三维地质建模方法有哪些

『壹』 三维地质建模

一、内容概述

随着世界各国对资源需求日益上升以及对地质环境问题的日益重视，各国研究机构都将提高资源保障能力、缓解环境压力的目光逐步转向了地球深部，这就需要对地下空间有更详细、更好地了解。正是这种社会需求的不断增长，以及地理信息系统（GIS）、数字制图、数据存储和分析、可视化技术上显著的技术进步，直接促使了从传统的二维向三维地质填图（也称为三维地质建模）的过渡成为必然。

三维地质图是传统的二维地质图向三维的延伸。这些地图可以描绘三维空间内地下层叠地层的深度、厚度和物质性质。输出的结果是通过地质解译，以及严格应用原始数据、地质知识和统计方法而创建的完全属性化和数字化的三维模型。

二维和三维输出结果都采用了相似的地质构造单元分类，并针对特定用途和相关机构的需要，按照一定的比例尺和分辨率加以呈现。三维填图完成的三维地质模型可以为需要解决地球科学问题的客户提供信息，因为：①完成的三维地质图，可以以可理解的格式、用多种地图视图解释和描绘复杂的地质情况；②当有新信息可用时，可以制作和更新各种衍生或解译图；③针对地球资源信息的特定需求，根据客户需要进行发布和定制（Berg et al.，2011）。

二、应用范围及应用实例

目前，美国地质调查局的科学家使用三维/四维工具来进行以下工作：①可视化和解释地质信息；②验证数据；③验证他们的解译和模型。三维地质填图的例子包括对面向资源评价的地下空间描述，如美国中部的含水层描述，以及作为过程模型的输入参数，如美国西部的地震。同时，USGS希望通过开发新的三维/四维工具和框架，以及通过对现有技术的提高和更有效的利用，扩大其三维/四维处理能力来监测、解译和分发自然资源信息。

加拿大地质调查局已经将三维地质填图融入了各项工作。然而，地下水研究对于三维地质填图的需求还没有从传统的地质调查上完全转变过来。盆地分析的概念是加拿大地质调查局开展三维地质填图的基础。在此框架下，工作重点放在了数据收集和了解盆地的地质历史。盆地分析在地下水研究项目中已经作为一种常见的三维研究方法。后续在GIS软件中的数据处理、插值、可视化仍然酌情根据地理和地质的复杂性、研究目标和需求而定。

英国地质调查局的三维地质模型名为LithoFrame。它代表了地质图从二维扩展到三维（表1）。LithoFrame概念的核心是不同分辨率的模型彼此对应，形成从一般的全国模型到详细的现场模型的无缝过渡。

表1 LithoFrame分辨率的主要特点

注：LithoFrame比例尺：1M为1∶100万；250为1∶25万；50为1∶5万；10为1∶1万。

法国地质调查局的三维建模主要涉及3个领域：公共服务、国际合作项目以及与许多合作伙伴和客户合作开展的科研活动：

1）公共服务：欧盟、法语国家、地区政府和城镇机关；

2）国际项目：私营公司和外国政府；

3）研究：实验室和合作大学。

法国地质调查局的三维建模活动的主要应用领域是地质调查、含水层的保护和管理、城市地质、地震风险评价、土木工程、碳捕获和存储研究、地热潜力、矿产资源开采和采后评价。

国外地质调查机构用于创建三维地质图和模型最常用的软件套件包括ArcGIS、Gocad、EarthVision、三维GeoModeller，GSI3 D、Multilayer-GDM和Isatis。这些软件中，GSI3 D、三维GeoModeller和Multilayer-GDM由地质调查机构自行开发，并根据其机构对地质填图和建模的需求进行定制。许多其他软件包也用在地质调查机构的部分建模工作流程中，其中包括GIS、统计学分析、地震深度转换、可视化和属性建模的软件。

三、资料来源

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

『贰』 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。

『叁』 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。

『肆』 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。

『伍』 三维地质建模的地质研究

若要将三维地质来建模技术直接应用源到油藏开发生产，必须也能够与油藏地质研究相结合。
下面的图片是一个华北油田的例子。我认为是一个将三维地质建模直接应用于生产研究的很好的例子。
由于渤海湾盆地沉积、构造的复杂性，在许多区块地层对比是一个很大的难题，尤其是断点的对比，出现50m左右的误差是很平常的事。但断点对比的不准确，会直接影响到断层两侧油藏关系的认识，并进而影响到生产措施的实施。在利用最初的地层对比方案建立断层模型的时候发现，两条主要断层的断点是分散在断层模型两侧的，显然这是由于地层对比的误差所导致的。对于常规建模工作来说，我们完全可以不必考虑所有的断点，只要根据多数断点建立起一个平均的断面就可以。如果出现不准确的问题，哪是地层对比人员的事，不是我们的责任。但油田采油厂的人从生产要求的角度出发，采用了断层建模与地层对比相交互的方法。即通过Petrel的断层模型找出与断层面不吻合的断点，然后对断点进行重新对比。经过多次的反复，最终将所有的断点都收敛到了一个断面上。其结果不仅使断层模型更为准确，也帮助解决了地层对比工作中长期存在疑问。从而使建模技术很快的被油田一线生产人员所接受和喜爱。
三

『陆』 三维建模的地质研究

若要将三维地质建模技术直接应用到油藏开发生产，必须也能够与油藏地质研究相结合。
下面的图片是一个华北油田的例子。我认为是一个将三维地质建模直接应用于生产研究的很好的例子。
由于渤海湾盆地沉积、构造的复杂性，在许多区块地层对比是一个很大的难题，尤其是断点的对比，出现50m左右的误差是很平常的事。但断点对比的不准确，会直接影响到断层两侧油藏关系的认识，并进而影响到生产措施的实施。在利用最初的地层对比方案建立断层模型的时候发现，两条主要断层的断点是分散在断层模型两侧的，显然这是由于地层对比的误差所导致的。对于常规建模工作来说，我们完全可以不必考虑所有的断点，只要根据多数断点建立起一个平均的断面就可以。如果出现不准确的问题，哪是地层对比人员的事，不是我们的责任。但油田采油厂的人从生产要求的角度出发，采用了断层建模与地层对比相交互的方法。即通过Petrel的断层模型找出与断层面不吻合的断点，然后对断点进行重新对比。经过多次的反复，最终将所有的断点都收敛到了一个断面上。其结果不仅使断层模型更为准确，也帮助解决了地层对比工作中长期存在疑问。从而使建模技术很快的被油田一线生产人员所接受和喜爱。

『柒』 三维地质建模的介绍

三维地质建模就是将地质，测井，地球物理资料和各种解释结果或者概念模型综合在一起生成三维定量随机模型。

『捌』 三维地质建模方法都有哪些，说得具体点，谢谢

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『玖』 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。

『拾』 §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。