油田勘探三維可視化技術(shù)研究

王忠臣

（大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712）

0 引言

隨著表征三維立體地質(zhì)目標(biāo)重要信息的相關(guān)技術(shù)持續(xù)提升和進(jìn)步，它能夠?yàn)橄嚓P(guān)石油系統(tǒng)的技術(shù)人員和管理人員提供非常直觀的、綜合性的研究利用勘探信息實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用技術(shù)的圖像型操作平臺(tái)環(huán)境，從而達(dá)到勘探油氣井位的合理排布、油田整體開發(fā)方案的改善以及即時(shí)動(dòng)態(tài)情況分析帶來有力的技術(shù)支持的目標(biāo)。借助多維度三維立體地質(zhì)目標(biāo)信息全方位演示的相關(guān)技術(shù)，可以使勘探挖掘開發(fā)工作的全面研究、生產(chǎn)流程管理以及重大決策制定等重要業(yè)務(wù)內(nèi)容集成在一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)環(huán)境內(nèi)、負(fù)責(zé)勘探挖虐任務(wù)的操作人員和油田的管理層將會(huì)在共同“地質(zhì)體”對(duì)象平臺(tái)內(nèi)開展相應(yīng)的工作，有利于提升各業(yè)務(wù)部門之間的協(xié)調(diào)性和一致性，盡量減少各部門之間因?yàn)樾畔⒐蚕聿患皶r(shí)或者不完整而出現(xiàn)的理解出錯(cuò)的情況，進(jìn)而提升油氣田勘探挖掘開發(fā)的總體水平。

1 石油勘探開發(fā)領(lǐng)域的三維立體可視化應(yīng)用軟件的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，石油氣勘探挖掘行業(yè)正在廣泛應(yīng)用的各類專業(yè)的立體軟件以及技術(shù)的發(fā)展相對(duì)比較快，國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)內(nèi)的大多數(shù)油氣開發(fā)單位采用的立體仿真模擬軟件通常為國(guó)內(nèi)外高水平的程序軟件，該立體化程序軟件在石油氣行業(yè)中的勘探挖掘過程中都呈現(xiàn)出非常明顯的效果；相關(guān)的程序軟件中大多集成了立體可視化的功能子模塊；例如Land Mark程序中自帶的地震參數(shù)信息解析包，該程序包具備立體的自動(dòng)化地層位置改變量的跟蹤、立體形式的可視化分析、地層重疊后處理分析、地質(zhì)條件體干涉狀態(tài)分析、地質(zhì)體屬性研究以及地質(zhì)地形三維建模等功能。Earth Vision是一款由世界知名的DGI公司開發(fā)的三維立體地質(zhì)地形建模以及立體可視形式軟件中的集成化模塊，該模塊能夠使用3D立體化油藏的地質(zhì)部位構(gòu)造模型、參數(shù)化信息數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)模型，產(chǎn)生3D立體型的信息數(shù)據(jù)集合，還可以應(yīng)對(duì)相對(duì)復(fù)雜的斷面問題，將其建模后的結(jié)果進(jìn)行模擬運(yùn)算，就能實(shí)現(xiàn)針對(duì)三維立體盆地?cái)?shù)字模擬結(jié)論的三維可視化表達(dá)。

2 油田勘探挖掘相關(guān)地質(zhì)對(duì)象的參數(shù)研究

2.1 建立地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元

地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元是指構(gòu)造地質(zhì)環(huán)境的元素，可以分成盆地、1級(jí)地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)、2級(jí)構(gòu)造結(jié)構(gòu)以及3級(jí)構(gòu)造結(jié)構(gòu)等。

2.2 三維立體工作區(qū)域

對(duì)油田數(shù)據(jù)信息資料的收集、編輯和解析等不同的工作環(huán)節(jié)進(jìn)行劃分，立體形式的工作區(qū)域能夠分為成立體工作收集區(qū)域、立體編輯區(qū)域以及立體解析操作區(qū)域，對(duì)于掌握油田全方位規(guī)劃設(shè)計(jì)的部門來說，通常需要重點(diǎn)關(guān)注立體工作收集區(qū)域以及立體工作編輯區(qū)域；對(duì)于地質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，僅僅需要關(guān)注立體工作編輯區(qū)域，并根據(jù)該立體工作區(qū)域來完成捕捉立體油田數(shù)據(jù)地質(zhì)體相關(guān)資料的工作。為了更好、更方便地對(duì)相關(guān)油氣田數(shù)據(jù)資料進(jìn)行存放及日常管理維護(hù)，三維編輯工作區(qū)域和三維解析工作區(qū)域都用矩形來替代顯示[1]。

2.3 油氣田

在地質(zhì)學(xué)的范疇上，油氣田是指具有一定的產(chǎn)油區(qū)域內(nèi)各種相關(guān)油氣礦藏的總合的概念。同一個(gè)油氣田可能蘊(yùn)藏著1個(gè)或者多個(gè)油氣礦藏。在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)如果主要為石油礦藏，那么就可以稱為油田，如果主要為天然氣礦藏，那么就可以稱為氣田。油氣田的范疇一般都是通過3級(jí)儲(chǔ)藏量的估算單元在地表上投影而構(gòu)成的區(qū)域面積來表現(xiàn)的，該區(qū)域也稱為已經(jīng)探明的含油面積、可以控制的含油面積以及評(píng)估的含油面積。通常在 GIS軟件系統(tǒng)中能夠顯示出來的油氣田的區(qū)域范圍都使用經(jīng)過填充的多邊形圖像來顯示。

3 油氣田儲(chǔ)量參數(shù)信息的可視化相關(guān)技術(shù)

3.1 三維立體的表達(dá)方式研究

相關(guān)工程技術(shù)人員根據(jù)已有的計(jì)算單元邊界部分的坐標(biāo)值、油氣礦藏中部區(qū)域的埋藏深度等參數(shù)以及有效評(píng)價(jià)厚度參數(shù)等特征數(shù)值可知：采用邊界類型的模型來體現(xiàn)油氣儲(chǔ)量的參數(shù)信息，將一個(gè)分析單元相應(yīng)的立體形式的模型劃分為頂面區(qū)域（T）、下面區(qū)域（B）以及側(cè)面區(qū)域（F）來體現(xiàn)（如圖1所示）。在分析單元的邊界設(shè)置許多拐點(diǎn)，這些點(diǎn)即為Pi（i=1，…n），礦藏中部的埋藏深度參數(shù)設(shè)為z，厚度平均值設(shè)為d，在Pi點(diǎn)處的空間坐標(biāo)設(shè)為（xi，yi，zi），從底面單元（BLN）邊界位置的坐標(biāo)數(shù)值可以得到xi及yi，zi=z-d/2，該模型的頂面區(qū)域（T）為一個(gè)多邊形結(jié)構(gòu)。

圖1 儲(chǔ)量數(shù)據(jù)的邊界模型表示示意圖

3.2 空洞狀況的操作應(yīng)對(duì)措施

構(gòu)成分析單元的立體結(jié)構(gòu)由礦藏模型的頂面、下面及側(cè)面的3個(gè)圖形結(jié)構(gòu)共同組成，全部的面區(qū)域都會(huì)存放在So Separator的結(jié)點(diǎn)單元中，使用相關(guān)類型的文件編譯后將結(jié)點(diǎn)信息導(dǎo)入Open Inventor系統(tǒng)的場(chǎng)景樹框架之中，便能完成所有查詢和解釋計(jì)算數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部數(shù)據(jù)信息的工作，但是也會(huì)遇到類似空洞的特殊情況。圖2為應(yīng)用奇點(diǎn)模式表示空洞，在平面上沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一圈，計(jì)數(shù)加1次，沿著順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周，計(jì)數(shù)的值就相應(yīng)減1；如果應(yīng)用奇點(diǎn)生成的模式，在生成該表面時(shí)就會(huì)發(fā)生僅繪制計(jì)數(shù)的數(shù)值為奇數(shù)的相關(guān)面積區(qū)域，計(jì)數(shù)數(shù)值為偶數(shù)的面積區(qū)域就不會(huì)被生成，進(jìn)而顯示出空洞的圖形效果[2]。

圖2 奇點(diǎn)生成模式示意圖

4 勘探發(fā)掘圖件的可視化解決方案研究

4.1 石油開采領(lǐng)域的主流圖件種類及格式研究

通常來講，根據(jù)油氣田勘探圖件的主要特性可以將其分成構(gòu)造圖件、剖面圖件、屬性研究圖件以及其他綜合類型的圖件。相關(guān)圖件生成的流程以及格式如下。

4.1.1 構(gòu)造圖件

石油勘探行業(yè)的技術(shù)人員使用范圍最廣、最根本的圖件模式為構(gòu)造類型的圖件。通常，相關(guān)技術(shù)人員會(huì)使用Landmark系統(tǒng)提供的ZYCOR的模塊完成圖件的繪制工作，也有部分技術(shù)人員借助Geo Frame系統(tǒng)軟件提供的 CPS3模塊完成圖件的繪制工作，某些位于外部區(qū)域的模塊位置可以使用其他軟件相應(yīng)模塊的功能。所有信息參數(shù)的起點(diǎn)都是之前系統(tǒng)解析過程的計(jì)算結(jié)果，源頭為磁盤端口輸入的ASCII碼形式的文件數(shù)據(jù)。

4.1.2 剖面形式的圖件

由于分析系統(tǒng)導(dǎo)出的CGM+格式的計(jì)算文件無法用于Powerpoint程序的計(jì)算分析系統(tǒng)中，因此剖面形式的圖件的一般源頭是以位圖的格式保存的屏幕拷貝文件。

4.1.3 屬性研究圖件

屬性研究圖件是指由解析系統(tǒng)能夠直接生成的一類圖件模型的CGM文件類型，由人工完成添加文件需要的相關(guān)信息等后期操作，最后得出的圖件格式屬于位圖范疇。

4.2 構(gòu)造圖件的可視化操作方案

4.2.1 構(gòu)造圖件的數(shù)字化轉(zhuǎn)換操作

相關(guān)工程技術(shù)人員需要對(duì)構(gòu)造的圖件文件進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，生成等高線、斷層線和邊界線這3類線型的計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的文件的數(shù)據(jù)參數(shù)，再使用預(yù)處理參數(shù)信息的相關(guān)模塊，對(duì)等高線的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行解析，將與全部等高線位置的高度相關(guān)的參數(shù)屬性賦值給所有的點(diǎn)，也就是z點(diǎn)的數(shù)值，從而生成不規(guī)則立體空間內(nèi)部存在的離散點(diǎn)。應(yīng)用數(shù)字化方式的構(gòu)造圖件內(nèi)的斷層線只能讀取點(diǎn)在平面范圍內(nèi)的坐標(biāo)，不能獲得斷層線上點(diǎn)在高度層面的數(shù)值信息，除非將斷層線及等值線段的交叉點(diǎn)作為斷層線段的中點(diǎn)[3]。

4.2.2 創(chuàng)建原始地層平面模型

構(gòu)建TIN（不規(guī)則三角網(wǎng)格）模式的表層圖像模型的辦法是應(yīng)用不規(guī)則三角形模式中表面元素的模型表面的數(shù)值模型（立體形式）去生成表層圖像模型，該文采用的是基于Delaunay三角形剖分方案完成地層內(nèi)部立體模型的繪制生成工作。該方式屬于表層描述方法，它需要處理的數(shù)據(jù)信息量以及運(yùn)算負(fù)擔(dān)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于體類型的描述方法。

4.2.3 地層表面上斷層線段的約束條件

由于斷層部分具有截?cái)嘈?yīng)，使得原有的連續(xù)地層部分存在不連續(xù)的狀態(tài)，因此需要將斷層部位的各類約束作為約束條件來完成早期地層表面區(qū)域的重新構(gòu)造工作，在算法框架中優(yōu)先考慮的情況多數(shù)是把無約束狀態(tài)的初始參數(shù)信息和相應(yīng)的約束信息共同構(gòu)成網(wǎng)格模型，影響區(qū)域的重新構(gòu)造算法是指一類約束線段插值模式的算法。軟件中優(yōu)化了了斷層線段約束部分的結(jié)構(gòu)，設(shè)t1、t2為系統(tǒng)內(nèi)約束線段t1t2上（t1、t2∈V，其中V是點(diǎn)集合）的2個(gè)點(diǎn)，系統(tǒng)程序向CD-TIN線段中導(dǎo)入約束t1t2線段的過程如下（如圖3所示）。

圖3 插入約束線段的操作示意圖

4.2.3.1 加入約束線段

將約束條件t1t2導(dǎo)入CD-TIN中，全部被t1t2分割的三角形單元的邊為ei，如果ei屬于約束條件，就將其標(biāo)記為約束條件，該交叉點(diǎn)是以虛點(diǎn)的形式插到約束線段t1t2中（如圖3（a）所示）。

4.2.3.2 確認(rèn)約束部分的實(shí)際生效區(qū)域

刪除被約束線段t1t2切割的、沒有約束作用的三角形邊ei，結(jié)果生成1個(gè)非三角剖分的多邊形，該結(jié)構(gòu)即為約束線段t1t2的實(shí)際生效區(qū)域；該作用區(qū)域內(nèi)部包括與t1t2發(fā)生交叉的若干約束線，如圖3（b）所示。

4.2.3.3 約束線實(shí)際生效區(qū)域網(wǎng)格局部重新構(gòu)造操作

約束線段t1t2以及與t1t2交叉的約束線Ci（i=0，1，…，n，i為約束線段數(shù)量）將實(shí)際生效區(qū)域分成若干區(qū)域（（Vui，Vdi），i=1，…n+1），對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行CD-TIN的剖分，并保證t1t2以及與其交叉的約束線段的效果，從而保證獲得的CDTIN文件滿足約束條件的空?qǐng)A要求。再采用遞歸模式對(duì)約束線段的實(shí)際生效區(qū)域進(jìn)行三角剖分，即為網(wǎng)格局部重新構(gòu)造，如圖3（c）所示。

4.2.4 地層表面的編輯操作

該流程的作用主要是去除地層表面斷層線間無用的三角形及其輪廓（非規(guī)則圖形），屬于非常復(fù)雜的生成地層區(qū)域表面立體模型的最后操作階段，該步驟的主要目的是建立具有錯(cuò)斷形式效果圖像的地層表面的立體、數(shù)字形式的模型，是去掉沒有實(shí)際用處的三角形的最佳方案，即為應(yīng)用手動(dòng)操作的方法；這樣也可以預(yù)防在電腦系統(tǒng)刪除過程中復(fù)雜算法有可能發(fā)生的偏差的現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 地層表面人工交互編譯操作

4.2.5 編程實(shí)現(xiàn)過程

根據(jù) Open Inventor 對(duì)三維演示圖形界面進(jìn)行開發(fā)，先建立三維場(chǎng)景，搭建出多個(gè)層次，自左及右、由上到下的生成場(chǎng)景。如果要達(dá)成其他效果，就必須在場(chǎng)景中添加對(duì)應(yīng)的相關(guān)結(jié)點(diǎn)。相關(guān)編程技術(shù)人員為了達(dá)到更理想的三維顯示結(jié)果，必須要對(duì)先相機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)、材料屬性的數(shù)值以及光源等參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮笃谠O(shè)置，材料的屬性數(shù)值可以在結(jié)點(diǎn)的So Material模塊中進(jìn)行更改操作，該屬性體現(xiàn)了光源反射的效果。相機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)需要在Open Inventor系統(tǒng)內(nèi)自帶2種屬性，與正交相機(jī)相比，透視相機(jī)更加符合人類的視覺特征，因此該文選擇該相機(jī)屬性。立體復(fù)雜區(qū)域的地表的效果圖像如圖5所示。

圖5 地層的斷層和油井立體復(fù)雜地層表面的演示效果

4.3 油藏的剖面圖的演示相關(guān)技術(shù)

某個(gè)區(qū)域的油藏是指為了掌握地層、油藏在縱向方向上的出現(xiàn)起伏的形態(tài)、油層、砂層和隔層的相關(guān)特征以及油與水之間的聯(lián)系等物性關(guān)系的剖面圖像，通常來講，由常規(guī)的油藏區(qū)域的剖面能夠全方位地了解整體范圍地下資源的分布情況，因此在三維立體空間內(nèi)集成演示油藏剖面圖，可以幫助石油工作人員修正過往對(duì)地下情況的認(rèn)知。

5 結(jié)語

綜上所述，該文研究了石油勘探圖件的特點(diǎn)，著重介紹了構(gòu)造圖件及油藏剖面圖件的可視化解決方案。對(duì)構(gòu)造圖進(jìn)行數(shù)字化操作之后，再生成立體的地層表面區(qū)域模型，設(shè)置斷層內(nèi)部的約束條件，并通過編程驗(yàn)證該方式的可行性；對(duì)于油藏剖面，分析了其空間化的實(shí)現(xiàn)方式，生成了預(yù)處理程序，并且能夠與相關(guān)的格式數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)集成。