虛擬鉆孔在深層三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用

王 瑤，張像源，陳文杰，鮑 蕊

（天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191）

虛擬鉆孔在深層三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用

王 瑤，張像源，陳文杰，鮑 蕊

（天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191）

在三維地質(zhì)建模過(guò)程中，如何更好地利用多源數(shù)據(jù)幫助，建立擬合度高、符合地層分布規(guī)律的三維地質(zhì)模型是目前業(yè)內(nèi)的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。在深層三維地質(zhì)建模原始資料較為稀缺的情況下，通過(guò)提取物探地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)信息并加以利用，可以很好地豐富建模初始資料的來(lái)源。基于SKUA等GIS軟件平臺(tái)，本文作者提出了剖面數(shù)據(jù)→生成虛擬鉆孔→提取marker數(shù)據(jù)→marker數(shù)據(jù)融合校正的方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)建模過(guò)程的有效干預(yù)和控制，使生成的模型不斷趨于精確。同時(shí)，在工程實(shí)例中檢驗(yàn)了該方法的準(zhǔn)確性和模擬效果。

剖面數(shù)據(jù)；虛擬鉆孔；三維地質(zhì)建模；SKUA

0 引言

深層復(fù)雜地質(zhì)體包含斷層、褶皺等多值面的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象，增加了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、拓?fù)潢P(guān)系以及相應(yīng)算法的復(fù)雜程度，使得建立的模型難以擬合真實(shí)情況，至今仍然缺乏成熟的解決方案（凌毅平等，2007）。鉆孔是具有狹小地表面積和一定深度的柱狀三維體（包世泰等，2005），是三維地質(zhì)模型構(gòu)建的重要原始資料，包含有垂直方向上各種屬性信息的變化。利用鉆孔數(shù)據(jù)能夠最大限度地控制所建立三維地質(zhì)模型的層位信息，然而受困于人工成本等原因，深層地?zé)徙@孔一般數(shù)據(jù)稀少，分布情況也不均勻，大部分都分布在經(jīng)濟(jì)建設(shè)開發(fā)力度較大的地區(qū)。

近年來(lái)物探測(cè)量技術(shù)取得了飛速發(fā)展，除傳統(tǒng)的勘探方法得到了廣泛的運(yùn)用外，同時(shí)大力開發(fā)三維、透視的物探技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化成圖，加強(qiáng)與鉆探、原位測(cè)試和土工試驗(yàn)的相互驗(yàn)證，使物探勘測(cè)技術(shù)水平大大提高，成果解譯剖面的準(zhǔn)確性和價(jià)值也越來(lái)越高。將2D剖面數(shù)據(jù)處理為虛擬鉆孔空間數(shù)據(jù)信息，可以很好地豐富建模初始資料來(lái)源，彌補(bǔ)地質(zhì)鉆孔資料的不足，提高建模的精準(zhǔn)度。

1 虛擬鉆孔的利用方法

1.1 虛擬鉆孔的定義

受制于成本和地質(zhì)條件復(fù)雜程度等因素，在實(shí)際深層三維地質(zhì)建模和可視化研究中，僅僅依據(jù)地質(zhì)工作中得到的有限鉆孔作為控制點(diǎn)很難確定地質(zhì)對(duì)象的邊界，這樣會(huì)在很大程度上影響地質(zhì)對(duì)象的形態(tài)描述和空間表達(dá)。因此，在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段，通過(guò)手工地質(zhì)制圖的經(jīng)驗(yàn)，利用適當(dāng)?shù)姆绞酵茢嗳〉靡欢〝?shù)量較為可靠的虛擬鉆孔，以加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)對(duì)象邊界信息的控制。由于虛擬鉆孔具有普通鉆孔的性質(zhì)，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、表達(dá)以及存儲(chǔ)方式等方面具有一致性（王潤(rùn)懷等，2007），它們具有同樣的空間分布特征和空間關(guān)系，這無(wú)疑加快三維地質(zhì)建模進(jìn)程，提高建模精度。

1.2 引入虛擬鉆孔的思路

根據(jù)筆者的研究，對(duì)于基于鉆孔等多源數(shù)據(jù)耦合三維地質(zhì)建模方法，剖面參與模型構(gòu)建的方式主要是利用生成的三維地質(zhì)模型按照實(shí)際剖面線的走向繪制標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)剖面，與實(shí)際野外地質(zhì)剖面對(duì)比，由技術(shù)人員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)剖面進(jìn)行修改校正，再反饋到三維地質(zhì)模型中。該方法僅可適用于在建模后期對(duì)建立的模型進(jìn)行調(diào)整和修改，無(wú)法在建模初始階段融入剖面數(shù)據(jù)信息，且人為主觀調(diào)整因素較大。

SKUA軟件是帕拉代姆公司基于GOCAD軟件研發(fā)的新一代3D油藏建模軟件。它的前身GOCAD（Geological Object Computer Aided Design）三維地質(zhì)建模軟件是一款國(guó)際上公認(rèn)的主流建模軟件，功能強(qiáng)大，界面友好，在眾多石油公司和服務(wù)公司得到了廣泛的應(yīng)用。其中一個(gè)重要功能Fit Horizon to Well Markers就是利用鉆孔的marker數(shù)據(jù)來(lái)校正已建立的地層模型，來(lái)進(jìn)一步保障局部地層的精確約束控制。基于此，筆者提出了物探解譯剖面數(shù)據(jù)→生成虛擬鉆孔→提取marker數(shù)據(jù)→marker數(shù)據(jù)融合校正的方法，通過(guò)引入虛擬鉆孔作為中間數(shù)據(jù)保存剖面數(shù)據(jù)信息，參與到實(shí)際三維地質(zhì)建模中（陳文杰，2015）。

1.3 虛擬鉆孔的提取

本質(zhì)上是對(duì)物探解譯剖面信息的提取和編輯。首先對(duì)物探解譯剖面數(shù)據(jù)預(yù)處理，即對(duì)剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和概化，使剖面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)清晰，邏輯正確。然后利用GIS工具對(duì)剖面進(jìn)行空間分析，分別提取well paths數(shù)據(jù)和well marker數(shù)據(jù)。

（1）Well paths鉆孔井位數(shù)據(jù)

井位數(shù)據(jù)提取關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從2維數(shù)據(jù)向3維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。在平面圖以兩條剖面交線為中心，以剖面線為基線向兩側(cè)造平行線，設(shè)置一定的間距，在平面圖上可以確定虛擬鉆孔的x、y坐標(biāo)，通過(guò)與DEM地形數(shù)據(jù)空間分析可以得出z（虛擬鉆孔標(biāo)高），由此確定了虛擬鉆孔的空間位置，形成Well paths數(shù)據(jù)。圖1展示了虛擬鉆孔數(shù)據(jù)由二維坐標(biāo)（x，y）向三維坐標(biāo)（x，y，z）轉(zhuǎn)換過(guò)程。

圖1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變示意圖Fig.1 Data structure transition diagram

（2）Well marker鉆孔層位數(shù)據(jù)

通過(guò)GIS工具把虛擬鉆孔與剖面區(qū)文件進(jìn)行交集運(yùn)算，獲取地層編號(hào)信息和層厚信息，經(jīng)過(guò)編輯后得到虛擬鉆孔的地層層位數(shù)據(jù)信息。well marker數(shù)據(jù)與well paths數(shù)據(jù)通過(guò)虛擬鉆孔編號(hào)關(guān)聯(lián)。

1.4 重構(gòu)地質(zhì)曲面

在現(xiàn)有地層數(shù)據(jù)和鉆孔等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，導(dǎo)入虛擬鉆孔，將其包含的地層信息加入到原地層數(shù)據(jù)中，同時(shí)將虛擬鉆孔的地層點(diǎn)與同一地層中的鉆孔信息串聯(lián)起來(lái)。GOCAD 軟件開發(fā)了針對(duì)地質(zhì)建模特點(diǎn)的插值算法, 即離散光滑插值算法(DSI) 。DSI類似于解微分方程的有限元方法，用一系列具有空間實(shí)體幾何和物理特性、相互連接的空間坐標(biāo)點(diǎn)來(lái)模擬地質(zhì)體。已知節(jié)點(diǎn)的空間信息和屬性信息被轉(zhuǎn)化為線形約束,引入到模型生成的全過(guò)程（董梅等，2008）。在虛擬鉆孔的介入下，SKUA可以通過(guò)局部DSI算法，調(diào)整三角網(wǎng)的控制點(diǎn)來(lái)對(duì)曲面進(jìn)行局部編輯，重新構(gòu)造空間曲線，將這個(gè)三維曲面擬合到由虛擬鉆孔數(shù)據(jù)反演得到的層面位置；擬合后的三維曲面在宏觀形態(tài)上與地表出露線、產(chǎn)狀一致，在局部與由虛擬鉆孔數(shù)據(jù)反演得到的層面位置一致，形成新的三維地質(zhì)模型。

2 構(gòu)造建模實(shí)例

本文以建立天津市某研究區(qū)基巖地質(zhì)三維模型為例，詳述了如何利用虛擬鉆孔對(duì)模型進(jìn)行修正。研究區(qū)位于寶坻斷裂以南的平原區(qū)，根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，所建的模型共分為五層，分別為新生界、中生界、上古生界、下古生界以及下古生界以下地層。

收集到的深層地?zé)徙@孔數(shù)量較少且大部分都分布在中心城區(qū)的周圍，而可利用的地震剖面則有9條，基本能夠控制全區(qū)，因此，需要根據(jù)實(shí)際情況添加虛擬鉆孔，以更好地利用原始資料，提高鉆孔分布較少地區(qū)的建模精度。

2.1 基于虛擬鉆孔等多源數(shù)據(jù)的SKUA三維地質(zhì)建模流程

SKUA是以工作流（workflow）為核心的新一代地質(zhì)建模軟件，實(shí)現(xiàn)了高水平的半智能化建模。基于虛擬鉆孔等多源數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模流程如圖2所示。

2.2 基巖地質(zhì)三維建模

（1）虛擬鉆孔準(zhǔn)備

圖2 三維地質(zhì)建模流程圖Fig.2 3D geological modeling fow diagram

采用GIS空間分析的方法，將物探解譯地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成虛擬鉆孔數(shù)據(jù)，具體方法如下：首先在剖面上等間距設(shè)置虛擬鉆孔，然后利用鉆孔軌跡線與剖面區(qū)做空間分析，獲取地層層位數(shù)據(jù)，作為Wellmark；鉆孔在平面的位置信息以及鉆孔深度信息，作為WellPath。

（2）數(shù)據(jù)導(dǎo)入

①導(dǎo)入鉆孔數(shù)據(jù)：對(duì)于well paths，首先將GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中的鉆孔數(shù)據(jù)導(dǎo)出為SKUA識(shí)別的文本格式。字段名稱為“wellname，x，y，z，md”，即鉆孔名稱，X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)，鉆孔埋深。由于虛擬鉆孔是從剖面中提取，可認(rèn)為是直井，因此不含有鉆孔方位角等信息。對(duì)于well markers，將GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的地層數(shù)據(jù)導(dǎo)出為文本格式，字段名稱為“well name、MD、markers”，即鉆孔名稱、標(biāo)記點(diǎn)埋深、地層代號(hào)。分別導(dǎo)入實(shí)際鉆孔和虛擬鉆孔的well paths和well marker數(shù)據(jù)。②導(dǎo)入地層數(shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)、建模邊界數(shù)據(jù)：地層、斷層都是單文件數(shù)據(jù)集，運(yùn)用SKUA軟件導(dǎo)入功能導(dǎo)入地層、斷層數(shù)據(jù)。同時(shí)導(dǎo)入建模邊界數(shù)據(jù)，格式是.dxf，值得注意的是，由于不同GIS軟件之間容錯(cuò)性的差異，建模前需要檢驗(yàn)邊界數(shù)據(jù)的拓?fù)渫暾浴?/p>

（3）建模工作流

新建結(jié)構(gòu)地層建模（struct and stratigraphic modelling）工作流。具體的流程如下：①設(shè)定地層層序及接觸關(guān)系，確認(rèn)地層由新到老順序?yàn)樾律纾–z）、中生界（Mz）、上古生界（Pz2）、下古生界（Pz1）、中上元古界，除新生界與中生界接觸關(guān)系為整合（comfortable）外，其余地層間接觸關(guān)系為侵蝕（erode）。隨后檢驗(yàn)地層與井marker數(shù)據(jù)一致性（Check Data Consistency）。②設(shè)置斷層走向：選擇所有斷層，設(shè)置斷層類型，研究區(qū)主要斷裂有滄東斷裂，海河斷裂等在構(gòu)造斷裂劃分上為Ⅰ、Ⅱ級(jí)的斷裂。斷層類型包括正斷層（normal）、逆斷層（reverse）以及走向斷層（fault）。③確定建模域和深度域：確定建模體邊界，可以導(dǎo)入邊界文件或者繪制一個(gè)VOI。選取前已導(dǎo)入的數(shù)據(jù)邊界作為模型計(jì)算邊界。垂向上的深度范圍由軟件根據(jù)地層數(shù)據(jù)和井?dāng)?shù)據(jù)的值域綜合得出。④建立斷層網(wǎng)絡(luò)及斷層塊體模型：做完前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，再設(shè)置斷裂網(wǎng)格間隔大小，即可建立斷層網(wǎng)絡(luò)模型（Build Fault Network），通過(guò)Fault Editor可以對(duì)生成的斷裂模型進(jìn)行編輯處理。如果對(duì)斷層編輯不滿意的話，可以點(diǎn)擊Redraw按鈕重置，可以回到斷層模型未經(jīng)編輯的狀態(tài)。設(shè)置橫向和垂向上的網(wǎng)格大小，取值一般與斷層網(wǎng)絡(luò)模型的一致，建立斷層塊體模型。⑤建立地層模型：添加所有離散的地層數(shù)據(jù)和斷層模型數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)覽，利用Clean horizon data中的Ignore功能對(duì)部分地層點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行忽略處理，這部分地層點(diǎn)可以是不在建模范圍內(nèi)需要忽略的點(diǎn)，也可以是可能造成與斷層模型拓?fù)浣佑|有問(wèn)題的點(diǎn)。Preview Selection Horizons預(yù)覽一下生成的地層模型效果，如沒(méi)有問(wèn)題，至Build All下Build All Horizons建立地層模型（Modeling Horizons）。⑥marker校驗(yàn)?zāi)Ｐ停╤ornor markers）：需要對(duì)生成的地層模型進(jìn)行Honor Markers校驗(yàn)操作，根據(jù)虛擬鉆孔的markers數(shù)據(jù)對(duì)局部地層進(jìn)行校正，以保證地層與鉆孔marker數(shù)據(jù)的一致性，由于虛擬鉆孔數(shù)據(jù)基本能夠控制全區(qū)，使得生成的地層模型可信度更高。⑦建立地質(zhì)網(wǎng)格模型：設(shè)置單元格厚度（Set Cell Thickness），預(yù)覽生成的地址網(wǎng)格模型Preview Geologic Grid，若符合要求，建立地質(zhì)網(wǎng)格模型（Build Geologic Grid）（圖3）。

圖3 基巖三維地質(zhì)模型圖Fig.3 3D geological m odel of bedrock diagram

2.3 模型分析

（1）地層展布

依據(jù)上述步驟建立了研究區(qū)基巖三維地質(zhì)模型，如圖4所示，建立的基巖三維地質(zhì)模型共由5層構(gòu)成，從上往下依次是新生界（黃色），中生界（淺藍(lán)色），上古生界（暗紅色），下古生界（綠色）和中上元古界（深紅色）。揭開新生界地層，華北斷坳自西向東的三個(gè)Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元（冀中坳陷、滄縣隆起和黃驊坳陷）清晰可見。且其分界線大多與斷裂位置吻合，控制了構(gòu)造單元的邊界，斷裂體系與地層體系實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫擬合。

圖4 模型地層展布示意圖Fig.4 Stratigraphic model on the p lane diagram

（2）剖面截取

利用SKUA軟件的cross section--from digital polygon功能可按照虛擬鉆孔走向截取模型剖面，將所建的地質(zhì)剖面與提供的物探地震剖面對(duì)比可以看出，其地層展布與起伏尖滅情況與實(shí)際地震解譯剖面基本吻合，表明地層模型構(gòu)建的精度較高（圖5、圖6）。

圖5 物探地震剖面Fig.5 Geophysical seism ic section diagram

圖6 模型剖面示意圖Fig.6 M odel prof lediagram

3 結(jié)論

（1）能否盡可能多地收集并處理可供建模利用的多源數(shù)據(jù)，是提高三維地質(zhì)建模精度的核心所在。本例中，在缺少深層鉆孔數(shù)據(jù)的前提下，采用GIS空間分析的方法，將剖面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成虛擬鉆孔數(shù)據(jù)，導(dǎo)入SKUA軟件工作流中，由于有鉆孔Marker數(shù)據(jù)直接的支持，對(duì)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行約束，使得建成的模型切割剖面與初始解譯模型的原始剖面基本吻合，擬合實(shí)際的程度很高，增加了三維地質(zhì)建模成果的可靠性和真實(shí)性。研究結(jié)果表明:虛擬鉆孔技術(shù)的引進(jìn)，能一定程度提高深層三維地質(zhì)模型的精度，該方法可以為其它類型三維建模與可視化研究提供輔助參考。

（2）剖面的質(zhì)量以及虛擬鉆孔的間距直接影響最后建模的質(zhì)量，因此對(duì)剖面精度要求較高，且剖面數(shù)據(jù)邏輯上與其他數(shù)據(jù)源所表征的大的地質(zhì)特征沒(méi)有大的矛盾，這樣才可能盡量減少誤差，提高地質(zhì)模型的精度。

凌毅平，程夏勝，2007. 三維地質(zhì)可視化模型及其應(yīng)用研究[J].能源技術(shù)與管理，32(6)：0-52.

包世泰，余應(yīng)剛，夏斌，等，2005. GIS技術(shù)在工程地質(zhì)制圖中的應(yīng)用[J]. 工程勘察，33(2)：1-3+67.

王潤(rùn)懷，李永樹，劉永和，等，2007. 三維地質(zhì)建模中虛擬鉆孔的引入及其確定[J]. 地質(zhì)與勘探，43(3)：102-107.

董梅，慎乃齊，胡輝，等，2008. 基于GOCAD的三維地質(zhì)模型構(gòu)建方法[J]. 桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)，28(2)：188-192.

陳文杰，2015. SKUA基巖三維地質(zhì)建模[J]. 城市地質(zhì)，10(2)：72-78.

App lication of Virtual Boreholes in 3D Deep Geological M odeling

WANG Yao, ZHANG Xiangyuan, CHEN Wenjie

(Tianjin Institute of Geological Survey, Tianjin 300191 )

In the 3D geological modeling process, how to better use multi-source data to establish a 3D geological model w ith high f tting degree and complex stratum distribution is a hot issue in the current industry. In the case of the lack of the raw data for deep 3D geological modeling, it can be a good source for modeling the initial data by extracting geophysical prof le data information. Based on SKUA GIS software platform, the authors introduce a method of using prof le data→generating virtual boreholes→extracting the Marker data→correction by the Marker data, which can achieve effective intervention and control of the modeling process, so that the resulting model tends to be more accurate. Simultaneously, the accuracy and simulation results of the method are verif ed in the engineering examples.

Prof le data; Virtual borehole; 3D geological modeling; SKUA software

1007-1903（2017）02-0118-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.024

王瑤（1986- ），男，碩士，工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)研究以及GIS在水工環(huán)中的應(yīng)用。E-mail：raul527@126.com