基于计算机图形学的喷发相火山岩地质体三维建模方法

摘要

本发明公开一种基于计算机图形学的喷发相火山岩地质体三维建模方法,主要包括选取地震成果剖面和地震属性切片，刻画喷发相火山体顶底面形态分别对应的主视图，确定火山体顶底面高程与火山体空间横向展布之间的函数关系，刻画喷发相火山体形态对应的俯视图，二维线性内插值，确定火山体的空间分布范围与平面坐标之间的对应关系，确定火山岩体顶底界面的高程与平面坐标之间的函数对应关系，得到的火山地质体的顶底界面之间填充相应速度或密度属性参数值，得到地层的三维模型。本发明有效降低建模对开发数据较强的依赖性，同时克服了对计算机性能的高要求，在提高建模效率的同时增强模型的可修饰性，使建模结果符合研究的要求，符合实际地质情况。

说明书

技术领域

本发明属于油气田勘探开发技术领域，尤其涉及一种基于计算机图形学的喷发相火山岩地质体三维建模方法。

背景技术

火成岩油气藏储量持续增长，已经成为我国勘探开发的重要领域之一。在火成岩发育地区，由于火成岩本身与沉积岩在岩石物理性质方面反差极大，它具有高速高密的特点，对地震波具有极强的屏蔽和吸收作用，火成岩地层常出现强反射和多次反射，同时还伴随有强转换波出现，造成火成岩地层之间和火成岩下覆地层的地震资料品质较差，制约了对火成岩下覆油气藏的认识，致使火成岩地区的勘探开发效果一直不够理想。

在火成岩广泛分布的渤海湾盆地，火成岩的分布受到断陷和火山运动的双重影响，凹陷内部的大断裂控制岩浆岩的分布形式。同时，岩相岩性控制着火成岩储层的形成和发育。火成岩相是指在一定环境下火山活动产物特征的总和。通常，大多学者将火成岩相分为火山通道相、爆发相、喷溢相、火山沉积相和侵出相五种。不同火成岩相在地震剖面上大体可以归纳为板状反射、盒状反射、蘑菇状反射、丘状反射、不规则杂乱反射等地震反射类型。有必要充分利用地震、测井、钻井以及地质多种资料，以地震波数值模拟为工具，进行不同类型火成岩的正演模拟，识别和总结形成不同类型火成岩三维地质体中地震波传播规律及响应机理的规律性认识，指导火成岩油气藏的勘探开发，减少火成岩岩性预测、火成岩储层预测的多解性。

建立符合实际工区地下地质情况的三维地质体模型在上述研究过程和研究中起到承上启下的作用，不仅是在对工区的地质情况有了充分了解之后的进一步延伸，同时，三维地质体模型也是进行三维波动方程正演的先决条件。三维地质建模经历了多年的发展，现在已经有二十多种数据应用于三维地质体模型的建立。大致可以归结为以下三种：基于栅格的三维空间模型；基于矢量的三维空间模型；混合结构的三维空间模型。这些地质建模方法都需要已知大量的地震、测井、地质、钻井以及地层数据信息作为基础，主要运用数据剖分与插值技术得到建模结果，其中涉及到多种数据融合格式，这样给实际应用带来了诸多不便。在勘探工区开发的早期，地震资料的解释层位和测井、开发数据是非常稀少的，同时解释得到的层位等信息也带有地质人员本身的主观因素。对数据依赖性较高是已有建模方法的缺点之一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于图形学的火山机构三维建模方法，利用地震成果剖面(叠加或偏移剖面)和地震属性刻画的火山机构轮廓建立与火成岩体相关的地质体三维模型的新方法。

本发明的技术方案是基于计算机图形学的喷发相火山岩地质体三维建模方法，该方法包括以下步骤：

步骤(1):分别选取火山岩体对应的地震成果剖面和地震属性切片；

步骤(2):基于上述步骤(1)选取的地震成果剖面刻画喷发相火山体顶底面形态分别对应的主视图；

步骤(3):根据上述步骤(2)火山体顶底面形态分别对应的主视图确定火山体顶底面高程与火山体空间横向展布之间的函数关系；

步骤(4):基于上述步骤(1)选取的地震属性切片刻画喷发相火山体形态对应的俯视图；

步骤(5):根据上述步骤(4)中喷发相火山体形态对应的俯视图进行二维线性内插值，确定火山体的空间分布范围与平面坐标之间的对应关系；

步骤(6):结合上述步骤(3)中确定的火山体顶底面高程与火山体空间横向展布之间的函数关系，将该关系与步骤(5)中确定的火山体的空间分布范围与平面坐标之间的对应关系进行插值，确定火山岩体顶底界面的高程与平面坐标之间的函数对应关系；

步骤(7):基于工区内所有测井数据统计相同岩性的速度、密度属性参数的先验信息及其均值，同时，用回归分析的方法拟合速度和密度二者之间的统计关系；

步骤(8):根据建模工区的实际情况，首先确定速度或密度属性参数值，再根据步骤(7)中的统计关系确定密度或速度属性参数值，在步骤(6)中得到的火山地质体的顶底界面之间填充相应速度或密度属性参数值；

步骤(9):对不同的特殊地质体重复以上步骤(1)至(8)，最终得到符合工区实际地下地质情况、满足研究需要的地质体三维模型。

所述步骤(1)地震成果剖面和地震属性切片选取的原则：清晰反映火山岩的基本形态；方便刻画火山岩的基本形态；

本发明具有以下优点：本发明有效降低建模对开发数据较强的依赖性，同时也克服了对计算机性能的高要求，在提高建模效率的同时增强模型的可修饰性，使建模结果符合研究的要求，尤其是符合研究工区的实际地质情况，同时使建模结果可直接应用于基于矩形网格的有限差分法波动方程正演，具体如下：

1、本发明对包括测井数据以及地震解释结果在内的其它数据的依赖性不强，能够从地震剖面以及地震属性切片刻画出的火山轮廓出发实现火山机构的三维地质建模。

2、本发明提供一种简便的基于图形学的利用高程信息进行地质建模的方法，相比于目前的基于三角网格通过数据剖分和插值构造三维地质体的方法，实现过程更加直观。

3、本发明通过简单的函数映射方法达到构造地质体顶底高程的效果，相比于需要大量运算的数据插值方法，更加节省存储和及时，大大降低了建模过程中对计算机高性能的要求。

4、本发明相比于其它建模方法，更能高效地修饰模型的细节，使得模型在局部区域与实际地质状况更加匹配。

5、本发明得到的三维地质体模型基于矩形网格，可以直接应用于有限差分法波动方程正演，得到单炮记录，进行处理试验或采集参数试验等后续研究工作。

6、本技术方案涉及到的思路也可用于三维褶皱、断裂复杂地质体的建模过程中，仅仅需要在模型中逐步添加相应的地质元素即可，具有更加广泛的实际适用性，可以应用到大部分地质建模过程中。

7、本技术方案填充速度等属性参数的过程简便明了，地质模型各部分速度的填充顺序与实际地质体形成先后相一致。譬如，先建立一个沉积模型，在模拟断裂发育模式，在这个过程中可以看到地震记录动态变化的过程，若只是得到结果，那么只能有一个响应，没有连续的分析能力。结果模型是众多过程的一个反应，通过这种方法得到的地质体三维模型数据体不仅可以和实际地质结果相匹配，同时也可以很方便地应用于其他科学研究的过程中。

附图说明

图1是本发明基于计算机图形学的喷发相火山岩地质体三维建模方法的流程图。

图2是基于地震成果剖面刻画的喷发相火山体顶面和底面形态分别对应的主视图：

(a)地震成果剖面图；(b)喷发相火山体顶面形态对应的主视图；(c)喷发相火山体底面形态对应的主视图。

图3是根据火山岩体顶底面对应的主视图确定火山岩体顶面和底面高程与火山岩体空间横向展布之间的函数关系：

(a)火山岩体顶面高程与火山岩体空间横向展布之间的函数关系；

(b)火山岩体底面高程与火山岩体空间横向展布之间的函数关系。

图4是基于地震属性切片刻画喷发相火山体形态对应的俯视图:

(a)地震属性切片图；

(b)喷发相火山体形态对应的俯视图。

图5是二维线性插值后火山体的空间分布范围与平面坐标之间的对应关系。

图6是火山岩体顶底界面的高程与平面坐标之间的对应函数关系。

图7是经过修饰的含火成岩复杂三维速度模型。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对目前已有的三维速度建模方法所存在的对数据较高依赖性等上述问题，本发明的目的是提供一种简洁高效的基于图形学的复杂地质体三维速度建模方法。本发明是在研究了以下问题的基础之上提出的。(1)已有的建模方法对已知数据信息的依赖性较大，在钻井稀少，地震资料品质较差、层位解释困难或地震解释结果较差的工区，建模实施较困难；(2)目前已有的建模方法，大都是基于三角网格的插值方法，整个建模过程耗费大量的计算量与存储量，计算效率较低；得到的基于三角网格的插值结果模型不能直接应用于有限差分法波动方程正演，不能进行实际应用；(3)对于勘探开发的前期，数据信息量较小，从地震剖面以及地震属性刻画出火山轮廓的火成岩体，用已有的建模方法基本不能实现模型的建立；(4)目前已有的方法不方便对模型进行大量的修饰处理工作，无法建立与工区地下地质条件吻合程度较高的复杂地质体三维模型。本发明首先利用Photoshop、coreldraw等绘图软件基于地震成果剖面刻画喷发相火山体顶面和底面形态分别对应的主视图，确定火山体顶面和底面高程与火山体的空间横向展布之间的函数关系；再基于地震属性切片刻画喷发相火山体形态对应的俯视图，通过二维线性插值，确定火山体的空间分布范围与平面坐标之间的对应关系，进而确定火山岩体顶面和底面的高程与平面坐标之间的对应函数关系；在地质体对应的顶底面高程之间填充统计得到的相应地质体的速度或密度等属性信息，最后经过多次修饰得到地质体的三维模型。

如图1所示本发明一种基于计算机图形学的喷发相火山岩地质体三维建模方法，包括如下步骤：

(1)、选取火山岩体对应的地震成果剖面，确定能反映该火山体的地震属性，选取地震属性切片：首先确定建立三维地质体所参考的地震成果剖面，然后选取一种可以较好反映所建立地质体的地震属性，求取地震成果数据对应的该地震属性体，最后优选地震属性切片。

(2)、基于地震成果剖面刻画喷发相火山体顶面和底面形态分别对应的主视图，如图2所示：喷发相的火山体在地震成果剖面中有较好的反映。基于图形学理论，利用Photoshop、coreldraw等绘图软件可以完整地刻画其形态，同时将顶底面以下的部分用白色填充，将顶底面之上的部分用黑色填充，根据图形学知识，则该火山体的顶底面对应的主视图也用像素多少的变化表征了火山体的高程变化。

(3)、根据火山体顶面和底面对应的主视图确定火山体顶面和底面高程与火山体的空间横向展布之间的函数关系，如图3所示：把图像对应的矩阵的每一列相加之后，可以得到火山体顶面和底面高程与火山体的空间横向展布之间的函数关系。将图像转换为数字之后，由图像的数据组成可知，任意图像都是用三维数组表示的，其中白色为数字1，而黑色为数字0，其他颜色数值介于0_～1之间。因此，上述第(2)步中用绘图软件刻画得到的火山体顶面和底面主视图相当于地层顶面用像素表示的带有高程信息的左视图和主视图，更进一步地，通过上述第(3)步的处理过程可以得到火山体顶面和底面高程与火山体的横向展布之间的函数关系。

(4)、基于地震属性切片刻画喷发相火山体形态对应的俯视图，如图4所示：喷发相的火山岩体在地震属性切片中有较好的反映，上述第(1)步优选出的可以较好反映参考地震成果剖面中地质体的地震属性切片，基于图形学理论，利用Photoshop、coreldraw等绘图软件可以完整地刻画其在平面的分布范围。同时为明确区分，将火山岩体分布范围内的部分用白色填充，将之外的部分用黑色填充。

(5)、根据火山岩体的俯视图进行二维线性内插，确定火山体的空间分布范围与平面坐标之间的对应关系，如图5所示：上述第(4)步中刻画得到的喷发相火山地质体平面分布范围仅仅是上述第(3)步中某一个高程对应的分布范围，要得到第(3)步中不同高程对应的火山岩体分布范围，需要对上述第(4)步中的结果进行二维线性插值。

(6)、结合第(3)步中根据火山体顶面和底面对应的主视图确定火山体顶面和底面高程与火山体空间横向展布之间的函数关系以及上述第(5)步中根据火山体的空间分布范围与平面坐标之间的对应关系，通过插值的方法确定火山体顶界面和底界面的高程与平面坐标之间的对应函数关系，如图6所示：按照第(3)步中确定的火山体顶底面高程与火山体空间横向展布之间的函数关系，结合上述第(5)步确定的火山体的空间分布范围与平面坐标之间的对应关系，得到火山体顶面和底面高程的三维空间分布。

(7)、基于工区内所有测井数据统计相同岩性的速度、密度属性参数的分布及其均值，同时用回归分析方法拟合速度和密度之间的统计关系：通过对测井数据统计分析，可以得到各个属性参数的分布范围和均值，同时可以通过回归分析的方法(对于测井属性来讲一般满足线性关系，运用一元线性回归分析方法)得到各属性参数之间的统计关系。

(8)、根据建模工区的实际状况，首先确定速度属性参数值，再根据第(7)步中的统计关系确定密度属性参数，在第(6)步中得到的火山地质体的顶底界面之间填充相应速度或密度属性参数，得到该特殊地质体对应的三维地质体数值模型：通过第(6)步可以得到喷发相火山地质体顶面和底面高程的三维空间分布，在对应范围之间填充第(7)步得到的具有统计关系的属性参数，得到该地质体的三维属性地质体。

(9)、对不同的特殊地质体重复以上第(1)至第(8)步的步骤，最终得到符合工区实际地下地质状况、满足研究需要的地质体三维模型：建模工区的地下地质状况通常是非常复杂的，由多个特殊地质体组合构成，重复进行第(1)至第(8)步骤，得到不同特殊地质体的三维模型，对他们进行组合，得到最终满足要求的结果模型如图7所示，直接用于有限差分法正演模拟。

本发明的方法工作步骤详细如下：

(1)、优选所要建立的火山岩体对应的地震成果剖面，同时确定能反映该火山体的地震属性，并优选地震属性切片：首先确定建立三维地质体所参考的地震成果剖面，然后选取一种可以较好反映所建立地质体的地震属性，求取地震成果数据对应的这种地震属性体，在建模工区对应的地震属性体中优选可以较好反映参考地震成果剖面中地质体的地震属性切片。地震成果剖面和地震属性切片优选的原则：能清晰反映火山岩的基本形态；能方便刻画火山岩的基本形态。

(2)、刻画喷发相火山体顶面和底面形态分别对应的主视图：喷发相的火山体在地震成果剖面中有较好的反映，基于图形学理论，利用绘图软件可以完整地刻画其形态，同时将顶底面以下的部分用白色填充，将顶底面之上的部分用黑色填充，根据图形学知识，则该火山体的顶底面对应的主视图也用像素多少的变化表征了火山体的高程变化。地震剖面刻画的原则：充分结合地质认识、结合属性切片资料、结合已有的测井资料、能比较准确地反映火山岩相态的基本形态、利于火山岩相态模型的建立。

(3)、根据火山体顶面和底面对应的主视图确定火山体顶面和底面高程与火山体的空间横向展布之间的函数关系。

图像转换为数字之后，由图像的数据组成可知，任意图像都是用三维数组表示的，提取其中的一维，可知图像中的白色为数字1，而黑色为数字0，其他颜色数值介于0～1之间。因此，第(1)步中用绘图软件刻画得到的火山体顶面和底面主视图相当于得到了此地层顶面用像素表示的带有高程信息的左视图和主视图；更进一步地，通过本步骤的处理可以得到火山体顶面高程和底面高程与火山体的横向展布x之间的函数关系h₁和h₂：

把图像对应的矩阵的每一列相加之后，可以得到该函数关系。这里就充分体现了图形学的便利之处，可以用图像的方式简单地解决求取复杂曲线的函数关系的难点，而直接得到函数关系的离散形式。

(4)、基于地震属性切片刻画喷发相火山体形态对应的俯视图。步骤(1)中优选的地震属性切片可以较好反映参考地震成果剖面中地质体某一高程处的平面分布范围，利用绘图软件可将这种分布详细刻画，同时为了明确区分，将火山岩体分布范围内的部分用白色填充，将之外的部分用黑色填充。同步骤(3)基于图形学理论，可以将此俯视图数值化，即得到火山岩体分布范围内的部分数值为1，范围外的部分数值为0，同时这里假设所有高程对应的地质体在平面分布范围的最大与最小边界分别为l₁和l₂。

(5)、根据步骤(4)中得到的火山岩体的俯视图进行二维线性内插值，确定火山岩体的空间分布范围与平面坐标之间的对应关系。步骤(4)中刻画得到的喷发相火山地质体平面分布范围仅仅是步骤(3)中某一个高程对应的分布范围，要得到步骤(3)中不同高程对应的火山岩体分布范围，需要对步骤(4)中最大边界l₁和最小边界l₂之间的部分进行二维网格点线性插值，即若插值函数P(x,y)关于x,y均为线性，则对被插值函数f(x,y)进行二元Taylor展开。对于待插值点(x,y)，设x_i＜x≤x_i+1，y_i＜y≤y_i+1，在点(x_i,y_i)处展开：

其中Δx＝x-x_i，Δy＝y-y_i

展项中高阶项只取线性项，并利用向前差商代替导数便可以得到：

得到火山体的空间分布范围f_Ω与平面坐标(x,y)之间的对应关系：

(6)、结合步骤(3)确定的火山体顶底面高程与火山体空间横向展布之间的函数关系h_i(x)以及步骤(5)确定的火山体的空间分布范围与平面坐标之间的对应关系f(x,y)通过插值的方法确定火山体顶面和底面的高程与平面坐标之间的函数对应关系g_Ω：

此处假设A＝f_Ω(x,y)，B＝h_i(x)i＝1,2N为B的总点数，在这里定义如下的插值方式A·B

A·B＝B([N*A]+1) (6)

其中[*]代表取整运算。

(7)、基于工区内所有测井数据，统计相同岩性的速度、密度属性参数的分布及其均值，同时用回归分析方法拟合速度和密度属性参数之间的统计关系。通过对测井数据统计分析，可以得到各个属性参数的统计信息，同时可以通过回归分析的方法(对于测井属性来讲一般满足线性关系，运用一元线性回归分析方法)得到各属性参数之间的统计关系。

一元线性回归中估计的回归方程为

其中：是估计的回归直线在y轴上的截距，是直线的斜率，它表示对于一个给定的x的值，是y的估计值，也表示x每变动一个单位时，y的平均变动值。根据最小二乘法，可得求解和的公式如下：

(8)、根据建模工区的实际情况，首先确定速度或密度属性参数值，再根据统计关系确定密度或速度属性参数值，在火山岩地质体的顶底界面之间填充相应属性参数，得到该特殊地质体对应的三维地质体数值模型。

(9)、对不同的特殊地质体重复以上步骤，最终得到符合工区实际地下地质情况、满足研究需要的地质体三维模型。建模工区的地下地质状况通常是非常复杂的，由多个特殊地质体组合构成，得到不同特殊地质体的三维模型，对它们进行组合，各部分速度填充的先后顺序模拟模型的形成过程来实现，得到最终满足要求的结果模型，直接用于有限差分法正演模拟。

应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。