一种使用钻孔数据构建沉积地层系统三维实体模型的方法

摘要

本发明公开了一种使用钻孔数据构建沉积地层系统三维实体模型的方法，针对地质钻探所探测到的地层层面数据进行处理，可以解决沉积地层系统中不连续的地层层面数据加密插值重构时的所遇到的各种难题，属于工程科学技术中的三维地学模拟技术应用领域。该方法包括以下步骤：界定建模场区，提取相关钻孔信息；建模场区总体地层排序与完整性判定；钻孔数据离散化；定义骨架三角网；插值拟合地层顶、底界面；判定缺失地层类别；生成缺失地层处理次序；缺失地层控制界面交切处理与高程调整；缺失地层与邻接地层界面一致性处理；生成三维实体模型；三维可视化分析。与已有方法相比，本发明能够自动判断缺失地层的地质成因并界定缺失边界，具有自动性高、适应性强的优点。本发明的建模结果合理，模型精度高，生成的地层缺失边界自然、合理，非常接近于实际地层分布情况。

主权项

一种使用钻孔数据构建沉积地层系统三维实体模型的方法，其特征在于：使用二分拓扑结构，将钻孔数据离散化为一系列散点，基于这些散点插值拟合出各个地层顶、底界面的初始高程；根据插值拟合出的地层顶、底界面在各个钻孔位置处的初始高程来自动推算缺失地层的地质成因和所属类别；按照缺失地层的形成顺序和切错关系自动生成缺失地层的处理次序；按照缺失地层的类别和地质成因自动进行缺失地层控制界面的交切处理与高程调整；其具体步骤是：步骤1、界定建模场区，提取相关钻孔信息从钻孔数据库中读取待建模场区的钻孔信息，作为输入数据，其钻孔信息包括钻孔类型、平面位置以及具体的地层分层信息； 步骤2、建模场区总体地层排序与完整性判定(a) 总体地层排序将钻孔所揭示的地层按照沉积顺序进行编号，生成一个涵盖建模场区全部地层的“地层层序表”，进行地层编号的规则是“从老到新，逐层递增”，即：最老的地层编号为1，记为S1；其它地层按照沉积顺序或形成时代逐层加1，递增编号，记为S2、S3…Sn；(b) 地层完整性判定根据钻孔对地层的揭示程度，将钻孔分为两类：完全钻孔和不完全钻孔；将建模场区最新地层即位于最顶部的地层和最老地层即位于最底部的地层都探测到的钻孔为完全钻孔；否则为不完全钻孔；接着，根据钻孔所揭示的地层信息，将建模场区的地层分为两类：完整地层和缺失地层；在建模场区内，全部完全钻孔和可能探及此层的不完全钻孔都揭示到的地层为完整地层，否则为缺失地层； 步骤3、钻孔数据离散化将钻孔所揭示的地层分界面离散为三维空间中的一系列散点，并使用二分拓扑结构来记录钻孔所蕴含的地层分层信息；每一个散点都是两个地层的分界点，使用该散点的上层和下层地层编号来描述该点的二分拓扑属性； 经过钻孔数据离散化操作，得到一个散点数据集P，集合了地层顶、底界面高程插值拟合的样本数据；步骤4、定义骨架三角网以钻孔孔口平面坐标X、Y为基准，在建模场区外边界的约束下，采用标准的三角化算法构网并加密生成一个不规则三角网，称作骨架三角网； 步骤5、插值拟合地层顶、底界面从散点数据集P中提取各个地层顶、底界面的样本点坐标，利用这些散点插值拟合相应界面骨架三角网顶点的初始高程；在拟合编号为i的地层Si的顶面三角网Fi_Top时，从散点数据集P中提取下层地层编号为i的散点作为插值拟合的样本点；在拟合Si的底面三角网Fi_Bottom时，使用上层地层编号为i的散点作为插值拟合的样本点；在进行插值时，使用距离反比加权法、或最邻近点法、或自然邻近点法、或径向基函数法或Kriging法；步骤6、判定缺失地层类别对于任一缺失地层Si，其顶面三角网记为Fi_Top，底面三角网记为Fi_Bottom；如果Si在钻孔Bj处缺失，缺失地层的上覆地层Si+1与下伏地层Si‑1的分界点简称为缺失点记为P0，P0的高程记为Z0；Si的顶面三角网Fi_Top在钻孔Bj处的顶点记为PTop，底面三角网Fi_Bottom在钻孔Bj处的顶点记为PBottom；经过前一步插值拟合，求得PTop、PBottom的初始高程，分别记为ZTop、ZBottom；使用下面的公式计算PTop、PBottom与P0之间的距离d1、d2：d1=ZTop‑ Z0d2=ZBottom‑ Z0由于ZTop≥ZBottom，所以d1≥d2；如果d1=0，d2=0，即PTop、PBottom与缺失点P0重合，则认为地层Si恰巧在钻孔Bj位置处尖灭，作为0厚度的完整地层来对待；如果d1≤0，d2<0，则地层Si在钻孔Bj处非沉积缺失；如果d1>0，d2≥0，则地层Si在钻孔Bj处侵蚀缺失；如果d1>0，d2<0，则地层Si在钻孔Bj处复合缺失；如果地层Si在全部钻孔位置处均为非沉积缺失，则将该地层记为第一类缺失地层即完全是由非沉积作用引起的缺失地层；如果地层Si在全部钻孔位置处均为侵蚀缺失，则将该地层记为第二类缺失地层即完全是由侵蚀作用引起的缺失地层；如果地层Si在某些钻孔位置处为复合缺失，或者在部分钻孔位置处非沉积缺失、在部分钻孔位置处侵蚀缺失，则将该地层记为第三类缺失地层即该缺失地层在部分区域是由非沉积作用引起缺失，在部分区域是由侵蚀作用引起缺失；步骤7、生成缺失地层处理次序如果一个地层系统中存在多个缺失地层，需按照下面的规则进行缺失地层的自动排序：①如果有第三类缺失地层，则将该缺失地层重复记录，它既属于第一类缺失地层，又属于第二类缺失地层；②第一类缺失地层的优先级高于第二类缺失地层；③如果有多个第一类缺失地层，按照“从老到新，逐个处理”的规则，先处理下层的缺失地层，再处理其上的缺失地层；④如果有多个第二类缺失地层，按照“从新到老，逐个处理”的规则，先处理上层的缺失地层，再处理其下的缺失地层；经过排序，生成一个只含第一类缺失地层和第二类缺失地层的缺失地层处理次序；步骤8、缺失地层控制界面交切处理与高程调整按照前一步生成的缺失地层处理次序，逐个对缺失地层控制界面交切处理与高程调整；对第一类缺失地层和第二类缺失地层分别采用不同的处理方法；对于第一类缺失地层，先将缺失地层的顶面三角网与其下伏地层的顶面三角网进行相交运算并调整高程，再将缺失地层的底面三角网与其下伏地层的顶面三角网进行相交运算并调整高程；对于第二类缺失地层，先将缺失地层的底面三角网与其上覆地层的底面三角网进行相交运算并调整高程，再将缺失地层的顶面三角网与其上覆地层的底面三角网进行相交运算并调整高程；具体如下：(a) 第一类缺失地层如果地层Si属于第一类缺失地层，则Si的缺失边界受控于下伏地层Si‑1的顶面；经过步骤5的插值，拟合出Si的顶、底界面及其下伏地层Si‑1的顶面、上覆地层Si+1的底面的初始形态；其中，Si的顶面三角网记为Fi_Top，底面三角网记为Fi_Bottom，Si‑1的顶面三角网记为F(i‑1)_Top，Si+1的底面三角网记为F(i+1)_Bottom；首先，处理Si的顶面三角网Fi_Top；将Fi_Top与F(i‑1)_Top进行相交运算，求出这两个三角网的所有交点，作为新顶点插入到骨架三角网中，同时修改Fi_Top、F(i‑1)_Top以及其它全部地层顶、底界面三角网的顶点和拓扑关系；在Si缺失的区域出现Fi_Top顶点的高程低于F(i‑1)_Top上对应顶点的高程时，逐个抬高Fi_Top顶点的高程值，将其设定为与F(i‑1)_Top上对应顶点的高程值相等；修改后的Fi_Top记为F’i_Top；然后，处理Si的底面三角网Fi_Bottom；将Fi_Bottom与F(i‑1)_Top进行相交运算，求出这两个三角网的所有交点，作为新顶点插入到骨架三角网中，同时修改Fi_Bottom、F(i‑1)_Top以及其它全部地层顶、底界面三角网的顶点和拓扑关系；接着，逐个比较Fi_Bottom与F(i‑1)_Top的对应顶点高程是否相同：如果Fi_Bottom顶点的高程低于或高于F(i‑1)_Top上对应顶点的高程，则抬高或压低Fi_Bottom顶点的高程值，将其设定为与F(i‑1)_Top对应顶点的高程值相等；修改后的Fi_Bottom记为F’i_Bottom；(b)第二类缺失地层如果地层Si属于第二类缺失地层，则Si的缺失边界受控于上覆地层Si+1的底面；经过步骤5的插值，拟合出Si的顶、底界面及其下伏地层Si‑1的顶面、上覆地层Si+1的底面的初始形态；其中，Si的顶面三角网记为Fi_Top，底面三角网记为Fi_Bottom，Si‑1的顶面三角网记为F(i‑1)_Top，Si+1的底面三角网记为F(i+1)_Bottom；首先，处理Si的底面三角网Fi_Bottom；将Fi_Bottom与F(i+1)_Bottom进行相交运算，求出这两个三角网的所有交点，作为新顶点插入到骨架三角网中，同时修改Fi_Bottom、F(i+1)_Bottom以及其它全部地层顶、底界面三角网的顶点和拓扑关系；当Si缺失的区域出现Fi_Bottom顶点的高程高于F(i+1)_Bottom上对应顶点的高程时，逐个压低Fi_Bottom顶点的高程值，将其设定为与F(i+1)_Bottom上对应顶点的高程值相等；修改后的Fi_Bottom记为F’i_Bottom；然后，处理Si的顶面三角网Fi_Top，将Fi_Top与F(i+1)_Bottom进行相交运算，求出这两个三角网的所有交点，作为新顶点插入到骨架三角网中，同时修改Fi_Top、F(i+1)_Bottom以及其它全部地层顶、底界面三角网的顶点和拓扑关系；接着，逐个比较Fi_Top与F(i+1)_Bottom的顶点高程是否相同：如果Fi_Top顶点的高程低于或高于F(i+1)_Bottom上对应顶点的高程，则抬高或压低Fi_Top顶点的高程值，将其设定为与F(i+1)_Bottom对应顶点的高程值相等；修改后的Fi_Top记为F’i_Top；步骤9、缺失地层与邻接地层界面一致性处理如果地层Si属于第一类缺失地层，则逐个修改上覆地层Si+1底面三角网F(i+1)_Bottom的顶点高程，使其与F’i_Top完全相同；如果地层Si属于第二类缺失地层，则逐个修改下伏地层Si‑1顶面三角网F(i‑1)_Top的顶点高程，使其与F’i_Bottom完全相同；经过上述处理，保证了所有邻接地层公共界面的一致性，即：所有地层的顶面三角网与其上覆地层的底面三角网完全一致，所有地层的底面三角网与其下伏地层的顶面三角网完全一致；步骤10、生成三维实体模型从下到上逐个处理各个地层，以其顶面三角网和底面三角网为空间基准，应用三维空间离散化方法对顶面三角网和底面三角网围成的空间进行剖分，生成用三棱柱体元充填的三维实体模型；步骤11、三维可视化分析在计算机显示器上绘制出最终的沉积地层系统三维实体模型，以不同的颜色和亮度代表不同的地层和地质界面；对生成的地层实体模型进行可视化展示与三维分析，包括三维观察、交互定位、模型剖切、隧洞开挖及体积量算。