Методи і технології створення просторових інтегральних геолого-геофізичних моделей нафтогазоперспективних територій та об’єктів

Размещено на http://allbest.ru

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Методи і технології створення просторових інтегральних геолого-геофізичних моделей нафтогазоперспективних територій та об'єктів

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЇ

Актуальність теми. Національна “Стратегія розвитку енергетичного комплексу України до 2030 року» обґрунтовує необхідність забезпечення України власними енергетичними ресурсами, в тому числі і вуглеводневими. Серед основних напрямків вирішення цієї актуальної проблеми вказується на необхідність суттєвого нарощування ресурсної бази вуглеводнів, що неможливо без суттєвого збільшення обсягів і підвищення ефективності геологорозвідувальних робіт (ГРР). Враховуючи, що в останні роки нафтогазопошукові роботи проводяться в межах так званих територій із складними геологічними умовами, для них характерне збільшення ризиків і зменшення успішності проведення пошуково-розвідувальних робіт.

В загальному комплексі геологорозвідувальних робіт одними із основних є геофізичні дослідження, за результатами яких здійснюється побудова геологічних моделей глибинної будови нафтогазоперспективних територій. В зв'язку з цим підвищення кінцевої ефективності геологорозвідувального процесу вцілому неможливе без відповідного підвищення ефективності його геофізичного супроводу. Розуміння такого взаємозв'язку визначило загальний напрямок розвиту геофізики, який базується на відмові від виключного застосування сейсморозвідки та всебічному залученні інших методів, таких як електророзвідка, гравірозвідка й магніторозвідка. При цьому, висока ефективність використання несейсмічних методів може бути досягнута лише при відмові від традиційного якісного співставлення їх результатів та переході до інтеграції в процесі інтерпретації різних геофізичних методів шляхом побудови єдиної узгодженої інтегральної просторової геофізичної моделі геологічного середовища. У зв'язку з цим актуальною є проблема розробки і використання сучасних математичних методів, інформаційно-комп'ютерних технологій та автоматизованих систем розв'язку прямих і обернених задач геофізики, які дозволяють створювати просторові інтегральні геолого-геофізичні моделі нафтогазоперспективних територій та об'єктів, узгоджених з комплексом апріорних геолого-геофізичних даних. При цьому, ці методи і технології повинні базуватися на активному використанні максимально можливої кількості апріорних геолого-геофізичних даних.

Створення таких методів і технологій вимагає розв'язку широкого кола теоретико-математичних, інформаційних, алгоритмічних, програмних, технологічних, методичних і інших питань, націлених на забезпечення ефективного створення просторових інтегральних геолого-геофізичних моделей нафтогазоперспективних територій та об'єктів, що і є змістом даної роботи.

Розв'язок поставлених питань забезпечує розвиток сучасних наукомістких комп'ютерних технологій, орієнтованих на поглиблене вилучення геологічно-змістовної інформації про будову геологічного середовища із геофізичних даних і, як наслідок, - підвищення забезпечення України природними ресурсами, в тому числі й такими важливими як вуглеводневими.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу. Дослідження пов'язані з розробкою «Технології інтегральної інтерпретації комплексу геолого-геофізичних даних для пошуків і розвідки нафтових і газових родовищ», а також виконанням науково-дослідних робіт: господарські договори № 128/2005, № 400/03-09 (ГПУ «Львівгазвидобування»), № 127/2004 (ЗУГРЕ ДГП «Укргеофізика»).

Мета і задачі досліджень. Розробка теоретичних та прикладних аспектів підвищення ефективності геологорозвідувальних робіт за рахунок створення просторових інтегральних геолого-геофізичних моделей нафтогазоперспективних територій та об'єктів на різних стадіях геологорозвідувального процесу (з різним ступенем фактичної вивченості земних надр), узгоджених з комплексом апріорних геолого-геофізичних даних.

Об'єкт досліджень - фізико-геологічні моделі геологічного середовища.

Предмет досліджень - математичні методи та обчислювальні технології створення просторових фізико-геологічних моделей нафтогазоперспективних території та об'єктів.

Методи досліджень:

- методи математичного та функціонального аналізу, методи оптимізації та обчислювальні методи, методи аналізу алгоритмів;

- методи математичного опису складно побудованих моделей геологічного середовища;

- математичні методи чисельного розв'язку прямої лінійної просторової задачі гравірозвідки;

- математичні методи аналізу і розв'язку обернених задач геофізики, в рамках «Критеріального підходу до виразу апріорної інформації при розв'язку обернених задач геофізики і задачі комплексної інтерпретації геолого-геофізичних даних»;

- методи обчислювального експерименту.

Задачі досліджень.

1. Розробка ефективних математичних методів і алгоритмів створення просторових фізико-геологічних моделей початкового наближення, які враховують наявний комплекс апріорної геолого-геофізичної інформації.

2. Вдосконалення ітераційного процесу розв'язку оберненої задачі геофізики в критеріальній постановці та дослідження характеру його збіжності на прикладі розв'язку лінійної оберненої задачі гравірозвідки.

3. Розробка ефективного алгоритму чисельного розв'язку прямої задачі гравірозвідки для моделі неперервного розподілу геогустинних властивостей та оцінка його швидкодії.

4. Аналіз ефективності розроблених методів, технологій і алгоритмів при вивченні нафтогазоперспективних територій та локальних об'єктів в межах Закарпатського прогину Карпатської нафтогазоносної провінції.

Наукова новизна отриманих результатів.

В дисертаційній роботі вперше:

1. Зроблена класифікація апріорних геолого-геофізичних даних з позиції їх просторової інформативності та на цій основі розроблена система взаємопов'язаних методів створення просторових моделей початкового наближення для розв'язку обернених задач геофізики.

2. Запропоновано модифікований спосіб обчислення параметру релаксації ітераційного процесу розв'язку обернених задач геофізики у критеріальній постановці та досліджено його ефективність при чисельному розв'язку лінійної просторової оберненої задачі гравірозвідки.

3. Розроблено ефективний швидкий алгоритм чисельного розв'язку прямої просторової задачі гравірозвідки при апроксимації моделі середовища центральносиметричними тілами та досліджено його ефективність при застосуванні паралелепіпеду в якості елементарного джерела.

4. Досліджено вплив просторової інформативності апріорних геолого-геофізичних даних на параметри просторової моделі початкового наближення та геологічну змістовність отриманих регіональних інтегральних фізико-геологічних моделей геологічної будови Мукачівської та Солотвинської западин та прогнозних просторових фізико-геологічних моделей Русько-Комарівської та Солотвинської газоперспективних площ Закарпатського прогину.

Практичне значення отриманих результатів.

Отримані результати досліджень забезпечили можливість створення ефективних математичних методів та обчислювальних технологій розв'язку прямої та оберненої просторової лінійної задачі гравірозвідки в моделі інтегральної інтерпретації в комплексі з іншими геолого-геофізичними даними, а також моделей початкового наближення, адаптованих до просторової інформативності апріорних геолого-геофізичних даних. Реалізація розроблених методів і алгоритмів в рамках «Автоматизованої системи кількісної комплексної інтерпретації геолого-геофізичних даних - GCIS» забезпечила можливість оперативного та ефективного виконання робіт по створенню узгоджених інтегральних моделей глибинної будови нафтогазоперспективних територій та об'єктів різних регіонів України. Ефективність застосування розроблених методів створення просторових інтегральних геолого-геофізичних моделей нафтогазоперспективних територій та об'єктів висвітлені в науково-дослідних звітах, підготовлених за результатами проведених науково-дослідних робіт з наступними організаціями: ДК «Укргазвидобування», УкрДГРІ, ВАТ «Укрнафта», Західноукраїнська геофізична розвідувальна експедиція (ЗУГРЕ), Концерн «Надра».

Нові геологічні результати, отримані з використанням розроблених методів створення просторових інтегральних геолого-геофізичних моделей нафтогазоперспективних територій та об'єктів дозволили отримати нову геологічну інформацію про глибинну будову нафтогазоперспективних територій та об'єктів та підвищити ефективність пошуково-розвідувальних робіт на нафту і газ.

Особистий внесок здобувача.

Основні теоретичні, алгоритмічні, технологічні і методичні результати, що виносяться на захист, отримані автором самостійно. Розробка програмного забезпечення розв'язку прямої та оберненої просторової лінійної задачі гравірозвідки виконана спільно із Суятіновим В.М. Практичні результати по вивченню регіональної будови Мукачівської та Солотвинської западин Закарпатського прогину отримані у співавторстві з кандидатом технічних наук Ганженко Н.С.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційних досліджень доповідались на:

1. Міжнародному семінарі ім. Д.Г. Успенського "Теория и практика интерпретации гравитационных и магнитных аномалий", Ухта - 2008, Казань - 2009.

2. Міжнародній конференції «Нафтогазова геофізика - Стан та перспективи», Івано-Франківськ - 2009.

3. Міжнародній конференції «Геоінформатика: теоретичні та прикладні аспекти», Київ - 2005, 2008, 2009.

4. Міжнародній молодіжній науковій конференції «СЕВЕРЭКОТЕХ-2008», Ухта - 2008.

5. Міжнародній конференції «Petroleum Geology & Hydrocarbon Potential of Caspian and Black Sea Regions», Баку - 2008 р.

6. Міжнародних конференціях EAGE (Annual Conference & Exhibition incorporating SPE EUROPEC), Рим - 2008, Амстердам - 2009 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 наукових праць, серед яких 5 - статті у наукових журналах, визнаних ВАК України як фахові видання, одна із них одноосібна, 6 - тези доповідей на міжнародних наукових конференціях, в тому числі опубліковані в електронному вигляді.

Положення, що захищаються:

1. Система взаємопов'язаних методів створення просторових моделей початкового наближення для розв'язку обернених задач геофізики на основі класифікації апріорних геолого-геофізичних даних з позиції їх просторової інформативності.

2. Модифікований спосіб обчислення параметру релаксації ітераційного процесу розв'язку обернених задач геофізики у критеріальній постановці.

3. Швидкий алгоритм чисельного розв'язку прямої просторової задачі гравірозвідки при апроксимації моделі середовища центральносиметричними тілами.

4. Нові геолого-геофізичні моделі нафтогазоперспективних територій, отримані в результаті застосування методів створення просторових інтегральних геолого-геофізичних моделей нафтогазоперспективних територій та об'єктів.

Структура та обсяг роботи. Дисертація містить вступ, п'ять розділів, висновки, список використаних джерел, що складає 133 найменування. Загальний обсяг роботи складає 166 сторінок, 9 таблиць, 70 рисунків.

Автор висловлює глибоку подяку своєму вчителю та науковому керівнику Петровському О.П за постановку задач, постійну допомогу, увагу та всебічну підтримку при підготовці дисертації.

Автор глибоко вдячна своїм вчителям: кандидату технічних наук Ганженко Н.С., Суятінову В.М., проф. Степанюку В.П., к.г.-м.н. Мончаку Л.С. (ІФНТУНГ) за наукові дискусії та критичні зауваження, а також к.г.н. Бодлаку П.М., Кудлі П.Й. (ЗУГРЕ ДГП «Укргеофізика»), Лозиняку П.Й. (Львівське відділення УкрДГРІ) за люб'язно надані геолого-геофізичні дані, що використовувались при проведенні апробації дисертаційних досліджень, та за обговорення питань глибинної будови Закарпатського прогину. Автор вдячна директору ЗАТ «Гравиразведка» к. ю. н. Полину І. І. за підтримку та стимулювання розвитку методів і технологій інтегральної інтерпретації геолого-геофізичних даних, а також фахівцям ДК «Укргазвидобування» Беньку В.М., к. г. н. Мачужаку М. І, к. т. н. Олексюку В.І., к. г. н. Чебану О.В. і Концерну «Надра» к. г.-м. н. Гафичу І. П. за постановку проблем, пов'язаних з вивченням Закарпатського прогину. Окрема подяка колективу НТФ «БІПЕКС лтд.» за підтримку та допомогу під час виконання робіт по створенню просторових інтегральних геолого-геофізичних моделей нафтогазоперспективних територій та об'єктів в межах Закарпатського прогину Карпатської нафтогазоносної провінції.

Основний зміст дисертації

МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ ОПИСУ ГЕОЛОГІЧНИХ РОЗРІЗІВ ДЛЯ НАФТОГАЗОВОЇ ГЕОЛОГІЇ

Просторові цифрові моделі геологічного середовища відіграють все більш важливу роль в нафтогазовій промисловості всього світу. Все більший наголос робиться на побудову єдиної узгодженої інтегральної просторової геолого-геофізичної моделі середовища.

Одним з центральних моментів для забезпечення змістовності інтерпретації, який виникає при побудові моделей геологічних середовищ по геофізичним даним, полягає у виборі відповідної параметризації середовища - модельних представлень, які повинні відповідати наступним вимогам:

1. Забезпечувати апроксимаційну змістовність щодо досліджуваного середовища;

2. Забезпечувати відповідність модельних представлень середовища та геофізичних полів;

3. Забезпечувати обчислювальну й алгоритмічну ефективність розв'язку прямої та оберненої задачі геофізики;

4. Надавати можливість одержання геологічно змістовної фізико-геологічної моделі в результаті розв'язку відповідної оберненої задачі геофізики.

З метою опису геологічної моделі використовується дискретна апроксимація фізико-геологічного середовища.

Опис реального геологічного середовища в категоріях фізико-геологічної моделі розрізу здійснюється шляхом створення структурної фізико-геологічної моделі та моделі розподілу фізичних властивостей. При цьому «Фізико-геологічна модель геологічного розрізу» розглядається як деяке відображення параметрів геолого-геофізичної моделі на параметри фізико-геологічної моделі. Для структурної моделі розрізу вказане відображення виражається як:

.

В моделі неперервного розподілу фізико-геологічних властивостей реалізується апроксимація поведінки фізичних властивостей у вигляді деякої сіткової функції - , де - точка в області визначення функцій , яка описує геолого-геофізичні властивості розрізу виходячи з фактично наявних апріорних даних та у відповідності до характеру напластування геологічних прошарків.

Інтенсивний розвиток на протязі останніх декількох десятиліть методів математичної геофізики (Страхов В.М., Старостенко В.І., Буллах Є.Г., Нікітін О.О., Новоселицький В.М., Кобрунов О.І., Голіздра Г.Я., Оганесян С.М., Петров О.В., Блох Ю.І., Мартишко П.С., Гольдін С.В., Гольцман Ф.М., Кулінкович А.Е., Корчагін І.М., Якимчук М.А., Долгаль О.С. та ін) забезпечив можливість переходу на якісно новий рівень розуміння та аналізу результатів геофізичних досліджень. Перш за все це стосується теорії та методів «Критеріального підходу до виразу апріорної інформації при аналізі геофізичних даних» (Кобрунов О.І.), на основі яких був розроблений новий підхід, який отримав назву «Інтегральної інтерпретації комплексу геолого-геофізичної інформації на основі єдиної узгодженої геолого-геофізичної моделі середовища» та був реалізований в межах автоматизованої системи кількісної комплексної інтерпретації геолого-геофізичних даних GCIS та відповідної «Технології інтегральної інтерпретації комплексу геолого-геофізичних даних для пошуку і розвідки нафтових і газових родовищ» (Петровський О.П.).

В межах вказаних теоретико-технологічних розробок здійснена реалізація вказаних модельних представлень у вигляді:

? структурної фізико-геологічної моделі - сукупності довільної кількості криволінійних границь , які не мають самоперетинів в напрямку вісі і описуються однозначними функціями площинних координат та утворюють пласти , властивості в межах яких описуються чи ;

? моделі неперервного розподілу фізичних властивостей - декартової сіткової апроксимації з елементарною коміркою у вигляді паралелепіпеду, грані якого орієнтовані вздовж координатних вісей OX, OY, OZ. Необхідна точність апроксимації моделі досягається шляхом зменшення розмірів елементарної комірки, а врахування характеру напластування здійснюється шляхом задання проміжного значення фізичного параметру.

З метою уточнення параметрів створеної з використанням апріорного комплексу геофізичної інформації моделі початкового наближення виконується розв'язок оберненої задачі геофізики у постановці (Кобрунов О.І.):

,( 1)

де: параметри моделі середовища; метричний простір моделей; виміряне геофізичне поле або функціонал від нього; метричний простір геофізичних полів; в загальному випадку нелінійний оператор, який діє з простору моделей в простір геофізичних полів ; область визначення оператора - відкрита підмножина в просторі , достатньо широка для того, щоб забезпечити адекватну апроксимацію параметрів реальної геологічної моделі; відкрита підмножина в просторі , достатньо широка для того, щоб забезпечити адекватну апроксимацію характеру поведінки геофізичного поля, виміряного при проведенні геофізичних досліджень; множина допустимих геологічно змістовних моделей ; випуклий функціонал, що діє на , властивості якого в згорнутому вигляді містять апріорну геолого-геофізичну інформацію відносно характеру поведінки властивостей шуканих параметрів моделі середовища .

Просторові геолого-геофізичні моделі початкового наближення

Враховуючи що основою для визначення оптимальних параметрів інтегральних фізико-геологічних моделей геологічного середовища є обернені задачі геофізики, першим етапом створення будь-якої геолого-геофізичної моделі буде побудова моделі початкового наближення, яка у рамках єдиної геологічної концепції поєднує весь комплекс відомих - апріорних - геолого-геофізичних даних. Важливість цього етапу визначається впливом геолого-геофізичних принципів та інформації, закладених в параметри такої моделі, на геологічну змістовність розв'язку відповідних обернених задач інтегральної інтерпретації комплексу геолого-геофізичних даних.

При виборі способів і шляхів створення кількісних просторових фізико-геологічних моделей початкового наближення були враховані наступні факти:

– відповідність моделей існуючим математичним моделям, які використовуються при розв'язку прямих і обернених задач геофізики;

– можливість використання моделей в рамках вже розроблених технологій інтегрального геолого-геофізичного моделювання.;

– кількісні і якісна узгодженість моделей з наявним комплексом геолого-геофізичних даних, їхньою розмірністю (інтеграція 1D, 2D і 3D даних) з метою досягнення максимальної кінцевої просторової інформативності.

Виходячи із принципів розмірності систем спостереження й моделей інтерпретації всю інформацію, що відноситься до площі, у межах якої необхідно створити фізико-геологічну модель геологічного середовища, можна розділити на три групи:

1. Одномірні дані 1D, куди відноситься свердловинна інформація та результати точкових наземних геофізичних зондувань;

2. Двомірні дані 2D - результати профільних геолого-геофізичних досліджень і результати їх інтерпретації у вигляді геолого-геофізичних розрізів.

3. Тривимірні дані 3D - містять у собі інформацію про просторову поведінку геолого-геофізичних характеристик, представлених у вигляді карт і 3D розподілів.

На даний час в практиці проведення геологорозвідувальних робіт на всіх стадіях пошукового процесу все очевиднішим є необхідність переходу до просторових повнорозмірних чи квазіпросторових (т.з. 2.5 D) моделей, для чого необхідна розробка ефективних методів створення таких моделей на основі фактично наявного комплексу апріорної геолого-геофізичної інформації. З погляду на це введено поняття просторової інформативності апріорних геолого-геофізичних даних.

Просторовою інформативністю геолого-геофізичних даних будемо називати спроможність на основі цих даних побудувати кондиційну, згідно існуючих нормативних уявлень, просторову геолого-геофізичну модель. Виділимо три градації просторової інформативності як якісної характеристики геолого-геофізичних даних:

1. Високоінформативні дані - комплекс геолого-геофізичної інформації, який дозволяє побудувати кондиційні кількісні просторову структурну фізико-геологічну модель та детальну просторову модель неперервного розподілу фізико-геологічних властивостей. Характеризуються найбільш широким комплексом результатів геолого-геофізичних досліджень 1D+2D+3D;

2. Інформативні дані - комплекс геолого-геофізичної інформації, який дозволяє побудувати кондиційну кількісну структурну просторову геолого-геофізичну модель та схематичну просторову модель неперервного розподілу фізико-геологічних властивостей. Характеризуються комплексом результатів геолого-геофізичних досліджень 1D+2D+2.5D;

3. Низькоінформативні дані - комплекс геолого-геофізичної інформації, який дозволяє побудувати схематичні кількісні структурну просторову геолого-геофізичну модель та просторову модель неперервного розподілу фізико-геологічних властивостей. Характеризуються комплексом результатів геолого-геофізичних досліджень 1D+2D.

Враховуючи наведену класифікацію апріорних геолого-геофізичних даних та спосіб виконання просторових структурних побудов, сформульовано три основні методи створення моделі початкового наближення (рис. 1):

1. Формування 3D апріорної моделі на основі просторово низько інформативних даних.

Вихідні дані: 2D сейсмогеологічні побудови по мережі профілів і 1D свердловинна інформація, петрофізичні дані.

Рис. 1. Схема формування апріорної моделі середовища залежно від просторової інформативності вихідної геолого-геофізичної інформації

Процес формування моделі включає:

1.1. Побудову по кожному із профілів геолого-геофізичних структурних моделей і моделей розподілу геофізичних властивостей.

1.2. У випадку наявності однозначної ув'язки між профілями виконується попередня побудова структурних поверхонь основних геолого-геофізичних горизонтів на основі автоматичної інтерполяції (екстраполяції) профільної інформації про глибини їхнього залягання на всю площу досліджень. Подальше визначення просторової поведінки геолого-геофізичних властивостей здійснюється шляхом визначення параметрів 3D моделі або шляхом інтерполяції (екстраполяції) властивостей із профілів чи свердловин на всю площу досліджень з урахуванням просторової поведінки структурних особливостей моделі, а також характеру напластування осадків.

1.3. При відсутності однозначної ув'язки границь на всіх профілях, що використовуються з метою побудови моделі, створення структурної моделі не проводиться, а інтерпретація даних здійснюється на рівні моделі розподілу фізичних властивостей.

Визначення просторової поведінки геолого-геофізичних властивостей в цьому випадку проводиться на основі інтерполяції 2D властивостей із профілів у міжпрофільний простір по глибинних рівнях. Описаний спосіб не враховує характер поведінки структурних горизонтів, а поведінка властивостей в міжпрофільному просторі визначається обраним способом площинної інтерполяції.

З позиції геологічної змістовності й просторової інформативності варіант побудов на основі структурних поверхонь є кращим, так як дає можливість геологічно осмисленого контролю за результатами інтерполяції. Іншим суттєвим недоліком проведення просторової інтерпретації на рівні моделі розподілу фізичних властивостей при відсутності структурної моделі є складнощі візуалізації та інтерпретації кінцевої геолого-геофізичної моделі, що детальніше розглядається та ілюструється на прикладі Русько-Комарівського родовища. Однак, не зважаючи на всі вказані недоліки, даний метод дає можливість вирішувати геологічні задачі шляхом створення просторових моделей середовища при недостатній для просторових структурних побудов кількості апріорних даних, в складних геологічних умовах.

2. Формування 3D апріорної моделі на основі просторово інформативних даних.

Вихідні дані: 2D сейсмогеологічні побудови по мережі профілів, 2.5-3D структурні побудови по одному (декількох) опорних горизонтах, 1D свердловинна інформація, петрофізичні дані.

Наявність кондиційної геологічної інформації про структурні особливості поведінки окремих горизонтів, і особливо їхньої тектоніки, в обов'язковому порядку повинні бути враховані при побудові моделі. При цьому, на відміну від варіанту побудов, описаного в пункті 1.2, для побудови додаткових, відносно опорних горизонтів, структурних карт варто використовувати на профілях не самі глибини горизонтів, а величини потужностей відповідних пластів. Як аргумент на користь такого підходу є менший ступінь варіації потужності в порівнянні зі ступенем варіації глибини залягання стратиграфічних границь, що дозволяє використовувати для інтерполяції потужностей горизонтів у міжпрофільний простір досить гладкі функції. Іншим важливим аргументом на користь використання потужностей пластів і опорних карт для побудови проміжних структурних карт є успадковування в проміжних структурних побудовах структурних і тектонічних особливостей, закладених в опорних структурних картах. Це добре погоджується із принципами седиментаційної природи формування пластів та їх постседиментаційних змін.

З урахуванням вищенаведеного, процес створення апріорної моделі буде мати такий вигляд:

2.1. Побудова по кожному із профілів геолого-геофізичних структурних моделей і моделей розподілу властивостей, включаючи потужності всіх шарів.

2.2. Побудова цифрових структурних карт по опорних горизонтах.

2.3. Побудова площинних карт потужностей на основі інтерполяції (екстраполяції) профільної інформації в міжпрофільний простір, у т.ч. з урахуванням свердловинних даних.

2.4. Побудова додаткових структурних карт для горизонтів, розташованих вище верхньої опорної границі на основі різниці між глибиною по опорній границі й сумарної потужності шарів до прогнозованої поверхні, а для горизонтів, розташованих нижче найглибшої опорної поверхні, - з використанням суми глибини по опорній границі й сумарній потужності шарів до прогнозованої поверхні.

2.5. Побудова додаткових структурних карт для горизонтів, розташованих між опорними границями, виконується з урахуванням, що сумарна потужність всіх проміжних шарів повинна відповідати потужності пластів між опорними поверхнями. Для цього дані про товщину шарів повинні бути відповідним чином скоректовані - зменшені або збільшені залежно від співвідношення між загальною товщиною проміжних пластів і товщиною шару між опорними картами.Формування геогустинної моделі проводиться аналогічно п.1.2.

3. Формування 3D апріорної моделі на основі просторово високо інформативних даних.

Вихідні дані: 3D структурні побудови по основним сейсмогеологічним горизонтам, 1D свердловинна інформація, петрофізичні дані.

Є найбільш сприятливою ситуацією, яка характерна етапу детальних пошуково-розвідувальних робіт, що включають 3D сейсмічні дослідження. Залежно від геологічної задачі, структурна частина моделі може бути доповнена проміжними поверхнями, глибини залягання яких визначаються результатами інтерпретації даних геофізичних досліджень свердловин. При цьому, за аналогією з попередніми випадками, можуть бути використані як абсолютні оцінки глибин залягання горизонтів, так і інформація про потужності шарів. Формування геогустинної моделі проводиться аналогічно п.1.2. або з використанням з метою просторової інтерполяції (екстраполяції) в якості тренду просторових характеристик сейсмічного поля.

З метою створення моделі неперервного розподілу геогустинних властивостей середовища розглянуто алгоритми її побудови на основі різнорідних апріорних даних: петрофізичних досліджень керну, даних ГДС: гравітаційного каротажу, акустичних досліджень свердловин, гама-гама-каротажу густинного, методів пористості, - просторових фізичних властивостей за даними інтерпретації 3D сейсморозвідки. Для випадку використання в якості інформативного параметру даних ГДС відзначається необхідність проведення розв'язку 1D динамічної задачі сейсморозвідки з метою оцінки адекватності отриманих швидкісно-густинних характеристик розрізу.

Визначення оптимальних параметрів просторових геолого-геофізичних моделей неперервного розподілу геогустинних властивостей

В процесі отримання геологічно-змістовної геолого-геофізичної моделі території важливе значення мають адекватні, налаштовані на отримання геологічно змістовних моделей методи розв'язку обернених задач інтегральної інтерпретації комплексу геолого-геофізичних даних.

В якості постановки оберненої задачі використовують наступну.

Співвідношення між параметрами геофізичної моделі та значеннями геофізичного поля задано як

,( 2)

де - оператор, можливо і не лінійний, розв'язку прямої задачі геофізики, що діє з лінійного нормованого простору моделей в лінійний нормований простір геофізичних полів . Для відомої реалізації геофізичного поля . необхідно знайти таку модель , для якої (2) виконувалося б як тотожність , а при введенні додаткової інформації критеріальним способом:

,( 3)

де - деякий лінійний випуклий функціонал, що встановлює відстань між шуканою моделлю та деякою фіксованою моделлю , - випукла множина допустимих геолого-геофізично змістовних моделей.

Однозначний розв'язок може бути знайдений на множині з наступною характеризацією

,( 4)

де - лінійний оператор, що забезпечує оптимальність моделі-розв'язку з точки зору критерію .

Використовуючи рівняння характеризації (4), можна записати ітераційний процес розв'язку оберненої задачі в постановці

, ( 5)

де - номер ітерації; - параметр релаксації, що обирається з умови максимальної швидкості сходження ітераційного процесу з точки зору відхилення між виміряним та розрахованим геофізичними полями.

Наведені співвідношення застосовані при чисельній реалізації ітераційних процедур розв'язку обернених задач кінематичної структурної сейсморозвідки, лінійній і нелінійній-структурній задачах гравірозвідки автоматизованої системи кількісної комплексної інтерпретації GCIS. Проте при практичному розв'язку обернених задач з'являлися ситуації, коли ітераційний процес не тільки не сходився, але й починав розходитися. Після проведення серії обчислювальних експериментів було встановлено, що ця ситуація виникає у випадку, коли, з урахуванням всіх операторів, що входять в ітераційний процес, квадратичний функціонал відхилення між спостереженим і розрахованим геофізичними полями, що мінімізується, стає сильно яружним, а величина параметру релаксації виводить поточну модель за вісь яру на його протилежну сторону (рис. 2).

Рис. 2 Ілюстрація розбіжності ітераційного процесу

З метою уникнення такої ситуації, забезпечення збіжності ітераційного процесу і отримання геологічно змістовної фізико-геологічної моделі запропонований модифікований спосіб розрахунку оптимального параметру релаксації.

Для цього аналітичний спосіб розрахунку був довизначений аналітичною мінімізацією функціоналу методом його параболічної інтерполяції.

Перепишемо ітераційний процес у вигляді

,( 6)

де - деякий невідомий дійсний коефіцієнт, який разом з відповідає за збіжність ітераційного процесу.

Тоді експериментально розраховані значення відхилень у трьох точках можуть бути інтерпольовані параболічною функцією. За умови, що всі три значення утворять увігнуту трійку (парабола має мінімум ), мінімум функціоналу буде наближено відповідати значенню коефіцієнта , який буде знайдений у точці

,( 7)

де , , - деяке проміжне значення .

Процес уточнення коефіцієнта необхідно продовжити до виконання умови , де - відхилення гравітаційного поля при , а - прогнозне значення відхилення, - наперед визначення величина похибки. Описаний модифікований спосіб уточнення параметру релаксації був реалізований у рамках підсистеми розв'язку просторової лінійної оберненої задачі гравіметрії автоматизованої системи кількісної комплексної інтерпретації геолого-геофізичних даних GCIS. Для дослідження ефективності застосування модифікованого способу обчислення параметру релаксації були проведені розрахунки обернених задач гравіметрії для тестових моделей, а також при інтерпретації площинних гравіметричних даних у межах Південно-Буштинської і Солотвинської газоперспективних площ Закарпатського прогину. Застосування модифікованого способу уточнення параметру релаксації дозволило не тільки істотно збільшити швидкість збіжності ітераційного процесу, але що більш важливо, забезпечити збіжність ітераційного процесу в принципі (рис. 3).

При використанні запропонованого модифікованого способу обчислення параметру релаксації, збільшується кількість розрахунків прямої задачі в ітераційному процесі, що суттєво збільшує час розрахунку оберненої задачі інтегральної інтерпретації. Крім того, використання детальних фізичних моделей геолого-геофізичного середовища вимагає збільшення детальності, як наслідок - розмірності апроксимаційних конструкцій. При проведенні робіт з інтегральної інтерпретації комплексу геолого-геофізичних даних для вирішення сучасних нафтогазопошукових задач на схеми моделювання геофізичних полів накладаються жорсткі вимоги щодо їх високої обчислювальної ефективності. В зв'язку з цим запропонований новий швидкий метод чисельного розв'язку прямої лінійної задачі гравірозвідки з використанням аналітичних функцій, які відповідають джерелам гравітаційного поля центральносиметричної форми.

Представивши модель середовища сукупністю центральносиметричних елементарних тіл густиною з вісями симетрії (), що збігаються з вісями системи координат, розв'язок прямої задачі гравіметрії можна представити у вигляді

,( 8)

де - базисна функція, яка представляє собою гравітаційне поле в точці від елементарного джерела одиничної густини з набором параметрів , - додаткові параметри, що описують геометричні характеристики елементарного тіла, . - координати центру симетрії елементарного джерела.

Розглядаючи обчислювальну ефективність використання (8) з погляду витрат часу, можна стверджувати, що основні витрати часу йдуть на обчислення функції для кожного із джерел.

Помістивши локальний центр системи координат у точку та розглянувши поведінку функції у напрямку ліній , , , очевидним стає симетричність функції для координатних напрямків і :

.( 9

1, 2 - аналітичний спосіб обчислень, відповідно розв'язок з та без врахування обмежень;

3, 4 - модифікований спосіб обчислень, відповідно розв'язок з та без врахування обмежень.

а) б)

Рис. 3. Характер збіжності ітераційного процесу при використанні аналітичного і модифікованого способів обчислення параметра релаксації (а) та перетин функціоналу нев'язки на різних кроках ітераційного процесу

Таким чином для випадку, коли необхідним є лише розрахунок функції , тоді як значення в інших точках можна отримати згідно співвідношення (рис. 4)

.



Рис. 4. Порядок розташування точок для обчислення гравітаційного поля та їхнє індексування.

З метою одержання аналітичних оцінок величини отриманого прискорення була виконана серія обчислювальних експериментів для моделей середовищ різної розмірності при використанні як звичайного, так і прискореного алгоритмів. Для приведення отриманих даних часу розв'язку прямої задачі - звичайний алгоритм - і - прискорений алгоритм - для моделей з різною розмірністю й для різної кількості точок поля до єдиних умов, були отримані оцінки часу обчислення з розрахунку на одну точку поля й на одне елементарне тіло (рис. 5) . Аналітичні співвідношення для кривих, що апроксимують експериментальні дані, дозволили оцінити величину отриманого коефіцієнта прискорення , поведінка якого описується степеневою залежністю (рис. 6).

Рис. 5. Залежність логарифму часу обчислення однієї точки поля, створюваної одним елементарним джерелом, від загальної кількості точок моделі середовища

Рис. 6. Залежність логарифму коефіцієнту прискорення від загальної кількості точок моделі середовища

Запропоновані методи створення моделей початкового наближення, модифікований спосіб визначення параметру релаксації та алгоритм швидкого обчислення прямої задачі гравірозвідки реалізовані у підсистемі розв'язку просторової лінійної та нелінійної обернених задач гравіметрії автоматизованої системи кількісної комплексної інтерпретації GCIS. Завдяки цьому досягнута висока обчислювальна й змістовно-геологічна ефективність їх використання, яка продемонстрована на прикладах інтерпретації комплексу гравіметричних, сейсмогеологічних і промислових даних у межах моделей Мукачівської та Солотвинської западин та Південно-Буштинської, Солотвинської та Русько-Комарівської газоперспективних площ Закарпатського прогину.

Особливості створення просторових геолого-геофізичних моделей нафтогазоперспективних територій та об'єктів Закарпатського прогину

Для випадку регіонального вивчення територій на прикладі Мукачівської та Солотвинської западин наведений процес створення моделей початкового наближення на основі використання алгоритму для просторово низькоінформативного комплексу даних. При проведенні більш детальних робіт зонального та локального масштабів в межах площ Руські-Комарівці та Солотвино проведений порівняльний аналіз ефективності використання різних алгоритмів створення моделі початкового наближення (на основі просторово низькоінформативного та інформативного комплексів даних). Проведення повного комплексу інтегральної інтерпретації та на основі розв'язку оберненої задачі гравірозвідки дав можливість порівняти кінцеву геологічну ефективність використання різних методів в межах вказаних територій, на основі чого були обґрунтовані висновки щодо:

? необхідності використання просторово максимально інформативного комплексу даних на всіх етапах геологорозвідувального процесу, особливо в межах локальних об'єктів зі складною геологічною будовою;

? стійкості розв'язку оберненої задачі гравірозвідки в критеріальній постановці, що ілюструється результатами отриманими при використанні різних методів створення моделі початкового наближення в межах Русько-Комарівської площі.

Геологічна ефективність використання розроблених в дисертації методів та алгоритмів проілюстрована кінцевими просторовими геолого-геофізичними моделями Солотвинської та Мукачівської западин, а також Солотвинської та Русько-Комарівської площ Закарпатського прогину, на основі яких був виконаний прогноз розвитку порід з покращеними колекторськими властивостями в межах територій досліджень, в тому числі і потенційно газонасичених. Кінцеві геологічні результати використання розроблених методів і технологій створення інтегральних геолого-геофізичних моделей ілюструють їх високу технологічну та змістовно-геологічну ефективність та практичну цінність.

Висновки

Виконана дисертаційна робота є продовженням ідей розв'язку прямих та обернених задач геофізики в рамках «Критеріального підходу до виразу апріорної інформації при розв'язку обернених задач геофізики» та розвитком «Технології інтегральної інтерпретації комплексу геолого-геофізичних даних з метою пошуків та розвідки нафтових і газових родовищ». В результаті дисертаційних досліджень виконано розробку ефективних методів і технологій створення просторових інтегральних геолого-геофізичних моделей, зокрема у питаннях синтезу початкового наближення та оптимізації алгоритмічно-обчислювальних процедур розв'язку прямих і обернених задач геофізики на прикладі гравірозвідки. Ефективність розроблених методів і технологій підтверджена результатами їх застосування при вивченні нафтогазоперспективних територій і об'єктів, розташованих в межах Закарпатського прогину.

Основними результатами, отриманими автором при роботі над дисертацією, є розроблені ефективні методи і технології створення просторових інтегральних геолого-геофізичних моделей нафтогазоперспективних територій та об'єктів, узгоджених з комплексом апріорних геолого-геофізичних даних, зокрема:

1. Розроблені ефективні математичні методи і алгоритми створення просторових фізико-геологічних моделей початкового наближення, які враховують наявний комплекс апріорної геолого-геофізичної інформації і її просторову інформативність.

2. Вдосконалений ітераційний процес розв'язку оберненої задачі геофізики в критеріальній постановці шляхом введення модифікованого способу розрахунку параметру релаксації та досліджений характер збіжності ітераційного процесу при розв'язку просторової лінійної оберненої задачі гравірозвідки.

3. Розроблений ефективний алгоритм чисельного розв'язку прямої задачі гравірозвідки для моделі неперервного розподілу геогустинних властивостей з апроксимацією моделі середовища тілами центральносиметричної форми та оцінена його швидкодія для випадку використання паралелепіпедів в якості елементарних джерел.

4. Ефективність розроблених методів, технологій і алгоритмів підтверджена результатами створення просторових інтегральних геолого-геофізичних моделей нафтогазоперспективних територій та об'єктів, узгоджених з комплексом апріорних геолого-геофізичних даних, в межах Закарпатської газоносної області Карпатського нафтогазоносної провінції: Мукачівської западини, Солотвинської западини, Русько-Комарівської газоперспективної площі та Солотвинської газоперспективної площі.

Перелік опублікованих праць за темою дисертації

геологічний просторовий модель нефтегазоносний

1. Петровський О.П. Нові напрямки застосування даних акустичних досліджень в свердловинах для відновлення неоднорідної сейсмошвидкісної моделі середовища та сейсмостратиграфічного розчленування розрізу Солотвинської площі / Петровський О.П., Федченко Т.О. // Геоінформатика. - 2006. - №3. - с. 29-33.

2. Петровский А.П. Быстрый алгоритм решения прямой задачи гравиметрии/ А.П. Петровский Т.А. Федченко, В.Н. Суятинов // Геофизический журнал. - 2007. - Т.29, № 2, -C. 141-145.

3. Петровский А.П. О сходимости итерационных процессов при решении обратных задач геофизики в критериальной постановке / А.П. Петровский, Т.А. Федченко, В.Н Суятинов ., Б.Б. Габлевский // Геофизический журнал. - 2008. - Т.30, № 3, -C. 66-74

4. Федченко Т.А. Принципы создания геолого-геофизически согласованных пространственных моделей начального приближения/ Т.А. Федченко // Геофизический журнал. - 2009. - Т.31, № 3, -C. 84-94

5. Петровский А.П.Пространственная информативность априорных геолого-геофизических данных и геологическая эффективность результатов интегрального геолого-геофизического моделирования нефтегазоперспективных объектов / А.П. Петровский, Т.А. Федченко // Геофизический журнал. - 2010. - Т.32, № 3, -C. 125-135.

Размещено на Allbest.ru