（计算机应用技术专业论文）储层建模中的断层三维可视化技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 储层建模中断层的三维可视化技术研究 计算机应用技术 李中亚( 签名) 奎生王 韩家新( 签名) 摘要 当今社会己进入了信息时代，图形图像方面的需求不断增加。数字图像处理科学与 技术逐步向其他学科领域渗透，并为其他学科所利用是科学发展的必然。在储层建模领 域实现断层构造三维可视化是一个重要研究方向。 本文主要探讨了在储层建模领域实现断层信息可视化的方法和计算机可视化系统设 计等方面的研究。首先对储层建模技术的相关内容进行了详细的介绍，包括三维构造建 模、沉积相建模、储层参数建模和断层的概念，断层的数学模型，断层面模拟的过程。 其次在研究了四种断层处理的理论基础上，提出了基于三角剖分算法构造地层面和断层 面模型；接着综述了几种场景绘制的降色方法，并对它们的性能进行了评价，得出基于 出现频率和中值切割的综合式方法是提高场景绘制算法效率的有效方法。 最后，采用面向对象技术以及模块化程序设计方法，基于o p e n g l 三维图形库，利 用可视化编程工具研究开发了断层三维可视化系统。 按本文提出的断层三维可视化系统的开发思路，经过反复实践，最终实现的可视化 系统运行稳定，操作简便，并具有良好的可扩展性。同时也为储层建模中断层三维可视 化系统的进一步发展以及相应技术研究提供了可以借鉴的经验。 关键词：储层建模，断层建模，科学计算可视化，三维可视化，o p e n g l 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：t h es t u d yo f f a u l t3 dv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi nt h er e s e r v o i rm o d e l i n g s p e c i a l i t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e ：l i z h o n g y a ( i n s t r u c t o r ：h a nj i a x i n ( s a b s t r a c t h a st h ei n f o r m a t i o na g ec o m e ，t h en e e d sa b o u tt h eg r a p ha n di m a g eh a v ei n c r e a s e d c o n t i n u a l l y i ti si n e v i t a b l et h a tn u m e r i c a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e sa r ep e n e t r a t i n go t h e r s c i e n c e sa n da r eu s e db yt h e m a tt h es a m et i m ei ti si m p o r t a n tt or e a l i z et h e3 d v i s u a l i z a t i o n o ft h ef a u l ts t r u c t u r ei nt h er e s e r v o i rm o d e l i n gf i e l d t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h em e t h o d so fh o wt o r e a l i z et h ef a u l ti n f o r m a t i o n v i s u a l i z a t i o na n dt h ed e s i g no fac o m p u t e rv i s u a l i z a t i o ns y s t e m f i r s t l y , i to f f e r s ad e t a i l e d i n t r o d u c t i o na b o u tt h er e l e v a n tc o n t e n to fr e s e r v o i rm o d e l i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi n c l u d e s3 d s t r u c t u r em o d e l i n g ，s e d i m e n t a r y f a c e s m o d e l i n g ，r e s e r v o i rp a r a m e t e rm o d e l i n g ，f a u l t m a t h e m a t i c a lm o d e l s ，t h ep r o c e s so ff a u l tp l a n es i m u l a t i o na n ds oo n s e c o n d l y , a f t e rf o u r k i n d so ff a u l tp r o c e s s i n gh a v eb e e nr e s e a r c h e d ，t h et r i a n g u l a t i o na l g o r i t h mh a sb e e nu s e dt o c o n s t r u c ts t r a t u m sa n df a u l tf a c e s t h i r d l y , w eh a v eo v e r v i e w e ds e v e r a lk i n d so fs c e n e sf a l l c 0 1 0 rm e t h o d s m e a n w h i l e ，w ee v a l u a t et h e i rp e r f o r m a n c e ，a n dg e tt h ee f f e c t i v em e t h o do f u t i l i z i n gt h ec o m p r e h e n s i v em e t h o db a s e do np r e s e n t sf r e q u e n c ya n dm e a nv a l u ec u t t i n gt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h ea l g o r i t h m f i n a l l y , b a s e do n t h eo p e n g lg r a p h i c sl i b r a r y , t h i st h e s i sd e s i g n st h ef a u l t3 d v i s u a l i z a t i o ns y s t e mi nt h er e s e r v o i rm o d e l i n g ，a d o p t i n gt h eo b j e c t - o r i e n t e dt e c h n i q u ea n d m o d u l a r i z a t i o np r o g r a m m i n gm e t h o da n dm a k i n gu s eo ft h ev i s u a lp r o g r a m m i n g t o o l s a c c o r d i n gt ot h ed e s i g ni d e ao f t h ef a u l t3 dv i s u a l i z a t i o ns y s t e m ，t h i st h e s i sc a r r i e so na l o tp r a c t i c ea n df i n a l l yc o m p l e t e st h ev i s u a l i z a t i o ns y s t e m t h es y s t e mh a st h ef o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sr u n n i n gs t a b l y , o p e r a t i n gs i m p l ya n dn i c e re x p a n d a b i l i t ye t c a tt h e s a l t l et i m e i tp r o v i d e st h ee x p e r i e n c ef o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h e3 dv i s u a l i z a t i o n s y s t e mo f t h ef a u l ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gt e c h n i q u er e s e a r c h k e yw o r d s ：r e s e r v o i rm o d e l i n g ，f a u l tm o d e l i n g ，t h e v i s u a l i z a t i o ni n s c i e n t i f i c c o m p u t i n g ，3 dv i s u a l i z a t i o n ，o p e n g l d i s s e r t a t i o n ：a p p l i c a t i o ns t u d y 1 1 1 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： e t 期：丛是，堕 日期：o 口叼占j7 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 人类社会的发展已经进入了信息化的时代，为了更好地利用我们这颗星球上的资源， 对我们所处的环境进行三维仿真的计算机模拟是人类渴望达到的目标。众所周知，石油 紧缺成为未来发展和崛起的严重瓶颈。随着地震勘探、油气储层横向预测以及油气藏描 述技术的应用与发展，勘探专家们对地震成果的要求也越来越高；断层作为一种重要的 地质要素，受多期构造运动的影响，引起地层或岩体发生复杂变形。由于断层几何形状 在地表和深部的不规则性和不连续性，描述其空间形态的三维原始数据的稀缺性，加大 了对断层及相关复杂地质构造认识的难度。断层的存在往往对油气的运移和聚集产生重 要的影响，以及对其它矿产形成的控制。人们开始采用计算机模拟技术，动态展示断层 成因过程及其对油气等资源的控制，其中断层的三维可视化建模研究，是一项基础工作。 面对日益复杂、隐蔽的油气藏，为提高钻探的成功率，需要为油气勘探工作者提供一个 全新的储层建模技术。为了精确三维油气藏描述提供信息，同时促进油气田勘探和开 发的发展，本文基于o p e n g l l 羽形库在v c + + 6 0 平台下开发断层的三维可视化软件，来满 足油气勘探开发的需要，达到储层建模中断层的三维显示。 传统的可视化方法多用于低维数据，包括条形统计图、柱状图、折线图、饼图、锯 齿图、分位数图、q 2 q 图、散点图、局部回归曲线图、等高线图、时序图、核曲线、盒 图、颜色编码、数据立方体。数据立方体是将数据按多个维度组织形成的一种多维结构。 用户通过采取切片、切块、旋转、钻取等各种分析动作，可以灵活地多角度、多侧面地 观察数据库中的数据，从而深入了解包含在数据中的信息与内涵。 目前进行三维储层模拟的基本地质信息主要基于二维和三维储层剖面、钻孔及构造 平面图等。随着各种储层勘探开发技术的发展，三维储层建模资料的优越性也逐步体现 出来，其拥有比二维储层建模资料更高的精度，更适用于三维可视化建模。因此，基于 三维储层建模进行交互式表达、分析、解释和推断是目前三维地质体可视化研究的重要 途径。 储层解释最基本的工作是构造解释，而构造解释最基本的工作是断层解释陷1 。利用 每条主测线和联络线( 二维显示方法) 去解释小断层，要花费解释人员很多精力，并且在 对小断层发育和断层间关系的认识方面很容易掺杂人为因素。利用三维可视化技术就可 以去其弊端而客观合理地进行储层解释。 对微小断层的研究方法是在常规地震数据或相干数据体上寻找断层存在的大致范 围，针对研究对象定义相干数据体空间边界，加载到三维可视化中，精细调整透视参数， 压制无关信息，只保留并突出与断层相关的信息，就可以清晰显示出断层的空间形态和 发育规律，在此基础上可真实客观地解释断层。 本文所研发的储层建模中断层三维显示软件，能够形象显示出含有断层的储层，为 西安石油大学硕士学位论文 油气勘探工作提供一个全新可靠的理论三维模型依据，并提高了钻探的成功率，节约了 勘探成本。因而本项研究对地震勘探、油气储层横向预测以及油气藏描述技术具有重要 的意义。 1 2 三维可视化 1 2 1 科学计算可视化产生的背景和发展 科学计算可视化是指：“运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中的计 算结果的数据转化为图形及图像在屏幕上显示出来并进行交互处理的理论、方法和技 术。 科学计算可视化的目的是依靠人类强大的视觉能力，促进对所考察数据更进一步 的理解，洞察所研究对象的变化规律1 。 进入8 0 年代以后，随着计算机技术在各个学科领域中的广泛应用，尤其是在天体物 理、地质、石油、气象、医学等领域，产生了大量的科学数据。以前对这些数据只能采 用人工方式进行处理和分析，或者用绘图仪输出二维图形。人工处理和分析数据十分繁 杂，而且所需的处理和分析时，往往是计算时间的十几倍甚至几十倍，因此不仅不能及 时地得到有关计算结果的直观，形象的整体概念，而且有可能丢失大量的信息。随着计 算机运算能力的飞速提高，在这些领域只能通过存储设备储存起来，实际上对资源形成 了极大的浪费。因而科学计算结果的后处理已经成为提高科学计算质量和效率的主要问 题之一。 随着计算机技术的发展，图形图像技术得到了长足的发展，由于图形图像所具有的 不可比拟的优点，即信息量丰富，形象直观，所以它通常是人类认知世界的重要手段。 而且近年来随着计算机能力迅速提高，一些高档工作站己经能达到实时显示。因此，利 用计算机图形学及图像处理技术形象，直观地显示科学计算的中间成果及最终成果并进 行交互处理己成为现实。 1 9 8 6 年1 0 月，美国国家科学基金会( n s f ) 赞助召开了一个名为“a d v i s o r yp a n e lo n g r a p h i c s ，i m a g ep r o c e s s i n ga n dw o r ks t a t i o n ”的小型讨论会。讨论会的成员一致认为， 把图形，图像技术应用于科学计算是一个需要做出努力的全新领域，并正式称之为“科 学计算可视化 ( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 。在这次讨论会的基础上，1 9 8 7 年2 月有召开了为期2 天的“科学计算可视化 专题讨论会。会后，m c c o r m i c k 、d e f a n t i 和b r o w n 发表了第一篇科学计算可视化报告：“v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ”， 描述了这次会议的成果，总结了会议的结论和建议。这篇报告标志着科学计算可视化作 为一门学科正式诞生。 科学计算可视化的目的是依靠人类强大的视觉能力，促进对所观察数据更深一层的 理解，培养出对新的潜在过程的洞察力。正如r i c h a r dh a m m i n g 所指出的“t h ep u r p o s eo f c o m p u t i n gi si n s i s t ，n o tn u m b e r s ”。随着信息技术的迅猛发展，3 d 图像技术，可视化技术 和模拟技术向各个应用领域渗透，在某种程度上取代了人类传统的基于文字，数字符号 2 第一章绪论 和2 d 图像的通信模式“1 。科学计算可视化通过对数据进行过滤，去除原始数据中不需要 的信息，把数据映射为点，直线，多边形，样条，曲面等几何形体，然后把数据中所蕴 涵的规律通过颜色，照明和几何形体等直观的形式显示出来，充分发挥人脑右半球的作 用，加速人们获取信息的速度。 科学计算可视化作为一门新兴学科，自正式确定以来获得了迅速的发展，欧美发达 国家在科学计算可视化的研究应用与培训上投入了大量的资金和人力，取得了显著的效 益，它的重要性可以和超级计算机相提并论。科学计算可视化、多媒体和虚拟现实技术 成为近十几年以来计算机科学中的研究热点。 1 2 2 三维可视化在储层中断层建模研究的必要性 无论油田在勘探还是在开发阶段，建立储层模型越来越普遍。所建立的储层模型包 含了大量的信息，有的高达几百万个节点的信息，以至于传统的作图方法已无法满足要 求。油田的勘探工作立足于油藏的精细描述啼1 。而油藏描述信息主要是连续分布的空间 属性类信息，包括地震反射层位构造、油藏体的三维结构和参数分布、井间剖面结构等。 目前基于多点统计技术的储层建模系统只是提供了二维平面图，这种平面图具有成图速 度快、易于编辑等优点。但是它对油藏信息的反映存在直观性差的不足，地质研究人员 只能通过想象才能感觉或形成各种油藏信息的空间形态图集，这对资料的进一步分析带 来了诸多的不便。 近几年来，随着计算机技术的进一步发展，逐步建立了一套利用计算机存储和显示 的三维储层建模方法。运用此方法，在油藏评价乃至油田开发的不同阶段均可建立三维 储层地质模型。目前建立储层地质模型的方法有确定性建模和随机建模两种方法，后者 是近年来国内外研究的一个热点。而前者主要有储层地震学法、高分辨率层序地层学井 间对比和克里金插值方法口1 。其中地层地震学方法主要是应用地震资料研究储层的几何 形态、岩性及参数的分布，即从已知井点出发，应用地震横向预测技术进行井间参数预 测，并建立储层的三维地质模型。该方法主要包括三维地震和井间地震方法。 三维可视化是近几年来计算机图形学领域的重大研究课题之一，三维可视化以人们 易于感知的三维图形图像对各种复杂数据场和数据关系进行描述口1 。这样不仅使油气勘 探开发人员能直观的以更接近实际的方式描绘油藏的形态、结构和参数分布等，而且还 能为进一步实现全三维地震资料解释、地质和地球物理过程的仿真模拟等高级可视化应 用奠定基础。科学计算可视化是2 0 世纪8 0 年代后期随着计算机图形学应用的拓广而发 展起来的一个新的研究分支，它的发展为利用地球物理勘探资料分析解释成果重构地下 三维地质模型创造了条件，地质信息的三维可视化成为9 0 年代地学领域的研究前缘，地 质信息的三维可视化是指以适当的数据结构建立地质特征的数学模型，采用计算机技术 将数学描述以3 d 真实感图像的形式予以表现。利用三维可视化的结果不仅可以描述复 杂的地质构造情况，而且可以反映石油矿产等资源的构造形态和属性特征的三维图形图 西安石油大学硕士学位论文 像，从而实现全三维资料解释、三维地质建模、地质过程的仿真模拟等高级可视化应用 功能。地质构造的三维可视化技术包括数学建模及可视化两个方面，构建三维模型的方 法可分为表面法及实体法两大类，规则网格法、t i n 表面法及四面体法是目前较常用的 三维地质体建模的方法1 。 随着储层建模工作的进一步开展和开发程度的不断提高，对系统提出了更高的要求。 对于地下复杂地质界面与油藏特征，仅仅二维平面描述已经不能满足油田勘探开发的需 求，需要更接近实际的方式去描绘它，如对三维图形实现无级缩放、拖动漫游、三维旋 转、全屏显示等交互操作，从而达到在三维空间中多角度观察和描述油藏，加深地质研 究人员对油藏在三维空间中分布状态的认识。三维可视化就是实现上述目标的有效手段。 可视化技术为此提供了有力的表征工具，可以再现储层内部的非均质性，把抽象的数据 用生动的图像表现出来，从中可以快速地找到感兴趣的储层特征。 1 2 3 科学计算可视化技术的应用领域 ( 1 ) 医学领域 科学计算可视化在医学领域获得了巨大的成功，影响非常广泛。现在广为人知的 c t ( c o m p u t e rt o m o g r a p h y ) 、m r a ( m a g n e t i cr e s o n a n c ea n g i o g r a ) 、s p e c t ( s i n g l ep h o t o n e m i s s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 、p e t ( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ) 等诊断设备的出 现，即是科学计算可视化技术的直接应用。 ( 2 ) 气象领域 气象预报的准确性依赖于大量的数据计算和对计算结果的分析。科学计算可视化可 将大量的数据转换为图形，图像，在屏幕上显示出某一时刻的等压面、等温面、位涡、 云层的位置及运动、暴雨区域的位置及其强度、风力的大小及方向等，从而使预报人员 能对未来的天气做出准确的分析和判断。另一方面，根据全球的气象检测数据和计算结 果，也可以将不同时期全球的气温分布、气压分布、雨量分布等以图形、图像的形式表 示出来，从而对全球的气象情况及变化趋势进行研究和预测。可视化技术在气象领域的 应用已进入比较成熟的阶段。 ( 3 ) 石油工业领域 石油工业领域中油气资源评价，特别是定量评价结果，是制定国家能源政策和编制 油气发展规划的重要依据，是油气勘探工作中的重要程序之一。可视化技术通过合理的 油气物性参数仿真采样值，显示出油气区内给定参数的分布变化情况，为地质工作者提 供可靠的判断依据，尽可能地完成油气资源评价工作。在石油滚动勘探开发过程中，可 视化将地震波，测井及钻井等手段获取的反映地层构造，如油藏深度、砂体厚度、孔隙 度和渗透率等参数的采样值，以连续分布的图形样式提供给地质工作者，作为他们判断、 决策的依据。 ( 4 ) 地质领域 4 第一章绪论 地质领域也是可视化应用的比较深入的地方。t r e i n i s h i 用可视化方法对地球科学中 的相关数据进行分析：火山喷发形成的烟雾对航线的安全构成严重的威胁口地理信息系 统( g i s ) 也是可视化技术应用的一个很重要的领域。g i s 借助从多个遥感卫星上得来的图 像和数据，采用可视化技术，可以得到指定的地方的数字地图。g i s 除用于导航外，还 可用于军事用途口训。 ( 5 ) 环保和农业领域 可视化技术应用于环境保护方面可以展现大气污染情况，帮助环保部门制定空气污 染的政策，用于农业方面可以建立土壤质量模型以及水在土壤中渗透，流失作用，预测 降雨对土壤表面的影响等。 ( 6 ) 其他领域 随着科学计算可视化的不断发展，其应用领域不断扩大，除了以上列出的外，还应 用与其他领域，如流体力学领域、化学领域、考古学领域、金融领域、物理学领域、材 料学领域和数学领域等。 1 2 4 科学计算可视化分类 科学计算可视化的研究对象是三维数据场。数据场的可视化技术主要包括两种方法， 一种是图形仿真方法，此方法通过对离散数据场进行区域剖分、插值，建立数学模型， 再从中提取曲线，曲面等中间几何信息，利用传统的计算机图形学方法加以显示，从而 获取对数据场内部信息的观察；另一种方法是近几年发展起来的体绘制方法，此方法通 过在三维空间离散数据场中等间距采样，并根据点的属性值的类型和大小赋予数据点不 同的颜色和透明度，将三维空间数据场投影n - - 维平面上显示n 1 1 2 1 。 采用图形仿真方法的可视化技术可以用于散乱稀疏采样的数据场分布图形显示问 题。其特点是需要抽取几何元素作为显示对象，因而涉及到网格剖分、插值和显示。它 可以处理一切可离散的数据场显示问题，使用范围广。 采用体绘制方法的可视化技术对初始采样点提出了较高的要求，但在实际的应用中， 存在大量不能或很难稠密采样的数据分布问题，如地下油气藏物性参数数据采样，地下 水资源的采样，环境检测中的采样，铸造过程中的高温熔融金属液在铸腔内的温度分布 采样等等。这样的数据场的采样数据只能是散乱稀疏分布，在这样散乱稀疏分布的采样 值下，很难将其映射为可视化参数进行图像处理，从而得到数据场的分布图形。在这种 意义下，采用图形仿真的可视化技术将更有实用价值。 图形仿真可视化方法的技术路线是，首先对离散数据场进行剖分、插值，建立数学 模型，再从中提取中间几何信息，利用传统的计算机图形学方法加以显示，从而获取对 数据场内部信息的观察。 5 西安石油大学硕士学位论文 1 3 研究课题的国内外现状 早期的三维可视化软件都是自己动手完成三维显示中诸如矩阵变换、剪切、消隐之 类的细节，程序繁杂，最终的效果也不一定理想。近年来，随着计算机技术、遥感技术、 摄影测量技术及其相关技术的飞速发展，并且有众多的常用的三维开发平台可以利用， 比如o p e n g l 、d i r e c t x 和j a v a 3 d 等，使得我们能够快速获取空间信息并重建三维景观 成为现实。 断层的可视化是所有钻井软件中不可缺少的一部分，断层可视化技术和三维地质建 模技术的研究已经在国内外受到相当重视，如s g i 公司的e a r t h v i s i o n 、l a n d m a r k 公司的 e a r t h c u b e 、p a r a d i g m 公司的v o x e l g e o 等，使用这些软件可以按指定的比例显示三维数 据体，数据体的视角可以随意确定，视觉效果可以选择，可以调节数据体的透明度、光 线和环境光，可以进行层位解释、断层解释和层位自动追踪等。其中e a r t h v i s i o n 是当今 市场上用途广泛的三维地质建模及三维可视化软件系统n 嬲。可用于建立三维油藏构造格 架模型、参数模型形成三维数据体。其复杂断块的处理( 正、逆断层) 是世界一流的， 其结果经过网格粗化后可直接给油藏数模软件进行数模，且具有很强的二维图形编辑功 能和三维可视化功能，也可对三维盆地模拟的结果进行三维可视化显示，可将三维显示 的图形任意放大和缩小、旋转和平移、并可在三维图形上切任意方向的剖面，加光照等。 在国内，储层三维可视化系统方面的研究虽然起步较晚，其研究及应用水平与国外 相比差距很大。我国学者自2 0 世纪9 0 年代初才开始进行科学计算可视化技术的研究， 但也取得了一定的研究成果。从1 9 9 1 起，我国将科学计算可视化的研究列为了国家自然 科学基金重点项目，八六三高技术项目及用户委托的应用项目。先后对规则数据场的体 绘制算法、面绘制算法、非规则数据场可视化、散乱数据可视化、科学计算可视化得并 行算法、三维复杂模型的多分辨率表示等问题进行了研究并将其应用于石油勘探数据的 可视化。并且围绕三维数据场可视化这一课题，出版了不少书籍。但总的说来，应用的 范围以及应用的深度都还不够。虽然，地质勘探和研究也进入了一个新的发展阶段。从 最初的完全依靠技术人员的经验，到大量使用计算机进行定量分析，大大提高了地质研 究的速度和精度。并且对计算机的使用，也从仅仅利用计算机对地质数据进行单一的计 算，进入了地质可视化分析阶段。当前，国内己经开发了不同的工程地质应用软件等， 但是这些件大多不具备地质结构三维可视化的功能。因而，实现地质结构计算机图形可 视化，已经成为国内地质软件开发研究的难点。 总而言之，国内外的三维建模软件，主要集中在商业化程度较高的石油地质勘探和 储层模拟领域，其功能尚不能完全满足断层等复杂地质体建模的需要，对于断层的建模， 有针对性的研究较少，是目前值得探讨的方向。 1 4 课题的研究内容 本课题称为储层建模中的断层三维可视化技术研究，面对日益复杂、隐蔽的油气藏， 6 第一章绪论 为提高钻探的成功率，需要为油气勘探工作者提供一个全新的储层建模技术，而储层建 模中断层建模是至关重要的环节。同时随着可视化技术的成熟、计算机图形学的发展和 优化、计算机硬件设备和处理速度的提高，这些都促进储层建模技术在油藏数值模拟中 的应用领域不断扩大，并在很多的方面已经取得了一定的成功。因而本文重点在于解决 储层建模中断层三维可视化问题，研究的主要内容如下： ( 1 ) 作为研究的基础，首先理解与掌握了储层建模技术的基本概念，并具体分析了 当前国内外储层建模技术的发展状况及研究现状； ( 2 ) 了解了三维构造建模、沉积相建模和储层参数建模的基本思想，重点掌握断层 面的构造，以及断层数学模型等基本原理； ( 3 ) 重点研究掌握科学计算可视化技术中三维可视化的基本原理，并分析了这种技 术的实现过程和常用的基本算法，并对三维场景中各数据点光强也就是颜色的几种计算 方法进行比较分析； ( 4 ) 重点掌握几种常用的建模技术，即基于距离的插值方法、径向基函数插值法和 克里金插值方法，以及理解几种常用断层处理方法，其中重点掌握基于三角剖分算法的 有断层的网格化方法、两个曲面求交线算法和混合网格构建过程，以及断层面模拟方法 和形象化描述断层的降色方法原理。 ( 5 ) 结合实例，基于v c + + 6 0 平台，利用了o p e n g l 技术形象化显示储层中断层 的三维可视化，从而有助于石油工程师更直观地了解地下储层状况，进而提高开发的安 全性和效率。 1 5 论文的组织结构 本文的结构安排如下： 第一章绪论：分别对三维可视化和断层建模三维可视化的研究和发展现状做了简要 的概述；简要介绍了本文的研究背景、课题来源、课题的国内外研究现状以及本论文要 研究的内容； 第二章储层中断层建模概述：首先对储层建模中数据准备工作步骤进行介绍，进而 描述三维构造建模、沉积相建模、三维可视化地质建模以及储层参数建模基本原理，断 层的基本概念进行陈述； 第三章断层建模技术研究：本章是本文的核心部分，具体阐述了本文中所涉及的断 层建模种种技术。首先介绍了常用的建模技术，即基于距离的插值方法、径向基函数插 值法和克里金插值方法。然后介绍了常用断层处理方法，由于断层的分布和构造的复杂 性，决定了断层处理技术的复杂性，或者说要找到一种在任何情况下都是最优的断层处 理方法是很困难的。因而重点采用基于三角剖分算法的有断层的网格化方法，随后介绍 了两个曲面求交线算法和混合网格构建过程。接下来对断层面模拟方法和形象地可视化 断层面的降色方法进行了叙述； 7 西安石油大学硕士学位论文 第四章断层三维可视化系统与应用实例：利用基于o p e n g l 的计算机仿真和动画技 术，在v i s u a l c + + 6 0 程序开发环境下，模拟储层断层构造的三维可视化仿真； 第五章总结与展望：对本文的研究工作进行了总结，并指出了进一步的研究方向。 1 6 本章小结 本章分别对科学计算可视化和断层建模可视化的研究和发展现状做了简要的概述。 并介绍了本文的研究背景、课题的国内外研究现状以及本论文将要研究的内容。由于断 层三维可视化建模能够帮助石油工程师们更好地的认识复杂油藏地质构造，可以大大提 高油气开采工作效率，并且其在地质各个领域都具有广阔的应用前景。 8 第二章储层中断层建模概述 第二章储层中断层建模概述 2 1 储层建模技术概述 储层建模技术是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的一项新技术，其核心是对井间储层 进行多学科综合一体化、定量化及可视化的预测，适合描述储层的非均质性和不确定性。 储层建模主要包括构造建模、沉积微相建模和储层物性参数建模三部分。储层建模是以 地质统计学为基础，综合岩心分析、测井解释地震勘探成果、生产动态等多种资料，按 地质特征和统计规律对沉积相单元、流动单元和储层参数的空间分布进行模拟，最终建 立一套储层模型钔。 2 1 1 数据准备 储层建模是以数据库为基础，数据的丰富程度及其准确性在很大程度上决定着所建 模型的精度，因此数据的准备是关键的一项工作n 引。从建模内容来看，基本数据类型包 括以下4 类：坐标数据：包括已钻井的井号、地面坐标、海拔、井斜数据等。分层 数据：以小层对比结果为准，包括砂组、小层、砂体的划分对比数据。断层解释数据： 包括断层位置、断点、断距等。储层数据：包括砂岩厚度、有效厚度、砂岩顶底边界 深度、砂岩类型、解释的孔隙度、渗透率数据等。此外，还需利用岩心描述、岩屑描述 等相关资料。按照不同类别的划分，分别输入各项数据，并转换成建模软件所需的数据 格式，形成相应的数据库文件。 2 1 2 三维构造建模 根据测井解释获得的小层顶面深度数据，以三维地震解释提供的层组顶面构造趋势 作为约束条件，采用地质统计学方法建立储层构造模型。构造建模包括层面构造和断层 模型。构造模型是油藏地质建模的重要内容，是油藏评价的基础。构造模型的三维数据 体为各层面的海拔高度。该数据体描述了储层的空间形态，反映出储层整体构造和局部 构造，可以推演出地层厚度展布。在研究区的范围内，根据地震解释资料来建立断层模 型，根据目的层面的顶面构造数据，并结合等时地层格架划分的小层数据作为井点调整 约束数据，运用井间克里金插值方法建立层面模型，结合二者生成构造模型n 引。 2 1 3 沉积相建模 沉积微相的分布控制了储层砂体的几何形态、规模大小和空间展布规律，并影响储 层非均质性及油气的分布。沉积相建模是为了模拟砂体在地层中的叠置关系。研究沉积 微相建模是利用构造模型提供的地层格架，在沉积体系与沉积相带研究的基础上通过逐 井划相，选择合适的模拟算法和模拟参数，以井点沉积相划分数据为约束条件，采用序 贯指示模拟( 随机模拟) 的方法建立的。 9 西安石油大学硕+ 学位论文 2 1 4 储层参数建模 储层参数模型是油藏地质模型的核心，是储层特征及其非均质性分布和变化的具体 表征。建立储层参数模型的目的就是要通过对储层参数的定量研究，准确界定有利储层 的空间位置及其分布范围直接为油田开发方案的制定和调整提供直接的地质依据。因而， 其根本任务就是利用定量或定性的手段模拟地质体，使所建模型更真实地再现地质体演 化至今而形成的各项特征。 2 2 断层概述 2 2 1 断层基本概念 岩层如果受地壳运动作用力的影响而发生断裂，就会失去它们的完整性，出现断裂 面，形成断裂构造n7 l 。如果断裂面两侧的岩层发生了显著的位置错动，则称为断层( 如图 2 - 1 1 。 断层的横截面视图( 如图2 2 ) 。 图2 - 2 断层横截面示意图( 来源于r m s ) 断层要素包含断层面、断层线、上盘、下盘、断距等。 断层面：是断块发生相对移动的断裂面；它可以是直立的或者是倾斜的；也可能是 平面，也可能是曲面；一般用断层面的走向、倾向和倾角来描述断层面在空间的位置。 断层线：断层面和地面的交线。 上盘和下盘：若断层面倾斜，则把相对位置位于断层面上面的断盘称为上盘，断层 面下面的断盘称为下盘。若按运动方向，则将相对上升的一盘称为上升盘，另一盘称为 1 0 第二章储层中断层建模概述 下降盘。 断距：是指断层上下两盘相对移动的距离，断距可以分为很多种，有地层断距、铅 直地层断距、水平地层断距，以及落差、平错等。 断层有多种分类方法，在此我们简要介绍其中的二种： ( 1 ) 根据断层两盘相对位移的方向，可以分为正断层、逆断层和平推断层。 正断层：上盘相对下降、下盘相对上升的断层称正断层，断层面倾角一般较陡。 逆断层：上盘相对上升、下盘相对下降的断层称逆断层，断层面倾角变化较大，从 陡倾到近水平。 平推断层：断层两侧的岩石不是沿断层面上下移动而是沿水平方向移动。 ( 2 ) 根据断层面走向和岩层走向的关系，可以分为走向断层、倾向断层和斜交断层。 2 2 2 断层面构造 断层的数据主要有两个来源：一个是测井数据，可作为点数据。通过插值形成层面 以及某些断层面的空间变化；另一个是由地震剖面解译形成的剖面数据，确定断层面及 层面的形态及相关参数n 引。 断层面的构造过程，由物探方法获取的测线剖面数据构造断层柱，再在相邻的断层 柱之间构造一个面，从而形成断层面，如( 图2 3 ) 所示。或者由断层点和断层面及层 面的形态及相关参数，采用多平面的组合来逼近复杂断层面。 由断层面数据拟合出断层面之后，首先要检验断层面的合理性。如果断层面合理， 则进入下一步处理。如果不合理，则需要修改对断层数据的地质解释，或者直接向断层 面加入新的控制点从来调整其形态，直至断层面的形态合理才能进入下一步的处理。 图2 - - 3 断层模型中断层柱示意图( 来源于r m s ) 2 2 3 断层数学模型 定义1 线段p i p 2 ，鼽( j c l ，y l ，z 1 ) 、p 2 ( x 2 ，y 2 ，z 2 ) 分别为三维欧式空间上的任意二点，如 西安石油大学硕士学位论文 果满足下列条件之一，则称聊耽为有向。 ( 1 ) y 2 y l ： ( 2 ) 当y 2 = m 时，x 2 x 1 ； ( 3 ) 当沈2 m ，x 22 x l 时，z 2 z 1 。 p l p 2 的有向性保证了所有不同走向的断层面的两个倾向，在方程的求解过程中，参 数取值的一致性，使得复杂断层面的数学模型简洁、统一。 定义2 假p i p 2 有向，通过功耽的任一平面为丌。则称万+ 为正半平面，如果万+ 上的 任意一点p ( x ，y ，z ) ，使得印( x ，y ) 0 ；同样，称为负半平面，如果万一上的任意一点 p ( x ，y ，z ) ，使得印( x ，力 0 。 式( 2 - 1 ) 还是负半平面n9 1 。 2 3 三维可视化地质建模 三维可视化研究具有重要的意义。它是实现数字地球的基础，是三维空间实现的基 础，是三维可视化地图实现的关键，是现代化军事发展的需要，更是形象直观显示地下 油藏地质构造的最佳表现手段。 我们每天所面临的物质世界是一个三维的世界，其中充满了各种各样的三维物体。 在计算机问世以来的半个世纪里，人们一直在试图让计算机能够描述和处理显示世界中 尽可能多的对象，这当然也包括精确地描述三维物体和三维世界。 三维世界中包括的信息量，大大超过二维世界。因此，对三维世界的描述难度也非 常大。需要描述的信息量和需要处理的信息量之大，都明确地反映出一种需要，即必须 有一种能够完善地表现三维世界的技术。最近几年，计算机图形学发展迅猛，三维表现 技术愈发完善。同时随着计算机处理能力的飞速提高，计算机尤其是微机已经能够胜任 对三维表现技术所描述的三维物体进行平滑处理的工作了。 三维图形技术在走向成熟的过程中，不断地被应用到现实的尖端领域，反过来也不 断推动三维图形技术的进一步发展。三维图形技术主要应用在三个方面：科学可视化、 计算机动画和虚拟现实。在最新的高科技影视制作、新颖的商业广告、机械设计、v r 仿真等领域，都大量的应用着三维图形技术。 随着计算机技术的飞速发展，三维地质建模技术越来越受到地学界的重视，并成为 地质可视化技术的一个热点。所谓三维地质建模( 3 dg e os c i e n c em o d e l i n g ) ，就是运用现 代空间信息理论来研究地层及其环境的信息处理、数据组织、空间建模与数字表达，并 运用科学可视化技术来对地层及其环境信息进行真三维再现和可视化交互的科学与技 术。这一概念最早是由加拿大s i m o nw h o u l d i n g 于1 9 9 3 年提出的。吴立新在其3 d g m 1 2 面平半r = u的点 断个 二 l 司缎y儿儿好x 是il刮l面 力 层 似 晰 同 了定决向倾的层断 第二章储层中断层建模概述 理论与方法博士生学位课程讲义( 1 9 9 9 2 0 0 0 版) 中，对3 d g m 作如下理解：3 d g m 是 由勘探地质学、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、g i s 、图形图像学、科学 可视化等学科交叉而形成的一门新型学科。 三维地质建模的主要目的之一是预测一个或多个地质变量的空间变化。在地质工程 中，往往是地层、裂隙、断层等的空间展布特征及其物理力学参数。对某一研究的相关 地质变量由于不可能进行连续的量测，因此往往取一些有代表性的点，作为采样点。然 后，再运用各种不同的预测技术，来推测出整个研究区的该地质变量的空间变化规律。 与其它的地质信息表现形式相比，三维地质建模有突出的优越性： ( 1 ) 逼真的三维动态显示效果，使不熟悉地质结构和构造复杂性的人对地质空间关系 有一个十分直观的认识。 ( 2 ) 强大的可视化功能，可提高对难以想象的复杂地质条件的理解和判别，为勘察、 试验工作提供验证和解释。 2 4 断层的处理的方法 当变量在绘图区内连续变化时，用基本的插值方法和绘图技术就可以作出等值线图。 但是，当绘图区内存在断层且断层对变量有影响时，就必须采用专门的处理技术。构造 图的绘制就要用到断层处理技术。网格化过程中断层的处理的方法包括：分块法，层位 复原法，断面法和断层轨迹法【2 0 】。 地质统计学理论对数据插值技术的重大贡献就是回答了传统的数据内插( 外推) 技术 中无法回答的一个关键问题：空间的两点相距多远还有相关性? 其相关性有多大? 然而， 克里金基本理论所研究的对象是空间的一个或一组连续变量。当存在不连续体时，这一 理论无法回答不连续体两侧点的相关性。也就是说当存在不连续体时，不能简单地应用 克里金插值技术进行数据网格化。本节讨论的四种方法中，分块法和断面法回避了怎样 处理断层两边点的相关性问题。层位复原法和断层轨迹法实际上是采用不同的近似手段 考虑了断层两边点的相关性。 这四种方法都有局