基于Open Inventor的储层三维雕刻技术研究及实现

周婧

摘 要：在地球物理勘探中，数据的可视化是必不可少的。由于地震数据是海量数据，数据量巨大，在可视化绘制过程中面临着需提高效率、减小误差，以及高精度地展现数据特点等问题，因此地质勘探数据的可视化技术一直备受关注。使用Visual Studio 2008，基于Open Inventor三维图形可视化软件的扩展模块VolumeViz和MeshViz实现了地震数据的多分辨率显示，以及层位数据和测井数据的交互式三维可视化。结合Open Inventor的LDM多分辨率特性和MeshViz对数据的渲染，可以实现储层雕刻的高速率、高精度和良好的交互性。

关键词：地震数据；层位数据；测井数据；LDM；三维可视化

DOIDOI：10.11907/rjdk.172673

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）002-0147-04

0 引言

储层三维雕刻是对地震数据及测井数据等已知数据进行模拟，建立三维可视化储层模型，以实现从不同角度直观、准确地描述地质构造与油藏情况[1]。随着油气田勘探开发涉及的数据和资料量越来越大，复杂程度不断增加，构建的储层模型包含的信息也不断增加，有的多达几百万个节点信息。随着计算机软件和硬件技术的快速发展，工作人员也在不断尝试依靠先进的数字化、智能化的信息技术处理这些海量数据，以达到帮助石油工作人员更便捷且准确地了解储层情况的目的。Open Inventor简称OIV，是SGI公司开发的专业三维图形软件开发包，它是建立在OpenGL基础上的对象库，针对不同用户提供接口，开发人员可在其基础上进行开发。VolumeViz扩展模块能够实现对海量数据的高效管理，其中LDM模块实现了海量体数据块通过多分辨率方式进行显示，从而大大提高了效率。MeshViz模块通过建立结构化和非结构化等网格，可绘制二维和三维等多种形状的网格，便于绘制不同格式、不同属性的可视化数据。本文所述的可视化软件是利用C++语言，在VS2008平台下编写而成，可对储层进行三维雕刻与交互性操作。通常对数据进行可视化处理的流程如图1所示。

1 数据三维可视化

1.1 SEGY格式地震数据转换为LDM格式

SEGY格式是记录地震数据的标准格式，也是石油勘探行业应用最广的地震数据格式之一。SEGY格式的地震数据结构分为3部分：①3 600个字节为卷头，其中包括3 200个字节的字符串头段，400字节的二进制头段，由16位或32位的二进制数，记录整个SEGY数据文件每个记录的数据道数、每个数据道上的采样个数等基本信息；②240字节的道头字信息。每一地震道数据之前都有240字节的道头字信息，用于记录该地震道的道号、线号、CDP号、文件号、采样率、采样点数等信息；③地震道数据样点值，是32位IEEE浮点型格式。由于SEGY格式中的二进制数据是高字节在前、低字节在后，而微机中二进制数据是低字节在前、高字节在后，所以在读取SEGY格式中的数据后，要将数据进行高低位字节转换，转换成Windows能识别的数据格式后再进行其它运算。

由于SEGY格式是按测线号顺序存储地震道数据，如果直接从SEGY格式文件加载3D体，在加载大型地震数据集进行可视化时，地震数据通常比现有的CPU内存和GPU内存大得多，会造成程序反应迟缓，所以只有在需要获取的数据量较小时可才可以直接从SEGY中加载数据[2]。

而VolumeViz模块中应用的海量数据管理器（LDM）组件[3]，支持几十GB甚至几百GB的数据体绘制，采用的三维八叉树结构是一种分层的数据结构，它将三维立方体递归地分为8个子体。如图2所示，将数据根节点平均分为8个节点，该8个节点处于同一层分辨率，然后继续将8个子节点分别平均划分为8个子节点，以此方式递归划分直到达到允许的最小分辨率[4]，以管理在不同分辨率级别下的数据。将其按空间位置分块、按精细度分层，实现快速遍历数据和加快实时三维可视化显示的目的。

LDM文件中，地震数据由分辨率不同的小块拼凑而成，在可视化时先加载低分辨率的少量数据，显示低分辨率图像，再加载分辨率级别高一级的数据，以此类推，不断加载数据直到显示出高分辨率图像，这种并行处理算法加快了海量数据的存取速率。而且采用LDM文件进行可视化过程中不需要加载整个数据块，只需根据不同分辨率要求加载对应的数据块即可[5]。其中每一个节点按照time、CDP、Line的顺序存储，即空间中的一个坐标点（u，v，w）分别表示第u个采样点、第w条测线、第v个CDP。因此，与SEGY格式按道存储相比，LDM具有数据分块处理可加快存取速率、数据结构空间相关可加快数据遍历的优点[6]。

将栅格结构的SEGY文件转换成多分辨八叉树结构的LDM文件主要有两个步骤：①首先申请数据存储空间，SoLDMWriter可以创建一个LDM文件；②将从SEGY格式的数据文件中读取的按线号、点号、采样时间所确定的数据块，通过计算分成小块数据，并按其在数据体中的所在区域调用writeSubVolume（）函數依次写入，最终生成一个.ldm（LDM头文件）和一个.dat文件（数据）。

1.2 地震剖面

绘制地震剖面是给数据赋予视觉效果（例如颜色、纹理、阴影以及透明度等）[7]。地震数据和井位数据的可视化也即属性建模，是根据不同数据的属性在三维空间进行赋值，建立储层属性的三维数据体[8]。

Open Inventor场景图是由多个形体节点、属性节点、组节点以搭积木的方式一层层构造起来的。地震数据剖面显示代码流程如图3所示，分为以下几个步骤：①设置SoVolumeData将体数据加载到连续的内存中，之后进行剖面可视化，并使读取道数据时可以直接利用该内存数据，从而加快数据的随机访问速度；②体数据到颜色表映射：SoTransferFunction定义颜色映射，根据数据范围和颜色数组自动建立体素值和颜色之间的一一对应关系，无需程序员手动编写具体数据和颜色的映射关系；③SoDataRange数据范围，可以设置数据集的最大与最小值；④SoOrthoSlice定义一个和X轴、Y轴或Z轴正交的正交切片；⑤SoOrthoSliceDragger采用鼠标拖拽切片，以显示不同位置的切片。endprint

SoRoIManip可编辑感兴趣区域，在切割立方体时可以手动选取感兴趣区域的剖面。用户可点击并拖拽场景中的立方体选择器选择感兴趣区域，在数据体的不同方位切割立方体。

1.3 层位数据

层位数据一般以列的形式存储于文本文件中。Open Inventor扩展模块MeshViz XLM由两部分组成，分别为MeshViz Interface和MeshViz。其中包括3DdataMaster和GraphMaster。MeshViz包含了高级的数据可视化组件，主要面向2D和3D数据科学、制造、流体力学、通讯、金融、地理信息系统。采用MeshViz先进的制图技术，可视化系统可以快速处理几十万乃至几百万的二维和三维数据[9]，可用于所有类型的工程分析、可视化及通信应用。

索引网格又称为非结构化网格，可分为：多边形网格、三角形网格、四边形网格。

多边形网格可以描绘出由一列元胞组成的任意模型，构成凹凸不平的网格或平面网格。网格是通过索引定义的，因為每个元胞都由其节点定义，节点的索引指向一个节点坐标数组。每一个元胞是一个由任意数量的节点组成的凸多边形。两个相邻单元格必须有两个公共节点的索引，且一个元胞的一条边只能有一个相邻元胞或没有相邻元胞。

网格的拓扑结构是由元胞数目、节点数、每个元胞的节点索引列表与节点数目组成。每个元胞的节点数存储在一列数组长度与元胞数目相同的整形数组中。

在实现层位数据显示时，首先要定义网格，再利用SoFaceSet在网格表面对其属性进行渲染，最终显示出不规则的曲面。图4为层位数据显示程序流程图。

1.4 色标

色标是为了方便用户直观地看到场景图中颜色所表示的值的范围，因此设计色标编辑模块，可供用户根据自己的需求，选择不同色标方案。OpenInventor中的MeshViz允许将一个浮点值映射到颜色，或将一组浮点值映射到一个颜色色标或多个颜色色标。PoNonLinearDataMapping2类可定义颜色或一组颜色色标与浮点数相关联，如果浮点数f在区间（fi， fi+1），相关的颜色映射则在颜色值（ci，ci+1）之间，所以浮点数组数量必须和颜色数量相同。PoIsovaluesList类可创建连接到可视化对象的节点，在该类的规则系列中设置最大、最小值和值的个数，再用PoNonLinearDataMapping2类创建节点绘制色标。

Open Inventor中提供了预定义的颜色映射表，分别是：Grey to Grey，BLUE_WHITE_RED，BLUE_RED，TEMPERATURE，GLOW，PHYSICS，STANDARD，SEISMIC，INTENSITY。可以选择这些颜色映射，也可以用SoTransferFunction类自定义从标量数据值到颜色值和透明度值的颜色映射表。

1.5 测井曲线

井数据是根据已有的井头数据wellhead.txt文件和LAS格式的测井数据文件共同获得的数据。

LAS头文件是LAS文件的结构之一，它记录了整个文件数据集的公共部分，包括：井名、井的位置坐标、点的终止位置。先从井头数据文件中获得文件中包含的井的名称和位置坐标，然后从LAS文件中读取测井数据。LAS文件数据格式如下：“～”代表段的开始，紧跟这一段的类型名，“#”代表注释行，“.”之前是字段名称，之后是字段值，“：”之后是该字段的说明。测井数据LAS文件的开头是版本信息和WRAP模式信息，以“～VERSION INFORMATION”开头；第二段类型是井的标识信息，以“～Well Information Section”开头；第三段是曲线的定义信息，包含曲线名称，以“～Curve Information Section”开头；第四段是ASCⅡ段，包含ASCⅡ编码的测井曲线，以“～A”开头。

井数据可视化包括显示井的位置、绘制测井曲线、渲染颜色和直径随地震道属性变化的井柱。一口井同时包含多个类别的测井曲线，读取测井曲线数据时，主要读取测井曲线名和测井曲线值。

2 功能展示

基于Open Inventor的储层三维雕刻系统主要功能包括地震剖面可视化、层位可视化、井数据可视化和地震剖面感兴趣区域显示、图形旋转、平移、色标编辑等交互式操作。

时间、线号、点号3个方向的切片及体切面的显示效果如图5所示。鼠标点击界面右上方箭头，可以在场景界面中拖动剖面以显示沿相应坐标轴方向上不同位置的切片，切割立方体可以用鼠标拖动感兴趣区域选择器边缘选择可视化区域。图6是层位数据雕刻效果图，放大图形可看出高低起伏的层位。

为了实现更好的交互性，加入了色标对话框，用户可以在色标编辑窗口自定义色标的颜色、映射范围、透明度，保存自定义色标或通过下拉框选择预定义色标，根据用户自身的需求更清晰地反应属性变化情况，如图7所示。

给场景图中添加井时，程序会动态加载曲线名称到Well目录下，并在该井的目录下加载测井曲线复选框。勾选井名称的复选框场景，图中就会添加井的节点以及有颜色映射的井柱；勾选树形目录中的曲线名称，测井曲线则会显示在场景图中对应的井旁；取消勾选将从场景节点中删除测井曲线。本文所显示的测井数据中包含5条测井曲线：CALI井径测井曲线、DT声波时差测井曲线、RES侧向电阻率测井曲线、SP自然电位测井曲线。图8所示为添加的井、测井曲线及时间切片。

3 结语

本文对地震数据、层位数据、井数据的三维雕刻技术进行了深入研究，利用vs2008和Open Inventor构建了交互性良好、图形效果清晰、数据处理速度较快的储层三维可视化系统，为地震数据综合解释和地震资料处理奠定了良好的基础。储层模型包含的数据量大、属性种类繁多，所以对可视化系统的数据处理速率和显示精度要求很高，也是储层三维可视化的难点之一。Open Inventor开发系统对传统的图形库OpenGL进行了封装，开发软件更加高效，能够实现海量数据的高效存取、计算和渲染。储层三维雕刻是非常前沿的研究方向，在该储层三维雕刻系统的研究中还有很多技术问题有待完善[10]，如还需融合多种数据雕刻，包括断层、地层厚度数据等。endprint

参考文献：

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[6] 王家华，陈雨馨.基于VolumeViz的储层可视化研究与实现[J].软件导刊，2013，12（12）：166-168.

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[10] 卫平生，潘建国，张虎权，等.地震储层学的概念、研究方法和关键技术[J].岩性油气藏，2010，22（2）：1-6.endprint