库建模方法的应用，更有效表征了暗河系统的复杂结构，提高了模型精度和建模效率。

图10 暗河建模结果对比

4 结论

构建了碳酸盐岩储集层应用型知识库，实现了储集层相关知识的管理与储集层研究的有效融合。该知识库将知识框架分为技术研究方法类、技术服务标准类及与地质对象有关的专业知识和案例3大类别。

建立针对性的知识分类体系及知识描述标准，构建知识库结构，梳理不同地质对象的理论认识与各类技术方法，按规范形成技术服务标准包，采集典型的露头及油藏案例，实施标准化管理，通过系统抽提、整理及入库，构建地质对象有关的专业知识。采用基于多学科协同编辑架构共同完善知识内容、基于自然语言处理技术自动抽提地质对象及相关属性参数、基于现代精细测量技术开展数据采集等 3个方面的信息化技术，显著提高了知识采集、抽提、整理的效率。

以塔里木盆地复杂缝洞型油藏典型暗河系统地质建模为例，阐述碳酸盐岩储集层知识库的构建及其在缝洞型油藏地质建模中的应用，地质模型经实钻井验证符合率由67.0%提高到81.8%，有效表征了暗河系统的复杂结构，提高了模型精度和建模效率。

致谢：本项研究得到了朱日祥院士、金之钧院士、李阳院士的指导，罗晓容、段太中、胡向阳等专家参与了研究并提出了宝贵意见，在此一并表示感谢！