CN1797035A - 三维复杂地质体重构的技术 - Google Patents

Abstract

一种涉及石油物探并针对复杂地质体的构建的三维复杂地质体重构的技术，构建基于等势场的初始曲面；优化初始曲面的三角网格的单元质量并建立网格单元的拓扑关系，然后将所有的其他已知信息按照离散光滑插值算法的输入模型的要求转化为各种模糊控制约束信息，此外将所有的控制点变为模糊控制点约束信息；将上一步的所有约束信息输入到离散光滑插值器中，然后计算这些约束与初始网格曲面模型的耦合关系，减少多值体构建曲面模型的交互补点过程，使得复杂多值体构建曲面模型过程便于实现，而且曲面的交互编辑方法灵活方便。

Description

三维复杂地质体重构的技术

技术领域

本发明涉及石油物探技术，具体是针对复杂地质体的构建，是一种三维复杂地质体重构的技术。

背景技术

在地球物理勘探中，三维地震地质体构建曲面主要是综合利用勘探阶段的地质、测井、物探、野外岩石露头等数据，采用一定的几何方法来构建油藏在三维空间的几何分布形态，主要以边界表示法和格栅表示法为主，采用一定的网格模拟三维空间的各种属性分布，以提供在三维空间中对油藏的整体描述的手段。

随着油气勘探的不断深入，对复杂构造的地质建模要求日益提高，流行的地质建模软件如Earthvision，Gocad基本具备了处理复杂的连续和非连续多值地质体(如断层、褶皱、盐丘体、透镜体等)的功能，但所采用的方法都存在一定的局限性。

在近年的SEG年会上，美国动态图形公司(Dynamic Graphics，Inc，缩写DGI)公司的Earthvision构建曲面采用基于规则距离场的三维最小张力插值方法构建多值体，其不足之处在于不能够解决多值体断裂的问题，此外也不能够加入其他线性约束信息进行模型约束，只能用散乱控制点信息，而且常常需要大量交互地加入一定量的控制点，采用循环迭代方式调节和优化模型，实施过程比较繁琐。此外由于采用了三维网格化技术，所以如果网格采样率高或者已知控制点数量庞大时，网格化计算量非常大，当然可以采取粗细网格分裂和数据点抽稀办法，但对后续的交互修改不利。

在美国TSurf公司的Gocad三维油藏描述则采用一种离散光滑插值的来构建复杂模型，该插值是一个广谱的插值，其实现思路不同于Erathvision软件，可以加入各种约束条件进行模型约束，而且不需要将模型嵌入到一个规则的三维均匀网格中，只需要一个初始解，它直接建立约束信息和模型的关系，采用迭代的方式构建模型，其不足之处在于初始曲面的构建比较困难，对网格的拓扑结构信息要求比较高，而且收敛很大程度上受初始模型的影响，如果初始模型不合理，算法将无法正确地逼近已知信息，而仅仅达到局部极小收敛，而且也影响到约束条件的更新，要求网格的拓扑变化和约束条件的变化必须完全准确而且快速。

瑞典的NORSAR也采取了分片重构再合并的技术，该方法原则上可以建立各种复杂的模型，特别是存在复杂断裂，但其不足在于每片之间光滑连接比较困难，而且对于散乱点数据，空间的划分需要交互实现。

其他的一些自动重构，比如直接在三维空间三角剖分的方法只有在数据分布均匀的情况下才可以实现，一旦数据分布不均匀或者变化剧烈时，则这些方法往往失效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种简便、高效、准确的三维复杂地质体重构的技术。

本发明的三维复杂地质体重构的技术，包括以下步骤：

a)将需要构建复杂地质体曲面对象嵌到一个三维均匀、规则的粗网格中，利用控制散乱点的局部邻近点估计该点的法向量，然后利用该点的法向量交互或自动的增加内外趋势控制点，将原有的控制点和趋势控制点一起作为已知信息，构建基于等势场的初始曲面；

b)优化初始复杂地质体曲面三角网格的单元质量并建立网格单元的拓扑关系，然后将所有其他已知信息按照离散光滑插值算法输入模型的要求转化为各种模糊控制约束信息，并将所有控制点变为模糊控制点约束信息；

c)将上一步的所有约束信息输入到离散光滑插值器中，然后计算这些约束信息与初始网格曲面模型的耦合关系，并用迭代的方式计算模型，在计算时对曲面网格局部加密，采用多重网格分裂的优化迭代办法，而且每迭代数次就可以进一步优化约束条件与网格元素的耦合关系，直到最终逼近需要的曲面。

本发明的三维复杂地质体重构的技术，对于较为简单的曲面，其构建等势场的方法是采取隐式曲面方法，利用所有的控制点计算出零等势场的隐式曲面代数方程，然后利用隐式曲面的快速多边形化算法提取出隐式曲面方程所代表的曲面，即初始曲面。

本发明的三维复杂地质体重构的技术，对于较为复杂的曲面，其构建等势场的方法是自动或则交互地增加趋势控制点，而且设曲面中控制点的势场值为零，内侧势场值与外侧势场值必须符号相反，利用三维变分插值算法对三维网格节点处的势场值进行插值得到需要的等势场，最后利用三维规则网格等值面提取算法提取出零等势场曲面网格，即初始网格模型。

本发明的三维复杂地质体重构的技术，所述的采取隐式曲面方法求取初始曲面，利用了所有控制点来构建隐式曲面方程，采用空间递归分裂方法提取等值面。

本发明的三维复杂地质体重构的技术，所述的优化采用了基于能量最小的离散光滑插值办法，需要将所有的已知信息变为约束信息，同时需要一个拓扑关系准确、优化的三角网格初始曲面模型，构成一个离散光滑插值初始输入模型。

本发明的三维复杂地质体重构的技术，所述的离散光滑插值通过采用多重网格分裂的迭代过程实现，每迭代15-20次即可进一步优化约束条件和模型的耦合条件。

本发明的三维复杂地质体重构的技术，所述的约束信息为线性约束信息，包括三维的断层落差信息、曲面切向量信息、模糊控制点信息、模糊控制节点。

本发明所述的模糊控制点信息，主要由空间无组织散乱点构成，这些点作为一个外力吸引初始曲面到这些点上。

本发明所述的模糊控制节点，表示初始曲面上已知的网格节点，这些节点在离散光滑插值过程中是不变的。

本发明所述的模糊控制向量，主要表示三角网格中两节点之间的空间位移量，它可以模拟存在断裂的构造曲面，如果在三维空间中具有该信息，便可以直接综合到建模器中构建多值的存在断裂的曲面。

本发明所述的模糊控制切平面，主要约束网格上某些点处的局部平面法向量已知情况下的曲面形态建模，因为有实测井解释信息可以提供该构造曲面在井点位置上的倾角信息，而该信息可以转化为切平面约束信息。

本发明的三维复杂地质体重构的技术，如所述的约束信息为非线性的已知信息时，则需要对其线性化后再加入。

本发明的三维复杂地质体重构的技术，对于所得的模型可以进一步调整离散光滑插值的光滑因子来获得更为光滑的模型。

本发明的三维复杂地质体重构的技术，所得的模型不够合理时，可以通过实时地交互编辑，实现对模型的修改。

本发明的三维复杂地质体重构的技术，采用基于简单约束的三维自由变形算法和离散光滑插值算法，对模型进行交互编辑方法可在三维空间中任意地编辑模型。

1)离散光滑插值的编辑方法：

由于离散光滑插值算法与维数无关，具有空间对称不变性，采用其特有的扇形拉普拉斯算子，实现曲面的节点编辑，方法为：

交互拾取曲面上的一些网格节点，然后移动到合适的位置，同时将这些节点设定为模糊控制节点，然后调用离散光滑插值，曲面的局部就会按照用户的希望变形到合适的位置，如果网格过粗也可以局部加密网格使曲面更光滑。

此外，由于离散光滑插值只与三角网格单元和约束条件有联系，采用三角网格单元的局部面积坐标系可以建立控制点与三角网格的影响关系式，为交互光滑编辑曲面提供了另一种方法，即采用增加模糊控制节点的方法来编辑曲面。

本发明三维复杂地质体重构的技术，解决了三维复杂地质体的构建问题，实现简便、高效、准确，同时也减少多值体构建曲面模型的交互补点过程，使得复杂多值体构建曲面过程便于实现，而且曲面的交互编辑方法灵活方便。

附图说明

图1盐体的散乱控制点数据示意图

图2盐体的重构结果示意图

图3多值面的数据集示意图

图4多值面构建曲面的结果示意图

图5透镜体的数据集示意图

图6透镜体构建曲面的结果示意图

图7初始曲面的形态和网格示意图

图8曲面编辑的中间状态示意图

图9曲面编辑的最终结果示意图

具体实施方式

实施例1构建多值盐丘体曲面的结果

图1所示，该实例已知的地震解释散乱数据点个数为4890个，其形状比较复杂。采用常规的方法难以建立准确的模型，二维绘图方法也无法描述其形态，采用本发明方法则可以有效地解决该问题。

其具体实施步骤为：

1.首先根据数据集采用三维等势场建立初始三角剖分曲面。

2.优化和建立三角网格的拓扑关系，这一步主要是重构三角面元之间、网格节点之间、三角单元边之间的邻接拓扑关系。

3.在上述初始网格建立的基础上，将每个散乱数据点约束到网格单元上，采用空间最近投影距离的方法建立控制点与网格单元的约束关系。

4.在约束条件建立后，采用能量最小的离散光滑插值算法通过迭代使曲面进一步逼近散乱点集，这一步可以设置迭代步长15，光顺因子2.0。

5.重复步骤3和4，即每隔10-15次迭代就修改约束信息，重新计算控制点到新的网格单元之间的对应约束关系，同时再采用步骤4进一步逼近曲面。

6.当需要得到更光滑的多值曲面或者经过步骤5的数次处理后仍然无法进一步逼近散乱点时，便需要采用多重网格分裂的方法优化曲面的逼近效果，加密网格后再采用步骤5。

通过上述步骤就可以得到如图2所示的结果。

实施例2构建多值地层面曲面的结果

图3是一个17000多个散乱数据点的多值地层面，初始曲面没有采用隐式曲面，而是采用了一个最简单的二维平面三角网格，然后采取能量变形的办法逼近，图4所示的最终的曲面显示逼近效果非常好，其中三角网格的面元数为12000个。

实施例3构建透镜体曲面

图5所示，为一个闭合的透镜体建立结果，已知的散乱数据点个数为1500个，其具体的构建曲面步骤为：

1.首先利用局部估算的散乱点处的法向量在模型的内外各加入几个控制点，然后利用隐式曲面构建曲面方法建立初始模型网格。

2.建立初始网格的拓扑关系，并建立网格单元与散乱控制点之间的对应约束关系。

3.利用基于能量的离散光滑插值方法进一步光滑和逼近模型，具体的细节与实施例1相类似。

通过以上步骤可以得到如图6所示的结果。

当然，对于此模型也可以直接用闭合球面或闭合立方体面来代替初始的模型网格，只不过迭代次数多一些，但也可以得到同样的结果。

实施例4多值曲面任意光滑交互编辑实例

如图7所示为一个采用上述方法建立的多值光滑网格曲面，对该网格模型的三维光滑编辑采用了两种方法，分别为：

基于简单约束的广义元球编辑方法，具体实施步骤为：

1.首先设置一个空间影响半径，在该半径球内的曲面节点都需要移动，在半径球外的节点则不需要移动。

2.利用鼠标交互地在三维空间中拾取一个网格节点，然后沿着该节点的曲面法向量将该节点移动，当然该方法不限制节点空间移动方向，它可以向任意方向移动，但对于某些极端的情况需要对网格做优化处理。

3.在移动过程中，利用基于简单约束的三维自由变形算法实时地计算球范围内的节点位移量，这样就可以光滑局部变形曲面以达到编辑曲面的效果，采用这一编辑方法可以实时交互地建立各种各样的地质体曲面。

采用上述基于简单约束的广义元球方法的编辑结果如图8。

基于能量最小的离散光滑插值变形的编辑方法，其具体实施步骤为：

1.利用鼠标交互地在三维空间中拾取一个网格节点，然后使其沿着它的曲面法向量移动，当然该方法不限制节点空间移动方向，它可以向任意方向移动。

2.如果不想移动网格节点，则可以利用鼠标在三维空间内交互地增加几个控制点，然后将这些控制点移动到距离曲面合适的位置。

3.在上面的控制节点和控制空间点建立好后，将这些节点设置为基于能量最小的离散光滑插值的约束控制节点或者约束控制点，其中约束控制点仍采用了空间最短距离投影方法。

4.调用离散光滑插值方法在以上设置的约束基础上变形曲面，在计算过程中，约束节点不发生位移变化，曲面将变得更加光滑同时又逼近设置的模糊控制点。

5.通过不断地重复以上过程，该编辑方法可以交互地建立各种各样的复杂地质体曲面。

采用上述基于能量最小的离散光滑插值变形的编辑方法得到的编辑结果如图9所示。

Claims (11)

1.三维复杂地质体重构的技术，其特征在于包括以下步骤：

a)将需要构建曲面的对象嵌到一个三维均匀规则粗网格中，利用控制散乱点的局部邻近点估计该点的法向量，然后利用该点的法向量交互或自动地增加内外趋势控制点，将原有的控制点和趋势控制点一起作为已知信息，构建基于等势场的初始曲面；

b)优化初始曲面的三角网格单元质量并建立网格单元的拓扑关系，然后将所有的其他已知信息按照离散光滑插值算法的输入模型要求转化为各种模糊控制约束信息，此外将所有的控制点变为模糊控制点约束信息；

c)将上一步的所有约束信息输入到离散光滑插值器中，然后计算这些约束与初始网格曲面的耦合关系，并迭代计算构建模型，在计算中采用多重网格分裂的优化迭代方法，局部地加密曲面网格，而且每迭代几次就可以进一步优化约束条件与网格元素的耦合关系，直到最终逼近需要的曲面。

2.根据权利要求1所述的三维复杂地质体重构的技术，其特征在于对于不太复杂的曲面，其构建等势场的方法是采取隐式曲面的办法，利用所有的控制点计算出零等势场的隐式曲面的代数方程，然后利用隐式曲面的快速多边形化算法提取出隐式曲面方程所代表的曲面，即初始曲面。

3.根据权利要求1所述的三维复杂地质体重构的技术，其特征在于对于非常复杂的曲面，其构建等势场的方法是自动地或交互地增加趋势控制点，而且设曲面上控制点的势场值为零，内侧势场值与外侧势场值必须符号相反，利用三维变分插值算法插值计算三维网格节点处的势场值，得到需要的等势场，最后利用三维规则网格等值面提取算法形成零等势场曲面网格，即初始网格模型。

4.根据权利要求2所述的三维复杂地质体重构的技术，其特征在于所述的采取隐式曲面的方法来求取初始曲面，利用了所有的控制点来构建隐式曲面方程，采用空间递归分裂方法提取等值面。

5.根据权利要求1所述的三维复杂地质体重构的技术，其特征在于所述模型的优化采用了基于能量最小的离散光滑插值的办法，它需要将所有的已知信息变为约束信息，同时需要一个拓扑关系准确、优化的三角网格初始曲面模型，构成一个离散光滑插值初始输入模型。

6.根据权利要求1所述的三维复杂地质体重构的技术，其特征在于所述的离散光滑插值采用多重网格分裂的迭代技术实现，每迭代15-20次就可以进一步优化约束条件和模型的耦合条件。

7.根据权利要求1所述的三维复杂地质体重构的技术，其特征在于所述的约束信息为线性约束信息，包括三维的断层落差信息、曲面切向量信息、模糊控制点信息、模糊控制节点。

8.根据权利要求1所述的三维复杂地质体重构的技术，其特征在于所述的约束信息为非线性的已知信息时，则需要线性化后再加入到模型中。

9.根据权利要求1所述的三维复杂地质体重构的技术，其特征在于对于所得的模型可以进一步地通过调整离散光滑插值的光滑因子获得更为光滑的模型。

10.根据权利要求1所述的三维复杂地质体重构的技术法，其特征在于所得的模型不够合理时，可以通过实时地交互编辑模型，实现对模型的修改。

11.根据权利要求9所述的三维复杂地质体重构的技术，其特征在于对模型进行交互编辑的方法是采用基于简单约束的三维自由变形算法与离散光滑插值算法，在三维空间内任意光滑地编辑模型。

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