Актуальность темы
Совершенствование рациональных методов оперативной интерпретации и методов оценки коллекторских свойств пород является весьма актуальным вопросом на современном этапе развития нефтедобывающей промышленности. Необходимость совершенствования этих методов обусловливается задачей скорейшего ввода в разработку нефтяных месторождений на основе достоверных геофизических исследований скважин в минимальные сроки и при минимальных капиталовложениях.
Расчетные методы и соответствующие исследования скважин и пластов должны позволять определять параметры нефтеносных и водоносных пластов и их изменение по мощности и по площади. Без достоверного знания параметров пластов невозможно строить правильный прогноз разработки месторождений, регулировать процесс разработки, находить оптимальные проектные решения и т. д. От точности и скорости решения этой задачи в значительной степени зависят стратегия извлечения запасов нефти и эффективность использования капитальных вложений на обустройство и доразбуривание месторождений.
Неопределенность при разработке месторождений нефти имеет место в основном из-за нечеткости петрофизических понятий «пористость», «мощность» и т. д. как для отдельной скважины, так и для месторождения в целом. Имеются лишь замеры этих параметров в отдельных точках месторождений, а ввиду неоднородности среды эти величины значительно меняются в пространстве. Применение средних и средневзвешенных значений параметров для расчетов может приводить к получению значительно смещенных точечных оценок параметров.
Погрешность различных приборов и датчиков, проводимых исследований, наличие по целому ряду параметров возможности лишь косвенной их оценки приводят к необходимости проведения расчетов при наличии неточно заданных параметров и коэффициентов уравнений. Замена неточно заданных величин на детерминированные (точечные) величины значительно усложняет процедуру расчета, приводит к необходимости их итерационного подбора для получения приемлемых результатов. В этом случае также затруднена оценка погрешности получаемого результата. Очень часто в состав параметров и коэффициентов уравнений входят одновременно величины с различным характером неопределенности: интервальные, нечеткие, стохастические, эвристические (на основе экспертной оценки). Поэтому возникает необходимость представления всей информации на едином, формальном языке теории нечетких множеств с представлением характеристик неточно заданных величин в виде нечетких функций.
Создание автоматизированной системы для оперативной интерпретации, использующей математический аппарат нечеткой логики, интегрированной со сводной геофизической базой данных и с аппаратным комплексом, позволит давать предварительные заключения прямо на каротажной вычислительной станции (КВС), что будет способствовать снижению стоимости разработки и повышению точности анализа геофизической информации при ее последующей сводной интерпретации.
Объектом исследования являются каротажные диаграммы (КД), представленные в цифровом видемодели нечеткой логики (НЛ) и нейронных сетей (НС) для решения задач оперативной интерпретации результатов геофизических исследований скважин (ГИС) — автоматизированная информационная система интерпретации, обработки и контроля (АСОИК) для комплексного анализа достоверности данных, с возможностью исправления явных ошибок в автоматизированном режиме.
Предметом исследования являются математическое, информационное и программное обеспечение АСОИК, математическое описание алгоритмов обработки КД, оперативной интерпретации, литологического расчлененияразработка структуры хранения и алгоритмов обработки базы правилструктура и лингвистическое обеспечение АСОИК.
Цель работы состоит в получении научно-обоснованных математических моделей и программно-аппаратных средств интеллектуальных систем интерпретации, обработки и контроля ГИС, обеспечивающих повышение надежности выявления нефтенасыщенных коллекторов при использовании различного набора производимых при ГИС методов каротажа на основе разработки эффективных алгоритмов интерпретации, базирующихся на положениях теории НЛ и НС, обучаемых с помощью генетических алгоритмов (ГА), проведение комплексной верификации геолого-геофизической и промысловой информации, ведущее к расширению функциональных возможностей специализированных баз данных, внедрение которых имеет существенное значение в области автоматизации обработки и интерпретации геолого-геофизической информации.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
— выработка научно-обоснованных решений для построения моделей НЛ для распознавания литологической структуры разреза скважиныразработка способа определения информативности методов каротажа при интерпретации результатов ГИС на основе алгоритмов нечеткого вывода;
— выбор и обоснование путем теоретических и экспериментальных исследований структуры АСОИК, принципов построения программного и информационного обеспечениякодирование отдельных модулей АСОИК;
— формализация задачи качественной интерпретации данных ГИС для ее решения с помощью аппарата НСразработка правил и методик применения НС для решения задачи литологического расчленения разреза скважины;
— разработать научно-обоснованные решения для выделения продуктивных слоев, выбрать методики оценки петрофизических свойств коллекторов, построить типовые схемы оперативной обработки данных ГИС;
— исследование структуры геолого-геофизической и промысловой информации и на основе ее получение правила контроля достоверности данныхразработка алгоритмических и программных решений для проведения комплексной верификации геолого-геофизических и промысловых данных;
— создание структуры системы контроля, схемы ее работы и инструментов для визуализации результатов работывыбор и обоснование путем теоретических и экспериментальных исследований структуры АСОИК, принципов построения программного, лингвистического и информационного обеспечения для ввода, хранения, обработки и анализа правил, применяемых в системе комплексного контроля достоверности данных;
— исследование потоков информации, возникающих при построении моделей месторожденийизучение влияния различных ошибочных геолого-геофизических данных на геологические и гидродинамические модели месторожденийинтегрирование системы контроля достоверности данных в существующую широкораспространенную базу данных геолого-геофизической информации.
Методы исследования. При решении задач оперативной интерпретации использовалась модели HJT и НС. Поиск оптимальных значений весовых коэффициентов для методов ГИС осуществлялся с помощью ГА. Для оценки параметров коллекторов применялась теория HJI, и использовались функции принадлежности треугольной, трапециевидной и произвольной формы. Интерпретация проводилась с использованием пяти методов каротажа, входящих в состав стандартного набора методов ГИС и пяти дополнительных методов. Результаты интерпретации исследовались на предмет соответствия выделенных нефтенасы-щенных участков разреза скважины экспертным оценкам. Предварительное расчленение разреза на пласты не осуществлялось, обработка КД велась поточечно.
Информационная модель АСОИК создана с учетом объектно-ориентированных принципов разработки программных комплексов. База правил разработана с учётом механизмов построения реляционных структур данных. Структурная схема системы спроектирована и реализована с учетом теоретических основ информатики и вычислительной техники.
Программное обеспечение системы реализовано на алгоритмическом языке высокого уровня — Object Pascal, интерфейс пользователя разработан в интегрированной среде Borland Delphi 6.0, база данных работает под управлением таких СУБД как Oracle 8 и Microsoft SQl Server 7.0. Часть правил системы используются в виде внешних библиотек {DLL) и реализованы на языке высокого уровня Microsoft Visual С++. Для построения моделей привлекался инструментарий компании Roxar: IRAP RMS и ТЕМРEST MORE.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена результатами экспериментальных исследований и опытом практической эксплуатации АСОИК.
Математические модели, алгоритмы и прикладные программы, предложенные в работе, основаны на положениях теории нечетких множеств и нейронных сетей. Предлагаемые методики выделения продуктивных пластов и расчета параметров коллекторов основаны на теории геофизических исследований скважин и алгоритмах интерпретации, включенных в АСОИК.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием утвержденных в ОАО «Башнефтегеофизика» экспертных заключений по скважинам Вятского месторождения, большим объемом экспериментального материала и согласованностью результатов с теоретическими положениями.
На занцпу выносятся результаты проведения исследований по определению информативности методов каротажа при распознавании литологической структуры разреза скважины посредством модели HJ1, исследования обучения нейронных сетей без учителя при качественной интерпретации данных ГИС, обеспечивающих возможность получения заключения по наличию нефтенасыщенных коллекторов непосредственно после проведения каротажных работ на скважине, а также принципы разработки АСОИК, обеспечивающей повышение уровня достоверности и согласованности геолого-геофизической и промысловой информации, снижению затрат на ресурсы, затрачиваемых при использовании этих данных, вследствие раннего обнаружения и исправления ошибок, в том числе:
— разработка моделей HJI для выделения нефтенасыщенных коллекторовопределение способа оценки качества результатов литологического расчленения разреза по данным ГИС на основе алгоритмов нечеткого вывода;
— применение средств искусственного интеллекта для определения литологического состава разреза скважины по данным каротажа путем обучения на и основе анализа соответствия КД имеющемуся экспертному заключению;
— разработка программного, информационного обеспечения и структуры АСОИКее реализация на основе модели НЛ для получения реальных результатов литологического расчленения разреза скважин.
— выбор и обоснование правил формализации задачи литологического расчленения разреза скважины с помощью НСопределение корректных оценок для анализа качества представляемости задачи качественной интерпретации с помощью НС;
— реализация разработанных алгоритмических средств и программного комплекса для практического использования и получения реальных результатов экспресс-интерпретации различных скважин;
— применение средств искусственного интеллекта для контроля качества оцифровки КД путем анализа соответствия оцифрованной информации имеющемуся экспертному заключению по скважине, характерных интервалов значений диаграмм и других критериев;
— алгоритмы и программные модули, позволяющие определить мощность коллекторов, а также их количественные параметры (пористость, нефтенасьнцен-ность, водонасыщенность, глинистость) — состав и структура базы правил системы контроля достоверности информации;
— проектирование и реализация АСОИК, разработка концептуальной структуры объектно-ориентированной системы, принципов построения программного, информационного, математического и лингвистического обеспечения системы.
Научная новизна полученных результатов определяется проведенными комплексными исследованиями, в результате которых вместо применения классических методов интерпретации, использующих решения трансцендентных уравнений петрофизики, в процессе интерпретации КД применен подход, существенно сокращающий количество вычислительных операций и повышающий быстродействие оперативной качественной интерпретации непосредственно на скважине в ходе проведения ГИС путем применения современной математической теории интеллектуальных систем на основе аппарата НЛ и НС, в ходе которых:
— определены принципы построения алгоритмов, применяемых на этапе предварительной обработки КДосуществлен выбор структуры и создание АСО-ИК на основе моделей НЛ и НС, произведено создание и обоснование концепции и принципов построения программного и информационного обеспечения;
— разработана база каротажных данных для решения задачи автоматизации обработки результатов ГИСрешены проблемы импорта, хранения и поиска разнородной информации, ее визуализации и вывода на печатьпредложены принципы построения интерфейса взаимодействия базы данных с программами обработки и анализа каротажной информации;
— предложена модель НЛ для литологического расчленения пройденных скважиной породотработана и апробирована методика построения правил базы знанийв результате проведения комплекса исследований по экспресс-интерпретации КД и сопоставлении их результатов с экспертными оценками выведены критерии, позволяющие использовать оптимальный набор методов каротажа для выделения нефтенасьнценных коллекторов с заданной точностью при использовании созданных алгоритмов, построенных на основе НЛ;
— предложена методика обучения НС без учителя, не зависящая от количества входных каротажных диаграмм, позволяющая проводить качественную экспресс-интерпретацию даже в тех случаях, когда на скважине проведен неполный набор методов геофизических исследований и решающая проблему точной классификации типа пласта в случае противоречивости данных ГИС;
— разработаны алгоритмы повышения надежности распознавания литоло-гической структуры скважины, являющиеся составной частью интеллектуальной системы и обеспечивающие возможность использования в качестве операторов-пользователей данной системы специалистов среднего уровняразработана интеллектуальная система на основе НЛ и НС, опирающаяся на проведенный вычислительный эксперимент, позволяющая проводить качественную экспресс-интерпретацию каротажных диаграмм, используя созданную базу знаний с учетом эмпирических данных высококлассных геофизиков-интерпретаторов, даже в процессе проведения ГИС;
— создана АСОИК, обладающая возможностью оценки уровня достоверности геолого-геофизической и промысловой информации, хранящейся как в специально разработанных хранилищах, так и в разрозненных источникахосуществлен выбор структуры и состава компонентов АСОИК, произведена разработка концепции и принципов построения программного, лингвистического и информационного обеспечения АСОИК, обеспечивающих анализ достоверности геолого-геофизических данных;
— определены принципы построения алгоритмов и программных средств, предназначенных на ранней стадии обработки информации выявлять ошибочные данные с механизмом их автоматического исправленияразработаны научно обоснованные программные решения, направленные на повышение уровня достоверности геолого-геофизических и промысловых данных;
— разработанная система контроля достоверности информации обладает высокой степенью совместимости и мобильности, вследствие чего может быть интегрирована в уже существующие хранилища данных, а также портироваться на сервера различных производителей, поддерживающих реляционную модель данныхразработана единая технология контроля различных по структуре видов данных, обеспечивающая методы интегрированного анализа, применяемых в рамках различных программных решений.
Практическая полезность исследования состоит в том, что в результате комплексных исследований на практике реализована кибернетическая теория распознавания образов, реализуемая на основе принципов построения и функционирования систем искусственного интеллекта и математической теории информационных систем, позволяющих реализовать теоретические основы экспертных систем с помощью легко внедряемого и доступного при широкой реализации аппарата методов НЛ и НС.
Применение АСОИК позволяет существенно сократить временные затраты при решении задачи литологического расчленения скважин за счет реализации современных достижений в области развития систем искусственного интеллекта. Это выражается в том, что найден магистральный путь отхода от решения классических уравнений математической физики, в частности, геофизики, и переходу к применению дискретных многофункциональных систем, использующих базы знаний и базы данных, позволяющих принимать решения на основе применения эмпирически обоснованных экспертных оценок. Данные возможности появились в результате реализации математической теории интеллектуальных систем на основе методов HJI и НС.
Полученные в работе методики и алгоритмы применения аппарата искусственных нейронных сетей для качественной экспресс-интерпретации данных ГИС позволяют существенно автоматизировать труд геофизика-интерпретатора за счет колоссальных вычислительных возможностей по обработке терабайт геофизической информации интеллектуальными системами на базе как отдельных компьютеров, так и компьютерных сетей, существенно использующих реляционные базы данных таких как «Finder» и др. НС за счет заложенных в них эталонных данных позволяют сократить время, необходимое на проведение качественной экспресс-интерпретации скважин в несколько раз с одновременным повышением качества интерпретации и сокращением ошибок при принятии решений.
Созданная АСОИК позволила решить ряд проблем, возникших при обработке различного рода геолого-геофизической и промысловой информации. Применение системы повышает уровень достоверности и согласованности данных, используемых в качестве исходных при построении геологических, гидродинамических и прочих моделей месторождений, а также обеспечивает реализацию механизма обнаружения ошибок и неточностей на ранних стадиях обработки данных.
Практическую ценность системе придает ее независимость от используемых аппаратных средств персональных компьютеров и слабую зависимость от хранилища данных. Структура разработанной АСОИК легко модифицируется под конкретные требования, обеспечивает возможность добавления новых модулей, а также адаптацию системы к различным правилам проверки данных.
Настоящая работа обеспечивает необходимую базу для дальнейшего развития и совершенствования новых направлений обработки и интерпретации геолого-геофизической информации, построенных на математическом аппарате HJI и НС, с использованием материалов ГИС.
Реализация работы в производственных условиях. При непосредственном участии автора была разработана и реализована АСОИК, построенная на принципах систем искусственного интеллекта и реализованная на математическом аппарате HJI и НС, в том числе созданы технические и методические средства, направленные па повышение точности ее функционирования и универсальности. Разработанная система использовалась при работе с перспективной базой данных Finder, где правила системы служат для проверки данных на достоверность и согласованность, а также обеспечивают возможность автоматической корректировки заведомо ошибочной информации.
Работа выполнялась в соответствии с планами хоздоговорных НИР, проводимых ПГО (ГГП) «Удмуртгеология», Ижевский механический институт: № ГР 32−81−78/25 «Разработка и внедрение аппаратуры цифровой записи параметров каротажа для серийных каротажных станций. Разработка конструкторской документации и изготовление опытной партии», № ГР 32−81−78/24 «Опытно-методические работы по освоению и внедрению новых методов ГИС и цифровой записи каротажа», № ГР 32−83−18/35 «Опытно-методические работы по обеспечению эффективности применения цифровой записи параметров каротажа на серийных станциях AKCJI-7», № ГР 32−90−459 «Освоение персональных ЭВМ, разработка и внедрение проблемных программных средств" — Удмуртским трестом разведочного бурения: № ГР 32−85−35/42 «Опытно-методические работы по внедрению системы цифровой записи и дистанционной передачи параметров каротажа" — Удмуртским производственным геологическим объединение: № ГР 32−87−43/37 «Опытно-методические работы по совершенствованию системы цифровой регистрации параметров каротажа», № ГР 32−89−37/5.
Опытно-методические работы по созданию гибкой производственной системы сбора, преобразования и передачи каротажных данных", № ГР 32−88−38/2 «Разработка автоматизированной системы обработки геологической информации», № ГР 32−89−37/6 «Создание и внедрение автоматизированного банка геолого-геофизической информации УПГО «Удм" — ООО «Институт интеллектуальных технологий»: № ГР 1 200 405 095 «Оцифровка каротажного материала Каширо-подольского объекта Вятской площади Арланского месторождения», № ГР 1 200 408 505 «Отчет по договору 561 на производство работ по переинтерпретации материалов ГИС Ижевского месторождения ОАО «Удмуртнефть».
Вся работа в целом, а также ее отдельные части могут быть использованы предприятиями нефтегазодобывающей отрасли, организациями, занимающимися построением ряда различных моделей на основе геолого-геофизической и промысловой информации.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на российских и международных научно-технических конференциях и конгрессах: Научно-практической конференции Устиновского механического института (Ижевск, 1986), Республиканской научно-практической конференции «Научно-технический прогресс» (Ижевск, 1987), III Российской университетско-академической научно практической конференции (Ижевск, 1997), конференции International Conference «VIBROENGINEERING-98» (Вильнюс, Литва, 1998), Международных НТК «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2002;2004) — IV Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2001, 2003) — 4-м научном симпозиуме «Геоинформационные технологии в нефтегазовом сервисе» (Уфа, 2005) — Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2006) — 33 Международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2006) — Всероссийской НТК «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении» (Таганрог, 2006).
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 19 научных работах, в том числе: 8 отчетов о НИР (64 е., 98 е., 138 е., 150 е., 116с., 45 е., 91 е., 53 е.), 3 тематических отчетов (113 с., 122 е., 133 с.) 1 депонированная рукопись (объемом 57 страниц), 7 статей в журналах и сборниках.
Структура диссертационной работы определяется общими замыслом и логикой проведения исследований.
Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 180 с. машинописного текста. В работу включены 52 рис., 51 табл., список литературы из 137 наименований и приложение, в котором представлен акт об использовании результатов работы.
Результаты работы алгоритма для различного набора методов ГИС и количества классов приведены в табл. 3.5 и табл. 3.6. Результат является усредненным по всем скважинам, участвовавшим в эксперименте.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В ходе выполнения настоящей работы получены следующие основные выводы и результаты.
1. Разработаны модели НЛ для выделения нефтенасыщенных коллекторовопределение способа оценки качества результатов литологического расчленения разреза по данным ГИС на основе алгоритмов нечеткого вывода.
2. Применены средства искусственного интеллекта для определения литологического состава разреза скважины по данным каротажа путем обучения на основе анализа соответствия КД имеющемуся экспертному заключению.
3. Разработаны программное информационное обеспечение и структура АСОИК на основе модели НЛ для получения реальных результатов литологического расчленения разреза скважин.
4. Выбраны и обоснованы правила формализации задачи литологического расчленения разреза скважины с помощью НСопределены корректные оценки для анализа качества представляемости задачи качественной интерпретации с помощью НС.
5. Реализованы алгоритмические средства и программный комплекс для практического использования и получения реальных результатов экспресс-интерпретации различных скважин.
6. Применены средства искусственного интеллекта для контроля качества оцифровки КД путем анализа соответствия оцифрованной информации имеющемуся экспертному заключению по скважине, характерных интервалов значений диаграмм и других критериев.
7. Созданы алгоритмы и программные модули, позволяющие определить мощность коллекторов, а также их количественные параметры (пористость, неф-тенасыщенность, водонасыщенность, глинистость) — определены состав и структура базы правил системы контроля достоверности информации;
8. Спроектирована и реализована АСОИК на базе концептуальной структуры объектно-ориентированной системы, принципах построения программного, информационного, математического и лингвистического обеспечения системы.
9. В работе получены научно-обоснованные математические модели и программно-аппаратные средства интеллектуальных систем интерпретации ГИС, обеспечивающих повышение надежности выявления нефтенасыщенных коллекторов при оптимизации использования количества производимых при ГИС методов каротажа на основе разработки эффективных алгоритмов интерпретации ГИС, реализованных в виде адаптивных систем нечеткого вывода и многослойных НС, обучающихся с помощью генетических алгоритмов, проведение комплексной верификации геолого-геофизической и промысловой информации, ведущее к расширению функциональных возможностей специализированных баз данных.
10. Разработаны принципы построения адаптивных систем HJ1 для распознавания литологической структуры разреза скважины. Выбраны методы обучения для моделей HJI. Показана состоятельность подхода к задаче распознавания литологической структуры разреза скважины при помощи обучения систем HJT. Разработанная система интерпретации результатов ГИС на основе нечеткого логического вывода, обученная генетическим алгоритмом, обеспечивает литологи-ческий экспресс-анализ.
11. Разработаны принципы построения программного комплекса, реализующего интерпретацию результатов ГИС на основе моделей HJT. Создана интеллектуальная система для интерпретации результатов ГИС на основе HJT с возможностью, как ручной настройки правил, так и обучения по обучающей выборке, имеющая удобный интерфейс и возможность интегрирования с другими программными средствами за счет динамически связываемых библиотек (DLL).
12. В результате анализа применимости НС для распознавания литологической структуры скважины доказана возможность применения аппарата НС для качественной интерпретации данных ГИС, что позволяет автоматизировать качественную интерпретацию непосредственно на скважине с достаточно высокой степенью надежности.
13. Методы нечеткой классификации и НС могут использоваться при отсутствии у исследователя точных знаний о распределении значений методов ГИС по классам «нефть», «вода», «глина» и т. д. Причем применение НС показало лучшие результаты, в случае когда не используются весовые коэффициенты для методов ГИС.
14. Для решения задачи классификации пластов нефтяных скважин рассмотрена возможность применения алгоритмов обучения без учителя (самоорганизующиеся карты Кохонена). Этот метод дает дополнительную информацию о структуре разреза скважин, повышающую достоверность интерпретации.
15. Созданная система позволяет проводить комплексную верификацию промысловой информации как в специализированных хранилищах, так и использоваться в качестве интегрированного инструмента контроля достоверности данных, применяемого в рамках программных решений сторонних разработчиков.
19. Произведена оценка влияния ошибочных данных при проведении геологического и гидродинамического моделирования. Практическим путем выработаны критерии построения подобного рода комплексов. Разработана гибкая система хранения правил контроля, а также алгоритмы их обработки. Система правил имеет возможности расширения за счет использования внешних (DLL) библиотечных модулей, что позволяет производить настройку правил системы под конкретные требования.
