Математическое моделирование и его программное обеспечение в электроразведке становлением поля при многократном профилировании

Геофизичические работы б условиях Нижнего Поволжья (Прикаспийская впадина и ее обрамление) на нефть и газ проводятся в сложных геологических условиях [403, которые значительно снижают эффективность геофизических методов, в том числе основного метода — сейсморазведки. Для получения более надежной информации применяются «утяжеленные» методики проведения полевых ¦ работ и сложные графы обработки информации. Все это значительно повышает стоимость подготовки структур под бурение. Вместе с тем в последние 10−15 лет значительное развитие получили относительно более дешевые и высокопроизводительное геофизическое методы, среди них метода структурной электроразведки. Комплексирование этих методов с сейсморазведкой позволяет увеличить надежность получаемой геологической информации и, в целом, снизить стоимость проводимых геофизических исследований. Следует отметить, что в условиях ограниченного финансирования геологоразведочных работ требования к геофизическим методам повышаются.

Для проведения профильных электроразведочных работ в НВНММГГ [811 была разработана методика, получившая название зондирований становлением электромагнитного поля с многократным профилированием (ЗСМП). Физической основой этой методики и технологической базой является метод зондирований становлением э/м поля в ближней зоне (ЗСБ или ЗСТ).

Использование ЗСБ для повышения детальности и достоверности выделения аномальных зон показало, что необходимо увеличение плотности наблюдений при существенном повышении точности полевых измерений [81]. Задача точных полевых измерений, практически, была решена: во-первых, были внедрены в производство и выпускались типовые генераторные группы ЗРС-67 и УГЭ-50 [831, имелись разработки генераторов повышенной мощностиво-вторых, были разработаны и используются в настоящее время цифровые регистрирующие многоканальные станции «Прогресс 2СЗ», ЩЭС-МГД, ЦЭС-МГД MI и ее модификации.

С другой стороны, простое сгущение сети одиночных зондиро-рований малоэффективно, поскольку действует искажающее влияние неоднородностей верхней части разреза, нестабильность работы установки зондирований и другие-факторы. Однако, имеется большой опыт применения многократных систем наблюдения в сейсмических исследованиях. Этот опыт был использован для создания методики ЗСМП. Основная идея методики ЗСМП заключается [81] в использований пространственного суммированиия с сохранением временного накопления сигналов. Пространственное суммирование осуществляется на уровне трансформаций исходного сигнала, что при условии малого градиента э/м поля на временах, соответствующих глубинам зондирования, обеспечивает определенную устойчивость результатов вдоль профиля. С целью уменьшения влияния положения точки регистрации на результаты. зондирования установкам зондирования придается пространственно-вытянутый характер вдоль профиля.

Физические идеи, положенные в основу метода ЗСМП, способы расчета и выбора технологических параметров, естественно, требовали проверки и обоснования. Такое обоснование возмогло провести несколькими способами. Во-первых, использовать упрощенные теоретические представления, описывающие процессы становления э/м поля, и на их основе получить расчетные формулы для задания параметров установки зондирований, регистрации сигналов и их последующей обработки. Этот подход использовался на ранней стадии разработки метода [573. Во-вторых, можно использовать физическое моделирование, что и использовалось достаточно интенсивно при разработке предшествующего метода — ЗСТ или ЗСБ. Но выяснилось, что физическое моделирование обладает существенными ограничениями: сложно обеспечить электродинамическое подобие модели исследуемому разрезурегистрация ранних и поздних стадий переходного процесса затрудняется собственными процессами рамок установки моделирования и нестабильностью работы измерительной аппаратурынаконец, существуют трудности создания полного набора моделей С59].

Метод математического моделирования был выдвинут на первый план развитием вычислительной техники, которое коренным образом изменило технологический уровень всех геофизических методов. В начале, ЭВМ 1-го и 2-го поколений использовались как автоматизированные вычислительные устройства для ускорения отдельных трудоемких расчетов. Затем на базе ЭВМ 3-го и 4-го поколений были развернуты мощные автоматизированные комплексы обработки, которые позволяли не только получать итоговые материалы, но и проводить оптимизацию геофизических методов с помощью моделирования физических процессов. Наконец, появление персональных компьютеров с развитыми средствами интерактивной графики привело к созданию систем обработки геофизических данных, функционирущих в диалоговом режиме с развернутыми способами графического представления результатов обработки, Бее это существенно повысило оперативность обработки и, в целом, качество интерпретации. Актуальной стала задача создания специальных программных комплексов, позволяющих охватить математическим моделированием весь технологический цикл обработки, включая процессы регистрации сигнала, процедуры трансформации полевых данных в геофизические параметры и визуализацию результатов.

Развитие мощных средств программирования на базе новых" поколений IBM PC совместимых компьютеров привело к новому подходу конструктивного оформления программных комплексов, получившему название «интегрированные пакеты» [53. Основные принципы построения интегрированных пакетов состоят в следующем. На базе системы программирования (например: Турбо Си, Микрософт Си, Турбо Паскаль и др.), которая, в свою очередь, является интегрированным пакетом и имеет, как правило, все средства для формирования интегрированных пакетов, создается «ядро» пакета. Б этом ядре сосредоточены основные программы, реализующие главные функции, к которым относятся: организация и поддержка информационной базыосновные процедуры обработкисредства организации иерархической структуры пакетаинформационная связь с «внешним миром» и другие, Формируется структура базы данных пакета с тем расчетом, чтобы можно было отобразить все наборы данных, которые потребуются для работы пакета. Организуются библиотеки программных модулей, дополнительные к библиотекам системы программирования и позволяющие создавать и модифицировать программы пакета. Разрабатывается ряд программ, имеющих вспомогательный характер. Такие программы, обычно, называются утилитами и работают они независимо от основного ядра пакета, но на одной информационной базе. Наконец, должно быть составлено иформационно-логическое описание пакета, которое не должно быть слитком объемным (с учетом наличия в каждой программе внутренней, встроенной описательной информадии), но, в то же время, достаточно ясно отображать все правила формирования базы данных и организации пакета.

Следует также отметить расширение алгоритмической базы в области анализа процессов становления э/м поля. Развитие теоретической базы вычислительной математики заложило основы создания эффективных вычислительных процедур для решения прямых и обратных задач [51. Актуальность проблемы, прогресс вычислительной техники и достижения в теории и практике метода ЗСМП определили направление исследований автора работы.

Основная цель исследований состоит в создании набора алгоритмов, охватывающего основные reoэлектрические модели, которые используются при интерпретации материалов ЗСМП, и разработке пакета программ моделирования процессов становления э/м поля, информационно совместимого с пакетом обработки и интерпретации полевых материалов и работающего на IBM PC совместимых компьютерах.

Основные задачи исследований:

— выбор, анализ и разработка алгоритмов и вычислительных процедур для моделирования процесса становления э/м поля применительно к задачам ЗСМП;

— адаптация имеющихся и разработка новых алгоритмов и программ трансформации регистрируемых сигналов в значения геоэлектрического глубинного разреза в рамках методики ЗСМП;

— создание пакетов программ на базе «IBM PC — совместимых» компьютеров, позволяющих на единой информационной базе проводить обработку полевых материалов и результатов математического моделирования;

— обработка ряда полевых материалов для тестирования пакета программ математического моделирования и программ трансформации.

Научная новизна:

— предложены алгоритмы и вычислительные процедуры для расчета сигналов становления э/м поля с контролируемой точностью в присутствии горизонтально-слоистой градиентной среды и установок зондирования конечных размеров;

— предложен новый алгоритм и реализована программа трансформации полевых данных с использованием интегрального значения сигнала в геоэлектрический глубинный разрез;

— предложен эффективный алгоритм и создана программа трансформации сигналов становления при зондированиях токовыми импульсами неидеальной формыв феноменологической теории поляризуемости А. В. Куликова более четко физически и математически выделена роль токов поляризуемости в виде противотока основному току, а также связь этих токов в общем процессе релаксации, что позволяет сделать обобщение теории на случай произвольного закона поляризуемости и применить ее к построению эффективных вычислительных процедур для различных моделей геоэлектрического разреза;

— сформулирована задача и алгоритм расчета сигналов становления поля для класса неоднородных моделей геоэлектрического разреза, состоящего из горизонтально-слоистой градиентной среды с включением ограниченных аномальных областей.

Практическая значимость диссертации заключается в том, что на основе исследований"выполненных автором, создан пакет программ математического моделирования процесса становления э/м поля, информационно связанный с пакетом обработки полевых материалов ЗОМП. С помощью указанных пакетов программ повышается эффективность проведения полевых работ, обработки материалов и интерпретации результатов.

Реализация результатов исследований. Пакет обработки материалов ЗСШ на базе IBM PC — совместимых компьютеров используется для обработки материалов полевых работ в Опытно-методической экспедиции (г. Александров Владимирской обл.) ТТЛ «Центргеофизика». Отдельные алгоритмы трансформации и программы, моделирования применяются при проведении электроразведочных работ в АО «Саратовнефтегеофизика». Математическое моделирование с использованием программ пакета широко применяется в НВНИИГГ для разработки новых методов и способов электроразведки и обработки ряда материалов. р

Защищаемые положения: 1. Математическое моделирование процессов становления э/м поля применительно к установкам зондирования, используемым в технологических схемах ЗСШ.

— 92. Интегральный способ трансформации сигналов в методе ЗСМП устраняет искажения в виде отрицательных значений электропроводности reoэлектрического разреза.

3. Алгоритм трансформации сигналов при зондированиях токовыми импульсами произвольной формы, осуществляемый без процедур обратной фильтрации.

4. Поляризуемость отдельных слоев горизонтально-слоистого разреза в методе ЗСМП повышает их дифференцированность.

5. Для класса неоднородных моделей геоэлектрического разреза, состоящего из горизонтально-слоистой градиентной среды с включением ограниченных аномальных областей, формулируется задача и описывается процедура расчета полей итерационного типа.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались: на VI Всесоюзной школе-семинаре по геоэлектрическим исследованиям в г. Баку (1981 г.) — на VIII Всесоюзной школе по электромагнитным зондированиям в г. Киеве (1987 г.) — на Научно-техническом семинаре-совещании «Индукционная электроразведка-89» в п. Славское, Львовской обл. (1989 г.) — на Международной научной конференции «Неклассическая геоэлектрика», Саратов (1995 г.) — на Международной геофизической конференции «Электромагнитные исследования с контролируемыми источниками», Санкт-Петербург, Петро-дворец (1986 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 печатных работ, в том числе 2 авторских свидетельства.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем 240 страниц, в том числе 209 страниц текста, 31 иллюстраций.

Список литературы

состоит из 107 наименований.