基于全新隱函數(shù)的三維構(gòu)造建模技術(shù)

顧曉東，梁 琰，張希晨，劉曉波，杜長江

（東方地球物理公司物探技術(shù)研究中心，河北 涿州 072750）

遼河地區(qū)的潛山內(nèi)部油藏較為發(fā)育，興隆臺(tái)潛山有利勘探面積120 km2，為洼中之隆、雙元結(jié)構(gòu)，目前已連續(xù)多年達(dá)到百萬噸生產(chǎn)水平，但是潛山內(nèi)幕構(gòu)造多變，巖性復(fù)雜，儲(chǔ)層研究技術(shù)手段單一，其中中生界儲(chǔ)層礫巖體發(fā)育，勘探程度低，潛力大。

面對(duì)稀油上產(chǎn)五百萬噸的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，開發(fā)地質(zhì)的科研工作量和難度成倍增加，需要從勘探思路創(chuàng)新、認(rèn)識(shí)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新以及管理創(chuàng)新入手，深入開展精細(xì)的勘探工作[1-3]。急需依托綜合性強(qiáng)、兼容性強(qiáng)的軟件建立多角度、多方位、多學(xué)科的一體化數(shù)字平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)油田直觀、便捷、高效的科學(xué)研究[4]。

GeoSGD 井位論證系統(tǒng)具有的三維地質(zhì)復(fù)雜構(gòu)造建模技術(shù)能夠綜合油藏地質(zhì)研究的各個(gè)方面和各項(xiàng)內(nèi)容，本文以遼河地區(qū)興隆臺(tái)構(gòu)造潛山為例，從創(chuàng)建復(fù)雜構(gòu)造模型到建立反演初始模型，最終到反演結(jié)果驗(yàn)證，通過全流程應(yīng)用，分析GeoSGD 的算法優(yōu)勢、列舉本次建模流程中的難點(diǎn)與對(duì)應(yīng)解決方案、驗(yàn)證評(píng)價(jià)模型效果。這也是軟件在遼河地區(qū)的首次應(yīng)用，用以解決復(fù)雜難題，提高油藏認(rèn)識(shí)精度。

1 三維構(gòu)造建模軟件現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外使用現(xiàn)狀

從大類上來看，三維地質(zhì)建模軟件是地理信息系統(tǒng)的一個(gè)分支。三維地質(zhì)建模主要針對(duì)地下空間，三維地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）主要針對(duì)地上空間，兩者在應(yīng)用領(lǐng)域與實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面有很大的不同。三維地質(zhì)建模軟件從20世紀(jì)70年代開始研發(fā)，已經(jīng)走過近50年的發(fā)展歷史，中外有許多研究學(xué)者與團(tuán)隊(duì)為此進(jìn)行了堅(jiān)持不懈的努力[5]。

自20世紀(jì)90年代以來，國外相關(guān)軟件開始問世，隨著逐年完善已經(jīng)趨近成熟。雖然在當(dāng)時(shí)，我國還沒有研發(fā)出任何一個(gè)三維地質(zhì)建模軟件，但近年來，隨著我國在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，這一領(lǐng)域的軟件技術(shù)空白也在不斷填補(bǔ)，先后出現(xiàn)了一大批優(yōu)秀的三維地質(zhì)建模軟件。通過調(diào)研，整理了國內(nèi)外常用三維地質(zhì)建模軟件情況，包括軟件算法優(yōu)缺點(diǎn)、所運(yùn)用的油藏網(wǎng)格技術(shù)及軟件通用性，見表1。

表1 國內(nèi)外常用三維地質(zhì)建模軟件及對(duì)比

1.2 GeoSGD 軟件簡介

GeoSGD 軟件是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的增量式實(shí)時(shí)更新的可視化建模軟件，功能豐富，見圖1。軟件建模自動(dòng)化程度高、效率高，可適應(yīng)東西部各種正逆斷層、復(fù)雜巖體和礦體、各種地層不整合等構(gòu)造類型，可以實(shí)現(xiàn)基于模型共享的石油地礦勘探開發(fā)一體化工作流程，支撐地震采集、處理、解釋、重磁電、地震地質(zhì)工程一體化、油藏開發(fā)、非油地礦、工程地質(zhì)、城市地質(zhì)等領(lǐng)域的基于模型的各種應(yīng)用[6]。

圖1 GeoSGD 部分功能

2 建模應(yīng)用流程與難點(diǎn)

2.1 研究區(qū)概況

興隆臺(tái)潛山位于遼河斷陷西部凹陷中部，遼河坳陷是新生代時(shí)期在華北地臺(tái)背景上發(fā)育起來的斷陷裂谷盆地，主要處于華北地臺(tái)的東北隅，它東起遼東臺(tái)背斜，西至燕山臺(tái)褶皺帶，南起勸海，北至內(nèi)蒙地軸東緣[7]。北東-南西向展布，被清水洼陷、盤山洼陷和陳家洼陷包圍，生烴成藏條件極為優(yōu)越[8-9]。

其中，中生界潛山主要發(fā)育有三套斷裂系統(tǒng)。首先，中生代印支擠壓構(gòu)造應(yīng)力場形成近東西向逆沖斷層；其次，中生代燕山拉張應(yīng)力場形成北東走向斷裂，新生代繼承發(fā)育，控制潛山整體格局；最后，新生代形成的近東西向斷裂將潛山劃分為多個(gè)斷塊。

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

建模前需要進(jìn)行層位、斷層數(shù)據(jù)的篩選與井?dāng)?shù)據(jù)的預(yù)處理。本地區(qū)數(shù)據(jù)類型繁雜，結(jié)合GeoSGD 軟件特點(diǎn)，最終挑選出的數(shù)據(jù)分類為：

（1）網(wǎng)格文件：用于建立工區(qū)測網(wǎng)。

（2）層位數(shù)據(jù)：建模需要使用到本區(qū)域4 個(gè)解釋層位，所篩選出的每套層位均以興古逆斷層為界，分為上、下兩盤分別解釋，共8 個(gè)層位文件。

（3）斷層數(shù)據(jù)：需要用到共10 條原始解釋的斷層數(shù)據(jù)，詳細(xì)分為7 條正斷層、2 條逆斷層和1 條反轉(zhuǎn)斷層。

（4）井?dāng)?shù)據(jù)：19 口大斜度井及其各類井曲線數(shù)據(jù)，其中PP_IMP 曲線用來基于構(gòu)造建模約束插值屬性模型。以上全部數(shù)據(jù)共計(jì)82 個(gè)文件，占用存儲(chǔ)空間約為2.34 GB。

2.3 建模流程

建模整體流程見圖2。在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備妥當(dāng)后，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)加載?；赪indows 的中文軟件界面也讓加載更加便捷，加載后務(wù)必在三維空間中瀏覽檢查數(shù)據(jù)有無異常。

圖2 GeoSGD 軟件構(gòu)造建模應(yīng)用流程

其次，進(jìn)入斷面建模階段。“更新斷面”把斷棱插值為光滑的斷面，依據(jù)實(shí)際情況，判斷是否需要調(diào)整斷面邊界。利用自動(dòng)定義斷面交切關(guān)系功能，快速判定斷層間的主輔關(guān)系。然后檢查交切模型是否存在錯(cuò)誤，并逐一修改。若不存在問題，則點(diǎn)擊“劃分?jǐn)鄩K”。

而后，進(jìn)入層面建模階段。在這里，可以將層位錯(cuò)誤解釋的跳點(diǎn)或線刪除，并依據(jù)斷層類型調(diào)整有錯(cuò)誤的上下盤位置。到這里，構(gòu)造模型就基本創(chuàng)建完畢了。通過對(duì)比模型與原始地震數(shù)據(jù)的同相軸、斷層，在剖面和切片上反復(fù)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，若存在偏差則需要調(diào)整。

接著，進(jìn)入模型的應(yīng)用階段，井曲線基于構(gòu)造建模約束進(jìn)行插值得到屬性模型，用于反演。

最后，將反演結(jié)果與井上分層、巖性等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，再次驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

2.4 建模難點(diǎn)與解決方案

工作中，建立構(gòu)建模型的目的通常是為了反演及后續(xù)儲(chǔ)層預(yù)測。為了使反演結(jié)果達(dá)到高分辨率和高精度，有必要精確地創(chuàng)建構(gòu)造模型，這對(duì)操作過程提出了更高的要求。

對(duì)于本次應(yīng)用，對(duì)精度造成影響的難點(diǎn)多存在于圖2 中斷面建模與層面建模的構(gòu)建過程。經(jīng)總結(jié)，難點(diǎn)共分為三大類：地層橫向厚度變化劇烈、斷裂系統(tǒng)復(fù)雜、解釋成果精度不高。它們給實(shí)際建模工作造成較大操作困難，花費(fèi)大量時(shí)間，降低工作效率，如不解決，還將對(duì)后期儲(chǔ)層預(yù)測形成誤導(dǎo)。對(duì)于這些問題，在GeoSGD 軟件中都可以一一找到對(duì)應(yīng)的解決方案，下面逐一敘述。

2.4.1 地層橫向厚度變化劇烈 本區(qū)域發(fā)育有三座潛山，自南向北依次劃分為馬圈子低潛山、興隆臺(tái)高潛山與陳家低潛山，見圖3，根據(jù)羅海炳等[10]研究表明，高潛山和低潛山頂面埋深幅度差可達(dá)1 500 m，地層橫向厚度變化劇烈，尤其是圖3 中Mz 中生界地層，最厚地區(qū)可達(dá)2 200 m，而最薄處僅200 m。

圖3 潛山分布位置

興隆臺(tái)潛山是由中生界、太古界組成的復(fù)合型潛山，參與本次建模的4 個(gè)層位都屬于中生界地層，這樣的數(shù)據(jù)如若使用業(yè)內(nèi)其他軟件，無法順利、快速完成建模，正如表1 內(nèi)所含調(diào)研內(nèi)容。而GeoSGD 軟件采用的新一代隱函數(shù)建模技術(shù)，支持基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的增量式實(shí)時(shí)更新能力，無厚度橫向變化限制，不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。中生界地層的這一特征剛好能夠驗(yàn)證并體現(xiàn)出軟件的算法優(yōu)勢。

2.4.2 斷裂系統(tǒng)復(fù)雜 正如地質(zhì)概況所述，該地區(qū)發(fā)育有三套大型斷裂系統(tǒng)，不過GeoSGD 軟件自動(dòng)化程度高，其中自動(dòng)定義交切關(guān)系功能、質(zhì)控交切模型功能強(qiáng)大，新手也能夠在半小時(shí)內(nèi)快速建立精美的斷面模型。

2.4.3 解釋成果精度不高 第一類表現(xiàn)為層位解釋問題：（1）層位解釋存在偏差，見圖4（a），由于解釋人員習(xí)慣，在上下盤層位與斷層連接處，層位均延伸有多余線條?？梢圆捎靡韵聝煞N對(duì)策來解決該問題：①利用GeoSGD 軟件的“斷層過濾距離”功能，使貼合斷層的多余數(shù)據(jù)不起作用；②直接圈畫多邊形，刪除多余散點(diǎn)。

（2）層位不完整，見圖4（b），各個(gè)層位均存在不同程度的解釋缺失，即工區(qū)范圍內(nèi)層位數(shù)據(jù)不完整的情況。如果不加以處理，所生成的層面模型會(huì)出現(xiàn)層面交叉、層面三維展布形態(tài)錯(cuò)誤等一系列問題。對(duì)此，在不裁剪工區(qū)范圍的情況下，利用“創(chuàng)建缺失區(qū)域”功能，劃取較完整層位的不同范圍數(shù)據(jù)，粘貼給其余層位。但注意，這一方法僅針對(duì)地層整合、已知地層形態(tài)基本一致的地區(qū)。

第二類表現(xiàn)為斷層解釋問題：由圖4（c）可知部分?jǐn)鄬哟嬖诮忉屍畹臄嗬?，還有一些斷層存在未分配的現(xiàn)象，即多個(gè)斷層解釋為一個(gè)，見圖4（d）。這些問題將會(huì)生成錯(cuò)誤的斷面形態(tài)，導(dǎo)致軟件錯(cuò)誤判斷斷層間交切關(guān)系。對(duì)此，必須要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，人工瀏覽檢查是不可或缺的，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題斷層，從而編輯或刪除錯(cuò)誤的斷棱。

圖4 解釋成果精度不高的典型表現(xiàn)

第三類表現(xiàn)為斷層類型未指定：由于所獲取到的斷層數(shù)據(jù)沒有指定斷層類型，加載進(jìn)GeoSGD 時(shí)，軟件會(huì)將所有未指定類型的斷層默認(rèn)為正斷層，這就造成逆斷層在創(chuàng)建“層面輔助線”時(shí)，將其賦予錯(cuò)誤的一盤?？旖莸慕鉀Q辦法是，在拾取逆斷層輔助線時(shí)，直接反選上升盤與下降盤。

其實(shí)，上述解釋成果的大部分問題都是解釋人員在工作時(shí)僅觀察二維空間中的地震剖面造成的。建議讀者可以使用GeoSGD 結(jié)合GeoEast，在三維空間中建立“邊解釋，邊建模，邊質(zhì)控”的思路。在二維中解釋，在三維中質(zhì)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的層位跳點(diǎn)或多余的斷棱，提高解釋精度同時(shí)，提升工作效率，避免造成后續(xù)工作中反復(fù)修改的麻煩，這也是GeoSGD 的輔助功能之一。

3 應(yīng)用成效

3.1 斷面模型

不同方位的斷面模型呈現(xiàn)效果見圖5，模型精美，斷面邊緣平整。去除錯(cuò)誤解釋的斷棱后，斷面形態(tài)平滑、規(guī)則，交切關(guān)系明確，已不存在斷層未分配問題，復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)得以清晰直觀地展現(xiàn)。

圖5 斷面模型效果

3.2 層面模型

4 個(gè)層位的最終展現(xiàn)效果見圖6，在斷層邊緣處層位解釋多余數(shù)據(jù)均已去除，層面光滑、無異常突變。通過調(diào)整，層位均已補(bǔ)充完整，且符合地層正確的接觸關(guān)系。經(jīng)多次檢查，確保每個(gè)層位的所有斷層上下盤關(guān)系全部正確。斷距在三維空間下清晰、立體且直觀。

圖6 層面模型效果

3.3 地層體

在斷面模型與層面模型的基礎(chǔ)上，軟件一鍵填充實(shí)體色塊，見圖7。系統(tǒng)自動(dòng)配色，色彩美觀，模型細(xì)節(jié)清晰可辨。

圖7 地層體效果

3.4 模型驗(yàn)證

通過對(duì)比地震剖面，見圖8，模型與剖面上地震特征一致，確認(rèn)模型準(zhǔn)確，證實(shí)前期工作的必要性。

圖8 構(gòu)造模型與地震剖面驗(yàn)證比對(duì)

3.5 模型應(yīng)用

構(gòu)造模型建立完畢后，如若僅使用傳統(tǒng)層控法插值屬性模型，斷層附近會(huì)呈現(xiàn)藕斷絲連狀態(tài)，常常會(huì)勾勒出錯(cuò)誤的地層形態(tài)。而本次反演應(yīng)用中，大斷距斷層處干脆利落，無需分塊反演，驗(yàn)證了建模的便捷性。經(jīng)比對(duì)，與井上巖性匹配度高、地層厚度變化無誤，再次驗(yàn)證了三維模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

通過對(duì)遼河興隆臺(tái)潛山內(nèi)幕三維復(fù)雜構(gòu)造建模的應(yīng)用，本文得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）基于全新隱函數(shù)的三維構(gòu)造模型能夠清晰、直觀地理解潛山內(nèi)部的構(gòu)造形態(tài)、地層展布與斷裂交切狀態(tài)。

（2）GeoSGD 軟件實(shí)現(xiàn)了針對(duì)復(fù)雜構(gòu)造的階梯狀油藏網(wǎng)格建模核心技術(shù)，支持地層橫向厚度變化劇烈的地層建模，適應(yīng)正逆斷層、非通透斷層等復(fù)雜構(gòu)造的精細(xì)描述，拓?fù)湫畔⑼陚洌詣?dòng)化程度高。

（3）相對(duì)傳統(tǒng)建立反演初始模型的層控法，通過軟件構(gòu)造框架約束井曲線進(jìn)行反演初始建模，提高了斷層（尤其是逆斷層）附近的地震反演精度，且無需分塊反演。

（4）借助三維構(gòu)造模型軟件“邊解釋，邊建模，邊質(zhì)控”的思路，大大提高層位與斷層的解釋精度，提升解釋效率，為油田開發(fā)提供更可靠的依據(jù)。

（5）由于本地區(qū)潛山構(gòu)造較為復(fù)雜，解釋成果資料精度不高，所以這次應(yīng)用所構(gòu)筑的模型存在一定的不足，在很多方面仍存在進(jìn)一步的提升空間。