油田勘探三维可视化技术研究

王忠臣

（大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712）

0 引言

随着表征三维立体地质目标重要信息的相关技术持续提升和进步，它能够为相关石油系统的技术人员和管理人员提供非常直观的、综合性的研究利用勘探信息实现数据调用技术的图像型操作平台环境，从而达到勘探油气井位的合理排布、油田整体开发方案的改善以及即时动态情况分析带来有力的技术支持的目标。借助多维度三维立体地质目标信息全方位演示的相关技术，可以使勘探挖掘开发工作的全面研究、生产流程管理以及重大决策制定等重要业务内容集成在一个统一的平台环境内、负责勘探挖虐任务的操作人员和油田的管理层将会在共同“地质体”对象平台内开展相应的工作，有利于提升各业务部门之间的协调性和一致性，尽量减少各部门之间因为信息共享不及时或者不完整而出现的理解出错的情况，进而提升油气田勘探挖掘开发的总体水平。

1 石油勘探开发领域的三维立体可视化应用软件的发展现状

现阶段，石油气勘探挖掘行业正在广泛应用的各类专业的立体软件以及技术的发展相对比较快，国内相关行业内的大多数油气开发单位采用的立体仿真模拟软件通常为国内外高水平的程序软件，该立体化程序软件在石油气行业中的勘探挖掘过程中都呈现出非常明显的效果；相关的程序软件中大多集成了立体可视化的功能子模块；例如Land Mark程序中自带的地震参数信息解析包，该程序包具备立体的自动化地层位置改变量的跟踪、立体形式的可视化分析、地层重叠后处理分析、地质条件体干涉状态分析、地质体属性研究以及地质地形三维建模等功能。Earth Vision是一款由世界知名的DGI公司开发的三维立体地质地形建模以及立体可视形式软件中的集成化模块，该模块能够使用3D立体化油藏的地质部位构造模型、参数化信息数据的结构模型，产生3D立体型的信息数据集合，还可以应对相对复杂的断面问题，将其建模后的结果进行模拟运算，就能实现针对三维立体盆地数字模拟结论的三维可视化表达。

2 油田勘探挖掘相关地质对象的参数研究

2.1 建立地质结构单元

地质结构单元是指构造地质环境的元素，可以分成盆地、1级地质构造结构、2级构造结构以及3级构造结构等。

2.2 三维立体工作区域

对油田数据信息资料的收集、编辑和解析等不同的工作环节进行划分，立体形式的工作区域能够分为成立体工作收集区域、立体编辑区域以及立体解析操作区域，对于掌握油田全方位规划设计的部门来说，通常需要重点关注立体工作收集区域以及立体工作编辑区域；对于地质科学领域的技术人员来说，仅仅需要关注立体工作编辑区域，并根据该立体工作区域来完成捕捉立体油田数据地质体相关资料的工作。为了更好、更方便地对相关油气田数据资料进行存放及日常管理维护，三维编辑工作区域和三维解析工作区域都用矩形来替代显示[1]。

2.3 油气田

在地质学的范畴上，油气田是指具有一定的产油区域内各种相关油气矿藏的总合的概念。同一个油气田可能蕴藏着1个或者多个油气矿藏。在同一个区域内如果主要为石油矿藏，那么就可以称为油田，如果主要为天然气矿藏，那么就可以称为气田。油气田的范畴一般都是通过3级储藏量的估算单元在地表上投影而构成的区域面积来表现的，该区域也称为已经探明的含油面积、可以控制的含油面积以及评估的含油面积。通常在 GIS软件系统中能够显示出来的油气田的区域范围都使用经过填充的多边形图像来显示。

3 油气田储量参数信息的可视化相关技术

3.1 三维立体的表达方式研究

相关工程技术人员根据已有的计算单元边界部分的坐标值、油气矿藏中部区域的埋藏深度等参数以及有效评价厚度参数等特征数值可知：采用边界类型的模型来体现油气储量的参数信息，将一个分析单元相应的立体形式的模型划分为顶面区域（T）、下面区域（B）以及侧面区域（F）来体现（如图1所示）。在分析单元的边界设置许多拐点，这些点即为Pi（i=1，…n），矿藏中部的埋藏深度参数设为z，厚度平均值设为d，在Pi点处的空间坐标设为（xi，yi，zi），从底面单元（BLN）边界位置的坐标数值可以得到xi及yi，zi=z-d/2，该模型的顶面区域（T）为一个多边形结构。

图1 储量数据的边界模型表示示意图

3.2 空洞状况的操作应对措施

构成分析单元的立体结构由矿藏模型的顶面、下面及侧面的3个图形结构共同组成，全部的面区域都会存放在So Separator的结点单元中，使用相关类型的文件编译后将结点信息导入Open Inventor系统的场景树框架之中，便能完成所有查询和解释计算数据节点内部数据信息的工作，但是也会遇到类似空洞的特殊情况。图2为应用奇点模式表示空洞，在平面上沿逆时针旋转一圈，计数加1次，沿着顺时针旋转一周，计数的值就相应减1；如果应用奇点生成的模式，在生成该表面时就会发生仅绘制计数的数值为奇数的相关面积区域，计数数值为偶数的面积区域就不会被生成，进而显示出空洞的图形效果[2]。

图2 奇点生成模式示意图

4 勘探发掘图件的可视化解决方案研究

4.1 石油开采领域的主流图件种类及格式研究

通常来讲，根据油气田勘探图件的主要特性可以将其分成构造图件、剖面图件、属性研究图件以及其他综合类型的图件。相关图件生成的流程以及格式如下。

4.1.1 构造图件

石油勘探行业的技术人员使用范围最广、最根本的图件模式为构造类型的图件。通常，相关技术人员会使用Landmark系统提供的ZYCOR的模块完成图件的绘制工作，也有部分技术人员借助Geo Frame系统软件提供的 CPS3模块完成图件的绘制工作，某些位于外部区域的模块位置可以使用其他软件相应模块的功能。所有信息参数的起点都是之前系统解析过程的计算结果，源头为磁盘端口输入的ASCII码形式的文件数据。

4.1.2 剖面形式的图件

由于分析系统导出的CGM+格式的计算文件无法用于Powerpoint程序的计算分析系统中，因此剖面形式的图件的一般源头是以位图的格式保存的屏幕拷贝文件。

4.1.3 属性研究图件

属性研究图件是指由解析系统能够直接生成的一类图件模型的CGM文件类型，由人工完成添加文件需要的相关信息等后期操作，最后得出的图件格式属于位图范畴。

4.2 构造图件的可视化操作方案

4.2.1 构造图件的数字化转换操作

相关工程技术人员需要对构造的图件文件进行数字化转换，生成等高线、断层线和边界线这3类线型的计算机可以识别的文件的数据参数，再使用预处理参数信息的相关模块，对等高线的相关参数进行解析，将与全部等高线位置的高度相关的参数属性赋值给所有的点，也就是z点的数值，从而生成不规则立体空间内部存在的离散点。应用数字化方式的构造图件内的断层线只能读取点在平面范围内的坐标，不能获得断层线上点在高度层面的数值信息，除非将断层线及等值线段的交叉点作为断层线段的中点[3]。

4.2.2 创建原始地层平面模型

构建TIN（不规则三角网格）模式的表层图像模型的办法是应用不规则三角形模式中表面元素的模型表面的数值模型（立体形式）去生成表层图像模型，该文采用的是基于Delaunay三角形剖分方案完成地层内部立体模型的绘制生成工作。该方式属于表层描述方法，它需要处理的数据信息量以及运算负担远远低于体类型的描述方法。

4.2.3 地层表面上断层线段的约束条件

由于断层部分具有截断效应，使得原有的连续地层部分存在不连续的状态，因此需要将断层部位的各类约束作为约束条件来完成早期地层表面区域的重新构造工作，在算法框架中优先考虑的情况多数是把无约束状态的初始参数信息和相应的约束信息共同构成网格模型，影响区域的重新构造算法是指一类约束线段插值模式的算法。软件中优化了了断层线段约束部分的结构，设t1、t2为系统内约束线段t1t2上（t1、t2∈V，其中V是点集合）的2个点，系统程序向CD-TIN线段中导入约束t1t2线段的过程如下（如图3所示）。

图3 插入约束线段的操作示意图

4.2.3.1 加入约束线段

将约束条件t1t2导入CD-TIN中，全部被t1t2分割的三角形单元的边为ei，如果ei属于约束条件，就将其标记为约束条件，该交叉点是以虚点的形式插到约束线段t1t2中（如图3（a）所示）。

4.2.3.2 确认约束部分的实际生效区域

删除被约束线段t1t2切割的、没有约束作用的三角形边ei，结果生成1个非三角剖分的多边形，该结构即为约束线段t1t2的实际生效区域；该作用区域内部包括与t1t2发生交叉的若干约束线，如图3（b）所示。

4.2.3.3 约束线实际生效区域网格局部重新构造操作

约束线段t1t2以及与t1t2交叉的约束线Ci（i=0，1，…，n，i为约束线段数量）将实际生效区域分成若干区域（（Vui，Vdi），i=1，…n+1），对相关区域进行CD-TIN的剖分，并保证t1t2以及与其交叉的约束线段的效果，从而保证获得的CDTIN文件满足约束条件的空圆要求。再采用递归模式对约束线段的实际生效区域进行三角剖分，即为网格局部重新构造，如图3（c）所示。

4.2.4 地层表面的编辑操作

该流程的作用主要是去除地层表面断层线间无用的三角形及其轮廓（非规则图形），属于非常复杂的生成地层区域表面立体模型的最后操作阶段，该步骤的主要目的是建立具有错断形式效果图像的地层表面的立体、数字形式的模型，是去掉没有实际用处的三角形的最佳方案，即为应用手动操作的方法；这样也可以预防在电脑系统删除过程中复杂算法有可能发生的偏差的现象，如图4所示。

图4 地层表面人工交互编译操作

4.2.5 编程实现过程

根据 Open Inventor 对三维演示图形界面进行开发，先建立三维场景，搭建出多个层次，自左及右、由上到下的生成场景。如果要达成其他效果，就必须在场景中添加对应的相关结点。相关编程技术人员为了达到更理想的三维显示结果，必须要对先相机的各项指标、材料属性的数值以及光源等参数进行适当的后期设置，材料的属性数值可以在结点的So Material模块中进行更改操作，该属性体现了光源反射的效果。相机各项指标参数需要在Open Inventor系统内自带2种属性，与正交相机相比，透视相机更加符合人类的视觉特征，因此该文选择该相机属性。立体复杂区域的地表的效果图像如图5所示。

图5 地层的断层和油井立体复杂地层表面的演示效果

4.3 油藏的剖面图的演示相关技术

某个区域的油藏是指为了掌握地层、油藏在纵向方向上的出现起伏的形态、油层、砂层和隔层的相关特征以及油与水之间的联系等物性关系的剖面图像，通常来讲，由常规的油藏区域的剖面能够全方位地了解整体范围地下资源的分布情况，因此在三维立体空间内集成演示油藏剖面图，可以帮助石油工作人员修正过往对地下情况的认知。

5 结语

综上所述，该文研究了石油勘探图件的特点，着重介绍了构造图件及油藏剖面图件的可视化解决方案。对构造图进行数字化操作之后，再生成立体的地层表面区域模型，设置断层内部的约束条件，并通过编程验证该方式的可行性；对于油藏剖面，分析了其空间化的实现方式，生成了预处理程序，并且能够与相关的格式数据进行有机集成。