基于地層約束的三維地質(zhì)屬性模型建設(shè)

周圓心 何晗晗 劉予 何靜

摘? 要：隨著計(jì)算機(jī)建模技術(shù)的發(fā)展以及硬件運(yùn)算水平的提高，計(jì)算機(jī)建模技術(shù)有了顯著的提高，三維地質(zhì)建模技術(shù)越來(lái)越成熟，在建模過(guò)程中已經(jīng)引入了地質(zhì)學(xué)概念。本文以SKUA-GOCAD三維地質(zhì)建模軟件為研究平臺(tái)，介紹了數(shù)據(jù)整理、結(jié)構(gòu)模型建設(shè)、屬性模型建設(shè)的總體思路，重點(diǎn)對(duì)比了基于地層約束的三維屬性模型和區(qū)域整體三維屬性模型的關(guān)聯(lián)和區(qū)別，從插值參數(shù)角度分析了產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因。結(jié)果表明在已完成三維地層結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，基于地層約束建設(shè)屬性模型，是一種提高屬性模型精度的成熟有效的方法。

關(guān)鍵詞：三維建模;屬性模型;分層插值;地層;鉆孔數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：P628;TP391.41? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1007-1903（2019）03-0007-07

Study on the Establishment of 3D Geological Model Attributed

by Stratum Constraints

ZHOU Yuanxin， HE Hanhan， LiuYu， HE Jing

（Beijing Institute of Geological Survey， Beijing 100195）

Abstract： With the advances in computing technologies， 3D modeling has become mature and been widely used， particularly in the field of geology. To provide an insight into the modeling framework， the 3D geological model has been established by Paradigm Skua-GOCAD software. This paper introduces the modeling procedures， including data managing， the 3D-structure model， stratum attribute model， and compares holistic interpolation and layered interpolation based on stratigraphic sequences. The results indicate that stratum constraints are necessary and the associated interpolation is an effective step to improve the accuracy of the achieved attribute model.

Keywords： 3D geological model; geological model attributed by stratum constraints; layered interpolation; strata; borehole data

0? 前言

隨著計(jì)算機(jī)建模技術(shù)的發(fā)展以及硬件運(yùn)算水平的提高，三維地質(zhì)建模技術(shù)越來(lái)越成熟（王亞靜，2016）。依據(jù)建模數(shù)據(jù)源的不同，三維地質(zhì)建模方法主要有以下5種：①鉆孔數(shù)據(jù)建模：直接利用鉆孔分層資料建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，由建模軟件主導(dǎo)完成模型建設(shè);②剖面數(shù)據(jù)建模：對(duì)二維的剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行“立體化”，利用剖面格網(wǎng)通過(guò)人機(jī)交互或建模軟件自動(dòng)完成三維地質(zhì)模型的建設(shè);③三維地震數(shù)據(jù)建模：以地震資料解譯技術(shù)為支撐，采用井震結(jié)合及相控的方法建立三維地質(zhì)模型（張洋洋等，2013）;④屬性數(shù)據(jù)建模：在三維空間中建立格網(wǎng)，利用離散的屬性點(diǎn)作為插值點(diǎn)，按照特定的空間插值算法進(jìn)行空間插值，反映的是地質(zhì)體內(nèi)部的屬性狀態(tài)情況;⑤多源數(shù)據(jù)建模：利用平面圖、鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)、地球物理或地球化學(xué)數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等開展模型建設(shè)，數(shù)據(jù)互補(bǔ)又互為約束對(duì)象，共同協(xié)調(diào)統(tǒng)一，提高了模型的精度。

在三維地質(zhì)模型建設(shè)及應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)油氣勘探領(lǐng)域的應(yīng)用程度最高，有色貴金屬礦山次之，城市地質(zhì)也已經(jīng)起步（李青元等，2016）。在油氣勘探領(lǐng)域，以油藏?cái)?shù)值模擬為例，采用相控條件下的序貫高斯（SGS）算法，建立孔隙度、滲透率、氣飽和度模型，定量描述儲(chǔ)層參數(shù)的空間非均質(zhì)性（王威，2013）;在金屬礦山領(lǐng)域，以銅礦礦床分析為例，建立不同類型的結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)銅品位實(shí)施克立格插值（荊永濱，2010）;在城市地質(zhì)領(lǐng)域，以北京市地鐵9號(hào)線某段為例，將同一土層內(nèi)賦予參數(shù)實(shí)驗(yàn)值并進(jìn)行插值，形成參數(shù)模型（董慧超，2011）;在其他領(lǐng)域，以土壤屬性三維模型建設(shè)為例，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)插值方法，以10cm 為采樣梯度獲取土壤樣本，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田尺度土壤有機(jī)質(zhì)、pH、鈣、鋅的三維模型構(gòu)建和空間分異規(guī)律分析（周四維，2018）。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，以當(dāng)前城市地下空間資源開發(fā)利用主要深度（地下50m）以內(nèi)的地層為研究對(duì)象，選擇北京市平原區(qū)東部約60km2范圍作為研究區(qū)，開展三維結(jié)構(gòu)模型建設(shè)，并以結(jié)構(gòu)模型各個(gè)地層為約束體，逐層進(jìn)行屬性插值，建設(shè)三維地質(zhì)屬性模型，更為精細(xì)的刻畫了該區(qū)域地層屬性的分布形態(tài)。

1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

本次研究工作采用SKUA-GOCAD建模軟件輔助進(jìn)行三維地質(zhì)模型建設(shè)，需按其數(shù)據(jù)格式要求進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。

1.1? 地層數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

研究區(qū)內(nèi)共有15個(gè)鉆孔，深度均為50m左右，結(jié)合以往該地區(qū)工程層剖面資料，對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

參考以往該地區(qū)工程層剖面資料，與本次工作采用的15個(gè)鉆孔進(jìn)行地層比對(duì)校準(zhǔn)，在以往大地層韻律背景下依據(jù)15個(gè)鉆孔的實(shí)際分層情況進(jìn)行校準(zhǔn)，形成本次研究工作的標(biāo)準(zhǔn)分層，標(biāo)準(zhǔn)地層自上而下依次為：填土層（10）、粘質(zhì)粉土層（22）、粉質(zhì)粘土層（23）、粉細(xì)砂層（24）、粘質(zhì)粉土層（32）、粉質(zhì)粘土層（33）、粉細(xì)砂層（34）、粉質(zhì)粘土層（43）以及粉細(xì)砂層（44），標(biāo)準(zhǔn)地層柱狀圖見圖1。

按照建模軟件數(shù)據(jù)格式要求，將15個(gè)鉆孔的分層數(shù)據(jù)拆分，形成鉆孔分層數(shù)據(jù)表。每個(gè)鉆孔分層數(shù)據(jù)表內(nèi)容均有15條，由該層對(duì)應(yīng)的鉆孔分層數(shù)據(jù)構(gòu)成，數(shù)據(jù)表內(nèi)容包括鉆孔編號(hào)、地層代號(hào)、層頂深度、坐標(biāo)。

1.2 屬性數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

對(duì)15個(gè)鉆孔的室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行整理，按照標(biāo)準(zhǔn)化后的地層深度重新分段。如存在土工實(shí)驗(yàn)取樣深度與地層深度交叉的情況，按照如下方式進(jìn)行處理：根據(jù)該地層的頂?shù)装迳疃葘?duì)應(yīng)的土工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段提取，將提取后的土工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照厚度計(jì)算中心點(diǎn)坐標(biāo)Z值（圖2）。

完成屬性數(shù)據(jù)分段后，重新整理數(shù)據(jù)表，按照地層順序?qū)?5個(gè)鉆孔所包含的屬性數(shù)據(jù)整理入庫(kù)，數(shù)據(jù)表內(nèi)容為鉆孔編號(hào)、參數(shù)值、坐標(biāo)。

至此，完成建模所用鉆孔分層數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)的整理、錄入工作。

2 模型建設(shè)

2.1 三維地層結(jié)構(gòu)模型建設(shè)

SKUA-GOCAD建模軟件基于工作流（Workflows）思路進(jìn)行三維模型建設(shè)，地層結(jié)構(gòu)模型建設(shè)過(guò)程與人的思維保持一致?？傮w過(guò)程大致如下：數(shù)據(jù)錄入、地層整理、模型生成、模型調(diào)整完善。

在數(shù)據(jù)錄入階段，主要解決的是建模工作中相關(guān)數(shù)據(jù)的“地質(zhì)定義”，例如定義模型邊界線、定義斷層性質(zhì)等，及所有導(dǎo)入到建模軟件中參與建模的數(shù)據(jù)，都需要定義其本身的地質(zhì)意義。

在地層整理階段，主要解決的問(wèn)題是各個(gè)地層的沉積順序以及各個(gè)地層之間的接觸關(guān)系（圖3）。在該階段還可以在各地層數(shù)據(jù)內(nèi)增加或減少控制點(diǎn)，調(diào)整各個(gè)地層的顏色等。

在模型生成階段，可以調(diào)整模型的精細(xì)度以及平滑程度，還可以通過(guò)軟件自帶的地層檢查功能，檢查每個(gè)參與建模的鉆孔地層一致性（圖4），保證模型的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

在模型調(diào)整完善階段，可以引入控制鉆孔與模型地層比對(duì)，發(fā)現(xiàn)誤差較大的位置可以利用控制鉆孔進(jìn)行修正。因該軟件基于工作流模式，可以便捷的退回地層整理步驟直接在誤差地層上以鉆孔地層為依據(jù)增加控制點(diǎn)，重新執(zhí)行一次建模工作流即可完成模型調(diào)整完善。最終形成的三維地層結(jié)構(gòu)模型見圖5。

2.2 三維地質(zhì)屬性模型建設(shè)

SKUA-GOCAD建模軟件可以在三維地層結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，以地層為約束單獨(dú)在目標(biāo)層內(nèi)進(jìn)行屬性插值，建設(shè)三維地質(zhì)屬性模型。總體步驟可概括為：設(shè)置結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格大小，數(shù)據(jù)分析，變異函數(shù)求取，以及屬性插值。

（1）網(wǎng)格設(shè)置

結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建完成后，根據(jù)不同層位建模精度的要求，選擇性的設(shè)置不同網(wǎng)格密度。

以23層粉質(zhì)粘土為例：平面上，綜合工區(qū)范圍，將網(wǎng)格設(shè)置為20m，與整體保持一致;垂向上，該層厚度平均約4.5m，將網(wǎng)格設(shè)置為0.5m（可據(jù)實(shí)際需求調(diào)整）。據(jù)此，該層所包含的全部網(wǎng)格數(shù)為430×491×9=1900170個(gè)（圖6）。

（2）數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析階段，主要對(duì)原始屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，利用人-機(jī)交互，按照數(shù)學(xué)方法對(duì)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)地層的地質(zhì)學(xué)特點(diǎn)剔除屬性數(shù)據(jù)中的噪點(diǎn)，基于地質(zhì)背景分析屬性數(shù)據(jù)在目標(biāo)層位的總體分布規(guī)律。若數(shù)據(jù)量大且分區(qū)復(fù)雜，可通過(guò)skua gocad平臺(tái)的data and trend analysis板塊實(shí)現(xiàn)分析（圖7），獲取相應(yīng)區(qū)塊（region）的趨勢(shì)，作為后續(xù)插值的約束條件;若數(shù)據(jù)量較少，未劃分或僅有少數(shù)區(qū)塊，可通過(guò)軟件的計(jì)算器等工具欄完成數(shù)據(jù)分析（圖8）。

（3）變異函數(shù)求取

以每個(gè)地層（已完成網(wǎng)格化處理）為約束條件，創(chuàng)建各地質(zhì)體獨(dú)立塊體（region），并將其作為變異函數(shù)求取的約束條件（圖9）。因此，對(duì)同一屬性，每一層位對(duì)應(yīng)不同的變異函數(shù)。需要注意的是，變異函數(shù)的求取并非一蹴而就，需結(jié)合地質(zhì)背景以及模型創(chuàng)建經(jīng)驗(yàn)，不斷試驗(yàn)，直至獲取最符合地質(zhì)認(rèn)知的結(jié)果，插值方法采用克里格法。圖10為23層粉質(zhì)粘土的變異函數(shù)獲取示例。

（4）屬性插值

通過(guò)Reservoir Properties模塊，選擇合適的插值方法與已完成的變異函數(shù)，逐步完成屬性賦值。對(duì)比不同變異函數(shù)的插值結(jié)果，基于地質(zhì)認(rèn)知選擇最優(yōu)者。處理各屬性區(qū)域的顏色、數(shù)據(jù)顯示方式等后，最終完成三維地質(zhì)屬性模型。圖11為本次創(chuàng)建的含水量屬性模型。

3 對(duì)比分析及應(yīng)用

在屬性建模方面，較為傳統(tǒng)的是區(qū)域整體屬性建模方法。該方法不考慮建模工區(qū)的地層分布情況，沒(méi)有在工區(qū)地層內(nèi)逐層約束插值建設(shè)屬性模型，而是利用建模工區(qū)的整體厚度進(jìn)行一次整體插值形成三維屬性模型。這種模型通常是為了展示區(qū)域內(nèi)地質(zhì)屬性整體情況，從宏觀尺度進(jìn)行地質(zhì)分析應(yīng)用，反應(yīng)的是區(qū)域內(nèi)地質(zhì)屬性的分布規(guī)律;而本文提到的基于地層約束的屬性建模，充分考慮地層內(nèi)部地質(zhì)條件特征，以地層為約束，更能反應(yīng)研究區(qū)范圍內(nèi)不同地層的屬性差異。相比于區(qū)域整體屬性模型，基于地層約束的屬性模型更為精細(xì)、更能反應(yīng)地層實(shí)際屬性狀態(tài)，在模型分析應(yīng)用方面也更加靈活和便捷。

為了驗(yàn)證上述觀點(diǎn)，同時(shí)研究地層約束前提下三維地質(zhì)屬性建模與傳統(tǒng)三維地質(zhì)屬性建模數(shù)據(jù)成果的區(qū)別和關(guān)聯(lián)，本次工作按照工區(qū)范圍和深度，采用區(qū)域整體屬性建模方法創(chuàng)建了一個(gè)區(qū)域整體三維地質(zhì)屬性模型用于比對(duì)分析（圖12）。

通過(guò)二者比對(duì)，可證實(shí)存在以下關(guān)聯(lián)和區(qū)別：二者在屬性空間分布趨勢(shì)上基本一致（例如各個(gè)屬性值段分布的空間位置基本一致），但存在屬性空間區(qū)域的范圍不同。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因，主要是由于分層屬性插值建模方法逐層設(shè)置插值參數(shù)，更符合每個(gè)地層的特點(diǎn)，而整體插值方法只針對(duì)了數(shù)據(jù)本身制定插值算法，未考慮每個(gè)地層的實(shí)際情況。以23層粉質(zhì)粘土為例，單地層約束的插值結(jié)果參見圖13，與整體插值在該地層截取的結(jié)果存在差異（圖14），但在反映層內(nèi)屬性數(shù)據(jù)的分布情況方面，更具代表性。

由于存在上述區(qū)別，基于地層約束的屬性模型在應(yīng)用層面不可用區(qū)域整體模型替代?；诘貙蛹s束的屬性模型已經(jīng)按照地層進(jìn)行了劃分，可以針對(duì)某一類地層開展模型應(yīng)用研究，而區(qū)域整體模型無(wú)法指定某一類地層為對(duì)象開展研究工作;另外，利用地層約束的屬性模型統(tǒng)計(jì)功能，可統(tǒng)計(jì)每個(gè)地層內(nèi)屬性的分布情況，輔助相關(guān)工作的開展。以篩選出地層含水率小于30%的地區(qū)作為初步選定研究區(qū)域?yàn)槔喝衾脜^(qū)域整體屬性模型進(jìn)行分析，只能將區(qū)域內(nèi)所有含水率小于30%的地區(qū)篩選出來(lái)（圖15）;而利用地層約束的屬性模型能將每一層中含水率小于30%的區(qū)域篩選出來(lái)，同時(shí)可以分析每一層中篩選出的區(qū)域在整體篩選結(jié)果中的占比（圖16），結(jié)合地層巖性數(shù)據(jù)綜合分析，有針對(duì)性提出的開發(fā)利用規(guī)劃建議。

4 結(jié)論

三維地質(zhì)建模技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)有不少建模軟件從單一數(shù)學(xué)算法建模提升到地質(zhì)學(xué)概念結(jié)合數(shù)學(xué)算法建模的綜合建模理念，且對(duì)建模流程進(jìn)行了優(yōu)化，提高了模型修改、完善的效率，本文所采用的SKUA-GOCAD三維地質(zhì)建模軟件就具備了以上特點(diǎn)，便于地質(zhì)人員理解和使用。

基于地層約束下的三維地質(zhì)屬性模型建設(shè)，從屬性數(shù)據(jù)分析、屬性插值等方面，充分考慮了不同地層的地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的整體屬性建模方法相比，在每個(gè)地層內(nèi)分別對(duì)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行了插值參數(shù)定義，提高了三維地質(zhì)屬性模型的精度，擴(kuò)展了模型的應(yīng)用層次。

受研究深度所限，本次并未涉及模型分析相關(guān)研究，將會(huì)在后續(xù)工作中根據(jù)實(shí)際需要，逐步開展相關(guān)方面研究工作，提升模型實(shí)際應(yīng)用效果。

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