AVS/Express三维可视化技术在地震勘探中的应用
摘 要
为满足油气勘探、开发的需要，结合地震勘探的特点，以AVS/Express可视化系统为开发平台，本文就地震勘探中的可视化技术进行了研究。实现了地震层位及其属性的三维可视化，实现了三维地震数据体和各种综合信息的三维可视化，实现了复杂地质模型（如速度深度模型）和各种方法计算的地震波走时波前曲面的三维可视化，并制作了地震电影，形成了具有灵活方便使用等特点的三维可视化软件系统。
通过对胜利油田ZX地区大量地震资料三维可视化处理，取得了比较明显的效果，此项技术对于提高地震勘探、钻探的精确度和成功率有重要意义。
关键词 AVS/Express 地震勘探 三维可视化
随着地震勘探、油气储层横向预测以及油气藏描述技术的应用与发展，勘探家对地震成果的要求也越来越高；面对日益复杂、隐蔽的油气藏，为提高钻探的成功率，需要为油气勘探工作者提供一个全新的三维地质构造形态以及地质构造形态和属性特征的三维图形。地震勘探三维可视化技术就是为满足油气勘探开发和发展地球物理技术的需要而产生的一些特殊处理技术, 并为精确三维油气藏描述提供信息，同时促进油气田勘探和开发的发展。
地震勘探三维可视化技术是对各种复杂的地质模型和三维地震数据进行描述，并在三维立体空间显示，它不仅使地球科学家们能更深刻地理解各种地质现象的发生、发展及影响，而且使他们的想象力更加丰富多彩，使他们能够在地质构造和三维地震数据中翱翔，这样可提高地震勘探和钻探的准确度和成功率，同时，它也是地震成像处理的重要技术基础，对石油勘探开发起到至关重要的作用。
美国AVS公司是享誉世界的可视化软件供应商，它的核心产品就是AVS/EXPRESS开发版，AVS/EXPRESS软件从1988年起，就一直处在可视化技术市场的前沿。
AVS开发版包括图形显示、数据可视化、图象处理、数据库管理和用户接口等五个软件包，每个软件包又有几十个功能模块，这样就形成了一个具有交互式开发功能的先进的可视化软件系统。
一、地震勘探三维可视化技术的现状及趋势
从80年代末开始，地震勘探三维可视化技术得到了快速发展。通过十几年的研究开发，出现了一批可视化应用软件。国外比较著名的有Landmark公司的EarthCube和OpenVision、GeoQuest公司的GeoViz以及DGI公司的EarthVision等，它们基本上代表了当今地震勘探三维可视化应用的最高水平。这些软件包可将二维地震、三维地震、测井曲线、地质分层、井轨迹、网络化层面、断层面等进行完整的三维立体显示，用户可以用鼠标控制旋转角度来观察地质目标，直观便捷。
在国内的石油公司、地球物理公司、计算中心等单位普遍使用的地震软件大都是从国外引进的，并以Landmark公司和GeoQuest公司的解释系统居多。这些解释系统都具有较好的可视化功能，由于三维可视化的复杂性,在国内还没有见到好的具有自主知识产权的地震勘探三维可视化系统。
本文借助先进的SGI O2工作站，以C 、FORTRAN等语言作为编程工具，并以AVS/Expresss可视化系统为开发平台，研究、开发和发展了地震勘探三维可视化技术，在没有解释系统的情况下，同样能够实现三维地震数据体、地震层位（包括断层面）以及复杂地质模型等的三维可视化，实现对三维数据体进行切片、抽取等的显示，以及各种综合立体显示，形成了具有自己灵活方便使用的可视化软件系统。本文并结合胜利石油管理局与中国科学院地球物理所共同承担的九.五国家自然科学基金会重大课题“复杂地质体精细速度分析及三维叠前深度偏移理论和方法研究――以桩西埕岛古潜山为例”项目第一次以桩西地区为实验区进行了实际应用，取得了一批成果，使该项目能顺利进行，为油气田勘探和开发作出了贡献。
二、地震层位及其属性的三维可视化
传统的地震资料解释工作是提供反映勘探目的层构造形态特征的构造平面等值线图（通常所说的等t0图）、各种岩性油藏圈闭等值线图和描述岩层物性或地层属性沿层面变化的参数平面等值线图。但是这种传统图件不能全面、真实地反映地下地层的客观性，给资料的进一步解释分析带来不便：1.用平面等值线描述空间层位的起伏变化直观性差；2.人为地把属于同一层形态与属性信息割裂开来，分别绘制等值线图，造成地质分析、解释复杂程度的进一步加剧；3.各层之间的关系不清楚，分析多个层位时更显示其复杂性。
三维可视化能够根据给定的地震层位数据集或地震层位及其属性的数据集建立三维图形图像，用更接近实际的方式去描绘它，从各个不同的角度观察它。
在一个油气探区，经过处理解释后的地震层位可能由若干层组成。一般情况下，各层位在地下由浅到深依次排列。每个特定层位可能是一个空间曲面，但在复杂地质构造情况下，由于断层的错断切割，一个层位就可由若干个空间曲面组合而成。
一个地震层位可用数据集｛x，y，z｝来表示，其中x、y分别是地面坐标，一般是CMP号或Crossline线号，z在时间域代表双程旅行时，在深度域代表深度。地震资料经处理解释后，可获得某个层位的地震属性如速度、孔隙度等，这样地震属性数据就是一个四维数据集｛x，y，z，p｝，p是由x、y、z确定的层位上某点空间坐标处的物性或属性。
在对地震层位进行三维可视化之前，首先要分析地震层位的数据结构，一般情况下，经过解释系统拾取的某一个地震层位的数据可以表示为｛xi，yj,zk｝，其中xi代表CMP点，yj代表横测线（Crossline），zk代表所拾取的时间或深度。不同的测线拾取的样点数是不同的，这样我们利用Delaunay 三角形剖分对地震层位进行剖分，形成三角形网格，并记录下各三角形之间的接触关系，然后进行显示。地震层位的三维可视化流程如下：
如图1是胜利ZX地区某个层位的三维空间立体图，图2是ZX地区七个层位的立体图。从图中可以看出，空间层位的起伏变化形象、直观，这些图较好地描述了各层面的起伏变化。
地震层位属性的三维可视化是在对地震层位数据进行剖分的基础上，对层位上的地震属性如速度、孔隙度、地震振幅等利用插值方法如离散光滑插值（DSI）把属性插到剖分形成的三角形网格中，用不同的颜色代表地层属性值的大小，这样就可实现地震层位与其属性的三维可视化。
图3是渤南油田52小层孔隙度立体图。从这些图中不仅可以看出地层的起伏变化，而且可以看出地层上的属性如孔隙度等的变化情况；在一个平面上同时显示多个层位与其属性，可以从不同的角度观看层位变化和其属性的变化，有利于勘探和开发方案的确定。
三、三维地震数据体的三维可视化
三维地震数据体由于其数据量大，一般占用上百兆空间，在做三维数据体可视化方面难度比较大，特别是三维数据体在空间旋转、平移、变比等时要做坐标变换，运算工作量相当大，所以速度比较慢。为了提高显示速度，除配备高档微机或工作站外，配备较好的显示卡也很重要。在这里，我们主要是在保证显示精度的情况下，对三维地震数据进行加工，减少存贮字节，减少数据量，来提高显示速度。
一般的解释系统在显示地震剖面时使用红、兰、白等颜色，这样也可以较准确地显示地震记录。根据这个特点，我们在对数据进行加工时，把地震数据进行归一化处理，使其数值控制在某一范围内，把原来占用四个字节的每个数据用一个字节来存储，这样，可以，极大地减少数据体的存贮量。由于存贮量的减少，显示速度也得到了大的提高。
对一个三维地震数据体｛xi，yj,zk，al ｝, 其中xi代表CMP点，yj代表横测线（Crossline），zk代表采样点的时间，al是振幅值，由于它是规则数据体，用规则六面体进行剖分，对每个六面体内的振幅值充填不同颜色，就完成地震三维数据体的可视化。
图4是桩西地区三维地震数据体的立体显示图。该图能在空间任意平移、旋转和缩放。
根据需要，有时只需对数据体中的某一部分进行观看，这就需要对数据体进行切割处理，只取其中的一部分进行显示。用AVS/Express的BOUND模块就可实现这个功能。
为了更好地观看地震数据，需对数据体进行挖空和切割处理，这就是我们通常所看到的时间切片，纵剖面、横剖面等。通过对三维数据体进行不同的挖空显示，可以对探区的地质构造有一定的了解。图5是桩西地区纵横剖面和水平切片的综合显示。
四、三维地震数据体和地震层位的综合显示
利用前面叙述的可视化技术，在统一的坐标系统下，把地震层位和三维地震数据体作为两个不同的对象，同时输入到系统中，就可实现三维地震数据体和地震层位的综合显示。由于把层位放在三维数据体中，对数据体做各种挖空显示，这样可以检验解释层位的正确性。图6是桩西三维数据体与其七个层位加断层的综合立体显示图。
五、地震电影
由于把三维地震数据体不再作为静态显示的手段，而是从地震体中沿纵横剖面方向、水平切片方向产生电影画面，这样用电影功能快速观察整个数据体的地质结构变化，在进行解释之前可使解释人员在很短的时间内对要解释的数据体有一个整体的概念，这有利于考虑下步解释方案与解释细节。
通常我们所看到的电影是把活动物体用30帖/秒的胶片记录下来，然后通过放映机把静止的胶片按每秒30幅画面连续不断的播放，这样就可看到不间断的画面。根据这个思路，我们对三维地震数据体沿某个方向按一定的间隔如沿Crossline方向做许许多多的切片，按顺序把每个切片记录下来形成可用计算机软件播放的文件格式，如MPG格式，然后用movieplay等计算机软件进行播放，就可形成沿这个方向的地震电影。在放映中，我们可以反复看到精彩的地震电影。从地震电影中，可以看到地震层位的变化情况和地质构造的变化，这样有利于下一步的解释。
对速度深度模型、地震波波前走时曲面数据体等用同样的方法也可以作成电影播放。
六、复杂地质模型的三维可视化
复杂地质模型的可视化是计算机辅助设计的一部分，在油气勘探和开发中，我们平常看到的大部分地质模型一般是以二维的形成表现出来，不形象直观，在做三维叠前深度偏移时，速度深度模型的建立是该技术的关键和难点，这其中就用到三维可视化。
在本文中主要对速度深度模型进行各种处理和显示。如果输入的速度深度模型数据是规则数据，可用规则六面体进行剖分；对不规则散列数据，也可用规则六面体剖分，但精度不高，会出现锯齿状；一般的速度深度模型是不规则数据,所以我们这里用Delaunay剖分形成四面体比较精确。速度深度模型的三维可视化流程如下：
七、地震波波前曲面可视化
在做叠前深度偏移处理时，其中有一项非常重要的工作就是计算地震波走时。为了检验地震波走时计算是否正确，需要把计算结果显示出来。胜利石油管理局与中国科学院地球物理所共同承担的九.五国家自然科学基金会课题“复杂地质体精细速度分析及三维叠前深度偏移理论和方法研究――以桩西埕岛古潜山为例”中就有多种计算走时的方法。中科院杨长春博士基于三维射线跟踪的微变网格方法和波前重建思路，提出了一种适用于三维复杂介质地震波走时的快速算法，可高效地获得三维叠前深度偏移的地震波理论走时；方正茂高级工程师根据Format原理用简单微积分技术和计算排序在矩形网格上计算初至旅行时，弥补了Schneider（1992）算法在实现方法上的不足。在本文的研究过程中，与复杂地质体项目紧密结合，并根据项目的要求，把计算得到的地震波波前曲面实现了三维可视化。
由于地震波波前曲面传播的三维数据体是规则数据，其数据格式和三维地震数据体的格式相同，所以，地震波波前曲面三维可视化的方法与三维地震数据体的三维可视化基本相同。
图8是一个速度为2800米/秒的均匀介质地震波前传播曲面图。从图中可以看出，波前面是均匀的半球面。图9是用ZX地区速度深度模型基于Format原理用简单微积分技术和计算排序在矩形网格上计算初至旅行时的地震波波前走时图，它的计算网格是120*500*120米。从图中可以看出，由于速度的变化，波前曲面有变化，并且随着与震源点的距离的增加波前的间隔也随之增大，这与实际情况一致。图10是在一个屏幕上同时显示连续不同时刻的波前曲面切片，这样便于分析。
致 谢
感谢在中科院地球物理所刘洪研究员的精心指导和关怀；感谢胜利石油管理局的余大祥、李进龙、匡 斌、徐兆涛在技术上提供的宝贵指导和帮助。
参 考 文 献
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2. 刘洪、李幼铭、高红伟、杨新民等,复杂地质体三维地质模型建立及显示，中科院地球物理所,1998
3. 卢朝阳、吴成柯,任意多边形内带特征约束的散列数据的最优三角剖分，计算机辅助设计与图形学学报，Vol.9,No.4,Jul.,1997
4. 张剑秋、张福炎，地球物理勘探可视化工作的挑战与机遇，石油地球物理勘探， Vol.32（6）,1997.12, 884-888
5. 张剑秋、张福炎，地震层位信息三维可视化,石油物理勘探，Vol.33（1）,1998,2 119-124
6. 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., 25,1305—1321
7．Donald Henrn, and M.Pauline Baker, Computer Graphics C Version , Prentice Hall International Inc.
8. Watson, D.F., 1981, Computing the n—dimensional Delaunay tessellation with application to Voronoi Polytopes: The computer Journal, 24（2）,167—172
图1 ZX地区一个层位的三维空间立体图 图2 ZX地区七个地震层位立体显示图
图3渤南油田52小层孔隙度立体图 图4 ZX地区三维地震数据体的立体显示图
图5 ZX地区纵横剖面和水平切片的综合显示 图6 ZX地区三维数据体与其七个层位加断层的综合显示图
图7 ZX地区速度深度模型 图8 均匀介质地震波前传播曲面图
图9 ZX地区速度深度模型计算的地震波波前走时图 图10 ZX三维旅行时沿测线方向的切片
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