Математические и программные средства интеллектуальной информационно-измерительной системы для формирования скан образов и интерпретации каротажных диаграмм

Актуальность темы

Современные технологии разработки нефтяных месторождений предполагают компьютеризированную обработку и интерпретацию данных каротажа, а также построение различного рода геологических и математических моделей месторождений. Достоверность и надежность построенных моделей месторождений и залежей оказывают определяющее влияние на эффективность поисково-разведочных работ и выбор обоснованной схемы разработки ГИС на сегодняшний день являются, фактически, единственной возможностью выделить в разрезе скважины продуктивные нефтяные и газовые пласты, определить их толщины, емкостные и фильтрационные свойства, литологический состав, эксплуатационные характеристики.

С каждым годом все острее стоит проблема воспроизводства минерально-сырьевой базы в России, т.к. большинство месторождений уже давно эксплуатируются и их запасы, практически, исчерпаны. Сложность воспроизводства запасов нефти и газа связана с тем, что новые месторождения отличаются от уже эксплуатируемых сложным геологическим строением, а именно: большими глубинами залегания, небольшой толщиной пластов-коллекторов, многокомпонентным литологическим составом, сложной структурой порового пространства. В связи с этим значительно повышается роль ГИС и требования к ее достоверности. В то же время существует обширный банк каротажных диаграмм (КД), хранимых на фотобумаге и в виде их твердых копий на бумажной ленте, сформированный еще до появления цифровых магнитных регистраторов и компьютеризированных программно-аппаратных комплексов для цифровой записи и оперативной предварительной обработки данных ГИС. После оцифровки КД появляется возможность переинтерпретировать информацию по уже разрабатываемым месторождениям. Для новых месторождений оцифровка существующего фонда позволяет не проводить исследования повторно, тем более что проведение комплекса ГИС даже по одной скважине очень затратно. Поэтому перед нефтеи газодобывающими компаниями встает вопрос об оцифровке старых КД существующего фонда скважин.

Повышение точности ввода данных ГИС при оцифровке возможно только при комплексном подходе к решению проблемы — созданию ИИИС, состоящей из аппаратных и программных компонентов и предназначенной для определения, анализа и устранения погрешностей, возникающих при формировании скан образов КД.

Поэтому для автоматизации процесса переинтерпретации и построения более точных математических моделей месторождений для оптимизации процесса добычи нефти необходимы интеллектуальные информационные системы, позволяющие хранить и обрабатывать весь комплекс геолого-геофизической и технологической информации. При наличии некоторой эмпирической БД возможно использование методов извлечения знаний из данных и применение обучающихся информационных систем. Дальнейшим развитием автоматизации интерпретации каротажного материала является разделение на пласты разреза скважин с помощью экспертных оценок, которые существенным образом используются в системах искусственного интеллекта, построенных на основе теории ПЛ. В общем случае, применение систем НЛ целесообразно в тех случаях, когда нет простой и однозначной математической модели объекта или процесса, но экспертные знания об объекте или процессе представимы в форме предикатных правил. Принимая во внимание, что задачи интерпретации ГИС имеют в своей основе сложные функциональные зависимости, поэтому применение системы НЛ для их решения вполне приемлемо и обоснованно.

Объектом исследования являются ГИС, КД и их скан образы, рулонные сканеры, оцифровка КД, ИИИС для определения погрешностей сканирования КД, программный комплекс для обработки скан образов КД, БД и локальная вычислительная сеть (ЛВС), алгоритм адаптивного выбора подклассов (АВПР) модели НЛ для решения задач интерпретации ГИС.

Предметом исследования являются программное, лингвистическое и информационное обеспечение интеллектуальной ИИИС, математическая модель для оценки точности формирования скан образов КД-. разработка правил и структуры экспертной системы для контроля качества оцифровки, методы и алгоритмы интерпретации геофизической информацииалгоритмы распознавания литологии пластов на основе НЛ.

Цель работы — проведение комплексных исследований, направленных на получение научно-обоснованных методических и технических решений, способствующих повышению степени автоматизации обработки и интерпретации ГИС путем создания интеллектуальной ИИИС, обеспечивающей формирование цифровых скан образов КД с ленточных носителей данных, управление геологическими, геофизическими и производственными данными на основе специализированных баз данных и повышение надежности выявления нефтенасыщен-ных коллекторов путем разработки алгоритмов, базирующихся на положениях теории HJIвнедрение чего имеет существенное значение для создания экспертных систем экспрессанализа для обработки и интерпретации геофизической информации.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

— создание автоматизированной технологии оцифровки КД с бумажного носителяразработка математической модели оценки точности формирования скан образов КД, а также аппаратно-программных средств для определения, анализа и устранения погрешностей процесса сканирования КД;

— разработка структуры специализированной БД для обеспечения качества, достоверности и полноты каротажного материала, корректного выделение пластов — коллекторов, определение их фильтрационно-емкостных свойств, построение зависимостей между различными свойствами коллекторов;

— создание ЛВС, обеспечивающей увеличение клиентских мест при обработке КД в LAS-формате, с включением в нее станции Sun в качестве сервера специализированной БД и персональных компьютеров;

— определение таблицы соответствия стандартных мнемоник для обеспечения возможностей работы БД с КД при выполнении операций склейки отрезков кривых или их любой корректировки, при которых возникают проблемы, связанные с различным наименованием кривых,.

— разработка методики, позволяющей строить ранговые модели многомерного каротажного сигнала с возможностью добавления различных ограничений, анализировать распределение значений функций, имеющую широкий набор алгоритмов для расчета количественных показателей и предварительной обработки, адаптированных к особенностям КД;

— выработка обоснованных решений для построения моделей HJI для распознавания литологической структуры разреза скважины и методики определения информативности методов каротажа при интерпретации результатов ГИС на основе алгоритмов HJ1.

Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. При решении задачи распознавания литологической структуры разреза скважины методы ранговой корреляции и теории нечетких множеств. Обучение системы HJ1 осуществлялось на различных комбинациях методов каротажа. Результаты работы системы HJ1 исследовались на предмет адекватности выделенных нефтенасыщенных, водонасыщенных и непродуктивных участков разреза скважины экспертным оценкам.

При разработке математической модели оценки точности формирования скан образов, а также методики статического анализа процесса сканирования КД применялись методы теории вероятности и теории случайных функций. Экспериментальные исследования базируются на использовании методов динамического анализа параметров и характеристик сканирующего устройства с учетом метрологических характеристик средств измерений. Обработка полученных результатов проводилась с привлечением аппарата математической статистики.

Информационная модель ИИИС создана с учетом объектно-ориентированных принципов разработки программных комплексов. База правил разработана с учетом механизмов построения реляционных структур данных. Программное обеспечение системы реализовано на алгоритмическом языке высокого уровня — Object Pascal, интерфейс пользователя разработан в интегрированной среде Borland Delphi 6.0, БД работает под управлением таких СУБД как Oracle 8 и Microsoft SQL Server 7.0.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждается сопоставительным анализом разработанных и существующих математических моделей и методов, а также итогами практического использования ИИИС. Математические модели, алгоритмы и прикладные программы, используемые в работе, основаны на положениях ранговой корреляции теории нечетких множеств, на теоретических основах функционального анализа, теории статистического анализа КД как временных рядов, а также теории вероятностей, случайных функций и фундаментальных основ построения экспертных систем. Методики расчета параметров коллекторов базируются на широко применяемых при ГИС петрофизических зависимостях.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием большого объема экспериментального материала, статистическими методами обработки данных и хорошей воспроизводимостью результатов. Достоверность эталонного материала для обучения моделей HJI обеспечена использованием утвержденных в ОАО «Башнефтегеофизика» экспертных заключений по обрабатываемым скважинам.

На защиту выносятся результаты исследования компьютеризированной ИИИС, обеспечивающей высокую точность экспресс-интерпретации, определения, анализа и устранения погрешностей формирования скан образов КД, а также структуры специализированных БД ГИС, в том числе:

— структура и алгоритмы автоматизированной информационно-управляющей системы, предназначенной для оцифровки твердых копий КД на бумажном носителетехнические средства контроля погрешностей сканирования и методики их устранения;

— математическая модель оценки точности формирования скан обрзов КД, содержащая формулы для оценки формы каротажного сигнала, аналитические выражения для определения погрешностей сканирования;

— стандартизация и формализация типов каротажной информации, проектирование мощной и гибкой реляционной БД, позволяющей хранить все типы геолого-геофизических информации и обеспечивать к ним доступ пользователям путем создания ЛВС на базе интерпретационно-вычислительной станции Sun;

— экспресс-анализ КД, позволяющий определить тип и мощность изучаемых пластов, а также их количественные показателираспознавание характерных критериальных моделируемых зависимостей;

— применение средств искусственного интеллекта для определения лито-логического состава разреза скважины по данным каротажа путем обучения на основе анализа соответствия КД имеющемуся экспертному заключению;

— концептуальные основы программного обеспечения (ПО), принципы построения программного, лингвистического и информационного обеспечения ИИИС, реализуемой на основе АВПР и модели HJI;

Научная новизна полученных результатов определяется теоретическим обоснованием создания алгоритмических средств и математического аппарата для ИИИС ГИС, обладающей хорошей совместимостью со всеми высокоинтеллектуальными программами обработки и интерпретации каротажных данных, при разработке которой:

— осуществлен выбор структуры и сформирована концепция программно-аппаратных средств для определения, анализа и устранения погрешностей формирования скан образов каротажных кривых;

— разработаны критерии точности ввода данных ГИС при оцифровке, оценки достоверности полученных критериевпостроена математическая модель, позволяющая количественно рассчитывать величину и характер погрешностей, определять параметры сканирования, обеспечивающие требуемую точность ввода каротажных данных;

— разработана база каротажных данных для решения задачи комплексной автоматизации обработки результатов ГИСрешены проблемы импорта, хранения и поиска разнородной информации, ее визуализации и вывода на печатьразработаны интерфейсы взаимодействия БД с программами обработки и анализа КД;

— применен ранговый алгоритм адаптивного выбора подклассов для лито-логического расчленения пройденных скважиной породразработаны методики формирования классов, сформированы ранговые вектора, характерные для исследуемых скважин карбонатного типа;

— предложена модель нечеткой логики взамен известного вероятностного подхода, не требующая нормального распределения вероятности попадания значений КД в литологический типсформированы лингвистические переменные и правила принятия решения;

— разработана информационно-управляющая система контроля качества оцифровки КД, предложены форматы представления правил, способы формирования зависимостей и механизмы расширения базы знаний системы;

Практическая полезность. Созданная ИИИС ГИС позволила решить целый ряд проблем автоматизации ГИС и экспресс-интепретации каротажной информации. Практическую ценность созданной ИИС ГИС добавляет то, что она построена на базе персональных компьютеров IBM PC/AT типа Notebook, конструкция которых позволяет использовать их в полевых каротажных станциях.

Система ПО ИИИС универсальна, легко модифицируется под конкретные требования, может быть расширена новым комплексом задач и процедур обработки. ПО имеет высокую надежность, защищено от аппаратных сбоев и ошибок пользователя. Информационная модель системы построена в виде базы знаний, содержащей сведения о понятиях, отношениях и ограничениях предметной области. В системе имеются сведения о методах каротажа, параметрах скважинных приборов. Универсальная система диалога позволяет вводить и контролировать данные, используя имеющиеся априорные сведения.

Измерительная информация представлена в виде БД, что позволяет обрабатывать данные по скважинам, методам и измерениям.

Интеграция в единый программный продукт интеллектуальных алгоритмов, средств хранения, предварительной обработки и интерпретации, наличие интерфейсов взаимодействия с другими программными комплексами, использование динамически связываемых библиотек (dll), дающих широкие возможности расширения, позволяет рассматривать созданную ИИИС как многофункциональный инструмент анализа и интерпретации геофизических данных.

Реализация работы в производственных условиях. Полученные в работе результаты использованы при оцифровке КД в Институте математического моделирования разработки нефтяных месторождений ИжГТУ.

Работа выполнялась в соответствии с планами хоздоговорных НИР по заказам ОАО «Белкамнефть» и ОАО «ТНК-ВР»: № ГР 1 200 405 097 «Верификация геолого-геофизической информации по объектам разработки месторождений Северного НГДП ОАО «Нижневартовск" — № ГР 1 200 405 096 «Формирование базы данных геолого-технологических мероприятий на скважинах Само-тлорского месторождения" — № ГР 1 200 405 095 «Оцифровка каротажного материала Каширо-подольского объекта Вятской площади Арланского месторождения" — № ГР 1 200 405 096 «Создание библиотеки скан образов скважин Само-тлорского месторождения».

Вся работа в целом, а также её отдельные части могут быть использованы предприятиями нефтегазодобывающей отрасли, организациями, занимающимися построением ряда различных моделей на основе геолого-геофизической и промысловой информации.

Апробация работы. Отдельные законченные этапы работы обсуждались на Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2000;2002), Электронной заочной конференции «Молодые ученые — первые шаги третьего тысячелетия» (Ижевск, 2000), 32−34 Научно-технической конференции ИжГТУ (Ижевск, 1998, 2000;2002), Международном симпозиуме «Надежность и качество 2002» (Пенза, 2002), IV научный симпозиум «Геоинформационные технологии в нефтепромысловом сервисе» (Уфа, 2005).

Публикации. Результаты работы отражены в 14 научных публикациях, в том числе: 2 статьи в сборниках трудов международных научно-технических конференций, 6 отчетов о НИР (63с., 59с., 91с., 35с., 53с., 80с.), 2 статьи депонировано в ВИНИТИ (47 и 54с.), 4 статьи в научных изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 189 с. машинописного текста. В работу включены 68 рис., 33 табл., список литературы из 125 наименований и приложение, включающее акт об использовании результатов работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведения комплексных исследований, направленных на получение научно-обоснованных методических и технических решений, способствующих повышению степени автоматизации обработки и интерпретации ГИС создана ИИИС, внедрение которой имеет существенное значение для создания экспертных систем экспрессанализа для обработки и интерпретации ГИС.

1. На основе исследования структуры технологического процесса оцифровки КД построена схема автоматизированной информационно-управляющей системы и определены функции ее программных компонентов. Система состоит из 7 подсистем, реализующих различные стадии процесса и БД проектов оцифровки, скан образов КД, информации процесса оцифровки, а также фрагментов КД.

2. Созданная в рамках системы оцифровки подсистема выделения линий КД на скан образах диаграмм обеспечивает предварительную обработку изображения для подавления неинформативных элементов, выделение информационного множества диаграммы, утончение линий и построение скелета изображения, предварительную обработку выделенных примитивов, реконструкцию и восстановление непрерывной кривой.

3. Разработана математическая модель для оценки точности формирования скан образов КД, содержащая формулы и зависимости для оценки формы каротажного сигнала, в том числе, оптимальной оценки. Рассчитаны среднеквадратичные ошибки и оценки дисперсии для всех компонентов математической модели.

4. Сформирована концепция, структура, математическая модель, основные модули и алгоритмы программно-аппаратных средств для оценки, анализа и компенсации помех формирования скан образов КД. Разработаны алгоритмы программного комплекса, осуществляющего обработку скан образов КД.

5. В состав ИИИС включена система Finder, использующая мощную и гибкую реляционную БД, что позволяет хранить все типы данных и обеспечивать к ним доступ пользователям. Управляет данными реляционная СУБД типа ORACLE. Для эффективного хранения каротажных диаграмм и некоторых других данных обычная реляционная БД дополнена векторной базой. Успешно решены технические проблемы, возникшие при интеграции информации в Finder: перевод информации на новые технические носителисогласование форматов представления данныхиспользование локальной сети для ввода информации.

6. Для экспресс-интерпретации КД использован АВПР для литологического расчленения пройденных скважиной породразработаны методики формирования классов и алгоритм классификациипредложено использование алгоритма АВПР для формирование лингвистических переменных.

7. Разработан способ определения информативности методов каротажа при распознавании литологической структуры разреза скважины моделью HJI в зависимости от количества каротажных методов. Проведенные оценки выявили показатели информативности методов каротажа при интерпретации результатов ГИС на основе алгоритмов нечеткого вывода.

8. Разработаны принципы построения адаптивных систем HJ1 для распознавания литологической структуры разреза скважины. Выбраны методы обучения для моделей HJ1. Показана состоятельность подхода к задаче распознавания литологической структуры разреза скважины при помощи обучения систем HJ1. Разработанная система интерпретации результатов ГИС на основе нечеткого логического вывода, обеспечивает литологический экспресс-анализ.

9. Разработаны принципы построения программного комплекса, реализующего интерпретацию результатов ГИС на основе моделей HJ1. Создана интеллектуальная система для интерпретации результатов ГИС на основе HJI 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.