Разработка программно-измерительного комплекса для нестационарных электромагнитных зондирований на основе телеметрических систем наблюдения

Объектом исследований в диссертационной работе являются телеметрические электроразведочные системы наблюдений в составе программно-измерительного комплекса для нестационарных электромагнитных зондировании (вопросы регистрации, обработки, интерпретации и визуализации) при изучении коллекторов в условиях юга Сибирской платформы (прогнозирование условий проходки глубоких скважин, изучение осадочного чехла на предмет наличия коллекторов, мониторинговые наблюдения па промышленных предприятиях, использующих пласты-коллекторы в качестве источника сырья и хранилищ для отходов).

Актуальность темы

.

Нестационарные электромагнитные зондирования показали свою высокую эффективность и заняли достойное место в комплексе работ по изучению осадочного чехла. Особое значение электроразведка имеет в сложных геологических условиях, когда с применением сейсмических методов получение надежных геологических результатов затруднено. Осложнения, е которыми приходиться иметь дело па Сибирской платформе, можно разделить на две группы. К первой следует отнести геологические факторы, затрудняющие исследование осадочного чехла — соляную тектонику, трапповый магматизм, разрывные нарушения, сложную морфологию терригенпых и карбонатных коллекторов, зачастую с зонами аномально высоких пластовых давлений (АВПД). Вторая группа — это сложные условия рельефа и климата, наличие интенсивных индустрпальныхэлектромагпптпых помех. Важную роль играет возрастание стоимости электроразведочных работ в сложных условиях и при повышении пространственной плотности наблюдении.

Па рубеже 90-х годов прошлого столетия произошло снижение объемов нестационарных электромагнитных зондирований в Восточной Сибири и в России в целом. Причиной этого явилось несовершенство методик, аппаратуры, неприспособленность имеющихся технологий к работе в новых условиях, недостаточная помехозащищенность и производительность. Немаловажным являлось неоднозначное представление о геоэлектрпчеекпх моделях коллекторов, и, как следствие некорректные постановки геологических задач для электромагнитных зондирований. Во многих производственных геофизических организациях произошло существсннос снижение объемов электроразведочных работ, электроразведка стала экономически невыгодной и даже убыточной.

В тоже время, в разработке измерительных, программных средств, вычислительных мощностей и компьютерных технологий произошли революционные изменения. Выявилось отставание электроразведочных программных комплексов, но сравнению с сейсморазведочными, например, в визуализации, системах доступа и обработки данных. Программно-алгоритмические разработки были слабо интегрированы в аппаратуру и не использовали возможности объектно-ориентированного программирования. Измерительные электроразведочные комплексы не отличались высокой технологичностью. Повышение эффективности электромагнитных исследований сдерживалось недостаточной пространственной плотностью наблюдений в условиях интенсивных электромагнитных помех.

Таким образом, требовалась разработка современной телеметрической многоканальной регистрирующей аппаратуры, создание измерительных систем с высокой мобильностью, точностью измерения, с возможностью эффективной организации наблюдений с повышенной пространственно-временной плотностью в условиях густой залесеипостн и сложного рельефа местности. Актуальной являлась разработка технологий сбора и математической компьютеризированной обработки информации для условий высокого уровня электромагнитных помех вблизи промышленных объектов.

Цель работы — повышение достоверности и качества геофизических данных, увеличение информативности нестационарных электромагнитных зондирований путем создания нрограммно-нзмерителыюго комплекса на основе телеметрических систем наблюдения, обоснование типичных фнзико-геологнческих моделей с применением трехмерного математического моделирования.

Задачи исследований.

1. Научное обоснование и разработка про1раммпо-измерителыюго комплекса для нестационарных электромагнитных зондирований па основе мобильных телеметрических регистрирующих систем с высокой пространственной плотностью наблюдений, арифметическим шагом дискретизации и записью всех наконлений в цифровом видеразработка программного обеспечения для регистрации, обработки сигналов, подавления помех, интерпретации.

2. Обоснование геоэлсктричсских моделей, создание интегрированной системы компьютерного моделирования сигналов становления для сложпопостроен-пых срсд с целыо оценки эффективности применения нестационарных электромагнитных зондирований.

Фактический материал, методы исследовании и аппаратура ф При решении поставленных задач автор опирался па работы следующих авторов Ваньяпа J1. J1., Сидорова В. А., Тикшаева В. В., Кауфмана A.A., Рабиновича Б. И., Морозовой Г. М., Свстова Б. С., Поспссва A.B., Эпова М. И., Захаркина А. К., Кожевникова Н. О., Антонова ЕЛО., Могнлатова B.C., Ельцова И. Н., Ломтадзе В. В., Королькова Ю. С., Задорожпой B.IO. и других исследователей.

В качестве основных методов исследования использовались натурные эксперименты, математическое моделирование, компьютерные средства развития программного обеспечения. Для разработки программного комплекса использовалась среда программирования Borland Delphi. Анализ гсолого-геофизичсской ипформа-ции проводился автором по материалам фондов предприятия «Иркутскгсофизпка» п литературных источников. Основой для создания системы математического 3D моделирования является вычислительный модуль «Cupol» (Эпов М.И., Антонов ЕЛО., 2000). В качестве основной аппаратуры использовалась телеметрическая электроразведочпая станция «Пикет» (Стефанепко С.М., Агафонов Ю. А., 2003). Прообразом для создания станции «Пикет» послужила станция SGS-TEM, разработанная в 1999 году Стсфапснко С. М., Поспсевым A.B., при участии автора. По результатам сопоставления основных и контрольных наблюдений точность работы программно-измерительного комплекса оценивается как высокая, сходимость данных контроля достигает 0.01%. V С использованием программпо-измерителыюго комплекса было произведено порядка 5000 зондирований в Восточной Сибири, Прибайкалье и Магаданской области. Полученные результаты по прогнозу коллекторов были подтверждены глубоким бурением на Ковыктииском газокопдснсатпом месторождении — 11 скважин, на лицензионных площадях западнее Ковыктпнского месторождения — 8 скважин. Зондирования па Марковском, Ярактппском, Аяпском, Дулпсьминском месторождениях углеводородов показали качественную корреляцию геоэлектрических параметров с результатами бурения и высокую информативность результатов ЗСБ, полученных с телеметрическими системами наблюдении. Было произведено сравнение полученных данных с результатами зондирований прошлых лет, зарегистрированными с аппаратурой Цикл-2, Цикл-5 (разработка СНИИГГиМС, г. Новосибирск) за период 1980;1998 г. г.

Защищаемые научные результаты: (|1 1. На основе телеметрических систем наблюдения научно обоснован и разработан программно-измерительный комплекс для нестационарных электромагнитных зондирований, включающий многоканальную регистрирующую аппаратуру и программное обеспечение со специализированной базой данных.

2. Разработаны и научно обоснованы геоэлектрические модели целевых объектов — коллекторовна основании результатов математического моделирования и полевых экспериментов исследованы эффекты влияния трехмерных геоэлектрических пеоднородностей на электромагнитные отклики комбинированных со-осных и разнесенных установок ЗСБ.

3. Разработана методика нестационарных электромагнитных зондирований с использованием телеметрических регистрирующих систем в профильной и площадной модификациях, а также при мониторинговых исследованиях.

Научная новнзна работы. Лнчнын вклад.

1. В области регистрации и предварительной обработки сигналов ЗСБ:

— разработан программно-измерительный комплекс для регистрации нестационарных электромагнитных зондпроваиий па основе мобильных телеметрических модулей, созданных на базе 24-разрядных ЛЦП, со встроенными ОРЯ-прнемннками, с расположением регистраторов непосредственно у датчиков поля, арифметическим шагом дискретизации и записью всех реализаций сигнала;

— создана экспрессная система тестирования и документирования параметров аппаратуры в процессе полевых работ, основанная па использовании встроенных в нолевые модули генераторов тестовых сигналов;

— накоплена и систематизирована представительная коллекция электромагнитных помех различного генезиса в виде временных рядов, обоснована их классификация;

— разработана методика многоступенчатой обработки сигналов с высоким уровнем промышленных периодических помех, основанная па исследовании и точном определении параметров помехи для каждой реализации сигнала и ее вычитании;

— в программе предварительной обработки реализована методика расчета отношения сигнал/помеха с целыо выбора оптимального алгоритма обработки;

2. В области программного обеспечения для интерпретации и представле.

0 ния данных:

— предложена и реализована система хранения и доступа к большим объемам данных на основе комбинации реляционных и файловых баз данных па всех этапах регистрации, обработки, интерпретации и визуализации;

— разработана программа для экспрессной качественной (imaging) интерпретации данных ЗСБ па основе системы экспрессного расчета дифференциальной проводимости и аномальных остатков сигналов;

— разработана и реализована программа количественной интерпретации данных ЗСБ (inversion), 1-D и 3-D моделирования с возможностью массовых расчеф, тов переходных характеристик сложнопостроеппых сред, на основе прямых задач разработанных в Лаборатории электромагнитных полей Института Геофизики СО РАН (Эпов М.И., Антонов ЕЛО.);

— разработана система задания и записи в базу данных стратиграфических идентификаторов слоев геоэлектрических моделей для корректного анализа и визуализации результатов интерпретации в профильном и площадном представлении;

3. В области изучения геоэлектричсских моделей и методики наблюдений:

— формализованы и обоснованы типичные 3-мерные геоэлектричсскис модели терригенных и карбонатных коллекторов (на примере юга Сибирской платформы);

— средствами 3-мерного математического моделирования доказано, что метод ЗСБ в модификации с использованием сложных установок зондирований с наличием соосных п разнесенных приемных петель может эффективно применяться при поисках и оконтурнванпю зон повышенной электропроводности;

— исследованы возможные искажения геоэлектрических разрезов при одномерной интерпретации синтетических 3-D данных;

— но результатам работ методом ЗСБ в различных условиях накоплен представительный статистический материал и разработана система анализа геоэлектрических параметров па основе изучения закона распределения проводимости.

Аппаратурные разработки выполнены совместно со специалистами ППП «Геотелесистемы» (г. Новосибирск) и ФГУГП «Иркутсктеофизика» Стефанеико С. М., Поспеевым A.B., Почуевым Ю. И., Майнагашевым С. М. Концепция создания программного комплекса предложена и обоснована автором, реализация программ ф осуществлена непосредственно автором, а также совместно со специалистами.

ФГУГП «Иркутскгеофнзпка» Поспеевым A.B., Шарловым М. В., Костроминой II.В., Суровым JI.B., Гомульским В.В.

Практическая значимость работы.

Представленные в диссертационной работе материалы затрагивают основные этапы работ нестационарных электромагнитных зондирований и вносят существенный вклад в совершенствование способов и методик регистрации, обработки, интерпретации данных. Создание многоканальных телеметрических систем регистрации, их высокая мобильность и надежность измерений позволили вывести электроразведочпые технологии на новый уровень точности, производительности и рентабельности.

Телеметрические станции SGS-TEM и «Пикет» внедрены в производство в предприятии «Иркутскгеофнзпка» при проведении работ, но изучению коллектор-ских свойств геоэлектрических горизонтов осадочного чехла, на Байкальском прогностическом полигоне при мониторинговых наблюдениях, но прогнозу землетрясений, в ПГО «Магадапгеология» при решении структурных и рудных геологических задач. Аппаратура и программный комплекс используются при проведении лекционных, практических занятий, учебных и научно-исследовательских практик па кафедре Прикладной геофизики и геоииформатики Иркутского государствеппо-^ го технического университета.

Апробация работы.

Представленные в диссертации научные и практические результаты докладывались на семинарах, конференциях и симпозиумах разного уровня: XXXVII Международной студенческой конференции (Новосибирск, 1999) — Всероссийских школах-семинарах «Геофизика на пороге третьего тысячелетия» (Иркутск, 1999,.

2001, 2002, 2004) — Первой и второй Сибирской международной конференции молодых ученых по паукам о Земле (Новосибирск, 2002, 2004) — Международной конференции молодых ученых, специалистов и студентов (Новосибирск, 2001) — Третьей Уральской молодежной научной школе по геофизике (Екатеринбург, 2002) — 4-ой Международной научно-практической гсолого-гсофизической конференции молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 2003) — Всероссийской научно-тсхничеекой конференции «Геофизические методы при разведке недр и экологических исследованиях», посвященной 100-летию со дня рождения Д. С. Микова (Томск, 2003) — XVIII и XXI Всероссийских молодежных конференциях «Геология и геодинамика Евразии» (Иркутск, 1999, 2005) — Научно-технической конференции факультета геологии, геоинформатнки и геоэкологии ИрГТУ (Иркутск, 2004) — Международной конференции «Проблемы геокосмоса» (Санкт-Петербург, 2004) — Научно-производственной конференции «Иркутскгеофнзика-55» (Иркутск, 2004) — IX Международном научном симпозиуме студентов и молодых учёных имени академика М. А. Усова «Проблемы геологин и освоения недр» (Томск, 2005) — расширенных семинарах Лаборатории электромагнитных полей ИГФ СО РАН (Новосибирск, 2002;2005).

Объем н структу ра работы.

Работа состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 137 страниц текста, 82 рисунка и список литературы из 71 наименования.

Благодарности.

За участие в формировании научных взглядов и руководство в проведении исследовательской работы автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору И. О. Кожевникову. Автор глубоко признателен главному геофизику Геоипформцептра ФГУГП «Иркутскгеофизика» A.B. Поспееву за постоянное вппмапне, поддержку на всех этапах исследовательской работы и неоценимую помощь при разработке научной концепции программно-измерительного комплекса. Автор благодарен С. М. Стефапепко, без которого не могла быть разработана и внедрена измерительная аппаратура, М. В. Шарлову, Л. В. Сурову за профессиональную помощь в реализации основных идей при создании программного комплекса. Автор благодарит начальника Опытно-производетвеппого участка, но электроразведке предприятия «Иркутскгеофизика» В. П. Зыкова за сотрудничество и помощь при проведении полевых работ. Обоснование типичных геолого-геоэлектрических моделей было бы вряд ли возможным без консультаций и поддержки со стороны Л. Г. Вахромеева.

За поддержку, сотрудничество и обсуждение различных вопросов автор выражает благодарность руководству ФГУГП «Иркутскгеофнзика»: М.М. Ман-дельбауму, В. А. Кондратьеву, В. В. Воропанову и ведущим специалистам предприятия: A.M. Пашевину, А. Е. Лаврентьевой, Н. В. Костроминой, В. В. Гомульскому, Б. М. Хомутову, Н. В. Багаевой, Л. С. Лукашовой, АЛ. Яговкину. За помощь, конструктивные замечания и плодотворные дискуссии автор глубоко признателен коллегам из Новосибирска: ЕЛО. Антонову, А. К. Захаркину, B.C. Могилатову, И.II. Ель-цову, Г. М. Морозовой, B. I I. Глинских, H.H. Неведровой. За методические рекомендации и консультации по подготовке автореферата и других документов автор благодарен В. И. Самойловой.

За постоянное внимание, консультации, конструктивные замечания и помощь в осмыслении многих вопросов теории и практики электромагнитных зондирований автор выражает глубокую признательность чл.-корр. РАН М. И. Эпову.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Телеметрические регистраторы с высокоточным 24-х разрядным АЦП и дифференциальным входом располагаются непосредственно у приемных петель, имеют компактные размеры, массу пе более 3 кг (вместе с источником питания). Это дает возможность исключить применение аналоговых кондукторов, и осуществлять зондирования на удалении до 3−5 км от линии профиля доступного для проезда в условиях густой залесеппости и сложного рельефа. Одновременная регистрация сигналов от нескольких приемников поля позволяет с высокой мобильностью осуществлять наблюдения со сложными установками, повысить пространственную плотность наблюдении без потери производительности и экономической рентабельности.

Запись с арифметическим шагом дискретизации и сохранение всех реализаций сигналов позволяют использовать эффективную методику многоступенчатой математической обработкиприменяемые алгоритмы обеспечивают высокий уровень подавления периодических и импульсных помех, благодаря чему достигается ^ повышение возможностей метода ЗСБ.

Программный комплекс станции имеет унифицированный графический интерфейс, опирается на единую базу данных, основанную на использовании современных технологий, предоставляет широкий набор инструментов для проектирования сетей наблюдения, регистрации, обработки, визуализации данных, интерпретации результатов и математического моделирования.

Па основе анализа геолого-геофнзпческих данных по морфологии и физическим свойствам, обоснованы и типизированы трехмерные геолого-геоэлектрических модели коллекторов в галогенио-карбоиатиом и терригенном комплексах юга Сибирской платформы. Результаты компьютерного трехмерного I* моделирования позволили исследовать эффекты влияния 3−0 объектов на электромагнитные отклики и обосновать эффективность зондировании с повышенной пространственно-временной плотностью, обеспечиваемой телеметрическими системами.

Полученные в результате полевых работ зависимости геоэлектрических параметров п коллекторских свойств горизонтов осадочного чехла позволили осуществить прогнозирование условий проходки порядка 20 глубоких скважин па юге Сибирской платформы, оптимизировать технологии бурения, что привело к значительному снижению финансовых затрат.

Приведенные в диссертационной работе разработки имеют высокий потенциал развития. Концепция, положенная в основу конструкции телеметрических регистраторов и системы сбора данных, успешно опробованная для ЗСБ, может быть использована и для других методов геоэлектроразведки: индуктивных, постоянного тока, низкочастотных, вызванной поляризации, естественных электрических полей.

Дальнейшие перспективы связаны с расширением набора алгоритмов для подавления помех различной природы. Совместно с Лабораторией электромагнитных полей Института геофизики СО РАН ведутся работы по совершенствованию математического аппарата для интерпретации данных. Разрабатываются процедуры для 2-D и 3-D инверсии, алгоритмы решения прямых и обратных задач с учетом параметров вызванной поляризации в рамках модели Cole-Cole.