计算机地质模型分析论文

1引言

三维实体地质模型在计算机上的实现已经不再是设想目标和探讨课题了。在第三十届国际地质大会科学展览会上展出的三维地质建模软件,将人们带入了奇妙的三维世界。笔者在《水力发电》1996年第4期上发表的题为"三维实体地质模型在计算机上的实现"的拙文之后,不断收到工程地质、水工设计等不同专业的读者来信进行探讨,说明关心三维地质模型的同行大有人在,本文就三十届国际地质大会科学展览会上有关这方面的内容向读者作一简介,希望与同行们继续就大家共同关心的问题讨论下去,使之方向明确,目标一致,共同努力,梦想成真。

从大会上展出的地质计算机应用技术内容来看,最突出的表现是在石油地质勘探方面,对我们水利水电勘测设计特别有意义的是此类石油地质分析计算机软件中的一小部分---三维地质建模和编辑修改模块。

2石油三维地质模型计算机软件介绍

工程地质计算机软件在本次展览会上没有任何反映,基本上是石油地质配套软件方面的全面展示。同类软件中,美国占的比例最大,其次是法国、以色列等西方国家。石油地质软件的特点表现在地质资料的综合处理和三维地质建模方面。例如在测井中,0.1英寸测一个数据,连续测井,测得全井电阻率变化的数据,用颜色来反映电阻率的变化,不同的岩石有不同的电阻率,在图像上就反映出不同的颜色,颜色的变化反映出岩性的变化。测井资料经过专门的软件处理之后,在高档图形工作站显示屏幕上反映出来的多孔测井剖面图十分逼真。同样,三维地震资料数据的分析处理更是如此。各种物探和勘探资料分析解释的结果再与三维地质建模相结合,完成工作区的石油地质图像分析(一维、二维、三维)。类似软件的运行环境均为UNIX操作系统的工作站。

美国考格尼塞斯公司(CogniSeisDevelopment,Inc简称CSD)是本次展览会上最大的石油地质勘探软件公司,其用户在中国就有20余家,均为各大油田以及石油勘探、开发和研究机构。CSD的代表软件是集地球物理勘探资料处理、数据解释和地质解释、三维建模等方面的综合系统TerraCube(三维地球模型),TerraCube为石油勘探提供了一整套地球物理勘探和地质应用的综合分析方法和手段,以此来建立、标定、解释、验证地球模型,在高档图形工作站上的可视化功能让人一目了然,无可挑剔。TerraCube系统采用模块化体系设计,为用户使用提供了方便,其中的地质解释软件GeoSec3D是一个完整的三维地质可视化、模型、平衡和恢复系统,利用地震资料、钻井资料、地表地质资料生成三维地质解释成果,用三维构造恢复和正演模型对地震资料、钻井资料、地表资料进行分析和验证。TerraCube的真三维可视化技术,可快速实现三维立体图的旋转显示、三维透视立体图的显示、与三维地质体一致的剖面和平截面的考察,交互处理及实时质量控制使三维处理的速度和质量得以提高。

CSD公司的软件对三维地质模型的编辑修改,是笔者在本次展览会上见到的所有类似软件中唯一能直接在三维模型上编辑修改任意空间曲面的软件。该软件对任意空间曲面的任意部分的修改就象在平面图形软件中操作一样,就对象进行选中、移动、旋转、延伸、删除、拷贝、截断、改变曲面形状、穿过或不穿过其它地质界面,功能十分强大。笔者个人认为,这样的三维建模软件完全可以达到我们多年来一直在不懈追求探索设想的工程地质三维实体地质模型软件的要求。

以色列帕拉代姆地球物理公司(ParadigmGeophysicalLtd)的GeoDepth系列软件产品,是基于模型的深度成像与绘图,将区域地质资料、地震成像与模型模拟技术综合为一体,来建立深度/速度模型,这是可视化的三维地球(地质)模型(EarthModel)。据资料介绍,EarthModel软件以最经济有效的方法,提供准确可靠的储油层预测成果和钻井井位。系统首先综合深度构造图和速度模型,来建立解释的地球参数模型,该模型作为地质骨架模型,结合地震成像进行交互式修改验证,统一和综合各类地球物理数据为石油、天然气勘探开发创造了更多的机遇。三维曲面的修改是在待修改面的等值线上进行。

美国动态图形公司(DynamicGraphics,Inc,简称DGI)的看地球(EarthVision3.0)空间地质建模软件,在建立复杂地质构造的三实体地质模型方面颇有独到之处,可用于识别目的层,描述储油层特征,优化油田开发,计算石油储量,将其用于油田的地质分析,可节省75%的钻井费用(软件广告声称)。该软件用于建立油田的三维地质构造模型和属性模型,绘制精确描述层位面与断层几何形态的构造图,绘制与三维空间一致的剖面图,精确计算油田石油储量,准确认识油田的储油层特征,调整井位的最佳布置,获得最佳布置效果。

EarthVision对于三维模型的编辑和修改同以色列帕拉代姆地球物理公司的EarthModel,也是在三维面的等值线上进行,交互式对话,亦不失为模型修改的可行方法之一。这种对空间曲面修改方法的优点是定位准确,修改对象可以是任意非规则的复杂曲面,缺点是不直观,就好比看地形图总之还是不如看三维地形图像。另外,例如某一波状起伏的地质界面被另一断层切割错开,要修改被错开部分,在等值线上处理可能就要复杂些。

其它如法国斯伦贝谢(Schlumberger)公司在美国的GeoQuest子公司开发的石油地质配套软件,用于地震数据采集处理和解释、测井数据采集处理和解释,系统由物探资料通过计算机分析处理生成三维地质模型,三维空间曲面的修改是通过修改曲面的等值线来完成;法国地球物理公司(CGG)的代表性软件有:Geovecteur地震数据处理软件,IntegralPlus勘探开发综合解释软件,都具有三维地质建模功能。

3关于石油三维地质模型软件的讨论

3.1石油地质勘探的特点

石油地质勘探的特点是以物探为主,物探中又以地震勘探占据十分重要的位置,钻井勘探当然也是必不可少的,但投资费用昂贵,一般尽可能少用。另一个特点是石油勘探的范围很大,探测地下地质体的深度也在数千米以上,物探受地表地形地貌地物的影响几乎可以忽略。另外,石油钻井的井位确定是很关键的,定错一个井位达不到勘探目的,实际上就是报废井,损失将十分惨重。从这里也可充分体现出物探在石油勘探中的必要性和重要性。当前最为有效的石油勘探方法是人工地震勘探,这是一种需以强大运算能力为基础的专门技术。据石油部门资料介绍,100KM2的三维地震资料数据多达3--6百亿个字节(30GB--60GB),这些海量数据的分析计算、深度偏移技术(近年新开展的一种类似于光学聚焦成像过程的计算机实现方法)和成像技术,需要使用每秒3亿次运算速度的计算机运算200天。节省一个钻孔(井)或准确地打出一口油井,所取得的效益或节省下来的资金,花在购买高性能计算机硬件和功能强大的计算机软件上就算不了什么了。因此石油部门买得起高档硬件,也用得起国外高质量高水平的软件。近年来SGI公司价格昂贵的图形工作站和SGIPowerChallenge共享内存式并行机被国内石油部门广泛采用也就不足为奇了。

3.2工程地质勘察的特点

工程地质勘察以水工枢纽工程区最为复杂,对查明工程地质条件的要求也最高,与石油地质勘探的不同之处在于:工程范围在数KM2之内,石油地质勘探范围在数十KM2数百KM2以上;工程地质勘探的地下深度在数十米至数百米之内,石油勘探在数千米以上;工程地质勘探的绝对误差在厘米与米的数量级,石油勘探有关储油层埋深的绝对误差在米与数十米数量级或百米数量级。由此可见,工程地质勘察最复杂要求最高的坝址区,决定了勘探手段和勘探方法。高山峡谷区的大坝工程,目前的单一的物探手段很难查明地下地质结构体,因此勘探工作量多为钻探和硐探,在钻孔和平硐中再结合物探手段综合分析各勘探点之间的地质体,这与一般工程地质勘探先上物探后上勘探的概念是不同的。

3.3石油地质软件为我所用

工程地质是地质学中的一门年轻的应用学科,其理论是借用了其它学科如土力学、构造地质学等众多学科的基本理论;勘探技术、方法和手段也是石油地矿等行业中所早已采用的,工程地质借来为我所用。这次地质科学展览会上展示的石油地质计算机高技术也是可以为我所用的,至少可以说我们多年来一直在探讨的计算机三维实体地质模型能不能实现的问题,展览会上的石油地质软件已经作出了明确回答,没有什么值得可争议的了。在此之前之所以一直存争议,是因为我们自我封闭在一个极小的范围中,只是在设想,也见过一些资料报道,但能否为我所用,心里无数。我们不但未出国门去长见识(也未听到过出国回来的专家们介绍过或考察资料提及过),就连家门都少出。例如国内石油部门用三维软件早已轰轰烈烈成果频出,但我们就是知道不多了解极少,缺乏必要的交流,部门行业之间的封闭并不比国门之间的封闭好多少,同一个系统各单位之间也自我还封闭不交流!我们水利水电系统内各设计院之间也是如此的封闭!令人困惑不解,不可思意!

3.4石油地质软件为我所用需研究的若干问题

展览会上展出的石油地质软件,我们可以用其中的一小部分---三维地质建模,用于我们的工程地质制图(剖面、平面、平截面等)和工程地质分析,以解决我们工程地质分析计算制图中的有关问题。但这类软件也并不是我们拿过来就可以用的。例如三维建模问题,三维地质模型的基本地质信息的获得我们是靠地表地质测绘和钻孔平硐勘探,当然也辅以一些物探资料;而石油地质对地下地质信息的获得主要是地震勘探,连续的三维地震资料的计算机处理,以完成三维建模。又如硬件问题,石油地质部门大量采用高档图形工作站和并行处理机来处理海量数据,我们当然在硬件设备上就不能与之相比了,但我们的勘探数据与石油地质的勘探数据相比较也仅是湖泊与大海的关系。在软件方面,石油地质软件不是我们所熟悉的DOS、WINDOWS操作系统的单用户单干行为,而是我们不太熟悉的UNIX操作系统的多用户网络系统;图形软件环境也不是我们工程界所熟悉通用的AutoCAD和Microstation,而是那些我们不熟悉的专用图形软件。我们工程地质的三维地质建模也许在高档PC机或一般中低档工作站上就可以完成,但展出的软件(具有三维建模功能)没有一个有微机版。显然所谓的拿来主义,并不是拿来就可以用,这不是一个简单的软件引进行为,而是一项严肃认真的工程项目,怎样将此类软件变得适合于水利水电工程地质的实际,应该组织内行专家们认真探讨一番。另外,是引进消化现成的软件系统还是组织力量自己开发适合于水利水电工程实际的三维地质建模软件,也是可以探讨的。

3.5人才是关键

笔者在展览会上初步了解,石油地质软件中我们只需要的三维建模部分模块的报价仍然较高(所谓报价,指在实际交易中可以向下砍的卖方申报价),一台SGI工作站的价格相当于10台高档微机,这样的价格我们的用户单位能否承受,大家可以讨论。其实,价格还不是什么主要问题,关键在于我们要培养造就一批操作这种高档硬件和复杂软件系统且又对工程地质有相当经验具备较强的工程地质分析能力的高素质的人才。众所周知,一切竞争归根结底是人才的竞争,我们要在培养高素质复合型人才方面多下些功夫,否则工程地质专业的落后局面还会继续下去,专业道路也将会越走越窄,各类工程事故出在工程地质专业的概率也就不会有所减少。