摘 要：隨著計(jì)算機(jī)建模技術(shù)的發(fā)展以及硬件運(yùn)算水平的提高，計(jì)算機(jī)建模技術(shù)有了顯著的提高，三維地質(zhì)建模技術(shù)越來越成熟，在建模過程中已經(jīng)引入了地質(zhì)學(xué)概念。本文以SKUA-GOCAD三維地質(zhì)建模軟件為研究平臺(tái)，介紹了數(shù)據(jù)整理、結(jié)構(gòu)模型建設(shè)、屬性模型建設(shè)的總體思路，重點(diǎn)對(duì)比了基于地層約束的三維屬性模型和區(qū)域整體三維屬性模型的關(guān)聯(lián)和區(qū)別，從插值參數(shù)角度分析了產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因。結(jié)果表明在已完成三維地層結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，基于地層約束建設(shè)屬性模型，是一種提高屬性模型精度的成熟有效的方法。

　　關(guān)鍵詞：三維建模;屬性模型;分層插值;地層;鉆孔數(shù)據(jù)

　　0 前言

　　隨著計(jì)算機(jī)建模技術(shù)的發(fā)展以及硬件運(yùn)算水平的提高，三維地質(zhì)建模技術(shù)越來越成熟(王亞靜，2016)。依據(jù)建模數(shù)據(jù)源的不同，三維地質(zhì)建模方法主要有以下5種：①鉆孔數(shù)據(jù)建模：直接利用鉆孔分層資料建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，由建模軟件主導(dǎo)完成模型建設(shè);②剖面數(shù)據(jù)建模：對(duì)二維的剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行“立體化”，利用剖面格網(wǎng)通過人機(jī)交互或建模軟件自動(dòng)完成三維地質(zhì)模型的建設(shè);③三維地震數(shù)據(jù)建模：以地震資料解譯技術(shù)為支撐，采用井震結(jié)合及相控的方法建立三維地質(zhì)模型(張洋洋等，2013);④屬性數(shù)據(jù)建模：在三維空間中建立格網(wǎng)，利用離散的屬性點(diǎn)作為插值點(diǎn)，按照特定的空間插值算法進(jìn)行空間插值，反映的是地質(zhì)體內(nèi)部的屬性狀態(tài)情況;⑤多源數(shù)據(jù)建模：利用平面圖、鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)、地球物理或地球化學(xué)數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等開展模型建設(shè)，數(shù)據(jù)互補(bǔ)又互為約束對(duì)象，共同協(xié)調(diào)統(tǒng)一，提高了模型的精度。

　　在三維地質(zhì)模型建設(shè)及應(yīng)用方面，國內(nèi)油氣勘探領(lǐng)域的應(yīng)用程度最高，有色貴金屬礦山次之，城市地質(zhì)也已經(jīng)起步(李青元等，2016)。在油氣勘探領(lǐng)域，以油藏?cái)?shù)值模擬為例，采用相控條件下的序貫高斯(SGS)算法，建立孔隙度、滲透率、氣飽和度模型，定量描述儲(chǔ)層參數(shù)的空間非均質(zhì)性(王威，2013);在金屬礦山領(lǐng)域，以銅礦礦床分析為例，建立不同類型的結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)銅品位實(shí)施克立格插值(荊永濱，2010);在城市地質(zhì)領(lǐng)域，以北京市地鐵9號(hào)線某段為例，將同一土層內(nèi)賦予參數(shù)實(shí)驗(yàn)值并進(jìn)行插值，形成參數(shù)模型(董慧超，2011);在其他領(lǐng)域，以土壤屬性三維模型建設(shè)為例，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)插值方法，以10cm 為采樣梯度獲取土壤樣本，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田尺度土壤有機(jī)質(zhì)、pH、鈣、鋅的三維模型構(gòu)建和空間分異規(guī)律分析(周四維，2018)。

　　本文在前人研究基礎(chǔ)上，以當(dāng)前城市地下空間資源開發(fā)利用主要深度(地下50m)以內(nèi)的地層為研究對(duì)象，選擇北京市平原區(qū)東部約60km2范圍作為研究區(qū)，開展三維結(jié)構(gòu)模型建設(shè)，并以結(jié)構(gòu)模型各個(gè)地層為約束體，逐層進(jìn)行屬性插值，建設(shè)三維地質(zhì)屬性模型，更為精細(xì)的刻畫了該區(qū)域地層屬性的分布形態(tài)。

　　1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

　　本次研究工作采用SKUA-GOCAD建模軟件輔助進(jìn)行三維地質(zhì)模型建設(shè)，需按其數(shù)據(jù)格式要求進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。

　　1.1 地層數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

　　研究區(qū)內(nèi)共有15個(gè)鉆孔，深度均為50m左右，結(jié)合以往該地區(qū)工程層剖面資料，對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

　　參考以往該地區(qū)工程層剖面資料，與本次工作采用的15個(gè)鉆孔進(jìn)行地層比對(duì)校準(zhǔn)，在以往大地層韻律背景下依據(jù)15個(gè)鉆孔的實(shí)際分層情況進(jìn)行校準(zhǔn)，形成本次研究工作的標(biāo)準(zhǔn)分層，標(biāo)準(zhǔn)地層自上而下依次為：填土層(10)、粘質(zhì)粉土層(22)、粉質(zhì)粘土層(23)、粉細(xì)砂層(24)、粘質(zhì)粉土層(32)、粉質(zhì)粘土層(33)、粉細(xì)砂層(34)、粉質(zhì)粘土層(43)以及粉細(xì)砂層(44)，標(biāo)準(zhǔn)地層柱狀。

　　按照建模軟件數(shù)據(jù)格式要求，將15個(gè)鉆孔的分層數(shù)據(jù)拆分，形成鉆孔分層數(shù)據(jù)表。每個(gè)鉆孔分層數(shù)據(jù)表內(nèi)容均有15條，由該層對(duì)應(yīng)的鉆孔分層數(shù)據(jù)構(gòu)成，數(shù)據(jù)表內(nèi)容包括鉆孔編號(hào)、地層代號(hào)、層頂深度、坐標(biāo)。

　　1.2 屬性數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

　　對(duì)15個(gè)鉆孔的室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行整理，按照標(biāo)準(zhǔn)化后的地層深度重新分段。如存在土工實(shí)驗(yàn)取樣深度與地層深度交叉的情況，按照如下方式進(jìn)行處理：根據(jù)該地層的頂?shù)装迳疃葘?duì)應(yīng)的土工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段提取，將提取后的土工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照厚度計(jì)算中心點(diǎn)坐標(biāo)Z值(圖2)。

　　完成屬性數(shù)據(jù)分段后，重新整理數(shù)據(jù)表，按照地層順序?qū)?5個(gè)鉆孔所包含的屬性數(shù)據(jù)整理入庫，數(shù)據(jù)表內(nèi)容為鉆孔編號(hào)、參數(shù)值、坐標(biāo)。

　　至此，完成建模所用鉆孔分層數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)的整理、錄入工作。

　　2 模型建設(shè)

　　2.1 三維地層結(jié)構(gòu)模型建設(shè)

　　SKUA-GOCAD建模軟件基于工作流(Workflows)思路進(jìn)行三維模型建設(shè)，地層結(jié)構(gòu)模型建設(shè)過程與人的思維保持一致。總體過程大致如下：數(shù)據(jù)錄入、地層整理、模型生成、模型調(diào)整完善。

　　在數(shù)據(jù)錄入階段，主要解決的是建模工作中相關(guān)數(shù)據(jù)的“地質(zhì)定義”，例如定義模型邊界線、定義斷層性質(zhì)等，及所有導(dǎo)入到建模軟件中參與建模的數(shù)據(jù)，都需要定義其本身的地質(zhì)意義。

　　在地層整理階段，主要解決的問題是各個(gè)地層的沉積順序以及各個(gè)地層之間的接觸關(guān)系(圖3)。在該階段還可以在各地層數(shù)據(jù)內(nèi)增加或減少控制點(diǎn)，調(diào)整各個(gè)地層的顏色等。

　　在模型生成階段，可以調(diào)整模型的精細(xì)度以及平滑程度，還可以通過軟件自帶的地層檢查功能，檢查每個(gè)參與建模的鉆孔地層一致性(圖4)，保證模型的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

　　在模型調(diào)整完善階段，可以引入控制鉆孔與模型地層比對(duì)，發(fā)現(xiàn)誤差較大的位置可以利用控制鉆孔進(jìn)行修正。因該軟件基于工作流模式，可以便捷的退回地層整理步驟直接在誤差地層上以鉆孔地層為依據(jù)增加控制點(diǎn)，重新執(zhí)行一次建模工作流即可完成模型調(diào)整完善。最終形成的三維地層結(jié)構(gòu)模型見圖5。

　　2.2 三維地質(zhì)屬性模型建設(shè)

　　SKUA-GOCAD建模軟件可以在三維地層結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，以地層為約束單獨(dú)在目標(biāo)層內(nèi)進(jìn)行屬性插值，建設(shè)三維地質(zhì)屬性模型。總體步驟可概括為：設(shè)置結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格大小，數(shù)據(jù)分析，變異函數(shù)求取，以及屬性插值。

　　(1)網(wǎng)格設(shè)置

　　結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建完成后，根據(jù)不同層位建模精度的要求，選擇性的設(shè)置不同網(wǎng)格密度。

　　以23層粉質(zhì)粘土為例：平面上，綜合工區(qū)范圍，將網(wǎng)格設(shè)置為20m，與整體保持一致;垂向上，該層厚度平均約4.5m，將網(wǎng)格設(shè)置為0.5m(可據(jù)實(shí)際需求調(diào)整)。據(jù)此，該層所包含的全部網(wǎng)格數(shù)為430×491×9=1900170個(gè)(圖6)。

　　(2)數(shù)據(jù)分析

　　數(shù)據(jù)分析階段，主要對(duì)原始屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，利用人-機(jī)交互，按照數(shù)學(xué)方法對(duì)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)地層的地質(zhì)學(xué)特點(diǎn)剔除屬性數(shù)據(jù)中的噪點(diǎn)，基于地質(zhì)背景分析屬性數(shù)據(jù)在目標(biāo)層位的總體分布規(guī)律。若數(shù)據(jù)量大且分區(qū)復(fù)雜，可通過skua gocad平臺(tái)的data and trend analysis板塊實(shí)現(xiàn)分析(圖7)，獲取相應(yīng)區(qū)塊(region)的趨勢(shì)，作為后續(xù)插值的約束條件;若數(shù)據(jù)量較少，未劃分或僅有少數(shù)區(qū)塊，可通過軟件的計(jì)算器等工具欄完成數(shù)據(jù)分析(圖8)。

　　(3)變異函數(shù)求取

　　以每個(gè)地層(已完成網(wǎng)格化處理)為約束條件，創(chuàng)建各地質(zhì)體獨(dú)立塊體(region)，并將其作為變異函數(shù)求取的約束條件(圖9)。因此，對(duì)同一屬性，每一層位對(duì)應(yīng)不同的變異函數(shù)。需要注意的是，變異函數(shù)的求取并非一蹴而就，需結(jié)合地質(zhì)背景以及模型創(chuàng)建經(jīng)驗(yàn)，不斷試驗(yàn)，直至獲取最符合地質(zhì)認(rèn)知的結(jié)果，插值方法采用克里格法。圖10為23層粉質(zhì)粘土的變異函數(shù)獲取示例。

　　(4)屬性插值

　　通過Reservoir Properties模塊，選擇合適的插值方法與已完成的變異函數(shù)，逐步完成屬性賦值。對(duì)比不同變異函數(shù)的插值結(jié)果，基于地質(zhì)認(rèn)知選擇最優(yōu)者。處理各屬性區(qū)域的顏色、數(shù)據(jù)顯示方式等后，最終完成三維地質(zhì)屬性模型。圖11為本次創(chuàng)建的含水量屬性模型。

　　3 對(duì)比分析及應(yīng)用

　　在屬性建模方面，較為傳統(tǒng)的是區(qū)域整體屬性建模方法。該方法不考慮建模工區(qū)的地層分布情況，沒有在工區(qū)地層內(nèi)逐層約束插值建設(shè)屬性模型，而是利用建模工區(qū)的整體厚度進(jìn)行一次整體插值形成三維屬性模型。這種模型通常是為了展示區(qū)域內(nèi)地質(zhì)屬性整體情況，從宏觀尺度進(jìn)行地質(zhì)分析應(yīng)用，反應(yīng)的是區(qū)域內(nèi)地質(zhì)屬性的分布規(guī)律;而本文提到的基于地層約束的屬性建模，充分考慮地層內(nèi)部地質(zhì)條件特征，以地層為約束，更能反應(yīng)研究區(qū)范圍內(nèi)不同地層的屬性差異。相比于區(qū)域整體屬性模型，基于地層約束的屬性模型更為精細(xì)、更能反應(yīng)地層實(shí)際屬性狀態(tài)，在模型分析應(yīng)用方面也更加靈活和便捷。

　　為了驗(yàn)證上述觀點(diǎn)，同時(shí)研究地層約束前提下三維地質(zhì)屬性建模與傳統(tǒng)三維地質(zhì)屬性建模數(shù)據(jù)成果的區(qū)別和關(guān)聯(lián)，本次工作按照工區(qū)范圍和深度，采用區(qū)域整體屬性建模方法創(chuàng)建了一個(gè)區(qū)域整體三維地質(zhì)屬性模型用于比對(duì)分析(圖12)。

　　通過二者比對(duì)，可證實(shí)存在以下關(guān)聯(lián)和區(qū)別：二者在屬性空間分布趨勢(shì)上基本一致(例如各個(gè)屬性值段分布的空間位置基本一致)，但存在屬性空間區(qū)域的范圍不同。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因，主要是由于分層屬性插值建模方法逐層設(shè)置插值參數(shù)，更符合每個(gè)地層的特點(diǎn)，而整體插值方法只針對(duì)了數(shù)據(jù)本身制定插值算法，未考慮每個(gè)地層的實(shí)際情況。以23層粉質(zhì)粘土為例，單地層約束的插值結(jié)果參見圖13，與整體插值在該地層截取的結(jié)果存在差異(圖14)，但在反映層內(nèi)屬性數(shù)據(jù)的分布情況方面，更具代表性。

　　由于存在上述區(qū)別，基于地層約束的屬性模型在應(yīng)用層面不可用區(qū)域整體模型替代。基于地層約束的屬性模型已經(jīng)按照地層進(jìn)行了劃分，可以針對(duì)某一類地層開展模型應(yīng)用研究，而區(qū)域整體模型無法指定某一類地層為對(duì)象開展研究工作;另外，利用地層約束的屬性模型統(tǒng)計(jì)功能，可統(tǒng)計(jì)每個(gè)地層內(nèi)屬性的分布情況，輔助相關(guān)工作的開展。以篩選出地層含水率小于30%的地區(qū)作為初步選定研究區(qū)域?yàn)槔喝衾脜^(qū)域整體屬性模型進(jìn)行分析，只能將區(qū)域內(nèi)所有含水率小于30%的地區(qū)篩選出來(圖15);而利用地層約束的屬性模型能將每一層中含水率小于30%的區(qū)域篩選出來，同時(shí)可以分析每一層中篩選出的區(qū)域在整體篩選結(jié)果中的占比(圖16)，結(jié)合地層巖性數(shù)據(jù)綜合分析，有針對(duì)性提出的開發(fā)利用規(guī)劃建議。

　　4 結(jié)論

　　三維地質(zhì)建模技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)有不少建模軟件從單一數(shù)學(xué)算法建模提升到地質(zhì)學(xué)概念結(jié)合數(shù)學(xué)算法建模的綜合建模理念，且對(duì)建模流程進(jìn)行了優(yōu)化，提高了模型修改、完善的效率，本文所采用的SKUA-GOCAD三維地質(zhì)建模軟件就具備了以上特點(diǎn)，便于地質(zhì)人員理解和使用。

　　基于地層約束下的三維地質(zhì)屬性模型建設(shè)，從屬性數(shù)據(jù)分析、屬性插值等方面，充分考慮了不同地層的地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的整體屬性建模方法相比，在每個(gè)地層內(nèi)分別對(duì)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行了插值參數(shù)定義，提高了三維地質(zhì)屬性模型的精度，擴(kuò)展了模型的應(yīng)用層次。

　　受研究深度所限，本次并未涉及模型分析相關(guān)研究，將會(huì)在后續(xù)工作中根據(jù)實(shí)際需要，逐步開展相關(guān)方面研究工作，提升模型實(shí)際應(yīng)用效果。

　　參考文獻(xiàn)

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