一种基于地质钻孔数据处理的三维建模方法与流程

本发明属于三维建模，尤其涉及一种基于地质钻孔数据处理的三维建模方法。

背景技术：

1、三维地质建模是地质工程、地下空间开发与岩土勘察的重要基础，其精度直接影响地层结构分析与工程决策。地质钻孔数据作为最直接的地下信息源进行建模。现有三维建模方法多采用离散插值框架：根据地质复杂条件选择搜索区域形状，或依据相邻监测节点相似性进行合并分区，再通过动态阈值完成插值与网格建模。这类方法存在以下不足：一是插值过程依赖搜索区域几何形状和阈值参数，主观性较强，难以适应复杂地质条件；二是离散数据插值难以表达地质属性的空间连续变化，对地层各向异性描述不足；三是地质结构突变界面多通过空间距离或相似性指标判断，难以准确识别属性梯度突变位置；四是建模通常一次性完成，缺乏精度评估与局部自适应优化机制，在钻孔稀疏或地质复杂区域易产生层位偏差和属性偏差。

技术实现思路

1、本发明针对上述背景技术中所存在的技术问题，提出一种基于地质钻孔数据处理的三维建模方法。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、对目标建模区域内各钻孔的钻孔数据进行垂向地层特征序列提取，得到各钻孔对应的地层特征序列，所述地层特征序列包含各深度采样点对应的岩性编码值序列、粒度指数值序列和地球物理测井响应值序列；

4、对任意两个钻孔之间的地层特征序列基于动态时间规整算法进行层序动态匹配，获取各钻孔对之间的最优层序对齐路径及层序匹配质量评分；

5、根据各钻孔的地层特征序列的信息熵、各钻孔在钻孔空间分布中的voronoi孤立度指标以及各钻孔的跨钻孔匹配中心度指标，加权计算各钻孔的综合表征优先级评分，根据综合表征优先级评分确定关键控制钻孔和数据钻孔；

6、根据全部钻孔对之间的最优层序对齐路径，识别各钻孔中等时地层界面的对应深度位置，建立地层等时界面网络拓扑，并根据各钻孔的综合表征优先级评分对各钻孔处的等时界面深度位置信息赋予置信权重；

7、基于地层等时界面网络拓扑构建三维体素网格，对各等时地层界面进行加权空间插值得到连续三维曲面，确定各体素所属的地层单元并赋值对应的岩性属性；

8、计算各体素的局部地质不确定性指标，根据局部地质不确定性指标与预设细分阈值及预设合并阈值的大小关系，对三维体素网格进行自适应分辨率调节；

9、基于地层沉积规律约束规则对体素的岩性属性进行校正，输出最终的三维地质模型。

10、作为优选，对钻孔数据进行垂向地层特征序列提取包括：

11、从各钻孔数据中按预设深度间隔提取各采样点对应的岩性编码值、粒度指数值和地球物理测井响应值；

12、对各参数序列分别进行标准化处理；

13、将标准化后的各参数序列按深度顺序组成该钻孔的多维地层特征序列向量；

14、其中，岩性编码值根据岩性类别进行数值映射赋值，粒度指数值根据粒度分析结果进行数值表征，地球物理测井响应值包括电阻率测井值和自然伽马测井值。

15、作为优选，对任意两个钻孔之间的地层特征序列基于动态时间规整算法进行层序动态匹配，获取各钻孔对之间的最优层序对齐路径及层序匹配质量评分，包括：

16、对两个钻孔的多维地层特征序列向量分别构建四个代价矩阵视图，包括基于原始特征向量欧氏距离、一阶差分欧氏距离、二阶差分欧氏距离和局部窗口相关系数的代价矩阵视图；对每个代价矩阵视图分别采用标准动态时间规整算法独立求解，得到各视图对应的候选最优对齐路径，记为候选最优对齐路径；

17、构建路径共识矩阵，路径共识矩阵中各位置的取值为该位置出现在候选最优对齐路径中的次数；按路径共识矩阵取值从高到低依次选取匹配对作为锚点，剔除与已保留锚点不满足单调性条件或间距小于预设最小采样点数的候选锚点，将保留的锚点作为分段节点对两个钻孔的地层特征序列分段；

18、对各锚点分段内的子序列，构建共识加权代价矩阵，各位置的匹配代价为原始特征向量欧氏距离乘以共识权重，共识权重与该位置的路径共识矩阵取值负相关，共识值越高则共识权重取值越小；基于共识加权代价矩阵通过迭代执行动态时间规整匹配求解稳定子最优对齐路径，首次迭代求解得到初始子最优对齐路径，后续迭代在共识加权代价基础上引入前一次迭代所得子最优对齐路径的软约束加权，所述软约束加权根据当前候选匹配位置到前一次迭代所得子最优对齐路径上最近节点在索引坐标系内的二维欧氏距离确定，该距离越小则局部匹配代价的加权系数越小，该距离越大则局部匹配代价的加权系数越大，加权调整后重新求解子最优对齐路径，直至相邻两次迭代所得子最优对齐路径之间的最大位置偏差小于预设收敛阈值或达到预设最大迭代次数；将各锚点分段求解得到的稳定子最优对齐路径按锚点顺序拼接，得到最终最优对齐路径；

19、计算钻孔i和j层序匹配质量评分的计算公式为：，其中，为最优对齐路径上所有节点的局部匹配代价之和即累计匹配距离的归一化值，为最优对齐路径偏离线性对齐路径的程度即路径弯曲度的归一化值，为权重系数。

20、作为优选，根据各钻孔的地层特征序列的信息熵、各钻孔在钻孔空间分布中的voronoi孤立度指标以及各钻孔的跨钻孔匹配中心度指标，加权计算各钻孔的综合表征优先级评分，包括：

21、计算各钻孔的地层特征序列的信息熵，计算方式为：，其中m为地层特征序列中特征取值的种类总数，为地层特征序列中第m种特征取值出现的概率，信息熵表征该钻孔穿越的地层类型的多样性和地质信息丰富程度；

22、根据各钻孔的空间位置进行voronoi空间划分，计算各钻孔对应的voronoi单元面积，voronoi孤立度指标的计算方式为：，其中，为目标建模区域内全部钻孔对应的voronoi单元面积的平均值；

23、计算各钻孔的跨钻孔匹配中心度指标，计算方式为：，其中，n为目标建模区域内钻孔总数，为该钻孔i与第j个钻孔之间的层序匹配质量评分；

24、对信息熵、voronoi孤立度指标和跨钻孔匹配中心度指标分别进行归一化处理后，加权计算综合表征优先级评分；

25、将全部钻孔按照综合表征优先级评分由高到低排序，选取排名前预设比例的钻孔作为关键控制钻孔，将其余钻孔作为数据钻孔；所述预设比例根据目标建模区域的钻孔总数进行设置。

26、作为优选，根据全部钻孔对之间的最优层序对齐路径，识别各钻孔中等时地层界面的对应深度位置，建立地层等时界面网络拓扑，并根据各钻孔的综合表征优先级评分对各钻孔处的等时界面深度位置信息赋予置信权重，具体包括：

27、以各钻孔为节点、以钻孔对之间的最优层序对齐路径为边构建钻孔关联图；

28、在最优层序对齐路径中，识别路径斜率发生显著变化的位置作为层序边界匹配点，各钻孔中对应的层序边界匹配点的深度位置即为该钻孔中等时地层界面的位置；

29、将各钻孔中识别出的等时地层界面按层序对应关系进行关联，形成地层等时界面网络拓扑，所述地层等时界面网络拓扑包括各等时地层界面在各钻孔处的深度位置信息以及各等时地层界面之间的上下层序关系信息；

30、对各钻孔处的等时界面深度位置信息赋予置信权重时，各钻孔处的等时界面深度位置信息的置信权重的计算公式：，其中，为该钻孔的综合表征优先级评分，为全部钻孔中综合表征优先级评分的最大值。

31、作为优选，基于地层等时界面网络拓扑构建三维体素网格，对各等时地层界面进行加权空间插值得到连续三维曲面，确定各体素所属的地层单元并赋值对应的岩性属性，具体包括：

32、根据目标建模区域的边界范围和预设初始体素尺寸，生成覆盖目标建模区域的规则三维体素网格，所述预设初始体素的边长为钻孔平均间距的预设比例值；

33、对地层等时界面网络拓扑中各等时地层界面基于钻孔处的深度控制点进行加权空间插值，在插值过程中根据各钻孔的综合表征优先级评分对应的置信权重对各深度控制点进行加权，生成各等时地层界面的连续三维曲面；

34、根据各体素的空间中心点坐标与各等时地层界面三维曲面的上下位置关系，确定各体素所属的地层单元；

35、将各体素赋值为所属地层单元对应的岩性属性，岩性属性根据该地层单元在各钻孔中的岩性统计结果中的主导岩性确定。

36、作为优选，计算各体素的局部地质不确定性指标具体为：，其中，为体素所属区域的层序匹配质量评分的归一化值，根据该体素所属区域内包含的所有钻孔对的层序匹配质量评分的平均值进行归一化计算得到，为体素与最近钻孔的空间距离，为预设参考距离，为体素所属区域的局部钻孔密度，为预设参考钻孔密度，为体素与最近关键控制钻孔的空间距离，为预设关键控制钻孔参考距离；为权重系数且满足相加等于1。

37、作为优选，根据局部地质不确定性指标与预设细分阈值及预设合并阈值的大小关系，对三维体素网格进行自适应分辨率调节，具体包括：

38、对于不确定性指标u大于预设细分阈值的待细分体素，计算地质属性沿三个坐标轴方向的梯度分量绝对值，将绝对值大于预设梯度方向阈值的坐标轴方向确定为高变化方向，仅沿高变化方向将待细分体素二等分，各子体素继承父体素的地层单元归属并根据空间中心点与等时地层界面三维曲面的位置关系重新确定岩性属性；若三个坐标轴方向的梯度分量绝对值均不大于预设梯度方向阈值，则沿三个坐标轴方向同时二等分为八个子体素；

39、对于被等时地层界面三维曲面穿过的体素，若该曲面在体素范围内的局部平均曲率大于预设曲率阈值，即使u不大于预设细分阈值，也将该体素沿曲面法线方向投影绝对值最大的坐标轴方向二等分为两个子体素；

40、对细分后的子体素检测其与各面相邻体素之间的细分层级差，若层级差大于预设层级差阈值，则对层级较低的面相邻体素沿共享面法线方向对应的坐标轴方向进行二等分细分，重复执行直至所有相邻体素之间的细分层级差均不大于预设层级差阈值；

41、对于u小于预设合并阈值的相邻同属性体素组，若体素组内各体素三个坐标轴方向的梯度分量绝对值均小于预设梯度方向阈值且各体素与周围体素的细分层级差均不大于预设层级差阈值，则将体素组合并为单个体素，合并后岩性属性取合并前各体素的主导岩性属性；若梯度条件不满足，仅沿梯度分量绝对值小于或等于预设梯度方向阈值的可合并方向将该方向上相邻的子体素进行合并，高变化方向尺寸保持不变，合并后岩性属性取合并前各体素的主导岩性属性；若层级差条件不满足，先对层级较低的体素沿共享面法线方向对应的坐标轴方向二等分细分消除层级差，再重新执行合并条件的判断与合并操作；

42、对经细分或合并后的体素网格重新计算局部地质不确定性指标u，若仍有体素的u大于预设细分阈值或存在可继续合并的相邻同属性体素组，则再次执行上述细分和合并过程，直至所有体素的u均不大于预设细分阈值且无可合并体素组，或达到预设最大细分层级或预设最大合并层级。

43、作为优选，基于地层沉积规律约束规则对体素的岩性属性进行校正，具体包括：

44、层序约束校正，检测同一地层单元内各体素的岩性属性是否符合该地层单元在钻孔中表现出的主导岩性分布规律，对偏离主导岩性分布规律且周围相邻体素均不具有相同岩性属性的体素进行属性修正，将该体素的岩性属性修正为周围相邻体素的主导岩性属性；

45、连续性约束校正，检测同一地层单元在水平方向上相邻体素的岩性属性是否满足横向连续性要求，将同一地层单元内被不同岩性体素完全包围的孤立体素的岩性属性修正为周围体素的岩性属性；

46、厚度约束校正，检测各地层单元的体素厚度分布是否与地层等时界面网络拓扑中对应地层在各钻孔处的厚度趋势一致，对厚度明显偏离相邻钻孔对应地层厚度趋势的体素区域进行细分并重新确定地层单元归属。

47、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，采用多视图共识融合的改进动态时间规整算法进行层序匹配，有效降低单一距离度量的噪声敏感性，显著提升跨钻孔层序对比的稳定性与匹配精度；构建信息熵、空间孤立度、跨孔匹配中心度三维评价体系，科学筛选关键控制钻孔，避免单一指标的评价盲区；提出各向异性自适应体素网格机制，结合不确定性驱动与曲率引导定向细分，兼顾建模精度与计算效率；引入三重沉积规律约束校正，修正插值带来的局部属性偏差，提升模型地质合理性，整体适配复杂地质条件下的高精度建模需求。