地理信息系统(GIS)在油气勘探开发中的应用.pdf

2003 年8 月 第01卷第2 期 地理空间信 急 GEOSPATIAL INFORMATION Aug VOL 0 1 2003 N0 2 地理信息系统 GIS 在油气勘探开发中的应用 刘学锋1 2 孟令奎 龚文平 黄长 青 赵春宇 1 武汉大学 遥感信息工程学院 湖北武汉430079 2 江汉石油学院 地球科学系 湖北 荆州434023 摘要 地理 信息系 统 GIs 的 空间 数 据管理 空间分 析 及图 形可 视化表 达方面的 功能使其在油气勘 探开 发中 具有 广 阔的发展前景 本文论述f GIs 在石油行业专题制图 盆地模拟 油气资源肋探开发管理及油气资源评价等方面 的应 用 阐 述r GIs 在油气勘探开发中的地位和 作用 展望厂GIs 在油气勘探中的 应用前景 关键词 地理 信息系统 汕 气勘探开 发 盆地 空间 数 据 空间管 理 资源评 价 43M4 j k P208文献标识码 A文章编号 1672 一 4623 200 02 一 0012 一 05 Application of Geographic Informatio n System GIS to the Exploration and Development of Oiland Gas Liu Xuefeng M eng Lingkui G ongWenping Huang Changying Zhao Chunyu 1 School of Remote Sensing and Information Engineering W uhan University Wuhan430079 China 2 Department of Geoscienc e Jianghan PetroleumInstitute Jingzhou434023 China 地理信息系统 GIs 是在计 算机软 硬件支持 下 采集 存储 管理 检索 分析和描述地理空间数 据 适时提供各种空间的和动态的地理信息 用于管 理和决策过程的 计算机系统 GIs 作为处理空间地理 信息的新技术是于二十世纪六十年代兴起和发展起 来的 是一门介于计算机科学 现代地理学 测绘遥 感学 空间科学 环境科学和管理利学之间的边缘学 科 其核心是计算机科学 基本技术是地理空间数据 库 地图可视化及空间分析技术 近年来 伴随计算 机技术的飞速发展 GtS技术也得到了迅猛发展 其 方便快捷的多源数据采集与 输人功能 强大的 地图 编辑与空间数据管理功能 独特的多种空间分析方 法 以及直观的图形和属性数据的可视化表达方法 正 泛应用于城乡 规划 资源评价 环境管理 宏观 决策 灾害预测 作战指挥以及全球性问题等社会生 活的各个领域 在矿产资源的勘探开发方面 GIs 亦 愈来愈多 地为世界各国地质调查部门 所采用 并在 区域地质调查 区域矿产资源与环境评价 矿产资源 与矿权管理中发挥越来越重要的作用 许多地学工 作者对GIs 在地学中的应用作了探讨 并有不少成 功的实例见于报端 一 然而 由于对地学的了解相 对缺乏 纯 GIs 领域的研究人员对有着广阔发展前 景的GIs 在地学中的应用领域的关注相对较少 相比 较而言 GIs 在地面地质和固体矿产的勘探开发方面 的应用 6 较在以 石油和天然气为 代表的 液体和 气 体矿产的勘探开发方面的应用 一 更 泛 目前 在 我国 以大庆油田 扛汉油田等为代表的一些老油田 已进入开发的中后期 迫切需要新的研究方法 手段 和技术的应用 一方面对老油田 进一步挖潜 另一方 面积极寻找新的勘探领域 本文对GIs 在油气勘探开 发领域的应用作简要介绍 旨在推动GIs 在油气田勘 探开发领域的应用与推广 使GIS在石油和天然气的 勘探开发方面发挥更大的作用 为我国油气资源的 合理开发利用提供决策支持 1GIS与石油行业专题制图 石油赋存于 地表以下 看不见 摸不着 长期以 来 人们对石油的勘探主要通过物探 测井等间接方 法结合钻孔取心获得的 孔之见 和地表地质调查 获得的感性认识 制作各种专题图 在地质和油气成 藏理论的指导下 分析和圈定油气在地下的赋存规 律和聚集场所 因此 石油行业的各种专题图 如构 造图 等 厚图 各种地质剖面图 沉积相图 储层分布 与评价图 生油岩分布图 油气资源评价与预测图 等 的制作一直是石油地质工作的有机组成部分 在 第01卷第2 期 刘学译子 地理信志系 晚 GIs 在油气 勘探开发中的应用 13 开展多学科 多途径的石油地质科研下作中 自 始至 终都运用制图方法表现它的研究成果 然而 传统的 石油地质制图过程尚存在以 卜 不足 1 劳动强度 大 效率 低 重复劳动多一 传统的石油地质制图工作 一般由手 工完成 其基本工艺 流程是 人工读 取各种 专题数据 将数据按地理位置坐标标定于各种纸制 底图上 勾绘各种专题图草图 绘图员清绘或手扶跟 踪数字化后计算机辅助图件清绘 显然 这种工艺流 程劳动强度大 效率底 且同一区块随着勘探程度的 不断提高 蓦年有大量相同的图件需要更新 尽管只 有少量的数据的增加或修改 图件的手工更新也只 能是全图甭新编制 从而 带来大量重复性劳动 此 外 尽管月 前有许多专 业分析软件提供了机助资料 解释和成图功能 但这些软件往往各自 为阵 最终提 供给用户的为各种图形产品 不能将生成这些图形 的数据以统一的数据库格式形式提供给用户纳人统 一的数据库管理中 以便数据的共享和数据的再利 用 从而避免诸多重复劳动 2 图件的管理繁杂 利 用率低 各油田 单位每年生产的大量纸制图件需要 人工编目 管理存档 图件的存储 管理 借阅手 续繁 杂 且存在资料易破损 无法实现异地查阅和使用等 弊端 3 制图综合能力差 由于油田生产和研究的 需要 同一地V 基于不同的目的往往需要编制同类 型的不同比例尺的图件 不同比例尺图幅之间的缩 放拼接和制图 综合 均需要手工 完成 不仅工作量大 烦琐 而且精度低 4 多图幅的 综合分析研究主要 停留在 目 视判读 阶段 受人为因素 影响大 石油勘 探开发的许多研究工作需要多图幅的综合分析 如 在储层等综合评价中 石油地质家通常的工作方法 是分别编制孔隙度 渗透率和沉积相平面图 建立储 层评价标准 通过这些图件的判读与分析 编制储层 综合评价图 进而对研究区储层进行综合评价 显 然 这一工作方法主要是受人的知识结构制约的 目 视解译 特别是所划分的不同类型储层的界线存在 不确定性 如果能实现各种图件的数字化管理 上述 工作过程通过GIs 的叠加分析实现将 卜 分快捷方 便 且大大减少了 分析结果的 二义 性 5 无法实 现各种专题图的三维可视化显示 石油赋存于 地下 一 定的地理空间中 是一个三维的地质体 长期以 来 由 于难于 实现地质体的二维立体表达 石油地质 家们通常是用一维 剖面图和单井柱状图 和三维 各种平面图 图形相结合的方法表达二维地质体 实现地质体的二维多 视角的可视化表达一直是石油 地质家的梦想 GIs 的出现无疑使这种梦想的实现成 为可 能 显然 以上诸多不足表明传统的 石油地质制 图方法在某种程度 几 已不能适应迅速发展的油气田 勘探 开发 研究的需要 迫切要求尽可能提高制图过 程自 动化 GIs 的出现为石油地质专题制图提供了现 代化的技术手 段 GIS应用于石油地质专题制图 可 实现各种专 题图的数字化 建立图形和属性两类地学 数据相结合的数据库 各种专题信息全部存贮于计算 机中 实现对地图数据分层信息成片 存贮 易于管理 和查询 可灵活地分幅检索 添加图幅 删除图幅 图 件的更新 多图幅的拼接 制图综合和综合分析方便 快捷 此外 借助IN TERNET还可实现资 源的远程共 享 利用GIs 的数字高程模型 DEM 使各种专题制图 立体显示成为现实 为石油地质家从多视角 多侧面 观 察 分析石油的赋存规律提供了 新途径 2GIS与盆地模拟 盆地模拟是以盆地演化 油气成藏等方 面的基 本理论为指导 利用平衡剖面的正反演技术 盆地沉 降和充填的回 剥分析技术 油气形成 运移和聚集成 藏的动态模拟技术等技术手段对含油气盆地形成演 化史 构造发育史 油气运聚史进行定量 半定量模 拟研究的一项综合性石油地质研究方法 近年来 随 着计 算机技术的迅速发展 盆地模拟在盆地分析中 得到了 广泛应用 然而 由于盆地的发育存在不可逆 性 盆地模拟是以盆地内现今保留的地质记录为基 础 对过去 未知世界的 一种科学推断 其中存在诸多 不确定性 因此 其结论的可靠性在很大程度上取决 于 所利用的技术手段的先进性和利用数学方法表达 的精确性 GIs 的许多空间分析功能可直接运用于盆 地模拟中 作为盆地模拟技术方法的数学表达的有 益补充 有时甚至可以使一些通常难于实现或无法 实现的技术变得轻而易举 例如 利用GIs 的地图代 数功能 可以方便地将盆地沉积厚度图 古海平面变 化图 古水深图等直接作为参数代人 沉降量计算公 式中 直接显示输出不同时期盆地的古构造形态 以 此为依据定量分析盆地的时空演化和古构造发育 史 且随着盆地勘探研究程度的提高 数据的修改 更新和图形化显示将非常方便 另一 方面 盆地作为 地下三维空间的一个不均质体 从地质时间的尺度 考察 组成盆地的诸要素在时空上均经历了长期演 化 并还在不断变化着 在盆地模拟中 考虑时问因 技 术交流2003 年 索的三维地质空间的研究更为重要 对于复杂地质 对象的模拟 不仅仅只是模拟它的剖面 平面特征 更重要的足其内部结构构造 空间特征和时空变化 规律的模拟研究 以揭示地质体不同角度 不同方 向 不同深度的特征 在盆地万维可视化模拟方面 以往的各种方法遇到了无法克服的困难 随着GIs 的 三维数据模型的建立和不断完善 将GIS的二维空间 分析和可视化技术应用于盆地模拟 将实现盆地的 真三维模拟 断层封闭性的三维可视化 生油层 储 集层和盖层空间展布的可视化 以及盆地三维成藏 动力学模型的建立将变得简便易行 使从任意方向 任意视点和任意深度观察地质体的内部结构 探讨 其空间变 化规 律成为可能 而发展中的时态GIs 应用 于盆地模拟将使建立时空一体化的盆地演化和成藏 动力学模型成为可能 具有十分广阔的发展前景 3GIS与油气资源勘探开发管理 7 8 1 石油作为国家能源的支柱产业 由石油勘探 石 油开采 石油化土等多个部门组成 其中油气勘探开 发是石油工业的基础 在国民经济中占有很重要地 位 近年来 为提高办公效率 石油行业软件开发人 员在微机上研制了大量的办公自 动化软件 如地质 绘图软件包 油藏工程软件包 地质数据库软件包及 其它相关应用软件包等 这些软件对提 高 石油行业 的办公自动化水平 提高办公效率发挥了重要作 用 但由于微机上软件开发环境的限制 以及各种管 理信息系统在图形数据管理及空间分析方面的固有 不足 目 前在石油行业应用最多的是量化信息统计 计算及描述性信息的保存与一些简单处理软件 对 广泛应用于油气田勘探开发的图形 图像信息 尤其 是成果图的管理与应用方面的实用软件相对较少 随着油田开发时间的增长 我国东部的油气田大部 分己 经进人了中 后期开发阶段 在整个勘探开发过 程中 积累r 大量的包括各种地质图件在内的地质 信息 这些信息的综合应用对指导油田 生产具有重 要意义 因此 迫切需要对这些图形 图像信息进行 有效的保存管理 另一方面 各种地面公共设施 包 括油 气运输管网 通讯线路 供电线路及泵站 公 路 铁路等 和自 然条件 河流 湖 泊 城镇等 与油气 田的勘探开发有着密切关系 它们都将直接影响着 勘探的 进程 质量等 将地面地理信息与地下地质信 息在同 一 应用平台上有机地结合起来 是石油行业 中 软件开发人员近年来共同关心的问题 GIs 应用于 油气田勘探开发管理为图形 图像信息的有效管理 和地面地理信息与地下地质信息的一体化管理开辟 了 有效途径 国内已 有一些专家学者开始厂 这方面 的研究和开发工作 如刘f 梅等 1999 应用美国 M aplnl 公司 的M aplnfoProfessional 桌面 地 理信息系 统作为 开发平台 选 定M apBasic D elPhl 及vG为系 统开发上具 开发了油气勘探数据库应用与管理系 统 EDUM IS 该系 统由 数据库及图形库维护子 系统 数据加载子系 统 可视化查询子系统 图形编 辑子系统 数据报表统计分析子系统 柱状剖面图生 成子系统 地质 9面图生成 J 系统 等值线生成子系 统等组成 数据和图形实行集中管理 通过网络实现 资源共享 应用分布的微机进行应用处理 为油气勘 探提供及时的 动态的 高质量的统计 数据和成果图 件 为石油勘探地质研究和管理决策服务 此外 陈 伟等 2001 对GIs 在油田 开发管理方面的 应用作了 较详细探讨 认为油田开发涉及到多种信息来源 按照信息的组成和结构特点 可划分为三大类 属性 类信息 空间类信息 空间属性类信息 属性类信息 包括油井的生产数据 设备监控数据 井深剖面数据 等 空间类信息主要是二维地图类信息 包括油田 地 理分布 地面管网与站场分布 电力供应网络与设备 分布等 空间属性类信息主要是连续参数分布类信 息 包括储层的井间剖面结构 层位分布 油藏体的 三维结构和参数分布等 为实现地面生产设施和地 下油藏的描述 需要在三维空间中描述油藏 1 种有 效的处理办法是 利用现有的二维GIs 开发工具集 成属性类信息和空间类信息 对于空间属性类信息 的三维问 题应用A币veX技术开发特殊的图形工具 输出等值线图 剖面图 三维构造图 并且构造专门 的 三维空问算子 象M apX之 类的 组件 式G I s开 发 T 具将是开发此类应用的首选工具 此外 油藏是 一 种 不可直接观测的复杂时空系统 只能通过生产井进 行监测 获得井筒附近的储层物性参数和近井地带 的流体分布 需要利用井筒观测数据进行空间推断 刻画油藏的内部状态分布及其变化 要达到此目 的 一方面需要应用油藏工程方法分析油井生产动态数 据 另一方面需要应用地质统计学方法进行空间插 值 获得油藏整体描述 总之 适合油田开发生产管 理的GIs 应用系统筐架应该包括基于地质统计学方 法的地质建模 三维图形可视化表达 多层次GIs 工 具的集成 扩展GIs 的三维空间描述与分析功能 第of 卷第2 期 刘学件等 地理信恋系 晚 GIs 在油t 勘探开发中的应用 4GIS与油气资源评价 1 71 油气资源评价是通过对多源地学信息的综合分 析 对某 一 地区的油气资源潜力进行综合评估 优选 出有利队带 为进一步勘探开发部署提供决策支 持 的一种系统工程 在油气田的勘探开发中具有重要 作用 随着油气勘探上 作的深人和发展 已 取得了大 量的多源地学信息 如地质 地球物理 地球化学 遥 感等资料 怎样从这些众多的资料中提取有用信息 进行综合分析 达到油气资源评价的目的 一 直是石 油勘探部门和石油工作者探索的课题 过去 应用人 工的方法进行此项T 作 不但费力 费时 投资大 而 且难以达到预期的效果 方法技术也不利于椎广 随 着计算机技术的飞速发展 并广泛应用于各行各业 的科学研究中 利用计算机技术高效 快速地处理大 量地质资料已成为可能 尤其是近年来发展起来的 地理信息系统 GIs 在油气田勘探开发领域的应用 为综合处理地学资料和进行油气资源评价开拓r 广 阔的前景 进行油气资源评价必须考虑大量的石油地质因 素 包括基础地层研究和目 的层 段的 生 储 盖及它们 的组合关系 圈闭 油气的运移 保存等诸多条件及资 源量和经济评价等 这些因素均与 一定的地理空间位 置相联系 具有空间信息的特点 石油地质家通过基 于石油地质理论的分析和研究 将以仁 诸因素以图形 方式f 以表达 最终通过对各种图件的综合分析达到 油气资源综合评价的目的 显然 GIs 的强大的空间 数据录人 处理 分析和表达功能使上述工作的 实现 更加快速 高效 且 能提供常规方法难以实现的分析 和研究手 段 提高油气资源评价的可信度 利用GIs 辅助油气资源评价的方法和步骤主要包括 1 数据的输人与管理 将油气资源评价需要的 各种地理或非地理因素输人计算机 形成一体化的 数据库 不仅节省大量重复的毛 作 并使各类不同的 信息4 相配合应用 便于 综合分析 GIs 对数据的管 理采用分层方 式 称之为图 层 地质中的每一类特征 数据都可以单独组成一个图层 也可以合并若千 类 特征数据组成一个新的图层 因此用GIs 对数据进 行管理 数据的提取和 修改十分灵活和方便 2 数据的处理 油气资源评价数据库中的各种 输人资料需要经过各种处理 如数据的去噪 数据的 变换等 才能为油气资源评价所利用 GIs 能为石油 地质资料的处理提供方便 快捷的手段和方法 将石 油地质资料的收集整理和应用提高到 个新的层 次 从而大大提高综合因素的数量及评价结果的可 信 度 此外 GIs 的 数据处理分析模块具有图形拼接 地图比 例尺变换 布尔分析等功能 可方 便地将不同 凹陷的地质数据或图件汇总拼接 进行各凹陷对比 分析和评价 3 分析计算与各种专题图的编制 川5能对存 贮的信息进行综合的 统计计算 建模分析 如面积计 算 插值与形成等值线 绘制各种平面图和剖面图 建立空间分析模型 时间序列分析等 尤其是GIs 特 有的地图代数功能可 将各种图形作为变量进行代数 运算 将计算结果以 表格和图形的形式直观表达 为 油气资源评价决策提供更可靠依据 如果用各种地 质统计方法对GIs 的空间分析与量算功能进行扩 展 将使GIs 在地质统计分析及专题制图方面的功 能更为强大 4 辅助决策支持 油气资源评价的最终目 的是 综合评估一个地区的油气资源潜力 优选出有利区 带 为进一步勘探开发部署提供决策支持 决策支持 是CS的重要功能之一 GIs 的 辅助决策支持功能应 用于油气资源评价 将使油气资源评价建立在更可 靠的基础之上 降低勘探风险 一方面 由于计 算机 是以数字化的方法储存资料信息 使得这些被贮存 的资料具有较高的精确性 在此基础上编制的各种 统计表格和图件也具有较高的精度 从而使研究精 度大大提高 另一方面 GIs 功能齐全的数据输人 输 出功能 可以用表格 任一方向的切面图 各种类 1 的平面图和任一视角的三维立体图直观表达中间或 最终结果 输出于各种介质上 并可随时根据新的资 料进行修改补充 以形象化的表达来启发思维 此 外 一些GIs 辅助决策支持模块应用于油气资源综 合评价可使一些常规方法只能定性表达的评价指标 定量化和直观化 如通过 GIs 的各向异性耗费表面 分析 可直接显示油气运移路径 为圈定油气聚集场 所提高可靠的决策支持 5结语 尽管GIs 在油气勘探开发中的应用才刚刚起 步 但已显示出广阔的发展前景 相信随着GIs 技术 的进一步发展和日 臻完善 以及GIs 技术被更多的 地质T 作者所了解和接受 GIs 将更广泛应用 于 油气 勘探开发研究的各领域 成为石油地质工作者进行 资料管理 图件编制 项目施工 专题研究 远景评价 技术交流 2003 年 和开发方案制定等不可缺少的辅助手段和方法 同 时 我们也应该看到 川5 只是为各领域的应用提供 了 个二次开发的平台及一些相关分析模块 它并 不能解决油气勘探开发方面的所有问题 油气勘探 开发是一 项专业性很强的工 作 而真正了 解GIS的 精髓需要较扎实的计算机基础 只有石油地质工作 者与 A s 专业人员密切配合才能显示出GIs 在油气 勘探开 发 方面的巨 大 潜力 除 在现有的Ardnly M ap Info等GIs 通用基础软件平台 经二次开发研制适 合油气勘探开发的应用软件外 更重要的是结合地 质学领域的实际 研制出适合地学应用的基础软件 平台 如 将地学中的盆地模拟 储层建模 地质统计 方面的数学手段和方法嵌人到GIs 的空间分析模块 中 扩展GIs 的空间分析功能 形成专门用于地学领 域研究的GIs 基础平台 将使GIs 在油气勘探开发方 面发挥更大的作用 由中国地质大学吴信才教授领 导开发的 地理信息系 统基础软件平台M apGIS不仅 具有一般GIs 幕础软件的功能 而且具有地学应用 方面的专用模块 在地质学相关领域的应用中得到 了 有关专家的普遍好评 为地学应用GIs 基础软件 平台开发做了 开拓性工作 另一方面 油气勘探 开发是以 地下二维地质体为 研究对象的 GIs 的真份 维可视化图形表达技术更受石油工作者的青睐 然 而 月维GIs 在数据结构和数据模型方面的研究还 远不能满足非均质的空间实体的真三维表达 从而 制约了GIs 在油气勘探开发方面的应用 相信随着 三 维GIs 技术的飞 速发展 GIs 在油气勘探开发中的 应用将更加广阔 参考文献 川M ejinM N ov M W ohl EE G eologicalhazardand risk evalution using GIS Bulletin of the Association of engineering Geologists 1994 4 21一 30 21陈为公 应用GIS3 Z地质I q v 间数据初探I1 辽宁 地质 2000 17 4 312 一 314 131赵文吉 张松梅 晋佩东 GIS技术在V 域填m中实施 方 法与数字地图 JI 长 春科技大学学报 2000 30 3 286 一292 41袁艳斌 韩志军 刘刚 等 基于 IS的1 5 万区调野外 空间 数据快速采集技术 1 11 地球科学进展 2000 15 3 348 一