基于GIS的海上油田CO2-EOR-S數據庫建設方法

李鵬春，周 蒂,，梁 希，易林姿，胡 罡

（1.中國科學院邊緣海與大洋地質重點實驗室 中國科學院南海海洋研究所，廣東 廣州 510301；2.中英（廣東）CCUS中心，廣東 廣州 510663；3.中國科學院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640；4.廣東石油化工學院石油工程學院，廣東 茂名 525000）

CO2的捕集、利用和封存（CCUS）被認為是降低溫室氣體排放的基本方法之一[1]。向油藏中注入CO2驅油以提高原油采收率（CO2-EOR）的技術若能利用人類捕集的工業排放的CO2，則既能增產原油，又能實現CO2的大規模地下永久封存，是目前較為理想的CCUS方法[2-6]。本文將這種能同時實現CO2驅油和封存的技術簡稱為CO2-EOR-S，并已在陸上油田得到較為廣泛的研究和應用[7-10]。然而，對于海上油田CO2-EOR-S的可行性研究和先導試驗雖在20世紀80年代就已開始，但受CO2氣源供給限制以及海上技術復雜性，海上作業高成本、高風險等因素的影響，海上油田CO2-EOR-S長期以來發展較為緩慢。近年來，由于推行CCUS有望解決CO2氣源不足的問題，同時對提高海上油田采收率的需求日益迫切，海上油田CO2-EOR-S又引起了許多國家的重視，如英國、美國分別完成了對北海大陸架和墨西哥灣油氣田的CO2-EOR-S潛力評估；在墨西哥灣以及阿聯酋、越南、馬來西亞海外已完成若干可行性評估和先導試驗項目；而且在巴西海外的Lula超大型油田已開始了“下一代”CO2-EOR的商業應用[11]。

在互聯網技術迅速發展的時代，諸多行業和領域，尤其是包含空間和地理信息概念的礦產資源評價研究領域，基于GIS技術的數據庫構建與應用已非常廣泛[12-15]。海上油田CO2-EOR-S的實施基于油藏儲蓋參數、地理地質、海洋環境等大數據，因此也需利用GIS進行空間數據處理，以實現快速、經濟、有效地將歷年油氣勘探開發中積累的大量數據資料用于技術綜合評價和項目實施的目標。英國、挪威、澳大利亞、美國等都已基于GIS系統編制了CCUS圖集[16-21]，中國也編制了主要沉積盆地CO2地質儲存潛力與適宜性評價圖集和數據庫[22-24]，為CO2地質封存潛力和選址評價提供了技術支撐。但是目前針對海上油田CO2-EOR-S潛力評估方面的GIS信息數據庫還很缺乏，構建基于GIS的海上油田CO2-EOR-S潛力評價數據庫對提高數據利用率、減少重復工作和科研成本、高效開展潛力評價具有重要意義。針對大數據存儲、管理和分析問題，本文基于GIS技術，提出了一種海上油田CO2-EOR-S潛力評價地質數據庫建設方法，從靜態和動態兩個方面為CO2-EOR-S實施過程中多源地學信息的集成和處理分析提供支持，為政府決策、相關企業和科學研究服務。

1 基于GIS的數據庫構建

利用GIS技術搭建潛力評價數據庫的基本思想是以油田為基本單元，在計算機上對空間數據對象及其相關屬性與方法進行聯合操作，從而實現對油田范圍內所有區塊、油藏儲蓋層空間數據和非空間數據信息的查詢、管理和分析，以實現油藏級別的潛力評價。空間數據是客觀存在的空間實體或實體集，主要包括位置信息、實際存在且可區分的圖形、圖像元素、拓撲關系等；而非空間數據是與空間位置沒有直接關系的代表特定涵義的數據，主要包括屬性參數特征數據。通過設定關聯和鏈接方式實現空間數據與非空間數據的共享與分析。在CO2-EOR-S評價和實施過程中，對區域地理地質、油田區域勘探開發基礎地質數據、動態儲量、生產歷史等數據進行一體化管理，能將空間數據與非空間數據有機結合，實現地圖圖元、數據以及評價方法的耦合對應，從空間和非空間數據兩個方面進行信息的存儲、查詢、評價和預測。

2 源數據與數據規則

2.1 源數據內容分析

CO2-EOR-S的實施，首先需進行適宜場地篩選評價，包括對評價對象（地質單元或有利區帶、油田群）的油藏地質條件、油氣資源和剩余資源潛力、CO2封存潛力進行安全、風險以及經濟性分析。選出適宜的油藏后，依據油藏地質特征和開發程度，對油藏開發生產和CO2封存運移過程進行數值模擬網格模擬分析與預測，尋求最優注采開發方案；再分析油藏注入CO2提高采收率和CO2地質封存情況，并評估經濟與環境效益。

在海上油田CO2-EOR-S整個評價與分析過程中，所涉及的數據包括區域地質構造、油藏地質等空間地質數據，油藏開發地質特征等工業分析參數，CO2儲運、海洋工程、海洋環境等基礎數據。信息源數據非常龐雜，包括多種不同類型的數據，如地圖、曲線、圖片、文字報告、統計分析、模擬計算和解釋數據等，而用于潛力評價的信息在各類源數據中均有體現。面對如此繁多、龐雜的信息，必須先進行歸類，通常是將地學相關信息分類為地理基礎信息和專題信息。地理基礎信息是指在描述或分析專題信息時經常用到的地理要素信息，如沿海和海底地形地貌、水深、海岸線以及主要碳排放源分布等；專題信息通常是指與研究范疇相關的專業信息，如用于潛力評價的油藏基礎地質和油藏工程開發生產等信息，該類信息的類別一旦確定，數據庫中允許存在的數據類型或數據文件也就確定了。本文根據潛力評價的需要和各類數據源所能表達的圖形數據信息，將主要數據需求歸納為7個類型，見表1。開展經濟可行性分析與預測時，還需增加經濟和海洋工程設施等成本方面的數據信息。

表1 CO2-EOR-S潛力評價數據庫錄入數據內容一覽表

2.2 數據規則分析

海上油田CO2-EOR-S地質空間數據需求包括海洋、地理、地質、油藏工程等方面，其數據內容可按存儲對象、評價目的和方法的包含關系與數據需求進一步細化，如儲層要素包括層厚、埋深、沉積相以及儲層物性（油氣水、孔隙、滲透率等）；而數據層級包括油田和油層2個尺度，前者表達油田區域地理、地質概況，后者表達各油層油氣水分布、層物性以及鉆井開發、注采等特性。利用GIS軟件提供的屬性處理、緩沖區分析、數值網格模擬等空間分析手段和空間數據查詢與圖件表達，可反映CO2-EOR-S目標區域地理、海況、地質概況，從而對CO2-EOR、CO2封存潛力和適宜性進行評估、分析和預測。

存儲的數據對象主要涉及矢量化的點、線、面和網格模型等地質空間數據，以及參數表格與統計分析計算結果表等非空間數據。空間數據主要突出油氣資源和封存潛力屬性，空間上的表達與地理、油氣地質條件、油氣勘查和開發區塊息息相關，其數據模型以地理、油氣地質（區塊、油田構造和次級構造沉積單元）、局部構造、油藏和探井、開發井和注入井等為主要圖層或子庫，以其他油田數據為次要圖層。空間數據采用層狀結構，根據特定屬性每層又可分成多個亞層。非空間數據將油氣儲量、CO2封存量等與油田構造單元屬性、沉積地層、斷裂、流體屬性等對象關聯起來，以對象數據表來細化存儲對象的特征，主要包括油田基本儲蓋層物性屬性、儲量、開發利用屬性、注采井屬性等。為了實現空間數據與非空間數據之間的通信、鏈接與共享，需建立數據之間的唯一編碼鏈接，即數據標準化。目前CO2地質封存領域尚無相關行業標準，本文參照石油天然氣行業相關標準，如《石油天然氣儲量規范（1997）》、GB/T 15281-94《中國油、氣田名稱代碼》、SY 5312.1-5312.1997《石油及天然氣探井數據庫編碼》、GB/T 16792-1997《中國含油氣盆地及次級構造單元名稱代碼》以及二氧化碳地質儲存方法概論[25]等，為諸如勘探單位類別、評價施工類別、評價方法、CO2-EOR以及CO2地質封存等數據制定了相應的數據字典。此外，數據庫中涉及海陸兩類圖形圖件，在采編前必須建立統一的坐標系和地圖投影方式，整個數據庫需共享空間參考系統，包括坐標系統、投影系統以及高程系統的空間參照系、空間域和精度。

3 CO2-EOR-S數據庫建設

3.1 數據架構模型

數據庫模型的設計需考慮基礎數據、圖件的相對固定性，參數數據的相對易變性以及勘探生產動態數據變化的周期性；需根據數據性質進行分類存儲設計和管理，以實現對資源潛力進行高效便捷的靜態和動態分析評價。面對資源潛力評價這種涉及多源、多尺度、多類型的大數據存儲與應用分析問題，以GIS為數據管理與分析工具，可在分類存儲不同信息的同時，提供豐富的空間分析功能接口[12，26-27]。地理空間數據庫是一種面向對象的空間數據模型，既包括每個數據集的框架與規則，又包括空間數據和屬性數據。根據層次型的數據對象來組織空間數據，包括簡單要素類、要素數據集、對象類數據以及其他數據等[28]。根據資源潛力分析源數據需求與規則，本文構建的CO2-EOR-S潛力評價數據庫模型如圖1所示。

圖1 CO2-EOR-S數據庫模型

對數據進行整理、歸類，將區塊范圍、井柱狀圖、井軌跡、電測曲線、解釋剖面以及成果圖等單獨性較強的空間數據歸為簡單要素；將地質背景、油藏地質等包含整套專題點、線、面等矢量源的空間數據歸為要素數據集，按照數據的語義分類分層次存儲在數據庫的空間數據集中；將對鉆井和樣品進行實驗室分析測試得到的關于儲蓋層巖性、物性、流體以及生產測試相關參數和分析結果等歸為非空間數據，一般通過屬性數據表格存儲。一些參數的反演與計算結果也通過數據表形式存儲在非空間數據中，如數據關聯、EOR快速評價參數與公式計算結果、混相壓力計算公式、注采壓力確定方法等，必要時可直接調用進行分析計算。

3.2 數據庫構建步驟

圖2 CO2-EOR-S數據庫構建流程圖

海上油田CO2-EOR-S數據庫構建流程如圖2所示。首先根據CO2-EOR和CO2地質封存潛力評價需要，將收集的鉆井/測井/測試、區域海洋和油田地質調查勘探以及油田開發、海洋工程與運輸等方面的相關圖件和數據資料作為源數據；再按照地質空間數據庫建設基本思路、數據需求和技術規則，對源數據進行分類整理，同時將CO2地質封存相關的資源潛力與方案、安全與風險以及經濟性等靜態和動態評價方法進行歸納整理；然后根據數據庫規則與數據模型設計的數據組織方法，對獲取的地理、海洋、地質、蓋層、油藏地質開發與評價等數據進行細化，在同一空間參考系統下對要素進行分類處理、校正、編碼和組織，按空間數據和非空間數據特征分別將其歸入GIS數據模型中，形成CO2-EOR-S綜合數據庫；最后利用GIS的數據管理、訪問、共享以及擴展等功能對數據庫進行維護，提供數據變化、評價方法處理與應用等功能，為資源潛力評價、選址、效益評估等提供數據支持，同時能根據需要展示和輸出相關成果圖件和數據表格。

4 數據庫應用實例

廣東近海珠江口盆地蘊藏著巨大的石油天然氣資源，石油遠景資源量為66.05×108t，自20世紀70年代以來，發現了一批陸生海儲的高產油氣田，成為中國近海重要的石油生產基地[29]，同樣具有巨大的CO2地質利用和封存潛力[30-31]。珠江口盆地大部分油田屬中小型，具有輕質油和高滲儲層、構造環境和蓋層發育穩定等優點，油藏水動力條件強，混相條件良好，具有CO2-EOR和CO2封存應用潛力[32]。本文根據亞洲開發銀行CCS卓越中心項目和英國繁榮基金珠江口盆地CO2注入準備研究等數據需求，為廣東近海珠江口盆地油田群搭建了CO2-EOR和CO2封存潛力數據庫。本文以具有自主知識產權的國產MapGIS K9為工具平臺，以SQL Server為關系數據庫，采用1954北京坐標系、蘭伯特等角圓錐投影，第一標準緯度為25°，第二標準緯度為47°，中經為106°。

4.1 數據來源與特點分析

珠江口盆地東部油氣區已發現含油氣構造近60個，已開發油氣田20多個，包括惠州、陸豐、西江、番禺砂巖型油田群以及流花生物礁油田等。本文以砂巖型油田為研究對象，包括HZ21-1、LF13-1等12個油田形成的惠州、陸豐和西江3個油田群。研究數據主要包括區域地質數據，海洋、水文以及油氣田勘探開發相關數據等。區域地質數據來源于國家地質調查（1∶200 000地質圖）、油氣地質調查和中國海域含油氣盆地圖集[29]，包括區域基本地質、海洋、水文地質等空間數據；油田地質數據主要來源于中國海域含油氣盆地圖集和中國油氣田開發志——南海東部油氣田卷[29,33]，包括儲蓋、流體和生產數據等空間和非空間數據。CO2-EOR-S潛力評價方法主要參照CO2封存領導人論壇（CSLF）、美國能源部（USDOE）、德州大學奧斯汀分校（UT-Austin）和油藏數值模擬等方法[34-38]，首先計算CO2在油藏中的理論封存量[34-35]，包括已枯竭油藏和注入CO2提高采收率油藏的理論封存量；然后利用CO2-EOR無量綱快速評價模型[36-38]對所有油藏的CO2-EOR-S潛力進行快速排序和篩選，選出潛力最佳油藏；最后利用油藏數值模擬方法對最佳對象進行動態CO2-EOR-S數值模擬研究。

4.2 數據庫組織

海上油田CO2-EOR-S潛力評價過程中，通常圍繞區域地理與海洋調查、油田勘探與開發等現有數據開展工作，除了區域海洋地質地理信息外，其利用的主要信息包括油田儲量、儲蓋層和流體屬性、油柱高度與含油面積等油田開發實際數據。根據這些信息，通過模擬計算分析等手段可獲得剩余油儲量、溫壓條件、CO2地下屬性、封存前景和提高采收率潛力等。根據收集到的實際數據和資源潛力分析需要，采取分層存儲的方式對數據庫進行組織和管理，本文將空間數據分為區域排放源、區域地理、區域地質、油氣田、鉆測井等數據集；屬性數據則包含在空間圖形的屬性結構中，如含油面積、儲量、排放量等；將一些包含重要參數信息的非空間數據歸入對象類的屬性表格，如原油屬性、原油PVT參數、開發歷史數據等；以其他數據的形式將分析計算的理論儲量、封存量、采收率、混相壓力以及注采壓力等歸入非空間數據。非空間數據可通過關聯、關系與對應的空間數據進行鏈接、互通并共享數據信息，以便為該實體空間數據補充完整屬性信息。所有數據按照數據模型進行分類、編碼和組織，利用MapGIS K9實現數據的管理、分析和可視化，可為CO2-EOR-S實施提供支持。

4.3 數據結果分析

將收集到的所有數據入庫后，除可提供相關空間查詢訪問外，還可利用MapGIS空間數據處理與分析功能進行數據分析和統計，為資源潛力分析提供便利。例如，本文對廣東近海珠江口盆地的13個油田進行了分析，利用緩沖區分析方法得到了不同源匯距離范圍內排放源出現的頻數和總排放量分布特征（圖3），可以發現，廣東陸上分布的大型CO2排放源與海上油田的匹配距離基本在150～250 km以內。另外，油田屬性表格數據可方便計算與統計分析儲量、封存量、提高采收率等信息；還可統計分析不同時間節點的各種數據信息，從而實現動態評價。在有新數據或數值模擬結果發生變動情況下，可快速補充完善數據，進行再評價，以修正對CO2-EOR-S潛力的評估。

圖3 源匯匹配統計成果輸出示例圖

5 結 語

海上油田CO2-EOR-S潛力評價與技術實施過程涉及多源、多尺度、多類型的大數據管理與分析問題，本文基于GIS強大的數據存儲、管理和分析融合功能，提出了一種海上油田CO2-EOR-S數據庫建設方法；從數據來源、數據組織、數據庫模型到數據庫架構以及實例應用，給出了CO2-EOR-S數據庫建設的基本思路和流程；并以廣東近海珠江口盆地惠州油田群為例，利用MapGIS K9平臺嘗試構建了CO2-EOR-S數據庫，為海上油田CO2-EOR-S潛力與適宜性評估分析提供了參考。

海上油田CO2-EOR-S資源潛力評估涉及的數據量大、綜合性強、處理方法較為復雜，僅通過圖形圖像數據的綜合分析與處理遠不能滿足實際需要。在GIS上實現大數據信息與靜態和動態評價方法的有機結合，在利用傳統評價方法的同時，進一步考慮海洋工程、經濟與安全風險等因素，需要最大限度地利用GIS提供的空間數據與函數處理功能，在建模、分析與處理解釋等方面進一步研究，為部署離岸CCUS項目提供數據支持和科學依據。