SKUA基巖三維地質(zhì)建模

陳文杰

（天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191）

SKUA基巖三維地質(zhì)建模

陳文杰

（天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191）

摘 要：以天津平原地區(qū)某個工區(qū)為例，介紹了三維地質(zhì)模型建模的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，SKUA建模的流程以及模型分析，共使用28條斷層，6個地層的地質(zhì)構(gòu)造圖，3條地質(zhì)剖面構(gòu)建了地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，表明SKUA建模是高效的和實(shí)用的。

關(guān)鍵詞：SKUA；三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型；斷層模型；地層模型；GIS

0　引言

2014年3月筆者有幸參加了有中國地質(zhì)科學(xué)院舉辦的SKUA（GoCad）技術(shù)培訓(xùn)，Paradigm（帕拉代姆）公司在培訓(xùn)會上釋放為期3個月的試用版軟件。鑒于當(dāng)時正在承擔(dān)天津三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型建設(shè)項(xiàng)目，在學(xué)習(xí)結(jié)束后隨即采用該平臺，在天津某地選擇一塊資料相對比較豐富的工區(qū)，進(jìn)行了三維建模實(shí)驗(yàn)工作，取得了比較滿意的成果。

表1　 地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖主要圖層表

1　建立三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)庫

1.1 數(shù)據(jù)庫內(nèi)容

圖1　 地震地質(zhì)剖面位置圖

數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容包括實(shí)體類數(shù)據(jù)和要素類數(shù)據(jù)，實(shí)體類數(shù)據(jù)主要是鉆孔基本情況表、鉆孔地層描述表等。要素類數(shù)據(jù)為GIS空間圖層數(shù)據(jù)，主要有地層數(shù)據(jù)和剖面數(shù)據(jù)。其中地層數(shù)據(jù)包括主要地質(zhì)時代的地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖和地層等高線。剖面數(shù)據(jù)包括地層和斷層以及鉆孔柱等。

（1）地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖主要圖層

地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖主要圖層如表1所示。

（2）剖面圖

剖面圖共有3條，分別為北東方向的PM-107、北西方向的PM-311、PM-314（圖1～圖4）。

圖2　 PM-107二維測線地質(zhì)剖面圖

圖3　 PM-311二維測線地質(zhì)剖面圖

圖4　 PM-314二維測線地質(zhì)剖面圖

1.2 形成三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入數(shù)據(jù)

（1）邊界數(shù)據(jù)

SKUA接受點(diǎn)數(shù)據(jù)集文件、DXF格式文件等多種格式的文件。本例采用DXF格式。

（2）地層數(shù)據(jù)

地層數(shù)據(jù)實(shí)際上是地層的等高線數(shù)據(jù)，SKUA接受DXF格式的文件，也接受XYZ文件、Column-based File等點(diǎn)數(shù)據(jù)集文件?？梢詫apgis的線文件轉(zhuǎn)成DXF格式文件，也可以將Mapgis的線文件轉(zhuǎn)成明碼格式形成點(diǎn)數(shù)據(jù)集文件。本例采用XYZ文件。

（3）斷層數(shù)據(jù)

SKUA接受XYZ文件、Column-based File等點(diǎn)數(shù)據(jù)集文件，也接受格式繁多的文件。本例采用XYZ文件。通過在斷層線上采樣并根據(jù)等高線賦值的辦法形成點(diǎn)數(shù)據(jù)集。具體步驟是，首先在斷層線上標(biāo)記點(diǎn)；建立標(biāo)記點(diǎn)文件；添加點(diǎn)屬性結(jié)構(gòu)，增加“X、Y、Z”字段；根據(jù)采樣點(diǎn)位置信息以及地層等高線信息填寫“X、Y、Z”；將點(diǎn)文件屬性轉(zhuǎn)成文本格式。

（4）鉆孔數(shù)據(jù)

主要包括“Paths”、“Markers”、“Paths and logs”等內(nèi)容，其中Paths主要是位置信息；Markers主要是鉆孔所遇到的地層和斷層的空間分布信息；Paths and logs 則為測井曲線等方面的信息。

A、WellPaths

將ACCESS數(shù)據(jù)庫中的鉆孔數(shù)據(jù)，通過建立選擇查詢挑選SKUA需要的字段導(dǎo)出轉(zhuǎn)成文本格式。列標(biāo)題為“Wellname、 X、 Y、 Z、 MD”， 即鉆孔名稱、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、Z坐標(biāo)、埋深。因?yàn)楸纠裏o井斜數(shù)據(jù)可以較容易地實(shí)現(xiàn)，每個鉆孔兩條記錄，第一條記錄為地面埋深，第二條記錄為鉆孔底部埋深。文件命名為WellPaths。

B、Markers

將ACCESS數(shù)據(jù)庫中的地層數(shù)據(jù)，通過建立選擇查詢挑選SKUA需要的字段導(dǎo)出轉(zhuǎn)成文本格式。列標(biāo)題為“Wellname、MD、Markers”即鉆孔名稱、標(biāo)記點(diǎn)埋深、地層（或斷層）名稱。

SKUA接受XYZ文件、Column-based File等點(diǎn)數(shù)據(jù)集文件，以及其他格式的文件。本例采用Column-based File格式。

1.3 剖面數(shù)據(jù)的利用

為了使剖面數(shù)據(jù)更好的約束地層結(jié)構(gòu)模型。通過設(shè)置虛擬鉆孔的辦法將剖面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成鉆孔數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理后與鉆孔數(shù)據(jù)合并，方法如下：

（1）設(shè)置虛擬鉆孔

在平面圖以兩條剖面交線為中心，以剖面線為基線向兩側(cè)造平行線，間距500m，確定虛擬鉆孔的空間位置，可以形成Wellparts數(shù)據(jù)。

（2）虛擬鉆孔與剖面的空間分析

利用虛擬鉆孔中心線文件和剖面區(qū)文件做線對區(qū)的交集分析，可以編輯形成Markers數(shù)據(jù)。

2　地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 建立項(xiàng)目

（1）新建項(xiàng)目

（2）選擇建模模塊

（3）設(shè)置計量單位

2.2 導(dǎo)入數(shù)據(jù)

（1）導(dǎo)入邊界

（2）導(dǎo)入地層數(shù)據(jù)

導(dǎo)入地層數(shù)據(jù)后，隨機(jī)賦以顏色，用戶可以修改顏色。

（3）導(dǎo)入斷層數(shù)據(jù)

導(dǎo)入斷層數(shù)據(jù)后，隨機(jī)賦以顏色，用戶可以修改顏色。

（4）導(dǎo)入鉆孔數(shù)據(jù)

包括導(dǎo)入鉆孔Paths和Marker數(shù)據(jù)， 導(dǎo)入鉆孔Marker數(shù)據(jù)后屏幕顯示如圖5所示。

圖5　 導(dǎo)入數(shù)據(jù)后的鉆孔Marker顯示

（5）建立地層柱

確定地層柱按照下圖操作，下圖右側(cè)的選項(xiàng)是地層接觸關(guān)系選項(xiàng)可以選擇“conformable”、“eroded”、“uncoformable”等，本例3層選擇“eroded”即剝蝕（圖6），2層和3層之間為不整合接觸。

2.4 建模工作流程

（1）選擇地層數(shù)據(jù)

在“Select horizon data”選項(xiàng)框中，選擇已經(jīng)建立的地層柱。在“Wells”選項(xiàng)框中，利用下拉按鈕選擇全部鉆孔。

圖6　 建立地層柱

（2）選擇斷層數(shù)據(jù)

圖7　 斷層分類

（3）確定工作區(qū)范圍

按照流程，選擇第一項(xiàng)“From data bounding box”，即按照導(dǎo)入的數(shù)據(jù)邊界計算模型邊界。

（4）建立斷層網(wǎng)絡(luò)-斷層面模型建立

1）Horizons 選項(xiàng)：選擇全部地層；

2）Fault選項(xiàng)：選擇全部斷層；

3）Smooth選項(xiàng)：中等；

4）其他選項(xiàng)選擇系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)，提供的缺省數(shù)據(jù)，可以根據(jù)情況進(jìn)行修改。

圖8　 初始斷層網(wǎng)絡(luò)

圖9　 斷層編輯對話框之一

圖10　 斷層編輯對話框之二

（5）建立地層模型-層面模型建立

1）首先進(jìn)行地層和斷層的選取，可以選取全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)。（圖12）

2）清除異常地層數(shù)據(jù)（可選項(xiàng)）

a.地層和斷層相鄰處的編輯；

圖11　 經(jīng)過編輯以后的斷層網(wǎng)絡(luò)

圖12　 地層模型

b.地層之間相交處的編輯；

c.通過模型匹配的程度進(jìn)行統(tǒng)計評估。

由系統(tǒng)計算出數(shù)據(jù)擬合的統(tǒng)計量，包括最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等，并繪制出正態(tài)分布圖、累計概率分布圖。（圖13）。

圖13　 地層數(shù)據(jù)匹配情況統(tǒng)計圖

3）預(yù)覽和重建地層模型

（6）匹配井地層數(shù)據(jù)-井分層約束地層以及斷層

1）檢查鉆孔標(biāo)記數(shù)據(jù)與模型的匹配

2）查詢鉆孔標(biāo)記數(shù)據(jù)的質(zhì)量（可選項(xiàng)）

鉆孔與地層和斷層之間關(guān)系的分析數(shù)據(jù)詳見圖14。

圖14　 鉆孔與地層和斷層之間關(guān)系的分析

（7）檢查斷層數(shù)據(jù)-修改斷層之間的接觸關(guān)系

1）顯示斷層位移

逐條檢查斷層，繪制統(tǒng)計曲線。可以進(jìn)一步編輯斷層數(shù)據(jù)，直到滿意為止。

2）改善地層和斷層的聯(lián)接

使用“Redraw”、“Translate”工具進(jìn)行編輯，使用“Rashape surface”重新生成面。

（8）檢查地層數(shù)據(jù)的厚度和體積

1）抽取地層切片

可以分別對某一地層進(jìn)行抽取，用戶可觀察某一地層垂向變化。

2）計算地層厚度

3）分層計算地層體積

可以計算地層體積，計算結(jié)果可以是單層的，也可以是多層累積的。

（9）建立地質(zhì)模型網(wǎng)格

建立地質(zhì)模型網(wǎng)格需要確定平面分辨率和確定垂向分辨率，本例選擇131×103×81，平面間距150m，根據(jù)地層的重要程度可以分別設(shè)置垂向地層切片，累計81個切片。

地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型用兩種形式表示，其一，地質(zhì)塊體結(jié)構(gòu)模型（圖15），其二，地質(zhì)模型交叉剖面（圖16）。SKUA系統(tǒng)具有動態(tài)顯示交叉剖面的功能，當(dāng)一條剖面固定不動，另一條剖面沿著與第一條剖面近乎正交的方向等間距的移動，用戶可以觀察地層斷層的變化情況。

圖15　 地質(zhì)結(jié)構(gòu)塊體模型

圖16　 地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的交叉剖面

（10）三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型分析1）按照指定的鉆孔進(jìn)行剖切

按照鉆孔位置進(jìn)行剖切的要點(diǎn)是按照鉆孔的順序，可形成剖面圖（圖17），將模型切割剖面和原始圖對比，可以發(fā)現(xiàn)相似程度較高，說明模型基本反映了原始數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，建模是成功的。

圖17　 剖面_314圖

2）轉(zhuǎn)成三維剖面

利用“send to 3D”功能，轉(zhuǎn)換成可以在三維環(huán)境下瀏覽的三維剖面圖（圖18）。

圖18　 三維立體剖面圖

3）在地質(zhì)模型上任意剖切

在屏幕模型呈俯視狀態(tài)，用鼠標(biāo)畫線，可以沿任意方向切割，獲取切片。

4）制作柵格圖

通過設(shè)置X、Y方向剖分切片的間距，可以編制多條剖面然后同時顯示三維立體效果，見圖19。

圖19　 模型剖切柵格圖

5）等值線制作

平面制圖的數(shù)據(jù)源選項(xiàng)較多，可以制作建模所需要的任意等值線圖。

3　結(jié)論

3.1 SKUA建模方法的特點(diǎn)

（1）采用工作流驅(qū)動建模，使初學(xué)者在向?qū)е敢峦瓿山?，上手較快。

（2）自動處理斷層交接、地層之間的不整合等有獨(dú)到之處，工具快捷方便，效果良好。

（3）把數(shù)理統(tǒng)計學(xué)融入建模各個環(huán)節(jié)，隨時可以對當(dāng)前的任務(wù)完成進(jìn)行評價，將評價結(jié)果以統(tǒng)計圖表以及文字報告的的形式呈現(xiàn)。

（4）建模效率較高，在數(shù)據(jù)詳實(shí)可靠整理到位的情況下，20至30條斷層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，半天之內(nèi)可以完成。

（5）在工作流驅(qū)動過程中，隨時提示潛在的問題，按照程度不同，有的是警告性的、有的是較危險的、有的是致命的，提示用戶修改。容錯程度較好。

（6）數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出接口文件格式豐富，利于利用已有的成果。

3.2 SKUA平臺可以完成復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建

本例共使用了28條斷層，6個地層的地質(zhì)構(gòu)造圖，3條地質(zhì)剖面構(gòu)建了地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。地層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，中生界以下的地層與新生界地層不整合接觸，斷層在空間的變化千姿百態(tài)。SKUA利用工作流程驅(qū)動模型構(gòu)建，按照步驟執(zhí)行任務(wù)，系統(tǒng)提供了幫助提示，有助于用戶解決問題，并對建模過程中地層與地層、地層與斷層、鉆孔與地層、鉆孔與斷層之間的關(guān)系以圖表報告等多種進(jìn)行評估，高效地完成三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建。通過剖切剖面與原始數(shù)據(jù)剖面的對比相似度高，說明模型的建立獲得成功。

3.3結(jié)合GIS以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)加快了建模速度

本項(xiàng)目形成了建模完整的空間數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)庫的查詢統(tǒng)計功能、GIS與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出功能可以形成建模所需的全部導(dǎo)入數(shù)據(jù)。利用GIS平臺編輯功能可以方便的反復(fù)修改編輯斷層數(shù)據(jù)、地層數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)。結(jié)合GIS以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)加快建模速度，為今后構(gòu)建天津市整體三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

3.4GIS的空間分析方法增加模型的可信度

由于缺少鉆孔數(shù)據(jù)，采用GIS空間分析的方法，將剖面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成虛擬鉆孔數(shù)據(jù)，對三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行約束，使得建成的模型切割剖面與初始解譯模型的原始剖面基本吻合，增加建模成果的可靠性和可信度。

3.5 地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型建模的關(guān)鍵

建模需要詳實(shí)可靠的地質(zhì)數(shù)據(jù)；需要建模人員有較好的地學(xué)基礎(chǔ)知識，三維空間想象能力、豐富的數(shù)據(jù)庫和地理信息系統(tǒng)工作經(jīng)驗(yàn)、對建模實(shí)體研究的深入透徹；需要三維建模軟件具有強(qiáng)大的功能。三者缺一不可，在前兩者條件具備的條件下，三維建模軟件平臺成為建模的關(guān)鍵。

SKUA功能強(qiáng)大，可謂博大精深，但是由于SKUAGOCAD為英文版軟件，要求使用者具有一定的英語水平，對于在我國地學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用會有一定的影響，期待不久的將來SKUA-GOCAD漢化版問世。

本文采用的地震解譯地質(zhì)圖以及剖面圖由中國石油大港石油分公司提供，本次建模得到帕拉代姆公司中國區(qū)李菊紅講師的指導(dǎo)，天津市地質(zhì)調(diào)查研究院高俊杰、劉威、焦陽參與數(shù)據(jù)處理工作，在此一并表示衷心感謝。

參考文獻(xiàn)

［1］劉 騰、王 華、張勁超、趙晨露.北京及其附近地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)三維可視化建模研究.長江大學(xué)學(xué)報（自科版）.2013（10）.

［2］鄭應(yīng)釗、劉國利、馬彩琴、李緒濤.多條件約束地質(zhì)建模技術(shù)在青西油田裂縫性油藏中的應(yīng)用.油氣地質(zhì)與采收率.2011（3）.

中圖分類號：P62，TP39

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1007-1903（2015）02-0072-07

作者簡介：陳文杰（1949- ），男，正高級職稱，從事地理信息系統(tǒng)研究以及GIS在水工環(huán)應(yīng)用。E-mail:Tjddy@sina.com

Three Dimensional Geologic Modeling of SKUA Bedrock

CHEN Wenjie

（Tianjin Institute of Geological Survey， Tianjin 300191）

Abstract:This paper takes a case study of a factory in Tianjin plain area， introduces data preparation of three dimensional geologic modeling， flow processes and model analysis of SKUA modeling. The established geological model involves 28 faults， 6 sets of strata in the geological structural maps， 3 geological sections. As a result， the SKUA modeling is of effi cient and practical.

Keywords:SKUA； Three dimensional geologic model；Fault model；Stratigraphic models；GIS