馬瑞民，肖慧璁，王學宇，王雪珊，謝會敏

(東北石油大學 計算機與信息技術學院，黑龍江 大慶 163318)

基于VC實現(xiàn)三維網(wǎng)絡模型地質結構可視化研究

馬瑞民，肖慧璁，王學宇，王雪珊，謝會敏

(東北石油大學 計算機與信息技術學院，黑龍江 大慶 163318)

目前，三維可視化技術逐步應用于地質工程領域相關圖形軟件的模塊開發(fā)中。針對巖心的結構特點,可以為3D真實圖像如何適應各類儲層以及研究流體如何進行流動揭示其流動機制提供有效的理論依據(jù)。根據(jù)相應的孔隙和喉道的半徑、面積、長度和形狀因子、配位數(shù)等參數(shù)數(shù)據(jù)，運用3dsMax軟件中的maxscript編輯器建立仿真度較高的三維地質模型，可以真實、自然、直觀地分析研究水驅剩余油過程的三維模型。通過VC在編程上以及3dsMax技術在可視化開發(fā)方面的廣泛運用，模擬出巖心孔隙和喉道的分布情況。聯(lián)系實驗室的項目開發(fā)經(jīng)驗，詳細闡述運用VC編程與3dsMax相結合實現(xiàn)地質三維模型可視化的過程。

VC；3dsMax；三維可視化；地質結構

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展以及各國經(jīng)濟發(fā)展對石油依賴程度的增大，石油能源作為經(jīng)濟發(fā)展的命脈，逐步成為關注的焦點。三維網(wǎng)絡模型可視化也逐漸運用到石油開采方案、項目招投標、地質數(shù)據(jù)分析等石油地科領域。原油儲層是錯綜復雜的多孔介質結構，三維網(wǎng)絡可以模擬微觀孔隙對地質勘探資料在微觀孔隙尺度上分析特征參數(shù)的影響。使用大量的實驗數(shù)據(jù)在計算機中構建反映地質巖心構造的真實形態(tài)，各地質特征參數(shù)之間的關系以及巖心空間分布規(guī)律的數(shù)學模型等，可以為3D真實感圖像如何適應各類儲層以及研究流體如何進行流動揭示其流動機制提供有效的理論依據(jù)。三維網(wǎng)絡模型具有可視性，能夠模擬流體在孔道中的流動狀態(tài)。通過該模型可獲得逼真的三維動態(tài)顯示效果，能夠使不了解地質結構的人對地下真實油藏孔隙特征具有直觀的認識。通過可視化技術既可以仿真物理模擬實驗，又可以與實際生產(chǎn)相接軌，可提高對難以勘探復雜地質條件的判別?？梢暬＜夹g正是現(xiàn)階段的最佳手段[1]。

文中在此基礎上研究三維網(wǎng)絡模型可視化技術。從三維網(wǎng)絡模擬數(shù)據(jù)可視化的本質來看，為提高可視化反映真實的視覺效果，采用先進的可視化技術與方法，可以減少模擬可視化的難度[2]。三維模型呈現(xiàn)相對真實的立體效果，由于油藏的巖層中天然形成的孔喉形態(tài)和分布較為復雜多樣，因此，如何選擇恰當?shù)慕＜夹g至關重要。3dsMax作為一個性能優(yōu)越的圖形應用程序設計界面，憑借其高性能的三維圖形功能和VC的通用性及運行效率高等特點，通過不同地質數(shù)據(jù)建立相應的三維模型，可以靈活、真實、自然、直觀地表現(xiàn)、分析、研究水驅剩余油過程的三維模型，驗證利用3dsMax與VC混合編程開發(fā)三維網(wǎng)絡模型可視化的可行性[3]。

1 實現(xiàn)三維網(wǎng)絡模型可視化的技術背景

3dsMax是Autodesk公司開發(fā)的具有多功能且應用廣泛的三維計算機圖形軟件，建立三維模型，設置場景，設置運動軌跡，創(chuàng)建攝像機，調節(jié)動畫幀。3dsMax模擬的圖像可以做到真實、自然，整體效果沒有生硬、呆板的感覺。3dsMax的建模技術高效便捷，擁有先進的渲染、仿真、龐大的繪圖功能，多樣化的建模工具以及流暢的應用工作流[4]。

1.1 3dsMax創(chuàng)建三維圖形的基本步驟

3dsMax構建三維地質模型的基本步驟如圖1所示，總體可以概括為三個主要內(nèi)容。

(1)整理數(shù)據(jù)：對項目提供的數(shù)據(jù)進行匯總，整理巖石孔隙結構的信息。

(2)建模：通過壓汞資料提取孔隙及喉道大小分布規(guī)律的數(shù)據(jù)，用相互連通的通道和節(jié)點來描述、編譯程序。

(3)設置環(huán)境：根據(jù)地質數(shù)據(jù)的節(jié)點物理坐標進行批量建模。

圖1 3維空間數(shù)據(jù)模型

孔隙網(wǎng)絡模型是網(wǎng)絡模型化代替孔隙介質內(nèi)復雜的孔隙空間。孔隙的幾何形狀通常是不規(guī)則的，而且孔隙介質和喉道部分的形狀和大小各異，網(wǎng)絡模型以不規(guī)則的孔隙和聯(lián)通各孔隙之間的喉道所構成，將復雜的孔隙結構編譯為理想的幾何形狀，這樣儲層孔隙介質就形成一定的幾何參數(shù)，同時引入配位數(shù)的概念來表述孔隙聯(lián)通情況，流體在孔隙介質中的流動實際上是在龐大的網(wǎng)絡系統(tǒng)中的流動。因此，通過VC中編譯呈現(xiàn)網(wǎng)絡模型的可視化來模擬流體在孔隙介質中流動，推進三維模型在設計領域的廣泛應用[5]。

1.2 模型參數(shù)

模型的建立和應用離不開孔隙和喉道的半徑、面積、長度，以及形狀因子、配位數(shù)等參數(shù)，這些參數(shù)在計算毛管壓力、導流率、孔隙度等多項數(shù)據(jù)時應用普遍。

1.3 模型假設

(1)三維模型喉道中流體為不可混合多相流體，不能被壓縮。

(2)如果孔隙和喉道的比例小，孔隙的尺寸足夠大，那么需要的驅動力小，液體通過孔隙時的毛管壓力可忽略不計。

(3)喉道中假設同時存在單一或多相流體，當喉道同時充滿油、水兩種流體時，形成的流體也是多段的，油占據(jù)喉道較大空間的中心位置，而水則填滿占據(jù)在角隅分布[6]。

(4)網(wǎng)絡模型由大量大小不同的節(jié)點(巖心孔隙)構成，相連的兩個節(jié)點間距離等于兩個所在孔隙的半徑與連接這兩個孔隙的喉道長度之和。

1.4 孔隙和喉道長度

三維網(wǎng)絡模型由較多的孔隙空間及其相互連通的喉道構成?？紫逗秃淼涝O定為相應規(guī)則的幾何形狀，蘊含一定的規(guī)律性，因此就具有與之匹配的幾何參數(shù)。網(wǎng)絡模型中孔隙和喉道的尺寸分布有多種選擇方式，函數(shù)的表達式含有相關參數(shù)的取值范圍，如不同分布函數(shù)下的均值、方差，可以通過函數(shù)隨機賦予模型中的孔隙半徑的方法。文中采用正態(tài)分布函數(shù)來描述孔隙半徑的大小[7]，孔隙半徑概率分布函數(shù)采用Haring-Greenkorn模式，即：

(1)

將r代入Haring-Greenkorn模式后，即可得出此半徑的概率密度，并根據(jù)孔隙數(shù)量隨機地將半徑為r的孔隙分布在網(wǎng)絡模型中，從而求出所有孔隙半徑的概率分布密度[8]。

1.5 孔隙體積

孔隙體積是根據(jù)孔隙正方形和圓形的截面積乘以孔隙的長度計算得出。其中，孔隙長度為其內(nèi)切圓兩個半徑之和，各種截面孔隙體積公式如下：

正方形截面：

Vi=Si·Li=4R2·2R=8R3

圓形截面：

Vi=Si·Li=πR2·2R=2πR3

式中，Vi為孔隙體積；Si為孔隙的截面積；Li為孔隙長度；R為孔隙半徑。

2 模型建立

構建具有不規(guī)則孔隙的三維網(wǎng)絡模型，節(jié)點是各孔隙的中心，喉道的長度為喉道兩端孔隙中心節(jié)點之間的距離減去兩端的孔隙半徑，隨機給節(jié)點之間距離賦值，網(wǎng)絡模型整體外觀近似正方體。喉道與孔隙半徑在最大、最小范圍內(nèi)根據(jù)概率隨機賦值進行建模。液體以左進右出的方向流入孔隙，液體注入面與出液面上各孔隙節(jié)點壓力相同，流入孔隙入口端為注入壓力，流出孔隙出口端的壓力為0，并且不包括邊界面上的孔隙，模型內(nèi)部孔隙所連通的喉道可以自己定義設置[9]。

實際應用中更多的是采用一種修正的威布爾分布函數(shù)來表示孔喉的半徑分布，該分布函數(shù)如下：

(2)

3 在VC環(huán)境中3dsMax繪圖

三維模型可視化界面的編輯環(huán)境是以Intel為硬件平臺，運行在Windows系列的操作系統(tǒng)之上開發(fā)的。因為VC面向對象的可視化集成編程系統(tǒng)，為使3dsMax構建三維圖形方便快捷，故采用VC6.0作為開發(fā)工具。與此同時，文中設計編譯的演示界面實現(xiàn)在VC中使用3dsMax建模，它包含了3dsMax在繪制過程中的常用建模函數(shù)，方法如下：

(1)在VC中創(chuàng)建一個新的工程。

(2)添加3DMAX的頭文件。在Microsoft Developer Studio環(huán)境中打開下拉菜單Tools點取Options進入Options對話框并切換到Directories選項卡，在Directories列表框中加入C:3DMAX/INCLUDE。

(3)增加動態(tài)連接庫。將動態(tài)連接庫添加到Windows操作系統(tǒng)狀態(tài)下，所有的程序通過動態(tài)連接庫實現(xiàn)共享；將動態(tài)連接庫添加到某文件的Debug中，則該文件僅能在這個動態(tài)連接庫使用。

(4)利用MFC Microsoft Foundation Classes提供的應用框架建立一個Windows用戶界面，首先要用MFC App Wizard來生成Windows應用程序的基本源文件，然后將My3d定義為所建立的工程名稱。在此工程中，用添加通過Class Wizard建立的應用程序的類進而實現(xiàn)應用程序所需要的功能，包括：消息和數(shù)據(jù)的處理、定義控件的屬性、應用的方法等[10]。

4 三維圖形可視化界面設計思路

設計了一款基于三維模型的水驅剩余油分布結構計算軟件，文中開發(fā)的基于VC與3dsMax的三維模型可視化界面作為軟件的圖形顯示窗口，根據(jù)大量的地質數(shù)據(jù)進行模型的建立，并用三維網(wǎng)格形式繪制出地質模型中所有應用，如圖2所示。

圖2 三維網(wǎng)絡模型

通過隨機賦值的功能，運用正態(tài)分布函數(shù)獲取地質節(jié)點物理坐標數(shù)據(jù)的文件地址，并將節(jié)點物理坐標數(shù)據(jù)整理匯總在三維矩陣中，分別代表X,Y,Z方向上的坐標值。根據(jù)地質數(shù)據(jù)中節(jié)點的大小和喉道的大小即可通過3dsMax操作界面中的maxscript繪制出地質的三維網(wǎng)格圖像[11],從而實現(xiàn)地質模型建立模塊的三維模型可視化功能。給網(wǎng)絡模型各節(jié)點和喉道賦一個特征值，表示該節(jié)點是水相侵入點，還是油相侵入點。網(wǎng)絡模型利用左進右出的方式進行驅替，在孔隙入口端對油相施加壓力。假設出口端壓力為0，以節(jié)點為研究對象，利用各節(jié)點流量守恒方程建立方程組，計算各節(jié)點壓力。驅動通常會持續(xù)一個步長的時間段，在每一個時間步長內(nèi)進行驅替，壓力將重新分布[12]。由于壓力的級別不同，相同壓力級別下，找出與油相連通的喉道驅替壓力級別大于入口端的毛管壓力，并且油相沒有充滿該喉道，在當前壓力級別下所有可侵入喉道亦按照驅替優(yōu)先級進行驅替，即入口端毛管壓力最小且與油相相通的喉道優(yōu)先被驅替，在每一個時間步長僅有一個驅替事件發(fā)生[13]。

4.1 模擬出水驅剩余油的分布情況

該系統(tǒng)具有直觀的界面設計，操作簡便，能較好滿足用戶的使用要求。通過平均配位數(shù)和平均孔喉比、濕潤性，運用修正的正太分布算法，建立水驅油動態(tài)過程的數(shù)學模型，編制模擬水驅油的計算程序，系統(tǒng)輸入基礎數(shù)據(jù)進行運算得出結果信息孔隙和喉道坐標位置。保存到txt文本格式里，方便進行數(shù)據(jù)調用，運用3dsMax的maxscript編輯器中的編譯功能，調用算出的相應地質數(shù)據(jù)的節(jié)點物理坐標，建立不規(guī)則孔隙的三維網(wǎng)絡模型，將所構造的三維數(shù)字化巖心成像，實現(xiàn)骨架模型的可視化[14]。

4.2 其他效果實現(xiàn)

為了達到較好的可視化效果，方便實驗人員操作使用，開發(fā)的地質三維模型可視化界面可以根據(jù)孔隙中含油的多少，給孔隙賦予不同的顏色等功能，實現(xiàn)數(shù)字化巖心水驅剩余油的整體成像。

5 結束語

文中實現(xiàn)了基于三維網(wǎng)絡模型水驅剩余油可視化界面的設計。該系統(tǒng)作為三維模型演示部分，目前可以實現(xiàn)地質三維模型的構建，研究水驅剩余油的驅油機理及影響驅油效率的因素，模擬流體在孔道中流動，全面分析微觀孔隙結構因素對驅油效率的影響，在此基礎上進一步開發(fā)即可實現(xiàn)油、水在三維模型中的動態(tài)演示，具有很大的實用性。該系統(tǒng)能夠較真實地完成建模功能，并可在此基礎上陸續(xù)開發(fā)關于三維可視化相關內(nèi)容的應用軟件到其他領域中。

[1] 王 彪,宮 娜.在VC++中使用3DMAX SDK和OpenGL實現(xiàn)建模的方法[J].黑龍江商學院學報:自然科學版,2000,16(3):44-47.

[2] 張 偉.聚驅后剩余油分布及影響因素分析[D].大慶:大慶石油學院,2010.

[3] 林 麗,冉振亞,張 楊.基于C#的三維模型可視化技術研究[J].科技信息,2009(27):46-48.

[4] Esmaeilzadeh S,Afshari A,Motafakkerfard R.Integrating artificial neural networks technique and geostatistical approaches for 3D geological reservoir porosity modeling with an example from one of iran's oil fields[J].Petroleum Science and Technology,2013,31(11):1175-1187.

[5] Vogel H J,Roth K.Quantitative morphology and network representation of soil pore structure[J].Advances in Water Resources,2001,24(3-4):233-242.

[6] Joel P,Marc P,Najib B,et al.Pore network modeling of gas diffusion layer as a support to better understand water management in proton exchange membrane fuel cells[J].Meeting Abstracts,2015,37:1283-1283.

[7] Wang Gongwen,Huang Lei.3D geological modeling for mineral resource assessment of the Tongshan Cu deposit,Heilongjiang Province,China[J].Geoscience Frontiers,2012,3(4):483-491.

[8] 楊耀紅.三維地質模型可視化分析技術研究與應用[D].北京:中國地質大學,2007.

[9] Microsoft Corporation.3D studio max software development kit[M].[s.l.]:Yost Group,Inc.,1996.

[10] 于 淼,焦淑紅.基于VC++與OpenGL的船舶三維模型可視化應用[J].信息技術,2011(6):161-163.

[11] 趙宏中,周 鵬.基于VC++和OpenGL實現(xiàn)3DMax模型交互瀏覽[J].軟件導刊,2008,7(2):73-74.

[12] 蔣 瑩.基于三維網(wǎng)絡模型的聚合物驅相對滲透率及驅油效率研究[D].大慶:大慶石油學院,2010.

[13] Sorbie K S.Depleted layer effects in polymer flow through porous media:single capillary calculations[J].Journal of Colloid and Interface Science,1990,139(2):299-314.

[14] Mason G,Morrow N R.Capillary behavior of a perfectly wetting liquid in irregular triangular tubes[J].Journal of Colloid and Interface Science,1991,141(1):262-274.

Research on Geological Structure Visualization of Three-dimensional Network Model Based on VC

MA Rui-min，XIAO Hui-cong，WANG Xue-yu，WANG Xue-shan，XIE Hui-min

(College of Computer and Information Technology,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

Currently,three-dimensional visualization technology is gradually applying into module development of geology engineering related graphics software.Aiming at the core structural characteristics,it provides effective theory basis for real 3D image that how to adapt to various types of reservoir and research fluid flow to reveal the flow mechanism.According to the corresponding radius,area,length for pore and throat,and shape factor and the coordination number,the maxscript editor in 3dsMax software is used to create a three-dimensional geological model with high degree of simulation,which analyzes and studies three-dimensional model of waterflood residual oil process really,naturally and intuitively.By the extensive application of VC in the programming as well as 3dsMax in visualization development,the distribution of core porosity and throat is simulated.Contacted with laboratory project development experience,the three-dimensional geological model visualization process is elaborated using VC programming and 3dsMax.

VC；3dsMax；three-dimensional visualization；geologic structure

2015-10-10

2016-01-17

時間：2016-08-01

黑龍江省高等教育教學改革項目(JG2013010153)；中國石油天然氣集團公司重大科技專項“重大工程關鍵技術裝備研究與應用項目”子課題(2013E-38-09)

馬瑞民(1958-)，男，教授，研究方向為計算機應用技術；肖慧璁(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為計算機仿真與可視化技術。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160801.0842.010.html

TP39

A

1673-629X(2016)10-0095-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.10.021