1、AVS/Express三維可視化技術(shù)在地震勘探中的應(yīng)用陳世軍* 孟祥賓* 胡中標(biāo)*（*：中石化勝利油田有限公司物探研究院 山東東營 257022）摘 要為滿足油氣勘探、開發(fā)的需要，結(jié)合地震勘探的特點(diǎn)，以AVS/Express可視化系統(tǒng)為開發(fā)平臺(tái)，本文就地震勘探中的可視化技術(shù)進(jìn)行了研究。實(shí)現(xiàn)了地震層位及其屬性的三維可視化，實(shí)現(xiàn)了三維地震數(shù)據(jù)體和各種綜合信息的三維可視化，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)模型（如速度深度模型）和各種方法計(jì)算的地震波走時(shí)波前曲面的三維可視化，并制作了地震電影，形成了具有靈活方便使用等特點(diǎn)的三維可視化軟件系統(tǒng)。通過對勝利油田ZX地區(qū)大量地震資料三維可視化處理，取得了比較明顯的效果，此項(xiàng)技

2、術(shù)對于提高地震勘探、鉆探的精確度和成功率有重要意義。關(guān)鍵詞 AVS/Express 地震勘探 三維可視化隨著地震勘探、油氣儲(chǔ)層橫向預(yù)測以及油氣藏描述技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，勘探家對地震成果的要求也越來越高；面對日益復(fù)雜、隱蔽的油氣藏，為提高鉆探的成功率，需要為油氣勘探工作者提供一個(gè)全新的三維地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)以及地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)和屬性特征的三維圖形。地震勘探三維可視化技術(shù)就是為滿足油氣勘探開發(fā)和發(fā)展地球物理技術(shù)的需要而產(chǎn)生的一些特殊處理技術(shù), 并為精確三維油氣藏描述提供信息，同時(shí)促進(jìn)油氣田勘探和開發(fā)的發(fā)展。地震勘探三維可視化技術(shù)是對各種復(fù)雜的地質(zhì)模型和三維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，并在三維立體空間顯示，它不僅使地球科

3、學(xué)家們能更深刻地理解各種地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展及影響，而且使他們的想象力更加豐富多彩，使他們能夠在地質(zhì)構(gòu)造和三維地震數(shù)據(jù)中翱翔，這樣可提高地震勘探和鉆探的準(zhǔn)確度和成功率，同時(shí)，它也是地震成像處理的重要技術(shù)基礎(chǔ)，對石油勘探開發(fā)起到至關(guān)重要的作用。 美國AVS公司是享譽(yù)世界的可視化軟件供應(yīng)商，它的核心產(chǎn)品就是AVS/EXPRESS開發(fā)版，AVS/EXPRESS軟件從1988年起，就一直處在可視化技術(shù)市場的前沿。AVS開發(fā)版包括圖形顯示、數(shù)據(jù)可視化、圖象處理、數(shù)據(jù)庫管理和用戶接口等五個(gè)軟件包，每個(gè)軟件包又有幾十個(gè)功能模塊，這樣就形成了一個(gè)具有交互式開發(fā)功能的先進(jìn)的可視化軟件系統(tǒng)。一、地震勘探三維可視化

4、技術(shù)的現(xiàn)狀及趨勢從80年代末開始，地震勘探三維可視化技術(shù)得到了快速發(fā)展。通過十幾年的研究開發(fā)，出現(xiàn)了一批可視化應(yīng)用軟件。國外比較著名的有Landmark公司的EarthCube和OpenVision、GeoQuest公司的GeoViz以及DGI公司的EarthVision等，它們基本上代表了當(dāng)今地震勘探三維可視化應(yīng)用的最高水平。這些軟件包可將二維地震、三維地震、測井曲線、地質(zhì)分層、井軌跡、網(wǎng)絡(luò)化層面、斷層面等進(jìn)行完整的三維立體顯示，用戶可以用鼠標(biāo)控制旋轉(zhuǎn)角度來觀察地質(zhì)目標(biāo)，直觀便捷。在國內(nèi)的石油公司、地球物理公司、計(jì)算中心等單位普遍使用的地震軟件大都是從國外引進(jìn)的，并以Landmark公司和G

5、eoQuest公司的解釋系統(tǒng)居多。這些解釋系統(tǒng)都具有較好的可視化功能，由于三維可視化的復(fù)雜性,在國內(nèi)還沒有見到好的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地震勘探三維可視化系統(tǒng)。本文借助先進(jìn)的SGI O2工作站，以C 、FORTRAN等語言作為編程工具，并以AVS/Expresss可視化系統(tǒng)為開發(fā)平臺(tái)，研究、開發(fā)和發(fā)展了地震勘探三維可視化技術(shù)，在沒有解釋系統(tǒng)的情況下，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)三維地震數(shù)據(jù)體、地震層位（包括斷層面）以及復(fù)雜地質(zhì)模型等的三維可視化，實(shí)現(xiàn)對三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行切片、抽取等的顯示，以及各種綜合立體顯示，形成了具有自己靈活方便使用的可視化軟件系統(tǒng)。本文并結(jié)合勝利石油管理局與中國科學(xué)院地球物理所共同承擔(dān)的九.五國

6、家自然科學(xué)基金會(huì)重大課題“復(fù)雜地質(zhì)體精細(xì)速度分析及三維疊前深度偏移理論和方法研究以樁西埕島古潛山為例”項(xiàng)目第一次以樁西地區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取得了一批成果，使該項(xiàng)目能順利進(jìn)行，為油氣田勘探和開發(fā)作出了貢獻(xiàn)。 二、地震層位及其屬性的三維可視化傳統(tǒng)的地震資料解釋工作是提供反映勘探目的層構(gòu)造形態(tài)特征的構(gòu)造平面等值線圖（通常所說的等t0圖）、各種巖性油藏圈閉等值線圖和描述巖層物性或地層屬性沿層面變化的參數(shù)平面等值線圖。但是這種傳統(tǒng)圖件不能全面、真實(shí)地反映地下地層的客觀性，給資料的進(jìn)一步解釋分析帶來不便：1.用平面等值線描述空間層位的起伏變化直觀性差；2.人為地把屬于同一層形態(tài)與屬性信息割裂開來，

7、分別繪制等值線圖，造成地質(zhì)分析、解釋復(fù)雜程度的進(jìn)一步加劇；3.各層之間的關(guān)系不清楚，分析多個(gè)層位時(shí)更顯示其復(fù)雜性。三維可視化能夠根據(jù)給定的地震層位數(shù)據(jù)集或地震層位及其屬性的數(shù)據(jù)集建立三維圖形圖像，用更接近實(shí)際的方式去描繪它，從各個(gè)不同的角度觀察它。在一個(gè)油氣探區(qū)，經(jīng)過處理解釋后的地震層位可能由若干層組成。一般情況下，各層位在地下由淺到深依次排列。每個(gè)特定層位可能是一個(gè)空間曲面，但在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造情況下，由于斷層的錯(cuò)斷切割，一個(gè)層位就可由若干個(gè)空間曲面組合而成。一個(gè)地震層位可用數(shù)據(jù)集x，y，z來表示，其中x、y分別是地面坐標(biāo)，一般是CMP號或Crossline線號，z在時(shí)間域代表雙程旅行時(shí)，在深度

8、域代表深度。地震資料經(jīng)處理解釋后，可獲得某個(gè)層位的地震屬性如速度、孔隙度等，這樣地震屬性數(shù)據(jù)就是一個(gè)四維數(shù)據(jù)集x，y，z，p，p是由x、y、z確定的層位上某點(diǎn)空間坐標(biāo)處的物性或?qū)傩?。在對地震層位進(jìn)行三維可視化之前，首先要分析地震層位的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一般情況下，經(jīng)過解釋系統(tǒng)拾取的某一個(gè)地震層位的數(shù)據(jù)可以表示為xi，yj,zk，其中xi代表CMP點(diǎn)，yj代表橫測線（Crossline），zk代表所拾取的時(shí)間或深度。不同的測線拾取的樣點(diǎn)數(shù)是不同的，這樣我們利用Delaunay 三角形剖分對地震層位進(jìn)行剖分，形成三角形網(wǎng)格，并記錄下各三角形之間的接觸關(guān)系，然后進(jìn)行顯示。地震層位的三維可視化流程如下： 如圖

9、1是勝利ZX地區(qū)某個(gè)層位的三維空間立體圖，圖2是ZX地區(qū)七個(gè)層位的立體圖。從圖中可以看出，空間層位的起伏變化形象、直觀，這些圖較好地描述了各層面的起伏變化。地震層位屬性的三維可視化是在對地震層位數(shù)據(jù)進(jìn)行剖分的基礎(chǔ)上，對層位上的地震屬性如速度、孔隙度、地震振幅等利用插值方法如離散光滑插值（DSI）把屬性插到剖分形成的三角形網(wǎng)格中，用不同的顏色代表地層屬性值的大小，這樣就可實(shí)現(xiàn)地震層位與其屬性的三維可視化。圖3是渤南油田52小層孔隙度立體圖。從這些圖中不僅可以看出地層的起伏變化，而且可以看出地層上的屬性如孔隙度等的變化情況；在一個(gè)平面上同時(shí)顯示多個(gè)層位與其屬性，可以從不同的角度觀看層位變化和其屬性

10、的變化，有利于勘探和開發(fā)方案的確定。三、三維地震數(shù)據(jù)體的三維可視化三維地震數(shù)據(jù)體由于其數(shù)據(jù)量大，一般占用上百兆空間，在做三維數(shù)據(jù)體可視化方面難度比較大，特別是三維數(shù)據(jù)體在空間旋轉(zhuǎn)、平移、變比等時(shí)要做坐標(biāo)變換，運(yùn)算工作量相當(dāng)大，所以速度比較慢。為了提高顯示速度，除配備高檔微機(jī)或工作站外，配備較好的顯示卡也很重要。在這里，我們主要是在保證顯示精度的情況下，對三維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，減少存貯字節(jié)，減少數(shù)據(jù)量，來提高顯示速度。一般的解釋系統(tǒng)在顯示地震剖面時(shí)使用紅、蘭、白等顏色，這樣也可以較準(zhǔn)確地顯示地震記錄。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，我們在對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工時(shí)，把地震數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使其數(shù)值控制在某一范圍內(nèi)，把原來

11、占用四個(gè)字節(jié)的每個(gè)數(shù)據(jù)用一個(gè)字節(jié)來存儲(chǔ)，這樣，可以，極大地減少數(shù)據(jù)體的存貯量。由于存貯量的減少，顯示速度也得到了大的提高。對一個(gè)三維地震數(shù)據(jù)體xi，yj,zk，al , 其中xi代表CMP點(diǎn)，yj代表橫測線（Crossline），zk代表采樣點(diǎn)的時(shí)間，al是振幅值，由于它是規(guī)則數(shù)據(jù)體，用規(guī)則六面體進(jìn)行剖分，對每個(gè)六面體內(nèi)的振幅值充填不同顏色，就完成地震三維數(shù)據(jù)體的可視化。圖4是樁西地區(qū)三維地震數(shù)據(jù)體的立體顯示圖。該圖能在空間任意平移、旋轉(zhuǎn)和縮放。根據(jù)需要，有時(shí)只需對數(shù)據(jù)體中的某一部分進(jìn)行觀看，這就需要對數(shù)據(jù)體進(jìn)行切割處理，只取其中的一部分進(jìn)行顯示。用AVS/Express的BOUND模塊就可實(shí)

12、現(xiàn)這個(gè)功能。為了更好地觀看地震數(shù)據(jù)，需對數(shù)據(jù)體進(jìn)行挖空和切割處理，這就是我們通常所看到的時(shí)間切片，縱剖面、橫剖面等。通過對三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行不同的挖空顯示，可以對探區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造有一定的了解。圖5是樁西地區(qū)縱橫剖面和水平切片的綜合顯示。四、三維地震數(shù)據(jù)體和地震層位的綜合顯示利用前面敘述的可視化技術(shù)，在統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)下，把地震層位和三維地震數(shù)據(jù)體作為兩個(gè)不同的對象，同時(shí)輸入到系統(tǒng)中，就可實(shí)現(xiàn)三維地震數(shù)據(jù)體和地震層位的綜合顯示。由于把層位放在三維數(shù)據(jù)體中，對數(shù)據(jù)體做各種挖空顯示，這樣可以檢驗(yàn)解釋層位的正確性。圖6是樁西三維數(shù)據(jù)體與其七個(gè)層位加斷層的綜合立體顯示圖。五、地震電影由于把三維地震數(shù)據(jù)體不再作為

13、靜態(tài)顯示的手段，而是從地震體中沿縱橫剖面方向、水平切片方向產(chǎn)生電影畫面，這樣用電影功能快速觀察整個(gè)數(shù)據(jù)體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，在進(jìn)行解釋之前可使解釋人員在很短的時(shí)間內(nèi)對要解釋的數(shù)據(jù)體有一個(gè)整體的概念，這有利于考慮下步解釋方案與解釋細(xì)節(jié)。 通常我們所看到的電影是把活動(dòng)物體用30帖/秒的膠片記錄下來，然后通過放映機(jī)把靜止的膠片按每秒30幅畫面連續(xù)不斷的播放，這樣就可看到不間斷的畫面。根據(jù)這個(gè)思路，我們對三維地震數(shù)據(jù)體沿某個(gè)方向按一定的間隔如沿Crossline方向做許許多多的切片，按順序把每個(gè)切片記錄下來形成可用計(jì)算機(jī)軟件播放的文件格式，如MPG格式，然后用movieplay等計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行播放，就可形

14、成沿這個(gè)方向的地震電影。在放映中，我們可以反復(fù)看到精彩的地震電影。從地震電影中，可以看到地震層位的變化情況和地質(zhì)構(gòu)造的變化，這樣有利于下一步的解釋。 對速度深度模型、地震波波前走時(shí)曲面數(shù)據(jù)體等用同樣的方法也可以作成電影播放。六、復(fù)雜地質(zhì)模型的三維可視化復(fù)雜地質(zhì)模型的可視化是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的一部分，在油氣勘探和開發(fā)中，我們平?？吹降拇蟛糠值刭|(zhì)模型一般是以二維的形成表現(xiàn)出來，不形象直觀，在做三維疊前深度偏移時(shí)，速度深度模型的建立是該技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)，這其中就用到三維可視化。在本文中主要對速度深度模型進(jìn)行各種處理和顯示。如果輸入的速度深度模型數(shù)據(jù)是規(guī)則數(shù)據(jù)，可用規(guī)則六面體進(jìn)行剖分；對不規(guī)則散列數(shù)據(jù)，

15、也可用規(guī)則六面體剖分，但精度不高，會(huì)出現(xiàn)鋸齒狀；一般的速度深度模型是不規(guī)則數(shù)據(jù),所以我們這里用Delaunay剖分形成四面體比較精確。速度深度模型的三維可視化流程如下：七、地震波波前曲面可視化在做疊前深度偏移處理時(shí)，其中有一項(xiàng)非常重要的工作就是計(jì)算地震波走時(shí)。為了檢驗(yàn)地震波走時(shí)計(jì)算是否正確，需要把計(jì)算結(jié)果顯示出來。勝利石油管理局與中國科學(xué)院地球物理所共同承擔(dān)的九.五國家自然科學(xué)基金會(huì)課題“復(fù)雜地質(zhì)體精細(xì)速度分析及三維疊前深度偏移理論和方法研究以樁西埕島古潛山為例”中就有多種計(jì)算走時(shí)的方法。中科院楊長春博士基于三維射線跟蹤的微變網(wǎng)格方法和波前重建思路，提出了一種適用于三維復(fù)雜介質(zhì)地震波走時(shí)的快速

16、算法，可高效地獲得三維疊前深度偏移的地震波理論走時(shí)；方正茂高級工程師根據(jù)Format原理用簡單微積分技術(shù)和計(jì)算排序在矩形網(wǎng)格上計(jì)算初至旅行時(shí)，彌補(bǔ)了Schneider（1992）算法在實(shí)現(xiàn)方法上的不足。在本文的研究過程中，與復(fù)雜地質(zhì)體項(xiàng)目緊密結(jié)合，并根據(jù)項(xiàng)目的要求，把計(jì)算得到的地震波波前曲面實(shí)現(xiàn)了三維可視化。由于地震波波前曲面?zhèn)鞑サ娜S數(shù)據(jù)體是規(guī)則數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式和三維地震數(shù)據(jù)體的格式相同，所以，地震波波前曲面三維可視化的方法與三維地震數(shù)據(jù)體的三維可視化基本相同。圖8是一個(gè)速度為2800米/秒的均勻介質(zhì)地震波前傳播曲面圖。從圖中可以看出，波前面是均勻的半球面。圖9是用ZX地區(qū)速度深度模型基于F

17、ormat原理用簡單微積分技術(shù)和計(jì)算排序在矩形網(wǎng)格上計(jì)算初至旅行時(shí)的地震波波前走時(shí)圖，它的計(jì)算網(wǎng)格是120*500*120米。從圖中可以看出，由于速度的變化，波前曲面有變化，并且隨著與震源點(diǎn)的距離的增加波前的間隔也隨之增大，這與實(shí)際情況一致。圖10是在一個(gè)屏幕上同時(shí)顯示連續(xù)不同時(shí)刻的波前曲面切片，這樣便于分析。 致 謝感謝在中科院地球物理所劉洪研究員的精心指導(dǎo)和關(guān)懷；感謝勝利石油管理局的余大祥、李進(jìn)龍、匡 斌、徐兆濤在技術(shù)上提供的寶貴指導(dǎo)和幫助。 參 考 文 獻(xiàn)1陳永府、張華等，任意曲面的三角形網(wǎng)格劃分,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，Vol.9,No.5,sep.,1997 2. 劉洪、李幼銘、

18、高紅偉、楊新民等,復(fù)雜地質(zhì)體三維地質(zhì)模型建立及顯示，中科院地球物理所,1998 3. 盧朝陽、吳成柯,任意多邊形內(nèi)帶特征約束的散列數(shù)據(jù)的最優(yōu)三角剖分，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，Vol.9,No.4,Jul.,1997 4. 張劍秋、張福炎，地球物理勘探可視化工作的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，石油地球物理勘探， Vol.32（6）,1997.12, 884-888 5. 張劍秋、張福炎，地震層位信息三維可視化,石油物理勘探，Vol.33（1）,1998,2 119-1246. Cline A.K. and Renka,R.J.1990,A Constrained two- dimensional triangulation and solution of closest problems in the presence of barries: SIAMJ. Numer. Anal., 25,130513217Donald Henrn, and M.Pauline Baker, Computer Graphics C Version , Prentice Hal