鄂尔多斯盆地延长组数字露头表层建模方法研究

曾齐红，马乙云，2，谢　兴，张友焱，叶　勇，刘　松

（1.中国石油勘探开发研究院，北京100083；2.长江大学地球科学学院，武汉430100）

鄂尔多斯盆地延长组数字露头表层建模方法研究

曾齐红1，马乙云1，2，谢兴1，张友焱1，叶勇1，刘松1

（1.中国石油勘探开发研究院，北京100083；2.长江大学地球科学学院，武汉430100）

根据地面激光雷达、高精度差分GPS和高精度数码影像资料，制定数字露头野外数据采集方案，建立激光雷达点云数据拼接和坐标转换处理流程，提出基于最佳趋势面的三角网建模方法和数字露头表层模型优化方法。利用该方法，建立了鄂尔多斯盆地延长组谭家河露头的数字露头表层模型，在该模型的基础上开展了露头砂体展布与发育情况的分析，对识别出的三角洲平原分流河道砂体和三角洲前缘水下分流河道砂体进行了定量描述，前者单河道砂体垂向上呈孤立叠置样式，宽厚比小，后者单河道砂体垂向上呈多期连续叠置样式，宽厚比明显较大，进而对露头砂泥岩分布进行分析。该区砂体发育受沉积环境控制，分流河道以及水下分流河道砂体发育区砂地比明显较大，砂地比由小变大的方向为北东—南西向，与研究区物源方向基本一致。

地面激光雷达；数字露头；表层建模；延长组；鄂尔多斯盆地

0　引言

露头是地下储层在地面的真实刻画，对储层露头的调查和解剖是建立地下储层地质模型的有效手段。传统的露头研究最常用的方法是现场调查，因此大批地质工作者为了解剖露头，通常带着地质锤、皮尺和放大镜等地质工具在野外进行定性研究。随着油气勘探逐渐向精细化发展，需要对储层露头进行精细的定量研究，而地面激光雷达可快速精确地获取被测物体的三维信息，是三维地理信息获取的重要手段。地面激光雷达使得能够代替实地野外测量的数字露头技术成为可能。近几年，国外一些学者已将数字露头技术应用于油气地质［1-5］，但在国内对该方面的报道较少［6-7］。因此，笔者利用地面激光雷达技术（Lidar，Light Detection And Ranging），结合高精度GPS和高精度数码影像资料，研究野外储层露头的高精度数字露头表层模型建模方法，并以鄂尔多斯盆地延长组致密油储层露头为例，建立谭家河露头的数字露头表层模型，研究致密储层砂体的展布规律。该方法既可实现在室内反复研究仿真储层露头的目的，还可为地质工作者提供储层露头精细与定量表征的研究手段。

1　数字露头表层建模方法

基于地面激光雷达的数字露头表层建模方法是结合地面激光雷达技术、高精度差分GPS和高精度数码影像资料，建立野外储层露头的仿真表层模型。本方法首先提出数字露头野外数据采集方案，然后建立激光雷达点云数据拼接和坐标转换等处理流程，对处理好的点云数据利用基于最佳趋势面的三角网建模方法建立表层模型，最后进行模型的着色和优化。

1.1制定储层露头数据采集方案

数字露头表层建模的数据采集主要包括3部分：利用地面激光雷达获取用于精确描述露头表层空间信息的三维点云；利用差分GPS获取储层露头的精确地理坐标信息；利用高分辨率数码相机获取储层露头的高精度纹理影像。

根据野外实验结果，地面激光雷达数据采集主要根据储层露头的规模设定地面激光雷达扫描站点位置以及点密度（图1）。扫描距离一般设置为20～1 050 m，扫描密度为3～10 mm，对于大目标需要进行分站扫描。为了便于多站数据拼接以及弥补漏洞，临近扫描站之间设置30%～50%的数据重叠，并且事先在露头上安置高反光片作为控制点（图1中黄色的控制点，例如ControlP1），保证相邻扫描站至少有3个公共控制点，而且每个公共控制点不在一条直线上。每一站扫描选择正对着目标45°左右的视角。在露头扫描区域选择5个不在一条直线上的特征点作为GPS控制点，进行差分GPS采集，用于将点云转换为真实大地坐标。同时利用高分辨率数码相机采集露头照片，尽量在激光扫描站点处并正对露头采集，相邻影像之间保持15%以上的重叠区。

图1　地面激光雷达数据采集方案示意图Fig.1　Schematic diagram of data acquisition scheme based on ground Lidar

1.2地面激光雷达点云数据处理

地面激光雷达扫描露头得到的数据是多站三维海量点云，每站数据都有以扫描仪位置为中心的工程坐标系。为了将多站数据合并为统一坐标，需要对数据进行处理，包括点云拼接和坐标转换。

（1）点云拼接：将多个具有独立工程坐标的扫描站数据合并为统一坐标。首先在临近扫描站的点云上人工预选择3～5个同名点，一般同名点由高反光片控制点及目视识别的同名点组成；然后利用扫描仪数据处理软件（RiScanPro）中的多站拼接算法，通过设置点集的距离差，不断迭代计算变换点集的空间旋转矩阵和平移向量，直至距离差满足设置条件。以其中一个扫描站为基准，旋转和移动另一扫描站点云，最后完成两站点云的拼接，以此类推实现多站点云的拼接。

（2）坐标转换：将工程坐标的数据转换为真实大地坐标。首先将野外实测的差分GPS控制点数据按照一定规则整理为txt文本格式（格式为：点号和X，Y，Z）；然后在点云数据上人工找到相应控制点的位置并标记；最后利用扫描仪数据处理软件（RiScanPro）中的坐标转换算法，自动计算点云整体的偏移原点和旋转矩阵，使得每个点云都具有真实的地理坐标。

1.3最佳趋势面三角网建模

传统的三角网建模都是将点投影到水平面建网，这种方法不适用于储层露头垂向信息的建网需求。本文提出了最佳趋势面三角网建模方法：首先建立八叉树分割海量点云，将点云向各个方向进行投影，选择投影面积最大方向的平面作为最佳趋势面［图2（a）］；然后将所有点云投影到此最佳趋势面上，在该平面上建立不规则三角网（TIN，Triangulated Irregular Network）［图2（b）］；最后再把该平面三角网通过高程值还原到三维空间中，完成快速逼真地建立储层露头的表层三角网模型，清晰地表达露头立体几何的结构特征。

图2　最佳趋势面示意图和三角网示意图Fig.2　Schematic diagram of the optimal trend surface and triangular mesh

1.4模型着色和优化

三角网模型代表露头的几何结构，但本身没有颜色信息，需要将野外拍摄的数码照片贴图到三维模型上，建成具有表面地质信息的仿真数字露头模型。本文利用人工手动选择照片与三角网模型的匹配点，自动计算配准参数并纠正照片实现模型的着色。

由于海量点云的三角网建模是分块完成的，建模后需要将分块模型进行拼接，对于不规则三角网模型的拼接会出现如图3（a）中框出的重叠错乱现象，本文提出了分块三角网模型无缝拼接方法：首先逆向拆分临近模型的三角面，经KDTREE空间分解检测2个模型的重叠区域；然后利用自适应算法寻找模型的分割边界，将重复区域重新建立不规则三角网；最后实现模型的无缝拼接，拼接后的效果如图3（b）所示。

图3　分块三角网模型无缝拼接示意图Fig.3　Schematic diagram of the blocking TIN model combining

2　延长组数字露头建模及应用

研究区域选择在鄂尔多斯盆地陕北斜坡带东部延河剖面谭家河村露头考察点（以下简称谭家河露头）。该区主要发育上三叠统延长组地层，为长7—长63进积三角洲沉积体系。三叠系延长组是鄂尔多斯盆地主要的含油层系，其中长7油层组沉积时期是延长组生油岩形成的重要时期，也是鄂尔多斯盆地延长组主力生油岩［8-9］。长6是中生界石油勘探的主要目的层，由于其直接覆盖在长7主力生油岩之上，油气经垂向及侧向短距离运移，首先进入砂岩透镜体中储集起来，是最为有利的储集层系。延长组砂体是湖盆三角洲平原亚相和前缘亚相砂岩的典型代表，区域展布稳定，具有低孔、低渗、低产的特征，是我国最具代表性的致密油储层［10-12］。

谭家河露头总长约1.5 km，高约60 m。本次地面激光雷达扫描采用的设备是奥地利rigel-vz400。由于现场受地形限制，扫描方案设计为扫描距离150 m，扫描密度1 cm，共扫描15站，获取了谭家河露头表层空间几何信息的三维点云。高分辨率数码相机选用的是宾得645 D，达到4 000万像素，获取了谭家河露头的高精度纹理影像。利用本文所述的点云数据处理及最佳趋势面建模流程及方法，建立了谭家河数字露头模型，局部露头模型如图4所示。

图4　谭家河数字露头局部模型Fig.4　Digital outcrop model of Tanjiahe outcrop

数字露头模型具有真实的大地坐标，可以实现在室内对野外露头的精细描述和分析。图5是对谭家河数字露头模型进行岩性边界解释和砂体展布分析的结果，图中桔色表示中—粗砂岩，黄色表示细、粉砂岩（部分砂岩含泥质），未标注颜色表示泥岩以及第四系覆盖。在此解释结果的基础上，研究砂体在各向上的延续状态（主要是长度和宽度），反映砂体的侧向连续性，以及垂向上单河道砂体之间的连通程度和河道间叠置关系［13-14］。首先测量各个砂体的宽度、厚度，然后计算出砂体宽厚比。图5中砂体1至4为三角洲平原分流河道砂体，单河道砂体垂向上呈孤立叠置样式；砂体5至7为三角洲前缘水下分流河道砂体，单河道砂体垂向上呈多期连续叠置样式。通过砂体宽厚比的计算，得出三角洲平原分流河道砂体的宽厚比明显小于三角洲前缘水下分流河道砂体的宽厚比（表1）。

图5　谭家河数字露头模型全景Fig.5　Panorama of digital outcrop model of Tanjiahe outcrop

表1　谭家河砂体统计Table 1　Statistical table of sand bodies of Tanjiahe outcrop

图6　谭家河剖面砂体发育情况Fig.6　Sand body development of Tanjiahe profile

表2　谭家河剖面砂体发育情况统计Table 2　Statistical table of sand body development of Tanjiahe profile

数字露头岩性边界解释完成之后，本次研究又根据解释结果，对研究区砂体发育情况做了进一步的统计与分析。砂地比是进行储层评价，判别储层发育情况的重要标志。砂地比越大，储层砂体发育状况越好。另外，砂地比也可作为判断物源的标志之一，砂地比由小变大的方向可能与物源方向一致。在数字露头上依次选取1～7号纵向岩性剖面［图6（a）］，绘制岩性柱状图［图6（b）］，统计砂体发育情况（表2），得到砂地比的变化趋势。统计结果显示，分流河道以及水下分流河道砂体发育区砂地比明显较大，反映出砂体的发育明显受沉积环境控制。砂地比由小变大的方向为北东—南西向，与前人对延长组物源方向的研究成果基本一致。

3　结论

（1）根据地面激光雷达技术、高精度差分GPS和高精度数码影像资料，提出了基于地面激光雷达数字露头表层建模方法，实现了对野外露头在室内的精细刻画和定量分析。

（2）利用数字露头表层建模方法对鄂尔多斯盆地谭家河露头建立了数字露头表层模型。通过对岩性边界进行解释和对各个砂体的宽度、厚度测量及宽厚比的计算，得出了三角洲平原分流河道砂体的宽厚比明显小于三角洲前缘水下分流河道砂体的宽厚比的认识。

（3）由数字露头剖面分析得到了谭家河露头砂地比的变化趋势。沉积环境控制下的分流河道以及水下分流河道砂体发育区砂地比明显较大，砂地比由小变大的方向为北东—南西向，与研究区的物源方向基本一致。

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（本文编辑：杨琦）

Surface modeling method of digital outcrop of Yanchang Formation in Ordos Basin

Zeng Qihong1，Ma Yiyun1，2，Xie Xing1，Zhang Youyan1，Ye Yong1，Liu Song1
（1.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration&Development，Beijing 100083，China；2.School of Geosciences，Yangtze University，Wuhan 430100，China）

Combined with ground-based Lidar，high accuracy difference GPS and high precision digital image，this paper summarized field data acquisition scheme of digital outcrop，established the Lidar point cloud data splicing and coordinate conversion process，put forward triangular mesh modeling method based on optimal trend surface and optimization method of digital outcrop surface model.The surface modeling method of digital outcrop provides an effective basis for the outcrop fine quantitative study.Using this method，this paper established digital outcrop surface model of Tanjiahe outcrops of Yanchang Formation in Ordos Basin，and carried out outcrop sand body distribution and development analysis based on the digital outcrop model.Delta plain distributary channel sand body and delta front underwater distributary channel sand body were identified on the Tanjiahe digital outcrop model.The vertical overlap relationship of the former single channel sand body is isolated，and its width-thickness ratio is relatively small；the latter single channel sand body is multi period continuous stacking in the vertical direction，and its widththickness ratio is significantly larger.Analysis result of outcrop sandstone and mudstone distribution indicates that due to the development of sand bodies controlled by sedimentary environment，sand ratio of distributary channel and underwater distributary channel sand body development area was significantly larger.Sand ratio gradually increased from northeast to southwest，and it is basically consistent with the source direction of the study area.

ground-based Lidar；digital outcrop；surface modeling；YanchangFormation；Ordos Basin

P618

A

1673-8926（2015）05-0025-05

2015-05-10；

2015-06-20

国家重大科技专项“复杂储层油气测井解释理论方法与处理技术”（编号：2011ZX05020-008）资助

曾齐红（1980-），女，博士，高级工程师，主要从事遥感油气地质应用方面的研究工作。地址：（100083）北京市海淀区学院路20号中国石油勘探开发研究院。E-mail：zengqihong@petrochina.com.cn。