油藏體數(shù)模綜合展示技術(shù)研究

張 巖，聶永丹，趙建民，侯俊龍，何文杰

(東北石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

雖然當(dāng)前Eclipse等主流的油藏?cái)?shù)值模擬軟件能夠?qū)崿F(xiàn)油藏可視化，但缺點(diǎn)是不能根據(jù)用戶需要讀取其他類別的勘探開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)，因此深入研究油藏?cái)?shù)值模擬數(shù)據(jù)的精細(xì)展示，不但能直觀表達(dá)油藏儲(chǔ)量信息演變過(guò)程、迅速展示所關(guān)心區(qū)域下的油藏?cái)?shù)據(jù)，而且可以擴(kuò)展加載用戶所需的額外地質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)綜合展示。應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維可視化技術(shù)，把油氣勘探開(kāi)發(fā)中的大量地質(zhì)對(duì)象及數(shù)據(jù)和油藏?cái)?shù)值模擬結(jié)果數(shù)據(jù)以三維的方式進(jìn)行集成展示，使地質(zhì)工程師能更直觀地了解目標(biāo)區(qū)塊的各種地質(zhì)狀況和儲(chǔ)量信息，從而為石油勘探開(kāi)發(fā)提供更好的決策支持［1］。

目前應(yīng)用比較廣泛的三維圖形開(kāi)發(fā)軟件包主要有OpenGL和Open Inventor等。采用 OpenGL圖形庫(kù)進(jìn)行三維圖形開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)是，它的函數(shù)功能復(fù)雜多樣，不易在短時(shí)間內(nèi)掌握，要想生成效果較好的三維地層需要對(duì)圖形的投影、顏色、紋理、光照等方面進(jìn)行繁瑣設(shè)置，編碼量大。Open Inventor是目前世界上使用最廣泛的面向?qū)ο蟮睦L圖軟件接口，允許用戶通過(guò)搭積木的方式構(gòu)建復(fù)雜的三維場(chǎng)景，使得用戶只需花費(fèi)很少的時(shí)間就可以構(gòu)造出復(fù)雜的三維場(chǎng)景［2］。因此使用 Open Inventor三維可視化技術(shù)，可以快速、簡(jiǎn)捷地生成三維地層模型，再結(jié)合多種交互和查詢手段，讓地質(zhì)研究人員和決策人員直觀掌握地層及儲(chǔ)量信息。

1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 Pillar模型數(shù)據(jù)描述

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主流的油藏?cái)?shù)模軟件是斯倫貝謝公司的Eclipse，模型中包括的網(wǎng)格數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)采用的數(shù)據(jù)格式主要是一種柱狀(pillar)模型，如圖1所示，其組織方式是一種點(diǎn)線結(jié)構(gòu):模型中i，j坐標(biāo)相同且處于不同位置處所有網(wǎng)格同一方位的棱邊位于一條直線上，其中100網(wǎng)格的“100－101”棱邊和101網(wǎng)格的“100－101”棱邊在三維空間內(nèi)共線［3］。

由數(shù)據(jù)體中給出的(nx+1)(ny+1)個(gè)頂?shù)c(diǎn)三維坐標(biāo)對(duì)，構(gòu)成(nx+1)(ny+1)個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)，共同組成目標(biāo)油藏的柱狀模型。根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)格的i、j編號(hào)，可以計(jì)算出該網(wǎng)格棱邊所在線段頂?shù)c(diǎn)坐標(biāo)序號(hào)。利用Eclipse軟件輸出每個(gè)網(wǎng)格8個(gè)角點(diǎn)的z坐標(biāo)，根據(jù)目標(biāo)網(wǎng)格 i、j、k編號(hào)，可以計(jì)算出該網(wǎng)格角點(diǎn)z坐標(biāo)的序號(hào)。根據(jù)目標(biāo)網(wǎng)格某一方位棱邊所在線段頂?shù)c(diǎn)的三維坐標(biāo)和該棱邊某角點(diǎn)的z坐標(biāo)，就可以計(jì)算出該角點(diǎn)的三維坐標(biāo)。于是可以求解出每個(gè)網(wǎng)格所有角點(diǎn)坐標(biāo)。按照i、j、k的順序輸出網(wǎng)格的屬性值和有效性數(shù)據(jù)。根據(jù)網(wǎng)格i、j、k編號(hào)，可以獲取當(dāng)前網(wǎng)格所對(duì)應(yīng)屬性數(shù)據(jù)以及有效性數(shù)據(jù)的索引值。

1.2 數(shù)模結(jié)果文件格式分析

油藏?cái)?shù)值模擬模型數(shù)據(jù)可分為文本格式和二進(jìn)制格式2大類，文本格式的文件，其格式易于解析，二進(jìn)制格式的文件不利于閱讀，但計(jì)算機(jī)讀寫速度快，占用更少的存儲(chǔ)空間。所以需要對(duì)2種格式的文件都進(jìn)行分析，在程序調(diào)試階段使用文本格式文件比較方便，在示范應(yīng)用時(shí)使用二進(jìn)制格式，以得到真正的數(shù)模標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和更好的運(yùn)行性能。

1.2.1 GRDECL 文本文件格式解析

油藏?cái)?shù)值模擬主要利用Petrel建模軟件建立的靜態(tài)模型，其地層模型文件是保存在*.grdecl的三維場(chǎng)數(shù)據(jù)，其中包括網(wǎng)格定義和每個(gè)網(wǎng)格的屬性值。*.grdecl文件主要分為文件基本信息、文件內(nèi)容格式信息以及文件數(shù)據(jù)等。文件數(shù)據(jù)分為地質(zhì)體頂?shù)鬃鴺?biāo)、各單元格結(jié)點(diǎn)的深度Z值、單元格有效信息和各單元格屬性值(通常可能包含孔隙度、厚度凈毛比以及三個(gè)方向的滲透率等靜態(tài)屬性信息)。

1.2.2 二進(jìn)制文件格式解析

油藏?cái)?shù)值模擬模型二進(jìn)制格式文件可以在E-clipse軟件中使用關(guān)鍵字進(jìn)行定制輸出，輸出文件一般包括以下三個(gè)文件:

(1)*.GRID文件(*.EGRID文件):存儲(chǔ)網(wǎng)格的相關(guān)信息。

(2)*.INIT文件:屬性文件，存儲(chǔ)孔隙度、不同方向的滲透率以及NTG等靜態(tài)屬性。

(3)*.UNRST文件(*.X0000):重啟文件。記錄各種動(dòng)態(tài)屬性結(jié)果，如:含油飽和度、壓力等數(shù)據(jù)。其中，*.UNRST文件中包含所有時(shí)間步的屬性信息，而*.X0000文件可以分時(shí)間步進(jìn)行輸出，一個(gè)文件僅僅存儲(chǔ)一個(gè)時(shí)間步的屬性數(shù)據(jù)。

Eclipse的二進(jìn)制文件由許多個(gè)塊組成，每個(gè)塊由1個(gè)關(guān)鍵字塊和0～n個(gè)數(shù)據(jù)塊組成，文件存儲(chǔ)格式是通過(guò)巴恩斯范式實(shí)現(xiàn)［4］。

1.3 用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)解析

除了常用數(shù)模軟件輸出的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)外，根據(jù)用戶不同的業(yè)務(wù)需求，實(shí)際應(yīng)用中還可能用到某些特定結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。為了提高擴(kuò)展性，降低模塊之間耦合度，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，將每一類用戶數(shù)據(jù)的文件格式解析和展示交互分別封裝成一個(gè)類，來(lái)解析和展示此類文件數(shù)據(jù)，最后整合在一個(gè)三維可視化框架中，提供油藏的綜合展示，總體框架設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

2 油藏體模型三維展示

針對(duì)油藏?cái)?shù)值模擬數(shù)據(jù)模型是由許多個(gè)不規(guī)則六面體構(gòu)成角點(diǎn)網(wǎng)格的特點(diǎn)，本文采用Open Inventor中MeshViz XLM模塊實(shí)現(xiàn)三維體數(shù)據(jù)的展示。角點(diǎn)網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系由MbHexahedron TopologyExplicitIjk類型對(duì)象進(jìn)行組織，MiGeometryI類型對(duì)象存儲(chǔ)和管理網(wǎng)格幾何信息。建立的網(wǎng)格模型由MoMesh類型對(duì)象存儲(chǔ)并在場(chǎng)景中顯示，其中包括地層數(shù)據(jù)屬性信息的表達(dá)，模型屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MoScalarSetIJK類型的對(duì)象中，按照Mo-DataBinding類型指定的方式進(jìn)行材質(zhì)的綁定，再由MoLinearColorMapping類型對(duì)象進(jìn)行渲染。Open Inventor中對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行材質(zhì)綁定有兩種方式，PER_CELL和PER_NODE，本文選用前者將屬性值綁定到網(wǎng)格進(jìn)行渲染，因?yàn)榈貙幽Ｐ偷膶傩孕畔⑹前疵總€(gè)網(wǎng)格給定的，三維場(chǎng)景的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。對(duì)地層模型按某種屬性類別進(jìn)行的顯示是可選擇的，用戶可以通過(guò)點(diǎn)擊窗口下方的checkbox控件選擇加載選項(xiàng)，利用slider控件可以控制顯示的層位或數(shù)值界限，通過(guò)交互用戶可以查看任意單元的各屬性值以便于實(shí)時(shí)查看某油田某區(qū)塊中的數(shù)值模擬結(jié)果。數(shù)據(jù)中含水飽和度參數(shù)描述了區(qū)塊模型中各個(gè)網(wǎng)格數(shù)據(jù)塊含水所占的比重情況，是一個(gè)比較關(guān)鍵的參數(shù)，本文以含水飽和度參數(shù)為例來(lái)說(shuō)明模型三維展示情況。通過(guò)顏色映射的程度就可以查看含水的程度，數(shù)模參數(shù)含水飽和度展示結(jié)果如圖4所示。其中顏色為紅色的網(wǎng)格說(shuō)明含水程度比較高，反之顏色為藍(lán)色的網(wǎng)格說(shuō)明含水程度比較低，可以推知含油程度較高。

圖3 三維場(chǎng)景結(jié)構(gòu)

圖4 含水飽和度三維展示

3 ROI區(qū)域與切片設(shè)置

當(dāng)目標(biāo)油藏范圍較大時(shí)，行業(yè)專家可能會(huì)更加關(guān)注其中部分區(qū)塊或者特定屬性范圍內(nèi)的網(wǎng)格分布情況。為此，設(shè)計(jì)一種數(shù)據(jù)體ROI區(qū)域設(shè)置和切片展示方案。根據(jù)目標(biāo)區(qū)塊在I、J、K方向上的起始和終止坐標(biāo)設(shè)定所關(guān)心的屬性區(qū)間，將Mi-Hexahedron Topology ExplicitIjk中相應(yīng)區(qū)域的設(shè)置為有效區(qū)域，其他區(qū)域設(shè)置為無(wú)效。ROI區(qū)域選擇和切片設(shè)置使用MoCellFilter類型對(duì)象設(shè)定，使用MoCellFilter對(duì)象前要先用setCellFilter函數(shù)指定MiCellFilterIjk類型對(duì)象的參數(shù)，該對(duì)象必須實(shí)現(xiàn)acceptCell接口以用來(lái)設(shè)置感興趣區(qū)域過(guò)濾條件，將不在目標(biāo)區(qū)塊范圍內(nèi)的網(wǎng)格設(shè)定為無(wú)效網(wǎng)格，屬性不在所關(guān)心區(qū)間內(nèi)的網(wǎng)格設(shè)定為無(wú)效網(wǎng)格［5］。用戶通過(guò)窗口下方的“ROI數(shù)據(jù)區(qū)域選擇”選項(xiàng)卡面板，選擇“啟用ROI”選項(xiàng)，然后選擇沿x軸方向10層到70層，沿y軸方向10層到70層，沿z軸方向10層到15層，數(shù)據(jù)值范圍在0.1到0.9之間的區(qū)域展示，如圖5所示。

圖5 ROI展示

3.1 ROI區(qū)域設(shè)置

將油藏體中網(wǎng)格數(shù)據(jù)根據(jù)坐標(biāo)條件和數(shù)據(jù)值范圍設(shè)定感興趣區(qū)域，消隱所有坐標(biāo)和數(shù)據(jù)范圍不符合條件的無(wú)效網(wǎng)格后，屏幕上展示的區(qū)塊即為感興趣區(qū)塊，感興趣區(qū)域設(shè)置關(guān)鍵代碼如下:

3.2 邏輯切片

在實(shí)現(xiàn)acceptCell接口時(shí)，通過(guò) x、y、z坐標(biāo)來(lái)限制過(guò)濾條件，將不在目標(biāo)坐標(biāo)層范圍的網(wǎng)格設(shè)定為無(wú)效網(wǎng)格，即可實(shí)現(xiàn)沿3個(gè)方向的切片功能，關(guān)鍵代碼如下。

3.3 任意角度切片

SoClipPlaneManip操縱器可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)體的簡(jiǎn)單切片交互操作，SoClipPlaneManip利用其內(nèi)部的SoJackDragger拖拽器來(lái)移動(dòng)切片，SoClip-PlaneManip從SoClipPlane類派生，具有一般操縱器的功能，其本身的數(shù)據(jù)成員和繼承的拖拽器可以一致工作。利用SoClipPlaneManip節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)沿坐標(biāo)軸方向的旋轉(zhuǎn)任意角度的切片功能。

用戶通過(guò)窗口下方的“模型體瀏覽”選項(xiàng)卡面板，設(shè)置沿x軸方向第30層，沿y軸方向第29層，沿z軸方向第8層，和沿z軸方向旋轉(zhuǎn)35度角的切片展示，如圖6所示。

圖6 切片展示

4 色譜自定義

為有效區(qū)分不同網(wǎng)格的動(dòng)靜態(tài)參數(shù)屬性，需要根據(jù)某種屬性的數(shù)值范圍動(dòng)態(tài)映射顏色值，實(shí)現(xiàn)的方法可以采用系統(tǒng)預(yù)定義的映射方式和用戶自定義的方式兩種，前者是將每個(gè)屬性值映射到預(yù)定義的PredefColorMapping類型映射方式，這種方式的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無(wú)需用戶干預(yù)［6］。但缺點(diǎn)是在某些情況下屬性的顏色值分布的不靈活，用戶修改顏色分布情況難度大。例如，對(duì)于含水飽和度的網(wǎng)格顏色的表達(dá)與其他參數(shù)有所不同，含水飽和度越高表示其含油越少，反之含油越多，此時(shí)若采用紅色代表含水飽和度大的話與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值模擬軟件習(xí)慣不一致，而且石油行業(yè)上也通常使用紅色來(lái)表示含油高的網(wǎng)格，因此為實(shí)現(xiàn)用戶可以自定義不同的顏色映射模式，設(shè)置數(shù)據(jù)體某些屬性的顏色表示方式，通過(guò)顏色圖例給用戶以直觀的屬性表達(dá)，以及根據(jù)參數(shù)屬性的含義能夠自動(dòng)變換顏色分布，以滿足用戶使用習(xí)慣，采用MoLinearColorMapping映射方式，實(shí)現(xiàn)了一種用戶自定義的圖例范圍及映射方式的動(dòng)態(tài)設(shè)定。在mylegend類中提供一個(gè)供外部模塊調(diào)用的public方法setmapvalue，該方法通過(guò)傳入數(shù)據(jù)范圍參數(shù)min，max來(lái)動(dòng)態(tài)改變數(shù)據(jù)映射范圍，通過(guò)參數(shù)order來(lái)判斷用戶的數(shù)據(jù)映射方式是順序還是倒序，以此改變映射方式。

用戶通過(guò)窗口下方的“模型體瀏覽”選項(xiàng)卡面板，選擇“圖例反轉(zhuǎn)”選項(xiàng)，然后設(shè)置“最大值”為0.900，“最小值”為 0.100，可將含水飽和度參數(shù)數(shù)值從0.1到0.9，對(duì)應(yīng)顏色映射從紅到藍(lán)對(duì)應(yīng)的色譜展示，如圖7所示，因此圖中紅色的網(wǎng)格表示含油程度高，藍(lán)色的網(wǎng)格表示含水程度高，符合數(shù)模領(lǐng)域的使用習(xí)慣。

圖7 自定義色譜展示

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外常用的數(shù)模軟件輸出文件格式進(jìn)行解析，結(jié)合油田勘探開(kāi)發(fā)其他地質(zhì)數(shù)據(jù)，研究油藏體的三維綜合展示與技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)油藏體展示，感興趣區(qū)域設(shè)置，體切片，色譜自定義等交互式功能。為實(shí)現(xiàn)三維資料綜合解釋、地質(zhì)過(guò)程的仿真模擬可視化奠定基礎(chǔ)。

［1］明光春.油藏?cái)?shù)值模擬結(jié)果的三維圖形顯示［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，1999，4:121 －123.

［2］閻鋒欣，候增選，張定華，等.Open Inventor程序設(shè)計(jì)從入門到精通［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［3］白永良，劉展，魏合龍，等.基于Open Inventor油藏四維展示方法研究［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，12(1):94 －98.

［4］申龍斌.油田勘探開(kāi)發(fā)地質(zhì)對(duì)象三維可視化關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.青島:中國(guó)海洋大學(xué)，2010.

［5］田宜平，沈建業(yè).三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害體三維地層可視化實(shí)現(xiàn)［J］.人民長(zhǎng)江，2011，42(5):26 －29.

［6］Guide.Mercury Computer System Inc.Open Inventor6 User’s［Z］.