計算機地質模型分析論文

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1引言

三維實體地質模型在計算機上的實現已經不再是設想目標和探討課題了。在第三十屆國際地質大會科學展覽會上展出的三維地質建模軟件,將人們帶入了奇妙的三維世界。筆者在《水力發電》1996年第4期上發表的題為"三維實體地質模型在計算機上的實現"的拙文之后,不斷收到工程地質、水工設計等不同專業的讀者來信進行探討,說明關心三維地質模型的同行大有人在,本文就三十屆國際地質大會科學展覽會上有關這方面的內容向讀者作一簡介,希望與同行們繼續就大家共同關心的問題討論下去,使之方向明確,目標一致,共同努力,夢想成真。

從大會上展出的地質計算機應用技術內容來看,最突出的表現是在石油地質勘探方面,對我們水利水電勘測設計特別有意義的是此類石油地質分析計算機軟件中的一小部分---三維地質建模和編輯修改模塊。

2石油三維地質模型計算機軟件介紹

工程地質計算機軟件在本次展覽會上沒有任何反映,基本上是石油地質配套軟件方面的全面展示。同類軟件中,美國占的比例最大,其次是法國、以色列等西方國家。石油地質軟件的特點表現在地質資料的綜合處理和三維地質建模方面。例如在測井中,0.1英寸測一個數據,連續測井,測得全井電阻率變化的數據,用顏色來反映電阻率的變化,不同的巖石有不同的電阻率,在圖像上就反映出不同的顏色,顏色的變化反映出巖性的變化。測井資料經過專門的軟件處理之后,在高檔圖形工作站顯示屏幕上反映出來的多孔測井剖面圖十分逼真。同樣,三維地震資料數據的分析處理更是如此。各種物探和勘探資料分析解釋的結果再與三維地質建模相結合,完成工作區的石油地質圖像分析(一維、二維、三維)。類似軟件的運行環境均為UNIX操作系統的工作站。

美國考格尼塞斯公司(CogniSeisDevelopment,Inc簡稱CSD)是本次展覽會上最大的石油地質勘探軟件公司,其用戶在中國就有20余家,均為各大油田以及石油勘探、開發和研究機構。CSD的代表軟件是集地球物理勘探資料處理、數據解釋和地質解釋、三維建模等方面的綜合系統TerraCube(三維地球模型),TerraCube為石油勘探提供了一整套地球物理勘探和地質應用的綜合分析方法和手段,以此來建立、標定、解釋、驗證地球模型,在高檔圖形工作站上的可視化功能讓人一目了然,無可挑剔。TerraCube系統采用模塊化體系設計,為用戶使用提供了方便,其中的地質解釋軟件GeoSec3D是一個完整的三維地質可視化、模型、平衡和恢復系統,利用地震資料、鉆井資料、地表地質資料生成三維地質解釋成果,用三維構造恢復和正演模型對地震資料、鉆井資料、地表資料進行分析和驗證。TerraCube的真三維可視化技術,可快速實現三維立體圖的旋轉顯示、三維透視立體圖的顯示、與三維地質體一致的剖面和平截面的考察,交互處理及實時質量控制使三維處理的速度和質量得以提高。

CSD公司的軟件對三維地質模型的編輯修改,是筆者在本次展覽會上見到的所有類似軟件中唯一能直接在三維模型上編輯修改任意空間曲面的軟件。該軟件對任意空間曲面的任意部分的修改就象在平面圖形軟件中操作一樣,就對象進行選中、移動、旋轉、延伸、刪除、拷貝、截斷、改變曲面形狀、穿過或不穿過其它地質界面,功能十分強大。筆者個人認為,這樣的三維建模軟件完全可以達到我們多年來一直在不懈追求探索設想的工程地質三維實體地質模型軟件的要求。

以色列帕拉代姆地球物理公司(ParadigmGeophysicalLtd)的GeoDepth系列軟件產品,是基于模型的深度成像與繪圖,將區域地質資料、地震成像與模型模擬技術綜合為一體,來建立深度/速度模型,這是可視化的三維地球(地質)模型(EarthModel)。據資料介紹,EarthModel軟件以最經濟有效的方法,提供準確可靠的儲油層預測成果和鉆井井位。系統首先綜合深度構造圖和速度模型,來建立解釋的地球參數模型,該模型作為地質骨架模型,結合地震成像進行交互式修改驗證,統一和綜合各類地球物理數據為石油、天然氣勘探開發創造了更多的機遇。三維曲面的修改是在待修改面的等值線上進行。

美國動態圖形公司(DynamicGraphics,Inc,簡稱DGI)的看地球(EarthVision3.0)空間地質建模軟件,在建立復雜地質構造的三實體地質模型方面頗有獨到之處,可用于識別目的層,描述儲油層特征,優化油田開發,計算石油儲量,將其用于油田的地質分析,可節省75%的鉆井費用(軟件廣告聲稱)。該軟件用于建立油田的三維地質構造模型和屬性模型,繪制精確描述層位面與斷層幾何形態的構造圖,繪制與三維空間一致的剖面圖,精確計算油田石油儲量,準確認識油田的儲油層特征,調整井位的最佳布置,獲得最佳布置效果。

EarthVision對于三維模型的編輯和修改同以色列帕拉代姆地球物理公司的EarthModel,也是在三維面的等值線上進行,交互式對話,亦不失為模型修改的可行方法之一。這種對空間曲面修改方法的優點是定位準確,修改對象可以是任意非規則的復雜曲面,缺點是不直觀,就好比看地形圖總之還是不如看三維地形圖像。另外,例如某一波狀起伏的地質界面被另一斷層切割錯開,要修改被錯開部分,在等值線上處理可能就要復雜些。

其它如法國斯倫貝謝(Schlumberger)公司在美國的GeoQuest子公司開發的石油地質配套軟件,用于地震數據采集處理和解釋、測井數據采集處理和解釋,系統由物探資料通過計算機分析處理生成三維地質模型,三維空間曲面的修改是通過修改曲面的等值線來完成;法國地球物理公司(CGG)的代表性軟件有:Geovecteur地震數據處理軟件,IntegralPlus勘探開發綜合解釋軟件,都具有三維地質建模功能。

3關于石油三維地質模型軟件的討論

3.1石油地質勘探的特點

石油地質勘探的特點是以物探為主,物探中又以地震勘探占據十分重要的位置,鉆井勘探當然也是必不可少的,但投資費用昂貴,一般盡可能少用。另一個特點是石油勘探的范圍很大,探測地下地質體的深度也在數千米以上,物探受地表地形地貌地物的影響幾乎可以忽略。另外,石油鉆井的井位確定是很關鍵的,定錯一個井位達不到勘探目的,實際上就是報廢井,損失將十分慘重。從這里也可充分體現出物探在石油勘探中的必要性和重要性。當前最為有效的石油勘探方法是人工地震勘探,這是一種需以強大運算能力為基礎的專門技術。據石油部門資料介紹,100KM2的三維地震資料數據多達3--6百億個字節(30GB--60GB),這些海量數據的分析計算、深度偏移技術(近年新開展的一種類似于光學聚焦成像過程的計算機實現方法)和成像技術,需要使用每秒3億次運算速度的計算機運算200天。節省一個鉆孔(井)或準確地打出一口油井,所取得的效益或節省下來的資金,花在購買高性能計算機硬件和功能強大的計算機軟件上就算不了什么了。因此石油部門買得起高檔硬件,也用得起國外高質量高水平的軟件。近年來SGI公司價格昂貴的圖形工作站和SGIPowerChallenge共享內存式并行機被國內石油部門廣泛采用也就不足為奇了。

3.2工程地質勘察的特點

工程地質勘察以水工樞紐工程區最為復雜,對查明工程地質條件的要求也最高,與石油地質勘探的不同之處在于:工程范圍在數KM2之內,石油地質勘探范圍在數十KM2數百KM2以上;工程地質勘探的地下深度在數十米至數百米之內,石油勘探在數千米以上;工程地質勘探的絕對誤差在厘米與米的數量級,石油勘探有關儲油層埋深的絕對誤差在米與數十米數量級或百米數量級。由此可見,工程地質勘察最復雜要求最高的壩址區,決定了勘探手段和勘探方法。高山峽谷區的大壩工程,目前的單一的物探手段很難查明地下地質結構體,因此勘探工作量多為鉆探和硐探,在鉆孔和平硐中再結合物探手段綜合分析各勘探點之間的地質體,這與一般工程地質勘探先上物探后上勘探的概念是不同的。

3.3石油地質軟件為我所用

工程地質是地質學中的一門年輕的應用學科,其理論是借用了其它學科如土力學、構造地質學等眾多學科的基本理論;勘探技術、方法和手段也是石油地礦等行業中所早已采用的,工程地質借來為我所用。這次地質科學展覽會上展示的石油地質計算機高技術也是可以為我所用的,至少可以說我們多年來一直在探討的計算機三維實體地質模型能不能實現的問題,展覽會上的石油地質軟件已經作出了明確回答,沒有什么值得可爭議的了。在此之前之所以一直存爭議,是因為我們自我封閉在一個極小的范圍中,只是在設想,也見過一些資料報道,但能否為我所用,心里無數。我們不但未出國門去長見識(也未聽到過出國回來的專家們介紹過或考察資料提及過),就連家門都少出。例如國內石油部門用三維軟件早已轟轟烈烈成果頻出,但我們就是知道不多了解極少,缺乏必要的交流,部門行業之間的封閉并不比國門之間的封閉好多少,同一個系統各單位之間也自我還封閉不交流!我們水利水電系統內各設計院之間也是如此的封閉!令人困惑不解,不可思意!

3.4石油地質軟件為我所用需研究的若干問題

展覽會上展出的石油地質軟件,我們可以用其中的一小部分---三維地質建模,用于我們的工程地質制圖(剖面、平面、平截面等)和工程地質分析,以解決我們工程地質分析計算制圖中的有關問題。但這類軟件也并不是我們拿過來就可以用的。例如三維建模問題,三維地質模型的基本地質信息的獲得我們是靠地表地質測繪和鉆孔平硐勘探,當然也輔以一些物探資料;而石油地質對地下地質信息的獲得主要是地震勘探,連續的三維地震資料的計算機處理,以完成三維建模。又如硬件問題,石油地質部門大量采用高檔圖形工作站和并行處理機來處理海量數據,我們當然在硬件設備上就不能與之相比了,但我們的勘探數據與石油地質的勘探數據相比較也僅是湖泊與大海的關系。在軟件方面,石油地質軟件不是我們所熟悉的DOS、WINDOWS操作系統的單用戶單干行為,而是我們不太熟悉的UNIX操作系統的多用戶網絡系統;圖形軟件環境也不是我們工程界所熟悉通用的AutoCAD和Microstation,而是那些我們不熟悉的專用圖形軟件。我們工程地質的三維地質建模也許在高檔PC機或一般中低檔工作站上就可以完成,但展出的軟件(具有三維建模功能)沒有一個有微機版。顯然所謂的拿來主義,并不是拿來就可以用,這不是一個簡單的軟件引進行為,而是一項嚴肅認真的工程項目,怎樣將此類軟件變得適合于水利水電工程地質的實際,應該組織內行專家們認真探討一番。另外,是引進消化現成的軟件系統還是組織力量自己開發適合于水利水電工程實際的三維地質建模軟件,也是可以探討的。

3.5人才是關鍵

筆者在展覽會上初步了解,石油地質軟件中我們只需要的三維建模部分模塊的報價仍然較高(所謂報價,指在實際交易中可以向下砍的賣方申報價),一臺SGI工作站的價格相當于10臺高檔微機,這樣的價格我們的用戶單位能否承受,大家可以討論。其實,價格還不是什么主要問題,關鍵在于我們要培養造就一批操作這種高檔硬件和復雜軟件系統且又對工程地質有相當經驗具備較強的工程地質分析能力的高素質的人才。眾所周知,一切競爭歸根結底是人才的競爭,我們要在培養高素質復合型人才方面多下些功夫,否則工程地質專業的落后局面還會繼續下去,專業道路也將會越走越窄,各類工程事故出在工程地質專業的概率也就不會有所減少。