CN105487116A - 层面模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种层面模型建立方法。所述方法包括：根据地震数据建立断面模型；将预设建模区域进行网格划分，将划分的网格作为第一网格；基于所述断面模型，设置每个第一网格边的连通状态；基于所述地震数据，以及预设的分段函数，建立关于指示函数的泊松方程，其中，所述分段函数用于表示层面的变化趋势，所述指示函数为标量场，用于表示层面的内外区域；基于所述泊松方程和设置网格边连通状态后的第一网格，建立层面模型。本申请实施例的方法，可以适用于存在正断层和/或逆断层的情况，并且可以提高层面模型的建立效率。

Description

层面模型建立方法

技术领域

本申请涉及地球物理勘探地震数据处理技术领域，特别涉及一种层面模型建立方法。

背景技术

层面，又称地层面，一般为地层与地层的分界面。层面模型一般是对地层层面的数学描述，是研究地质参数空间分布的重要基础，也是研究三维地层模型的重要方法。层面模型的建立为地质构造图和储层参数分布的绘制和显示提供了方法基础。

现有技术中，建立层面模型的方法主要包括基于断面分块的方法和基于连续曲面的方法。

公开号为US2006014343A的美国专利技术中给出了一种基于连续曲面建立层面模型的方法。其基本思路为：利用地震数据建立断面模型，然后利用层位数据拟合一个初始连续层面并与所述断面模型求交，并计算初始层面与断面的交线；基于所述交线扣除断面附近不合理的数据，然后重新网格化所述初始层面模型，得到垂直断裂的层面模型；利用所述断面模型进一步外推或者裁剪所述垂直断裂的层面模型，得到和断面模型相吻合的最终断裂层面模型。上述层面模型建立方法，虽然是目前大多数建模软件所采用的方法，但是，其一般无法适用于存在大量逆断层的情况。

公开号为US20070168169A的美国专利技术给出了一种基于断面分块建立层面模型的方法。其基本思路为：利用地震数据建立断面模型，然后基于所述断面模型将建模区域划分为简单的断块；然后基于划分的断块，将层面数据网格化，并合并为一个完整的层面模型。上述层面模型建立方法，断块的划分较为复杂，特别是在建模区域的横向或者纵向存在大量的非通透断面时，常常需要反复的交互控制断面的外延趋势，才可以得到合理的断块划分结果，从而使得层面模型的建立需要花费较长的时间，建模效率较低下。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种层面模型建立方法。所述方法可以适用于存在正断层和/或逆断层的情况，并且可以提高层面模型的建立效率。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种层面模型建立方法是这样实现的：

一种层面模型建立方法，包括：

根据地震数据建立断面模型；

将预设建模区域进行网格划分，将划分的网格作为第一网格；

基于所述断面模型，设置每个第一网格边的连通状态；

基于所述地震数据，以及预设的分段函数，建立关于指示函数的泊松方程，其中，所述分段函数用于表示层面的变化趋势，所述指示函数为标量场，用于表示层面的内外区域；

基于所述泊松方程和设置网格边连通状态后的第一网格，建立层面模型。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本申请实施例通过泊松方程，可以将地震数据转换为指示函数标量场，通过所述指示函数标量场可以快速地得到层面的内外区域。因此，与现有技术相比，本申请实施例的方法可以在存在大量正断层和/或逆断层的情况下，高效地建立层面模型，从而可以提高层面模型建立过程的适应能力以及建立效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例层面模型建立方法的流程图；

图2为本申请实施例断层局部坐标系示意图；

图3为本申请实施例断面接触关系为主辅关系的示意图；

图4为本申请实施例断面接触关系为主主关系的示意图；

图5为本申请实施例在正断层的情况下，断面模型的示意图；

图6为本申请实施例在逆断层的情况下，断面模型的示意图；

图7为本申请实施例在对建模区域进行网格划分后，标记穿过图5所示的断面模型的网格边的示意图；

图8为本申请实施例在对建模区域进行网格划分后，标记穿过图6所示的断面模型的网格边的示意图；

图9为本申请实施例图5所示的断面模型和层位数据点的分布示意图；

图10为本申请实施例图6所示的断面模型和层位数据点的分布示意图；

图11为本申请实施例层位数据点的最优邻域点集和法向量估计示意图；

图12为本申请实施例在正断层的情况下，离散隐函数场的某一剖面效果示意图；

图13为本申请实施例在逆断层的情况下，离散隐函数场的某一剖面效果示意图；

图14为本申请实施例在正断层的情况下，离散隐函数场中第一网格的模型示意图；

图15为本申请实施例在逆断层的情况下，离散隐函数场中第一网格的模型示意图；

图16为本申请实施例非完整单元的有效节点和非有效节点划分示意图；

图17为本申请实施例完整单元的示意图；

图18为本申请实施例在正断层的情况下，建立的层面模型示意图；

图19为本申请实施例在逆断层的情况下，建立的层面模型示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

在石油勘探开发过程中，常常需要依据地震数据或测井数据建立地下地质模型，以模拟和分析油气分布、计算剩余开采储量、以及对开采设计方案进行数值模拟计算和分析，从而确定最佳的开发设计方案。因此，地质模型的建立是勘探开发过程中的一项重要工作。

在建立地质模型的过程中，通常需要建立描述地层层面的层面模型。快速准确的建立层面模型是建立地质模型的基础和关键，层面模型的不确定性对油气剩余资源的分析影响很大。

建立层面模型的方法主要包括基于断面分块的方法和基于连续曲面的方法。上述两种方法目前均广泛用于地质建模系统中。但面对越来越复杂的构造地质情况，比如存在大量正逆断层的情况或上千个断面的情况，上述层面模型建立方法常常需要花费较长的时间，甚至无法完成建立，严重制约着层面模型的建立效率。

本申请实施例提供一种基于泊松方程的自动地质层面建模方法，以解决现有技术中的建模方法无法适应复杂构造情况下的正断层和逆断层问题，以及层面模型建立效率低下的问题，从而为后续的地层网格模型和属性模型的分析和模拟提供了保证。所述方法可以包括如下的步骤：

S101：根据地震数据建立断面模型。

具体地，所述地震数据可以是根据地震观测系统采集得到的地震数据。所述断面又称断层面，是因受挤压或拉伸等作用过度，使地层发生断裂而形成的面。每个断层一般均具有断面。通常地，断面与层面之间可以相交，断面与断面之间也可以相交。

一般地，可以通过如下的方式，根据地震数据建立断面模型：

a：从所述地震数据中获取每个断层的数据点集。

一般地，地震数据中可以包括多个断层的数据。地震数据一般是通过采集得到的，因此，每个断层的数据可以包括多个数据点。那么，可以将断层的多个数据点作为该断层的数据点集。

b、根据每个断层的数据点集，建立该断层的局部坐标系。

具体地，可以根据每个断层的数据点集，基于主分量分析法，估计该断层的最大投影局部坐标系(LocalCoordinate)，并将该断层的数据点集转换至该局部坐标系。其中，所述局部坐标系，一般为以物体的中心为坐标原点建立的坐标系。物体的旋转或平移等操作都是围绕该物体的局部坐标系进行的。当物体模型进行旋转或平移等操作时，局部坐标系也执行相应的旋转或平移操作。所述局部坐标系可以包括局部笛卡尔直角坐标系。图2为断层的局部坐标系示意图。

c：在每个断层的局部坐标系中，根据该断层的数据点集，拟合该断层的断面，并获取该断面的边界，其中，所述断面采用第二网格表示。

所述第二网格可以包括矩形网格。所述断面的边界的形状可以为多边形。

具体地，在每个断层的局部坐标系中，可以根据该断层的数据点集，基于最小曲率插值算法，拟合该断层的断面，然后基于AlphaShapes算法，计算该断面的边界。其中，断层的断面可以由多个第二网格组成。

d：基于断面的第二网格和边界，以及断面之间的接触关系，得到断面模型。

断面之间的接触关系可以包括无关系、主辅关系和主主关系。其中，无关系表示断面之间不接触；主辅关系表示主断面裁剪辅断面；主主关系表示断面之间存在交切，但求交后断面之间互相不裁剪。图3为断面接触关系为主辅关系的示意图，图4为断面接触关系为主主关系的示意图。

具体地，对于每个断层的断面，可以在该断层的局部坐标系中，利用该断面的边界裁剪该断面的第二网格，得到该断层的初始断面模型。例如，当第二网格为矩形网格时，可以利用断面的边界裁剪该断面的矩形网格，保留边界内部的矩形网格，并将边界内部的矩形网格转换为预设的三角形网格，最后将所述三角形网格变换至世界坐标系，从而得到与该断面对应的断层的初始断面模型。然后根据各个断面之间的接触关系，计算断面之间的交线，并沿所述交线对所述初始断面模型进行裁剪和网格划分，得到最终的断面模型。图5为在正断层的情况下，断面模型的示意图。图6为本申请实施例在逆断层的情况下，断面模型的示意图。

S102：将预设建模区域进行网格划分，将划分的网格作为第一网格。

所述第一网格可以为三维计算网格，具体可以包括四面体网格和长方体网格。

具体地，可以根据预设层面网格的大小，将预设建模区域划分为多个第一网格。所述预设建模区域可以为预设的建立层面模型的区域。

S103：基于所述断面模型，设置每个第一网格边的连通状态。

在划分第一网格后，为了处理断面引起的层面不连续性，可以基于所述断面模型，设置每个第一网格的边的连通状态。下面以长方体网格为例，详细说明设置每个第一网格边连通状态的过程。

f：将每个长方体网格边的连通状态设置为连通。

具体地，对于每个长方体网格顶点，可以将与该顶点相连的网格边的连通状态设置为连通。一般地，在所述建模区域内，除边界顶点外，每个长方体网格顶点可以有六个网格边与该顶点相连接，那么，可以将与该顶点相连的六个网格边的连通状态设置为连通。例如可以将与该顶点相连的六个网格边的连通状态标记为0。其中，0表示网格边连通。

g：基于连接于同一个顶点的并属于同一个长方体网格的网格边，生成第一方向、第二方向和第三方向的网格线，获取所述断面模型分别与第一方向、第二方向和第三方向的网格线的交点，基于每个交点，修改每个长方体网格边的连通状态。

具体地，在所述建模区域内，除边界顶点外，与同一个长方体网格顶点相连接的并且属于同一个长方体网格的网格边有三个，该三个网格边相互垂直，那么，可以将该三个网格边的方向分别作为第一方向、第二方向和第三方向。然后根据所述第一方向、第二方向和第三方向，分别生成第一方向、第二方向和第三方向的网格线。然后可以将所述断面模型分别与第一方向、第二方向和第三方向的网格线求交，得到断面模型与每个网格线的交点，然后利用交点判断每个长方体网格边是否与断面模型的断面相交，如果相交则修改该网格边的连通状态为不连通。例如，可以将该网格边的连通状态标记修改为1。例如，在图2中，x方向为第一方向，y方向为第二方向，z方向为第三方向。

图7为在对建模区域进行网格划分后，标记穿过图5所示的断面模型的网格边的示意图。图8为在对建模区域进行网格划分后，标记穿过图6所示的断面模型的网格边的示意图。在图7和图8中，若网格边穿过断面模型，则修改该网格边的连通状态为不连通。图7和图8中的标记过程可以在求解泊松方程时保证断面两侧的网格计算互不影响，从而巧妙的解决了隐函数场的不连续计算问题。

S104：基于所述地震数据，以及预设的分段函数，建立关于指示函数的泊松方程，其中，所述分段函数用于表示层面的变化趋势，所述指示函数为标量场，用于表示层面的内外区域。

泊松方程是一种偏微分方程，主要用于连续闭合曲面的重构。泊松方程的基本原理为：已知计算定义域A，以及A上的向量场求出函数Φ使其梯度最佳逼近向量场即满足算式依据变分原理等相关定理，上述求解过程等价于求解泊松方程 $\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}=\▿\·\stackrel{\→}{V}.$ 其中，

表示梯度向量场的散度，具体为

Δφ＝divgradφ，其中，gradφ表示标量φ的梯度，divgradφ表示标量φ梯度的散度。

泊松方程可以用于工业产品设计中逆向工程的闭合曲面重构，并能够取得很好的效果。该闭合曲面重构通常情况下是一种隐式闭合曲面重构方法。闭合曲面重构的基本思路为：依据给定测量散点的空间位置和法矢信息，利用分段函数定义闭合曲面的内外部分，并基于分段函数建立泊松方程，然后通过求解泊松方程提取指示函数值为零的等值面。

一般地，表示层面变化趋势的函数在层面边界处是不连续的，因此，为了数值计算的稳定性，可以在距边界的距离w内设置为线性过渡形式。分段函数的形式可以如下：

其中，w为预设的与边界之间的距离；

d为分段函数的自变量，表示层位数据点距离层面边界的距离。

具体地，可以从所述地震数据中获取层位数据点，并计算每个层位数据点的法向量，然后根据所述分段函数以及每个层位数据点的法向量，建立关于指示函数的泊松方程。图9为图5所示的断面模型和层位数据点的分布示意图。图10为图6所示的断面模型和层位数据点的分布示意图。

在本实施方式中，可以基于自然邻域搜索算法建立每个层位数据点的最优邻域点集，然后基于最优邻域点集进行最小二乘法平面拟合，得到拟合平面，然后获取该拟合平面的法向量，并将该拟合平面的法向量的方向调整为竖直向上的方向，将调整方向后的法向量作为该层位数据点的法向量。图11为层位数据点的最优邻域点集和法向量估计示意图。其中，z方向为拟合平面的法向量方向。

在本实施方式中，可以基于所述分段函数，以及每个层位数据点的法向量，建立梯度向量场具体地，可以对所述分段函数进行平滑滤波卷积，然后根据平滑滤波卷积后的分段函数，以及每个层位数据点的法向量，通过如下的公式建立梯度向量场

其中，M为层面包围的下半部分区域；

为层面；

为表示层面上下区域的指示函数；

F表示平滑滤波算子，包括高斯滤波算子；

表示层面数据点p的法向量。

在本实施方式中，根据梯度向量场可以建立关于指示函数φ的泊松方程。所述泊松方程具体为： $\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}=\▿\·\stackrel{\→}{V}.$ 其中，

函数φ为指示函数，

为根据所述分段函数生成的梯度向量场，

为梯度向量场的散度，

Δφ为指示函数φ梯度的散度。

S105：基于所述泊松方程和设置网格边连通状态后的第一网格，建立层面模型。

具体地，可以求解所述泊松方程，得到指示函数。然后基于所述指示函数，以及设置网格边连通状态后的第一网格，建立层面模型。所述指示函数一般为标量场，其内部可以包括多个第一网格。一般地，网格顶点的指示函数的值可以作为该网格的指示函数的值。那么，可以基于指示函数，获取指示函数的值为零的第一网格，并根据获取的第一网格的边的连通状态，判断获取的第一网格是否为完整单元，然后根据判断结果，基于预设规则从获取的第一网格中提取曲面，最后将提取的曲面组成的模型作为层面模型。图12为在正断层的情况下，离散隐函数场的某一剖面效果示意图。图13为在逆断层的情况下，离散隐函数场的某一剖面效果示意图。图14为在正断层的情况下，离散隐函数场内第一网格的模型示意图。图15为在逆断层的情况下，离散隐函数场内第一网格的模型示意图。其中，所述隐函数一般为泊松方程中的指示函数。

在本实施方式中，为了快速求解泊松方程，可以根据有限差分算法，将所述泊松方程离散为线性方程组，然后采用基于多重网格分裂的共轭梯度法，求解所述线性方程组，得到指示函数。

在本实施方式中，可以依次获取每个指示函数的值为零的第一网格。对于获取的第一网格，可以基于该第一网格的边的连通状态，判断该第一网格是否为完整网格单元。具体地，当该第一网格的边的连通状态为连通时，可以判断该第一网格为完整网格单元，当该第一网格的边的连通状态为不连通时，可以判断该第一网格为非完整网格单元。

在本实施方式中，如果第一网格是完整网格单元，那么可以基于经典的移动立方体(MarchCube，MC)算法，提取该第一网格单元的曲面片。

在本实施方式中，如果第一网格是非完整网格单元，那么，可以基于该第一网格每个边的连通状态将该第一网格划分为多个部分。每一部分可以记录有该部分的有效节点列表，那么，对于其中的每一部分，可以按照有效节点列表和该部分网格边的连通状态，从已处理的完整网格单元或非完整单元中搜索邻近控制点集，并基于三维局部克里金插值算法外推估算该部分的非有效节点集，然后在估算的基础上生成一个伪有效单元，并基于经典的移动立方体算法从该伪有效单元中提取指示函数的值为零的三角面，然后利用穿过该第一网格的断面裁剪提取的三角面。

在本实施方式中，可以搜集所有完整网格单元的曲面片，以及非完整网格单元的裁剪的并提取的三角面，得到层面模型。图16为非完整单元的有效节点和非有效节点划分示意图。在图16中，浅灰色的面为穿过网格的断面，即与网格相交的断面，深灰色的面为该断面与网格相交所形成的面。图17为完整单元的示意图。图18为在正断层的情况下，得到的层面模型示意图。图19为在逆断层的情况下，得到的层面模型示意图。

图1所对应的实施例，通过泊松方程，可以将地震数据转换为指示函数标量场，通过所述指示函数标量场可以快速地得到层面的内外区域。因此，与现有技术相比，图1所对应的实施例可以在存在大量正断层和/或逆断层的情况下，高效地建立层面模型，从而可以提高层面模型建立过程的适应能力以及建立效率。

进一步地，图1所对应的实施例，在三维空间中使用泊松方程，将地震数据中的层位数据点转换为指示函数标量场，通过抽取指示函数标量场的等值面数据生成层面模型。因此，图1所对应的实施例可以提高层面模型建立过程的适应能力以及及建立效率。

进一步地，图1所对应的实施例，与现有技术相比，基于泊松方程建立层面模型，因此对输入数据具有较强的适应性，可以采用统一的方式处理各种复杂的地质界面。例如可以统一处理含有大量非通透复杂交切情况下的正逆断裂层面、盐丘层面等地质界面。

更进一步地，图1所对应的实施例，具有良好的外推能力，以及在大规模断面存在的情况下，快速建立层面模型的能力，可以在有数据点的地方忠实于实际数据信息，在没有数据点的地方具有合理的外推效果，从而可以极大地提高层面模型的建立效率并实现边解释边建模工作模式。

虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。

Claims (10)

1.一种层面模型建立方法，其特征在于，包括：

根据地震数据建立断面模型；

将预设建模区域进行网格划分，将划分的网格作为第一网格；

基于所述断面模型，设置每个第一网格边的连通状态；

基于所述地震数据，以及预设的分段函数，建立关于指示函数的泊松方程，其中，所述分段函数用于表示层面的变化趋势，所述指示函数为标量场，用于表示层面的内外区域；

基于所述泊松方程和设置网格边连通状态后的第一网格，建立层面模型。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述泊松方程为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}=\▿\·\stackrel{\→}{V},$

其中，函数φ为指示函数，

为根据所述分段函数生成的梯度向量场，

为梯度向量场的散度，

Δφ为指示函数φ梯度的散度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据地震数据建立断面模型，具体包括：

从所述地震数据中获取断层的数据点集；

根据每个断层的数据点集，建立该断层的局部坐标系；

在每个断层的局部坐标系中，根据该断层的数据点集，拟合该断层的断面，并获取该断面的边界，其中，所述断面采用第二网格表示；

基于断面的第二网格和边界，以及断面之间的接触关系，得到断面模型。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述第一网格为长方体网格时，所述基于所述断面模型，设置每个第一网格边的连通状态，具体包括：

将每个长方体网格边的连通状态设置为连通；

基于连接于同一个顶点的并属于同一个长方体网格的网格边，生成第一方向、第二方向和第三方向的网格线，获取所述断面模型分别与第一方向、第二方向和第三方向的网格线的交点，基于每个交点，修改每个长方体网格边的连通状态。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述地震数据，以及预设的分段函数，建立关于指示函数的泊松方程，具体包括：

从所述地震数据中获取层位数据点，并计算每个层位数据点的法向量；

根据预设的分段函数，以及每个层位数据点的法向量，建立关于指示函数的泊松方程。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述泊松方程和设置网格边连通状态后的第一网格，建立层面模型，具体包括：

求解所述泊松方程，得到指示函数；

基于所述指示函数，以及设置网格边连通状态后的第一网格，建立层面模型。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于所述指示函数，以及设置网格边连通状态后的第一网格，建立层面模型，具体包括：

获取指示函数的值为零的第一网格，根据获取的第一网格的边的连通状态，判断获取的第一网格是否为完整单元；

根据判断结果，基于预设规则从获取的第一网格中提取曲面；

基于提取的曲面，建立层面模型。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述预设规则包括移动立方体算法。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述断面之间的接触关系包括不接触、主主接触和主辅接触。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分段函数包括：

其中，w为预设的与边界之间的距离；

d为分段函数的自变量，表示层位数据点距离层面边界的距离。