基于角点网格的煤层三维建模与可视化研究_周为喜.pdf

第 44 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.5 2016 年 10 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Oct. 2016 收稿日期 2014-12-22 基金项目 国家科技重大专项课题（2011ZX05034-005）；国家自然科学基金项目（41202236） Foundation itemNational Science and Technology Major Project（2011ZX05034-005）；National Natural Science Foundation Project of China （41202236） 作者简介 周为喜（1988），男，安徽安庆人，硕士研究生，从事地学信息与三维可视化方面工作. E-mailzhouweixi0925 通讯作者陈玉华（1978），男，安徽淮北人，博士，副教授，从事数学地质与三维建模方面研究. E-mailchenyuhua 引用格式 周为喜，陈玉华，杨永国，等. 基于角点网格的煤层三维建模与可视化研究［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（5）53-57. ZHOU Weixi，CHEN Yuhua，YANG Yongguo，et al. 3D modeling and visualization of coal reservoir based on corner-point grid［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（5）53-57. 文章编号 1001-1986（2016）05-0053-05 基于角点网格的煤层三维建模与可视化研究 周为喜 1，2，陈玉华1，2，杨永国1，2，罗金辉1，2 （1. 中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008； 2. 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008） 摘要 在煤层气排采分析及数值模拟研究中，煤储层结构的三维建模是数值模拟和结果分析的起 点，具有关键作用。三维长方体等传统网格，难以表达地层的起伏变化，角点网格具有表达起伏 变化地层的优势。从煤层气动态可视化的角度出发，基于角点网格建立了煤储层三维地质模型。 研究了角点网格模型的数据特点及生成角点网格的方法，采用 C编程语言并结合 OpenGL 图形接 口，开发了煤储层三维可视化软件模型，利用该模型表达了山西省沁水盆地潘庄区块的煤储层地 质构造。结果表明，角点网格适用于煤储层三维模型的构建，能较好的表达煤层的结构特征。 关 键 词角点网格；煤储层；三维建模与可视化；OpenGL 中图分类号P631 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.05.010 3D modeling and visualization of coal reservoir based on corner-point grid ZHOU Weixi1，2， CHEN Yuhua1，2， YANG Yongguo1，2， LUO Jinhui1，2 （1. College of Resources and Earth Science， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221008， China； 2. Key Laboratory of Ministry of Education and the Accumulation Process of Coalbed Methane Resources， Xuzhou 221008， China） Abstract In the study of CBMs drainage analysis and numerical simulation， 3D geological model of coal reser- voirs structure is the starting point for numerical simulation and results analysis， which plays an important role. Three dimensional cuboids and other traditional grid can not express the changes of strata， but corner-point grid has the advantage of doing it. From the point of dynamic visualization of CBM， the paper established a 3D geo- logical model of coal reservoir based on corner-point grid， studied the characteristics of data and the to generate corner-point grids of CBM， developed a three dimensional visualization interface of coal reservoir using C programming language combined with OpenGL graphic interface， expressed the coal reservoir geological structure in Panzhuang area， Qinshui basin， Shanxi Province with the model. The results show that corner-point grid is suitable for constructing 3D model of coal reservoir， which has a good expression of the structural charac- teristics of coal seam. Key words corner-point grid； coal reservoir； 3D modeling and visualization； OpenGL 煤层的三维建模与可视化是“数字矿山”［1］的重 要组成部分， 也是进行煤层气排采分析与数值模拟的 基础。 针对煤层地质体的三维可视化， 国内外专家学 者提出了很多理论方法， 包括用广义三棱锥实体模型 模拟煤层， 用三角网构建煤层底板等高线等， 但都存 在一定的局限性， 难以表达煤层的复杂构造， 探索基 于煤层特点的建模方法具有重要的现实意义。 角点网格最早是由 ECLIPSE 软件在 1983 年推 出并由 Ponting 引入油藏数值模拟研究中的［2］。 具有 灵活、不同油层网格可变的优点，能精确描述断层 两翼的深度变化、流体分布和流体渗流特征。角点 网格克服了正交网格的不灵活性，可以用来方便地 模拟断层、边界、尖灭等，在油藏数值模拟方面的 理论研究与应用日趋完善［3-5］。 针对我国大多数含煤 ChaoXing 54 煤田地质与勘探 第 44 卷 盆地地质构造特征复杂，断层发育的特点，本文将 角点网格模型引入到煤储层的研究中，基于角点网 格构建了煤储层三维模型，取得了较好的效果。 1 角点网格模型及特点 目前广泛使用的体模型有角点网格、PEBI 网 格、径向网格和任意四面体。角点网格模型属于结 构型网格，最适用于油气成藏过程模拟。它是用 2 个（m1）（n1）的规则拓补结构的控制面来生成单 元体结构， 中间用滑动的线来定义各单元的顶底界， 属于油藏工程中的不规则六面体网格ECLIPSE 通 用规则拓补实体。 角点网格逻辑结构上属于 mnk 个子单元的 规则拓扑结构模型［6］，即表面网格数为 mn 个，纵 向上分为 k 层。它通过（m1）（n1）（k1）条逻辑 线， 定义 mnk 个单元， 即 X 方向逻辑上有（m1） 条线，剖分成 m 个单元；在 Y 方向有（n1）条线，剖 分成 n 个单元；在深度 Z 方向有（k1）条线，剖分成 k 个单元，每个单元都是一个六面体。该六面体的 8 个空间坐标结点由顶、底两个控制面及每个结点的 Z 值来确定。如图 1 所示的单元体，以其中一边 CD 为例说明其坐标的形成， 设 C、 D 两点的 Z 值为 ZC、 ZD，C、D 的空间坐标分别为（XC，YC，ZC）、（XD， YD，ZD），已知顶底两点坐标 A（XA，YA，ZA）与 B（XB， YB，ZB），则 C、D 两点的 X、Y 坐标值为 XC XA （ZC - ZA） （XB - XA） / （ZB - ZA） YC YA （ZC - ZA） （YB - YA） / （ZB - ZA） XD XA （ZD - ZA） （XB - XA） / （ZB - ZA） YD YA （ZD - ZA） （YB - YA） / （ZB - ZA） 即 C、D 两点是由顶部 A 点与底部 B 点线性内 插所得。 图 1 角点网格子单元体 Fig.1 Sub unit of corner-point grid 运用角点网格构建煤储层三维地质模型具有很 多优势，它首先将断层作为一种重要属性建立断层 模型，再根据相关资料建立地层模型，然后将断层 模型与地层模型耦合建立格架模型，在此基础上载 入储层物性，建立完整的地质模型。角点网格空间 上不局限于六面体，平面上不局限于长方形，而是 以四边形为主，三角形和其他多边形为辅的复杂网 格结构。角点网格可以解决传统直角正交网格无法 解决的大斜度倾斜断层问题，还可以实现地质体尖 灭、空洞与断裂的表达，能较好的模拟煤储层三维 地质构造。 2 煤层的角点网格生成与表示方法 角点网格系统可以通过有限元映射法在三维区 域上生成，也可以首先生成平面四边形网格，然后 在此基础上纵向引出坐标线生成三维角点网格系 统。有限元法多运用在建筑、造船和机械等领域， 映射法是一种传统的有限元网格生成方法，算法简 单、速度快、单元质量好，可以生成结构化网格与 非结构化网格，还可以生成四边形单元网格与六面 体单元网格。第二种方法中的平面四边形网格可以 由规则格网模型生成或由比较成熟的 D-三角网转 换得到，再根据边界、断层与裂隙的纵向延伸方向 确定坐标线的斜率。接着按斜率引出坐标线，并根 据煤层层系划分情况和垂直深度，确定各坐标线上 的角点位置，相邻四条坐标线各取上下两个角点， 得到的八个角点就可以构成一个角点网格单元。重 复此类操作，直至生成整个角点网格系统。 数值模拟软件 Eclipse 中的 Flogrid 模块采用第 二种方法生成角点网格模型。论文以此方法为例， 对其数据文件进行剖析。 COORD 记录角点网格模型中某一地层或岩层 的上下表面格网点坐标。 记录方式为按行排列， 先记 录上顶面的格网点坐标， 然后记录下底面的格网点坐 标， 这里的顶底面并不是每一个格网的顶底面， 而是 地层或岩层的顶底面。每层形成（m1）（n1）条坐标 线，读取这些格网点可以构建地层的顶底板。 ZCORN角点网格的深度，记录角点网格模型 中所有角点网格 Z 坐标，个数为 8mnk。排列 方式为按照行、列、层的方式进行排列，即先按照 行方式记录第一个网格块 i 方向的两个角，接着是 i 方向下一个网格块的两个角，依次类推。 PROPERTY此标示符记录每个单元格格网的属 性，如 Porosity 表示格网的孔隙度，Permx 表示格网 在 X 方向上的渗透率等等，数据个数为 mnk。 以上内容完整的展示了角点网格数据模型的存 储方式和特点，在后期进行功能实现时，需要根据 这些内容获取模拟所需的数据。由于角点网格涉及 的数据量大且种类多，在编程实现时，可用一个固 定的类来实现网格数据的读取， 避免出现管理混乱。 在煤储层三维建模过程中，本文基于 Surfer 生 成煤层底板埋深层面模型，再将根据钻孔资料获得 ChaoXing 第 5 期 周为喜等 基于角点网格的煤层三维建模与可视化研究 55 的煤层厚度作为角点网格深度纵向引出坐标线生成 煤层三维可视化模型。但基于 Surfer 数字高程模型 生成的煤层顶底板三维图形，同一个结点的高程值 只有一个，四个单元格共用一个结点，图形是连续 的，不能表达断层及断裂信息，不能体现角点网格 构建三维模型的优势。因此，文中将煤层顶底板作 为角点网格的顶底控制面，将顶底板层面数据作为 角点网格中的顶底控制面数据 COORD，在控制面 数据文件后面加上角点网格深度 ZCORN， 记录每一 个角点网格的 Z 值，这样，相邻的四个单元格具有 不同的网格深度，就可以将断层断裂等信息绑定到 角点网格中， 基于角点网格表达复杂煤层地质体了。 三维可视化实现过程如图 2 所示。 图 2 煤层的角点网格可视化过程 Fig.2 The visualization step of coal reservoir by corner point grid 3 三维建模软件的开发与功能实现 本文在 VS2010 环境中运用 C语言并结合 OpenGL 图形接口进行三维图形的开发。要在 C中 使用 OpenGL 需通过封装了 OpenGL API 接口的第 三方类库来实现，如 CsGL、CSOpenGL 等。 CsGL 可以方便的在.NET 框架上开发 OpenGL 应用程序， 因此， 将 OpenGL 的动态链接库接入 C可以方便地 进行 3D 应用程序的开发［7-8］。 建模软件主要包括数据文件的读取，三维图形 的显示、平移与旋转，地质图形的剖面与切片的制 作，纹理载入与图形的多样性显示等。参照上节中 对角点网格数据文件的相关剖析，根据实际数据生 成网格柱即顶底控制面就可以确定网格的边界范围 了，再基于模拟地层的相关特性对网格柱进行纵向 上的划分，形成纵向网格。在角点网格模型中，中 间层面的网格点只给出 Z 值，相应的 X，Y 坐标值 需根据顶底面坐标线性内插得到。 3.1 地质剖切面图形的制作与显示 在构造建模的基础上载入煤储层属性信息包括 储层压力、 渗透率、 饱和度等可以建立基于角点网格 的煤储层属性模型。 煤层气的开采是一个排水降压的 过程， 剖面与切片的制作可以很方便地展示煤储层属 性参数在排采过程中的动态变化。论文通过 OpenGL 中裁剪变化与缓存原理实现煤层三维地质模型的剖 面与切片显示［9-10］，图 3a 是某时刻煤层的储层压力 实体模型， 图 3b 是该实体模型的储层压力切片图， 图 3c 与图 3d 是水平方向与垂直方向上的剖面图。 3.2 煤层边界线的调整及有效网格的定义 在进行煤层三维地质建模的过程中，建模区域的 边界通常并不是按规则形状分布的，而是分区分布和 不连续的，边界形状也是不规则的。对于地质区域的 边界控制，可以通过对现场地形的调查手动绘制建模 区域的网格边界，也可以通过已知平面的散乱点数据 求解点集的凸壳来确定网格边界。求凸壳边界的算法 目前已比较成熟，主流的方法有增量法、格雷厄姆扫 描法、卷包裹法和分治法等，基本上都能满足地质应 用需求［11-12］。确定了网格边界条件后，将边界线以外 的不包含边界线的网格部分去掉即可得到调整边界后 的网格了。角点网格的属性模型中，可以通过一个属 性 ac 来定义网格的有效性，若 ac［i，j，k］1 则该网格 有效，若 ac［i，j，k］0，则该网格无效，这样可以通 过将网格赋属性值 0 的方式来将网格设置为无效网 格，使该网格单元进行不绘制。 图 3 储层压力剖切面示意图 Fig.3 section diagram of reservoir pressure 3.3 角点网格断层的绑定 基于 Surfer 生成的平面四边形网格具有规则的 结构信息，可以方便的生成角点网格模型并进行后 续属性模型的建模。但生成的规则网格在平面上结 构单一、表现方式简单，不能表达断层信息，不能 体现角点网格表达复杂地质体结构特征的优势。要 在角点网模型（平面四边形）中表达断层，就需要将 断层强行绑定到四边形网格中，使其中的某些网格 ChaoXing 56 煤田地质与勘探 第 44 卷 边成为断层边。这样既可以体现断层，又可以使网 格有序，实现四边形网格化。 所谓断层绑定，就是将断层线附近的网格点移 动到断层线上，以达到断层镶嵌到网格中的目的。 断层绑定的原则为就近一致，即先将每条断层的 开始点绑定到网格中，然后顺着断层线依次将断层 上的点绑定到最近的网格点上，直至整个断层绑定 结束为止。 断层绑定的方法为 a. 将距离断层首尾节点最近的网格点移动到 该首末端点； b. 计算所有断层之间的交点，并将交点附近的 网格点绑定到该断层上； c. 计算断层与网格 X 方向的所有交点，并将附 近的网格点绑定到交点上； d. 计算断层与网格 Y 方向的所有交点， 并将附 近的网格点绑定到交点上； e. 遍历所有的网格单元，若单元的对角线有网 格点位于断层线上，则将另外一条对角线上的其中 一个网格点绑定到断层上。 断层绑定时应注意一个网格点只能绑定到一个 断层上，但同一个断层可以允许多个结点绑定。对 一些复杂断层，如多个断层相交于同一点的情况， 绑定不一定成功，则只能做一些近似的表达处理。 4 实例应用 潘庄区块位于山西省晋城市沁水县境内，端氏 镇之南、町家镇的西北、嘉峰镇之北。属于山区地 带，地形条件复杂。潘庄区块地质构造简单，煤层 倾角小，煤层底板起伏幅度小，标高变化不大，但 由于该区为丘陵山区，沟谷切割，地形起伏较大， 致使煤层埋深变化较大。区块内含煤地层为上石炭 统太原组和下二叠统山西组，发育 3 号、9 号和 15 号煤层，其中 3 号和 15 号煤层最稳定，3 号煤层埋 深为 156.27～695.20 m，煤层厚度为 3.15～7.30 m。 论文以潘庄区块 3 号煤层作为建模软件的三维 可视化实例对象， 通过项目资料得到该区部分点的相 关数据， 包括点的空间位置、 该点处的煤层埋深与煤 层厚度， 并运用 Surfer 软件对该区已知散乱点进行插 值处理。 用 Surfer 将该区已知点的煤层埋深与煤层厚 度分别进行空间插值， 生成GS ASCⅡ文本类型的grd 文件，且使生成的数据文件在 XOY 平面上具有相同 的行列数，文中以 10075 为例。软件读取底板埋深 网格文件（*grd）生成的煤层底板埋深层面模型如图 4a 所示，将煤层厚度作为角点网格模型的深度纵向 引出坐标线生成的煤层顶底板三维模型如图 4b 所 示， 由于生成的煤层埋深与厚度网格文件具有同样的 行列数， 因此可以保证数据的准确性与一致性。 在不 规则三维六面体网格的基础上绑定断层， 就可以基于 角点网格表达煤层的三维模型了，图 4c 是在图 4b 的基础上沿任一方向加入断层后的显示效果。 根据潘 庄区块的实测地质边界将边界线以外的网格设为无 效网格生成的平面图如 4d 所示。 在煤层气排水降压过程中，煤储层的各项属性 参数是动态变化的［13-14］。 随着排采过程的不断进行， 水气排出，储层压力降低，煤层的有效应力增大， 使煤层受到挤压，煤层厚度实时发生着变化。根据 潘庄区块煤层厚度相关数据，笔者将该区煤层厚度 划分为 9 个区段，并分别加以表示，得到裁剪边界 后初始时刻煤层厚度如图 5a 所示， 随着煤层气开采 图 4 煤层三维可视化模型示意图 Fig.4 The 3D visualization model of coal seam 图 5 不同时刻煤层厚度状态 Fig.5 the thickness of coal seam at different time ChaoXing 第 5 期 周为喜等 基于角点网格的煤层三维建模与可视化研究 57 的不断进行，煤层厚度不断减小，其后任一时刻煤 层厚度变化状态如图 5b图 5d 所示。 5 结 论 a. 研究了角点网格的相关概念，探讨了煤层的 角点网格的生成与表示方法。将角点网格模型引入 到煤层的三维可视化中，可以发挥角点网格的特点 与优势，表达煤层表面的起伏变化，煤层的断层、 断裂与褶皱等复杂地质构造，为后期进行煤层气的 排采分析、数值模拟与产量预测等提供便利。 b. 根据角点网格模型的算法特点在 Visual Studio 环境中采用 C编程语言并结合 OpenGL 图形 接口开发了煤层三维可视化软件模型。 借助OpenGL 强大的绘图功能， 可实现煤层地质体的多样化表达， 剖切面的制作可以方便地展示煤层气排采过程中煤 储层参数的动态可视化过程。 c. 运用该软件实现了沁水盆地潘庄区 3 号煤层 的可视化表达。提出煤层底板埋深由 Surfer 软件插 值生成的平面四边形网格表示，将煤层厚度作为角 点网格深度纵向引出坐标线生成不规则六面体网 格，并进行断层绑定与网格剖分来实现煤层的角点 网格表达。建模软件生成的三维图形在一定程度上 展现了煤层地质体的形态特征，具有一定的理论价 值与现实意义。 参考文献 ［1］ 孙豁然，徐帅. 论数字矿山［J］. 金属矿山，2007（2）1-5. 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