石油勘探作業中三維地質構造建模技術的應用探究

蔡亮亮

摘要：現代信息技術、數字技術的發展以及應用，極大地推動了地勘技術的高速發展，三維地質構造建模技術就是在此背景下逐漸形成的。在石油勘探作業中，三維地質構造建模技術的應用能夠將地質勘探數據轉變為可視化的模型，從而更加直觀的展示勘探區域的地質構造特點以及問題，提升勘探工作的效率及其準確性。基于此，對三維地質構造建模技術及其在石油勘探作業中的應用進行了分析和研究，旨在促進石油勘探行業的高速發展。

關鍵詞：石油勘探；三維構造建模；地質結構；可視化模型

一、前言

傳統的石油勘探作業過程中，勘探數據的處理水平相對較低，數據使用不夠深入，對于石油開采進程的支持度有待提升。三維地質構造建模技術在石油勘探作業中的運用，不但簡化了數據處理流程，同時還促進了勘探結果的可視化發展，使地勘人員能夠更加直觀的對勘探地域的地質構成狀況進行了解，最終制定出更加科學的石油開采方案。與一些西方先進國家相比，我國石油勘探作業人員雖然積極推動三維地質構造建模技術的應用，但依舊存有較大的差距。基于此，文章對三維地質構造建模技術的應用展開了研究，以期能夠推動該技術在石油勘探領域的運用。

二、石油勘探三維地質構造建模技術特點及優勢

（一） 三維地質建模技術特點分析

三維地質建模于1993年被提出，它將計算機三維可視化技術和地質理論有效地結合起來，是一門應用越來越廣泛的交叉學科，同時也是地質研究領域中的前沿課題之一。三維地質模型可以將地質體以及地質構造以圖形圖像的方式呈現出來，形象而直觀，有助于人們對復雜地質現象的理解[1]。因此該技術現已廣泛應用于水文地質、石油地質、工程地質以及礦山地質等諸多領域。

傳統的二維模型，需要結合多張二維剖面圖進行綜合分析才能夠了解到施工現場地質特征，并且對于相關人員的專業性和經驗要求都非常之高，一旦信息采集不夠全面，還可能導致分析出錯。三維空間建模技術發展至今，日趨成熟，已經在很多大型工程的地質勘探及施工環境應用，并取得了較好的效果和反響，相較于傳統二維模型，三維空間建模配合可視化技術，能夠將對象區域的整體情況直觀的展示，并能夠完成多角度快速轉換，減少了主觀臆斷，降低了相關人員的需求，提高了模擬的準確性，因此，可以說三維空間建模技術在工程地質當中的應用，將會越來越豐富[2]。

（二）三維地質建模技術在石油勘探領域應用的優勢分析

1.三維仿真模型建立。石油的開采是當下社會能源產業發展的主要工作之一，在傳統的石油勘探管理工作當中，勘探工作的開展存在有較大的風險性，并且在石油鉆探過程當中，由于對地質構造環境情況的不了解，從而導致了鉆探工作受到了各種各樣的阻礙，影響了鉆探工作的開展進度。在石油勘查工作當中，工作人員首先需要對實地的施工現場進行相應的勘探檢測，獲取到準確的數據信息之后，再進行施工圖紙的設計。由于傳統的施工圖紙設計，進程相對較慢，無法滿足當下的施工建設需求，所以導致后期的石油資源挖掘出現了較大的問題。并且，在施工圖紙的設計過程當中，傳統的圖紙設計方式無法保證數據的準確性，從而影響了后期的施工建設標準。而三維地質建模技術的應用，能夠快速進行三維仿真模型的建立，工作人員直接利用技術，進行全面的地質環境掃描檢測，然后記錄相應的數據信息之后，系統自動生成三維仿真模型，這樣能夠確保后期工作人員的施工方案設計能夠更加的精準化，同時也能夠解決前期勘探過程中，所出現的各種各樣的問題。

2.施工可視化展示。在石油資源的開采過程當中，存在有許多不確定的因素在其中，施工人員必須結合實際的施工情況來進行相應的處理，一旦發生突發狀況，立即進行措施處理，這樣才能有效控制好影響的范圍。將三維技術應用到開采工作當中，管理人員能夠直接通過系統進行施工可視化的展示，及時掌握開采的進度以及周圍的環境情況，一旦出現突發事件，可立即進行預警處理，在第一時間采用相應的預防措施，這樣能夠有效避免突發事件帶來的影響。另外為了加強石油資源開采的工作效率，在日常的施工過程中，管理人員可以根據技術的應用，來了解施工的進度情況，及時對相應的施工工作進行調整，這樣能夠有效提高開采工作的效率和質量。

3.地質環境數據的科學化分析。在三維技術的應用過程當中，不僅可以對石油開采過程中的環境條件，進行三維立體化的呈現，同時，還能結合實際的地質環境情況，進行科學化的數據分析，石油施工工作的開展提供相應的數據支持。例如，在前期的勘探過程當中，對周圍的地質環境數據進行全面的收集檢測，然后通過科學化的數據分析，來掌握后期開采過程中的風險性。然后，管理人員根據相應的數據信息進行開采方案的設定，這樣能夠有效地將開采工作過程中的風險性降到最低，從而保障開采工作開展的順利性以及人員施工過程中的安全性。

三、三維地質構造建模中的關鍵技術與算法

在勘探領域中，三維地質構造建模技術屬于一種成像技術，憑借該技術能夠實現對勘探區域地質結構的空間建模，并將勘探數據轉化為三維圖像。在模型構建過程中，勘探、數據獲取、數據整體、模型構建等每一個環節都緊密關聯，一旦有某一個環節出現失誤那么必然會影響成像的結果準確性，嚴重的還會致使整個模型構建失敗。所以在三維地質構造建模過程中，必須要重視對建模質量的關注和重視，特別是對于模型的穩定性模擬等方面。

（一）單元分解表示法

單元分解表示法是一種典型的無網格方法，這種方法的提出，具有一定的劃時代意義，使得傳統的在網格中的有限元分解形式，得以擺脫網格的約束，推動了廣義有限元法的產生和發展，其在力學分析、工程建模等方面，都有著較多的應用。

（二）構造實體幾何法

構造實體幾何法在近年來的三維空間建模當中具有相當多的應用，尤其是三維建筑建模當中，利用BRL-CAD包實現了在CAD軟件當中的實體幾何構造工作。實體幾何構造的原理非常簡單，是利用基本體元的組合實現新的三維模型的構建。在構造實體幾何剛剛提出時，該技術主要應用于一些教學模型和簡單數學模型的構建，本質上是將體元按照集合論的布爾邏輯進行組合。在工程地質的三維空間建模工作中，體元是上文中的七類基本對象之一，根據不同的軟件，對應的體元也有一定差異，傳統建模軟件的體元，一般指長方體、正方體、圓柱、椎體、球體等，而隨著時代的發展，新型的建模軟件中，會將一些更復雜的彎曲幾何體也作為體元，這極大的降低了三維空間建模的運算量，提升了運算效率。

（三）邊界表示法

邊界表示法是當前最為常用的空間數據模型建立方法，該方法是以邊界作為基礎，利用邊界來表示實體，將實體拆分成若干封閉體，將封閉體拆分成若干邊界面，將邊界面拆分成若干外環和內環，將環拆分成若干首尾相連的邊，將邊拆分成若干個點。這種方式利用了空間要素關系的拓撲結構，不僅能夠非常直觀利用可視化三維模型表現地址特性和構造特點，更加重要的是，這種方法對于模型表示過程中可能會牽涉到的進一步運算也能夠提供便利。

（四）地質界面交切處理

地質環境中界面類型繁多，假如在勘探過程中發現勘探區域內出現底層完整度較低、斷層分錯等情況，那么必然會對地質界面交切關系的處理造成不利影響。因此，在交切關系的分析過程中，需要使界面之間拓撲關系能夠保持一致。在目前三維地質構造建模過程中，通常選擇使用人機交互的方法，以曲面切割、曲面調整作為工具，來對界面之間的拓撲關系進行處理，這樣有助于進一步降低建模的誤差，提升模型構建質量。

（五）構造模型的不確定性評價及模型質量控制

模型不確定性評價是石油勘探三維地質構造建模質量控制過程中非常關鍵的一個環節，通過對面網的精度進行管控，能夠有效縮小建模結果與實際地質構造間的差距，更好的保障模型的可靠性。

（六） 三維地質構造建模地質曲面的算法

1.“Mallching Cubes”曲面重建算法。此算法又被稱為“等值面提取”算法，是當前使用最為普遍的一種針對立方體實行等值面構建的算法，既需要明確等值面閾值，同時還要能夠確定所有立方體的 8 個頂點有否在等值面以外。通過等值面提取算法實行地質建模地質曲面的構建，并利用 24- 分解方法實行等值面相關數據的提取。

2.對于角點網建模的空間插值的網格變形算法。克里金插值法基于對地質周邊環境的測量分析并實行加權計算，以此預測得出尚未測量區域的信息。。半方差函數的公式如下，其中 s^2 為方差，C（h） 代表空間協方差：

克里金插值法的核心任務在于發覺空間數據之間的自相關性，如果表現出了一定的自相關信息，則能夠預測和計算調整好的三維模型，通常應用在角點網建模的網格變形方面[5]。

四、 三維地質構造建模技術在石油勘探中的應用分析

（一）獲取三維地質構造建模數據

現代石油勘探工作中，三建模數據的獲取是非常關鍵的一個環節。在獲取數據過程中，不但要確保數據的精準度，同時還要使數據具備足夠的豐富性。在整個模型構建工作中，獲取和應用到的數據是否精準、有效直接關系到模型構建質量，特別是鉆孔、地質圖、遙感信息等信息數據，假如這些數據在采集過程中誤差較大，那么必然會進一步增加模型與地質實際狀況之間的差距。另外，數據的豐富性也是尤為重要的。石油勘探過程中，如果獲取到的地質數據信息足夠豐富，那么就會縮小模型與實際地質狀況之間的差距，反之就會導致這一差距變大。因此，在復雜地層勘探過程中，勘探工作人員要盡可能的提升地質信息數據的豐富程度，以此來為模型構建打下良好基礎。

（二）全面掌握風險數據

在石油資源的挖掘過程中，由于工作開展的風險性較高，所以在前期的勘探過程中，應當全面檢測鉆探工作的風險數值，然后在進行預案方案的設計。例如，在日常的勘探工作中，首先利用技術，對周圍的環境情況進行全面的勘探檢測，掌握到相應的數據信息之后，再利用技術來進行風險數值的檢測。管理人員在獲取到相應的風險數值之后，進行預警方案的設計，一旦在施工的過程中，出現有意外的事件發生，能夠立即進行預案的應用，有效降低風險事件所帶來的影響，保障施工人員的安全。

（三）合理利用三維地質構造建模方法

利用三維地質構造建模技術進行模型構建的過程中，需求不同、數據源不同，其模型構建方法也存在一定差別，目前較為常見的建模方法有結構建模與屬性建模兩種類型。（1）結構建模。如果獲取到的地質空間數據離散程度較高，那么在建模時一般會通過展開離散的采用點逼近樣條曲面和插值樣條曲面這兩類建模方法。（2）屬性建模。目前較為常見的確定性建模與隨機性建模兩種方式都屬于屬性建模，確定性建模方法在應用時是以已經確定的資料控制點作為模型構建的基礎依據，并在此基礎上對不同勘探點之間的屬性結構關系進行推斷；隨機性建模主要利用隨機函數理論來完成模型的構建。

（四）建立完善的地質三維模型

在三維技術的應用過程中，可以直接通過現場勘探的數據，來進行地質三維模型的建立，通過仿真模型的展示，能夠更好地進行施工現場的還原，這樣有助于后期施工工作的開展。例如，在日常的工作開展過程中，施工人員利用技術的應用，來進行施工現場的檢測，獲取到相應的數據信息之后，再進行三維模型的建立。在模型的建立過程中，工作人員不僅可以查看到施工現場的實際結構情況，更是能夠提前預測到相應的施工風險情況，然后工作人員直接根據模型的建立情況，來進行方案設計，使得后期的施工工作開展更加符合實際的施工需求。

五、三維地質構造建模技術應用存在問題及發展趨勢

與西方一些國家相比，我國石油勘探相關技術發展時間相對較短，在三維地質構造建模技術方面的研究也是如此，所以即便近些年我國石油行業企業越來越重視建模技術的研究以及應用，也取得了一些成果，但是在這一領域與西方先進國家相比依舊存有較大的差距和問題。第一，目前我國石油勘探領域三維地質構造建模技術應用過程中，針對復雜地質環境模型構建的水平相對較低，模型與實際地質狀況之間的差距通常比較大；第二，隨著石油勘探對建模效率以及精度要求的不斷提升，模型構建的難度也隨之大大提升；第三，缺少確定性分析和研究技術，對數據依賴性較高，在數據出現誤差時，沒有對應的模型準確性論證方法和手段。

通過對上述問題的分析，認為當前我國石油勘探作業中三維地質構造建模技術的應用可以從下面幾方面展開：第一，目前三維地質構造建模技術雖然已經在我國地勘領域運用較為廣泛，但由于應用時間相對較短，相關研究也并不深入。所以，在三維地質構造建模技術實際應用過程中，應該積極制定相應的管理標準，并對其應用流程進行進一步的優化，確保三維地質構造建模技術應用的有效性。第二，要重視行業技術人員的培養。只有高素養的工作人員才能夠確保三維地質構造建模技術應用的質量，提升石油勘探作業成效。第三，要建立并完善共享地質模型體制，推動地質構造信息的共享，為三維地質構造建模技術的智能化、信息化、共享化發展奠定了良好基礎。

六、結語

綜上所述，三維地質建模技術能夠有效地解決石油挖掘過程中的主要問題，例如風險把控、方案制定等，通過全面掌握風險數據、建立完善的地質三維模型、科學化分析鉆探工作的開展等方式，來完善現場鉆探工作的開展，不僅保障了鉆探工作的質量，更是有效控制住工作開展過程中的風險數值，保障了人員和挖掘現場的安全，短時間內完成了石油資源的挖掘。技術應用是當下發展的主要趨勢，通過技術的應用，更好地滿足了當下工作開展的實際需求。H

參考文獻

[1]楊志會，趙海波，黃勇，等.地震信息約束的三維建模技術及其在松遼盆地古龍頁巖油地質工程一體化中的應用[J].大慶石油地質與開發，2022，41（03）：103-111.

[2]張庭姣.三維數據場可視化技術在石油地質勘探中的應用研究[J].粘接，2022，49（03）：182-185+191.

[3]曹宇.石油勘探三維地質構造建模技術應用分析[J].信息系統工程，2021（06）：79-81.

[4]王玉巖.石油勘探三維地質構造建模技術探討[J].西部探礦工程，2020，32（05）：75-76+79.

[5]沈妍.石油勘探三維地質構造建模技術研究[J].中國石油和化工標準與質量，2014，34（08）：156.