油田勘探三維可視化技術研究

王忠臣

（大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江 大慶 163712）

0 引言

隨著表征三維立體地質目標重要信息的相關技術持續提升和進步，它能夠為相關石油系統的技術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現數據調用技術的圖像型操作平臺環境，從而達到勘探油氣井位的合理排布、油田整體開發方案的改善以及即時動態情況分析帶來有力的技術支持的目標。借助多維度三維立體地質目標信息全方位演示的相關技術，可以使勘探挖掘開發工作的全面研究、生產流程管理以及重大決策制定等重要業務內容集成在一個統一的平臺環境內、負責勘探挖虐任務的操作人員和油田的管理層將會在共同“地質體”對象平臺內開展相應的工作，有利于提升各業務部門之間的協調性和一致性，盡量減少各部門之間因為信息共享不及時或者不完整而出現的理解出錯的情況，進而提升油氣田勘探挖掘開發的總體水平。

1 石油勘探開發領域的三維立體可視化應用軟件的發展現狀

現階段，石油氣勘探挖掘行業正在廣泛應用的各類專業的立體軟件以及技術的發展相對比較快，國內相關行業內的大多數油氣開發單位采用的立體仿真模擬軟件通常為國內外高水平的程序軟件，該立體化程序軟件在石油氣行業中的勘探挖掘過程中都呈現出非常明顯的效果；相關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信息解析包，該程序包具備立體的自動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、地質條件體干涉狀態分析、地質體屬性研究以及地質地形三維建模等功能。Earth Vision是一款由世界知名的DGI公司開發的三維立體地質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立體化油藏的地質部位構造模型、參數化信息數據的結構模型，產生3D立體型的信息數據集合，還可以應對相對復雜的斷面問題，將其建模后的結果進行模擬運算，就能實現針對三維立體盆地數字模擬結論的三維可視化表達。

2 油田勘探挖掘相關地質對象的參數研究

2.1 建立地質結構單元

地質結構單元是指構造地質環境的元素，可以分成盆地、1級地質構造結構、2級構造結構以及3級構造結構等。

2.2 三維立體工作區域

對油田數據信息資料的收集、編輯和解析等不同的工作環節進行劃分，立體形式的工作區域能夠分為成立體工作收集區域、立體編輯區域以及立體解析操作區域，對于掌握油田全方位規劃設計的部門來說，通常需要重點關注立體工作收集區域以及立體工作編輯區域；對于地質科學領域的技術人員來說，僅僅需要關注立體工作編輯區域，并根據該立體工作區域來完成捕捉立體油田數據地質體相關資料的工作。為了更好、更方便地對相關油氣田數據資料進行存放及日常管理維護，三維編輯工作區域和三維解析工作區域都用矩形來替代顯示[1]。

2.3 油氣田

在地質學的范疇上，油氣田是指具有一定的產油區域內各種相關油氣礦藏的總合的概念。同一個油氣田可能蘊藏著1個或者多個油氣礦藏。在同一個區域內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級儲藏量的估算單元在地表上投影而構成的區域面積來表現的，該區域也稱為已經探明的含油面積、可以控制的含油面積以及評估的含油面積。通常在 GIS軟件系統中能夠顯示出來的油氣田的區域范圍都使用經過填充的多邊形圖像來顯示。

3 油氣田儲量參數信息的可視化相關技術

3.1 三維立體的表達方式研究

相關工程技術人員根據已有的計算單元邊界部分的坐標值、油氣礦藏中部區域的埋藏深度等參數以及有效評價厚度參數等特征數值可知：采用邊界類型的模型來體現油氣儲量的參數信息，將一個分析單元相應的立體形式的模型劃分為頂面區域（T）、下面區域（B）以及側面區域（F）來體現（如圖1所示）。在分析單元的邊界設置許多拐點，這些點即為Pi（i=1，…n），礦藏中部的埋藏深度參數設為z，厚度平均值設為d，在Pi點處的空間坐標設為（xi，yi，zi），從底面單元（BLN）邊界位置的坐標數值可以得到xi及yi，zi=z-d/2，該模型的頂面區域（T）為一個多邊形結構。

圖1 儲量數據的邊界模型表示示意圖

3.2 空洞狀況的操作應對措施

構成分析單元的立體結構由礦藏模型的頂面、下面及側面的3個圖形結構共同組成，全部的面區域都會存放在So Separator的結點單元中，使用相關類型的文件編譯后將結點信息導入Open Inventor系統的場景樹框架之中，便能完成所有查詢和解釋計算數據節點內部數據信息的工作，但是也會遇到類似空洞的特殊情況。圖2為應用奇點模式表示空洞，在平面上沿逆時針旋轉一圈，計數加1次，沿著順時針旋轉一周，計數的值就相應減1；如果應用奇點生成的模式，在生成該表面時就會發生僅繪制計數的數值為奇數的相關面積區域，計數數值為偶數的面積區域就不會被生成，進而顯示出空洞的圖形效果[2]。

圖2 奇點生成模式示意圖

4 勘探發掘圖件的可視化解決方案研究

4.1 石油開采領域的主流圖件種類及格式研究

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

4.1.1 構造圖件

石油勘探行業的技術人員使用范圍最廣、最根本的圖件模式為構造類型的圖件。通常，相關技術人員會使用Landmark系統提供的ZYCOR的模塊完成圖件的繪制工作，也有部分技術人員借助Geo Frame系統軟件提供的 CPS3模塊完成圖件的繪制工作，某些位于外部區域的模塊位置可以使用其他軟件相應模塊的功能。所有信息參數的起點都是之前系統解析過程的計算結果，源頭為磁盤端口輸入的ASCII碼形式的文件數據。

4.1.2 剖面形式的圖件

由于分析系統導出的CGM+格式的計算文件無法用于Powerpoint程序的計算分析系統中，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 構造圖件的可視化操作方案

4.2.1 構造圖件的數字化轉換操作

相關工程技術人員需要對構造的圖件文件進行數字化轉換，生成等高線、斷層線和邊界線這3類線型的計算機可以識別的文件的數據參數，再使用預處理參數信息的相關模塊，對等高線的相關參數進行解析，將與全部等高線位置的高度相關的參數屬性賦值給所有的點，也就是z點的數值，從而生成不規則立體空間內部存在的離散點。應用數字化方式的構造圖件內的斷層線只能讀取點在平面范圍內的坐標，不能獲得斷層線上點在高度層面的數值信息，除非將斷層線及等值線段的交叉點作為斷層線段的中點[3]。

4.2.2 創建原始地層平面模型

構建TIN（不規則三角網格）模式的表層圖像模型的辦法是應用不規則三角形模式中表面元素的模型表面的數值模型（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，它需要處理的數據信息量以及運算負擔遠遠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斷效應，使得原有的連續地層部分存在不連續的狀態，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域的重新構造工作，在算法框架中優先考慮的情況多數是把無約束狀態的初始參數信息和相應的約束信息共同構成網格模型，影響區域的重新構造算法是指一類約束線段插值模式的算法。軟件中優化了了斷層線段約束部分的結構，設t1、t2為系統內約束線段t1t2上（t1、t2∈V，其中V是點集合）的2個點，系統程序向CD-TIN線段中導入約束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，就將其標記為約束條件，該交叉點是以虛點的形式插到約束線段t1t2中（如圖3（a）所示）。

4.2.3.2 確認約束部分的實際生效區域

刪除被約束線段t1t2切割的、沒有約束作用的三角形邊ei，結果生成1個非三角剖分的多邊形，該結構即為約束線段t1t2的實際生效區域；該作用區域內部包括與t1t2發生交叉的若干約束線，如圖3（b）所示。

4.2.3.3 約束線實際生效區域網格局部重新構造操作

約束線段t1t2以及與t1t2交叉的約束線Ci（i=0，1，…，n，i為約束線段數量）將實際生效區域分成若干區域（（Vui，Vdi），i=1，…n+1），對相關區域進行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圓要求。再采用遞歸模式對約束線段的實際生效區域進行三角剖分，即為網格局部重新構造，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（非規則圖形），屬于非常復雜的生成地層區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斷形式效果圖像的地層表面的立體、數字形式的模型，是去掉沒有實際用處的三角形的最佳方案，即為應用手動操作的方法；這樣也可以預防在電腦系統刪除過程中復雜算法有可能發生的偏差的現象，如圖4所示。

圖4 地層表面人工交互編譯操作

4.2.5 編程實現過程

根據 Open Inventor 對三維演示圖形界面進行開發，先建立三維場景，搭建出多個層次，自左及右、由上到下的生成場景。如果要達成其他效果，就必須在場景中添加對應的相關結點。相關編程技術人員為了達到更理想的三維顯示結果，必須要對先相機的各項指標、材料屬性的數值以及光源等參數進行適當的后期設置，材料的屬性數值可以在結點的So Material模塊中進行更改操作，該屬性體現了光源反射的效果。相機各項指標參數需要在Open Inventor系統內自帶2種屬性，與正交相機相比，透視相機更加符合人類的視覺特征，因此該文選擇該相機屬性。立體復雜區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雜地層表面的演示效果

4.3 油藏的剖面圖的演示相關技術

某個區域的油藏是指為了掌握地層、油藏在縱向方向上的出現起伏的形態、油層、砂層和隔層的相關特征以及油與水之間的聯系等物性關系的剖面圖像，通常來講，由常規的油藏區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集成演示油藏剖面圖，可以幫助石油工作人員修正過往對地下情況的認知。

5 結語

綜上所述，該文研究了石油勘探圖件的特點，著重介紹了構造圖件及油藏剖面圖件的可視化解決方案。對構造圖進行數字化操作之后，再生成立體的地層表面區域模型，設置斷層內部的約束條件，并通過編程驗證該方式的可行性；對于油藏剖面，分析了其空間化的實現方式，生成了預處理程序，并且能夠與相關的格式數據進行有機集成。