断层构造三维建模方法
【专利摘要】本发明公开了一种断层构造三维建模方法，首先将断层数据集成于三维可视化系统中，从中提取断层控制点，并解释而形成断层线；然后进行多种情况的连接分析以及断层线及断层属性的修订，计算断层之间的关系，并建立反映其拓扑结构的断层网络；之后将断层面与构建的初始地层模型进行求交得到地层与断层的初始交线，并对初始交线上每个断点进行断距计算，并获得含上下盘的3D断层线；再通过对上述产生的各类断层数据设置权重，进行断层面拟合，形成断层面网络，并进行地层模型构建。能够有效地进行数据检测，保证断层模型的精度，能够应用于石油、地矿等领域。
【专利说明】断层构造三维建模方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三维地质建模技术，尤其涉及一种断层构造三维建模方法。
【背景技术】
[0002]三维地质建模在地质勘探认识、地质演化进程解析等方面起着重要的作用，建立3D地质模型是地球科学领域的一个重要手段，涉及自然资源的评价、灾害模拟预测等。由于断层切割岩石单元并在地下自然现象中扮演着重要的角色，断层构造的构建是三维地质建模中至关重要的一步。
[0003]国内外提出了一些建立断层模型的设计方法以及基于网格的3D结构建模的流程。然而，在构造地质学中，断层、断裂等自然现象增加了研究区地下地质构造的复杂性。在阐述地质构造时的一个重要困难是存在大量的未揭露断层，与断层相关的不确定性问题严重影响着自然进程的数值模拟。现有技术中的方法是通过认知学和地质统计学的结合，使得3D模型与当前地质观察和理解相一致，如采用参数断层表示法来模拟断层相关的位移。一些结构不确定性建模技术或是允许几何改变而拓扑结构固定，或是构建拓扑变化的随机断层网络，试图降低由地下成像和解释模糊引起的断层相关的不确定性。然而，现有技术方法与三维结构建模的真实客观表示仍然存在差距，许多的实现仅仅停留在实验室阶段。由于稀疏的样本数据及复杂的地质环境，断层构造三维建模过程依旧严重依赖于手动干预。这种情况下，断层与地层网格在空间上不能紧密地匹配，存在缝隙或重叠情况。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种断层构造三维建模方法，该方法集成区域内可能获取的各种断层数据，构建断层三维模型，并有效地进行数据检测，保证断层模型的精度。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0006]本发明的断层构造三维建模方法，包括步骤:
[0007]A、断层数据集成:
[0008]将包括钻孔、2D/3D剖面、构造地质图、断层属性的断层数据集成于三维可视化系统中，从中提取断层控制点，并解释而形成断层线，所形成的断层线主要分为2类:一类是含上下盘的3D断层线，二类是2D断层线；
[0009]对于一类断层线，对控制点无法覆盖的区域进行数据外延；
[0010]对于二类断层线，基于地层的断点插值后再进行断层插值；
[0011]B、断层网络:
[0012]根据断层样本数据的多样性、复杂性、不确定性的特点，进行多种情况的连接分析、以及断层线及断层属性的修订，使模拟的断层接近真实情况，选择可信度高的断层连接方案，计算断层之间的关系，并建立反映其拓扑结构的断层网络；
[0013]C、断层插值:
[0014]根据地矿领域勘探获得的2D断层线结合断层属性，对所述二类断层线进行断点插值以及断层面外延，将断层面与构建的初始地层模型进行求交，得到地层与断层的初始交线，或者从钻孔、剖面中直接提取断层面与地层面的初始交线，之后，对初始交线上每个断点进行断距计算，并获得所述一类断层线。
[0015]D、断层模型构建:
[0016]通过对上述产生的各类断层数据设置权重，结合断层趋势面分析，进行断层数据融合，消除二义性问题，之后，依据断层级别，对每个断层进行相交性测试，完成断层之间的切割计算，实现断层线的自动封闭，形成断层多边形，并将其导入地层模型，最后，进行断层面拟合，形成断层面网络；
[0017]E、地层模型构建:
[0018]包括初始地层模型、基于断层插值的地层模型重构、以及地层模型局部重构三个阶段，采取反距离加权法、径向基函数法或普通Kriging法对地层层面进行整体拟合，得到初始地层模型，根据断层尖灭标识和断层尖灭形状，将上下盘断层线或断层多边形导入初始地层模型中，基于断层插值方法，对地层模型中每条断层附近的地层数据进行插值，并实现地层模型重构，当断层模型不断修正、完善后，再对地层模型进行局部重构，提高模型表达的精度；
[0019]F、断层数据检测与修正:
[0020]在断层的构建过程中，依据有效的钻井数据、地震剖面数据、断层趋势面、断层属性对构建过程中的插值数据以及最终生成的模型进行检测，并对不符合实际情况的模型进行修正，以提高断层模型的精度和可靠性。
[0021]由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的断层构造三维建模方法，首先将断层数据集成于三维可视化系统中，从中提取断层控制点，并解释而形成断层线；然后进行多种情况的连接分析以及断层线及断层属性的修订，计算断层之间的关系，并建立反映其拓扑结构的断层网络；之后将断层面与构建的初始地层模型进行求交得到地层与断层的初始交线，并对初始交线上每个断点进行断距计算，并获得含上下盘的3D断层线；再通过对上述产生的各类断层数据设置权重，进行断层面拟合，形成断层面网络，并进行地层模型构建。集成区域内可能获取的各种断层数据，构建断层三维模型，并有效地进行数据检测，保证断层模型的精度。不仅能够应用于拥有丰富数据的石油等领域，也可以应用于数据稀疏的地矿等领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明实施例中断层三维构建流程示意图；
[0023]图2 (a)、2 (b)为本发明实施例中断层基本形态示例示意图；
[0024]图3为本发明实施例中断层网络示例示意图；
[0025]图4 (a)、4 (b)、4 (c)、4 (d)为本发明实施例中断距计算示例示意图；
[0026]图5 (a)、5 (b)、5 (c)为本发明实施例中上下盘断层线插值示例示意图；
[0027]图6 (a)、6 (b)、6 (c)、6 (d)、6 (e)为本发明实施例中断层切割计算分类示例示意图；
[0028]图7 (a)、7 (b)、7 (c)为本发明实施例中断层网格模型示意图；
[0029]图8为本发明实施例中具体实施框架示意图；[0030]图9 (a)、9 (b)、9 (c)为本发明实施例中断层数据集成示意图；
[0031]图10为本发明实施例中剖面及形成的断层网络示意图；
[0032]图11 (a)、ll (b)、ll (c)、ll (d)为本发明实施例中断层构建示例示意图；
[0033]图12 (a)、12 (b)、12 (c)、12 (d)为本发明实施例中三维地质模型示意图；
[0034]图13 (a)、13 (b)、13 (c)、13 (d)为本发明实施例中断层移动模拟示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
[0036]本发明的断层构造三维建模方法，其较佳的【具体实施方式】包括步骤:
[0037]A、断层数据集成:
[0038]将包括钻孔、2D/3D剖面、构造地质图、断层属性的断层数据集成于三维可视化系统中，从中提取断层控制点，并解释而形成断层线，所形成的断层线主要分为2类:一类是含上下盘的3D断层线，二类是2D断层线；
[0039]对于一类断层线，对控制点无法覆盖的区域进行数据外延；
[0040]对于二类断层线，基于地层的断点插值后再进行断层插值；
[0041]B、断层网络:
[0042]根据断层样本数据的多样性、复杂性、不确定性的特点，进行多种情况的连接分析、以及断层线及断层属性的修订，使模拟的断层接近真实情况，选择可信度高的断层连接方案，计算断层之间的关系，并建立反映其拓扑结构的断层网络；
[0043]C、断层插值:
[0044]根据地矿领域勘探获得的2D断层线结合断层属性，对所述二类断层线进行断点插值以及断层面外延，将断层面与构建的初始地层模型进行求交，得到地层与断层的初始交线，或者从钻孔、剖面中直接提取断层面与地层面的初始交线，之后，对初始交线上每个断点进行断距计算，并获得所述一类断层线。
[0045]D、断层模型构建:
[0046]通过对上述产生的各类断层数据设置权重，结合断层趋势面分析，进行断层数据融合，消除二义性问题，之后，依据断层级别，对每个断层进行相交性测试，完成断层之间的切割计算，实现断层线的自动封闭，形成断层多边形，并将其导入地层模型，最后，进行断层面拟合，形成断层面网络；
[0047]E、地层模型构建:
[0048]包括初始地层模型、基于断层插值的地层模型重构、以及地层模型局部重构三个阶段，采取反距离加权法、径向基函数法或普通Kriging法对地层层面进行整体拟合，得到初始地层模型，根据断层尖灭标识和断层尖灭形状，将上下盘断层线或断层多边形导入初始地层模型中，基于断层插值方法，对地层模型中每条断层附近的地层数据进行插值，并实现地层模型重构，当断层模型不断修正、完善后，再对地层模型进行局部重构，提高模型表达的精度；
[0049]F、断层数据检测与修正:
[0050]在断层的构建过程中，依据有效的钻井数据、地震剖面数据、断层趋势面、断层属性对构建过程中的插值数据以及最终生成的模型进行检测，并对不符合实际情况的模型进行修正，以提高断层模型的精度和可靠性。
[0051]所述步骤A具体包括:
[0052]将原始地质数据作为输入参数，对其进行检测、解释、集成处理，提取断层控制点、断层属性以及断层线，从中获得如下相关结果:断层网络的空间分布、渐灭或侵蚀岩体的关系、断层间的隐含关系；
[0053]所述断层控制点主要来源于钻孔、2D/3D地震剖面或物探剖面、井下采掘工程揭露、地面露头观测，是控制断层空间产状的原始依据；
[0054]所述断层属性主要包括走向、倾向、倾角、断距、断层正/逆类别、根据断层的主次及生成的先后划分的断层级别、断层尖灭标识、断层尖灭形状、断层切割的起始位置，在研究区内，为了使算法便于自动实现插值断层面，设定断层走向，将断层分为断层不尖灭、两端尖灭、起端尖灭、终端尖灭4种基本情况，每种情况又可分为属性固定不变、属性连续变化、属性突变3种类型，于是，断层共分为:4X3 = 12种基本形态，这些断层属性以断层属性表方式存储，其中，对于属性突变的断层需要进行分段处理；
[0055]所述断层线主要由断层控制点及断层属性插值或解释获得，依赖于样本的精度，存在不同程度的不确定性因素，分为上盘断层线和下盘断层线，对于复杂的地质构造，断层线相互交错，形成了断层线状网络，对这些断层线再进行进一步的拟合、插值，得到断层面，形成最终的3D断层网络。
[0056]所述步骤B具体包括:
[0057]断层数据主要来自于野外地质填图、钻井、物探等，煤矿区还可以通过井下巷道揭示推测的断层数据，这些数据形成断层的控制点，对于剖面可控制断层面产状的断层，通过控制点直接拟合断层面模型，对于无法控制断层面的空间展布的断层，需要进行进一步的断层插值；
[0058]如果根据区域内的原始数据，得出多种断层连接方式，则根据知识库系统并结合区域地质调查情况，选择其中可信度最高的一种，通过断层相交性检测，建立其断层拓扑结构，形成Network,用于记录断层之间的切割关系以及断层群，设Network= {V, E, L}, V集合由η个断层组成，E集合由断层之间的切割关系组成，L依次记录了断层的层次关系；
[0059]所述步骤C具体分为两步:断距计算和上下盘断层线插值；
[0060]所述断距计算是在断层插值过程中，根据断层属性表中的断层信息，针对不同情况的断层，需要计算断层的初始交线上各个断点的断距，如果断层的断距出现突变时，则先对断层进行分段处理；
[0061]所述上下盘断层线插值是根据断层面与地层面的初始交线及其上各个断点的断距，结合断层面的倾向、倾角和断层的正逆数据，自动插值出断层面与地层上下盘的断层线数据。
[0062]所述步骤D具体包括:
[0063]断层模型构建依次包括断层相交性检测、断层切割计算、断层多边形形成、断层网格模型重构，并进行断层模型修正；
[0064]所述断层相交性检测包括:按照实际地质勘察的结果，将断层的错切关系分为主辅关系、“Y”型关系和辅辅关系，所述主辅关系表现为一条断层被另外一条断层切割，即旧断裂地层又出现了新的断裂，所述“Y”型关系表现为一条断层衍生出一条新的断层，所述辅辅关系是指两天断层没有相互切割；
[0065]所述断层切割计算包括:对于存在切割关系的断层，采用基于断层属性的切割计算，自动产生切割处的断点，并将其插入断层线中，形成最终断层切割关系；
[0066]所述断层多边形形成包括:为了正确进行断层地质建模，必须使得断层网格在交线处满足几何匹配和拓扑匹配，几何匹配是为了使得断层面之间的相互关系准确，拓扑匹配是为了保证能够正确地提取断层区块，最终得到依照断点生成的顺序，自动连接而成断层多边形；
[0067]所述断层网格模型重构与修正包括:基于原始控制点以及通过上述方法获得的断点数据及其断层线，对计算出的断层与样本数据之间的差异进行检测并完成修复工作，其结果会对产生二义性的断层属性进行修正，之后，进行网格剖分，生成三角形网格的曲面模型，并对剖分后的模型进行检测，修正与实际不符的断层数据，建立有效的断层网格模型。
[0068]本发明的特点是:
[0069]I)针对现有勘探数据，设计了断层建模的流程，能够集成各类断层样本数据，通过断层网络分析、断层插值、断层数据融合、断层切割等技术方法，完成断层模型的构建。结合断层数据检测与修正，实现对断层产状的预测。同时，采用基于断层插值的方法，对地层模型重构，最终建立有效的3D地质模型。
[0070]2)在传统意义上的断层要素(走向、倾向、倾角、断距)基础上，增加了断层级别、断层尖灭标识、断层尖灭形状、可信度这类断层属性，对于属性突变情况，需要建立相应的分段断层表。这些信息能够有利于断层模型的自动插值和预测。
[0071]3)基于断层属性的断层模拟方法，通过对断层尖灭形状识别分类，设计了断距计算方法，并实现了上下盘断层线的自动插值；通过断层拓扑结构的建立，完成了断层相交性测试与切割计算。在样本稀疏区域，合理地丰富了断层数据，为断层面的有效构建奠定了基础。
[0072]4)所提出的方法，兼顾断层样本的多样性、复杂性、不确定性特点，采用了拟合、插值方法，不仅能够应用于拥有丰富数据的石油等领域，也可以应用于数据稀疏的地矿等领域。
[0073]下面对本发明进行详细的描述:
[0074]断层三维构建流程如图1所述，主要步骤如下:
[0075]I)断层数据集成:
[0076]将钻孔、2D/3D剖面、构造地质图、断层属性的断层数据集成于三维可视化系统中，从中提取断层控制点，并解释而形成断层线。所形成的断层线主要分为2类:1)含上下盘的3D断层线；以及2) 2D断层线。对于一类断层线，需要对控制点无法覆盖的区域进行数据外延；而对于二类断层线，需要基于地层的断点插值后再进行断层插值。
[0077]2)断层网络:
[0078]由于断层样本数据的多样性、复杂性、不确定性特点，需要进行多种情况的连接分析、以及断层线及断层属性的修订，力求模拟的断层尽可能接近真实情况。一旦选择了可信度较高的断层连接方案，需要计算断层之间的关系，并建立反映其拓扑结构的断层网络。
[0079]3)断层插值:
[0080]在实际应用中，地矿领域通常会提供勘探获得的2D断层线。结合断层属性，对二类断层线进行断点插值以及断层面外延，将断层面与构建的初始地层模型进行求交，得到地层与断层的初始交线，如果能从钻孔、剖面中直接提取断层面与地层面的初始交线则最准确，最后，再对初始交线上每个断点进行断距计算，并获得断层的上下盘断层线。
[0081]4)断层模型构建:
[0082]通过对上述产生的各类断层数据设置权重，结合断层趋势面分析等，进行断层数据融合，消除二义性问题。表1给出了一般情况下的权值取值范围，实际应用时，视情况而定。例如，地矿领域主要数据来源包括断层控制点、断层属性、二类断层线、以及插值上下盘断层线；而油田领域主要的样本包含断层控制点和一类断层线，其中，控制点和一类断层线有重合部分。依据断层级别，对每个断层进行相交性测试，完成断层之间的切割计算。实现断层线的自动封闭，形成断层多边形，并将其导入地层模型。最后进行断层面拟合，形成断层面网络。
[0083]表1断层数据权重设置
[0084]
【权利要求】
1.一种断层构造三维建模方法，其特征在于，包括步骤: A、断层数据集成: 将包括钻孔、2D/3D剖面、构造地质图、断层属性的断层数据集成于三维可视化系统中，从中提取断层控制点，并解释而形成断层线，所形成的断层线主要分为2类:一类是含上下盘的3D断层线，二类是2D断层线； 对于一类断层线，对控制点无法覆盖的区域进行数据外延； 对于二类断层线，基于地层的断点插值后再进行断层插值； B、断层网络: 根据断层样本数据的多样性、复杂性、不确定性的特点，进行多种情况的连接分析、以及断层线及断层属性的修订，使模拟的断层接近真实情况，选择可信度高的断层连接方案，计算断层之间的关系，并建立反映其拓扑结构的断层网络； C、断层插值: 根据地矿领域勘探获得的2D断层线结合断层属性，对所述二类断层线进行断点插值以及断层面外延，将断层面与构建的初始地层模型进行求交，得到地层与断层的初始交线，或者从钻孔、剖面中直接提取断层面与地层面的初始交线，之后，对初始交线上每个断点进行断距计算，并获得所述一类断层线； D、断层模型构建: 通过对上述产生的各类断层数据设置权重，结合断层趋势面分析，进行断层数据融合，消除二义性问题，之后，依据断层级别，对每个断层进行相交性测试，完成断层之间的切割计算，实现断层线的自动封闭，形成断层多边形，并将其导入地层模型，最后，进行断层面拟合，形成断层面网络； E、地层模型构建: 包括初始地层模型、基于断层插值的地层模型重构、以及地层模型局部重构三个阶段，采取反距离加权法、径向基函数法或普通Kriging法对地层层面进行整体拟合，得到初始地层模型，根据断层尖灭标识和断层尖灭形状，将上下盘断层线或断层多边形导入初始地层模型中，基于断层插值方法，对地层模型中每条断层附近的地层数据进行插值，并实现地层模型重构，当断层模型不断修正、完善后，再对地层模型进行局部重构，提高模型表达的精度； F、断层数据检测与修正: 在断层的构建过程中，依据有效的钻井数据、地震剖面数据、断层趋势面、断层属性对构建过程中的插值数据以及最终生成的模型进行检测，并对不符合实际情况的模型进行修正，以提高断层模型的精度和可靠性。
2.根据权利要求1所述的断层构造三维建模方法，其特征在于，所述步骤A具体包括: 将原始地质数据作为输入参数，对其进行检测、解释、集成处理，提取断层控制点、断层属性以及断层线，从中获得如下相关结果:断层网络的空间分布、渐灭或侵蚀岩体的关系、断层间的隐含关系； 所述断层控制点主要来源于钻孔、2D/3D地震剖面或物探剖面、井下采掘工程揭露、地面露头观测，是控制断层空间产状的原始依据 ； 所述断层属性主要包括走向、倾向、倾角、断距、断层正/逆类别、根据断层的主次及生成的先后划分的断层级别、断层尖灭标识、断层尖灭形状、断层切割的起始位置，在研究区内，为了使算法便于自动实现插值断层面，设定断层走向，将断层分为断层不尖灭、两端尖灭、起端尖灭、终端尖灭4种基本情况，每种情况又可分为属性固定不变、属性连续变化、属性突变3种类型，于是，断层共分为:4X3 = 12种基本形态，其中，对于属性突变的断层需要进行分段处理； 所述断层线主要由断层控制点及断层属性插值或解释获得，依赖于样本的精度，存在不同程度的不确定性因素，分为上盘断层线和下盘断层线，对于复杂的地质构造，断层线相互交错，形成了断层线状网络，对这些断层线再进行进一步的拟合、插值，得到断层面，形成最终的3D断层网络。
3.根据权利要求2所述的断层构造三维建模方法，其特征在于，所述步骤B具体包括: 断层数据主要来自于野外地质填图、钻井、物探，煤矿区还可以通过井下巷道揭示推测的断层数据，这些数据形成断层的控制点，对于剖面可控制断层面产状的断层，通过控制点直接拟合断层面模型，对于无法控制断层面的空间展布的断层，需要进行进一步的断层插值； 如果根据区域内的原始数据，得出多种断层连接方式，则根据知识库系统并结合区域地质调查情况，选择其中可信度最高的一种，通过断层相交性检测，建立其断层拓扑结构，形成Network,用于记录断层之间的切割关系以及断层群,设Network={V, E, L}, V集合由η个断层组成，E集合由断层之间的切割关系组成，L依次记录了断层的层次关系。
4.根据权利要求3所述的断层构造三维建模方法，其特征在于，所述步骤C具体分为两步:断距计算和上下盘断层线插值； 所述断距计算是在断层插值过程中，根据断层属性表中的断层信息，针对不同情况的断层，需要计算断层的初始交线上各个断点的断距，如果断层的断距出现突变时，则先对断层进行分段处理； 所述上下盘断层线插值是根据断层面与地层面的初始交线及其上各个断点的断距，结合断层面的倾向、倾角和断层的正逆数据，自动插值出断层面与地层上下盘的断层线数据。
5.根据权利要求4所述的断层构造三维建模方法，其特征在于，所述步骤D具体包括: 断层模型构建依次包括断层相交性检测、断层切割计算、断层多边形形成、断层网格模型重构，并进行断层模型修正； 所述断层相交性检测包括:按照实际地质勘察的结果，将断层的错切关系分为主辅关系、“Y”型关系和辅辅关系，所述主辅关系表现为一条断层被另外一条断层切割，即旧断裂地层又出现了新的断裂，所述“Y”型关系表现为一条断层衍生出一条新的断层，所述辅辅关系是指两天断层没有相互切割； 所述断层切割计算包括:对于存在切割关系的断层，采用基于断层属性的切割计算，自动产生切割处的断点，并将其插入断层线中，形成最终断层切割关系； 所述断层多边形形成包括:为了正确进行断层地质建模，必须使得断层网格在交线处满足几何匹配和拓扑匹配，几何匹配是为了使得断层面之间的相互关系准确，拓扑匹配是为了保证能够正确地提取断层区块，最终得到依照断点生成的顺序，自动连接而成断层多边形； 所述断层网格模型重构与修正包括:基于原始控制点以及通过上述方法获得的断点数据及其断层线，对计算出的断层与样本数据之间的差异进行检测并完成修复工作，其结果会对产生二义性的断层属性进行修正，之后，进行网格剖分，生成三角形网格的曲面模型，并对剖分后的模型进行检测，`修正与实际不符的断层数据，建立有效的断层网格模型。
【文档编号】G06T17/05GK103514630SQ201310485186
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月16日 优先权日:2013年10月16日
【发明者】武强, 徐华 申请人:北京石油化工学院, 中国矿业大学(北京)