数学地质学进展及其在油气资源勘探开发中的应用

数学地质学进展及其在油气资源勘探开发中的应用
杨　苗
(油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学),长江大学电子信息学院　434023)
摘　要:数学地质是运用数学的理论和方法研究地质学基础理论和解决地质学中实际问题的地质学分支,核心是从量的方面研究和解决地质科学问题。

本文回顾了数学地质学概念和其历史发展的萌芽、形成、发展、普及、推广,提高、完善阶段五个阶段;,介绍了数学地质的内容和方法,以及数学地质在石油地质勘探开发中的应用,最后展望了近年国内外数学地质的现状与发展方向。

关键词:数学地质学;油气勘探;现状;发展
1　数学地质学概念
数学地质是在地质学与数学互相渗透,紧密结合的基础上产生的一门边缘学科。

它是运用数学的理论和方法研究地质学基础理论和解决地质学中实际问题的地质学分支。

电子计算技术是数学地质研究的主要技术手段,目的是从量的方面研究和解决地质科学问题。

它的出现反映地质学从定性的描述阶段向着定量研究发展的新趋势,为地质学开辟了新的发展途径。

其应用范围是极其广泛的,几乎渗透到地质学的各个领域,目前在国际上已经有了比较普遍的开展,对某些地质问题的研究取得不少的实际效果。

关于对数学地质的其它几种观点:
1.1　地质数学的观点,加拿大F.P阿格特伯格—地质数学包括用于地壳研究的所有的数学方法。

1.2　随机过程的观点,苏联维斯捷列乌斯—数学地质是关于地质过程的概念随机模型的建立、检验和解释的科学。

1.3　计算机的观点,美国J.W.哈博D.F梅里亚姆—数学地质就是指计算机在地质学中的应用。

1.4　赵鹏大院士提出—数学地质是研究地壳运动数量规律性的科学。

2　数学地质学的发展历史
数学地质学的思想来源很早,开始于18世纪中叶,20世纪50年代才逐步形成一门独立的边缘学科,其发展可大致分为以下五个阶段:
2.1　萌芽阶段(1840～1935年)。

是在地质学中应用数学的初步尝试及在个别方面进行少量分散研究。

如1840年莱伊尔通过对古生物化石的统计分析进行第三系地层的划分。

1914～1934年俄国人列文森—列星格通过研究岩石的岩浆系数的频率分布,研究了玄武岩、流纹岩的分类。

2.2　形成发展阶段(1936～1957年)。

数学方法的应用有个别问题逐渐扩展到一些地质学分支。

1939年西姆波森等编著了“定量地质学”一文,为后来古生物统计学的发展奠定了基础。

美国人克鲁拜因1934年开始进行沉积作用和地层的统计分析,成为美国数学地质的奠基人和一个学派的领导者。

1954年绍等人应用统计分析方法研究地球化学问题。

1956年切叶思应用均值、方差、标准差于岩石学研究。

在这一期间,电子计算机开始应用于地质学。

2.3　普及、推广阶段(1958～1970年)。

数学方法和电子计算机在地质学中广泛应用。

从1965年公布第三代电子计算机试制成功,电子计算机在地质学中应用的文章首次超过了100篇。

1967年在美国石油地质工作协会上建立了电子计算机数据储存和索取委员会。

1968年在巴黎召开的国际地质会议上成立了国际数学地质协会。

1968年出版国际数学地质杂志,出版数学地质计算程序公报。

多元分析在地质学中大量应用,数学地质已成为一门独立的学科。

2.4　提高、完善阶段(1971年—)。

数学地质学科向更高水平发展,地质统计学取得明显进展,由法语国家向英语国家逐渐推广,并且水平不断提高,地质多元统计有形成独立分支的趋势。

数学和地质学的不断结合推动了数学地质的进展。

在这过程中,第四、五代计算机的问世,为模拟数据库和专家系统提供了先进技术手段。

新的多元统计方法和新的数学理论和方法继续不断地与地质相结合。

地质过程的计算机模拟得到广泛的应用和加强。

地质数据库大量建立和应用。

地质人工智能专家系统的研制和应用受到日益重视。

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　2007年第5期 内蒙古石油化工
收稿日期:2006-11-12
作者简介:杨苗(1985-),女,湖北天门人,大学本科毕业,研究方向:计算机软件设计和工业自动化2003级2班。

3　数学地质的内容和方法
3.1　地质数据的统计分析。

其中常用的有:趋势面分析、回归分析、因子分析、判别分析,聚类分析、典型相关分析、克里格、时间序列分析、数字滤波等; 3.2　地质过程的计算机模拟,地下水运动过程模拟、构造断裂的模拟。

矿物地球化学的模拟等;概率性数学模拟:如地层剖面的马尔科夫过程模拟等; 3.3　地质数据储存、索取、自动处理和显示。

野外地质数据处理系统,矿产资源、地下水资源数据处理系统,各种专用地质数据处理系统,自动绘图系统等。

4　数学地质在石油地质勘探开发中的应用
4.1　多元统计分析的应用。

大庆油田研究院应用趋势面分析成功地解释了三肇凹陷和古龙地区的油气分布规律,指出小幅度的局部隆起构造,即趋势剩余图中的正剩余圈闭区,基本上控制了油气分布,而且剩余曲面的几何形态对油气聚集起了重要作用,这一结论通过新的钻井和试油资料证明,三肇和古龙凹陷共统计19口井,与预测相符的有17口井,符合率达89.5%。

胜利油田研究院应用趋势面分析对利津等地区石油资源进行了评价,取得满意的效果〔2〕。

我们应用干酪根光学鉴定、元素分析、生油岩热解分析三类资料的九个指标,进行了多元统计分析,建立了南海地区干酪根类型的判别函数,通过了多种方法的分析,最后选出两个指标,判别函数的分类与常规的分类比较,符合率达83.3%。

4.2　蒙特卡洛法的应用。

四川石油管理局研究院应用蒙特卡洛法对四川盆地某层天然气资源潜力,进行了预测,结论为: 该气藏的资源潜力最小不地狱1
5.13亿立方米。

最高期望不大于91.61亿立方米。

石油物探局应用蒙特卡洛法对二连地区额合宝力格凹陷资料进行了评价,对二连的早期石油勘探提供了可靠的资料。

4.3　地质程序库、数据库、计算机绘制地质图件方面的应用。

石油总公司已经在全国范围内建立了大型石油勘探开发数据库。

数据库作为系统的核心组成部分,由一系列相互关联的专业数据库组成,它包括钻井、录井、试油、测井、物探、储量、圈闭、分析化验,科研等专业子库及模型,方法,知识等辅助子库。

数据库结构严格遵循数据库设计原理以及中油股份勘探生产分公司企业标准。

4.4　地质过程的数学模拟。

近年来除了在资源评价上进行蒙特卡洛模拟外,在其它地质分支学科的数学模拟也取得了可喜的进展。

如:石油大学用有限元法模拟冀鲁帚状构造体系的构造应力场。

大庆油田科学研究院对湖泊三角洲进行了数学模拟。

4.5　地质人工智能专家系统。

储层专家系统,资源评价专家系统。

除此之外,模糊数学、系统分析、决策分析也正在引到石油地质勘探与开发工作中。

5　近年国内外数学地质的现状与发展方向
数学地质和地学信息是地球科学中新的研究方向和研究领域,是具有较强生命力的和自己特色的新学科。

数学地质的最新进展大致方向为:
5.1　地质体和地质过程的数学模拟。

主要分为理论模拟和实际应用两个方面,在理论方面为了地球科学数据标准、词典与技术的发展和现状、空间数据库、地球科学中的球状问题、建立地质体和地质过程的数学模型、应用了各种新的数学模型和方法、并将数学模拟的结果用于延伸地质解释和进行地质预测,同时在很多方面得到了实际应用。

例如:将地下流体模拟结果用于石油开采和地下水资源开发,将质体和地质过程数学模拟结果用于废弃矿山研究、环境污染评价、矿产资源评价,储层的开采和设计以及地质数据的三维可视化显示等。

5.2　地质统计学。

目前,地质统计学仍然是数学地质的一个重要分支方向,在2000～2006期间在国内外的重要数学地质期刊有相当多数量的地质统计学论文发表,这些论文的内容主要涉及:快速克立格研究、协同克立格研究、普通克立格、泛克立格和距离加权的比较研究、条件克立格和非线性体积均值研究、地质统计学中的空间、时间模型研究、条件模拟研究以及变异函数研究、地质统计建模与不确定传播、地质统计模拟、多变量地质统计学和数据同化、GIS与地质统计学的桥接和结合。

5.3　地质多元统计研究。

地质统计学是充分考虑数据空间分布特性的统计学方法,是一个在数学质发展的早、中期就己经存在的研究方向,近年来仍有一些研究进展。

例如;判别分析可靠性研究、空间因子分析的应用研究等。

基于变差函数和交叉变差函数的最短距离均值法纹理分类 光谱信息和变差函数相结合用于距离计算的、基于变差函数和交叉变差函数的最短距离均值法纹理分类。

其他方面:在数学形态学研究、分维和分形、闭合数组研究、谱分析研究等方面均取得了一定进展。

6　结束语
数学地质学是一门地质与数学交叉的新兴学科。

国内外的生产实践表明,数学地质学除了在找矿勘探、矿体圈定、储量计算、采矿设计、矿山生产及地学科研等方面具有明显的优越性外,它在石油地质、第四纪地质、地层学、生物学、生态学、岩石学、地球化学、构造地质、地震地质、海洋地质、农业、水文地质、工程地质、古气候、古地理、气象学、遥感地质、环境、林业、医学等许多方面都有成功应用的实例。

44内蒙古石油化工 2007年第5期　。