CN102194252A - 一种基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维地质层面结构的三角形格架网格生成方法，用于为油气运移与聚集模拟计算提供输入网格的系统。其特征在于，包括：构建三维地质层面结构模型，并基于地质层面结构计算层面间交线；对每个层面构造三角网格生成单元；对共享层间交线的多个单元进行协同处理，实现多个层面间连续过渡的格架网格；通过非流形半边数据结构来存储三角形格架网格；通过三角形一致细分方法实现网格顶点单元局部连接度的优化。本发明可实现在多个地质层面情况下三角形格架式网格的自动生成，保证了层面交界处计算网格的连通性，使得油气运移的属性值可以在多个层面上进行连续模拟计算，从而为地质专家预测油气的有利聚集区提供有效的辅助手段。

Description

一种基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法

技术领域

本发明涉及一种根据三维地质层面构造进行三角形格架网格生成的方法及系统，特别是在层面交界处保持几何和拓扑一致的三角形格架网格的生成方法。

背景技术

目前石油工业面临的一个严峻问题是如何寻找规模不小而且埋藏深的油气田。油气在地层中的任何流动都可以统称为油气的运移，研究油气的运移聚集史是寻找隐蔽油气藏的重要手段，而三维油气运移模型的构建可以帮助地质学家正确认识油气运移过程，对指导下一步油气勘探，尤其是勘探程度较高地区隐蔽油气藏的勘探意义重大。

三维地质模型的建立是油气运移模拟研究的重要基础，为数值模拟提供基础模型。在对不规则区域中的流动等问题进行数值模拟计算时，首先要解决如何进行区域离散化问题，这将涉及到网格生成技术。网格化是地质模型计算机辅助设计的基础。目前，随着网格技术的不断发展，网格生成方法在油气藏等建模领域也得到了广泛的发展，对于普通地层或地形的三维建模已经取得了很好的效果。在三角网格自动剖分技术中，Delaunay三角化算法以其数学基础好、对网格的局部控制能力强、网格单元自动向正三角逼近等优良的网格特性而受到大家的重视和广泛使用。其中，点集的Delaunay三角化是所有基于Delaunay方法生成目标区域三角网格的最基础、最重要的工作。目前，在二维平面域内的散乱数据点三角剖分算法已经相当成熟，但是三维Delaunay三角剖分中仍然存在一些问题需要解决，其中最关键的问题是指定区域的边界边、边界面的一致性问题。在点集的Delaunay三角化算法中，逐点插入法最为简明，且易于编程实现，是目前应用最多的算法。然而，点集的Delaunay三角剖分只是完成了对单个地质面的三角网格描述，并没有考虑到地质面交线在三角网格中的存在性。

杨钦于2001年给出了任意限定线平面Delaunay三角剖分算法——控制细分算法，并证明了算法的有效性。该方法着力解决了在地层或断层面上加入任意限定条件的三角剖分问题。其主要算法流程如下：首先获得限定点和限定线段作为输入条件，并将限定线集合进行离散化，然后将线段的集合和限定点的集合进行点集的Delaunay三角剖分(采用Bowyer-Watson逐点插入算法)，剖分结束后对于每条线段检查其三角网格是否满足空圆准则，如果不满足，则对线段在中点处对半细分，插入新的结点，直到所有线段所在网格都满足空圆准则时算法结束。但该方法只解决了单层面任意限定条件的三角剖分问题，而油气运移数值模拟计算要求网格结构在层面间的交界处不仅要达到几何一致还要保证拓扑一致，因此需要研究一套能够实现几何与拓扑一致的连通性格架网格生成方法使得油气运移的属性值可以在地层与断层 上进行连续模拟计算。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种三维地质层面三角形格架网格生成方法，解决层面之间交界处网格单元的几何与拓扑一致性问题，从而使不同层面间网格的连通性得以保证，使得油气运移的属性值可以在地层与断层上进行流体模拟计算；同时解决了在已有格架网格的基础上提高网格密度，并扩大网格中连接数为六的顶点所占顶点总数的比例问题，这对提高油气运移的数值模拟计算精确度有着重要的意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种三维地质层面格架式网格生成方法，并采用协同三角网格生成方法解决实现三维模型中地层与断层交界线处几何与拓扑一致性问题；提供了一种非流形半边数据结构存储三角形格架网格，并通过单元一致细分方法在实现网格加密的同时改善网格单元顶点的连接数质量。其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，根据输入数据构建三维地质层面构造模型，并计算计算地质层面间交线；

步骤B，构造每个地质层面上的三角形网格生成单元；

步骤C，通过协同方法生成每个地质层面上的三角形格架网格单元；

步骤D，通过非流形半边数据结构存储所有三角形格架网格单元；

步骤E，通过单元一致细分方法优化格架网格单元顶点连接度属性；

2、根据权利要求1所述的一种基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法，其特征在于，所述输入数据为关于地质层面的离散构造信息，其中包括层面的已知离散点信息或者单个层面网格信息。

3、根据权利要求1所述的一种基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法，其特征在于，所述步骤A进一步包括：

步骤A1，选取适合的表达三维地质层面构造模型的方法，本发明根据应用目标的特点选取面模型构建三维地质层面构造模型，面模型可以采用任何网格结构来进行表达，如三角形网格、四边形网格等。

步骤A2，由所输入数据中关于层面的离散构造信息，采用插值方法拟合得到每个层面的比较大范围的初始网格；

步骤A3，对每个层面，用层面边界线或区域范围定义参数裁剪层面的初始网格，得到层面的边界网格；

步骤A4，根据层面网格类型，计算层面各单元间相交情况，并生成地质层面网格间交线。

4、根据权利要求1所述的一种基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法，其特征在于，所述步骤B中生成的每个层面上的三角形网格生成单元中，步骤A中计算得出的地质层 面边界及地质层面间交线均作为约束条件嵌入到三角网格单元中，即步骤A中得出的层面边界线及交线在完成步骤B后可由B中三角网格的多个三角形单元边合并构成。

5、根据权利要求1所述的一种基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法，其特征在于，所述步骤C中通过协同生成方法来协调步骤B中不同层面上的三角形生成单元对共享的交线约束条件进行离散化，来保证不同层面间三角网格在交线处的几何与拓扑一致性，实现格架网格连通性的过渡。

6、根据权利要求1所述的一种基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法，其特征在于，所述步骤D中通过非流形半边数据结构来存储步骤C中所生成出的三维地质层面三角形格架网格，该数据结构在保持以半边结构为组织核心的基础上通过引入边数据元素来处理地质层面交线出格架网格的非流形特征。

7、根据权利要求1所述的一种基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法，其特征在于，所述步骤E中基于步骤D中以非流形半边结构存储的格架网格，在不破坏地质层面交线处网格的几何和拓扑一致性的同时，通过对层面格架网格单元进行一致细分来加密网格单元同时优化网格顶点连接数，实现除步骤D中生成的网格顶点外，加密网格顶点连接度数均为六。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：本发明设计的基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法很好地解决了地质层面在交线处三角网格单元在几何与拓扑上的一致性问题，保证了不同层面上格架网格的连通性，使得油气运移的属性值可以在不同层面间进行连续模拟计算，在模拟时能根据油气运移所处的环境，连续计算油气运移的方向和运移量的大小，从而为地质专家预测油气的有利聚集区提供有效的辅助手段。

附图说明

以下结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

图1为基于地质层面结构的三角形格架网格生成生成流程图；

图2为用于构建三维地质构造模型的原始层面离散点数据；

图3为构造好的三维地质层面结构模型与每个层面上的可视化网格及层间交线；

图4三维地质层面结构模型上的初始可视化三角网格；

图5规范化约束条件与约束Delaunay三角网格；

图6不同层面的三角形网格在交线处的几何与拓扑一致性示意图；

图7协同三角形格架网格生成过程的流程图；

图8引入的边结构关系图；

图9非流形数据结构的整体关系图；

图10单个三角形细分示意图

图11三角形格架网格图；

图12交线局部处不同层面上的三角网格的几何与拓扑一致性示意图；

图13一次细分加密后的三角形格架网格图；

图14两次细分加密后的三角形格架网格图。

具体实施方式

油气在地层中的任何流动都可以统称为油气的运移，油气运移是发生在地质历史时期的动态过程，不可能直接观察，而受实验条件的限制，大尺度、长时间、可以考虑多种因素影响的实验往往不能实现。因而，只能通过各种间接的手段来证实运移过程，对油气运移过程的准确的描述可以辅助油气勘探人员获得相关的地理信息，从而给勘探过程带来一定帮助。油气运移的主要通道是输导层中的渗透性地层、不整合面、断层和裂缝，它们相互交叉、切割构成复杂的三维网络流体输导体系，因此需要构建一套三维地质层面格架网格，使得不同地质层面间能够连通，从而使油气运移的属性值可以在不同层面上连续地进行模拟计算，为地质专家预测油气的有利聚集区提供有效的辅助手段。

本实施例详细介绍一种基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法；构造三维地质层面格架网格首先要先构建三维地质层面结构模型，然后构造三维格架式网格模型，最后对已有的网格进行加密和优化。为了对油气运移在多个地质层面上进行连续的模拟计算，对构造三维地质层面格架网格技术有两个核心能力要求：

1)生成的三维地质层面三角形格架网格，在能够准确描述所有三维地质层面的同时，为满足连续的油气运移模拟技术需要，在层面交线处三角形网格单元能够对接，即满足交线处的网格单元几何与拓扑一致性。

2)针对不同粒度的三维油气运移模拟计算的需要，三角形格架网格能够进行在不破坏网格整体连通性的情况下实现网格加密，另外对于三角形格架网格的单元顶点，若其不在层面交线上，则希望其网格顶点连接度尽量为六。

油气运移模型的构造方法取决于油气运移过程自身的特点。油气运移贯穿于油气藏形成、保存、破坏以及再聚集的各个阶段。油气运移通道直接影响油气运移方向和聚集部位，决定着油气的散失量和运移效率。盆地内疏导层中的石油运移路径取决于三维空间封盖面的形态，它们通常平行层面。在封盖面下，油气沿构造上最有利的路径运移。为了对运移过程进行动态模拟，需将输导层在平面上离散化，并以一定间隔的网格为基础，其中任一个网格称为运移单元。油气的运移就体现在单元与单元之间。由于流体势大小的变化导致油气由一个单元运移至另一个单元，油气只需在地层面或断层面上运移。油气运移模型的数值模拟计算只需关注地层或断层面上属性值的变化，而无需关注地质体内部的属性值，可以将地质体内部视 为单一且均匀的介质。

在构建三维油气运移模拟所需的格架网格之前需要首先建立三维地质层面构造模型，利用面模型可以通过表面约束拟合形成逼真的地质层面模型，并且可以精确的描述形体，而体模型只能近似的描述一种形态，对于高精度的地质属性模型构建来说，面模型建模方法是必不可少的。目前，对于普通的三维建模技术已经取得了很好的三维层面模型构造效果，但由于地质问题本身的复杂性，如几何形态和拓扑复杂性、不确定性、模糊性、非线性等，在构造复杂地质模型时往往会遇到许多困难，如对地质体网格精度，对地质体几何形态和空间关系的要求等。目前的大部分三维地质建模方法和技术虽然可以用来生成地层面和断层面的三角网格，但这些方法只解决了单个层面的三角网格描述问题，对于相交的不同地质层面，在交线处网格互不连通，因此不能满足油气运移计算模型对构造模型的需求。另外，在描述层面的三角网格生成过程中，自动化程度不高，需要人为进行干预和设置初始条件，在网格加密技术方面，在对已有的网格结构进行加密的过程中，传统的半边数据结构只局限于对流形拓扑结构的表示。而对于三维地质层面结构而言，大量的非流形特征的存在对于三角形格架网格的存储和加密操作也是一个重要的问题。

本发明的目的在于克服以上所述的不足，提供一种能够有效满足以上所述核心能力要求的格架网格生成方法，即基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法。

本发明中，根据输入数据构建三维地质层面结构模型后，通过描述层面结构的网格计算出层面交线，在此基础上，将针对每个地质层面建立一个三角形生成单元，将地质层面的边界线及层间交线作为该生成单元中的约束条件，然后采用控制细分方法来自动生成满足约束条件的三角网格。为实现每个层面上的三角网格单元在交线处几何和拓扑能够一致对应，即构成格架式网格，通过在每个三角形生成单元进行三角网格生成过程中加入协同细分操作过程，自动实现格架网格的一致过渡效果。同时为了适应不同粒度的油气运移模拟计算需要，采用非流形半边数据结构来存储三角形格架网格，并在此基础上通过采用自动一致细分方法对三角形格架网格单元进行细化，实现不同粒度网格的生产，同时实现网格单元顶点连接度数的优化。本发明通过控制细分方法结合协同细分方法来自动实现三角形格架网格在三维地质层面结构模型上的生成，在交线处通过协同细分来严格保证不同层面网格单元的几何与拓扑一致性对接，实现了三角形格架网格的自动生成，无需对约束线在网格单元中的存在性及不同层面网格的连通性进行人工干预和特殊处理。网格单元加密及顶点连接度优化过程也可根据用户设置的优化次数连续自动进行。上述关于三维地质层面结构模型也可采用其他方法生成描述地质层面结构的任意网格及交线，而不改变要求保护的本发明的范围。图1给出了本发明的三维地质格架网格生成流程图。以下进一步予以详细说明。

首先是步骤200三维地质层面结构模型的建立以及层间交线的计算。每个层面的已知信息为关于地质层面的离散构造信息，其中包括层面的已知离散点信息或者单个层面网格信息。建立三维地质层面结构模型及计算层间交线的过程包括以下步骤：步骤A1，选取适合的表达三维地质层面构造模型的方法，在地质建模中最为常用的建模方法为表面建模和体元建模，其中面模型可以通过表面约束拟合形成逼真的地质层面模型，并可以精确的描述形体表面特征。本发明根据油气运移过程自身的特点：油气的运移体现在地质层面的单元与单元之间，选取面模型构建三维地质层面构造模型，面模型可以采用任何网格结构来进行表达，如三角形网格、四边形网格等。步骤A2，由所输入数据中关于层面的离散构造信息，采用插值方法拟合得到每个层面的比较大范围的初始网格，网格可以采用三角形网格或者四边形网格均可，只需能够按照要求描述地质层面特征即可；步骤A3，对每个层面，用层面边界线或区域范围定义参数裁剪层面的初始网格，得到层面的边界网格；步骤A4，根据层面网格类型，计算层面各单元间相交情况，并生成地质层面网格间交线。图2为层面已知输入数据。图3为构造好的三维地质层面结构模型与每个层面上的可视化网格及层间交线。

步骤210是构造每个层面上的三角形网格生成单元。在上一步骤中的三维地质层面结构模型中虽然每个层面可能已经由三角网格来描述其形态特征，但首先各层面上的三角网格是用于可视化显示，各层面之间的网格并不连通，同时层面间交线并未作为约束条件存在于初始三角网格中。图4给出了层面结构上初始可视化三角网格图。因此需要再步骤210中重新进行层面三角网格生成。构造每个层面上的三角形网格生成单元的过程包括：首先针对每个地质层面收集层面上的约束条件，包括约束顶点，约束边界线以及上一步骤计算出的层间交线约束条件，然后针对这些约束条件进行规范化处理，得到每个层面的规范化约束条件集合，即该集合中的约束条件满足以下规则：1.约束顶点不重合；2.任何约束线段的两个端点均在该集合中；3.集合中的约束线段要么不相交，要么相交于它们的公共端点。然后，在规范化约束条件集合的基础上，进一步可以采用德劳内(Delaunay)细化方法对该地质层面进行约束Delaunay三角网格生成，可参考如下文献予以生成(杨钦，限定Delaunay三角剖分，北京航空航天大学博士论文，2001.8；或孟宪海，复杂限定Delaunay三角化算法，北京航空航天大学博士论文，2005.10)。在生成结果中，约束条件将全部嵌入到三角网格单元中，即约束条件中的顶点均为三角网格中三角形单元的顶点，约束条件中的线段均可由三角网格中有限个三角形单元边组合而成。图5给出了规范化约束条件集合的例子与在该集合约束下的Delaunay三角网格结果。

步骤220是协同生成不同地质层面上的相互连通的三角形格架网格。该步骤是在上一步骤基础上展开的，在上一步骤中，利用德劳内(Delaunay)细化方法生成单个地质层面上的 三角网格时，是首先对约束条件集合中的点集进行Delaunay三角网格生成，生成结束后对于约束条件集合中的每条线段检查其直径外接圆中是否包含网格中的其他定点，即是否满足空圆准则，如果不满足，则对该线段在中点处对半细分，插入新的顶点点，直到所有线段所在网格都满足空圆准则时算法结束。这样，对于共享同一层间交线的两个层面上的三角网格，在层间交线处的三角网格满足几何一致性，但不一定满足拓扑一致性，图6给出了几何与拓扑一致性的示意图。由于三角形格架网格要求在层间交线处不同层面上的网格要达到几何与拓扑一致性，因此在步骤220中，采用协同生成方法来实现，即：在共享同一层间交线段的不同地质层面在进行德劳内(Delaunay)细化方法生成约束三角网格时，当某一层面的三角形生成单元Q_i中的某条约束线段s需要细分时，应先将约束线段s在中点处细分，然后将细分后的两条子线段加入约束条件集合中以替代原约束线段s，此后将s的中点作为新的约束点加入到Q_i的约束点集和三角网格中；其次，若该约束线段为共享公共交线段，则在其他共享该线段的三角形生成单元Q_j(j≠i)中搜索与s对应同一区域边界的约束线段，将这个线段所在的三角形生成单元也按上述步骤执行同样的操作。，实现协同同步细分。其主要步骤包括：1)针对每个地质层面建立一个三角形生成单元Q_i(i＝1，2...n)，2)对每个生成单元执行如下操作：①生成初始三角网格；②每当有新的约束点加入三角网格生成单元中时，利用逐点插入法进行点集的Delaunay三角化；③当某条约束线段l在网格中不存在时，将这条线段进行线段细分操作，同时若该约束线段为公共交线，则在其他共交线的三角形生成单元中搜索线段s，同样对s进行线段细分操作，并将新的约束条件加入到相应的三角形生成单元中，跳转步骤②；3)重复步骤2)直至所有生成单元检查完毕，结束。图7给出了整个协同三角形格架网格生成过程的流程图。

步骤230是采用非流形半边数据结构存储三角形格架网格。传统的三角网格数据结构均为针对流形结果，半边数据结构将一条边表示成拓扑意义上的方向相反的两条半边，对于一个半边数据元来说，只能同时记录正反两条半边，而对于共交线处网格结构至少存在三条以上半边的情况则无法处理。本发明引入了非流形半边数据结构来对三角形格架网格进行存储，即在半边数据结构基础上加入了边数据元作为半边数据元的父组织元素，首先为共交线上的每个边数据元建立其子半边集合，此时边数据元与半边数据元是一对多的关系；同时建立每条半边与三角形的关系，半边与三角形是一对一的关系；建立三角形与层面的关系，层面与三角形是一对多的关系。对于查找过程来说，只需找到该数据元所在的边，然后通过该边遍历其子半边集合，并通过半边查找到其所在的三角形，最后通过三角形所在层面的标志值来判断待查元素的层面位置，最终获得需要查找的数据元。在非流形半边数据结构中，含有面、三角形、边、半边、点五个数据元。五个数据元素按照递进关系互为父子关系。图8给出了 边结构的引入关系图。图9给出了非流形数据结构的整体关系图。

步骤240是采用单元一致细分方法优化三角形格架网格。在优化三角形格架网格过程中，首先需要保证三角形格架网格在交线出的几何与拓扑一致性不被破坏，同时进来增加三角格架网格顶点中连接数为六的顶点所占的比例。在优化过程中，对于每个三角形格架网格单元，采用一致细分方法对三角形单元进行细化，即将三角形三条边的中点相连接，将一个三角形单元细分为四个三角形单元，这种细分方式是全局同时进行的，对于交线边的细分是一致的，保证了几何与拓扑一致性。另外，除在交线边上的网格顶点之外，细分后新增加的三角形单元顶点的连接数均为六。图10给出了单个三角形单元细分后的示意图。

至此，通过上述方法可以生成三维地质层面结构模型上的三角形格架式网格。同时给出如下实施例。图11给出了以图2为输入数据的三角形格架网格图，其中三角形顶点数量为4727个，三角形数量为8600个。图12给出了交线局部处不同层面上的三角网格的几何与拓扑一致性情况。图13给出了进行一次细分加密后的三角形格架网格图，格架网格顶点数量为18073，三角形数量为34400，连接数为六的内部顶点数量占总顶点数量的89.7％。图14给出了进行两次细分加密后的三角形格架网格图，格架网格顶点数量为70656，三角形数量为137600，连接数为六的内部顶点数量占总顶点数量的97.9％。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法，用以在三维地质层面构造模型基础上生成层面间具有几何及拓扑一致性联通的三角形格架网格，用于三维油气运移与运聚模拟计算。其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，根据输入数据构建三维地质层面构造模型，并计算计算地质层面间交线；

步骤B，构造每个地质层面上的三角形网格生成单元；

步骤C，通过协同方法生成每个地质层面上的三角形格架网格单元；

步骤D，通过非流形半边数据结构存储所有三角形格架网格单元；

步骤E，通过单元一致细分方法优化格架网格单元顶点连接度属性；

2.根据权利要求1所述的一种基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法，其特征在于，所述输入数据为关于地质层面的离散构造信息，其中包括层面的已知离散点信息或者单个层面网格信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法，其特征在于，所述步骤A进一步包括：

步骤A1，选取适合的表达三维地质层面构造模型的方法，本发明根据应用目标的特点选取面模型构建三维地质层面构造模型，面模型可以采用任何网格结构来进行表达，如三角形网格、四边形网格等。

步骤A2，由所输入数据中关于层面的离散构造信息，采用插值方法拟合得到每个层面的比较大范围的初始网格；

步骤A3，对每个层面，用层面边界线或区域范围定义参数裁剪层面的初始网格，得到层面的边界网格；

步骤A4，根据层面网格类型，计算层面各单元间相交情况，并生成地质层面网格间交线。

4.根据权利要求1所述的一种基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法，其特征在于，所述步骤B中生成的每个层面上的三角形网格生成单元中，步骤A中计算得出的地质层面边界及地质层面间交线均作为约束条件嵌入到三角网格单元中，即步骤A中得出的层面边界线及交线在完成步骤B后可由B中三角网格的多个三角形单元边合并构成。

5.根据权利要求1所述的一种基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法，其特征在于，所述步骤C中通过协同生成方法来协调步骤B中不同层面上的三角形生成单元对共享的交线约束条件进行离散化，来保证不同层面间三角网格在交线处的几何与拓扑一致性，实现格架网格连通性的过渡。

6.根据权利要求1所述的一种基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法，其特征在于，所述步骤D中通过非流形半边数据结构来存储步骤C中所生成出的三维地质层面三角形格架网格，该数据结构在保持以半边结构为组织核心的基础上通过引入边数据元素来处理地质层面交线出格架网格的非流形特征。

7.根据权利要求1所述的一种基于地质层面结构的三角形格架网格生成方法，其特征在于，所述步骤E中基于步骤D中以非流形半边结构存储的格架网格，在不破坏地质层面交线处网格的几何和拓扑一致性的同时，通过对层面格架网格单元进行一致细分来加密网格单元同时优化网格顶点连接数，实现除步骤D中生成的网格顶点外，加密网格顶点连接度数均为六。

Images