基于井位部署業務的勘探開發領域業務過程本體構建

李媛媛， 陳長勝

( 中國石化石油勘探開發研究院 信息資料中心，北京　100083 )

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基于井位部署業務的勘探開發領域業務過程本體構建

李媛媛， 陳長勝

( 中國石化石油勘探開發研究院 信息資料中心，北京100083 )

為解決勘探開發領域知識提取和共享問題，以井位部署業務為例，將過程本體思想引入勘探開發領域，形成勘探開發領域過程本體及其框架；借鑒過程本體在其他領域的構建方法，利用勘探開發領域的業務模型形成的統一標準的數據資源，提出勘探開發領域的業務過程本體的構建方法。該結果對勘探開發領域知識庫和勘探開發決策支持系統建設有一定的借鑒作用。

領域本體； 過程本體； 業務模型； 業務流程； 井位部署； 勘探開發領域

0　引言

隨著油氣勘探開發信息化的發展，造成勘探開發領域的各種數據、公式、圖表和文件等信息散落于各處，重復利用這些信息、有效提取相關的知識元和構建石油勘探開發知識服務是石油行業信息化的難題。本體(Ontology)作為一種能在語義和知識層次上描述概念模型的建模工具[1]，以一種相對復雜的組織形式首先應用于人工智能領域，隨后在各領域的信息系統建設中發揮其語義表達明確、共享程度高及本體復用率高的特點[2]。在勘探開發領域也開始引入本體的概念，以解決行業的知識提取和知識共享問題。

李國和等[3]提出使用三元組表示法構建海相油氣概念本體知識，認為每個陳述都可以分解為主語、謂語和賓語[4]，根據由概念和語義關系構成的有向無環圖表征知識及其語義間的關系[5]，在構建文本分詞詞條庫和關聯關系詞庫的基礎上，進一步完成文本預處理、文本分詞、概念本體知識存儲及歸一化處理，為用戶提供概念本體的知識檢索和共享服務。鄧小亞[6]結合勘探開發業務模型，在業務活動領域劃分的基礎上建立業務活動的本體模型[7]，構建勘探開發領域的本體庫。根據勘探開發業務及其領域信息集成的特點，文必龍[8]等提出圍繞勘探開發領域現有專業數據庫、應用軟件等和勘探開發核心業務模型[9]的業務需求，建立分層級的包括本體對象、特性和業務過程為主體的勘探開發領域的領域本體框架[10]，以業務模型和數據模型為參照體系[11]，實現基于業務模型和數據模型的領域概念的自動抽取。概念本體更適合描述靜態的、公理性的定義和概念等知識，而勘探開發業務是由若干個業務領域下的業務活動構成的，因此概念本體不能全面地描述勘探開發領域內的知識。

筆者引入過程本體概念，根據勘探開發領域業務流程、業務活動驅動特點，將過程本體和領域本體結合，以石油行業制定的石油天然氣業務分類模型標準為基礎，采用分層級的過程本體定義方式，以現有行業的專業數據庫、軟件、應用系統為依托，以井位部署為例，提出勘探開發領域本體的構建方法。

1　過程本體

本體是概念化的、明確的和規范化的說明[7]。知識的表示通常包括靜態的事物和動態的過程或者行為，概念本體更加偏重于描述知識的靜態面。過程本體屬于動態的過程或行為，可以分為事務過程本體、緊急計劃過程本體和搜索服務過程本體[13]等，其共同特點是不能獨立于應用領域而存在。文中將過程本體應用于勘探開發領域，從而形成領域過程本體。

采用一個四元組進行本體定義[14],過程本體作為本體的分支可以采用本體的定義,只是組員的含義發生變化,考慮勘探開發業務領域的業務過程因素,過程本體(Process Ontology,簡稱POntology)可用四元組表示:

POntology=，

其中，pDomain為業務過程本體的集合；pEntity為過程本體的實例集合；pAttribute為過程本體的過程節點相關屬性集合，包括輸入項、輸出項及執行者等信息；pRelationship為過程節點間的關系集合。

一個過程本體包括一系列構成過程的過程節點及每個節點的相關屬性，它們是過程本體的主體，其定義采用層級結構，對于過程節點的相關屬性用自然語言進行概念的描述。

2　過程本體框架

中國石化石油天然氣勘探開發數據模型標準SPBPM(Sinopec Petroleum Business Process Model)[14]將勘探開發業務分為6個業務域，每個業務域由若干業務流程組成，每個業務流程由若干業務活動組成，勘探開發業務由三層結構表示。每個業務域一般采用三級或四級業務流程表達。結合勘探開發實際的業務過程，一般截取業務域的二級業務流程作為勘探開發領域過程本體的業務集合，特殊情況如分析化驗業務域覆蓋層不大，只截取一級業務流程。

勘探開發業務領域過程本體復雜而龐大，需要構建一個適合過程本體檢索使用的框架組織。將它分為三層架構：第一層為SPBPM業務模型的業務域；第二層為業務域的第一級業務流程；第三層為業務域的第二級業務流程。第三層也是作為過程本體的原子本體，原則上不可再分(見圖1)。

圖1　勘探開發領域業務過程本體框架Fig.1 The frameworks of progress ontology on petroleum exploration and production

以綜合研究業務域[15]為例，它分為5個一級業務流程，勘探地質研究業務流程包含10個二級業務流程，因此綜合研究業務域包含26個原子過程本體(見圖1)。整個勘探開發領域業務過程本體包含115個原子過程本體。構建過程本體框架后，在系統的數據存儲層中，過程本體框架表中增加一個Parent字段，在后期過程本體服務應用中，可以遍歷原子過程本體的一層架構和二層架構，進行相關性的配合和應用。

3　過程本體構建方法及過程

3.1構建方法

典型的本體構建方法有骨架法、企業建模法、KACTUS、Methontology法、IDEF5法和七步法等[16]。參考七步法和過程本體構建[17]方法，確定勘探開發領域的業務本體構建步驟：

(1)確定石油勘探開發領域的過程本體需求。圍繞石油行業的勘探和開發業務，構建過程本體知識，為工作人員提供知識共享和信息集成服務，需要滿足業務需求和信息集成需求。業務需求主要圍繞勘探、鉆井、測井、錄井和采油[8]等業務展開，采取先易后難的方式。信息集成需求是在勘探開發領域信息化的基礎上，選取已建成使用的專業信息系統、應用系統及各種專業數據庫等，作為構建過程本體的信息集成基礎。

(2)選取統一的勘探開發業務模型，確定勘探開發領域過程本體的業務。以選定的勘探開發業務模型為標準，按照業務模型中的業務域劃分和業務流程劃分，結合勘探開發領域實際過程的特點和業務需求，確定過程本體的業務對象集合，有利于過程本體功能的描述和過程本體間關系的確定。遵循全面和少重復的原則，以SPBPM為標準確定過程本體范疇。整個過程本體采用分層級組織的方式，有利于過程本體的檢索和使用。

(3)列出重要的術語。列出勘探開發領域涉及到的所有術語，并進行詳細的描述和含義界定。對含義不清或語義有交叉的術語，可以考慮使用語義網的方式對定義進行補充，如對定義上位詞、下位詞、近義詞或者反義詞等進行說明。

(4)定義業務對象集合中的每一個過程本體。勘探開發領域的業務分類復雜且數據流交錯，將一個過程本體分為三級過程模型進行描述：一級過程模型是一個整體的過程；二級過程模型是在一級過程模型的基礎上更加細化的過程；三級過程模型是對二級過程模型中的各個節點的過程操作、數據流程和業務流程等。因此，構建勘探開發領域的過程本體模型采用自上而下逐級細化的方法，由相關業務專家完成。

(5)過程本體實例化。過程本體實例化的過程是以研究人員的業務需求作為驅動：首先，確定地質實體，地質實體包括地質單位、區帶、圈閉、井和層位等。其次，確定需要的業務流程即需要實例化的過程本體。然后，以業務模型為標準，以數據流和業務流為基礎，將過程本體的每個過程節點作為關鍵字進行檢索匹配，不僅按照語義進行匹配，還包括按照業務流程的分類等級進行匹配。如一個過程節點在業務模型中屬于一個業務流程，在檢索時不僅將業務流程對應的地質實體的數據流和業務流作推送，而且將業務流程的子類的相關信息也作推送。最后，調整人工檢索匹配的結果。

3.2構建過程

在業務模型的基礎上，根據業務劃分的復雜程度和業務涉及的知識粒度[18]，選取二級業務作為構建過程本體的模型，因此需要構建勘探開發領域的過程本體有89個一級過程本體；按照業務操作的過程，每個過程本體加入過程節點涉及的因素和數據支撐，從業務模型分類中挑取所需的業務活動或數據完善過程本體[16]。過程本體與業務模型中的業務分類的區別在于：過程本體關注的是每個業務本體過程本身及過程中涉及的相關因素和數據，業務分類更加偏重于業務的操作范圍，兩者從不同的維度對勘探開發領域的業務進行描述，最終在過程本體實例化過程中相交，為勘探開發提供支持。

圖2　過程節點構成Fig.2 The construction of progress node

以井位部署為例，首先列出井位部署業務涉及的所有術語[19]，按照勘探開發業務領域過程本體框架對術語進行關系的整理歸類，包括分類關系、所屬關系和因果關系等，定義術語的上位詞、下位詞、近義詞和反義詞等，形成井位部署術語庫；其次梳理井位部署業務的過程，將勘探開發領域各個專家形成的主觀思想，通過過程本體的方式利用計算機語言，進行規范、清晰、系統地表達。過程本體由若干個具有先后順序的過程節點組成，每個過程節點包括輸入、輸出、外部數據和組織/人員等屬性構成(見圖2)。過程節點之間又存在數據或者信息的輸入、輸出關系。根據井位部署的一級過程本體模型(見圖3)，以烴源巖分析過程節點為例，它包括兩種類型的數據輸入，一種是外部數據的輸入，包括測井數據和分析化驗數據；另一種是上一個過程本體節點區域地質概況的輸出數據，包括沉積環境、構造特征、地層層序和開發概況等數據。烴源巖分析過程節點的輸出數據可以作為下一個過程本體節點的輸入，建立過程本體模型關系。

以勘探井位部署初始數據為輸入，經過區域地質概況、烴源巖分析、儲層評價、區域蓋層確定、油氣運聚關系分析、圈閉類型判斷、井位布署的綜合分析和研究等7個過程，包括每個過程節點的輸入和輸出，最終論證勘探井位部署的具體位置的正確性。

圖3　井位部署業務一級過程本體模型Fig.3 The first degree model of progress ontology in well deployment business

一級過程本體中的過程節點又可以細化為二級過程本體，一般過程本體節點細化到三級后不再細化，三級過程本體是對二級過程本體中的各個節點的過程操作、數據流程和業務流程等。以一級過程本體的儲層評價節點為例，構建二級過程本體(見圖4)。

以儲層評價二級過程本體中的儲層巖性識別節點為例，構建三級過程本體(見圖5)。三級過程本體作為過程本體體系中的最小模型，主要由過程操作、數據流程和業務流程組成，數據流程和業務流程由按照業務模型完成的數據提供。

井位部署的過程本體包括1個一級過程本體、7個二級過程本體和 49個三級過程本體。三級過程本體利用地質、油藏、測井、地震和實驗數據等資料，將相應的數據流和業務流進行系統的整合，最后形成勘探井位部署的有機整體。

4　現場應用

過程本體實例化的過程實質上是業務過程方法在實際中結合地質實體的應用過程，同時結合井位部署三級過程本體中每一個節點的數據輸入和輸出，以及過程本體的信息集成需求，盡量多地選取勘探開發專業系統和數據庫的數據作為過程本體實例化的數據源。以XX區HH組的M、N井區兩個地質實體[20]在井位部署過程本體的應用為例，采用自上而下的遍歷方法，以井位部署一級過程本體的節點為單位，每個單位節點的輸入來源于下一級過程本體的輸出和輸入，根據業務模型中的數據流和業務流，遍歷采用智能搜索和語義相關的查找方式；然后按照一定的規則輸出并由人工進行整理。通過井位部署過程本體的三個級別的過程本體模型遍歷，結合井位部署術語庫和領域專家知識，以勘探開發專業系統和數據為基礎，得到井位部署數據的綜合分析輸出結果(見表1)。

經過區域地質概況、烴源巖分析及生、儲、蓋的綜合分析，井位J570(N井區)相較于井位J555(M井區)為更加有利的勘探潛力區，適合部署新的勘探井或者調整井。因此，構建勘探開發業務領域的過程本體為勘探領域專家提供更加可靠、高效及全面的數據信息支持，進而有助于勘探開發決策。

圖4　儲層評價二級過程本體模型Fig.4 The second degree model of progress ontology in reservoir evaluation business

圖5　儲層巖性識別三級過程本體模型Fig.5 The third degree model of progress ontology in reservoir lithology identification

井區J555J570區域有效厚度/m41.9132.58孔隙度/%18.1720.36滲透率/(10-3μm2)17.48822.045含油飽和度/%58.663.8儲層品質因子0.9811.041最大進汞飽和度/%90.196.4最終預測采收率/%38.5042.80烴源巖蓋層巖性深色泥巖圈閉類型被斷層復雜化的短軸背斜厚度/m30圈閉的形成時間1.50Maw(TOC)/%0.78蓋層的形成時間1.20Maw(氯仿瀝青“A”)/%0.11油氣開始生成年代古新世早期距今0.86Ma巖性致密泥巖油氣運聚的通道斷層、斷裂厚度/m13～16油氣運聚的動力毛管力、地層壓力、流體壓力分布特征全區穩定分布綜合評價生、儲、蓋時空搭配比較好

5　結論

(1)將過程本體思想引入勘探開發業務領域，通過借鑒過程本體在其他領域的應用模式，與勘探開發業務領域的特點和信息化建設成果結合，提出該領域的過程本體的概念及過程本體的構建方法，以井位部署業務為例，給出過程本體的構建方法。

(2)以統一的業務模型為基礎，構建勘探開發領域過程本體框架，保證石油勘探領域的不同單位、不同專業間的數據來源的一致性，有利于過程本體實例化過程中的數據使用效率,為勘探開發領域知識庫和勘探開發決策支持系統的建設提供借鑒。

[1]Nntalya F N, Deborah L M. Ontology development 101: A guide to creating your first ontology [D]. Stanford, USA: Stanford University, 2000.

[2]李乃峰.基于石油領域本體的語義關聯機制研究[D].大慶:東北石油大學,2014.

Li Naifeng. Research on mechanism of semantic association based on ontology of petroleum domain [D]. Daqing: Northeast Petroleum University, 2014.

[3]李國和,楊新穎,葉婷,等.海相油氣地質的概念本體知識系統設計與實現[J].計算機應用,2010,30(2):533-535.

Li Guohe, Yang Xinying, Ye Ting, et al. Design and implementation of ontology-based knowledge base system for marine hydrocarbon geology [J]. Journal of Computer Application, 2010,30(2):533-535.

[4]唐培麗,王樹明,胡明.基于語義的漢語文獻主題詞提取算法研究[J].吉林大學學報:信息科學版,2005,23(5):536-540.

Tang Peili, Wang Shuming, Hu Ming. Algorithm of thematic words extraction from Chinese texts based on semantic [J]. Journal of Jilin University: Information Science Edition, 2005,23(5):536-540.

[5]張德政,莊洪波.基于領域本體網絡模型的知識獲取技術[J].計算機工程, 2007,33(7):190-200.

Zhang Dezheng, Zhuang Hongbo. Technique of knowledge acquisition based on domain ontology network model [J]. Computer Engineering, 2007,33(7):190-200.

[6]鄧小亞.石油領域本體庫的構建研究[J].電子設計工程,2011,20(19):1-4.

Deng Xiaoya. Research of ontology construction theory in oilfiled [J]. Electronic Design Engineering, 2011,20(19):1-4.

[7]Peter M. Ontologies are us: A unified model of social networks and semantics [J]. Web Semantics: Science, Services and Agents on the World Wide Web, 2007,5(1):5-15.

[8]文必龍,張莉.石油勘探開發領域本體的構建方法研究[J].計算機工程與應用,2009,45(34):1-4.

Wen Bilong, Zhang Li. Method of building petroleum exploration and production domain ontology [J]. Computer Engineering and Application, 2009,45(34):1-4.

[9]肖波,文必龍,邵慶.基于業務模型的油氣勘探開發數據標準體系設計[J].東北石油大學學報,2014,38(4):86-91.

Xiao Bo, Wen Bilong, Shao Qing. Design of petroleum exploration and production data standard system based on business model [J]. Journal of Northeast Petroleum University, 2014,38(4):86-91.

[10]文必龍,肖波,陳新榮.石油勘探開發數據元管理技術[J].大慶石油學院學報,2012,36(1):83-87.

Wen Bilong, Xiao Bo, Chen Xinrong. Research on management technology of petroleum exploration and production data element [J]. Journal of Daqing Petroleum Institute, 2012,36(1):83-87.

[11]李劍鋒,肖波,段鴻杰.中國石化油田企業數據中心總體框架設計[J].大慶石油學院學報,2012,36(1):73-77.

Li Jianfeng, Xiao Bo, Duan Hongjie. Design of architecture for oilfield enterprise data center in SINOPEC [J]. Journal of Daqing Petroleum Institute, 2012,36(1):73-77.

[12]陳剛,陸汝鈐,金芝.基于領域知識重用的虛擬領域本體構造[J].軟件學報,2003,14(3):350-355.

Chen Gang, Lu Ruyin, Jin Zhi. Constructing virtual domain ontologies based on domain knowledge reuse [J]. Journal of Software, 2003,14(3):350-355.

[13]李杰.幾何過程本體的構建及其應用研究[D].成都:電子科技大學,2012:2-4.

Li Jie. The research of construction and application on geometry process ontology [D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2012:2-4.

[14]徐安建,王海濤,尉伯虎,等.地理本體構建方法研究[J].測繪與空間地理信息,2013,36(7):38-40.

Xu Anjian, Wang Haitao, Yu Bohu, et al. Research on entity based geodata model [J]. Geomatics & Spatial Information Technology, 2013,36(7):38-40.

[15]于洋.基于POSC的石油勘探開發數據模型研究與設計[D].北京:中國石油大學,2009.

Yu Yang. Research and design on petroleum exploration and development data model based on POSC [D]. Beijing: China University of Petroleum, 2009.

[16]徐勇,高雅,劉艷華.農業過程本體及其構建方法——以玉米為例[J].農業網絡信息:研究與開發,2009(11):9-11.

Xu Yong, Gao Ya, Liu Yanhua. Building method of agriculture process ontology: A case of corn [J]. Agriculture Network Information: Research and development, 2009(11):9-11.

[17]高鵬,林蘭芬,蔡銘,等.基于本體映射的產品配置模型自動獲取[J].計算機集成制造系統,2003,9(9):810-816.

Gao Peng, Lin Lanfen, Cai Ming, et al. Automatic acquisition of product configuration model based on ontology mapping [J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2003,9(9):810-816.

[18]王海平.基于POSC的油田業務分析與建模方法研究[D].北京:中國石油大學,2010.

Wang Haiping. Business process modeling method study based on POSC in petroleum industry [D]. Beijing: China University of Petroleum, 2010.

[19]唐博.中國石化勘探開發業務模型及數據元模型研究與設計[D].北京:中國石油大學,2009.

Tang Bo. Research and design of SINOPEC E&P business model and data element standardization [D]. Beijing: China University of Petroleum, 2009.

[20]李洪奇,譚鋒奇,許長福,等.基于決策樹方法的礫巖油藏巖性識別——以克拉瑪依油田六中區克下組油藏為例[J].石油天然氣學報,2010,32(3):73-79.

Li Hongqi, Tan Fengqi, Xu Changfu, et al. The lithology identification of conglomerate reservoir based on decision tree: An example from the Kexia formation in the Liuzhong block of Karamay oilfield [J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2010,32(3):73-79.

2015-11-16；編輯：任志平

國家科技支撐計劃項目(2012BAH34F00)

李媛媛(1979-),女,碩士,工程師,主要從事勘探開發信息化建設方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.02.008

TE11

A

2095-4107(2016)02-0064-07