Методика картування покладів вуглеводнів із застосуванням дистанційних даних та наземного спектрометрування

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Національна академія наук України

ДЕРЖАВНА УСТАНОВА «Науковий центр аерокосмічних досліджень Землі інституту геологічних наук Національної академії наук укРАЇНИ»

05.07.12 - Дистанційні аерокосмічні дослідження

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Методика картування покладів вуглеводнів із застосуванням дистанційних даних та наземного спектрометрування

Титаренко Ольга Вікторівна

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державній установі «Науковий центр аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук Національної академії наук України»

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор

Попов Михайло Олексійович,

заступник директора з наукової роботи Державної установи «Науковий центр аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук Національної академії наук України

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор

Трофимчук Олександр Миколайович,

заступник директора з наукової роботи Інституту телекомунікацій і глобального інформаційного простору Національної академії наук України

Кандидат геологічних наук,

старший науковий співробітник

Коваль Анатолій Миколайович,

завідувач відділення нафтогазопошукових технологій та управління базами даних Центру сейсмічних досліджень та нафтогазопошукових технологій дочірнього підприємства «Науково-дослідний інститут нафтогазової промисловості» Національної акціонерної компанії «Нафтогаз України»

Захист відбудеться "_17_" червня 2011 р. об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.162.03 при Державній установі «Науковий центр аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук Національної академії наук України (Київ, вул. Олеся Гончара, 55-б).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геологічних наук НАН України (01601, м. Київ, вул. Олеся Гончара, 55-б).

Автореферат розісланий "_14_" _травня_2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д26.162.03

кандидат біологічних наук старший науковий співробітник О. І. Левчик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Національною «Стратегією розвитку енергетичного комплексу України на період до 2030 року» визнано актуальною і необхідною подальша інтенсифікація нафтогазопошукових робіт на основі впровадження нових методів і технологій. Резерви збільшення точності й надійності прогнозу перспективності об'єктів містяться в комплексному використанні великого об'єму різноманітних геолого-геофізичних досліджень, даних дистанційних і наземних вимірювань та їхньої оперативної обробки і тематичної інтерпретації за допомогою сучасних інформаційно-комп'ютерних технологій.

Для підвищення достовірності результатів нафтогазопошукових задач усе частіше застосовуються методи, які дозволяють за додатковими ознаками (зокрема, враховуючи індикаційні особливості рельєфу, спектральні відбивні характеристики рослин, поверхневих вод та ґрунтів) встановити зміну елементів ландшафту над покладами вуглеводнів. Для виявлення цих змін використовуються спектральні характеристики об'єктів, отримані за допомогою польових спектрометрів. Оброблення та вилучення максимального обсягу корисної інформації з наявного масиву геолого-геофізичних, дистанційних даних та наземних вимірювань робить актуальною проблему розробки і використання сучасних математичних методів та похідних від них інформаційно-комп'ютерних технологій.

Аналіз поставлених задач забезпечує подальший розвиток інформаційних технологій, орієнтованих на підвищення достовірності прогнозування покладів вуглеводнів і, як наслідок, - на підвищення рівня забезпеченості України вуглеводневою сировиною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках науково-дослідних робіт, що проводились у Науковому центрі аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук Національної академії наук України (ЦАКДЗ ІГН НАН України) за такими темами: «Дослідження фундаментальних процесів енергомасообміну в системі “ґрунт-водарослина” з метою обґрунтування формування на земній поверхні інформативних спектральних сигналів для пошуків корисних копалин та контролю екологічного стану за допомогою аерокосмічних зйомок», 2002-2006 рр. (державний реєстраційний номер 0100U004112); «Вдосконалення супутникових технологій пошуку та прогнозу покладів вуглеводнів на прикладі перспективних нафтогазоносних об'єктів Азово-Чорноморського регіону та Дніпровсько-Донецької западини», 2005-2009 рр. (державний реєстраційний номер 0105U000926); «Методологія пошуку корисних копалин на основі геоінформаційного підходу до комплексного інтерпретування матеріалів аерокосмічного багатоспектрального / гіперспектрального знімання і даних наземних фізичних вимірювань та спостережень», 2007-2011 рр. (державний реєстраційний номер 0107U002302).

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування методики картування покладів вуглеводнів, у якій, поряд з геолого-геофізичними даними, для підвищення точності визначення контуру покладу вуглеводнів комплексно застосовуються дані дистанційного зондування і результати наземних спектрометричних вимірювань.

Досягнення мети забезпечується вирішенням наступних задач:

вивчення спектральних аномалій рослинності над покладами вуглеводнів (ВВ);

розробка методики картування покладів ВВ із застосуванням дистанційних і геолого-геофізичних даних та даних наземного спектрометрування рослинності;

експериментальна перевірка запропонованої методики на ділянках нафтогазоносних площ Дніпрово-донецької западини (ДДЗ);

розробка рекомендацій щодо застосування запропонованої методики.

Об'єкт дослідження: індикатори покладу вуглеводнів.

Предмет дослідження: спектральні характеристики рослинності як індикатор проекції контуру покладу вуглеводнів на земну поверхню.

Методи дослідження:

дистанційне зондування та аерокосмогеологічні методи інтерпретації зображень земної поверхні;

польова спектрометрія;

сегментний аналіз і багатовимірна об'єктно-орієнтована класифікація аерокосмічних зображень;

геопросторовий аналіз і геостатистика.

Наукова новизна отриманих результатів. Запропоновано процедуру інтегрованого аналізу дистанційних, геолого-геофізичних даних та результатів наземного спектрометрування рослинності, яка дозволяє точніше виявляти ділянки на земній поверхні, статистичні характеристики яких подібні до характеристик еталонного нафтогазоносного об'єкту.

Удосконалено модель статистичної роздільності спектрограм, що формуються при спектрометруванні рослинності, на випадок кількох сегментів. На базі удосконаленої моделі розроблено новий алгоритм сегментного аналізу даних польового спектрометрування, який дозволяє більш точно і об'єктивно проводити класифікацію.

Теоретично обґрунтовано доцільність проведення селекції спектральних каналів спектрограм і необхідність зниження розмірності спектрометричних даних як чинників, що зменшують обсяги потрібних обчислювань. Запропоновано алгоритм селекції спектральних каналів спектрограм з псевдоградієнтним пошуком у просторі їх можливих комбінацій, який забезпечує гарантоване квазіоптимальне рішення. Запропоновано алгоритм зниження розмірності спектрометричних даних шляхом лінеаризації пучка спектрограм, який дозволяє значно зменшувати обсяг потрібних обчислень без суттєвої втрати точності представлення.

Обґрунтованість і достовірність наукових результатів підтверджуються збігом структуро-геоморфологічних, геохімічних та оптичних спектральних аномалій із аномаліями, встановленими запропонованою методикою, а також незалежними результатами буріння.

Практичне значення отриманих результатів полягає у підвищенні точності і достовірності уточнення контуру покладу вуглеводнів за рахунок комплексного використання дистанційних, геолого-геофізичних даних і даних наземного спектрометрування та їх інтегрованого аналізу.

Основні наукові положення методики реалізовано у:

НДР «Оцінка перспектив нафтогазоносності Ливінської площі методом дистанційного зондування» за Договором №А-2005 від 01.05.2005 р., ДК “Укргазвидобування”, (акт реалізації від 30.09.2010 р.);

НДР «Оцінка перспектив нафтогазоносності площ ВАТ “Укрнафта” методом дистанційного зондування» за Договором № 7/А-2005/1409 НТП від 16.08.2005 р., ВАТ “Укрнафта”, (акт реалізації від 20.10.2010 р. );

НДР «Оцінка перспектив нафтогазоносності Турутинсько-Рогінцівської та Вербівсько-Качалівської зон структур для НГВУ “Охтирканафтогаз” ВАТ “Укрнафта” методом дистанційного зондування» за Договором №А-2010/2215-Р від 23 квітня 2010 р., ВАТ “Укрнафта”.

За результатами досліджень отримано (у співавторстві) 3 патенти України на винаходи.

Споживачами результатів, одержаних з використанням основних положень методики, є НАК “Нафтогаз України” та його структурні підрозділи ВАТ “Укрнафта”, ДП “Укргазвидобування”, ДП “Науканафтогаз”, а також ЦАКДЗ ІГН НАН України.

Особистий внесок здобувача. В роботі [1] автором визначено геодинамічний вплив на просочування вуглеводнів за даними ДДЗ. В роботі [2] автором апробовано алгоритм оптимізації даних наземного спектрометрування при картуванні межфітоіндикаційних аномалій. Автором проведено картування меж нафтогазоносних ділянок за даними наземного спектрометрування на території Східнорогінцевського родовища [3, 4, 7]. У співавторстві в [5] розроблена та апробована методика інтеграції дистанційних та геолого-геофізичних даних при пошуку нафти та газу. Виконано розробку методики уточнення контуру покладу вуглеводнів за дистанційними, геолого-геофізичними даними та даними наземного спектрометрування рослинності [6]. Автором розроблено алгоритм сегментного аналізу даних польового спектрометрування на території родовища, розташованого в складних геопросторових умовах [8]. В роботі [9] автором розроблено та апробовано алгоритми ефективної обробки спектрометричних даних.

Основні алгоритмічні, технологічні і методичні результати, що виносяться на захист, отримані автором самостійно. Розробку програмного забезпечення алгоритмів виконано спільно зі С.А. Станкевичем та С.В. Шкляром. Практичні результати по вивченню розломно-блокової будови та виявленню оптичних аномалій, обумовлених покладом ВВ Східнорогіцівського та Новотроїцького родовищ, отримані у співавторстві з О.І. Архіповим та З.М. Товстюк.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційних досліджень апробовані на наукових конференціях і семінарах: Міжнародна конференція “Геоінформатика: теоретичні та прикладні аспекти” (Київ, 2008), Всеросійська конференція “Дегазація Землі: Геодинаміка, геофлюїди, нафта і газ та їх парагенези” (Київ, 2008), 7 Міжнародна науково-практична конференція “Сучасні інформаційні технології управління екологічною безпекою, природокористуванням, заходами в надзвичайних ситуаціях ” (Крим, 2008), Міжнародна науково-практична конференція, присвячена 110-річчю Національного аграрного університету України “Сучасні ГІС-технології і методи дистанційного зондування Землі в агропромисловому та природоохоронному комплексах ” (Київ, 2008), Перша Всеукраїнська конференція “Аерокосмічні спостереження в інтересах сталого розвитку та безпеки ” (Київ, 2008), 10 Міжнародна конференція з розпізнавання образів і обробки інформації (10th International Conference on Pattern Recognition and Information Processing, Мінськ, Білорусь, 2009), Міжнародна конференція “Геоінформатика: Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики” (Київ, 2009), Міжнародна науково-технічна конференція “Аэрокосмические технологии в нефтегазовом комплексе” (Москва, Росія, 2009), Друга Всеукраїнська конференція з запрошенням закордонних учасників “Аерокосмічні спостереження в інтересах сталого розвитку та безпеки ” (Київ, 2010), 9 Міжнародна науково-практична конференція “Сучасні інформаційні технології управління екологічною безпекою, природокористуванням, заходами в надзвичайних ситуаціях ” (с. Рибаче, АР Крим, 2010), ІІ Міжнародна науково-практична конференції “Математичні моделі і методи оптимізації інновацій та інформаційно-телекомунікаційно-моніторингові технології в задачах підвищення ефективності соціо-еколого-економічних систем” (Київ, 2010), VIII Открытая всероссийская конференция “Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса” (Москва, 2010). вуглеводень дистанційний спектрометрування рослинність

Публікації. Основні результати досліджень опубліковано в 21 друкованих роботах, з них 7 публікацій у фахових виданнях та 14 публікацій у збірниках і матеріалах конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, трьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури і 8 додатків. Робота містить 154 сторінки, в тому числі 39 рисунків та 6 таблиць. Список використаних джерел літератури нараховує 137 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У першому розділі «Аналіз підходів до розв'язання нафтогазопошукових задач дистанційними та наземними методами. Постановка задачі дослідження» проаналізовано основні сучасні прямі та непрямі нафтогазопошукові методи і технології, їх області застосування, переваги та обмеження. Показано, що ані традиційні геологічні, ані геофізичні чи структурно-геоморфологічні або інструментально-вимірювальні методи чи їх комплексне застосування не гарантують високої ефективності подальших пошуково-розвідувальних робіт на нафту і газ на суходолі. Окрім цього, оскільки собівартість бурових робіт велика, економічної актуальності набувають експрес-технології, в тому числі на основі використання даних дистанційного зондування та наземного спектрометрування, які надають додаткову інформацію, дуже важливу для прийняття рішень в процесі здійснення пошуково-розвідувальних робіт на нафту і газ.

Обґрунтування доцільності застосування аерокосмічних методів не є тривіальним завданням і вимагає адаптованих до умов району досліджень завіркових наземних спектрометричних вимірювань. Тому в розділі розглянуто сучасні підходи до використання багатоспектральних та гіперспектральних аерокосмічних даних для діагностики впливу покладу ВВ на денну поверхню. У тому числі проаналізовано досвід досліджень у даному напрямку українських (В. І. Лялько, Б. С. Бусигін, В. М. Перерва, М. О. Тепляков, В. С. Готинян, О. І. Архипов та ін.) та закордонних (В. И. Грідін, О. В. Барташевич, Л. М. Зорькин, С. Л. Зубайраев, А. В. Михайлов, В. Т. Жуков, Г. Е. Лазарев, Дж. М. Еллис (J. M. Ellis), М. Д. Кінг (M. D. King), Ч.-І. Чанг (Ch.-I. Chang)) вчених.

Проведений аналіз літературних джерел показує, що останнім часом зафіксовано суттєвий прогрес у експериментальному вивченні змін спектральних характеристик рослинності під впливом покладу ВВ, що створює підґрунтя для широкого застосування фітоіндикаційних ознак в нафтогазопошукових цілях. Вивченням впливу ВВ на рослинність займалися українські (С. М. Кочубей, Т. М. Шадчина Я. І. Мовчан, В. А. Каневський, В. Д. Семичаївський та ін.) та закордонні вчені (А. А. Жигалін, А. В. Михайлов, Д. М. Трофимов, В. И. Рачкулик, А. Густафсон, В. Харберт, А. Ф. Гьотц (A. F. Goetz), М. Нумен (M. Noomen), Ф. ван дер Меер (F. van der Meer) та ін.).

Розглянуті способи та методики пошуку нафти та газу свідчать про те, що використання допоміжних даних підвищує достовірність прогнозування покладів вуглеводнів. Необхідність використання різнотипних даних робить актуальною задачу розробки методики та алгоритмів її інтегрованого аналізу. Вирішення зазначеної задачі потребує комплексного використання різноманітних математичних методів, зокрема, розпізнавання образів, геопросторового аналізу, геостатистики та ін. Таким чином, необхідно використовувати методи та алгоритми в межах однієї технології, що забезпечує спільне оброблення комплексу даних, які представлені в векторному або растровому вигляді.

Розділ містить аналітичний огляд існуючих технічних засобів польового спектрометрування та їх технічних характеристик.

Для апробації результатів як територія дослідження обрані ділянки Дніпровсько-Донецької западини (Східнорогінцівське нафтове та Новотроїцьке газоконденсатне родовища).

У другому розділі «Методика картування покладів вуглеводнів із застосуванням дистанційних даних та наземного спектрометрування» викладено теоретичні аспекти виявлення спектральних аномалій рослинності над покладами ВВ. Відзначено, що рослини можуть реагувати на досить незначний в кількісному відношенні вплив факторів навколишнього середовища, зокрема покладів ВВ. Проаналізовано існуючі моделі впливу покладів ВВ на спектральні відбивні характеристики рослинності. Зроблено висновок про принципову можливість реєстрації оптичних аномалій рослин, обумовлених покладами ВВ, методами прецизійної спектрометрії.

Для уточнення меж нафтогазоносних ділянок на суходолі розроблено спосіб формування контуру покладу ВВ за матеріалами наземного спектрометрування, багатоспектральними аерокосмічними зображеннями та додатковими геолого-геофізичними даними, який покладено в основу розробленої методики картування покладів ВВ (рис. 1).

Рис. 1. Методика уточнення контуру покладів вуглеводнів.

Якщо на території нафтогазоносної ділянки рослинність має спектрограму R(л), а на непродуктивній - спектрограму S(л), то виміряні спектрограми можна вважати реалізаціями ергодичних випадкових процесів. Тоді статистичне розділення спектрограм R(л) і S(л) оцінюється імовірністю помилки е їхнього переплутування. Зазначена імовірність визначається законами розподілу сигналу за спектром p(л), для спектрограми R(л) і q(л), - для спектрограми S(л):

,	( 1 )

де

-	( 2 )

дивергенція Кульбака-Лейблера.

Враховуючи, що досліджуваний контур нафтогазоносності єдиний, то між спектрограмами, знятими з різних боків від нього, буде спостерігатися статистично значима спектральна аномалія рослинності. Точки спектрометрування з номерами i=1 .. k належать нафтогазоносній ділянці, а точки з номерами i=k+1 .. n - непродуктивній. При відсутності додаткової інформації на підставі принципу максимальної правдоподібності визначається номер k точки розділення

.	( 3 )

Межа контуру нафтогазоносності виявляється шляхом послідовного оцінювання імовірності помилки для всіх точок спектрометрування вздовж обраного маршруту та вибору тієї k-ої з них, що задовольняє правилу (3). З'єднавши отримані точки, складається карта уточненого контуру покладу ВВ.

Для обробки різнорідних даних розроблено алгоритм інтеграції просторових дистанційних та геолого-геофізичних даних.

При інтегруванні геолого-геофізичних і геоморфологічних ознак з дистанційними даними залучаються:

матеріали багатоспектральної космічної зйомки;

топографічні карти масштабу 1:100 000 - 1:10 000;

карти цифрового рельєфу на територію дослідження;

карти розподілу температури поверхні;

структурні карти по відбиваючим горизонтам масштабів 1:10 000 - 1:50 000;

геолого-промислові дані про продуктивність свердловин;

геологічні розрізи;

стратиграфічні колонки;

дані наземних та дистанційних фотометричних та спектральних вимірювань.

Першим етапом інтеграції має бути просторова регуляризація наявних геолого-геофізичних даних до растру аерокосмічного зображення. На другому етапі, перед обробкою, дані мають приводитися до певної єдиної кількісно-вимірювальної форми. Тобто, слід обрати певний єдиний діапазон припустимих змін даних [fmin .. fmax] та визначити відповідні перетворення Fj, зазвичай лінійні:

Fj: [xmax j .. xmin j] > [fmin .. fmax] , j = 1 .. m , ( 4 )

де xmax j, xmin j - максимальне та мінімальне значення j-го геолого-геофізичного показника, fmin, fmax - верхня та нижня границі єдиного діапазону, m - загальна кількість використаних геолого-геофізичних полів.

На третьому етапі інтеграції необхідно вибрати адекватну метрику сумісної обробки даних. При нафтогазопошукових дослідженнях з використанням дистанційних даних у якості такої метрики добре себе зарекомендувала інформаційна дивергенція Кульбака-Лейблера (2).

Після того, як визначено процедури просторової регуляризації Rj, j = 1 .. m та масштабні перетворення (4) і обрано інформаційну метрику (2), стає можливим провести сумісну обробку дистанційних та геолого-геофізичних даних для їх інтеграції. Загальний порядок інтеграції m просторових полів даних пояснюється схемою, наведеною на рис. 2.

Результати інтеграції дозволяють визначити ділянки, статистичні характеристики яких найбільше подібні до характеристик еталонного нафтогазоносного об'єкту.

Покращити достовірність результатів польового спектрометрування можна за допомогою оптимальної селекції підмножини спектральних відліків. Якщо кількість спектральних відліків у спектрограмі досить велика, значна їх частка може не нести корисної в розумінні статистичного розділення спектрограм, проте обов'язково додаватиме надмірні шумові вимірювання. Вилучення з розгляду неінформативних відліків спектрограм має привести до покращення статистичного розділення.

В роботі запропоновано алгоритм зниження розмірності спектрометричних даних шляхом лінеаризації. Особливість лінеаризації при обробці даних польового спектрометрування полягає в необхідності визначення єдиного спільного набору абсцис вузлових точок лінеаризації для всієї множини спектрограм, що обробляються. Це викликано потребою подальшого коректного порівняння різних лінеаризованих спектрограм. Для кожної окремої спектрограми математична задача зводиться до визначення кусково-лінійної функції (m-вимірну функцію однієї змінної - спектрального відліку), всі значення якої містяться в наперед заданому оточенні таблично заданої функції.

Практика оброблення даних польового спектрометрування демонструє можливість лінеаризації набору спектрограм з декількох тисяч спектральних каналів 30-40 лінійними сегментами з точністю ±0,5 % від вхідної спектрограми. Після проведення лінеаризації спектрограм стає можливим аналітично обчислювати інтеграл (2) дивергенції Кульбака-Лейблера. Це дозволяє значно скоротити потрібні обчислювальні витрати та створити можливість ефективного оброблення спектрометричних даних саме в польових умовах.

Рис. 2. Схема алгоритму інтеграції просторових дистанційних та геолого-геофізичних даних.

Модель статистичного розділення спектрограм удосконалено на випадок наявності декількох сегментів вздовж просторового профілю за допомогою розробленого алгоритму сегментного аналізу даних польового спектрометрування. Алгоритм побудовано на припущенні про можливість реєстрації більш ніж двох сегментів в межах одного профілю. Схему алгоритму розрахунку оптимальних меж сегментів наведено на рис. 3.

У третьому розділі «Експериментальна перевірка методики картування контуру покладів вуглеводнів» дана геологічна характеристика об'єктів дослідження, а саме Східнорогінцівського та Новотроїцького родовищ ВВ, типових для Північної прибортової зони Дніпровсько-Донецької западини, на яких відпрацьовувалась і вдосконалювалась методика. Ця зона підвищеної неотектонічної активності була обрана для перевірки ефективності даної методики, оскільки вона характеризується максимальною щільністю вуглеводневих ресурсів промислових категорій і містить поклади у головному на цей час для западини нафтогазоперспективному комплексі нижнього карбону. В розділі подаються оглядові та структурно-геологічні карти цих родовищ, геологічні розрізи за даними сейсморозвідки та результатів буріння, наводиться інформація про колектори, початкові пластові тиски та дебіти.

Рис. 3. Схема алгоритму сегментного аналізу даних польового

спектрометрування.

Головна увага в цьому розділі приділяється детальному опису типового графу обробки вхідної інформації, щоби висвітлити основні результати апробації методики. Послідовність методичних процедур виглядає наступним чином:

1) збір та попередня обробка даних дистанційного зондування Землі, а саме космічних знімків Landsat-5 (TM) та Landsat-7 (ETM+);

2) виділення оптичних аномалій типу “поклад ВВ”;

3) збір та аналіз геолого-геофізичних та структурно-геоморфологічних даних на територію дослідження;

4) вивчення висотного і блокових полів ландшафту на основі глобальної цифрової моделі рельєфу за даними ASTER GDEM;

5) проведення просторової регуляризації даних;

6) інтеграція даних проводиться за алгоритмом, реалізованим у програмному модулі, створеному для виконання цієї задачі. Обраний базовий формат даних (текстові ASCII-коди) дозволяє спростити організацію файлових операцій, забезпечити наочність та контрольованість отриманих результатів, збереження та обробку даних з плаваючою комою довільної точності, а також зберегти сумісність формату вихідних даних, що обробляються;

7) для об'єктно-орієнтованої сегментації космічних знімків використовуються алгоритми, опис яких наведено, а результати застосування - відповідно проілюстровано;

8) вибираються маршрути для проведення подальших наземних спектрометричних вимірів рослинного покриву;

9) наземне спектрометрування виконується за допомогою спектрофотометра СФ-18 або польового спектрометра FieldSpec-3FR з інтегруючою сферою RTS-3ZC;

10) статистичне розділення спектрограм рослинності вздовж обраних маршрутів за алгоритмом статистичної роздільності відповідних спектрограм рослинного покриву. Для його реалізації створено програмні модулі алгоритмів статистичного розділення відповідних спектрограм рослинності, оптимізації даних спектрометрування, сегментного аналізу даних польового спектрометрування та зниження розмірності спектрометричних даних, які наведено у додатках.

Дані наземного спектрометрування рослинності вздовж обраних маршрутів обробляються за допомогою створених алгоритмів.

Приклади розділення спектрограм рослинності для Східнорогінцівського родовища наведено на рис. 4, а для Новотроїцького родовища - на рис. 5.

Точки маршрутів польового спектрометрування рослинності № 6 (рис. 4а, Східнорогінцівське родовище, 1997, дуб) та № 1 (рис. 5а, Новотроїцьке родовище, 1996, береза), які відповідають максимуму імовірності розділення спектрограмм (рис. 4б та рис. 5б), позначено зірочками.

11) складання тематичної карти шляхом з'єднання отриманих точок за критерієм статистичного розділення спектрограм на кожному з маршрутів.

Межа контуру нафтогазоносності визначається шляхом з'єднання отриманих точок максимальної імовірності розділення спектрограм, і таким чином складається карта уточненого контуру покладу ВВ. Результати картування контуру Східнорогінцівського родовища наведено на рис. 6, Новотроїцького - на рис. 7.

а)	а)
б)	б)
Рис. 4. Приклад розділення спектрограм рослинності для Східнорогінцівського родовища.	Рис. 5. Приклад розділення спектрограм рослинності для Новотроїцького родовища.

Для валідації запропонованої методики на території Східнорогінцівського нафтового родовища використовувалися результати вимірювань вздовж 14 просторових маршрутів, а на території Новотроїцького газоконденсатного родовища - вздовж 28 просторових маршрутів. Для кожного маршруту за допомогою викладеного алгоритму оцінювалися рівень значущості нормальності одержаного статистичного розподілу та імовірність помилки визначення місцеположення точки контуру за даними наземного спектрометрування.

У понад 65% випадків для Східнорогінцівського родовища імовірнісний розподіл статистично значуще наближається до нормального, середня достовірність при цьому дорівнює 0,72, а для Новотроїцького родовища відповідно 60 % та достовірність - 0,68 , що зовсім непогано для таких малих вибірок. Середня за усіма профілями імовірність помилки складає для Східнорогінцівського родовища 0,21, для Новотроїцького родовища - 0,28.

Така похибка є цілком прийнятною при проведенні нафтогазопошукових робіт на суходолі, оскільки типовий середньостатистичний коефіцієнт успішності традиційної нафтогазорозвідки зазвичай лежить у межах 0,35-0,49.

Отримані результати свідчать про задовільну достовірність картування контурів покладів вуглеводнів за даними польового спектрометрування з використанням геолого-геофізичних та дистанційних даних.

В розділі розроблено рекомендації щодо застосування запропонованої методики в підприємствах та організаціях, які виконують прогнозування та пошук покладів вуглеводнів на суходолі.

Визначено потрібні відомості про геолого-геофізичний стан території дослідження, матеріали аерокосмічної зйомки, топографічні і структурні карти, дані про наявність та види рослинності, системи землекористування та схеми нарізки полів в районах проведення польових досліджень, а також дані про екологічний стан і промислові дані по свердловинах, пробурених в районі досліджень. Визначено основні вимоги до даних багато- та гіперспектрального дистанційного зондування, а також до характеристик комп'ютерних систем.

Рис. 6. Картосхема уточненого контуру покладу вуглеводнів на Східнорогінцівському родовищі.	Рис. 7. Картосхема уточненого контуру покладу вуглеводнів на Новотроїцькому родовищі.

Процес реєстрування спектральних характеристик рослинності організаційно включає два етапи: підготовчий і безпосередні наземні дослідження. У процесі етапу підготовки здійснюється збір необхідної апріорної інформації, проводяться рекогносцировка в районах запланованих наземних досліджень. Дані наземних обстежень і досліджень повинні мати метадані про дату проведення дослідження; час обстеження; географічні координати; похибки вимірювань координат.

ВИСНОВКИ

Проведено огляд основних сучасних нафтогазопошукових методів і технологій, їх області застосування, переваги та обмеження. Проаналізовано існуючі моделі впливу покладів вуглеводнів на спектральні відбивні характеристики рослинності. Підтверджено принципову можливість реєстрації оптичних аномалій рослин, обумовлених покладами вуглеводнів, методами прецизійної спектрометрії.

Обґрунтовано доцільність використання дистанційних, геолого-геофізичних даних та даних результатів наземного спектрометрування рослинності, розробки методики та алгоритмів їх інтегрованого аналізу. Зроблено висновок, що вирішення зазначеної задачі потребує комплексного використання математичних методів, зокрема, розпізнавання образів, просторового аналізу, геостатистики та ін.

Розроблено методику картування контуру покладів вуглеводнів із використанням дистанційних даних та наземного спектрометрування.

Розроблено алгоритм інтеграції просторових дистанційних та геолого-геофізичних даних. Результати інтеграції дозволяють визначити ділянки, статистичні характеристики яких найбільше подібні до характеристик еталонного нафтогазоносного об'єкту.

Для оптимізації даних наземного спектрометрування при картуванні меж оптичних аномалій, обумовлених покладами вуглеводнів, використано алгоритм оптимальної селекції спектральних каналів спектрограм методом псевдоградієнтного пошуку у просторі їх можливих комбінацій. Підтверджено, що вилучення з розгляду неінформативних каналів спектрограм, з точки зору їх розділення, призводить до покращення ймовірності їх статистичного розділення на 5-15 %.

Запропоновано алгоритм зниження розмірності спектрометричних даних шляхом лінеаризації пучка спектрограм. Встановлено, що методика статистичної роздільності спектрограм рослинності шляхом оптимальної лінеаризації з наступною селекцією інформативних спектральних відрізків забезпечує виявлення закономірних змін спектральних характеристик рослинності при переході від нафтогазоносних ділянок до фонових. Практика оброблення даних польового спектрометрування демонструє можливість лінеаризації набору спектрограм з декількох тисяч спектральних каналів 30-50 лінійними сегментами з точністю ±0,5 %.

Удосконалено модель статистичної роздільності спектрограм на випадок наявності декількох сегментів вздовж просторового профілю та на її основі розроблено алгоритм сегментного аналізу даних польового спектрометрування, який дозволяє адекватно локалізувати границі нафтогазоносних ділянок.

З метою перевірки ефективності розробленої методики проведено апробацію на еталонних ділянках Східнорогінцівського та Новотроїцького родовищ. В межах Східнорогінцівського родовища достовірність виявлення нафтогазоперспективних ділянок за запропонованим методом склала близько 0,79, а в межах Новотроїцького родовища - близько 0,72, що задовольняє вимогам сучасної нафтогазорозвідки.

Для реалізації методики картування контуру покладів вуглеводнів із використанням дистанційних даних та наземного спектрометрування запропоновано три нові технічні рішення, новизну яких підтверджено патентами України на винаходи.

Розроблено рекомендації щодо застосування запропонованої методики,в підприємствах та організаціях, які виконують прогнозування та пошук покладів вуглеводнів на суходолі. Отримані дані можуть бути використані при проведенні нафтогазопошукових робіт на стадії постановки на буріння.

Подальші дослідження мають бути, у першу чергу, спрямовані на автоматизацію процесів структурно-морфологічного аналізу геологічних даних і розроблення нових методів аналізу спектрограм та їх інтерпретації.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Готинян В. С. Визначення геодинамічно небезпечних ділянок на трасах магістральних трубопроводів за даними дистанційного зондування землі / В. С. Готинян, А. Г. Мичак, О. В. Титаренко, О. М. Кожан // Вісник геодезії та картографії. - 2005. - № 3. - С. 25-30.

Станкевич С. А. Оптимізація даних наземного спектрометрування при картуванні меж фітоіндикаційних аномалій / С. А. Станкевич, О. В. Титаренко // Науковий вісник Національного аграрного університету. - Вип.128. - К. : НАУУ. - 2008. - С. 312-318.

Архипов А. И. Результаты статистического выявления границ залежей углеводородов на суше с использованием многоспектральных космоснимков и данных полевого спектрометрирования / А. И. Архипов, А. В. Кузнецова, О. В. Сенько, С. А. Станкевич, О. В. Титаренко // Космічна наука і технологія. - 2009. - Т. 15. - № 6. - С. 44-48.

Титаренко О. В. Методика уточнення контуру покладу вуглеводнів за дистанційними, геолого-геофізичними даними та даними наземного спектрометрування рослинності / О. В. Титаренко // Екологічна безпека та природокористування. - 2010. - № 5. - С. 49-55.

Федоровский А. Д. Прогнозирование и поиск месторождений нефти и газа на основе спектрофотометрирования растительного покрова / А. Д. Федоровский, В. Г. Якимчук, А. И. Архипов, С. А. Станкевич, А. Ю. Порушкевич, К. Ю. Суханов, О. В. Титаренко // Геоінформатика. - 2010. - № 3. - С. 44-47.

Станкевич С. А. Сегментний аналіз даних польового спектрометрування в нафтогазопошукових задачах / С. А. Станкевич, О. В. Титаренко // Екологічна безпека та природокористування. - 2010. - № 6. - С. 151-157.

Станкевич С. А. Ефективна обробка даних польового спектрометрування в природоресурсних задачах / С. А. Станкевич, О. В. Титаренко, С. В. Шкляр // Доповіді НАН України. - 2010. - № 12. - С. 110-115.

Архіпов О. І. Картування границь нафтогазоносних ділянок за даними наземного спектрометрування / О. І. Архіпов, С. А. Станкевич, О. В. Титаренко // Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики. - Зб. наук. праць. - К. : Всеукраїнська асоціація геоінформатики. - 2009. - С. 123-131.

Станкевич С. А., Методика інтеграції дистанційних та геолого-геофізичних даних при пошуку нафти та газу / С. А. Станкевич, О. В. Титаренко // Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского. - 2009. - Т. 22 (61). - № 1. - С. 105-113.

Верховцев В. Г. Новітня тектоніка району розташування Південно-Українського енергокомплексу / В. Г. Верховцев, О. В. Титаренко // Геолог України, 2008, № 3. - С. 58-67.

Архіпов О.І. Практична реалізація методології пошуку покладів вуглеводнів на суходолі на базі аерокосмічної інформації / О. І. Архіпов, З. М. Товстюк, М. О. Попов, Т. О. Архіпова, Т. В. Оскан'ян, О. В. Титаренко, Ю. Б. Савченко // Тез. доповідей 7-ої міжнародної конференції “Крим-2007”, Миколаївка, АР Крим, 10-16 вересня 2007 р. - С. 33-38.

Архіпова Т. О. Алгоритмічне оцінювання інформативності оптичних та геохімічних ознак-індикаторів покладів вуглеводнів / О. І. Архіпов, О. В. Титаренко, М. О. Попов // Матеріали доповідей “Аэрокосмические наблюдения в интересах устойчивого развития и безопасности”, Київ, 3-5 червня 2008 р. - C. 227-229.

Архипов А. И. Определение границы контура залежи углеводородов по признаку статистической разделимости спектрограмм растительного покрова / A. И. Архипов, С. А. Станкевич, О. В. Титаренко // Материалы докладов Всероссийской конференции «Дегазация Земли: Геодинамика, геофлюиды, нефть и газ и их парагенезы», 22-25 апреля 2008, - Москва, с. 33-36.

Титаренко О. В. Принципи геоінформаційного забезпечення для вирішення задач прямого пошуку вуглеводнів. // Збірник наукових праць 7-ї Міжнародної науково-практичної конференції “Сучасні інформаційні технології управління екологічною безпекою, природокористуванням, заходами в надзвичайних ситуаціях”, с. Рибаче, АР Крим, 1-5 вересня 2008, с. 157-163.

Stankevich S. A. Registration of the Spectral Phyto-Indicative Anomaly over Oil and Gas Fields / S. A. Stankevich , A. I. Arkhipov, O. V. Titarenko // Proceedings of the 10th International Conference on Pattern Recognition and Information Processing (PRIP'2009). - Minsk: Belarusian State University, 2009, рр. 368-370.

Титаренко О. В. Можливість уточнення контуру покладу вуглеводнів за дистанційними, геолого-геофізичними даними та даними наземного спектрометрування рослинності / О. В. Титаренко // Збірник наукових праць 8 Міжнародної науково-практичної конференції “Сучасні інформаційні технології управління екологічною безпекою, природокористуванням, заходами в надзвичайних ситуаціях”. - Рибаче: ІПНБ при РНБО України, 2009. - С. 71-78.

Станкевич С. А. Методика картирования границ залежей углеводородов с использованием данных дистанционного зондирования / С. А. Станкевич, О. В. Титаренко, А. И. Архипов // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции “Аэрокосмические технологии в нефтегазовом комплексе”.- М.: РГУ НиГ им. И.М. Губкина, 2009. - С. 164-165.

Popov M. A. Oil deposits mapping using remote sensing/ground data and PCI Geomatics Technologies / M. A. Popov, S. A. Stankevich , S. P. Kovalchuk, A. I. Arkhipov, A. Kaushal, E. I. Levchik, O. V. Titarenko // Тези доповідей 2-ї Всеукраїнської конференції “Аерокосмічні спостереження в інтересах сталого розвитку та безпеки”. - Київ: Освіта України, 2010. - С. 18-19.

Станкевич С. А., Титаренко О. В., Шкляр С. В. Застосування прецизійного спектрометрування в агропромислових та природоохоронних комплексах // Матеріали доповідей 2-ї Всеукраїнської конференції “Аерокосмічні спостереження в інтересах сталого розвитку та безпеки”. - Київ: Освіта України, 2010. - С. 143-145.

Станкевич С. А. Виявлення спектральних аномалій рослинності над покладами вуглеводнів / С. А. Станкевич, О. В. Титаренко, А. І. Архипов // Збірник наукових праць 9-ї Міжнародної науково-практичної конференції “Сучасні інформаційні технології управління екологічною безпекою, природокористуванням, заходами в надзвичайних ситуаціях”. - Рибаче: ІПНБ при РНБО України, 2010. - С. 89-96.

Попов М. О. Валідація результатів картування контурів покладів вуглеводнів за матеріалами наземного спектрометрування, дистанційними та геолого-геофізичними даними / М. О. Попов, С. А. Станкевич, О. В. Титаренко, А. І. Архипов // Тези доповідей ІІ Міжнародної науково-практичної конференції «Математичні моделі і методи оптимізації інновацій та інформаційно-телекомунікаційно-мониторингові технології в задачах підвищення ефективності соціоеколого-економічних систем». - Київ, 12-15 жовтня 2010 р., C. 158-160.

АНОТАЦІЯ

Титаренко О. В. Методика картування покладів вуглеводнів із застосуванням дистанційних даних та наземного спектрометрування - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.12 - Дистанційні аерокосмічні дослідження - Державна установа “Науковий центр аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук Національної академії наук України”, Київ, 2011.

Дисертаційне дослідження присвячено створенню та науковому обґрунтуванню методики уточнення контуру покладів вуглеводнів із застосуванням геолого-геофізичних, дистанційних даних та результатів наземного спектрометрування. Актуальність дослідження визначається необхідністю застосування малозатратних методів пошуку покладів вуглеводнів та підвищення достовірності їх прогнозування.

Для досягнення поставленої мети вирішені наступні задачі: обґрунтовано доцільність використання дистанційних, геолого-геофізичних даних та результатів наземного спектрометрування рослинності, розробки методики та алгоритмів їх інтегрованого аналізу; розроблено методику картування контуру покладу вуглеводнів із використанням дистанційних даних та наземного спектрометрування; розроблено алгоритм інтеграції просторових дистанційних та геолого-геофізичних даних; для оптимізації даних наземного спектрометрування використано алгоритм оптимальної селекції спектральних каналів спектрограм методом псевдоградієнтного пошуку у просторі їх можливих комбінацій; запропоновано алгоритм зниження розмірності спектрометричних даних шляхом лінеаризації пучка спектрограм; удосконалено модель статистичної роздільності спектрограм на випадок наявності декількох сегментів вздовж просторового профілю та на її основі розроблено алгоритм сегментного аналізу даних польового спектрометрування; проведено експериментальну перевірку запропонованої методики еталонних ділянках Східнорогінцівського та Новотроїцького родовищ; розроблено рекомендації щодо застосування запропонованої методики.

Ключові слова: аерокосмічні дослідження, спектрометрування рослинності.

АННОТАЦИЯ

Титаренко О.В. Методика картирования залежей углеводородов с использованием дистанционных данных и наземного спектрометрирования - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.12 - Дистанционные аэрокосмические исследования - Государственное учреждение «Научный центр аэрокосмических исследований Земли Института геологических наук Национальной академии наук Украины», 2011.

Диссертационная работа посвящена созданию и обоснованию методики уточнения контуру залежи углеводородов с использованием геолого-геофизических, дистанционных данных и наземного спектрометрирования. Актуальность исследования определяется необходимостью использования малозатратных методов поиска залежей углеводородов и повышения достоверности их прогнозирования.

Для повышения достоверности результатов нефтегазопоисковых задач часто применяются методы, которые позволяют по дополнительным признакам (в частности, учитывая индикационные особенности рельефа, спектральные отражательные характеристики растений, поверхностных вод и почв) установить изменение элементов ландшафта над залежами углеводородов. Для выявления этих изменений используются спектральные характеристики объектов, полученные с помощью полевых спектрометров.

Для уточнения границ нефтегазоносных участков на суше разработана процедура картирования контура залежи углеводородов по материалам наземного спектрометрирования, многоспектральным аэрокосмическим изображениям и дополнительным геолого-геофизическим данным.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: обосновано необходимость использования дистанционных, геолого-геофизических данных и результатов наземного спектрометрирования, их интегрированного анализа; разработана методика картирования контура залежи углеводородов с использованием дистанционных данных и наземного спектрометрирования; разработан алгоритм интеграции пространственных дистанционных и геолого-геофизических данных; для оптимизации данных наземного спектрометрирования использован алгоритм оптимальной селекции спектральных отсчетов спектрограмм методом псевдоградиентного поиска в пространстве их возможных комбинаций; предложен алгоритм снижения размерности данных спектрометрирования путем линеаризации пучка спектрограмм; усовершенствована модель статистического разделения спектрограмм в случае наличия нескольких сегментов вдоль пространственного профиля и на ее основе разработан алгоритм сегментного анализа данных полевого спектрометрирования; выполнена экспериментальная проверка предложенной методики на эталонных участках Восточно-Рогинцевского и Ново-Троицкого месторождений; разработаны рекомендации по применению предложенной методики.

Предложена процедура интегрированного анализа дистанционных, геолого-геофизических данных и результатов наземного спектрометрирования растительности, которая позволяет точнее выявлять участки на земной поверхности, статистические характеристики которых подобны характеристикам эталонного нефтегазоносного объекта.

Усовершенствована модель статистической разделимости спектрограмм, которые формируются при спектрометрировании растительности, на случай нескольких сегментов. На базе усовершенствованной модели разработан новый алгоритм сегментного анализа данных полевого спектрометрирования, который позволяет более точно и объективно проводить классификацию.

Теоретически обоснована целесообразность проведения селекции спектральных каналов спектрограмм и необходимость снижения размерности спектрометрических данных как факторов, которые уменьшают объемы необходимых расчетов. Предложен алгоритм селекции спектральных каналов спектрограмм с псевдоградиентным поиском в пространстве их возможных комбинаций, который обеспечивает гарантированное квазиоптимальное решение. Предложен алгоритм снижения размерности спектрометрических данных путем линеаризации пучка спектрограмм, который позволяет значительно уменьшать объем необходимых вычислений без существенной потери точности представления.

Ключевые слова: аэрокосмические исследования, спектрометрирование растительности.

ABSTRACT

Titarenko O.V. Technique for hydrocarbon deposits mapping using remote sensing data and ground-based spectrometry - Manuscript.

Thesis for the PhD degree in engineering, specialty 05.07.12 - Aerospace remote research - Scientific Centre for Aerospace Research of the Earth, Institute of Geological Sciences, National Academy of Sciences of Ukraine, 2011.

The thesis is devoted to the development and justification of technique for the hydrocarbon deposit outline alignment using geological and geophysical data, remote sensing data and ground-based spectrometry. Research relevance is the low-cost methods implementation to prospect for hydrocarbon deposits and reliability increasing.

To achieve the research objective the following problems have been solved: the integrated analysis of remote sensing data, geological and geophysical data and ground-based spectrometry data is justified; the technique for hydrocarbon deposit outline mapping using remote sensing data and ground spectrometry is developed; the algorithm for spatial integration of remote sensing data and geological and geophysical data is developed; the algorithm for optimal selection of spectrogram samples by pseudogradient search in the space of possible combinations is used; the algorithm for dimensionality reduction of the spectrometry data by linearizing the spectrograms bundle is offered; the model for statistical separation of spectrograms in the case of several segments along the spatial track is improved and the algorithm for multi-segment analysis of field spectrometry data based on this model is developed; the experimental validation of the proposed technique on the reference sites within the Vostochno-Rogintsevsk and Novo-Troitsk oil fields is performed; the recommendations for the proposed technique implementation are formulated.

Keywords: aerospace research, vegetation spectrometry.

Размещено на Allbest.ru