基于Open Inventor的儲層三維雕刻技術研究及實現(xiàn)

周婧

摘 要：在地球物理勘探中，數(shù)據(jù)的可視化是必不可少的。由于地震數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量巨大，在可視化繪制過程中面臨著需提高效率、減小誤差，以及高精度地展現(xiàn)數(shù)據(jù)特點等問題，因此地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)的可視化技術一直備受關注。使用Visual Studio 2008，基于Open Inventor三維圖形可視化軟件的擴展模塊VolumeViz和MeshViz實現(xiàn)了地震數(shù)據(jù)的多分辨率顯示，以及層位數(shù)據(jù)和測井數(shù)據(jù)的交互式三維可視化。結合Open Inventor的LDM多分辨率特性和MeshViz對數(shù)據(jù)的渲染，可以實現(xiàn)儲層雕刻的高速率、高精度和良好的交互性。

關鍵詞：地震數(shù)據(jù)；層位數(shù)據(jù)；測井數(shù)據(jù)；LDM；三維可視化

DOIDOI：10.11907/rjdk.172673

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0147-04

0 引言

儲層三維雕刻是對地震數(shù)據(jù)及測井數(shù)據(jù)等已知數(shù)據(jù)進行模擬，建立三維可視化儲層模型，以實現(xiàn)從不同角度直觀、準確地描述地質(zhì)構造與油藏情況[1]。隨著油氣田勘探開發(fā)涉及的數(shù)據(jù)和資料量越來越大，復雜程度不斷增加，構建的儲層模型包含的信息也不斷增加，有的多達幾百萬個節(jié)點信息。隨著計算機軟件和硬件技術的快速發(fā)展，工作人員也在不斷嘗試依靠先進的數(shù)字化、智能化的信息技術處理這些海量數(shù)據(jù)，以達到幫助石油工作人員更便捷且準確地了解儲層情況的目的。Open Inventor簡稱OIV，是SGI公司開發(fā)的專業(yè)三維圖形軟件開發(fā)包，它是建立在OpenGL基礎上的對象庫，針對不同用戶提供接口，開發(fā)人員可在其基礎上進行開發(fā)。VolumeViz擴展模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的高效管理，其中LDM模塊實現(xiàn)了海量體數(shù)據(jù)塊通過多分辨率方式進行顯示，從而大大提高了效率。MeshViz模塊通過建立結構化和非結構化等網(wǎng)格，可繪制二維和三維等多種形狀的網(wǎng)格，便于繪制不同格式、不同屬性的可視化數(shù)據(jù)。本文所述的可視化軟件是利用C++語言，在VS2008平臺下編寫而成，可對儲層進行三維雕刻與交互性操作。通常對數(shù)據(jù)進行可視化處理的流程如圖1所示。

1 數(shù)據(jù)三維可視化

1.1 SEGY格式地震數(shù)據(jù)轉換為LDM格式

SEGY格式是記錄地震數(shù)據(jù)的標準格式，也是石油勘探行業(yè)應用最廣的地震數(shù)據(jù)格式之一。SEGY格式的地震數(shù)據(jù)結構分為3部分：①3 600個字節(jié)為卷頭，其中包括3 200個字節(jié)的字符串頭段，400字節(jié)的二進制頭段，由16位或32位的二進制數(shù)，記錄整個SEGY數(shù)據(jù)文件每個記錄的數(shù)據(jù)道數(shù)、每個數(shù)據(jù)道上的采樣個數(shù)等基本信息；②240字節(jié)的道頭字信息。每一地震道數(shù)據(jù)之前都有240字節(jié)的道頭字信息，用于記錄該地震道的道號、線號、CDP號、文件號、采樣率、采樣點數(shù)等信息；③地震道數(shù)據(jù)樣點值，是32位IEEE浮點型格式。由于SEGY格式中的二進制數(shù)據(jù)是高字節(jié)在前、低字節(jié)在后，而微機中二進制數(shù)據(jù)是低字節(jié)在前、高字節(jié)在后，所以在讀取SEGY格式中的數(shù)據(jù)后，要將數(shù)據(jù)進行高低位字節(jié)轉換，轉換成Windows能識別的數(shù)據(jù)格式后再進行其它運算。

由于SEGY格式是按測線號順序存儲地震道數(shù)據(jù)，如果直接從SEGY格式文件加載3D體，在加載大型地震數(shù)據(jù)集進行可視化時，地震數(shù)據(jù)通常比現(xiàn)有的CPU內(nèi)存和GPU內(nèi)存大得多，會造成程序反應遲緩，所以只有在需要獲取的數(shù)據(jù)量較小時可才可以直接從SEGY中加載數(shù)據(jù)[2]。

而VolumeViz模塊中應用的海量數(shù)據(jù)管理器（LDM）組件[3]，支持幾十GB甚至幾百GB的數(shù)據(jù)體繪制，采用的三維八叉樹結構是一種分層的數(shù)據(jù)結構，它將三維立方體遞歸地分為8個子體。如圖2所示，將數(shù)據(jù)根節(jié)點平均分為8個節(jié)點，該8個節(jié)點處于同一層分辨率，然后繼續(xù)將8個子節(jié)點分別平均劃分為8個子節(jié)點，以此方式遞歸劃分直到達到允許的最小分辨率[4]，以管理在不同分辨率級別下的數(shù)據(jù)。將其按空間位置分塊、按精細度分層，實現(xiàn)快速遍歷數(shù)據(jù)和加快實時三維可視化顯示的目的。

LDM文件中，地震數(shù)據(jù)由分辨率不同的小塊拼湊而成，在可視化時先加載低分辨率的少量數(shù)據(jù)，顯示低分辨率圖像，再加載分辨率級別高一級的數(shù)據(jù)，以此類推，不斷加載數(shù)據(jù)直到顯示出高分辨率圖像，這種并行處理算法加快了海量數(shù)據(jù)的存取速率。而且采用LDM文件進行可視化過程中不需要加載整個數(shù)據(jù)塊，只需根據(jù)不同分辨率要求加載對應的數(shù)據(jù)塊即可[5]。其中每一個節(jié)點按照time、CDP、Line的順序存儲，即空間中的一個坐標點（u，v，w）分別表示第u個采樣點、第w條測線、第v個CDP。因此，與SEGY格式按道存儲相比，LDM具有數(shù)據(jù)分塊處理可加快存取速率、數(shù)據(jù)結構空間相關可加快數(shù)據(jù)遍歷的優(yōu)點[6]。

將柵格結構的SEGY文件轉換成多分辨八叉樹結構的LDM文件主要有兩個步驟：①首先申請數(shù)據(jù)存儲空間，SoLDMWriter可以創(chuàng)建一個LDM文件；②將從SEGY格式的數(shù)據(jù)文件中讀取的按線號、點號、采樣時間所確定的數(shù)據(jù)塊，通過計算分成小塊數(shù)據(jù)，并按其在數(shù)據(jù)體中的所在區(qū)域調(diào)用writeSubVolume（）函數(shù)依次寫入，最終生成一個.ldm（LDM頭文件）和一個.dat文件（數(shù)據(jù)）。

1.2 地震剖面

繪制地震剖面是給數(shù)據(jù)賦予視覺效果（例如顏色、紋理、陰影以及透明度等）[7]。地震數(shù)據(jù)和井位數(shù)據(jù)的可視化也即屬性建模，是根據(jù)不同數(shù)據(jù)的屬性在三維空間進行賦值，建立儲層屬性的三維數(shù)據(jù)體[8]。

Open Inventor場景圖是由多個形體節(jié)點、屬性節(jié)點、組節(jié)點以搭積木的方式一層層構造起來的。地震數(shù)據(jù)剖面顯示代碼流程如圖3所示，分為以下幾個步驟：①設置SoVolumeData將體數(shù)據(jù)加載到連續(xù)的內(nèi)存中，之后進行剖面可視化，并使讀取道數(shù)據(jù)時可以直接利用該內(nèi)存數(shù)據(jù)，從而加快數(shù)據(jù)的隨機訪問速度；②體數(shù)據(jù)到顏色表映射：SoTransferFunction定義顏色映射，根據(jù)數(shù)據(jù)范圍和顏色數(shù)組自動建立體素值和顏色之間的一一對應關系，無需程序員手動編寫具體數(shù)據(jù)和顏色的映射關系；③SoDataRange數(shù)據(jù)范圍，可以設置數(shù)據(jù)集的最大與最小值；④SoOrthoSlice定義一個和X軸、Y軸或Z軸正交的正交切片；⑤SoOrthoSliceDragger采用鼠標拖拽切片，以顯示不同位置的切片。endprint

SoRoIManip可編輯感興趣區(qū)域，在切割立方體時可以手動選取感興趣區(qū)域的剖面。用戶可點擊并拖拽場景中的立方體選擇器選擇感興趣區(qū)域，在數(shù)據(jù)體的不同方位切割立方體。

1.3 層位數(shù)據(jù)

層位數(shù)據(jù)一般以列的形式存儲于文本文件中。Open Inventor擴展模塊MeshViz XLM由兩部分組成，分別為MeshViz Interface和MeshViz。其中包括3DdataMaster和GraphMaster。MeshViz包含了高級的數(shù)據(jù)可視化組件，主要面向2D和3D數(shù)據(jù)科學、制造、流體力學、通訊、金融、地理信息系統(tǒng)。采用MeshViz先進的制圖技術，可視化系統(tǒng)可以快速處理幾十萬乃至幾百萬的二維和三維數(shù)據(jù)[9]，可用于所有類型的工程分析、可視化及通信應用。

索引網(wǎng)格又稱為非結構化網(wǎng)格，可分為：多邊形網(wǎng)格、三角形網(wǎng)格、四邊形網(wǎng)格。

多邊形網(wǎng)格可以描繪出由一列元胞組成的任意模型，構成凹凸不平的網(wǎng)格或平面網(wǎng)格。網(wǎng)格是通過索引定義的，因為每個元胞都由其節(jié)點定義，節(jié)點的索引指向一個節(jié)點坐標數(shù)組。每一個元胞是一個由任意數(shù)量的節(jié)點組成的凸多邊形。兩個相鄰單元格必須有兩個公共節(jié)點的索引，且一個元胞的一條邊只能有一個相鄰元胞或沒有相鄰元胞。

網(wǎng)格的拓撲結構是由元胞數(shù)目、節(jié)點數(shù)、每個元胞的節(jié)點索引列表與節(jié)點數(shù)目組成。每個元胞的節(jié)點數(shù)存儲在一列數(shù)組長度與元胞數(shù)目相同的整形數(shù)組中。

在實現(xiàn)層位數(shù)據(jù)顯示時，首先要定義網(wǎng)格，再利用SoFaceSet在網(wǎng)格表面對其屬性進行渲染，最終顯示出不規(guī)則的曲面。圖4為層位數(shù)據(jù)顯示程序流程圖。

1.4 色標

色標是為了方便用戶直觀地看到場景圖中顏色所表示的值的范圍，因此設計色標編輯模塊，可供用戶根據(jù)自己的需求，選擇不同色標方案。OpenInventor中的MeshViz允許將一個浮點值映射到顏色，或?qū)⒁唤M浮點值映射到一個顏色色標或多個顏色色標。PoNonLinearDataMapping2類可定義顏色或一組顏色色標與浮點數(shù)相關聯(lián)，如果浮點數(shù)f在區(qū)間（fi， fi+1），相關的顏色映射則在顏色值（ci，ci+1）之間，所以浮點數(shù)組數(shù)量必須和顏色數(shù)量相同。PoIsovaluesList類可創(chuàng)建連接到可視化對象的節(jié)點，在該類的規(guī)則系列中設置最大、最小值和值的個數(shù)，再用PoNonLinearDataMapping2類創(chuàng)建節(jié)點繪制色標。

Open Inventor中提供了預定義的顏色映射表，分別是：Grey to Grey，BLUE_WHITE_RED，BLUE_RED，TEMPERATURE，GLOW，PHYSICS，STANDARD，SEISMIC，INTENSITY。可以選擇這些顏色映射，也可以用SoTransferFunction類自定義從標量數(shù)據(jù)值到顏色值和透明度值的顏色映射表。

1.5 測井曲線

井數(shù)據(jù)是根據(jù)已有的井頭數(shù)據(jù)wellhead.txt文件和LAS格式的測井數(shù)據(jù)文件共同獲得的數(shù)據(jù)。

LAS頭文件是LAS文件的結構之一，它記錄了整個文件數(shù)據(jù)集的公共部分，包括：井名、井的位置坐標、點的終止位置。先從井頭數(shù)據(jù)文件中獲得文件中包含的井的名稱和位置坐標，然后從LAS文件中讀取測井數(shù)據(jù)。LAS文件數(shù)據(jù)格式如下：“～”代表段的開始，緊跟這一段的類型名，“#”代表注釋行，“.”之前是字段名稱，之后是字段值，“：”之后是該字段的說明。測井數(shù)據(jù)LAS文件的開頭是版本信息和WRAP模式信息，以“～VERSION INFORMATION”開頭；第二段類型是井的標識信息，以“～Well Information Section”開頭；第三段是曲線的定義信息，包含曲線名稱，以“～Curve Information Section”開頭；第四段是ASCⅡ段，包含ASCⅡ編碼的測井曲線，以“～A”開頭。

井數(shù)據(jù)可視化包括顯示井的位置、繪制測井曲線、渲染顏色和直徑隨地震道屬性變化的井柱。一口井同時包含多個類別的測井曲線，讀取測井曲線數(shù)據(jù)時，主要讀取測井曲線名和測井曲線值。

2 功能展示

基于Open Inventor的儲層三維雕刻系統(tǒng)主要功能包括地震剖面可視化、層位可視化、井數(shù)據(jù)可視化和地震剖面感興趣區(qū)域顯示、圖形旋轉、平移、色標編輯等交互式操作。

時間、線號、點號3個方向的切片及體切面的顯示效果如圖5所示。鼠標點擊界面右上方箭頭，可以在場景界面中拖動剖面以顯示沿相應坐標軸方向上不同位置的切片，切割立方體可以用鼠標拖動感興趣區(qū)域選擇器邊緣選擇可視化區(qū)域。圖6是層位數(shù)據(jù)雕刻效果圖，放大圖形可看出高低起伏的層位。

為了實現(xiàn)更好的交互性，加入了色標對話框，用戶可以在色標編輯窗口自定義色標的顏色、映射范圍、透明度，保存自定義色標或通過下拉框選擇預定義色標，根據(jù)用戶自身的需求更清晰地反應屬性變化情況，如圖7所示。

給場景圖中添加井時，程序會動態(tài)加載曲線名稱到Well目錄下，并在該井的目錄下加載測井曲線復選框。勾選井名稱的復選框場景，圖中就會添加井的節(jié)點以及有顏色映射的井柱；勾選樹形目錄中的曲線名稱，測井曲線則會顯示在場景圖中對應的井旁；取消勾選將從場景節(jié)點中刪除測井曲線。本文所顯示的測井數(shù)據(jù)中包含5條測井曲線：CALI井徑測井曲線、DT聲波時差測井曲線、RES側向電阻率測井曲線、SP自然電位測井曲線。圖8所示為添加的井、測井曲線及時間切片。

3 結語

本文對地震數(shù)據(jù)、層位數(shù)據(jù)、井數(shù)據(jù)的三維雕刻技術進行了深入研究，利用vs2008和Open Inventor構建了交互性良好、圖形效果清晰、數(shù)據(jù)處理速度較快的儲層三維可視化系統(tǒng)，為地震數(shù)據(jù)綜合解釋和地震資料處理奠定了良好的基礎。儲層模型包含的數(shù)據(jù)量大、屬性種類繁多，所以對可視化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速率和顯示精度要求很高，也是儲層三維可視化的難點之一。Open Inventor開發(fā)系統(tǒng)對傳統(tǒng)的圖形庫OpenGL進行了封裝，開發(fā)軟件更加高效，能夠?qū)崿F(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效存取、計算和渲染。儲層三維雕刻是非常前沿的研究方向，在該儲層三維雕刻系統(tǒng)的研究中還有很多技術問題有待完善[10]，如還需融合多種數(shù)據(jù)雕刻，包括斷層、地層厚度數(shù)據(jù)等。endprint

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