三维地质建模技术在天然气水合物研究中的应用

[摘 要] 本文选取中国南海北部神狐地区为研究区域，采用三维地质建模方法，研发针对水合物不规则地层模型构建，矿体及井位混合绘制，等值面提取的可视化技术。通过对试验区各种地震属性数据体的实时显示，通过三维空间的构造、地层及地震属性一体化解释，实现地震属性可视化叠合分析，描述水合物矿体的空间分布特征，精细刻画获取水合物矿体的细微地质特征，并取得良好效果。

[关键词] 三维地质建模； 天然气水合物； 可视化研究

0 引言

三维地质模型的建立，可对地下地质构造进行更精细的描述，使地质人员对构造有更确切的认识。在油气藏的开发过程中，三维地质建模技术得到广泛应用，其对属性特征的分布趋势和各种物性参数动态变化进行描述，提高工作效率，节约勘探开发成本[1，2]。

天然气水合物作为一种新型的替代能源，对其地质研究，具有重要的实用价值和科学意义[3-5]。通过建立三维地质模型，不但减轻地质工作者的工作强度，而且还将地学领域复杂的、抽象的或专业性过强的成果及结论用简洁的、直观的、易于被广泛接受的方法和形式表现出来，将地质分析解释过程以图形形式动态、立体地表现，结果形象生动，大大提高目前数据解释水平和推测准确性[6]。本文将三维地质建模技术应用于天然气水合物研究中，同样取得良好效果。

1 数据预处理

原始地质数据具有复杂、多源、多维及不确定性等特点。这些数据包括井位数据、测井数据、剖面数据和地震数据等等。原始数据往往单位不一，取值范围不同，直接应用原始数据，会突出那些绝对值大的因子，而压低绝对值较小的因子的作用，影响处理的结果，故需对原始数据按下式进行归一化处理：

（6）

2 三维模型建立

2.1 不规则地层模型构建

地层的显示运用面绘制技术。原始地层离散数据点都比较稀疏，要直接建立层位模型，模型粗糙，无法正确反映地质形态，因此要进行数据点插值处理，步骤为：第一步将地质空间数据点作为散乱点，每个点的空间坐标为（xi，yi，zi），然后将这些散乱点，利用一定的方法，构建三角网，这时所建立的三角网有可能因为原始数据点分布不均，出现局部显示不平滑，或者由于数据点太少，搭建的三角网出现尖锐面。为了使所建立的三角网更加平滑，在原有数据点的基础上，第二步需要对已经建立的三角网进行内部插值拟合处理，生成规则网格数据，并且所构建的模型应尽可能和原始地质形态吻合。

在生成网格数据之后，进行不规则地层的显示，首先要输入规则化的网格数据和不规则地层表面的边界数据，要求此数据应显示一个闭合曲线。然后逐个判断规则化网格数据的每个顶点，是否落在闭合曲线之内，如果在内部，作一个标记为1，如果在闭合曲线之外，作标记为0。这时生成一个新的数据标记文件，与原始规则化网格数据点一一对应。求出规则化网格数据的最大值，再逐个取出网格数据，此时如果标记文件的相同位置的数据点为1，就将原始数据点，放入新数组中，如果为0，就将最大值加1，放入新数组，然后循环将原始网格数据处理完毕，生成一个新的数据点文件。最后，显示地层表面时，如果数据点的值超过最大值，就不显示，这时，所显示的地层表面为由闭合曲线所包围的不规则部分。

2.2 矿体及井位模型混合绘制

矿体和井位的一体显示，运用面绘制和体绘制结合的混合绘制技术。矿体模型构建算法，采用三维纹理映射体绘制技术。针对预处理完的三维地震数据体，其中每个数据点的数据可用P（xi，yj，tk）来表示。首先将这些数据点进行分类，按照给定的转换函数将每个数据点转换为相应的颜色值及不透明度值，形成三维纹理；其次，由观察方向得到被绘制数据场中的采样点与纹理空间坐标的映射关系；最后，在纹理空间中进行重采样，并按照既定顺序进行图像的合成。例如，A（xi，yj，t）表示三维数据体内某一道的信息；A（xi，y，t）表示过x=xi点沿y方向的一个垂直剖面内各道的信息；A（x，yj，t）表示过y=yj点沿x方向的一个垂直剖面内各道的信息；A（x，y，tk）表示t= tk时刻水平面上各点的信息。它们组成了一个时间-振幅水平切片。

垂直剖面包含下列地质信息：①各反射界面的反射时间（深度）；②地层厚度；③铅垂面内断层的垂直落差；④铅垂面内反射层的视倾角。水平切片包含的地质信息：①反射层的走向（水平切片上同相轴的延伸方向）；②反射界面的厚度；③反射界面的倾角；④断层和其他地质界线的交线。

3 应用实例

本文采用Visual C++作为开发语言，结合三维可视化开发包Open Inventor，由于它使用面向对象编程技术，大大减少编程的工作量。研究区位于中国南海北部神狐海域。

3.1 地层等值线可视化

地层数据的网格中生成等值线的方法：首先由差分方法得出网格中每个结点处的梯度值。然后找出与等值面相交的单元，并用线性插值法或二次插值法计算出单元的边与等值面的交点的位置及该点的梯度。采用双三次 Hermite 插值方法来构造单元内的等值面片，保证各单元内的等值面片在顶点处是连续的。为保证各等值面片的邻接边上法向量是连续的，根据每个角点处的法向量梯度，再用双三次Hermite 插值方法求出邻接边上各处的法向量，从而保证邻接边上法向量的连续性，最后只显示等值面的边界。

3.2 地震数据体可视化

3.3 地震层位可视化

4 结语

天然气水合物矿体可视化综合运用水合物中的各类数据，包括地震处理的地震成果数据、地震属性数据以及地质成果数据，进行水合物三维矿体识别、矿体描述、等值线提取和地层构建等工作，最终可为进行水合物勘探井位的优化设计及钻前预测和钻后评价提供良好的参考依据。

[参考文献]

[1] 李裕伟. 空间信息技术的发展及其在地球科学中的应用[J]. 地学前缘，1998（4）：335.

[2] 熊祖强. 工程地质三维建模及可视化技术研究[D]. 中国科学院，2007.

[3] Lee M W， Waite W F. Estimating pore space gas hydrate saturations from well log acoustic data[ J] . Geochem. Geophys.Geosyst. ， 2008， 9， Q07008， doi： 10. 1029/ 2008GC002081.

[4] Tinivella U . A method for estimating gas hydrate and free gas con cen trat ions in marine sediment s [ J ] . Boll. Geofis .Teor. Appl. ， 1999， 40 （1） ： 19-30.

[5] MILKOV A V， SASSEN R. Economic geology of offshore gas hydrate accumulations and provinces[J]. Marine and Petroleum Geology，2002，19：1-11.

[6] 武强，徐华.数字矿山中三维地震建模方法与应用[J].中国科学：地球科学， 2013， 43（12）：1996-2006.