基于貝葉斯網(wǎng)絡推理的油氣成藏模式分析

丁玉璐 朱樂

油氣資源評價研究中的難點是描述各種地質場景的不確定性，綜合定量數(shù)據(jù)和定性知識做出科學的決策。貝葉斯網(wǎng)絡是進行不確定性概率推理的有效模型。本文首先以假想的油氣成藏為例，結合先驗知識得到后驗概率并創(chuàng)建貝葉斯網(wǎng)絡，計算成藏可能性；然后構建塔河地區(qū)成藏可能性的貝葉斯網(wǎng)絡，通過設置證據(jù)節(jié)點，預測效果有較大改善。結果表明，應用貝葉斯網(wǎng)絡可以在一定程度上提高油氣資源評價結果的可靠性。

一、研究成因

地質人員對地下認知往往涉及眾多相互聯(lián)系又相互影響的系列地質因素，這些因素本身及其相互之間的關系都存在大量的不確定性，一類是由于人們對客觀世界的認識不足、信息缺失或知識缺乏而導致的認知不確定性，如對成藏過程分析的不確定性造成的不同成藏模式解釋的差異；另一類是客觀事物內在本質的隨機不確定性，如三級圈閉的資源量不能由其系列四級圈閉簡單累加，需要客觀刻畫不同四級圈閉隨機出現(xiàn)的可能性。

針對這種不確定性問題的研究，專家學者們也提出了多種預測油藏分布的方法，如李建華、龐雄奇等預測目的層段巖性油氣藏有利區(qū)分布通過求取TCDPS指數(shù)；徐野提出相應的模型及算法通過結合貝葉斯網(wǎng)絡與信息融合技術；趙重遠繪制出油氣成藏預測圖以已有的成烴期烴源巖或近烴源巖輸導層的構造圖為基礎并且結合了成藏期后原生油氣藏的變化情況；操成杰、陳忠等分別應用構造應力場驅油理論、三維有限元法對某地區(qū)進行油氣成藏預測。綜上分析，油氣成藏預測中，不確定性因素很多，而這些因素又具有不確定性、隨機性和相關性等特點。因此，本文以貝葉斯方法為基礎，建立油氣成藏模式分析貝葉斯網(wǎng)絡模型，探索貝葉斯網(wǎng)絡在油氣成藏模式中的應用，希望能在一定程度上提高油氣勘探成功率。

二、 貝葉斯網(wǎng)絡

1.貝葉斯網(wǎng)絡的定義。令G=（I，E）表示一個有向無環(huán)圖（Directed Acyclic Graph， DAG），其中I代表圖形中所有節(jié)點的集合，E表示有向連接線段的集合。令X=Xi 為有向無環(huán)圖中的某一節(jié)點 所代表的隨機向量，若節(jié)點X的聯(lián)合概率可以表示成 ，則稱X為相對于一有向無環(huán)圖G的貝葉斯網(wǎng)絡，其中，pa（i）表示節(jié)點 i 的父節(jié)點（parents）。

在上述定義中，對于任意隨機變量，其聯(lián)合概率可由各自的局部條件概率相乘得到：

2.貝葉斯網(wǎng)絡推理類型。貝葉斯網(wǎng)絡的推理是在給定證據(jù)節(jié)點值后，利用貝葉斯條件概率計算方法，計算出感興趣的查詢節(jié)點的概率。貝葉斯網(wǎng)絡中的推理問題有三大類：后驗概率問題、最大后驗假設問題及最大可能解釋問題。

①后驗概率問題是指根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡中某些變量的取值，計算另外一些變量的后驗概率分布。在此類問題中，已知變量通常稱為證據(jù)變量，記為E，取值記為e；需要計算其后驗概率分布的變量稱為查詢變量，記為Q，需要計算的后驗分布為P（Q|E=e）。

根據(jù)證據(jù)變量和查詢變量所扮演的因果角色的不同，后驗概率問題有四種不同的類型：a.從結果到原因的診斷；b.從原因到結果的預測；c.在同一結果的不同原因之間的原因關聯(lián)推導；d.包含多種上述類型的混合推理。

②最大可能解釋問題。在貝葉斯網(wǎng)絡中，以變量消元法和團樹傳播法為代表的確定性推理和以隨機抽樣算法為代表的近似性推理，當節(jié)點眾多并且連接稠密時，它們的計算復雜度較高，精確推理算法不太適用。此時通常有兩種選擇：一種是利用概率分布中的局部結構，如因果機制獨立和環(huán)境獨立，來進一步降低精確推理的復雜度；另一種是降低對精度的要求，考慮近似推理算法，以求在限定的時間內得到一個近似解。

三、油氣成藏模式貝葉斯網(wǎng)絡構造

1.假想成藏模式。以一個假想的成藏模式分析為例，構造了一個有限的離散隨機成藏地質因素集合U ={“構造劇烈抬升”，“斷層是否封閉”，“近距離運移”，“某一構造帶成藏可能性”}的貝葉斯網(wǎng)絡：假定“近距離運移”是決定“成藏可能性”的唯一因素，“構造劇烈運動”和“斷層不封閉”是決定“近距離運移”的充分條件。其中，每個地質因素Xi有有限個狀態(tài)（本文假定有兩個狀態(tài)：成立和不成立），利用該網(wǎng)絡可以求取不同成藏地質因素在不同狀態(tài)組合下的聯(lián)合概率。

其中 是一個隨機變量集合，使得 與 在 條件下獨立。以岐中斷裂帶為例，采用三個成藏條件進行動態(tài)配置構建的特定地質場景來分析其成藏可能性：假定“近距離運移”是其成藏主要影響因素，同時假定兩個相對獨立的地質事件是決定“近距離運移”的充分條件，并通過現(xiàn)有地質資料對上述地質事件給出盡可能客觀的可能性定義及設定每個節(jié)點各種可能概率值，利用團樹傳播算法進行確定性概率推理，獲取近距離運移及成藏可能性的后驗概率，從而構建貝葉斯網(wǎng)絡。

隨著鉆井資料對該構造帶斷層封閉性驗證，確定為不封閉，即“斷層不封閉”節(jié)點可作為現(xiàn)有證據(jù)結點，重新進行確定性和不確定性概率推理，動態(tài)調整其它節(jié)點的概率值，以最終檢驗上述成藏條件配置的合理性。通過設置斷層不封閉為證據(jù)節(jié)點，近距離運移和成藏可能性的概率值都有所增加。因此，以上構建的貝葉斯網(wǎng)絡，在某個地質場景很確定的情況下，會對成藏可能性造成很大的影響，從而對探索油氣勘探成藏模式提供了新的方法。下面對實際的應用場景進行探索并構建貝葉斯網(wǎng)絡，分析成藏可能性。

2.塔河成藏預測。在多旋回海相沉積盆地中，多期構造活動的疊加導致多期生烴過程、油氣輸導體系演化與運聚機理和油氣多期成藏與保存等，使得碳酸鹽巖儲層成因多為多因素的聯(lián)合控制和多階段的復合成因。而貝葉斯網(wǎng)絡很適合定量描述碳酸鹽巖層系復雜地質場景和成藏過程的不同地質因素的可能性，通過團樹傳播和隨機取樣兩個算法進行確定性（精確）和不確定性（相似）貝葉斯推理，可以分析最大可能的碳酸鹽巖儲層成因機制。此外，在某些地質事件或儲層成因被確認的情況下，可實現(xiàn)針對上述地質活動結果的反向求解過程，獲取假設地質變量條件下的后驗最大可能成藏模式（最大后驗假設）。結合相關資料與實際的應用背景，最終決定設定沉積相控制、不整合面控制、流體（巖溶）作用為證據(jù)節(jié)點（此處為軟證據(jù)）。對于實際的應用場景來說，有時不可能只對某一個或兩個場景的可能性很確定，或許更多。因此，對于以上塔河成藏可能性，有三個確定場景，即沉積相控制、不整合面控制、流體（巖溶），并將其設置為證據(jù)節(jié)點。通過對比可知即在不確定的情況下，成藏只有不到一半的可能性，但在確定了某些場景并設置為證據(jù)節(jié)點后，大大的提高了成藏可能性。這對于地質人員來說是一個極大的好消息。

四、 總結與展望

貝葉斯網(wǎng)絡是一個很好的用來建模潛在的依賴關系的工具。它很靈活，可以處理不同的地質類型；也很簡單，可以使參數(shù)的數(shù)量保持在較低水平。本文嘗試將貝葉斯網(wǎng)絡引入油氣成藏預測領域，并通過塔河巖溶儲層成因分析為例進行說明，文中所構建的基于貝葉斯網(wǎng)絡推理的油氣成藏預測為地質人員提供了解決問題的新思路。

以系統(tǒng)論為指導的油氣成藏體系研究過程，其實質就是對成藏要素從靜態(tài)特征和動態(tài)演化兩個方面進行詳細分析，分析的結果可以基于不同的形式（定性和定量）來表達。石油地質學家往往是根據(jù)對某些地質事件的認識，結合己知的經(jīng)驗知識進行定性成藏模式分析，注重強調圍繞油氣藏的“生”、“儲”、“蓋”相關的系列成藏條件展開靜態(tài)定性成藏模式分析，而對于“運”、“聚”、“保”等成藏過程的動態(tài)定量成藏過程分析仍然是研究相對薄弱的環(huán)節(jié)。二者的差異在于：靜態(tài)分析關注基于某種特定地質場景假設，推斷每個成藏地質條件的主觀可能性。

但所面臨的問題是，對某一成藏地質條件的認識往往存在不確定性或者多解性。比如，針對某一油氣成藏的烴源巖是單源還是多源？如果是多源，那么不同來源的烴源巖的貢獻是多少？這些假設問題的提出不是立刻就能夠得到答案的，很多問題甚至隨著勘探程度的提高而仍然不得其解。動態(tài)分析則考慮地質模型的多解性，假定不同成藏條件間的條件關系配置以及不同地質場景假設情況下的后驗調整，展開針對后驗概率、最大后驗假設或最大可能解釋問題的貝葉斯推理，從各種地質假設中尋找最有可能的成藏模式或地質模型。

（作者單位：中國地質大學（武漢））