基于地质剖面图稀疏数据的二维地质建模技术研究与应用.pdf
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1、基于地质剖面图稀疏数据的二维地质建模技术研究与应用摘要剖面图是地质研究,特别是石油勘探开发研究中最基本的地质图件,但目前对剖面图的处理、绘制还大都还停留在手工阶段,而人们应用计算 机绘制剖面图却因缺少开发剖面图图件的规范,使得地质信息管理变得杂 乱无章。为此需要建立一个地质剖面图模型规范。本文分析地质剖面图空间数据的概念模型、逻辑模型、物理模型,论 述了应用数学、地质学和计算机自动绘图技术等手段建立二维地质剖面矢 量数据模型的原理和方法,为油气勘探管理剖面图图件提供了一种有效的 解决方案。在建模研究中,本文主要讨论了模型的总体结构和剖面大层线、剖面断层线等各种剖面图素的构建算法,并分别对三种稀
2、疏数据处理问题 提出了解决方案,同时对剖面断层线生成过程中遇到的断层编号问题算法 进行研究和改进。最后,本文利用建立的二维地质剖面图矢量数据模型和图素构建算 法,使用VC+语言,完成“地质剖面图自动生成系统”,实现了剖面图图 件的自动化生成,提高生产管理效率,为科研人员决定勘探方向、布井位 置和油气田开发方案提供了有利的决策依据。本文所论述的各种图素建立 方案以及稀疏数据的处理方法都在实际应用中得到了验证,效果理想。关键词:油藏建模,二维地质剖面图,地质图件,稀疏数据,可视化The Research and Application of Two-dimensional Geological M
3、odeling Technology Based on Sparse Data ofSection Map AbstractGeological section map is the most basic map in the research of geological,especially in oil exploration.But dealing and drawing of the section map is still by handwork usually,and geological information management is in disorder because
4、there is a lack of criterion in the design of section map when people draw section map by computers.So there is a need to create a geological section map criterion.Space data concept model,logic model,physics model of geological section map is analyzed,and tlie theory and method of creating vector d
5、ata model of two-dimensional geological section map by means of mathematics,geology and computer auto drawing method is discussed to supply an effective method to solve the problems in geological section map of oil&gas exploration management.In the process of modeling research,this paper mainly disc
6、usses the main structure of the modeling and creating arithmetic of different section graphic cell such as geological sectional big layer line and sectional fault line,research and improvement are carried through in arithmetic of fault editing number problem occurred in the process of creating secti
7、onal fault line as well.inAt last,ugeological section map auto drawing system is finished by the created vector data model of two-dimensional geological section map,graphic creating arithmetic and VC+language,which makes the computer auto drawing of geological section map possible,improves productio
8、n and management efficiency and provides favorable decision-making guidance for the researchers to decide explorative direction,well location and oil&gas exploration scheme.All kinds of graphic cell creating and sparse data dealing methods discussed in this paper are verified in real practice and id
9、eal result is get.Key words:Reservoir modeling,Two-dimensional geological section map,Geological map,Sparse data,VisualizationIV中国石油大学(华东)硕士论文第1章前言第1章前言1.1 课题的提出、背景及意义油藏描述是以石油地质学、沉积学、地震地层学和测井地质学为基 础,以数学、地质学和计算机自动绘图技术为手段,利用计算机,最大限 度地应用地震、钻井、试油和分析化验等资料,对油藏进行综合研究和描 述的新技术。为了把油藏描述的结果准确、详细、直观地表达出来,在石 油勘探开
10、发工作中进行科学的管理和决策,地质图件是一种非常重要的 工具。地质图件是表达地质体特征,地质体时空结构及地质过程产物最基 本、最常用的工具,是各种地质工作成果的最基本表现形式。人们通过地 质图件来认识和了解各种地质体和各种地质过程,分析地质体的相互关 系。自动绘制地质图件四是数学地质长期以来的重要研究内容。由于数学 地质方法的形成和发展,使得自动绘制地质图件成为一种专门技术,产生 了研究有关方法和算法的必要。特别是近年来计算机可视化技术有了长足 的发展,成为数学地质前沿技术和重要内容之一。剖面图是地质研究,特别是石油勘探开发研究中最基本的地质图件,可以表达沉积、地层、构造、油藏的各种性质,从而
11、可以认识油气的富集 特征,决定有利的勘探方向、布井位置和油气田开发方案。而目前对剖面 图的处理、绘制还大都还停留在手工阶段。因为单井数量大分层多,逐井 逐层寻找并绘制出图往往因为数据出错而绘制出错误的图件,人工处理又 非常麻烦。因此,通过建立图形库标准,将油田少量的最基础的图形数据 资料在计算机上建库保存起来,利用研制的计算机软件自动生成地质剖面 图件,并且可以进一步地加工利用,这将在很大程度上减轻地质研究人员 的工作量,而且能提高地质图件的质量,使图件清晰地描述复杂油气藏的 几何形态、各种物性参数及分布,并使图件管理走上规范的轨道。本课题为油气勘探管理剖面图图件提供了一种有效的解决方案,它来
12、 源于胜利石油管理局重点科技攻关项目“勘探图件智能化处理软件系统的 中国石油大学(华东)顽土论文第I章前言研制”的子系统“地质剖面图自动生成系统”,由中国石油大学计算机与 通信工程学院和胜利石油地质科学院共同研制开发。课题的宗旨是应用数 学、地质学和计算机自动绘图技术等手段建立二维地质剖面模型,并根据 模型编制剖面图自动生成系统,使剖面图图件的管理和生产自动化、智能 化,提高生产管理效率。1.2 国内外研究现状早在上世纪70年代,人们就开始用计算机绘制剖面图等各种地质图 件。由于计算机存储容量和运算速度的提高,系统软件环境的改善,计算 机辅助设计和工作站技术的引入,计算机图形学的形成,使得绘制
13、地质剖 面图图件的软件系统变得更加复杂,适用性更加广泛。尽管人们应用计算机绘制剖面图有一段时间,但是一直缺少一个开发 剖面图图件的规范,使得地质信息管理变得杂乱无章。同时很多图形处理 软件在绘制地质剖面图图件的时候,人们容易忽视对图件的地质解释。有 的观测人员把观测数据输入计算机后,马上要求绘图程序能完全自动地有 效工作,绘出十全十美的图件。在图件和图件之间,图件和实际之间发出 矛盾时,不能进行解释和处理“为了克服计算机绘制地质剖面图图件技术 的这种局限性.,应该把有关的地质认识和地质解释溶进绘图的过程中去。本课题正是要制定一个油田地质剖面图的设计管理方案,将地质认 识、地质解释和计算机技术结
14、合,建立二维地质剖面图模型,进行“剖面 图自动生成系统”的研制开发。1.3 课题研究内容分析地质剖面图空间数据的概念模型、逻辑模型、物理模型,应用数 学、地质学和计算机自动绘图技术建立二维地质剖面图矢量模型,利用统 一建模语言UML完成建模实现工作,从而将大而多的地质数据从混沌无 章的混乱状态中清晰的分离出来。在建模中,具体分析讨论标尺、剖面大 层线、剖面断层线、剖面小层线、油区块等各种剖面图素的构建方法和类 中国石油大学(华东)硕士论文第1章前言设计方案。根据模型编制“地质剖面图自动生成系统”,并通过系统绘制 地质剖面图来检测模型,寻找缺点和不足并改正,使其进一步完善。研究分析建立剖面图过程
15、中遇到的稀疏数据处理问题。具体包括:选 择效果理想、计算简单、改进后的按方位取点距离平方反比加权方法,解 决利用待估点周边稀疏的参考点估算剖面图素控制点高程值的问题;通过 切分线外接矩形网格线与切分线的交点,增加生成剖面图素的控制点,使 图形曲线更加真实地模拟地层形态:通过距离比例控制点修正算法解决小 层线遵循大层线趋势问题。分析讨论切分线切割部署图断层线的各种情况,编制算法解决剖面断 层处理中遇到的断层编号问题,保证剖面断层线绘制正确。中国石油大学(华东)硕士论文 第2章地质剖面图空间数据模型第2章地质剖面图空间数据模型2.1建模意义地质剖面图图件本质上是对地层剖切面的近似模拟,所要做的工作
16、就 是尽可能的使系统的模拟能准确的反映现实世界。原则上希望尽可能的以 少量数据而且不丢失属性信息的情况下来表示地质对象,尽可能的向理想 状态逼进。图2-1剖面图空间数据模型三个层次为了达到这一目标,首先需要准 确理解地质空间,建立相应的地质剖 面图空间数据模型。其中,空间数据 的是指通过不同方式获取的类型繁 多、多层嵌套、无限延展和异常复杂 的地理数据,其完整表示和管理一直 都是绘制地质图件研究的核心课题。地质剖面图空间数据模型是关于现 实地质剖面中空间实体及其相互间 联系的概念,它为描述空间数据的组 织提供基本的方法。根据模型应用的 不同目的,地质剖面图空间数据模型由概念模型、逻辑模型和物理
17、模型三 个有机联系的层次所组成(图2-1)。其中概念模型是按用户的观点对现 实地质剖面构造的认识和抽象,逻辑模型是表达概念模型中数据实体及其 间关系,把地质剖面看成是不同地质对象图层的叠加,而物理模型则是根 据逻辑模型描述地质剖面空间数据在计算机中的物理组织形式,可通过矢 量或栅格方式表示。下面就剖面图空间数据的各种模型进行分析设计。2.2概念模型设计在本课题中,现实世界里的地质构造是包括油、气、水、土的三维地中国石油大学(华东)硕士论文第2章地质剖面图空间数据模型质体,而我们所研究的剖面图是对它各方向的剖切,地质剖面图空间数据 概念模型是用户对现实地质剖面构造的认识,它是最接近于真实情况的模
18、 型。地质剖面构造具体包括剖面断层、剖面地层等多种地质结构,在系统 实现中可分别利用剖面断层线、剖面大层线以及剖面小层线等图素来描 述。图2-2表示现实地质构造切分得到剖面的图示。图2-2现实地质构造切分剖面图示2.3逻辑模型设计空间数据逻辑模型是表达概念模型中数据实体及其间关系。用面向对 象殴观点来看,用户可将地质剖面图的空间数据归结为空间实体、图层、图存(地图)三个层次。(D空间实体地质空间实体是指具有空间分布特征和一定几何形态的事物和现象,可分为资源、地形等。从用户的观点看,描述一个地质空间实体需要涉及 的两个最基本特征是空间要素和属性要素。空间要素指的是地质空间实 体的空间位置及其与其
19、它地质空间实体的空间关系,一般以坐标数据表 示;属性要素则指的是空间实体的地质代表含义以及特征。对于本课题,空间实体就是指图件上的具体图素,如剖面大层线、剖面断层线等图素。(2)图层在一定空间范围内具有相同属性要素的同类地质空间实体可以组成 一个有机集合,这就是图层。之所以说图层是地质空间实体的有机集合,是因为地质图件中的图层概念并不是这些地质空间实体的简单堆砌,而是 中国石油大学(华东)硕士论文第2章地质剖面图空间数据模型在某种特殊应用领域下地质空间实体的组合,并且相互之间有着密切的联 系。根据图层的定义,可确定图层的两个基本要素一专题和空间范围,专题就是指组成图层的同类地质空间实体所具有的
20、相同属性要素。图层是地质空间实体的包容器,是地质空间数据组织的基本单 位,采用图层的方式来组织地质空间数据可以表达地质空间数据的分布 性。其一,对于地理位置上分布的空间数据,可以按空间范围划分图层;其二,对于空间范围相同的空间数据,可能由于应用的需要而人为地划分 到不同图层里,即按专题划分图层,例如勘探部署图,按断层的种类可以 分为一级部署图断层图、二级部署图断层等图层。(3)图件(地图)在实际的应用系统中,需要将图层按照空间范围或专题进行组合,以 表达更现实的语义,这就形成了图件(地图)。就本课题而言,绘制剖面图图件时需要用到勘探部署图图件,它由断 层线图层、等值线图层、井位图层等构成(图2
21、-3)。多层勘探部署图表 示现实世界中的三维地质构造体,用户手工绘制切分线(勘探部署线)剖 切选择的多层勘探部署图相关区域,以显示该地区的剖面,系统利用切分 线与部署图图素的交点信息设定剖面大层线、剖面断层线等各种剖面图 素,从而生成初始的地质剖面图。图2-3勘探部署图图件构造结构图同理,地质剖面图图件也可视为由剖面大层线、剖面断层线、油区块 等多个图层构成(图2-4)。图2-5表示了地质剖面图空间数据逻辑模型。6中国石油大学(华东)硕士论文第2章地质剖面图空间数据模型图2-5地质剖面图空间数据逻辑模型7中国石油大学(华东)硕士论文第2章地质剖面图空间数据模型2.4物理模型设计地质剖面图空间数
22、据逻辑模型仅仅是表达数据实体及数据实体间 的关系,而为了真实的表现地质剖面形态,还需要根据逻辑模型设计出适 用于计算机存储、管理、绘制的地质剖面图物理模型。在当前成熟的地质 图件系统中,地质剖面图物理模型一般有两种表达方式i叫(D栅格方式:将空间按网格划分均值处理,即将地质空间实体的二 维空间划分成规则的子空间,不同层次的栅格数据因此都有了一个共同的 基本元素(子空间)划分,其优点是结构简单,操作简便;缺点是精度低,数据存储量大,难以建立地物间的拓扑关系,难以操作单个目标;(2)矢量方式:将地质图件处理信息模型作为空间对象和它们之间的 相互关系,即是用点、线、面(体)的拓扑数据结构来描述地质空
23、间实体 的空间要素,其中点表示大小和长度可以忽略不计的事物;线表示面积可 以忽略不计,但长度、走向很重要的事物:面表示具有特定的封闭边界的 事物。这种方法显式地建立了地质空间实体之间的空间关系,其优点是精 度高,空间关系明了,易于完整地表达实体间的拓扑关系,容易操纵单个 目标;缺点是数据结构复杂,进行空间分析和叠加操作时一般都要进行大 量的计算,极为费时。考虑到地质剖面图图件空间对象的形状特点,同时为了方便计算机实 现与管理,本课题采用基于矢量方式表达空间实体数据进行地质剖面图图 件的建模工作,即完成物理模型设计。首先对模型建立过程中遇到的稀疏 数据处理问题进行研究。8中国石油大学(华东)硕士
24、论文第3章稀疏数据处理研究第3章稀疏数据处理研究3.1稀数数据处理目的及意义在地质数据处理及利用计算机绘制地质图件时,由于地质情况比较复 杂,而为绘制图件输入计算机的观测数据的数目往往比较少,距全面正确 地把地下情况反映出来有较大距离,所以单凭观测数据用计算机绘制地质 图件很难真实模拟实际地层形态。特别是实际绘制剖面图过程中,系统会面临以下稀疏数据处理问题:(1)空间估值在绘制剖面图过程中,用户首先要选定多层勘探 部署图的某个区域,每层勘探部署图上存在大量断层线和等值线信息,然 后手工绘制切分折线(勘探线),分别利用切分线与部署图断层线、切分 线与笠值线的交点作为剖面断层线图素和剖面大层线图素
25、的控制点,剖面 大层线因素的控制点还包括切分线上的控制点,系统通过Bezier或B样 条算法绘制剖面地形曲线。当所求剖面图素的控制点是切分线与等值线的 交点,对应的高程值就是等值线的高程值。如果所求控制点是剖面切分线 与部署图断层线的交点,或者是切分线本身的控制点,则无法直接求高程 值。通常待估点周边的等值线数据点是根据一定数量的勘探数据获得,相 比而言比较稀疏,因此如何利用稀硫的等值线数据点资源来估算待估点高 程值是生成剖面图图件的难点。(2)由于系统中的剖面大层线、断层线图素控制点是通过切分线与 部署图等值线和断层线交点得到,但仅凭借少量的交点信息很难真实地模 拟地层形态,需要增加构成剖面
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