Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Повышение разрешающей способности электроразведки становлением поля на основе разработки методики компьютерной обработки и интерпретации

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Осипов, Владимир Георгиевич, Саратов

/. /)п

ЮУ УЧ- Ч /•/ о Ъ — ¿,

/ /

МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

НИЖНЕ-ВОЛЖСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

ГЕОЛОГИИ И ГЕОФИЗИКИ

УДК 550.837.82:681.306 На правах рукописи

ОСИПОВ ВЛАДИМИР ГЕОРГИЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ СТАНОВЛЕНИЕМ ПОЛЯ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ МЕТОДИКИ КОМПЬЮТЕРНОЙ ОБРАБОТКИ И

ИНТЕРПРЕТАЦИИ

Специальность 04.00.12 - Геофизические методы поисков и разведки

месторождений полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель -

доктор физико-математических наук,

профессор ГУБАТЕНКО В.П.

САРАТОВ-1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................4

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ................10

1.1. Метод ЗС и его программное обеспечение....................................10

1.2. Преобразование сигналов становления и этапы их

обработки............................................................................19

1.3. Подсистема визуализации..................................................... .28

1.4. Реализация на компьютерах и технология использования.................36

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ ЧАСТИ СИГНАЛА

НА ФОНЕ ПОМЕХ.......................................................42

2.1. Характеристика типичных помех в методе становления электромагнитного поля и принципы их подавления..................... .42

2.2. Робастные оценки..................................................................47

2.3. Режекторная фильтрация.........................................................54

2.4. Динамическая фильтрация.......................................................59

2.5. Помехоустойчивое численное дифференцирование........................66

ГЛАВА 3. РАЗВИТИЕ ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩИХ МЕТОДОВ

ТРАНСФОРМАЦИИ СИГНАЛОВ ЗС И СПОСОБОВ ИХ

ИНТЕРПРЕТАЦИИ......................................................71

3.1. Трансформация на базе однородного проводящего

полупространства.................................................................74

3.2. Трансформация на базе проводящей пленки Прайса-Шейнманна................................................................80

3.3. Приближенное решение прямой и обратной задач электроразведки с использованием годографа распространения электромагнитного поля в проводящей среде.........................................................84

3.4. Дифференциальные методы повышения разрешающей способности ЗС.....................................................................98

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ В

ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ПРАКТИКЕ РАБОТ.............113

4.1. Решение нефте-газопоисковых задач..........................................113

4.2. Локализация рапосодержащих зон.............................................125

4.3. Изучение верхней части разреза................................................134

4.4. Научно-исследовательские задачи..............................................142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................150

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................155

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы и объект исследований

Разработка программного обеспечения геофизического метода - одна из важнейших задач, успешное решение которой оказывает решающее влияние на его геологическую эффективность. Исследования по созданию алгоритмов и программ обработки и интерпретации данных геофизических методов относятся к активно развиваемому направлению науки -вычислительной геофизике.

Объектом исследований диссертационной работы является компьютеризация средств прогноза и оценки геоэлектрических параметров горных пород, залегающих на глубине, по измеренному на дневной поверхности сигналу становления искусственно возбужденного электромагнитного поля. Такие инструментальные средства оценки физических параметров геологических сред реализуются в виде проблемно-ориентированных программных комплексов и являются обязательной и неотъемлемой частью геофизических методов. Для метода становления электромагнитного поля (ЗС) в начале 80-х годов были известны программные комплексы - "ЭПАК-ЗС" (ВНИИГеофизика, г. Москва) и "СТАНПО" (НВНИИГГ, г. Саратов), сыгравшие значительную роль во внедрении этого метода в практику геофизических работ. Эти комплексы программ были ориентированы на обработку точечных зондирований и автоматизировали, в основном, этап трансформации. "ЭПАК-ЗС" включал в себя этапы препроцессинга и предварительной обработки, но только для данных электроразведочных станций типа ЦЭС-2. В существовавших комплексах программ отсутствовали средства визуализации и методы автоматизированной интерпретации результатов обработки данных, а также эффективные средства выделения сигнала на фоне помех, позволяющие повысить разрешающую способность и детальность метода становления поля.

Применение в методе становления электромагнитного поля приемов пространственного накопления (ЗС-МП), профильной многоразносной системы регистрации процессов становления сделало невозможным использование существовавших комплексов программ обработки данных точечных зондирований для обработки данных ЗС-МП. Резко возросшие в результате использования многоканальных станций объемы обрабатываемой информации обострили проблемы автоматизации интерпретационного этапа, визуализации текущих и окончательных результатов обработки. Применение на этих этапах "ручного труда" не только сдерживало общую производительность работ, но и приводило к снижению детальности и достоверности прогноза проводящих свойств изучаемых геологических разрезов за счет низкой точности получаемых оценок.

Таким образом, возникла необходимость создания и внедрения комплекса методов и соответствующих программ, автоматизирующих основные этапы обработки и интерпретации данных зондирований становления электромагнитного поля, повышающих качество результатов компьютерной обработки за счет подавления численными методами разнообразных помех и обеспечивающих эффективные способы визуализации геоэлектрического разреза. В дальнейшем развитие средств вычислительной техники и операционных систем потребовало адаптацию разработанных алгоритмов и программ к современному компьютерному уровню.

Цель работы - создание специальных программно-алгоритмических средств автоматизации процессов обработки и интерпретации, для повышения разрешающей способности метода становления поля.

Основные задачи исследований: • Разработать численные методы выделения полезного сигнала на фоне помехи.

• Разработать методы помехоустойчивого численного дифференцирования сигнала становления поля по времени.

• Обеспечить возможность визуализации исходных данных, промежуточных и конечных результатов обработки.

• Разработать приемы, позволяющие повысить разрешающую способность метода становления поля.

• Создать программный комплекс, реализующий эти методы. Разработать технологию его использования.

Методы исследований и фактический материал

При решении поставленных задач привлекался широкий круг методов вычислительной математики - численные методы, методы математической статистики, спектральный анализ и т.д., объединяемых общим понятием цифровых методов анализа геофизических полей. Для реализации разработанных алгоритмов применялись языки программирования Фортран, Ассемблер, Паскаль и СИ. При проектировании структуры комплекса программ и технологии его эксплуатации использовались возможности операционных систем соответствующих компьютеров и системных программ. Для тестирования работоспособности комплекса и эффективности процедур обработки применялись методы математического моделирования.

Опробование комплекса осуществлялось на многочисленном полевом материале зондирований становлением электромагнитного поля в различных геологических условиях России, Украины, Туркмении, Казахстана и НДР Йемен. Результаты опробования учитывались в очередных версиях комплекса программ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• создана программная технология автоматизированной обработки профильных наблюдений для методики зондирований становлением электромагнитного поля с применением многократных перекрытий;

• на базе робастных оценок разработаны алгоритмы, позволяющие придать процедурам обработки устойчивость к разнообразному характеру помех и за счет увеличения отношения полезного сигнала к помехе повысить достоверность получаемых результатов;

• предложены специальные виды трансформаций, позволяющие повысить детальность расчленения изучаемого геоэлектрического разреза;

• разработаны формы и способы визуального представления результатов обработки, обеспечивающие их наглядную геолого-геофизическую интерпретацию;

• расширен круг геологических задач, решаемых электроразведкой.

Практическая ценность работы и реализация в производстве

Созданное программное обеспечение электроразведки становлением электромагнитного поля используется в геофизических организациях для решения широкого круга геологических задач поиска и разведки полезных ископаемых:

• построения геоэлектрической модели изучаемого глубинного разреза, стратиграфической увязки выделенных геоэлектрических комплексов с данными других геофизических методов и бурения;

• выделения не антиклинальных ловушек типа риф, песчаных линз, врезов и т.д.;

• поиска зон разуплотнений и зон с улучшенными коллекторскими свойствами;

• выявления высокоминерализованных рапосодержащих пропластков в галогенных толщах.

Комплекс программ применяется при решении гидрогеологических и

специальных геологических задач в малоглубинной модификации

зондирований верхней части разреза:

• выделения в разрезе водоупорных толщ и водоносных горизонтов с прогнозом степени минерализации воды;

• проведения инженерно-изыскательских работ;

• выполнения археологических и инженерных исследований погребенных объектов и коммуникаций и т.д.

Программное обеспечение содержит специальные средства для комплексной интерпретации полученных геоэлектрических характеристик изучаемых глубинных разрезов с данными сейсморазведки и ГИС. Созданные программы-интерфейсы позволяют комплексировать обработку данных с другими электроразведочными пакетами программ, такими, например, как: ЭПАК (ВНИИГеофизика, г. Москва), ЭРА (ИГСОРАН, г. Новосибирск), IMPULS (ПГЭ, г. Астрахань), SLOI и КОМИНТЕР (НВНИИГГ, г. Саратов) и др.

С 1985 по 1991 годы внедрялись версии и модификации комплекса программ, ориентированные на различные операционные системы профессиональных компьютеров типа ЕС. С 1991 года разработана и внедрена версия комплекса EDS-PC для персональных компьютеров типа IBM PC.

Всего в период с 1985 по 1997 годы комплекс программ EDS и его модификации были внедрены в 19 геофизических организациях России и других стран, в том числе в пяти экспедициях Украины, четырех экспедициях Казахстана, в Туркмении, НДР Йемен и т.д.

Апробация работы и публикации

Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных школах семинарах по электромагнитным зондированиям в Москве 1984 году и Киеве в 1987 году, на ХШ научной конференции молодых ученых в 1986 году, на 33 международном геофизическом симпозиуме в Праге в 1988 году, на XXVin сессии международного геологического конгресса в Вашингтоне в 1989 году, на школе передового опыта в Москве в 1991 году, международной научной конференции "Геофизика и современный мир" в Москве в 1993 году, международной конференции "Неклассическая геоэлектрика" в Саратове в 1995 году и международной геофизической конференции и выставке в Москве в 1997 году.

Всего по теме диссертации опубликовано 30 печатных работ.

Защищаемые положения

• Разработанная методика предварительной обработки сигналов становления электромагнитного поля позволяет существенно повысить отношение сигнала к помехе за счет применения робастных оценок, динамической фильтрации и устойчивого численного дифференцирования.

• Предложенная методика трансформаций сигналов становления поля обеспечивает увеличение точности вычисления геоэлектрических параметров среды и их глубинной привязки.

• Методика изображения геоэлектрического разреза дает наглядное представление изменений проводящих свойств изучаемой геологической среды и облегчает геолого-геофизическую интерпретацию данных становления поля совместно с данными сейсморазведки и ГИС.

• Разработанная компьютерная технология повышает разрешающую способность электроразведки становлением поля при расчленении геологического разреза по проводящим свойствам и увеличивает эффективность решения геологических задач.

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ

Вычислительная математика и компьютерная техника особо важную роль играют там, где необходимо обрабатывать большие объемы информации. Разведочная геофизика и, в частности, электроразведка становлением электромагнитного поля являются именно такой отраслью, где обработка геофизических данных поставлена на индустриальную основу. Методы математического обеспечения обработки геофизических данных реализуются в виде компьютерных комплексов программ, обеспечивающих автоматизацию специальных алгоритмов обработки электроразведочных данных. Развитие метода становления поля, измерительной и компьютерной техники стимулируют развитие его программного обеспечения.

1.1 Метод ЗС и его программное обеспечение

В развитии метода зондирований становлением электромагнитного поля (ЗС) можно выделить следующие основные этапы:

• теоретическое обоснование метода, созданное работами А.Н.Тихонова, С.М. Шейнманна, О.А.Скугаревской, Д.Н.Четаева и др. в 50-х годах [70,72];

• практическое опробование метода в дальней зоне источника, проведенное работами Л.Л.Ваньяна и др., доказавшее повышение разрешающей способности зондирований подэкранных толщ по сравнению с методами постоянного тока в 60-х годах [12];

• широкое внедрение метода в практику геофизических исследований, развитие технических средств, обоснование и переход в ближнюю зону источника, выполненное работами И.А.Безрука, В.П.Губатенко, А.С.Захаркина, Г.А.Исаева, Е.С.Киселева, Ф.М.Каменецкого, А.А.Кауфмана, В.Н.Ключкина, Г.М.Морозовой, Г.Г.Обухова,

Б.И.Рабиновича, Б.С.Светова, В.А.Сидорова, В.В.Тикшаева,

A.А.Табаровского и многими другими в 70-е годы [3,23,26,31,66, 75];

• переход от точечных зондирований к профильным и площадным системам, разработка способов обработки, позволяющих детально расчленять изучаемый геоэлектрический разрез и предложенных в работах И.А Безрука, И.Н.Ельцова, В.А.Глечикова, Е.С.Киселева,

B.П.Лепешкина, В.С .Могилатова, А.Г.Небрата, А.С.Сафонова, Б.С.Светова, В.А.Сидорова, В.В.Сочельникова, В.В.Тикшаева, М.И. Эпова и многих других в 80-е и последующие годы [1,14,32,58,61,62,63,69,73,76].

Настоящая работа описывает вклад автора в этот этап развития метода становления электромагнитного поля.

Электромагнитная разведка становлением поля, как и любой другой геофизический метод разведки, является методом косвенного изучения строения среды: по экспериментально наблюденному геофизическому полю определяют распределение физических параметров в Земле. Для этой цели в точке зондирования на дневной поверхности раскладывают изолированный провод в форме прямоугольной рамки или заземленной линии АВ. По проводу пропускают ток в виде конечных и равных по времени прямоугольных импульсов, которые получают включением и выключением мощного источника тока. В результате этого в проводящей земле индуцируется вихревой ток, процесс становления которого регистрируется в паузах между "бросками" тока в источнике специальными приемниками электромагнитного поля. В качестве приемников, в зависимости от измеряемой компоненты электромагнитного поля, используют соответственно ориентированные в пространстве по отношению к источнику поля индукционный датчик, многовитковую петлю или заземленную линию МЫ. Э.д.с. индукции, наводимую в приемнике, регистрируют электроразведочной станцией. Длительность паузы между токовыми

импульсами выбирают такой, чтобы процесс становления поля и его регистрация были завершены до прихода очередного токового импульса. Повторы возбуждения и приема электромагнитного поля служат для организации временного накопления - эффективного средства борьбы с помехами. Затем вся система возбуждения и приема переносится в следующую точку зондирования и т.д.

Принципы пространственного накопления в электромагнитной разведке ЗС начали разрабатываться в Нижне-Волжском НИИГГ под руководством В.В.Тикшаева с начала 80-х годов [37,38,60]. Метод пространственного накопления ЗС-МП является логическим развитием метода ЗС применительно к профильным системам наблюдения. Цель метода - повышение разрешающей способности и улучшения прослеживаемости (корреляции) геоэлектрических параметров глубинных разрезов вдоль профиля.

Сущность метода пространственного накопления заключается в том, что в одной точке приема регистрируются попеременно процессы становления поля от источников, расположенных вдоль изуч