鄂爾多斯盆地延長組數(shù)字露頭表層建模方法研究

曾齊紅，馬乙云，2，謝　興，張友焱，葉　勇，劉　松

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；2.長江大學地球科學學院，武漢430100）

鄂爾多斯盆地延長組數(shù)字露頭表層建模方法研究

曾齊紅1，馬乙云1，2，謝興1，張友焱1，葉勇1，劉松1

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；2.長江大學地球科學學院，武漢430100）

根據(jù)地面激光雷達、高精度差分GPS和高精度數(shù)碼影像資料，制定數(shù)字露頭野外數(shù)據(jù)采集方案，建立激光雷達點云數(shù)據(jù)拼接和坐標轉換處理流程，提出基于最佳趨勢面的三角網(wǎng)建模方法和數(shù)字露頭表層模型優(yōu)化方法。利用該方法，建立了鄂爾多斯盆地延長組譚家河露頭的數(shù)字露頭表層模型，在該模型的基礎上開展了露頭砂體展布與發(fā)育情況的分析，對識別出的三角洲平原分流河道砂體和三角洲前緣水下分流河道砂體進行了定量描述，前者單河道砂體垂向上呈孤立疊置樣式，寬厚比小，后者單河道砂體垂向上呈多期連續(xù)疊置樣式，寬厚比明顯較大，進而對露頭砂泥巖分布進行分析。該區(qū)砂體發(fā)育受沉積環(huán)境控制，分流河道以及水下分流河道砂體發(fā)育區(qū)砂地比明顯較大，砂地比由小變大的方向為北東—南西向，與研究區(qū)物源方向基本一致。

地面激光雷達；數(shù)字露頭；表層建模；延長組；鄂爾多斯盆地

0　引言

露頭是地下儲層在地面的真實刻畫，對儲層露頭的調(diào)查和解剖是建立地下儲層地質模型的有效手段。傳統(tǒng)的露頭研究最常用的方法是現(xiàn)場調(diào)查，因此大批地質工作者為了解剖露頭，通常帶著地質錘、皮尺和放大鏡等地質工具在野外進行定性研究。隨著油氣勘探逐漸向精細化發(fā)展，需要對儲層露頭進行精細的定量研究，而地面激光雷達可快速精確地獲取被測物體的三維信息，是三維地理信息獲取的重要手段。地面激光雷達使得能夠代替實地野外測量的數(shù)字露頭技術成為可能。近幾年，國外一些學者已將數(shù)字露頭技術應用于油氣地質［1-5］，但在國內(nèi)對該方面的報道較少［6-7］。因此，筆者利用地面激光雷達技術（Lidar，Light Detection And Ranging），結合高精度GPS和高精度數(shù)碼影像資料，研究野外儲層露頭的高精度數(shù)字露頭表層模型建模方法，并以鄂爾多斯盆地延長組致密油儲層露頭為例，建立譚家河露頭的數(shù)字露頭表層模型，研究致密儲層砂體的展布規(guī)律。該方法既可實現(xiàn)在室內(nèi)反復研究仿真儲層露頭的目的，還可為地質工作者提供儲層露頭精細與定量表征的研究手段。

1　數(shù)字露頭表層建模方法

基于地面激光雷達的數(shù)字露頭表層建模方法是結合地面激光雷達技術、高精度差分GPS和高精度數(shù)碼影像資料，建立野外儲層露頭的仿真表層模型。本方法首先提出數(shù)字露頭野外數(shù)據(jù)采集方案，然后建立激光雷達點云數(shù)據(jù)拼接和坐標轉換等處理流程，對處理好的點云數(shù)據(jù)利用基于最佳趨勢面的三角網(wǎng)建模方法建立表層模型，最后進行模型的著色和優(yōu)化。

1.1制定儲層露頭數(shù)據(jù)采集方案

數(shù)字露頭表層建模的數(shù)據(jù)采集主要包括3部分：利用地面激光雷達獲取用于精確描述露頭表層空間信息的三維點云；利用差分GPS獲取儲層露頭的精確地理坐標信息；利用高分辨率數(shù)碼相機獲取儲層露頭的高精度紋理影像。

根據(jù)野外實驗結果，地面激光雷達數(shù)據(jù)采集主要根據(jù)儲層露頭的規(guī)模設定地面激光雷達掃描站點位置以及點密度（圖1）。掃描距離一般設置為20～1 050 m，掃描密度為3～10 mm，對于大目標需要進行分站掃描。為了便于多站數(shù)據(jù)拼接以及彌補漏洞，臨近掃描站之間設置30%～50%的數(shù)據(jù)重疊，并且事先在露頭上安置高反光片作為控制點（圖1中黃色的控制點，例如ControlP1），保證相鄰掃描站至少有3個公共控制點，而且每個公共控制點不在一條直線上。每一站掃描選擇正對著目標45°左右的視角。在露頭掃描區(qū)域選擇5個不在一條直線上的特征點作為GPS控制點，進行差分GPS采集，用于將點云轉換為真實大地坐標。同時利用高分辨率數(shù)碼相機采集露頭照片，盡量在激光掃描站點處并正對露頭采集，相鄰影像之間保持15%以上的重疊區(qū)。

圖1　地面激光雷達數(shù)據(jù)采集方案示意圖Fig.1　Schematic diagram of data acquisition scheme based on ground Lidar

1.2地面激光雷達點云數(shù)據(jù)處理

地面激光雷達掃描露頭得到的數(shù)據(jù)是多站三維海量點云，每站數(shù)據(jù)都有以掃描儀位置為中心的工程坐標系。為了將多站數(shù)據(jù)合并為統(tǒng)一坐標，需要對數(shù)據(jù)進行處理，包括點云拼接和坐標轉換。

（1）點云拼接：將多個具有獨立工程坐標的掃描站數(shù)據(jù)合并為統(tǒng)一坐標。首先在臨近掃描站的點云上人工預選擇3～5個同名點，一般同名點由高反光片控制點及目視識別的同名點組成；然后利用掃描儀數(shù)據(jù)處理軟件（RiScanPro）中的多站拼接算法，通過設置點集的距離差，不斷迭代計算變換點集的空間旋轉矩陣和平移向量，直至距離差滿足設置條件。以其中一個掃描站為基準，旋轉和移動另一掃描站點云，最后完成兩站點云的拼接，以此類推實現(xiàn)多站點云的拼接。

（2）坐標轉換：將工程坐標的數(shù)據(jù)轉換為真實大地坐標。首先將野外實測的差分GPS控制點數(shù)據(jù)按照一定規(guī)則整理為txt文本格式（格式為：點號和X，Y，Z）；然后在點云數(shù)據(jù)上人工找到相應控制點的位置并標記；最后利用掃描儀數(shù)據(jù)處理軟件（RiScanPro）中的坐標轉換算法，自動計算點云整體的偏移原點和旋轉矩陣，使得每個點云都具有真實的地理坐標。

1.3最佳趨勢面三角網(wǎng)建模

傳統(tǒng)的三角網(wǎng)建模都是將點投影到水平面建網(wǎng)，這種方法不適用于儲層露頭垂向信息的建網(wǎng)需求。本文提出了最佳趨勢面三角網(wǎng)建模方法：首先建立八叉樹分割海量點云，將點云向各個方向進行投影，選擇投影面積最大方向的平面作為最佳趨勢面［圖2（a）］；然后將所有點云投影到此最佳趨勢面上，在該平面上建立不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN，Triangulated Irregular Network）［圖2（b）］；最后再把該平面三角網(wǎng)通過高程值還原到三維空間中，完成快速逼真地建立儲層露頭的表層三角網(wǎng)模型，清晰地表達露頭立體幾何的結構特征。

圖2　最佳趨勢面示意圖和三角網(wǎng)示意圖Fig.2　Schematic diagram of the optimal trend surface and triangular mesh

1.4模型著色和優(yōu)化

三角網(wǎng)模型代表露頭的幾何結構，但本身沒有顏色信息，需要將野外拍攝的數(shù)碼照片貼圖到三維模型上，建成具有表面地質信息的仿真數(shù)字露頭模型。本文利用人工手動選擇照片與三角網(wǎng)模型的匹配點，自動計算配準參數(shù)并糾正照片實現(xiàn)模型的著色。

由于海量點云的三角網(wǎng)建模是分塊完成的，建模后需要將分塊模型進行拼接，對于不規(guī)則三角網(wǎng)模型的拼接會出現(xiàn)如圖3（a）中框出的重疊錯亂現(xiàn)象，本文提出了分塊三角網(wǎng)模型無縫拼接方法：首先逆向拆分臨近模型的三角面，經(jīng)KDTREE空間分解檢測2個模型的重疊區(qū)域；然后利用自適應算法尋找模型的分割邊界，將重復區(qū)域重新建立不規(guī)則三角網(wǎng)；最后實現(xiàn)模型的無縫拼接，拼接后的效果如圖3（b）所示。

圖3　分塊三角網(wǎng)模型無縫拼接示意圖Fig.3　Schematic diagram of the blocking TIN model combining

2　延長組數(shù)字露頭建模及應用

研究區(qū)域選擇在鄂爾多斯盆地陜北斜坡帶東部延河剖面譚家河村露頭考察點（以下簡稱譚家河露頭）。該區(qū)主要發(fā)育上三疊統(tǒng)延長組地層，為長7—長63進積三角洲沉積體系。三疊系延長組是鄂爾多斯盆地主要的含油層系，其中長7油層組沉積時期是延長組生油巖形成的重要時期，也是鄂爾多斯盆地延長組主力生油巖［8-9］。長6是中生界石油勘探的主要目的層，由于其直接覆蓋在長7主力生油巖之上，油氣經(jīng)垂向及側向短距離運移，首先進入砂巖透鏡體中儲集起來，是最為有利的儲集層系。延長組砂體是湖盆三角洲平原亞相和前緣亞相砂巖的典型代表，區(qū)域展布穩(wěn)定，具有低孔、低滲、低產(chǎn)的特征，是我國最具代表性的致密油儲層［10-12］。

譚家河露頭總長約1.5 km，高約60 m。本次地面激光雷達掃描采用的設備是奧地利rigel-vz400。由于現(xiàn)場受地形限制，掃描方案設計為掃描距離150 m，掃描密度1 cm，共掃描15站，獲取了譚家河露頭表層空間幾何信息的三維點云。高分辨率數(shù)碼相機選用的是賓得645 D，達到4 000萬像素，獲取了譚家河露頭的高精度紋理影像。利用本文所述的點云數(shù)據(jù)處理及最佳趨勢面建模流程及方法，建立了譚家河數(shù)字露頭模型，局部露頭模型如圖4所示。

圖4　譚家河數(shù)字露頭局部模型Fig.4　Digital outcrop model of Tanjiahe outcrop

數(shù)字露頭模型具有真實的大地坐標，可以實現(xiàn)在室內(nèi)對野外露頭的精細描述和分析。圖5是對譚家河數(shù)字露頭模型進行巖性邊界解釋和砂體展布分析的結果，圖中桔色表示中—粗砂巖，黃色表示細、粉砂巖（部分砂巖含泥質），未標注顏色表示泥巖以及第四系覆蓋。在此解釋結果的基礎上，研究砂體在各向上的延續(xù)狀態(tài)（主要是長度和寬度），反映砂體的側向連續(xù)性，以及垂向上單河道砂體之間的連通程度和河道間疊置關系［13-14］。首先測量各個砂體的寬度、厚度，然后計算出砂體寬厚比。圖5中砂體1至4為三角洲平原分流河道砂體，單河道砂體垂向上呈孤立疊置樣式；砂體5至7為三角洲前緣水下分流河道砂體，單河道砂體垂向上呈多期連續(xù)疊置樣式。通過砂體寬厚比的計算，得出三角洲平原分流河道砂體的寬厚比明顯小于三角洲前緣水下分流河道砂體的寬厚比（表1）。

圖5　譚家河數(shù)字露頭模型全景Fig.5　Panorama of digital outcrop model of Tanjiahe outcrop

表1　譚家河砂體統(tǒng)計Table 1　Statistical table of sand bodies of Tanjiahe outcrop

圖6　譚家河剖面砂體發(fā)育情況Fig.6　Sand body development of Tanjiahe profile

表2　譚家河剖面砂體發(fā)育情況統(tǒng)計Table 2　Statistical table of sand body development of Tanjiahe profile

數(shù)字露頭巖性邊界解釋完成之后，本次研究又根據(jù)解釋結果，對研究區(qū)砂體發(fā)育情況做了進一步的統(tǒng)計與分析。砂地比是進行儲層評價，判別儲層發(fā)育情況的重要標志。砂地比越大，儲層砂體發(fā)育狀況越好。另外，砂地比也可作為判斷物源的標志之一，砂地比由小變大的方向可能與物源方向一致。在數(shù)字露頭上依次選取1～7號縱向巖性剖面［圖6（a）］，繪制巖性柱狀圖［圖6（b）］，統(tǒng)計砂體發(fā)育情況（表2），得到砂地比的變化趨勢。統(tǒng)計結果顯示，分流河道以及水下分流河道砂體發(fā)育區(qū)砂地比明顯較大，反映出砂體的發(fā)育明顯受沉積環(huán)境控制。砂地比由小變大的方向為北東—南西向，與前人對延長組物源方向的研究成果基本一致。

3　結論

（1）根據(jù)地面激光雷達技術、高精度差分GPS和高精度數(shù)碼影像資料，提出了基于地面激光雷達數(shù)字露頭表層建模方法，實現(xiàn)了對野外露頭在室內(nèi)的精細刻畫和定量分析。

（2）利用數(shù)字露頭表層建模方法對鄂爾多斯盆地譚家河露頭建立了數(shù)字露頭表層模型。通過對巖性邊界進行解釋和對各個砂體的寬度、厚度測量及寬厚比的計算，得出了三角洲平原分流河道砂體的寬厚比明顯小于三角洲前緣水下分流河道砂體的寬厚比的認識。

（3）由數(shù)字露頭剖面分析得到了譚家河露頭砂地比的變化趨勢。沉積環(huán)境控制下的分流河道以及水下分流河道砂體發(fā)育區(qū)砂地比明顯較大，砂地比由小變大的方向為北東—南西向，與研究區(qū)的物源方向基本一致。

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（本文編輯：楊琦）

Surface modeling method of digital outcrop of Yanchang Formation in Ordos Basin

Zeng Qihong1，Ma Yiyun1，2，Xie Xing1，Zhang Youyan1，Ye Yong1，Liu Song1
（1.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration&Development，Beijing 100083，China；2.School of Geosciences，Yangtze University，Wuhan 430100，China）

Combined with ground-based Lidar，high accuracy difference GPS and high precision digital image，this paper summarized field data acquisition scheme of digital outcrop，established the Lidar point cloud data splicing and coordinate conversion process，put forward triangular mesh modeling method based on optimal trend surface and optimization method of digital outcrop surface model.The surface modeling method of digital outcrop provides an effective basis for the outcrop fine quantitative study.Using this method，this paper established digital outcrop surface model of Tanjiahe outcrops of Yanchang Formation in Ordos Basin，and carried out outcrop sand body distribution and development analysis based on the digital outcrop model.Delta plain distributary channel sand body and delta front underwater distributary channel sand body were identified on the Tanjiahe digital outcrop model.The vertical overlap relationship of the former single channel sand body is isolated，and its width-thickness ratio is relatively small；the latter single channel sand body is multi period continuous stacking in the vertical direction，and its widththickness ratio is significantly larger.Analysis result of outcrop sandstone and mudstone distribution indicates that due to the development of sand bodies controlled by sedimentary environment，sand ratio of distributary channel and underwater distributary channel sand body development area was significantly larger.Sand ratio gradually increased from northeast to southwest，and it is basically consistent with the source direction of the study area.

ground-based Lidar；digital outcrop；surface modeling；YanchangFormation；Ordos Basin

P618

A

1673-8926（2015）05-0025-05

2015-05-10；

2015-06-20

國家重大科技專項“復雜儲層油氣測井解釋理論方法與處理技術”（編號：2011ZX05020-008）資助

曾齊紅（1980-），女，博士，高級工程師，主要從事遙感油氣地質應用方面的研究工作。地址：（100083）北京市海淀區(qū)學院路20號中國石油勘探開發(fā)研究院。E-mail：zengqihong@petrochina.com.cn。