三維地質建模方法有哪些

『壹』 三維地質建模

一、內容概述

隨著世界各國對資源需求日益上升以及對地質環境問題的日益重視，各國研究機構都將提高資源保障能力、緩解環境壓力的目光逐步轉向了地球深部，這就需要對地下空間有更詳細、更好地了解。正是這種社會需求的不斷增長，以及地理信息系統（GIS）、數字制圖、數據存儲和分析、可視化技術上顯著的技術進步，直接促使了從傳統的二維向三維地質填圖（也稱為三維地質建模）的過渡成為必然。

三維地質圖是傳統的二維地質圖向三維的延伸。這些地圖可以描繪三維空間內地下層疊地層的深度、厚度和物質性質。輸出的結果是通過地質解譯，以及嚴格應用原始數據、地質知識和統計方法而創建的完全屬性化和數字化的三維模型。

二維和三維輸出結果都採用了相似的地質構造單元分類，並針對特定用途和相關機構的需要，按照一定的比例尺和解析度加以呈現。三維填圖完成的三維地質模型可以為需要解決地球科學問題的客戶提供信息，因為：①完成的三維地質圖，可以以可理解的格式、用多種地圖視圖解釋和描繪復雜的地質情況；②當有新信息可用時，可以製作和更新各種衍生或解譯圖；③針對地球資源信息的特定需求，根據客戶需要進行發布和定製（Berg et al.，2011）。

二、應用范圍及應用實例

目前，美國地質調查局的科學家使用三維/四維工具來進行以下工作：①可視化和解釋地質信息；②驗證數據；③驗證他們的解譯和模型。三維地質填圖的例子包括對面向資源評價的地下空間描述，如美國中部的含水層描述，以及作為過程模型的輸入參數，如美國西部的地震。同時，USGS希望通過開發新的三維/四維工具和框架，以及通過對現有技術的提高和更有效的利用，擴大其三維/四維處理能力來監測、解譯和分發自然資源信息。

加拿大地質調查局已經將三維地質填圖融入了各項工作。然而，地下水研究對於三維地質填圖的需求還沒有從傳統的地質調查上完全轉變過來。盆地分析的概念是加拿大地質調查局開展三維地質填圖的基礎。在此框架下，工作重點放在了數據收集和了解盆地的地質歷史。盆地分析在地下水研究項目中已經作為一種常見的三維研究方法。後續在GIS軟體中的數據處理、插值、可視化仍然酌情根據地理和地質的復雜性、研究目標和需求而定。

英國地質調查局的三維地質模型名為LithoFrame。它代表了地質圖從二維擴展到三維（表1）。LithoFrame概念的核心是不同解析度的模型彼此對應，形成從一般的全國模型到詳細的現場模型的無縫過渡。

表1 LithoFrame解析度的主要特點

註：LithoFrame比例尺：1M為1∶100萬；250為1∶25萬；50為1∶5萬；10為1∶1萬。

法國地質調查局的三維建模主要涉及3個領域：公共服務、國際合作項目以及與許多合作夥伴和客戶合作開展的科研活動：

1）公共服務：歐盟、法語國家、地區政府和城鎮機關；

2）國際項目：私營公司和外國政府；

3）研究：實驗室和合作大學。

法國地質調查局的三維建模活動的主要應用領域是地質調查、含水層的保護和管理、城市地質、地震風險評價、土木工程、碳捕獲和存儲研究、地熱潛力、礦產資源開采和采後評價。

國外地質調查機構用於創建三維地質圖和模型最常用的軟體套件包括ArcGIS、Gocad、EarthVision、三維GeoModeller，GSI3 D、Multilayer-GDM和Isatis。這些軟體中，GSI3 D、三維GeoModeller和Multilayer-GDM由地質調查機構自行開發，並根據其機構對地質填圖和建模的需求進行定製。許多其他軟體包也用在地質調查機構的部分建模工作流程中，其中包括GIS、統計學分析、地震深度轉換、可視化和屬性建模的軟體。

三、資料來源

Berg R C，Mathers S J et al.2011.Synopsis of Current Three Dimensional Geological Mapping and Modeling in Geological Survey Organizations.Ilinois State Geological Survey Circular，104

『貳』 地質體三維建模方法及流程

以建立的綜合地質資料庫作為數據基礎，並綜合利用 Vulcan 7.5和 Datamine Studio 3 軟體各自的優點來進行地質信息三專維可視化屬建模，主要工作內容包括：(1)地質建模數據（Geodatabase）的導入；(2)剖面地質界線圈定；(3)地質體線框模型建立；(4)地質體塊體模 型建立。

通過綜合地質資料庫的建立，將繁雜的各類地質數據進行了分類並利用關系資料庫進 行了存儲與管理（見第2章）。因此，進行地質體三維建模是從綜合地質資料庫中導入各 類地質建模數據並採用 Vulcan 和Datamine 軟體來進行地質體三維建模，並在不同的地質 剖面上對各類地質體界線進行圈定，並最終形成各類地質體的線框模型和塊體模型。其具 體流程如圖4.1所示。

『叄』 地質體三維建模方法

在分析三維空間建模方面的國內外大量研究文獻的基礎上，目前主要有四種類型的建模方法：基於體的建模方法、基於面的建模方法、混合建模方法（表1-1）以及泛權建模方法。

表1-1 3D空間建模方法分類

1.基於體的建模方法

體模型基於3D空間的體元分割和真3D實體表達，體元的屬性可以獨立描述和存儲，因而可以進行3D空間操作和分析。體元模型可以按體元的面數分為四面體（Tetrahedral）、六面體（Hexahedral）、稜柱體（Prismatic）和多面體（Polyhedral）等類型，也可以根據體元的規整性分為規則體元和不規則體元兩個大類。建模方法如下：

（1）規則塊體（Regular Block）建模；

（2）結構實體幾何（CSG）建模；

（3）3D體素（Voxel）建模；

（4）八叉樹（Octree）建模；

（5）針體（Needle）建模；

（6）四面體格網（TEN）建模；

（7）金字塔（Pyramid）模型；

（8）三稜柱（Tri-Prism，TP）建模；

（9）地質細胞（Geocellular）模型；

（10）不規則塊體（Irregular Block）建模；

（11）實體（Solid）建模；

（12）3D Voronoi圖模型；

（13）廣義三稜柱（GTP）建模。

2.基於面的建模方法

基於面模型的建模方法側重於3D空間實體的表面表示，如地形表面、地質層面、構築物（建築物）及地下工程的輪廓與空間框架。所模擬的表面可能是封閉的，也可能是非封閉的。基於采樣點的TIN模型和基於數據內插的Grid模型通常用於非封閉表面模擬；而B-Rep模型和Wire Frame模型通常用於封閉表面或外部輪廓模擬。Section模型、Section-TIN混合模型及多層DEM模型通常用於地質建模。通過表面表示形成3D空間目標輪廓，其優點是便於顯示和數據更新，不足之處由於缺少3D幾何描述和內部屬性記錄而難以進行3D空間查詢與分析。建模方法如下：

（1）TIN和Grid模型；

（2）邊界表示（B-Rep）模型；

（3）線框（Wire Frame）模型；

（4）斷面（Section）模型；

（5）斷面-三角網混合模型；

（6）多層DEM建模。

3.混合建模方法

基於面模型的建模方法側重於3D空間實體的表面表示，如地形表面、地質層面等，通過表面表示形成3D目標的空間輪廓，其優點是便於顯示和數據更新，不足之處是難以進行空間分析。基於體模型的建模方法側重於3D空間實體的邊界與內部的整體表示，如地層、礦體、水體、建築物等，通過對體的描述實現3D目標的空間表示，優點是易於進行空間操作和分析，但存儲空間大，計算速度慢。混合模型的目的則是綜合面模型和體模型的優點，以及綜合規則體元與不規則體元的優點，取長補短。主要包括如下混合建模方法：

（1）TIN-CSG混合建模；

（2）TIN-Octree混合建模；

（3）Wire Frame-Block混合建模；

（4）Octree-TEN混合建模；

（5）GTP-TEN混合建模。

4.泛權建模方法

陳樹銘認為地質三維領域中，地礦、石油的三維分析相對來說是比較簡單的，相比之下工程地質、水文地質等的三維分析更復雜，比如說在地礦、石油領域應用克里格方法基本就可以分析，但是對於工程地質、水文地質分析來說，克里格方法基本是不可行的。他認為目前主要有三類地質三維重構演算法，即剖面成面法、直接點面法，以及拓撲分析方法。在綜合應用概率統計、模糊、神經網路、插值、積分等理論的基礎上，構造了一種新演算法（他稱之為「泛權」演算法），其核心思想就是能對任意M維的連續、非連續邊界進行重構分析，並同時能耦合地模擬各種復雜背景因素的影響。

（1）剖面成面法。剖面成面法的基本思路是，在生成大量的地質剖面的基礎上，再應用曲面構造法（趨勢面法、DEM生成技術）來生成各個層面，進而來表達三維體。比如國外的三維地質分析軟體GEOCOM就是採取此種思路的一個典型。具體的解決步驟如下：

①收集、整理原始地質資料，並進行柱狀和綜合分層；

②建立地質空間多參數資料庫；

③根據以上資料，應用人工互動式的地質剖面生成軟體平台，加上專家的人工干預生成各種各樣的空間地質剖面；

④分別根據各已計算剖面的地層分布結果，加上專家的干預、分析參數的控制來生成各個地質曲面；

⑤建立地層空間曲面構架資料庫；

⑥應用地質三維展示平台，基於地層空間曲面構架資料庫、地質空間多參數資料庫，來進行地質三維展示，三維切割分析、方量計算等功能。

（2）直接點面法。直接點面法的基本思路是，直接將原始的散狀數據進行有效的分層，直接根據各個層面的標高，應用曲面構造法（趨勢面法、DEM生成技術）來生成各個層面。比如國外的三維地質分析軟體ROCKWARE就是採取此種思路的一個典型。其解決步驟基本同於剖面成面法，只是沒有下文第3）步，但是地層曲面生成技術相對前者來說要更難一些。

（3）拓撲分析法。拓撲分析法的基本思路就是，基於各個層面的離散點，通過分析這些點的空間拓撲關系，構造地質體。目前來說進行拓撲分析基本採用六面體、四面體模型，或者是Delaunay四面體模型等。其與剖面成面法、直接點面法，在本質上沒有什麼區別，還是從離散的點出發去構造地質層面。

『肆』 三維地質建模的地質模型

地質模型的主要用途有以下幾種：
1、為油藏數值模擬提供三位地質數據體。因為控制油藏流體流動的許多因素來自於儲層的地質特徵。在許多情況下正是因為油藏工程師需要准確預測油藏的生產情況，我們才進行儲層建模。地質模型的網格一般都比油藏數值模型的網格要細，所以地質模型在輸入數值模擬器之前需要經過一個網格粗化過程。在網格粗化過程中，如何保留住小尺度地質特徵對流體的影響是一個關鍵。如果網格粗化過程過濾掉/ 忽略了小尺度地質特徵對流體的影響，那麼這個粗化的地質模型並不能代表原來的精細地質模型，可想而知用這個變形的地質模型進行數值模擬，其結果的參考價值也就大大降低。
2、用來計算含油氣孔隙體積，或者儲量。與二維模型相比，三維地質模型具有獨特的優勢，可以用來計算比較真實的孔隙體積，它也可以用來計算油田儲量。在某些情況下，油田開發和生產階段需要一個嚴格的儲量計算，這可以通過地質建模得到。
3、幫助布井。地質模型可以用來優化評價井的數目和其井位部署；我們也可以從地質模型識別出儲層的「sweetspots」，或者計算單井的可產出量；通過三維地質模型，我們可以設計井的鑽探軌跡以鑽遇單個砂體，或者對井位部署/ 鑽探軌跡vs。油氣目標層進行詳細的三維空間分析。這樣就會減少鑽遇差儲層的機會。當然地質模型對布井的價值完全取決於模型本身的准確度。如果地質模型幾乎沒有整合可靠的數據（harddata，如井資料）或者模型所依據的地質概念並不可靠（還屬於推測階段），那麼這樣建立的地質模型對詳細布井並沒有多大幫助。隨著井資料的增多和地質概念的成熟，地質模型的價值也會增加。
4、進行斷層封堵分析和預測。地質模型把構造和地層格架結合到一起，這有利於我們進行斷層的封堵性預測。一般來說斷層的封堵有兩種情況：一是斷層兩邊砂岩對砂岩接觸面的減少，二是斷層處由於斷層泥的存在，其對流體的傳導性降低。我們可以通過計算斷層的垂向和橫向上的斷距，或者計算砂岩對砂岩的疊置關系，或者估算斷層泥存在的可能性及其影響來預測斷層的封堵性。實際上，斷層的封堵性預測工作很復雜，需要大量的解釋和對比校對，目前這是一個比較熱門的研究課題。
5、進行油田監測。無論是一次採油階段還是二次採油階段，地質模型都是一個監測油田含水飽和度的有效工具。地質模型可以用來監測油藏的動態。
6、有效的交流平台。地質模型的存在，為地質師、油藏工程師、鑽井師提供了一個交流的平台。這些不同領域的工作人員關心的問題不同，行業語言也不凈相同，但是當他們聚集在一起對著同一個地質模型進行交流的時候，相同的討論目標（這里指地質模型）會促進他們之間的相互理解，同時地質模型的可視化也可以提高他們對油藏的認識。當然模型的可視化也可以幫助我們QC地質模型。如果看到很奇怪的特徵就說明模型的什麼地方出錯了。
從地質模型的這些作用我們可以看出地質建模貫穿在油田勘探開發的各個階段。一個油田的生命周期通常可以劃分為四個階段：勘探評估階段，開發規劃階段，油田開發初期，油田開發晚期。不同階段要解決的問題不同，所以建模的精細度也不一樣。從勘探時起到開發晚期，模型的精度不斷增加。
在勘探評估階段，要解決的主要問題通常是：油藏有多大？具有商業價值嗎？主要的不確定因素是什麼？地質建模工作者要回答這些問題，幫助公司決策者做出正確的決定。在這種情況下，很多人認為要把模型建的足夠精細以減少技術上的失誤，從而為決策者提供一個完美的參考模型。其實如果把很多細節都包括到模型中去，反而為妨礙我們對主要地質參數的不確定性分析，這樣也會導致不明智的決策。所以說精細並不意味著准確。這個階段的地質模型應該著重於確定油藏的總容量（確定控制油藏的地層或構造界面）。在尺度上只要劃分出第3和第4級的層序地層界面就行了。至於岩石物性，給模型選區一個合理的平均值也足夠了。這個階段的重要任務是作儲層主要參數（如平均孔隙度）的不確定性分析。

『伍』 三維地質建模的地質研究

若要將三維地質來建模技術直接應用源到油藏開發生產，必須也能夠與油藏地質研究相結合。
下面的圖片是一個華北油田的例子。我認為是一個將三維地質建模直接應用於生產研究的很好的例子。
由於渤海灣盆地沉積、構造的復雜性，在許多區塊地層對比是一個很大的難題，尤其是斷點的對比，出現50m左右的誤差是很平常的事。但斷點對比的不準確，會直接影響到斷層兩側油藏關系的認識，並進而影響到生產措施的實施。在利用最初的地層對比方案建立斷層模型的時候發現，兩條主要斷層的斷點是分散在斷層模型兩側的，顯然這是由於地層對比的誤差所導致的。對於常規建模工作來說，我們完全可以不必考慮所有的斷點，只要根據多數斷點建立起一個平均的斷面就可以。如果出現不準確的問題，哪是地層對比人員的事，不是我們的責任。但油田採油廠的人從生產要求的角度出發，採用了斷層建模與地層對比相交互的方法。即通過Petrel的斷層模型找出與斷層面不吻合的斷點，然後對斷點進行重新對比。經過多次的反復，最終將所有的斷點都收斂到了一個斷面上。其結果不僅使斷層模型更為准確，也幫助解決了地層對比工作中長期存在疑問。從而使建模技術很快的被油田一線生產人員所接受和喜愛。
三

『陸』 三維建模的地質研究

若要將三維地質建模技術直接應用到油藏開發生產，必須也能夠與油藏地質研究相結合。
下面的圖片是一個華北油田的例子。我認為是一個將三維地質建模直接應用於生產研究的很好的例子。
由於渤海灣盆地沉積、構造的復雜性，在許多區塊地層對比是一個很大的難題，尤其是斷點的對比，出現50m左右的誤差是很平常的事。但斷點對比的不準確，會直接影響到斷層兩側油藏關系的認識，並進而影響到生產措施的實施。在利用最初的地層對比方案建立斷層模型的時候發現，兩條主要斷層的斷點是分散在斷層模型兩側的，顯然這是由於地層對比的誤差所導致的。對於常規建模工作來說，我們完全可以不必考慮所有的斷點，只要根據多數斷點建立起一個平均的斷面就可以。如果出現不準確的問題，哪是地層對比人員的事，不是我們的責任。但油田採油廠的人從生產要求的角度出發，採用了斷層建模與地層對比相交互的方法。即通過Petrel的斷層模型找出與斷層面不吻合的斷點，然後對斷點進行重新對比。經過多次的反復，最終將所有的斷點都收斂到了一個斷面上。其結果不僅使斷層模型更為准確，也幫助解決了地層對比工作中長期存在疑問。從而使建模技術很快的被油田一線生產人員所接受和喜愛。

『柒』 三維地質建模的介紹

三維地質建模就是將地質，測井，地球物理資料和各種解釋結果或者概念模型綜合在一起生成三維定量隨機模型。

『捌』 三維地質建模方法都有哪些，說得具體點，謝謝

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『玖』 三維地質建模的簡介

三維地質建模（Three-dimensionalgeological modeling ）是一個基於數據/ 信息分析，合成的學科，或者說是一個整合各種學科的學科。這樣建立的地質模型匯總了各種信息和解釋結果。所以是否了解各種輸入數據/ 信息的優勢和不足是合理整合這些數據的關鍵。我們的儲層一般都會有多尺度上的非均質性和連續性，但是由於各種原因我們不可能直接測量到所有的這些細節。
那麼藉助於地質統計技術來生成比較真實的，代表我們對儲層非均質性和連續性的認識的模型是一個比較有效的研究儲層的手段。同一套數據可以生成很多相似的但是又不同的模型，這些模型就是隨機（stochastic）的。
那麼什麼是地質模型呢？地質模型是一個三維網格體。這些網格建立在surface，斷層和層位的基礎之上。它決定了儲層的構造和幾何形態。網格中的每一個節點都有一系列屬性，比如孔隙度，滲透率，含水飽和度等等。一般來說，節點的尺度為200英尺×200英尺×1英尺。不過具體的模型節點尺度要取決於油田的大小，要解決的關鍵地質問題的尺度以及模型的商業用途。不同情況下建立的地質模型節點尺度會有很大差別。地質模型的建立可以細分為三步：建立模型框架，建立岩相模型，建立岩石物性模型。

『拾』 §三維地質建模的方法體系

三維地質建模是一門高度交叉的學科，不同領域的學者從不同角度對三維地質建模的內涵進行了論述。Houlding(1994)最早提出了三維地學模擬(3D Geoscience Modeling)的概念，從廣義角度對三維地質建模進行了界定，將空間信息管理、地質解譯的圖形處理、空間地質統計、地質體的模擬、地質信息的可視化等統稱為三維地學模擬。Mallet(2002)將地質建模定義為能夠統一模擬地質對象的拓撲、幾何與物理屬性並且能夠考慮多源地質數據的數學方法的集合。

三維地質建模技術是以數字化與可視化手段刻畫地質實際、構建地質模型的工具，一個完整的三維地質模型應該具備以下特徵:

(1)地質模型所表示的地質對象具有明確的幾何形狀與空間位置，並與地質勘探數據吻合，所有幾何元素均以圖形與數字化的形式存在。

(2)具有有效的數據模型，所有幾何元素之間具有完備的拓撲關系。

(3)擁有有效的圖形與屬性資料庫支持，便於圖形與屬性信息的查詢與分析。

(4)地質模型是可視的、直觀的，真實感強。

上述特徵決定了三維地質建模方法所涵蓋的基本內容。三維地質建模方法是若干理論、方法與技術的集合體，主要涉及地質勘探數據的標准化處理、幾何造型、三維空間數據模型、屬性數據管理與圖形可視化等方面。圖1.1為三維地質建模的方法體系。

圖1.1 三維地質建模的方法體系

地質數據來源眾多，可靠程度不一，而且分布不均勻，建模時需要藉助地質方面的知識與經驗進行分析與處理，形成合理有效的信息源。地質勘探數據的標准化處理包括兩方面:一是對地質勘探數據進行系統的地質分析，保證數據的可靠性;二是制定標準的數據格式，對地質信息進行標准化處理。目前，各國學者在這方面的研究較少，還沒有形成統一的方法。

為了方便、簡潔、合理地表達、存儲與管理地質模型，必須建立有效的三維空間數據模型。簡單地說，三維空間數據模型就是指圖形數據的表示與存儲方式以及圖形元素之間的拓撲關系。常用的空間數據模型包括兩類:曲面表示模型與體元表示模型。曲面表示模型是指用曲面的組合來表示地質對象，例如，用地層界面圍成地層實體。目前，常見的曲面表示模型有邊界表示模型、表面模型與線框模型等。體元表示模型就是將地質對象離散成若干六面體、四面體、三稜柱等形式的體元，用體元的組合表示地質體。目前文獻報道較多的體元表示模型包括結構實體幾何模型、規則塊體模型、四面體模型、三稜柱模型、混合體元模型等。

幾何造型是三維地質建模的核心內容，是指根據地質地理數據，利用數學、幾何與地質分析方法重構地質對象的空間幾何形態，並利用點、線、面、體等基本幾何元素及其衍生的幾何元素表示地質對象的過程。例如，地層界面常用不規則三角網表示，建模時可以根據鑽孔數據進行插值運算，計算出三角網格結點的空間坐標，從而得到由空間三角形面片連接而成的地層界面。地質建模中常見的幾何造型方法包括邊界建模方法、線框建模方法、斷面建模方法、映射建模方法、塊段建模方法等。這些方法的思路、過程與實用性有一定的差異，但是，大多數方法都會涉及一些基本內容，如三角剖分與優化、插值計算、曲面細分與優化、曲面曲線求交、環與塊體搜索、空間體元剖分等。

圖形可視化就是在計算機屏幕上繪制出地質模型，利用材質、顏色與光照等手段實現真實感成像。屬性數據管理是指建立屬性資料庫，存儲與管理地質對象的物性參數，如地層名稱、岩性、力學參數等。在地質建模中，圖形可視化與資料庫技術與其他領域的相關內容類似，沒有明顯的特別之處，因此，本書不再詳細介紹相關內容。