SKUA基岩三维地质建模

陈文杰

（天津市地质调查研究院，天津 300191）

SKUA基岩三维地质建模

陈文杰

（天津市地质调查研究院，天津 300191）

摘 要：以天津平原地区某个工区为例，介绍了三维地质模型建模的数据准备，SKUA建模的流程以及模型分析，共使用28条断层，6个地层的地质构造图，3条地质剖面构建了地质结构模型，表明SKUA建模是高效的和实用的。

关键词：SKUA；三维地质结构模型；断层模型；地层模型；GIS

0　引言

2014年3月笔者有幸参加了有中国地质科学院举办的SKUA（GoCad）技术培训，Paradigm（帕拉代姆）公司在培训会上释放为期3个月的试用版软件。鉴于当时正在承担天津三维地质结构模型建设项目，在学习结束后随即采用该平台，在天津某地选择一块资料相对比较丰富的工区，进行了三维建模实验工作，取得了比较满意的成果。

表1　 地质结构图主要图层表

1　建立三维地质结构模型数据库

1.1 数据库内容

图1　 地震地质剖面位置图

数据库的内容包括实体类数据和要素类数据，实体类数据主要是钻孔基本情况表、钻孔地层描述表等。要素类数据为GIS空间图层数据，主要有地层数据和剖面数据。其中地层数据包括主要地质时代的地质结构图和地层等高线。剖面数据包括地层和断层以及钻孔柱等。

（1）地质结构图主要图层

地质结构图主要图层如表1所示。

（2）剖面图

剖面图共有3条，分别为北东方向的PM-107、北西方向的PM-311、PM-314（图1～图4）。

图2　 PM-107二维测线地质剖面图

图3　 PM-311二维测线地质剖面图

图4　 PM-314二维测线地质剖面图

1.2 形成三维地质结构模型导入数据

（1）边界数据

SKUA接受点数据集文件、DXF格式文件等多种格式的文件。本例采用DXF格式。

（2）地层数据

地层数据实际上是地层的等高线数据，SKUA接受DXF格式的文件，也接受XYZ文件、Column-based File等点数据集文件。可以将Mapgis的线文件转成DXF格式文件，也可以将Mapgis的线文件转成明码格式形成点数据集文件。本例采用XYZ文件。

（3）断层数据

SKUA接受XYZ文件、Column-based File等点数据集文件，也接受格式繁多的文件。本例采用XYZ文件。通过在断层线上采样并根据等高线赋值的办法形成点数据集。具体步骤是，首先在断层线上标记点；建立标记点文件；添加点属性结构，增加“X、Y、Z”字段；根据采样点位置信息以及地层等高线信息填写“X、Y、Z”；将点文件属性转成文本格式。

（4）钻孔数据

主要包括“Paths”、“Markers”、“Paths and logs”等内容，其中Paths主要是位置信息；Markers主要是钻孔所遇到的地层和断层的空间分布信息；Paths and logs 则为测井曲线等方面的信息。

A、WellPaths

将ACCESS数据库中的钻孔数据，通过建立选择查询挑选SKUA需要的字段导出转成文本格式。列标题为“Wellname、 X、 Y、 Z、 MD”， 即钻孔名称、X坐标、Y坐标、Z坐标、埋深。因为本例无井斜数据可以较容易地实现，每个钻孔两条记录，第一条记录为地面埋深，第二条记录为钻孔底部埋深。文件命名为WellPaths。

B、Markers

将ACCESS数据库中的地层数据，通过建立选择查询挑选SKUA需要的字段导出转成文本格式。列标题为“Wellname、MD、Markers”即钻孔名称、标记点埋深、地层（或断层）名称。

SKUA接受XYZ文件、Column-based File等点数据集文件，以及其他格式的文件。本例采用Column-based File格式。

1.3 剖面数据的利用

为了使剖面数据更好的约束地层结构模型。通过设置虚拟钻孔的办法将剖面数据转换成钻孔数据，经过整理后与钻孔数据合并，方法如下：

（1）设置虚拟钻孔

在平面图以两条剖面交线为中心，以剖面线为基线向两侧造平行线，间距500m，确定虚拟钻孔的空间位置，可以形成Wellparts数据。

（2）虚拟钻孔与剖面的空间分析

利用虚拟钻孔中心线文件和剖面区文件做线对区的交集分析，可以编辑形成Markers数据。

2　地质结构模型建立

2.1 建立项目

（1）新建项目

（2）选择建模模块

（3）设置计量单位

2.2 导入数据

（1）导入边界

（2）导入地层数据

导入地层数据后，随机赋以颜色，用户可以修改颜色。

（3）导入断层数据

导入断层数据后，随机赋以颜色，用户可以修改颜色。

（4）导入钻孔数据

包括导入钻孔Paths和Marker数据， 导入钻孔Marker数据后屏幕显示如图5所示。

图5　 导入数据后的钻孔Marker显示

（5）建立地层柱

确定地层柱按照下图操作，下图右侧的选项是地层接触关系选项可以选择“conformable”、“eroded”、“uncoformable”等，本例3层选择“eroded”即剥蚀（图6），2层和3层之间为不整合接触。

2.4 建模工作流程

（1）选择地层数据

在“Select horizon data”选项框中，选择已经建立的地层柱。在“Wells”选项框中，利用下拉按钮选择全部钻孔。

图6　 建立地层柱

（2）选择断层数据

图7　 断层分类

（3）确定工作区范围

按照流程，选择第一项“From data bounding box”，即按照导入的数据边界计算模型边界。

（4）建立断层网络-断层面模型建立

1）Horizons 选项：选择全部地层；

2）Fault选项：选择全部断层；

3）Smooth选项：中等；

4）其他选项选择系统根据导入数据，提供的缺省数据，可以根据情况进行修改。

图8　 初始断层网络

图9　 断层编辑对话框之一

图10　 断层编辑对话框之二

（5）建立地层模型-层面模型建立

1）首先进行地层和断层的选取，可以选取全部或部分数据。（图12）

2）清除异常地层数据（可选项）

a.地层和断层相邻处的编辑；

图11　 经过编辑以后的断层网络

图12　 地层模型

b.地层之间相交处的编辑；

c.通过模型匹配的程度进行统计评估。

由系统计算出数据拟合的统计量，包括最大值、最小值、平均值、标准差等，并绘制出正态分布图、累计概率分布图。（图13）。

图13　 地层数据匹配情况统计图

3）预览和重建地层模型

（6）匹配井地层数据-井分层约束地层以及断层

1）检查钻孔标记数据与模型的匹配

2）查询钻孔标记数据的质量（可选项）

钻孔与地层和断层之间关系的分析数据详见图14。

图14　 钻孔与地层和断层之间关系的分析

（7）检查断层数据-修改断层之间的接触关系

1）显示断层位移

逐条检查断层，绘制统计曲线。可以进一步编辑断层数据，直到满意为止。

2）改善地层和断层的联接

使用“Redraw”、“Translate”工具进行编辑，使用“Rashape surface”重新生成面。

（8）检查地层数据的厚度和体积

1）抽取地层切片

可以分别对某一地层进行抽取，用户可观察某一地层垂向变化。

2）计算地层厚度

3）分层计算地层体积

可以计算地层体积，计算结果可以是单层的，也可以是多层累积的。

（9）建立地质模型网格

建立地质模型网格需要确定平面分辨率和确定垂向分辨率，本例选择131×103×81，平面间距150m，根据地层的重要程度可以分别设置垂向地层切片，累计81个切片。

地质结构模型用两种形式表示，其一，地质块体结构模型（图15），其二，地质模型交叉剖面（图16）。SKUA系统具有动态显示交叉剖面的功能，当一条剖面固定不动，另一条剖面沿着与第一条剖面近乎正交的方向等间距的移动，用户可以观察地层断层的变化情况。

图15　 地质结构块体模型

图16　 地质结构模型的交叉剖面

（10）三维地质结构模型分析1）按照指定的钻孔进行剖切

按照钻孔位置进行剖切的要点是按照钻孔的顺序，可形成剖面图（图17），将模型切割剖面和原始图对比，可以发现相似程度较高，说明模型基本反映了原始数据的特点，建模是成功的。

图17　 剖面_314图

2）转成三维剖面

利用“send to 3D”功能，转换成可以在三维环境下浏览的三维剖面图（图18）。

图18　 三维立体剖面图

3）在地质模型上任意剖切

在屏幕模型呈俯视状态，用鼠标画线，可以沿任意方向切割，获取切片。

4）制作栅格图

通过设置X、Y方向剖分切片的间距，可以编制多条剖面然后同时显示三维立体效果，见图19。

图19　 模型剖切栅格图

5）等值线制作

平面制图的数据源选项较多，可以制作建模所需要的任意等值线图。

3　结论

3.1 SKUA建模方法的特点

（1）采用工作流驱动建模，使初学者在向导指引下完成建模，上手较快。

（2）自动处理断层交接、地层之间的不整合等有独到之处，工具快捷方便，效果良好。

（3）把数理统计学融入建模各个环节，随时可以对当前的任务完成进行评价，将评价结果以统计图表以及文字报告的的形式呈现。

（4）建模效率较高，在数据详实可靠整理到位的情况下，20至30条断层的地质结构模型，半天之内可以完成。

（5）在工作流驱动过程中，随时提示潜在的问题，按照程度不同，有的是警告性的、有的是较危险的、有的是致命的，提示用户修改。容错程度较好。

（6）数据导入导出接口文件格式丰富，利于利用已有的成果。

3.2 SKUA平台可以完成复杂地质结构模型的构建

本例共使用了28条断层，6个地层的地质构造图，3条地质剖面构建了地质结构模型。地层结构比较复杂，中生界以下的地层与新生界地层不整合接触，断层在空间的变化千姿百态。SKUA利用工作流程驱动模型构建，按照步骤执行任务，系统提供了帮助提示，有助于用户解决问题，并对建模过程中地层与地层、地层与断层、钻孔与地层、钻孔与断层之间的关系以图表报告等多种进行评估，高效地完成三维地质结构模型的构建。通过剖切剖面与原始数据剖面的对比相似度高，说明模型的建立获得成功。

3.3结合GIS以及数据库技术加快了建模速度

本项目形成了建模完整的空间数据库，通过数据库的查询统计功能、GIS与数据库的数据导入导出功能可以形成建模所需的全部导入数据。利用GIS平台编辑功能可以方便的反复修改编辑断层数据、地层数据、剖面数据。结合GIS以及数据库技术加快建模速度，为今后构建天津市整体三维地质结构模型奠定了坚实的基础。

3.4GIS的空间分析方法增加模型的可信度

由于缺少钻孔数据，采用GIS空间分析的方法，将剖面数据转换成虚拟钻孔数据，对三维地质结构模型进行约束，使得建成的模型切割剖面与初始解译模型的原始剖面基本吻合，增加建模成果的可靠性和可信度。

3.5 地质结构模型建模的关键

建模需要详实可靠的地质数据；需要建模人员有较好的地学基础知识，三维空间想象能力、丰富的数据库和地理信息系统工作经验、对建模实体研究的深入透彻；需要三维建模软件具有强大的功能。三者缺一不可，在前两者条件具备的条件下，三维建模软件平台成为建模的关键。

SKUA功能强大，可谓博大精深，但是由于SKUAGOCAD为英文版软件，要求使用者具有一定的英语水平，对于在我国地学领域的应用会有一定的影响，期待不久的将来SKUA-GOCAD汉化版问世。

本文采用的地震解译地质图以及剖面图由中国石油大港石油分公司提供，本次建模得到帕拉代姆公司中国区李菊红讲师的指导，天津市地质调查研究院高俊杰、刘威、焦阳参与数据处理工作，在此一并表示衷心感谢。

参考文献

［1］刘 腾、王 华、张劲超、赵晨露.北京及其附近地区地壳结构三维可视化建模研究.长江大学学报（自科版）.2013（10）.

［2］郑应钊、刘国利、马彩琴、李绪涛.多条件约束地质建模技术在青西油田裂缝性油藏中的应用.油气地质与采收率.2011（3）.

中图分类号：P62，TP39

文献标识码：A

文章编号：1007-1903（2015）02-0072-07

作者简介：陈文杰（1949- ），男，正高级职称，从事地理信息系统研究以及GIS在水工环应用。E-mail:Tjddy@sina.com

Three Dimensional Geologic Modeling of SKUA Bedrock

CHEN Wenjie

（Tianjin Institute of Geological Survey， Tianjin 300191）

Abstract:This paper takes a case study of a factory in Tianjin plain area， introduces data preparation of three dimensional geologic modeling， flow processes and model analysis of SKUA modeling. The established geological model involves 28 faults， 6 sets of strata in the geological structural maps， 3 geological sections. As a result， the SKUA modeling is of effi cient and practical.

Keywords:SKUA； Three dimensional geologic model；Fault model；Stratigraphic models；GIS