石油勘探作业中三维地质构造建模技术的应用探究

蔡亮亮

摘要：现代信息技术、数字技术的发展以及应用，极大地推动了地勘技术的高速发展，三维地质构造建模技术就是在此背景下逐渐形成的。在石油勘探作业中，三维地质构造建模技术的应用能够将地质勘探数据转变为可视化的模型，从而更加直观的展示勘探区域的地质构造特点以及问题，提升勘探工作的效率及其准确性。基于此，对三维地质构造建模技术及其在石油勘探作业中的应用进行了分析和研究，旨在促进石油勘探行业的高速发展。

关键词：石油勘探；三维构造建模；地质结构；可视化模型

一、前言

传统的石油勘探作业过程中，勘探数据的处理水平相对较低，数据使用不够深入，对于石油开采进程的支持度有待提升。三维地质构造建模技术在石油勘探作业中的运用，不但简化了数据处理流程，同时还促进了勘探结果的可视化发展，使地勘人员能够更加直观的对勘探地域的地质构成状况进行了解，最终制定出更加科学的石油开采方案。与一些西方先进国家相比，我国石油勘探作业人员虽然积极推动三维地质构造建模技术的应用，但依旧存有较大的差距。基于此，文章对三维地质构造建模技术的应用展开了研究，以期能够推动该技术在石油勘探领域的运用。

二、石油勘探三维地质构造建模技术特点及优势

（一） 三维地质建模技术特点分析

三维地质建模于1993年被提出，它将计算机三维可视化技术和地质理论有效地结合起来，是一门应用越来越广泛的交叉学科，同时也是地质研究领域中的前沿课题之一。三维地质模型可以将地质体以及地质构造以图形图像的方式呈现出来，形象而直观，有助于人们对复杂地质现象的理解[1]。因此该技术现已广泛应用于水文地质、石油地质、工程地质以及矿山地质等诸多领域。

传统的二维模型，需要结合多张二维剖面图进行综合分析才能够了解到施工现场地质特征，并且对于相关人员的专业性和经验要求都非常之高，一旦信息采集不够全面，还可能导致分析出错。三维空间建模技术发展至今，日趋成熟，已经在很多大型工程的地质勘探及施工环境应用，并取得了较好的效果和反响，相较于传统二维模型，三维空间建模配合可视化技术，能够将对象区域的整体情况直观的展示，并能够完成多角度快速转换，减少了主观臆断，降低了相关人员的需求，提高了模拟的准确性，因此，可以说三维空间建模技术在工程地质当中的应用，将会越来越丰富[2]。

（二）三维地质建模技术在石油勘探领域应用的优势分析

1.三维仿真模型建立。石油的开采是当下社会能源产业发展的主要工作之一，在传统的石油勘探管理工作当中，勘探工作的开展存在有较大的风险性，并且在石油钻探过程当中，由于对地质构造环境情况的不了解，从而导致了钻探工作受到了各种各样的阻碍，影响了钻探工作的开展进度。在石油勘查工作当中，工作人员首先需要对实地的施工现场进行相应的勘探检测，获取到准确的数据信息之后，再进行施工图纸的设计。由于传统的施工图纸设计，进程相对较慢，无法满足当下的施工建设需求，所以导致后期的石油资源挖掘出现了较大的问题。并且，在施工图纸的设计过程当中，传统的图纸设计方式无法保证数据的准确性，从而影响了后期的施工建设标准。而三维地质建模技术的应用，能够快速进行三维仿真模型的建立，工作人员直接利用技术，进行全面的地质环境扫描检测，然后记录相应的数据信息之后，系统自动生成三维仿真模型，这样能够确保后期工作人员的施工方案设计能够更加的精准化，同时也能够解决前期勘探过程中，所出现的各种各样的问题。

2.施工可视化展示。在石油资源的开采过程当中，存在有许多不确定的因素在其中，施工人员必须结合实际的施工情况来进行相应的处理，一旦发生突发状况，立即进行措施处理，这样才能有效控制好影响的范围。将三维技术应用到开采工作当中，管理人员能够直接通过系统进行施工可视化的展示，及时掌握开采的进度以及周围的环境情况，一旦出现突发事件，可立即进行预警处理，在第一时间采用相应的预防措施，这样能够有效避免突发事件带来的影响。另外为了加强石油资源开采的工作效率，在日常的施工过程中，管理人员可以根据技术的应用，来了解施工的进度情况，及时对相应的施工工作进行调整，这样能够有效提高开采工作的效率和质量。

3.地质环境数据的科学化分析。在三维技术的应用过程当中，不仅可以对石油开采过程中的环境条件，进行三维立体化的呈现，同时，还能结合实际的地质环境情况，进行科学化的数据分析，石油施工工作的开展提供相应的数据支持。例如，在前期的勘探过程当中，对周围的地质环境数据进行全面的收集检测，然后通过科学化的数据分析，来掌握后期开采过程中的风险性。然后，管理人员根据相应的数据信息进行开采方案的设定，这样能够有效地将开采工作过程中的风险性降到最低，从而保障开采工作开展的顺利性以及人员施工过程中的安全性。

三、三维地质构造建模中的关键技术与算法

在勘探领域中，三维地质构造建模技术属于一种成像技术，凭借该技术能够实现对勘探区域地质结构的空间建模，并将勘探数据转化为三维图像。在模型构建过程中，勘探、数据获取、数据整体、模型构建等每一个环节都紧密关联，一旦有某一个环节出现失误那么必然会影响成像的结果准确性，严重的还会致使整个模型构建失败。所以在三维地质构造建模过程中，必须要重视对建模质量的关注和重视，特别是对于模型的稳定性模拟等方面。

（一）单元分解表示法

单元分解表示法是一种典型的无网格方法，这种方法的提出，具有一定的划时代意义，使得传统的在网格中的有限元分解形式，得以摆脱网格的约束，推动了广义有限元法的产生和发展，其在力学分析、工程建模等方面，都有着较多的应用。

（二）构造实体几何法

构造实体几何法在近年来的三维空间建模当中具有相当多的应用，尤其是三维建筑建模当中，利用BRL-CAD包实现了在CAD软件当中的实体几何构造工作。实体几何构造的原理非常简单，是利用基本体元的组合实现新的三维模型的构建。在构造实体几何刚刚提出时，该技术主要应用于一些教学模型和简单数学模型的构建，本质上是将体元按照集合论的布尔逻辑进行组合。在工程地质的三维空间建模工作中，体元是上文中的七类基本对象之一，根据不同的软件，对应的体元也有一定差异，传统建模软件的体元，一般指长方体、正方体、圆柱、椎体、球体等，而随着时代的发展，新型的建模软件中，会将一些更复杂的弯曲几何体也作为体元，这极大的降低了三维空间建模的运算量，提升了运算效率。

（三）边界表示法

边界表示法是当前最为常用的空间数据模型建立方法，该方法是以边界作为基础，利用边界来表示实体，将实体拆分成若干封闭体，将封闭体拆分成若干边界面，将边界面拆分成若干外环和内环，将环拆分成若干首尾相连的边，将边拆分成若干个点。这种方式利用了空间要素关系的拓扑结构，不仅能够非常直观利用可视化三维模型表现地址特性和构造特点，更加重要的是，这种方法对于模型表示过程中可能会牵涉到的进一步运算也能够提供便利。

（四）地质界面交切处理

地质环境中界面类型繁多，假如在勘探过程中发现勘探区域内出现底层完整度较低、断层分错等情况，那么必然会对地质界面交切关系的处理造成不利影响。因此，在交切关系的分析过程中，需要使界面之间拓扑关系能够保持一致。在目前三维地质构造建模过程中，通常选择使用人机交互的方法，以曲面切割、曲面调整作为工具，来对界面之间的拓扑关系进行处理，这样有助于进一步降低建模的误差，提升模型构建质量。

（五）构造模型的不确定性评价及模型质量控制

模型不确定性评价是石油勘探三维地质构造建模质量控制过程中非常关键的一个环节，通过对面网的精度进行管控，能够有效缩小建模结果与实际地质构造间的差距，更好的保障模型的可靠性。

（六） 三维地质构造建模地质曲面的算法

1.“Mallching Cubes”曲面重建算法。此算法又被称为“等值面提取”算法，是当前使用最为普遍的一种针对立方体实行等值面构建的算法，既需要明确等值面阈值，同时还要能够确定所有立方体的 8 个顶点有否在等值面以外。通过等值面提取算法实行地质建模地质曲面的构建，并利用 24- 分解方法实行等值面相关数据的提取。

2.对于角点网建模的空间插值的网格变形算法。克里金插值法基于对地质周边环境的测量分析并实行加权计算，以此预测得出尚未测量区域的信息。。半方差函数的公式如下，其中 s^2 为方差，C（h） 代表空间协方差：

克里金插值法的核心任务在于发觉空间数据之间的自相关性，如果表现出了一定的自相关信息，则能够预测和计算调整好的三维模型，通常应用在角点网建模的网格变形方面[5]。

四、 三维地质构造建模技术在石油勘探中的应用分析

（一）获取三维地质构造建模数据

现代石油勘探工作中，三建模数据的获取是非常关键的一个环节。在获取数据过程中，不但要确保数据的精准度，同时还要使数据具备足够的丰富性。在整个模型构建工作中，获取和应用到的数据是否精准、有效直接关系到模型构建质量，特别是钻孔、地质图、遥感信息等信息数据，假如这些数据在采集过程中误差较大，那么必然会进一步增加模型与地质实际状况之间的差距。另外，数据的丰富性也是尤为重要的。石油勘探过程中，如果获取到的地质数据信息足够丰富，那么就会缩小模型与实际地质状况之间的差距，反之就会导致这一差距变大。因此，在复杂地层勘探过程中，勘探工作人员要尽可能的提升地质信息数据的丰富程度，以此来为模型构建打下良好基础。

（二）全面掌握风险数据

在石油资源的挖掘过程中，由于工作开展的风险性较高，所以在前期的勘探过程中，应当全面检测钻探工作的风险数值，然后在进行预案方案的设计。例如，在日常的勘探工作中，首先利用技术，对周围的环境情况进行全面的勘探检测，掌握到相应的数据信息之后，再利用技术来进行风险数值的检测。管理人员在获取到相应的风险数值之后，进行预警方案的设计，一旦在施工的过程中，出现有意外的事件发生，能够立即进行预案的应用，有效降低风险事件所带来的影响，保障施工人员的安全。

（三）合理利用三维地质构造建模方法

利用三维地质构造建模技术进行模型构建的过程中，需求不同、数据源不同，其模型构建方法也存在一定差别，目前较为常见的建模方法有结构建模与属性建模两种类型。（1）结构建模。如果获取到的地质空间数据离散程度较高，那么在建模时一般会通过展开离散的采用点逼近样条曲面和插值样条曲面这两类建模方法。（2）属性建模。目前较为常见的确定性建模与随机性建模两种方式都属于属性建模，确定性建模方法在应用时是以已经确定的资料控制点作为模型构建的基础依据，并在此基础上对不同勘探点之间的属性结构关系进行推断；随机性建模主要利用随机函数理论来完成模型的构建。

（四）建立完善的地质三维模型

在三维技术的应用过程中，可以直接通过现场勘探的数据，来进行地质三维模型的建立，通过仿真模型的展示，能够更好地进行施工现场的还原，这样有助于后期施工工作的开展。例如，在日常的工作开展过程中，施工人员利用技术的应用，来进行施工现场的检测，获取到相应的数据信息之后，再进行三维模型的建立。在模型的建立过程中，工作人员不仅可以查看到施工现场的实际结构情况，更是能够提前预测到相应的施工风险情况，然后工作人员直接根据模型的建立情况，来进行方案设计，使得后期的施工工作开展更加符合实际的施工需求。

五、三维地质构造建模技术应用存在问题及发展趋势

与西方一些国家相比，我国石油勘探相关技术发展时间相对较短，在三维地质构造建模技术方面的研究也是如此，所以即便近些年我国石油行业企业越来越重视建模技术的研究以及应用，也取得了一些成果，但是在这一领域与西方先进国家相比依旧存有较大的差距和问题。第一，目前我国石油勘探领域三维地质构造建模技术应用过程中，针对复杂地质环境模型构建的水平相对较低，模型与实际地质状况之间的差距通常比较大；第二，随着石油勘探对建模效率以及精度要求的不断提升，模型构建的难度也随之大大提升；第三，缺少确定性分析和研究技术，对数据依赖性较高，在数据出现误差时，没有对应的模型准确性论证方法和手段。

通过对上述问题的分析，认为当前我国石油勘探作业中三维地质构造建模技术的应用可以从下面几方面展开：第一，目前三维地质构造建模技术虽然已经在我国地勘领域运用较为广泛，但由于应用时间相对较短，相关研究也并不深入。所以，在三维地质构造建模技术实际应用过程中，应该积极制定相应的管理标准，并对其应用流程进行进一步的优化，确保三维地质构造建模技术应用的有效性。第二，要重视行业技术人员的培养。只有高素养的工作人员才能够确保三维地质构造建模技术应用的质量，提升石油勘探作业成效。第三，要建立并完善共享地质模型体制，推动地质构造信息的共享，为三维地质构造建模技术的智能化、信息化、共享化发展奠定了良好基础。

六、结语

综上所述，三维地质建模技术能够有效地解决石油挖掘过程中的主要问题，例如风险把控、方案制定等，通过全面掌握风险数据、建立完善的地质三维模型、科学化分析钻探工作的开展等方式，来完善现场钻探工作的开展，不仅保障了钻探工作的质量，更是有效控制住工作开展过程中的风险数值，保障了人员和挖掘现场的安全，短时间内完成了石油资源的挖掘。技术应用是当下发展的主要趋势，通过技术的应用，更好地满足了当下工作开展的实际需求。H

参考文献

[1]杨志会，赵海波，黄勇，等.地震信息约束的三维建模技术及其在松辽盆地古龙页岩油地质工程一体化中的应用[J].大庆石油地质与开发，2022，41（03）：103-111.

[2]张庭姣.三维数据场可视化技术在石油地质勘探中的应用研究[J].粘接，2022，49（03）：182-185+191.

[3]曹宇.石油勘探三维地质构造建模技术应用分析[J].信息系统工程，2021（06）：79-81.

[4]王玉岩.石油勘探三维地质构造建模技术探讨[J].西部探矿工程，2020，32（05）：75-76+79.

[5]沈妍.石油勘探三维地质构造建模技术研究[J].中国石油和化工标准与质量，2014，34（08）：156.