适于数值模拟的三维工程地质建模方法

① 地质体三维建模方法

在分析三维空间建模方面的国内外大量研究文献的基础上，目前主要有四种类型的建模方法：基于体的建模方法、基于面的建模方法、混合建模方法（表1-1）以及泛权建模方法。

表1-1 3D空间建模方法分类

1.基于体的建模方法

体模型基于3D空间的体元分割和真3D实体表达，体元的属性可以独立描述和存储，因而可以进行3D空间操作和分析。体元模型可以按体元的面数分为四面体（Tetrahedral）、六面体（Hexahedral）、棱柱体（Prismatic）和多面体（Polyhedral）等类型，也可以根据体元的规整性分为规则体元和不规则体元两个大类。建模方法如下：

（1）规则块体（Regular Block）建模；

（2）结构实体几何（CSG）建模；

（3）3D体素（Voxel）建模；

（4）八叉树（Octree）建模；

（5）针体（Needle）建模；

（6）四面体格网（TEN）建模；

（7）金字塔（Pyramid）模型；

（8）三棱柱（Tri-Prism，TP）建模；

（9）地质细胞（Geocellular）模型；

（10）不规则块体（Irregular Block）建模；

（11）实体（Solid）建模；

（12）3D Voronoi图模型；

（13）广义三棱柱（GTP）建模。

2.基于面的建模方法

基于面模型的建模方法侧重于3D空间实体的表面表示，如地形表面、地质层面、构筑物（建筑物）及地下工程的轮廓与空间框架。所模拟的表面可能是封闭的，也可能是非封闭的。基于采样点的TIN模型和基于数据内插的Grid模型通常用于非封闭表面模拟；而B-Rep模型和Wire Frame模型通常用于封闭表面或外部轮廓模拟。Section模型、Section-TIN混合模型及多层DEM模型通常用于地质建模。通过表面表示形成3D空间目标轮廓，其优点是便于显示和数据更新，不足之处由于缺少3D几何描述和内部属性记录而难以进行3D空间查询与分析。建模方法如下：

（1）TIN和Grid模型；

（2）边界表示（B-Rep）模型；

（3）线框（Wire Frame）模型；

（4）断面（Section）模型；

（5）断面-三角网混合模型；

（6）多层DEM建模。

3.混合建模方法

基于面模型的建模方法侧重于3D空间实体的表面表示，如地形表面、地质层面等，通过表面表示形成3D目标的空间轮廓，其优点是便于显示和数据更新，不足之处是难以进行空间分析。基于体模型的建模方法侧重于3D空间实体的边界与内部的整体表示，如地层、矿体、水体、建筑物等，通过对体的描述实现3D目标的空间表示，优点是易于进行空间操作和分析，但存储空间大，计算速度慢。混合模型的目的则是综合面模型和体模型的优点，以及综合规则体元与不规则体元的优点，取长补短。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.泛权建模方法

陈树铭认为地质三维领域中，地矿、石油的三维分析相对来说是比较简单的，相比之下工程地质、水文地质等的三维分析更复杂，比如说在地矿、石油领域应用克里格方法基本就可以分析，但是对于工程地质、水文地质分析来说，克里格方法基本是不可行的。他认为目前主要有三类地质三维重构算法，即剖面成面法、直接点面法，以及拓扑分析方法。在综合应用概率统计、模糊、神经网络、插值、积分等理论的基础上，构造了一种新算法（他称之为“泛权”算法），其核心思想就是能对任意M维的连续、非连续边界进行重构分析，并同时能耦合地模拟各种复杂背景因素的影响。

（1）剖面成面法。剖面成面法的基本思路是，在生成大量的地质剖面的基础上，再应用曲面构造法（趋势面法、DEM生成技术）来生成各个层面，进而来表达三维体。比如国外的三维地质分析软件GEOCOM就是采取此种思路的一个典型。具体的解决步骤如下：

①收集、整理原始地质资料，并进行柱状和综合分层；

②建立地质空间多参数数据库；

③根据以上资料，应用人工交互式的地质剖面生成软件平台，加上专家的人工干预生成各种各样的空间地质剖面；

④分别根据各已计算剖面的地层分布结果，加上专家的干预、分析参数的控制来生成各个地质曲面；

⑤建立地层空间曲面构架数据库；

⑥应用地质三维展示平台，基于地层空间曲面构架数据库、地质空间多参数数据库，来进行地质三维展示，三维切割分析、方量计算等功能。

（2）直接点面法。直接点面法的基本思路是，直接将原始的散状数据进行有效的分层，直接根据各个层面的标高，应用曲面构造法（趋势面法、DEM生成技术）来生成各个层面。比如国外的三维地质分析软件ROCKWARE就是采取此种思路的一个典型。其解决步骤基本同于剖面成面法，只是没有下文第3）步，但是地层曲面生成技术相对前者来说要更难一些。

（3）拓扑分析法。拓扑分析法的基本思路就是，基于各个层面的离散点，通过分析这些点的空间拓扑关系，构造地质体。目前来说进行拓扑分析基本采用六面体、四面体模型，或者是Delaunay四面体模型等。其与剖面成面法、直接点面法，在本质上没有什么区别，还是从离散的点出发去构造地质层面。

② 三维地质建模方法

自20世纪80年代以来，研究人员提出了许多三维地质模型来模拟地质体，使这方面的研究有了长足的发展。通过对国内外大量的三维地质建模方面的文献和专业软件的研究分析，三维地质建模方法大体可归纳为三类：离散点源法、剖面框架法和多源数据耦合建模法。

1.2.3.1 离散点源法

在地质找矿中，经常需要根据少量的离散点采样数据(如地质测绘或钻孔资料)来获取地质体的形状，从而为进一步指导找矿起指导性的作用。因此，研究如何实现空间散乱点数据场可视化的方法具有一定的意义。

Carlson(1987)从地质学的角度提出了地下空间结构的三维概念模型，并提出用单纯复形模型(Simplicial Complex Model)来建立地质模型。Victor(1993)、Pilout(1994)则具体应用Delaunay四面体的三维矢量数据模型研究离散点地质建模问题。Lattuada(1995)对3DDT(3 Dimensional Delaunay Triangulation)在地质领域内的应用进行了研究，表明四面体格网能很好地用于地质体的三维建模，优点包括：四面体单元易于建立索引；模型易于手工编辑；可通过相邻关系导出拓扑结构；约束三角剖分易于实现面约束；四面体非常便于可视化，同时具有较高的表达精度；易于实现搜索和关系查询等。Courrioux et al.(2001)基于Voronoi图实现了地质对象实体的自动重构。Frank et al.(2007)采用隐函数法(implicit function)表达三维曲面，对离散点集进行三维重构(reconstruction)，用来模拟断层和盐丘(salt dome)。杨钦(2001，2005)利用离散点源信息构建地层与断层结构面，依此作为约束条件约束Delaunay剖分建立三维地质模型。

钻孔数据也属于一种点源信息。它实质上是将原始的点、线数据进行有效的分层，根据各层面标高应用曲面构造法来生成各个层面或实体。围绕钻孔数据进行三维地质建模已有许多学者进行了研究，其中较早利用钻孔数据进行三维地质模拟的是加拿大学者Houlding(1994，2000)，利用钻孔孔口点位信息进行 Delaunay三角剖分，作为“主 TIN(Primary TIN)”，其他地层面则通过高程映射实现。张煜等(2001)对其建模方法进行了深入研究与发展，在垂直钻孔的理想状态下，采用三棱柱(Tri-prism，TP)数据模型建立三维地质模型，并给出了相关的剖切算法。Lemon et al.(2003)采用“地层层位法”建立三维地层模型，并采用自定义剖面(user-defined cross-sections)的方法对地质模型进行局部交互修正。吴江斌(2003)、朱合华等(2003)提出一种基于钻孔数据的二分拓扑数据结构的建模算法，尝试采用基于钻孔数据的四面体体元模型构建地下三维地质模型；四面体结构在表达复杂结构上则较灵活，但是使用四面体表示空间实体会产生大量的冗余，且生成四面体的算法比较复杂。张芳(2005)采用Delaunay三角构网技术，利用钻孔数据构建三维地层层面模型，同时引入“界面分片”思想，以适应于海量数据模型的可视化表达，但缺少对地质体属性信息的表达。在三棱柱模型的基础上，针对钻孔存在偏斜问题，类三棱柱(Analogical Tri-prism，ATP)(齐安文等，2002)、广义三棱柱(Generalized Tri-prism，GTP)(Wu，2004)方法先后被提出，用来进行三维地质建模，已被证明广泛适应于矿山、石油等深部地质问题建模；同时，似三棱柱(Similar Triprism，STP)(Gong et al.，2004)也被提出用于解决钻孔倾斜问题，如郑蔚等(2005)基于钻孔数据采用STP建立三维地质模型对地下空间进行虚拟漫游。STP与GTP本质上是相同的。基于钻孔数据建立三维地质建模，这一看似简单的数据模型方法，经历了10多年的发展历程：从初期的TP数据模型，适用于钻孔垂直成层、地层等厚的理想情况，发展到STP、GTP适用于钻孔不垂直且地层不等厚的常见情况。

1.2.3.2 剖面框架法

剖面框架法就是在收集整理原始地质勘探资料的基础上，建立分类数据库，人工交互生成大量的二维地质剖面，然后应用曲面构造法生成各层位面表达三维地质模型，或者利用体元表示法直接进行地质体建模(Chae et al.，1999)。

利用地质剖面表达研究区域三维地质现象的初级形式是序列地质剖面法(朱小弟等，2001)。序列地质剖面构模技术实质是传统地质制图方法的计算机实现，即通过平面图或剖面图来描述地质构造，记录地质信息，如图1.2所示。其特点是将3D问题2D化，在空间上采用若干平行或近似平行的地质剖面来表达研究区域的地质分布特征，但它在空间表达上是不完整的，它把剖面之间的地层或构造分布情况留给工程设计人员去“想象”。这种构模方法难以完整表达3D矿床及其内部构造。

基于剖面信息建立真三维模型具有很大的发展空间，对于复杂地质构造区域具有很好的适应性，成为当前地质建模的主要方法之一。然而，基于剖面进行三维重构得到完善发展的是在医学领域，后来迅速扩展到其他领域。在医学领域里，通过电脑断层扫描(CAT)或者核磁共振(MRI)等技术，可以获得一系列相互平行的人体切片图像，通过提取对象的边界，基于轮廓线算法，生成三维人体模型。地质剖面信息同医学切片信息一样，都是反映研究对象的某一特定断面上的构造分布，可以借助医学三维人体建模技术来构造三维地质模型。较早将医学领域的切面三维建模引入地学领域的是在考古学方面的应用(Tipper，1976，1977；Herbert et al.，1995)，主要应用在古生物的三维重构方面，而应用在三维地质建模方面的文献并不很多。

图1.2 序列地质剖面构模实例

公认的剖面三维重构的代表之作是Keppel的文章(Meyres et al.，1992；Herbert et al.，1995，2001；Xu et al.，2003；屈红刚等，2003)。在Keppel的研究基础上，Meyres(1992)将剖面建模方法分为4个子问题：对应问题(correspondence problem)、构网问题(tiling problem)、分支问题(branching problem)和光滑问题(fitting problem)：①对应问题解决相邻剖面之间的轮廓线匹配问题；②构网问题主要解决轮廓线之间的三角形构网问题，考虑满足某个准则，例如最大体积法(Keppel，1975)、最小面积法(Fuchsetal.，1977)等；③分支问题是解决同一对象在不同剖面上的组成部分的个数不同的问题；④光滑问题主要解决将初始生成的三角网进行插值，从而得到更加光滑的三角网。

屈红刚等(2003)提出基于含拓扑剖面地质建模方法来实现复杂地质的三维建模的对应问题，邓飞等(2007)则对一般意义上的剖面地质建模进行了讨论。

1.2.3.3 多源数据耦合建模法

随着计算机性能的提高，具备了对海量数据的处理能力，人们对建立的地质模型要求也不断提高，希望能够建立高精度和高复杂度的地质模型(Turner，2003，2006；Calcagno et al.，2006；Kaufmann et al.，2008)。提高模型的精度可以通过插值的方法来实现，但更好的方法是通过增加约束信息来对初始地质模型进行细化，这就涉及耦合多源数据来建立地质模型的问题。

早在1993年，Houlding提出三维地学建模概念的时候就强调地质解释信息具备对模型的修正(revision)功能。并且指出矿业工程有地质勘探数据、人工绘制数据及施工数据，还有不确定性的需要通过地质统计学进行估计的数据(Houlding，2000)，最终的地质模型需要综合考虑这些种类不同的数据。

McInerney et al.(2005a，b)认为三维地质建模只能部分上是一个数字地质采样过程，更重要的是地质学家的人工解释过程。并且尖锐地指出，不要指望一些计算机软件能够自动并成功地“建模”! 让一个有经验的地质学家输入解释性的信息进行建模，是现实和必要的；而软件只是建模过程中提供便利的一个工具(There is no expectation that some computer software will successfully and automatically“builda model”! The reality is that interpretative input from a skilled geologist is essential to build a model；the software is simply a tool to facilitate the model-building process)。其要求实际上是，地质建模不仅要考虑地质勘探所获取的确定性数据，还应加入地质工程人员对地质构造的解释性数据，这就构成多源地质建模的基本思想。

Mallet(2002)针对地质体建模的特殊性和复杂性，以点、线数据为主要数据源，建立以三角形为基本单元的三维曲面，采用离散光滑插值技术(Discrete Smooth Interploate，DSI)使曲面的粗糙度最小，并作为GOCAD的核心技术，得到了许多地球物理公司和石油公司的支持。

相比较国外以石油、矿业工程为主要应用领域的三维地质建模，钟登华等(2006)则从水利水电工程地质领域，研究多源地质数据建立坝区的三维地质模型。Wu et al.(2005)提出一种逐步细分的多源数据集成地质建模方法，考虑到地质数据大多比较稀疏和低采样率的特征，采用逐步细化的方法对初始地质模型不断修正。

地质构造的复杂性和认识的阶段性，使多源地质建模引起越来越多的研究兴趣。32届国际地质大会(International Geological Conference，IGC)于2004年在意大利佛罗伦萨召开，在“地质的复兴(The Renaissance of Geology)”(Zanchi et al.，2007)议题上，多名国际知名的地学建模专家共同提到了多源地质建模问题。其中，Zanchi et al.(2008)借助商业软件对意大利境内阿尔卑斯山(Alps)利用多源地质建模问题进行研究，并应用于滑坡稳定性分析。西方发达国家主要将地质建模应用于能源与环境领域，这是为数不多的在工程建设领域开辟蹊径的研究。无独有偶，Kaufmann et al.(2008)尝试采用多源地质建模，研究在废弃煤矿巷道内进行天然气储存问题。

总体来看，三维地质建模技术是一个从简单地层模拟到复杂地质构造模拟的发展过程。从最初基于单一数据建立简单层状三维地质模型，到综合利用多源数据建立复杂地质模型，能够反映地质构造的空间特征。

③ 三维地质建模的简介

三维地质建模（Three-dimensionalgeological modeling ）是一个基于数据/ 信息分析，合成的学科，或者说是一个整合各种学科的学科。这样建立的地质模型汇总了各种信息和解释结果。所以是否了解各种输入数据/ 信息的优势和不足是合理整合这些数据的关键。我们的储层一般都会有多尺度上的非均质性和连续性，但是由于各种原因我们不可能直接测量到所有的这些细节。
那么借助于地质统计技术来生成比较真实的，代表我们对储层非均质性和连续性的认识的模型是一个比较有效的研究储层的手段。同一套数据可以生成很多相似的但是又不同的模型，这些模型就是随机（stochastic）的。
那么什么是地质模型呢？地质模型是一个三维网格体。这些网格建立在surface，断层和层位的基础之上。它决定了储层的构造和几何形态。网格中的每一个节点都有一系列属性，比如孔隙度，渗透率，含水饱和度等等。一般来说，节点的尺度为200英尺×200英尺×1英尺。不过具体的模型节点尺度要取决于油田的大小，要解决的关键地质问题的尺度以及模型的商业用途。不同情况下建立的地质模型节点尺度会有很大差别。地质模型的建立可以细分为三步：建立模型框架，建立岩相模型，建立岩石物性模型。

④ 对三维地质建模的一些新认识

三维地质模拟的目标是将离散的空间地质采样样本点数据转变为连续、可视的三维地质模型。国内外在该领域的研究重点、研究方法及应用领域等方面存在一定的不同。

(1)西方发达国家越来越重视能源与环保在国家战略中的重要地位，研究重点集中在石油、天然气的开采，地热、水资源保护与利用等方面；而国内处于经济快速发展阶段，对基础设施，尤其是城市地下空间开发、高速公路隧道等方面，有巨大的需求，从而推动地质建模方法的研究开发与利用。实质上，这里存在一个地质建模尺度问题，地质建模分为区域尺度、工程尺度、统计尺度、标本尺度(张发明，2007)，国外地质建模重点在于表现区域尺度特征(如波兰已建立的国家级地质模型)，就可以忽略地质中的一些细节，比如地层以系为单位，则做出来的模型大气而又漂亮。而国内现在的重点在工程尺度上，需要对影响工程建设的褶皱、断层等构造进行精确描述，对建模技术有相对较高的要求。国外以其雄厚的技术实力，在矿山开采地质建模方面处于技术领先地位，但矿山行业的重点在于对矿石品位及储量的评价和预测方面。

(2)从对地质体内部属性的处理分析方面，可将地质建模分为结构建模和属性建模(潘懋等，2007)。结构建模侧重于对地质体空间位置、几何形态和空间关系的表达，认为地质体内部属性是均一的；属性建模则通过地质统计学等方法实现地质体内部属性的非均一性表达。结合地质勘探的数据成果，地质建模可从结构建模开始，由结构建模来展现地层和构造的宏观分布，然后经过属性插值来反映其内部差异。

(3)目前，还没有一种地质建模方法能适合所有的应用领域。试图以一种方法来建立研究区域的三维地质模型，缺少对不同场地特征的层次性考虑。实际应用中，应根据具体的三维建模目的、地质构造特征及现有地质资料来选择合适的建模方法。根据建模所使用的数据源不同，如野外实测数据(地质测绘、钻井数据)、人工绘制数据(如地质剖面)及多源数据等，并结合场地特征，选择适合的地质建模方法。可以对地质建模从技术上进行总体分类：数据驱动型和技术驱动型。在当前工程实践中，地质信息的获取以地表的地形地质测绘、地下的地质勘探为主，以卫星遥感、物探等技术为辅，以现有工程地质数据建立研究区域三维地质模型构成数据驱动型建模方法。随着建模技术的发展和三维地质信息获取手段的丰富，以已有建模技术和应用目标为导向，进行相应的地质信息获取，然后建立三维地质模型，这种方法称为技术驱动型建模方法。

(4)将三维地质模型应用于实际工程中才是地质建模的本质目标，通过工程应用发现问题，反过来可以推动地质建模方法的发展。对比国内外在三维地质建模研究方面的差距，可以发现国外集中在三维地质体的可视化表达、建模技术及应用技术三个领域，而国内则集中在系统架构、外在表现形式方面研究较多，对于其中可能涉及的关键技术研究的相对较少。

⑤ 三维建模方法对比

根据地质标本的体积形态、外表色彩多样、表面不平滑的特性，以及建模的精内度和工作量等，重点分容析了3种建模技术的适应性。

1）三维激光扫描技术：建模方法精度高、速度快、省时省力，适合一些价值高的实物建模，并明显优于其他的三维建模软件，但成本相对较高。

2）三维全景照相技术（360°全景）：建模方法比三维激光扫描技术精度低，可以降低建模成本，适用于价值中等的实物地质资料建模。

3）三维虚拟模型技术：建模方法采用多边形网格将三维模型的表面连接成以多边形为单位的网格，来表现复杂的物体表面，提供了更强的适应性，可人工调整模型，处理色彩、文字。该方法工作量较大、构建过程复杂、精度偏低，适用于结构简单的物体建模。但对于凹陷、穿孔、色泽较暗的岩石标本，优于三维激光扫描建模、三维全景合成建模。

⑥ 地质体三维建模方法及流程

以建立的综合地质数据库作为数据基础，并综合利用 Vulcan 7.5和 Datamine Studio 3 软件各自的优点来进行地质信息三专维可视化属建模，主要工作内容包括：(1)地质建模数据（Geodatabase）的导入；(2)剖面地质界线圈定；(3)地质体线框模型建立；(4)地质体块体模 型建立。

通过综合地质数据库的建立，将繁杂的各类地质数据进行了分类并利用关系数据库进 行了存储与管理（见第2章）。因此，进行地质体三维建模是从综合地质数据库中导入各 类地质建模数据并采用 Vulcan 和Datamine 软件来进行地质体三维建模，并在不同的地质 剖面上对各类地质体界线进行圈定，并最终形成各类地质体的线框模型和块体模型。其具 体流程如图4.1所示。

⑦ §三维地质建模的方法体系

三维地质建模是一门高度交叉的学科，不同领域的学者从不同角度对三维地质建模的内涵进行了论述。Houlding(1994)最早提出了三维地学模拟(3D Geoscience Modeling)的概念，从广义角度对三维地质建模进行了界定，将空间信息管理、地质解译的图形处理、空间地质统计、地质体的模拟、地质信息的可视化等统称为三维地学模拟。Mallet(2002)将地质建模定义为能够统一模拟地质对象的拓扑、几何与物理属性并且能够考虑多源地质数据的数学方法的集合。

三维地质建模技术是以数字化与可视化手段刻画地质实际、构建地质模型的工具，一个完整的三维地质模型应该具备以下特征:

(1)地质模型所表示的地质对象具有明确的几何形状与空间位置，并与地质勘探数据吻合，所有几何元素均以图形与数字化的形式存在。

(2)具有有效的数据模型，所有几何元素之间具有完备的拓扑关系。

(3)拥有有效的图形与属性数据库支持，便于图形与属性信息的查询与分析。

(4)地质模型是可视的、直观的，真实感强。

上述特征决定了三维地质建模方法所涵盖的基本内容。三维地质建模方法是若干理论、方法与技术的集合体，主要涉及地质勘探数据的标准化处理、几何造型、三维空间数据模型、属性数据管理与图形可视化等方面。图1.1为三维地质建模的方法体系。

图1.1 三维地质建模的方法体系

地质数据来源众多，可靠程度不一，而且分布不均匀，建模时需要借助地质方面的知识与经验进行分析与处理，形成合理有效的信息源。地质勘探数据的标准化处理包括两方面:一是对地质勘探数据进行系统的地质分析，保证数据的可靠性;二是制定标准的数据格式，对地质信息进行标准化处理。目前，各国学者在这方面的研究较少，还没有形成统一的方法。

为了方便、简洁、合理地表达、存储与管理地质模型，必须建立有效的三维空间数据模型。简单地说，三维空间数据模型就是指图形数据的表示与存储方式以及图形元素之间的拓扑关系。常用的空间数据模型包括两类:曲面表示模型与体元表示模型。曲面表示模型是指用曲面的组合来表示地质对象，例如，用地层界面围成地层实体。目前，常见的曲面表示模型有边界表示模型、表面模型与线框模型等。体元表示模型就是将地质对象离散成若干六面体、四面体、三棱柱等形式的体元，用体元的组合表示地质体。目前文献报道较多的体元表示模型包括结构实体几何模型、规则块体模型、四面体模型、三棱柱模型、混合体元模型等。

几何造型是三维地质建模的核心内容，是指根据地质地理数据，利用数学、几何与地质分析方法重构地质对象的空间几何形态，并利用点、线、面、体等基本几何元素及其衍生的几何元素表示地质对象的过程。例如，地层界面常用不规则三角网表示，建模时可以根据钻孔数据进行插值运算，计算出三角网格结点的空间坐标，从而得到由空间三角形面片连接而成的地层界面。地质建模中常见的几何造型方法包括边界建模方法、线框建模方法、断面建模方法、映射建模方法、块段建模方法等。这些方法的思路、过程与实用性有一定的差异，但是，大多数方法都会涉及一些基本内容，如三角剖分与优化、插值计算、曲面细分与优化、曲面曲线求交、环与块体搜索、空间体元剖分等。

图形可视化就是在计算机屏幕上绘制出地质模型，利用材质、颜色与光照等手段实现真实感成像。属性数据管理是指建立属性数据库，存储与管理地质对象的物性参数，如地层名称、岩性、力学参数等。在地质建模中，图形可视化与数据库技术与其他领域的相关内容类似，没有明显的特别之处，因此，本书不再详细介绍相关内容。

⑧ 三维地质建模的地质模型

地质模型的主要用途有以下几种：
1、为油藏数值模拟提供三位地质数据体。因为控制油藏流体流动的许多因素来自于储层的地质特征。在许多情况下正是因为油藏工程师需要准确预测油藏的生产情况，我们才进行储层建模。地质模型的网格一般都比油藏数值模型的网格要细，所以地质模型在输入数值模拟器之前需要经过一个网格粗化过程。在网格粗化过程中，如何保留住小尺度地质特征对流体的影响是一个关键。如果网格粗化过程过滤掉/ 忽略了小尺度地质特征对流体的影响，那么这个粗化的地质模型并不能代表原来的精细地质模型，可想而知用这个变形的地质模型进行数值模拟，其结果的参考价值也就大大降低。
2、用来计算含油气孔隙体积，或者储量。与二维模型相比，三维地质模型具有独特的优势，可以用来计算比较真实的孔隙体积，它也可以用来计算油田储量。在某些情况下，油田开发和生产阶段需要一个严格的储量计算，这可以通过地质建模得到。
3、帮助布井。地质模型可以用来优化评价井的数目和其井位部署；我们也可以从地质模型识别出储层的“sweetspots”，或者计算单井的可产出量；通过三维地质模型，我们可以设计井的钻探轨迹以钻遇单个砂体，或者对井位部署/ 钻探轨迹vs。油气目标层进行详细的三维空间分析。这样就会减少钻遇差储层的机会。当然地质模型对布井的价值完全取决于模型本身的准确度。如果地质模型几乎没有整合可靠的数据（harddata，如井资料）或者模型所依据的地质概念并不可靠（还属于推测阶段），那么这样建立的地质模型对详细布井并没有多大帮助。随着井资料的增多和地质概念的成熟，地质模型的价值也会增加。
4、进行断层封堵分析和预测。地质模型把构造和地层格架结合到一起，这有利于我们进行断层的封堵性预测。一般来说断层的封堵有两种情况：一是断层两边砂岩对砂岩接触面的减少，二是断层处由于断层泥的存在，其对流体的传导性降低。我们可以通过计算断层的垂向和横向上的断距，或者计算砂岩对砂岩的叠置关系，或者估算断层泥存在的可能性及其影响来预测断层的封堵性。实际上，断层的封堵性预测工作很复杂，需要大量的解释和对比校对，目前这是一个比较热门的研究课题。
5、进行油田监测。无论是一次采油阶段还是二次采油阶段，地质模型都是一个监测油田含水饱和度的有效工具。地质模型可以用来监测油藏的动态。
6、有效的交流平台。地质模型的存在，为地质师、油藏工程师、钻井师提供了一个交流的平台。这些不同领域的工作人员关心的问题不同，行业语言也不净相同，但是当他们聚集在一起对着同一个地质模型进行交流的时候，相同的讨论目标（这里指地质模型）会促进他们之间的相互理解，同时地质模型的可视化也可以提高他们对油藏的认识。当然模型的可视化也可以帮助我们QC地质模型。如果看到很奇怪的特征就说明模型的什么地方出错了。
从地质模型的这些作用我们可以看出地质建模贯穿在油田勘探开发的各个阶段。一个油田的生命周期通常可以划分为四个阶段：勘探评估阶段，开发规划阶段，油田开发初期，油田开发晚期。不同阶段要解决的问题不同，所以建模的精细度也不一样。从勘探时起到开发晚期，模型的精度不断增加。
在勘探评估阶段，要解决的主要问题通常是：油藏有多大？具有商业价值吗？主要的不确定因素是什么？地质建模工作者要回答这些问题，帮助公司决策者做出正确的决定。在这种情况下，很多人认为要把模型建的足够精细以减少技术上的失误，从而为决策者提供一个完美的参考模型。其实如果把很多细节都包括到模型中去，反而为妨碍我们对主要地质参数的不确定性分析，这样也会导致不明智的决策。所以说精细并不意味着准确。这个阶段的地质模型应该着重于确定油藏的总容量（确定控制油藏的地层或构造界面）。在尺度上只要划分出第3和第4级的层序地层界面就行了。至于岩石物性，给模型选区一个合理的平均值也足够了。这个阶段的重要任务是作储层主要参数（如平均孔隙度）的不确定性分析。

⑨ 三维地质建模任务

三维地质建模的核心任务是建立地质对象的三维地质模型，使其能够完整准确地表达各种地质现象，描述地质对象的空间分布特征、空间关系及其属性特征等，使地质模型对地质分析、工程决策等实际工作具有宏观指导作用。

所谓三维地质模型是采用适当的数据结构在计算机中建立的能反映地质构造的形态、各构造要素之间的关系以及地质对象物理、化学属性分布等地质特征的数字化模型(宫法明，2002)。简单地说，就是描述地质体的空间分布特征、属性特征及其空间关系特征(侯恩科等，2002)。三维地质模型应具有确定性、可视性、可动态修正等基本特征(McInerney et al.，2005a，b；Kaufmann et al.，2008)。利用三维地质模型可以以三维真实感图形的形式形象地表达地质构造的真实形态、特征以及三维空间物化参数的分布规律。

然而，地质对象的形态结构差别较大，内部属性不均一，尽管如此，仍可以用两类特性来表达地质对象：即实体的几何形态及其内部参数变化(Mallet，2002；郑贵洲等，2004)，也就是通常所说的地质对象的几何特征与属性特征。潘懋等(2007)指出，地质建模可分为两类：一类是地质体结构构造模型，即结构模型，另一类是地质体内部的物理、化学属性参数模型，即属性模型。通常应该是在三维地质体结构模型的基础上构建属性模型，并建立属性数据与地质体几何结构模型的对应关系。总之，将地质建模分为结构建模和属性建模，张发明(2007)持同样观点，强调地质结构建模的重要性。因此，本书的研究重点为地质对象的结构建模。

这里，强调地质结构建模的重要性，则必须从地质对象的几何形态方面考虑。地质对象根据几何形态特征可分为层状实体和非层状实体(郑贵洲等，2004)，层状实体占据地球表面的大部分，包括沉积岩及部分变质岩。按照地质体的连续性和复杂程度，可将层状地质体分为简单层状地质体(连续层状地质体)和复杂层状地质体(非连续层状地质体)两类。简单层状地质体，是指未经变形或轻微变形、形态相对简单、连续的地质实体，它没有被断层或节理切割，层与层之间为整合接触，在每一层内没有垂直方向的属性变化，如构造简单区内较为完整连续的地层，它们具有水平或倾斜的状态，形态较为规则。复杂层状地质体即非连续层状地质体，是指被断层或节理切割的地层，断层两侧的地层发生了显著的位移。复杂层状地质体包括被褶皱、断层破坏的地层、受岩浆岩侵入或盐丘挤入而产生的具有不规则形态的地层、内部存在复杂变化的地层等，这类地层虽然形态复杂，但仍具有成层性。复杂层状地质体又可分为断裂型复杂层状地质体、褶皱型复杂层状地质体等。

从地质构造的角度，Pinto和Casas总结了地质体的形态(郑贵洲等，2004)，归纳为五类：褶皱构造、岩脉和岩矿构造、断层构造、透镜体结构、丘状构造。这五类模型能够很全面地代表实际地质模型。因此，整个建模的研究重点是对图2.14所示地质对象的模拟。考虑到问题的复杂性，只对层状地质体和断层、褶皱构造进行重点研究，研究其空间形态、分布等结构性特征。

图2.14 地质建模分类

事实上，早期的地质学家考虑直接采用计算机技术进行地质建模研究。Kelk＆Challen(1992)曾经尝试利用CAD系统建立地质模型，结果很不理想。CAD是基于多项式的连续函数的方法，目的是为建立漂亮的曲线或曲面(Mallet，2002)，而地质对象具有复杂的几何形状、拓扑关系、尺度依赖性与属性特征，难以用简单的数学函数来表达各种地质构造现象。例如，倒转褶皱构造的几何形状和拓扑关系非常复杂，其边界难以确定，但是工人制造零部件，形状规则，各向同性，非常适合用CAD来设计(Turner，2005)。地质体是由各种地质结构面(不连续面、虚拟边界面)包围所形成的实体对象(张发明，2007)，是一种离散的结构体系，必须摈弃传统的CAD方法而采用一种新的视野来考虑(Mallet，2002)。因此，最好的方法是从地质构造出发来研究地质建模方法。

⑩ 无缝地质建模的基本原理

应用于数值模拟的地质模型应符合以下要求:①不仅能够刻画复杂地质特征、地质现象等自然对象，还能够刻画工程建筑、人工开挖面等非自然对象;②可以被剖分成连续的、拓扑相容且具有较高质量的计算网格;③能够根据岩体质量评价以及岩体力学试验的成果，方便地进行岩体力学参数的设置与调整。

本书第2章介绍的三维无缝地质模型满足几何连续、拓扑与地质相容条件，是适合于数值模拟的地质模型表达方式。无缝地质模型由若干简单块体组成，每个简单块体由若干简单曲面围成。在保持所有简单块体边界不变的条件下，如果将每个简单块体剖分成四面体网格，无缝地质模型将成为一个三维简单复形。

无缝地质建模是用来创建三维无缝地质模型的方法。该方法的核心思想是:先利用曲面求交与曲线求交方法构建模型的统一线框架，以保证不同界面之间的无缝连接，即实现不同界面在相交处几何连续、拓扑相容;然后以统一线框架为约束，进行界面的编辑与重构;再利用块体搜索方法搜索简单块体并组建无缝模型;最后按照一定的规模，以简单块体的边界为约束将无缝模型剖分成四面体网格(Xu等，2009)。

该方法的具体步骤如下:

(1)多源数据分析与地质模型的概化。地质建模的原始数据是由钻探、物探、坑探、地面勘探与测量等手段所获取的地质特征的空间分布信息与物理属性，数据的来源众多、分布不均匀、可靠程度不一。建模时需要根据这些数据进行地质分析，进行地质概化，建立概念地质模型。

(2)模拟模型中的各类界面形成原始界面集。根据所确定的建模范围与坐标系，选择合适的参考面模拟地层界面与断层界面。对地层界面进行叠合处理，消除地层交叉现象。

(3)创建模型统一线框架。进行原始界面的求交运算，并将交线与所有界面上的界线组成原始线框架;通过界线求交、简单弧划分等运算构建模型的线框架，并形成所有原始界面的界线轮廓。

(4)编辑与重构地质界面。根据界面的交切状况，利用界面编辑规则或人机交互方法，编辑所有原始界面的界线轮廓，删除多余部分;以编辑后的界线轮廓为约束，重新剖分与插值所有界面。

(5)搜索简单块体。利用块体搜索技术搜索简单块体，并根据属性将块体进行归类，形成三维无缝地质模型。

(6)将无缝地质模型剖分成四面体网格。根据需要，以简单块体的边界为约束，将所有简单块体剖分成四面体网格。