Алгоритмы и программные средства для выявления регулярных периодичностей в каротажных диаграммах

Объектом исследования являются применение методов статистического анализа временных рядов для анализа каротажных диаграмм (КД) для выявления в них регулярных периодичностей.

Предметом исследования являются алгоритмы и программные средства предназначенные для выявления регулярных периодичностей из КД получаемых при геофизических исследованиях скважин (ГИС) — выбор математических методов выделенияобработка массива каротажных данных.

Актуальность темы

В настоящее время, когда исчерпан фонд легко открываемых месторождений, а задача поиска новых объектов усложнилась, становится исключительно актуальной связь производства с наукой, владеющей современными прогнозно-поисково-оценочными технологиями.

Задача поиска нефтеи газонасыщенных слоев, литологического расчленения разрезов, определения пористости и т. д. немыслима без ГИС, а в сегодняшних условиях бурения глубоких и сверхглубоких скважин, когда другие методы определения структуры (например по керну) становятся недоступными (в связи с трудностью извлечения керна со сверхбольших глубин) ГИС приобретает все большее значение.

Бурное развитие вычислительной техники и появление огромного количества быстродействующих ЭВМ позволило развивать и внедрять в геофизику на качественно новой основе статистические и вероятностные методы обработки информации.

Появление огромного числа пользовательских программ, позволяющих проводить различные специализированные исследования кривых, дают возможность геофизику-интерпретатору сосредоточить все внимание на самом процессе интерпретации, выбирая тем самым наиболее рациональный и перспективный путь анализа каротажных диаграмм.

Однако широко распространенные программные продукты, предназначенные для геофизической интерпретации, не обладают на данный момент средствами, использующими аппарат математической статистики и теории вероятностей, а применение широко распространенных программных средств (комплексы программ SPSS, STATISTICA и т. д.) связано как с немалыми временными затратами, поскольку приходится решать задачи импорта и экспорта из существующих геофизических баз в формат соответствующих программ, так и с излишней функциональностью указанных продуктов. Поэтому создание программных комплексов, имеющих средства интеграции с существующими геофизическими базами и решающие определенный круг задач применительно к каротажным данным, весьма актуально.

Программа по выявлению регулярных периодичностей в каротажных диаграммах, интегрированная с геофизической базой, позволит проводить более качественную предварительную обработку сигналов, что будет способствовать повышению точности анализа геофизической информации при ее последующей интерпретации.

Структурно программный и алгоритмический модуль выявления регулярных периодичностей может использоваться в качестве фрагмента экспертных систем во множестве применяемых на различных стадиях обработки и интерпретации данных ГИС.

Цель работы — разработка и научное обоснование комплекса алгоритмических и программных средств для выявления регулярных периодичностей из КД, внедрение которых имеет существенное значение при анализе, предварительной обработке и интерпретации данных ГИС.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи: — разработка путем теоретических и экспериментальных исследований принципов построения алгоритмических и программных средств для выявления регулярных периодичностей в ходе предварительной обработки КД;

— выбор и обоснование применения математических методов выявления регулярных периодичностей для анализа каротажных сигналов;

— разработка алгоритмов выявления регулярных периодичностей в случаях априорно известных частот и интервалов частот КД;

— создание информационного обеспечения ГИС, обеспечивающего ввод, хранение, визуализацию и доступ к геофизической информации;

— определение значений частот и числа выявляемых периодичностей на основе построения периодограмм каротажных сигналов;

— проведение сравнительного анализа периодограмм всего разреза скважины с периодограммами на отдельных его участках для уточнения наличия в КД периодичностей и значений частот;

— определение параметров регулярных периодичностей для близко расположенных между собой эксплуатационных скважин для проведения корреляционного анализа.

Методы исследования.

При разработке алгоритмов выявления регулярных периодичностей из КД использовался метод циклического спуска, а построение инструментальных средств велось с учетом теоретических основ информатики и программирования.

Программное обеспечение системы реализовано на алгоритмическом языке высокого уровня — Borland Delphi б, серверная часть базы данных для сбора, хранение и доступа к геофизической информации выполнено под управлением Microsoft SQL-Server 7.0.

Методика выявления регулярных периодичностей в каротажных диаграммах основана на методах статистического анализа временных рядов и теории вероятностей.

Проверка алгоритмических и программных средств осуществлялась при обработке разных видов каротажных сигналов, на различных участках разреза скважины по одному методу, а также на совокупности близко расположенных скважин.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов основана на следующих положениях.

Математические модели, алгоритмы и прикладные программы, предложенные в работе, основаны на фундаментальных положениях теории статистического анализа временных рядов, а также теории вероятностей.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием большого объема экспериментального материала, статистическими методами обработки данных и хорошей воспроизводимостью результатов.

На защиту выносятся результаты исследования по применению методов выявления регулярных периодичностей и каротажных диаграммах, обеспечивающих повышение качества предварительной обработки геофизических сигналов, для их последующей интерпретации, в том числе:

— принципы построения алгоритмических и программных средств, предназначенных для выявления регулярных периодичностей из КД в ходе предварительной обработки;

— применение средств из области статистического анализа временных рядов и теории вероятностей для выделения регулярных периодичностей из КД;

— разработка алгоритмов по выявлению регулярных периодичностей;

— создание компьютеризированной системы, обеспечивающей ввод, хранение и доступ к геофизической информации;

— результаты обработки каротажных диаграмм по выявлению регулярных периодичностей из сигналов.

Научная новизна работы заключается в использовании методов статистического анализа временных рядов применительно к задаче выявления регулярных периодичностей из КД:

— определены принципы построения алгоритмов и программных средств, предназначенных на этапе предварительной обработки КД для выявления регулярных периодичностей;

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

— создан программный продукт, позволяющий проводить анализ каротажных диаграмм с применением методов статистического анализа временных рядов для выявления регулярных периодичностей;

— обеспечена возможность использования персонального компьютера типа IBM PC для решения подобных задач.

Практическая ценность работы. Созданные алгоритмические и программные средства по выявлению регулярных периодичностей из КД, позволят решить проблему повышения качества предварительной обработки геофизической информации.

Практическую ценность созданного программного обеспечения добавляют следующие ее тактико-технические характеристики. Она построена на базе персональных компьютеров IBM PC/AT, широко распространенных и имеющих огромные вычислительные возможности. Также, без какой-либо доработки, программа может быть перенесена на переносные компьютеры типа Notebook, конструкция которых позволяет использовать их в полевых каротажных станциях.

Система программного обеспечения универсальна, легко модифицируется под конкретные требования, может быть расширена новым комплексом задач и процедур обработки. Программное обеспечение имеет высокую надежность, защищено от аппаратных сбоев и ошибок пользователя.

Информационная модель системы построена в виде диалога с пользователем, когда интерпретатор может проводить анализ каротажных диаграмм на предмет выявления и выделения регулярных периодичностей. Перспективным является также совмещение данного этапа предварительной обработки с экспертными системами, задачей которых является принятие решение о существовании и необходимости выделения регулярной составляющей.

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

Вывод на экран осуществляется в удобном для восприятия виде, имеется возможность просмотра как отдельной диаграммы, так и их комплекса и выделения продуктивных пластов на графике сигналов. Возможен выбор любых масштабов глубины, амплитуды, смещения по амплитуде.

Интеграция в единый программный продукт средств хранения, предварительной обработки по выявлению регулярных периодичностей и интерпретации, наличие интерфейсов взаимодействия с другими программными комплексами, использование динамически связываемых библиотек, дающих широкие возможности расширения, позволяет рассматривать созданный программный продукт как многофункциональный инструмент анализа геофизических данных.

Реализация работы в производственных условиях. Полученные в работе результаты использованы в Институте математического моделирования разработки нефтяных месторождений ИжГТУ при выполнении хоздоговорной работы с ОАО «Белкамнефть» по оцифровке и предварительной обработке КД 490 скважин Каширо-подольского объекта Вятской площади Арланского месторождения.

При непосредственном участии автора была разработана и внедрена информационная система ГИС, предназначенная для сбора, хранения и доступа к геофизической информации. Была проведена работа по интеграции программы по выявлению регулярных периодичностей с данной базой данных, для возможности повышения качества анализа каротажных диаграмм при предварительной обработке.

Результаты работы могут быть использованы в практике работы предприятий, занимающихся геологоразведкой и предварительной обработкой каротажных диаграмм, а также и организациями занимающимися интерпретацией ГИС.

Апробация работы. Отдельные законченные этапы работы обсуждались на следующих научно-технических конференциях ИжГТУ (2000;2002): Информационные технологии в инновационных проектах (Ижевск, 2000), Молодые ученые — первые шаги третьего тысячелетия (Ижевск, 2000).

Публикации. Результаты работы отражены в 10 научных публикациях.

Структура и объем работы диссертация содержит введение, четыре главы и заключение, изложенные на 128 с. машинописного текста. В работы включены 25 рис., 6 табл., список литературы из 105 наименований и приложение, включающее акт об использовании результатов работы.

Основные результаты и выводы работы следующие.

1. Разработаны принципы построения алгоритмических и программных средств для выявления регулярных периодичностей в ходе предварительной обработки КД.

2. Выбраны математические методы выявления регулярных периодичностей для анализа каротажных сигналов, основанные на фундаментальных основах статистического анализа временных рядов и теории вероятностей.

3. Разработаны алгоритмы выявления регулярных периодичностей в случае известных частот и интервалов частот КД.

4. Созданы программные средства, реализующие алгоритмы выявления регулярных периодичностей с использованием языка высокого уровня Borland Delphi 6, имеющие дружественный интерфейс пользователя и возможность проводить предварительный анализ каротажных диаграмм.

5. Разработано и реализовано информационное обеспечение ГИС, предназначенное для ввода, хранения и обеспечение доступа к геофизической информации. С его помощью в рамках хоздоговорной темы было оцифровано 490 скважин Каширо-подольского объекта Вятской площади Арланского месторождения, и данные по этим скважинам были занесены в базу.

6. Проведены комплексные исследования КД по выявлению регулярных периодичностей, в ходе которых анализу подвергались различные типовые методы исследования скважин.

7. Весь комплекс программных и алгоритмических средств был создан на базе персонального компьютера, разработанное программное обеспечение может быть легко перенесено на мобильные и переносные ЭВМ без потери функциональных возможностей.

8. Данные в процессе анализа каротажных диаграмм отображаются на экране монитора в удобном для восприятия виде, имеется возможность просмотра как диаграммы всей скважины, так и различных интервалов глубин, построение периодограммы на различных участках.

В качестве развития исследований предложено провести научное обоснование природы выявленных регулярных периодичностей из КД, а также применение экспертной системы наряду с интерпретатором для использования при принятии решении о выделении из сигнала регулярных периодичностей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных работ по разработке и научному обоснованию алгоритмических и программных средств для выявления регулярных периодичностей в КД и комплексных исследований различных геофизических методов, показана возможность применения фундаментального математического аппарата по статистическому анализу временных рядов применительно к КД и перспективность данного подхода при дальнейшем анализе и интерпретации данных ГИС.