基於計算機圖形學的噴發相火山巖地質體三維建模方法與流程

2023-09-16 21:06:45 2

本發明屬於油氣田勘探開發技術領域，尤其涉及一種基於計算機圖形學的噴發相火山巖地質體三維建模方法。

背景技術：

火成巖油氣藏儲量持續增長，已經成為我國勘探開發的重要領域之一。在火成巖發育地區，由於火成巖本身與沉積巖在巖石物理性質方面反差極大，它具有高速高密的特點，對地震波具有極強的屏蔽和吸收作用，火成巖地層常出現強反射和多次反射，同時還伴隨有強轉換波出現，造成火成巖地層之間和火成巖下覆地層的地震資料品質較差，制約了對火成巖下覆油氣藏的認識，致使火成巖地區的勘探開發效果一直不夠理想。

在火成巖廣泛分布的渤海灣盆地，火成巖的分布受到斷陷和火山運動的雙重影響，凹陷內部的大斷裂控制巖漿巖的分布形式。同時，巖相巖性控制著火成巖儲層的形成和發育。火成巖相是指在一定環境下火山活動產物特徵的總和。通常，大多學者將火成巖相分為火山通道相、爆發相、噴溢相、火山沉積相和侵出相五種。不同火成巖相在地震剖面上大體可以歸納為板狀反射、盒狀反射、蘑菇狀反射、丘狀反射、不規則雜亂反射等地震反射類型。有必要充分利用地震、測井、鑽井以及地質多種資料，以地震波數值模擬為工具，進行不同類型火成巖的正演模擬，識別和總結形成不同類型火成巖三維地質體中地震波傳播規律及響應機理的規律性認識，指導火成巖油氣藏的勘探開發，減少火成巖巖性預測、火成巖儲層預測的多解性。

建立符合實際工區地下地質情況的三維地質體模型在上述研究過程和研究中起到承上啟下的作用，不僅是在對工區的地質情況有了充分了解之後的進一步延伸，同時，三維地質體模型也是進行三維波動方程正演的先決條件。三維地質建模經歷了多年的發展，現在已經有二十多種數據應用於三維地質體模型的建立。大致可以歸結為以下三種：基於柵格的三維空間模型；基於矢量的三維空間模型；混合結構的三維空間模型。這些地質建模方法都需要已知大量的地震、測井、地質、鑽井以及地層數據信息作為基礎，主要運用數據剖分與插值技術得到建模結果，其中涉及到多種數據融合格式，這樣給實際應用帶來了諸多不便。在勘探工區開發的早期，地震資料的解釋層位和測井、開發數據是非常稀少的，同時解釋得到的層位等信息也帶有地質人員本身的主觀因素。對數據依賴性較高是已有建模方法的缺點之一。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於圖形學的火山機構三維建模方法，利用地震成果剖面(疊加或偏移剖面)和地震屬性刻畫的火山機構輪廓建立與火成巖體相關的地質體三維模型的新方法。

本發明的技術方案是基於計算機圖形學的噴發相火山巖地質體三維建模方法，該方法包括以下步驟：

步驟(1):分別選取火山巖體對應的地震成果剖面和地震屬性切片；

步驟(2):基於上述步驟(1)選取的地震成果剖面刻畫噴發相火山體頂底面形態分別對應的主視圖；

步驟(3):根據上述步驟(2)火山體頂底面形態分別對應的主視圖確定火山體頂底面高程與火山體空間橫向展布之間的函數關係；

步驟(4):基於上述步驟(1)選取的地震屬性切片刻畫噴發相火山體形態對應的俯視圖；

步驟(5):根據上述步驟(4)中噴發相火山體形態對應的俯視圖進行二維線性內插值，確定火山體的空間分布範圍與平面坐標之間的對應關係；

步驟(6):結合上述步驟(3)中確定的火山體頂底面高程與火山體空間橫向展布之間的函數關係，將該關係與步驟(5)中確定的火山體的空間分布範圍與平面坐標之間的對應關係進行插值，確定火山巖體頂底界面的高程與平面坐標之間的函數對應關係；

步驟(7):基於工區內所有測井數據統計相同巖性的速度、密度屬性參數的先驗信息及其均值，同時，用回歸分析的方法擬合速度和密度二者之間的統計關係；

步驟(8):根據建模工區的實際情況，首先確定速度或密度屬性參數值，再根據步驟(7)中的統計關係確定密度或速度屬性參數值，在步驟(6)中得到的火山地質體的頂底界面之間填充相應速度或密度屬性參數值；

步驟(9):對不同的特殊地質體重複以上步驟(1)至(8)，最終得到符合工區實際地下地質情況、滿足研究需要的地質體三維模型。

所述步驟(1)地震成果剖面和地震屬性切片選取的原則：清晰反映火山巖的基本形態；方便刻畫火山巖的基本形態；

本發明具有以下優點：本發明有效降低建模對開發數據較強的依賴性，同時也克服了對計算機性能的高要求，在提高建模效率的同時增強模型的可修飾性，使建模結果符合研究的要求，尤其是符合研究工區的實際地質情況，同時使建模結果可直接應用於基於矩形網格的有限差分法波動方程正演，具體如下：

1、本發明對包括測井數據以及地震解釋結果在內的其它數據的依賴性不強，能夠從地震剖面以及地震屬性切片刻畫出的火山輪廓出發實現火山機構的三維地質建模。

2、本發明提供一種簡便的基於圖形學的利用高程信息進行地質建模的方法，相比於目前的基於三角網格通過數據剖分和插值構造三維地質體的方法，實現過程更加直觀。

3、本發明通過簡單的函數映射方法達到構造地質體頂底高程的效果，相比於需要大量運算的數據插值方法，更加節省存儲和及時，大大降低了建模過程中對計算機高性能的要求。

4、本發明相比於其它建模方法，更能高效地修飾模型的細節，使得模型在局部區域與實際地質狀況更加匹配。

5、本發明得到的三維地質體模型基於矩形網格，可以直接應用於有限差分法波動方程正演，得到單炮記錄，進行處理試驗或採集參數試驗等後續研究工作。

6、本技術方案涉及到的思路也可用於三維褶皺、斷裂複雜地質體的建模過程中，僅僅需要在模型中逐步添加相應的地質元素即可，具有更加廣泛的實際適用性，可以應用到大部分地質建模過程中。

7、本技術方案填充速度等屬性參數的過程簡便明了，地質模型各部分速度的填充順序與實際地質體形成先後相一致。譬如，先建立一個沉積模型，在模擬斷裂發育模式，在這個過程中可以看到地震記錄動態變化的過程，若只是得到結果，那麼只能有一個響應，沒有連續的分析能力。結果模型是眾多過程的一個反應，通過這種方法得到的地質體三維模型數據體不僅可以和實際地質結果相匹配，同時也可以很方便地應用於其他科學研究的過程中。

附圖說明

圖1是本發明基於計算機圖形學的噴發相火山巖地質體三維建模方法的流程圖。

圖2是基於地震成果剖面刻畫的噴發相火山體頂面和底面形態分別對應的主視圖：

(a)地震成果剖面圖；(b)噴發相火山體頂面形態對應的主視圖；(c)噴發相火山體底面形態對應的主視圖。

圖3是根據火山巖體頂底面對應的主視圖確定火山巖體頂面和底面高程與火山巖體空間橫向展布之間的函數關係：

(a)火山巖體頂面高程與火山巖體空間橫向展布之間的函數關係；

(b)火山巖體底面高程與火山巖體空間橫向展布之間的函數關係。

圖4是基於地震屬性切片刻畫噴發相火山體形態對應的俯視圖:

(a)地震屬性切片圖；

(b)噴發相火山體形態對應的俯視圖。

圖5是二維線性插值後火山體的空間分布範圍與平面坐標之間的對應關係。

圖6是火山巖體頂底界面的高程與平面坐標之間的對應函數關係。

圖7是經過修飾的含火成巖複雜三維速度模型。

具體實施方式

下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

針對目前已有的三維速度建模方法所存在的對數據較高依賴性等上述問題，本發明的目的是提供一種簡潔高效的基於圖形學的複雜地質體三維速度建模方法。本發明是在研究了以下問題的基礎之上提出的。(1)已有的建模方法對已知數據信息的依賴性較大，在鑽井稀少，地震資料品質較差、層位解釋困難或地震解釋結果較差的工區，建模實施較困難；(2)目前已有的建模方法，大都是基於三角網格的插值方法，整個建模過程耗費大量的計算量與存儲量，計算效率較低；得到的基於三角網格的插值結果模型不能直接應用於有限差分法波動方程正演，不能進行實際應用；(3)對於勘探開發的前期，數據信息量較小，從地震剖面以及地震屬性刻畫出火山輪廓的火成巖體，用已有的建模方法基本不能實現模型的建立；(4)目前已有的方法不方便對模型進行大量的修飾處理工作，無法建立與工區地下地質條件吻合程度較高的複雜地質體三維模型。本發明首先利用Photoshop、coreldraw等繪圖軟體基於地震成果剖面刻畫噴發相火山體頂面和底面形態分別對應的主視圖，確定火山體頂面和底面高程與火山體的空間橫向展布之間的函數關係；再基於地震屬性切片刻畫噴發相火山體形態對應的俯視圖，通過二維線性插值，確定火山體的空間分布範圍與平面坐標之間的對應關係，進而確定火山巖體頂面和底面的高程與平面坐標之間的對應函數關係；在地質體對應的頂底面高程之間填充統計得到的相應地質體的速度或密度等屬性信息，最後經過多次修飾得到地質體的三維模型。

如圖1所示本發明一種基於計算機圖形學的噴發相火山巖地質體三維建模方法，包括如下步驟：

(1)、選取火山巖體對應的地震成果剖面，確定能反映該火山體的地震屬性，選取地震屬性切片：首先確定建立三維地質體所參考的地震成果剖面，然後選取一種可以較好反映所建立地質體的地震屬性，求取地震成果數據對應的該地震屬性體，最後優選地震屬性切片。

(2)、基於地震成果剖面刻畫噴發相火山體頂面和底面形態分別對應的主視圖，如圖2所示：噴發相的火山體在地震成果剖面中有較好的反映。基於圖形學理論，利用Photoshop、coreldraw等繪圖軟體可以完整地刻畫其形態，同時將頂底面以下的部分用白色填充，將頂底面之上的部分用黑色填充，根據圖形學知識，則該火山體的頂底面對應的主視圖也用像素多少的變化表徵了火山體的高程變化。

(3)、根據火山體頂面和底面對應的主視圖確定火山體頂面和底面高程與火山體的空間橫向展布之間的函數關係，如圖3所示：把圖像對應的矩陣的每一列相加之後，可以得到火山體頂面和底面高程與火山體的空間橫向展布之間的函數關係。將圖像轉換為數字之後，由圖像的數據組成可知，任意圖像都是用三維數組表示的，其中白色為數字1，而黑色為數字0，其他顏色數值介於0～1之間。因此，上述第(2)步中用繪圖軟體刻畫得到的火山體頂面和底面主視圖相當於地層頂面用像素表示的帶有高程信息的左視圖和主視圖，更進一步地，通過上述第(3)步的處理過程可以得到火山體頂面和底面高程與火山體的橫向展布之間的函數關係。

(4)、基於地震屬性切片刻畫噴發相火山體形態對應的俯視圖，如圖4所示：噴發相的火山巖體在地震屬性切片中有較好的反映，上述第(1)步優選出的可以較好反映參考地震成果剖面中地質體的地震屬性切片，基於圖形學理論，利用Photoshop、coreldraw等繪圖軟體可以完整地刻畫其在平面的分布範圍。同時為明確區分，將火山巖體分布範圍內的部分用白色填充，將之外的部分用黑色填充。

(5)、根據火山巖體的俯視圖進行二維線性內插，確定火山體的空間分布範圍與平面坐標之間的對應關係，如圖5所示：上述第(4)步中刻畫得到的噴發相火山地質體平面分布範圍僅僅是上述第(3)步中某一個高程對應的分布範圍，要得到第(3)步中不同高程對應的火山巖體分布範圍，需要對上述第(4)步中的結果進行二維線性插值。

(6)、結合第(3)步中根據火山體頂面和底面對應的主視圖確定火山體頂面和底面高程與火山體空間橫向展布之間的函數關係以及上述第(5)步中根據火山體的空間分布範圍與平面坐標之間的對應關係，通過插值的方法確定火山體頂界面和底界面的高程與平面坐標之間的對應函數關係，如圖6所示：按照第(3)步中確定的火山體頂底面高程與火山體空間橫向展布之間的函數關係，結合上述第(5)步確定的火山體的空間分布範圍與平面坐標之間的對應關係，得到火山體頂面和底面高程的三維空間分布。

(7)、基於工區內所有測井數據統計相同巖性的速度、密度屬性參數的分布及其均值，同時用回歸分析方法擬合速度和密度之間的統計關係：通過對測井數據統計分析，可以得到各個屬性參數的分布範圍和均值，同時可以通過回歸分析的方法(對於測井屬性來講一般滿足線性關係，運用一元線性回歸分析方法)得到各屬性參數之間的統計關係。

(8)、根據建模工區的實際狀況，首先確定速度屬性參數值，再根據第(7)步中的統計關係確定密度屬性參數，在第(6)步中得到的火山地質體的頂底界面之間填充相應速度或密度屬性參數，得到該特殊地質體對應的三維地質體數值模型：通過第(6)步可以得到噴發相火山地質體頂面和底面高程的三維空間分布，在對應範圍之間填充第(7)步得到的具有統計關係的屬性參數，得到該地質體的三維屬性地質體。

(9)、對不同的特殊地質體重複以上第(1)至第(8)步的步驟，最終得到符合工區實際地下地質狀況、滿足研究需要的地質體三維模型：建模工區的地下地質狀況通常是非常複雜的，由多個特殊地質體組合構成，重複進行第(1)至第(8)步驟，得到不同特殊地質體的三維模型，對他們進行組合，得到最終滿足要求的結果模型如圖7所示，直接用於有限差分法正演模擬。

本發明的方法工作步驟詳細如下：

(1)、優選所要建立的火山巖體對應的地震成果剖面，同時確定能反映該火山體的地震屬性，並優選地震屬性切片：首先確定建立三維地質體所參考的地震成果剖面，然後選取一種可以較好反映所建立地質體的地震屬性，求取地震成果數據對應的這種地震屬性體，在建模工區對應的地震屬性體中優選可以較好反映參考地震成果剖面中地質體的地震屬性切片。地震成果剖面和地震屬性切片優選的原則：能清晰反映火山巖的基本形態；能方便刻畫火山巖的基本形態。

(2)、刻畫噴發相火山體頂面和底面形態分別對應的主視圖：噴發相的火山體在地震成果剖面中有較好的反映，基於圖形學理論，利用繪圖軟體可以完整地刻畫其形態，同時將頂底面以下的部分用白色填充，將頂底面之上的部分用黑色填充，根據圖形學知識，則該火山體的頂底面對應的主視圖也用像素多少的變化表徵了火山體的高程變化。地震剖面刻畫的原則：充分結合地質認識、結合屬性切片資料、結合已有的測井資料、能比較準確地反映火山巖相態的基本形態、利於火山巖相態模型的建立。

(3)、根據火山體頂面和底面對應的主視圖確定火山體頂面和底面高程與火山體的空間橫向展布之間的函數關係。

圖像轉換為數字之後，由圖像的數據組成可知，任意圖像都是用三維數組表示的，提取其中的一維，可知圖像中的白色為數字1，而黑色為數字0，其他顏色數值介於0～1之間。因此，第(1)步中用繪圖軟體刻畫得到的火山體頂面和底面主視圖相當於得到了此地層頂面用像素表示的帶有高程信息的左視圖和主視圖；更進一步地，通過本步驟的處理可以得到火山體頂面高程和底面高程與火山體的橫向展布x之間的函數關係h1和h2：

把圖像對應的矩陣的每一列相加之後，可以得到該函數關係。這裡就充分體現了圖形學的便利之處，可以用圖像的方式簡單地解決求取複雜曲線的函數關係的難點，而直接得到函數關係的離散形式。

(4)、基於地震屬性切片刻畫噴發相火山體形態對應的俯視圖。步驟(1)中優選的地震屬性切片可以較好反映參考地震成果剖面中地質體某一高程處的平面分布範圍，利用繪圖軟體可將這種分布詳細刻畫，同時為了明確區分，將火山巖體分布範圍內的部分用白色填充，將之外的部分用黑色填充。同步驟(3)基於圖形學理論，可以將此俯視圖數值化，即得到火山巖體分布範圍內的部分數值為1，範圍外的部分數值為0，同時這裡假設所有高程對應的地質體在平面分布範圍的最大與最小邊界分別為l1和l2。

(5)、根據步驟(4)中得到的火山巖體的俯視圖進行二維線性內插值，確定火山巖體的空間分布範圍與平面坐標之間的對應關係。步驟(4)中刻畫得到的噴發相火山地質體平面分布範圍僅僅是步驟(3)中某一個高程對應的分布範圍，要得到步驟(3)中不同高程對應的火山巖體分布範圍，需要對步驟(4)中最大邊界l1和最小邊界l2之間的部分進行二維網格點線性插值，即若插值函數P(x,y)關於x,y均為線性，則對被插值函數f(x,y)進行二元Taylor展開。對於待插值點(x,y)，設xi＜x≤xi+1，yi＜y≤yi+1，在點(xi,yi)處展開：

其中Δx＝x-xi，Δy＝y-yi

展項中高階項只取線性項，並利用向前差商代替導數便可以得到：

得到火山體的空間分布範圍fΩ與平面坐標(x,y)之間的對應關係：

(6)、結合步驟(3)確定的火山體頂底面高程與火山體空間橫向展布之間的函數關係hi(x)以及步驟(5)確定的火山體的空間分布範圍與平面坐標之間的對應關係f(x,y)通過插值的方法確定火山體頂面和底面的高程與平面坐標之間的函數對應關係gΩ：

此處假設A＝fΩ(x,y)，B＝hi(x)i＝1,2N為B的總點數，在這裡定義如下的插值方式A·B

A·B＝B([N*A]+1) (6)

其中[*]代表取整運算。

(7)、基於工區內所有測井數據，統計相同巖性的速度、密度屬性參數的分布及其均值，同時用回歸分析方法擬合速度和密度屬性參數之間的統計關係。通過對測井數據統計分析，可以得到各個屬性參數的統計信息，同時可以通過回歸分析的方法(對於測井屬性來講一般滿足線性關係，運用一元線性回歸分析方法)得到各屬性參數之間的統計關係。

一元線性回歸中估計的回歸方程為

其中：是估計的回歸直線在y軸上的截距，是直線的斜率，它表示對於一個給定的x的值，是y的估計值，也表示x每變動一個單位時，y的平均變動值。根據最小二乘法，可得求解和的公式如下：

(8)、根據建模工區的實際情況，首先確定速度或密度屬性參數值，再根據統計關係確定密度或速度屬性參數值，在火山巖地質體的頂底界面之間填充相應屬性參數，得到該特殊地質體對應的三維地質體數值模型。

(9)、對不同的特殊地質體重複以上步驟，最終得到符合工區實際地下地質情況、滿足研究需要的地質體三維模型。建模工區的地下地質狀況通常是非常複雜的，由多個特殊地質體組合構成，得到不同特殊地質體的三維模型，對它們進行組合，各部分速度填充的先後順序模擬模型的形成過程來實現，得到最終滿足要求的結果模型，直接用於有限差分法正演模擬。

應當理解的是，這裡所討論的實施方案及實例只是為了說明，對本領域技術人員來說，可以加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。