Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

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

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Разработка программно-измерительного комплекса для нестационарных электромагнитных зондирований на основе телеметрических систем наблюдения"

На правах рукописи

АГАФОНОВ Юрий Александрович

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЗОНДИРОВАНИЙ НА ОСНОВЕ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ НАБЛЮДЕНИЯ

25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК 2005

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном геологическом предприятии «Иркутскгеофизика»

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Кожевников Николай Олегович

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук Морозова Галина Михайловна

кандидат технических наук Захаркин Александр Кузьмич

Ведущая организация:

Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН, г. Новосибирск)

Защита состоится 2 ноября 2005 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 003.050.05 при Объединенном институте геологии, геофизики и минералогии им. A.A. Трофимука СО РАН, в конференц-зале.

Адрес: пр-т Ак. Коптюга, 3, Новосибирск-90, 630090 Факс: (383) 333 27 92

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИГГиМ СО РАН

Автореферат разослан августа 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ. - мат. наук

^ООб-Ц

{СОЦб

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

Актуальность. Нестационарные электромагнитные зондирования

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

На рубеже 90-х годов прошлого столетия произошло снижение объемов нестационарных электромагнитных зондирований в Восточной Сибири и в России в целом. Причиной этого явилось несовершенство методик, аппаратуры, неприспособленность имеющихся технологий к работе в новых условиях, недостаточная помехозащищенность и производительность. Немаловажным являлось неоднозначное представление о геоэлектрических моделях коллекторов, и, как следствие некорректные постановки геологических задач для электромагнитных зондирований. Во многих производственных геофизических организациях произошло существенное сни " азведочных

показали свою высокую эффективность и заняли достойное место в

работ, электроразведка стала экономически невыгодной и даже убыточной.

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

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

Цель работы - повышение достоверности и качества геофизических данных, увеличение информативности нестационарных электромагнитных зондирований путем создания программно-измерительного комплекса на основе телеметрических систем наблюдения, обоснование типичных физико-геологических моделей с применением трехмерного математического моделирования.

Задачи исследований

1. Научное обоснование и разработка программно-измерительного комплекса для нестационарных электромагнитных зондирований на основе мобильных телеметрических регистрирующих систем с высокой пространственной плотностью наблюдений, арифметическим шагом дискретизации и записью всех накоплений в цифровом виде; разработка программного обеспечения для регистрации, обработки сигналов, подавления помех, интерпретации.

2. Обоснование геоэлектрических моделей, создание интегрированной системы компьютерного моделирования сигналов становления для сложнопостроенных сред с целью оценки эффективности применения нестационарных электромагнитных зондирований.

Фактический материал, методы исследований и аппаратура

При решении поставленных задач автор опирался на работы следующих авторов Ваньяна Л.Л., Сидорова В.А., Тикшаева В.В., Кауфмана A.A., Рабиновича Б.И., Морозовой Г.М., Светова Б.С., Поспеева A.B., Эпова М.И., Захаркина А.К., Кожевникова И.О., Антонова Е.Ю., Могилатова B.C., Ельцова H.H., Ломтадзе В.В., Королькова Ю.С., За-дорожной В.Ю. и других исследователей.

В качестве основных методов исследования использовались натурные эксперименты, математическое моделирование, компьютерные средства развития программного обеспечения. Для разработки программного комплекса использовалась среда программирования Borland Delphi. Анализ геолого-геофизической информации проводился автором по материалам фондов предприятия «Иркутскгеофизика» и литературных источников. Основой для создания системы математического 3D моделирования является вычислительный модуль «Cupol» (Эпов М.И., Антонов Е.Ю., 2000). В качестве основной аппаратуры использовалась телеметрическая электроразведочная станция «Пикет» (Сте-фаненко С.М., Агафонов Ю.А., 2003). Прообразом для создания станции «Пикет» послужила станция SGS-TEM, разработанная в 1999 году Стефаненко С.М., Поспеевым A.B., при участии автора. По результатам сопоставления основных и контрольных наблюдений точность работы программно-измерительного комплекса оценивается как высокая, сходимость данных контроля достигает 0.01%.

С использованием дрограммно-измерительного комплекса было произведено порядка 5000 зондирований в Восточной Сибири, Прибайкалье и Магаданской области. Полученные результаты по прогнозу коллекторов были подтверждены глубоким бурением на Ковыктин-ском газоконденсатном месторождении - 11 скважин, на лицензионных площадях западнее Ковыктинского месторождения - 8 скважин. Зондирования на Марковском, Ярактинском, Аянском, Дулисьмин-ском месторождениях углеводородов показали качественную корреляцию геоэлектрических параметров с результатами бурения и высокую информативность результатов ЗСБ, полученных с телеметрическими

системами наблюдений. Было произведено сравнение полученных данных с результатами зондирований прошлых лет, зарегистрированными с аппаратурой Цикл-2, Цикл-5 (разработка СНИИГГиМС, г. Новосибирск) за период 1980-1998 г.г..

Защищаемые научные результаты:

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

2. Разработаны и научно обоснованы геоэлектрические модели целевых объектов - коллекторов; на основании результатов математического моделирования и полевых экспериментов исследованы эффекты влияния трехмерных геоэлектрических неоднородностей на электромагнитные отклики комбинированных соосных и разнесенных установок ЗСБ.

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

Научная новизна работы. Личный вклад 1. В области регистрации и предварительной обработки сигналов ЗСБ:

- разработан программно-измерительный комплекс для регистрации нсоационарных электромагнитных зондирований на основе мобильных телеметрических модулей, созданных на базе 24-разрядных АЦП, со встроенными ОРБ-приемниками, с расположением регистраторов непосредственно у датчиков поля, арифметическим шагом дискретизации и записью всех реализаций сигнала;

- создана экспрессная система тестирования и документирования параметров аппаратуры в процессе полевых работ, основанная на использовании встроенных в полевые модули генераторов тестовых сигналов;

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

- разработана методика многоступенчатой обработки сигналов с высоким уровнем промышленных периодических помех, основанная на

исследовании и точном определении параметров помехи для каждой реализации сигнала и ее вычитании;

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

2. В области программного обеспечения для интерпретации и представления данных:

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

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

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

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

3. В области изучения геоэлектрических моделей и методики наблюдений:

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

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

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

- по результатам работ методом ЗСБ в различных условиях накоплен представительный статистический материал и разработана система анализа геоэлектрических параметров на основе изучения закона распределения проводимости.

Аппаратурные разработки выполнены совместно со специалистами НПП «Геотелесистемы» (г. Новосибирск) и ФГУГП «Иркутскгеофизи-ка» Стефаненко С.М., Поспеевым A.B., Почуевым Ю.И., Майнагаше-вым С.М.. Концепция создания программного комплекса предложена и обоснована автором, реализация программ осуществлена непосредственно автором, а также совместно со специалистами ФГУГП «Иркут-скгеофизика» Поспеевым A.B., Шарловым М.В., Костроминой Н.В., Суровым Л.В., Гомульским В.В..

Практическая значимость работы

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

Телеметрические станции SGS-TEM и «Пикет» внедрены в производство в предприятии «Иркутскгеофизика» при проведении работ по изучению коллекторских свойств горизонтов осадочного чехла, на Байкальском прогностическом полигоне при мониторинговых наблюдениях по прогнозу землетрясений, в ПГО «Магадангеология» при решении структурных и рудных геологических задач. Аппаратура и программный комплекс используются при проведении лекционных, практических занятий, учебных и научно-исследовательских практик на кафедре Прикладной геофизики и геоинформатики Иркутского государственного технического университета.

Апробация работы

Представленные в диссертации научные и практические результаты докладывались на семинарах, конференциях и симпозиумах разного уровня: XXXVII Международной студенческой конференции (Новосибирск, 1999); Всероссийских школах-семинарах «Геофизика на пороге третьего тысячелетия» (Иркутск, 1999, 2001, 2002, 2004); Первой и

второй Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 2002, 2004); Международной конференции молодых ученых, специалистов и студентов (Новосибирск, 2001); Третьей Уральской молодежной научной школе по геофизике (Ека1е-ринбург, 2002); 4-ой Международной научно-практической геолого-геофизической конференции молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 2003); Всероссийской научно-технической конференции «Геофизические методы при разведке недр и экологических исследованиях», посвященной 100-летию со дня рождения Д.С. Микова (Томск, 2003); XVIII и XXI Всероссийских молодежных конференциях «Геология и геодинамика Евразии» (Иркутск, 1999, 2005); Научно-технической конференции факультета геологии, геоинформатики и геоэкологии ИрГТУ (Иркутск, 2004); Международной конференции «Проблемы геокосмоса» (Санкт-Петербург, 2004); Научно-производственной конференции «Иркутскгеофизика-55» (Иркутск, 2004); IX Международном научном симпозиуме студентов и молодых учёных имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2005); расширенных семинарах Лаборатории электромагнитных полей ИГФ СО РАН (Новосибирск, 2002-2005).

Объем и структура работы

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

Благодарности. За участие в формировании научных взглядов и руководство в проведении исследовательской работы автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору Н.О. Кожевникову. Автор глубоко признателен главному геофизику Геоинформцентра ФГУГП «Иркутскгеофизика» A.B. Поспееву за постоянное внимание, поддержку на всех этапах исследовательской работы и неоценимую помощь при разработке научной концепции программно-измерительного комплекса. Автор благодарен С.М. Стефаненко, без которого не могла быть разработана и внедрена измерительная аппаратура, М.В. Шарлову, Л.В. Сурову за профессиональную помощь в реализации основных идей при создании программного комплекса. Автор благодарит начальника Опытно-производственного участка по электроразведке предприятия «Иркутскгеофизика» В.П. Зыкова за сотрудничество и помощь при проведении полевых работ. Обоснование ти-

пичных геолого-геоэлектрических моделей было бы вряд ли возможным без консультаций и поддержки со стороны А.Г. Вахромеева.

За поддержку, сотрудничество и обсуждение различных вопросов автор выражает благодарность руководству ФГУГП «Иркутскгеофизи-ка»: М.М. Мандельбауму, В.А. Кондратьеву, В.В. Воропанову и ведущим специалистам предприятия: A.M. Пашевину, А.Е. Лаврентьевой, Н.В. Костроминой, В.В. Гомульскому, Б.М. Хомутову, Н.В. Багаевой, Л.С. Лукашовой, А.Л. Яговкину, Е.А. Ольховику. За помощь, конструктивные замечания и плодотворные дискуссии автор глубоко при-зна1слсн коллегам из Новосибирска: Е.Ю. Антонову, А.К. Захаркину, B.C. Могилатову, И.Н. Ельцову, Г.М. Морозовой, В.Н. Глинских, H.H. Неведровой. За методические рекомендации и консультации по подготовке автореферата и других документов автор благодарен В.И. Самойловой.

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ МЕТОДОМ ЗСБ «ПИКЕТ»

Развитие электромагнитных методов с использованием контролируемых источников поля возможно при совершенствовании, как средств регистрации, так и способов обработки данных. В данной рабою рассматривается одно из перспективных направлений развития метода зондирований становлением поля, основой которого является создание эффективного помехозащищенного инструмента.

Телеметрическая регистрирующая система является основой для создания сетей наблюдения с повышенной пространственно-временной плотностью. Применительно к особенностям ре!истрации электромагнитных сигналов решена задача интеграции специфического измерительного тракта на основе 24-х разрядных АЦП и эффективных средств работы с цифровыми данными.

Основные особенности телеметрической системы регистрации для нестационарных электромагнитных зондирований:

- одновременная регистрация сигналов электромагнитного поля несколькими приемниками при произвольной геометрии установки;

Рис. 1. Полевая конфигурация расстановки с телеметрической электроразведочной станцией.

- расположение усилительных трактов и аналого-цифрового преобразователя непосредственно у приемной петли, что позволяет избавиться от проблем передачи аналоговых сигналов, повысить качество записываемого материала и помехозащищенность измерителя;

- запись и сохранение всех реализаций сигнала с арифметическим шагом дискретизации для последующей математической обработки;

- наличие встроенных в измерители приемников GPS;

- высокоточная система синхронизации на основе GPS;

- небольшие габариты и масса полевых модулей обеспечивают мобильность станции, позволяют располагать приемные петли в стороне от дорог и организовывать наблюдения в полосе шириной до 3 - 5 км относительно профиля наблюдений в условиях пересеченного рельефа. Станция позволяет подключать 10 и более измерителей, расстояние между которыми может достигать 1 км. Соответственно существует возможность выполнять сложные площадные и профильные наблюдения с высокой пространственно-временной плотностью (рис. 1);

- программный комплекс обеспечивает получение, обработку и представление данных на всех этапах работы. Комплекс предназначен

лиши профили, генереторяые петли: - огграбстисшя, - протируеыме

приемные пега, » - приемки« модули,:- - линии евши

для функционирования в операционных системах семейства Windows, входящие в него программы обладают удобным унифицированным графическим интерфейсом.

В телеметрической измерительной системе станции «Пикет» разработаны оригинальные экспрессные способы проверки работы регистраторов и приемников поля. Концепция работы системы тестирования позволяет проводить необходимые мероприятия в полевых условиях. Основа системы тестирования генераторы тестовых сигналов, встроенные в полевые модули станции. Основные способы: измерение реальных коэффициентов усиления; измерение сопротивления приемной петли (линии); регистрация шумов и их оценка при выключенном источнике тока; регистрация тестовых сигналов заданной частоты и амплитуды, подаваемых в приемную петлю с встроенного генератора.

Особое значение имеет измерение сопротивления приемных петель перед началом регистрации. Автором совместно со Стефаненко С.М. предложена и реализована система установки микросхем-идентификаторов (ПЗУ) в разъемы, через которые петли подключаются к полевым модулям. После изготовления петли производится измерение сопротивления секций и запись в ПЗУ нормального значения сопротивления. Кроме того, в память сохраняется номер петли, данные о количестве витков каждой секции, дата изготовления и ремонта, а также дополнительный комментарий. При подключении петель к модулям производится считывание параметров петель из микросхемы-идентификатора, номер петли и количество витков сохраняется в базе данных. Таким образом, четко контролируются данные о том, на каких приемных пикетах использовалась та или иная петля. Сопротивление, измеренное модулем, сравнивается с прочитанным из ПЗУ нормальным значением, анализируется и в случае отклонения - программа сигнализирует об этом оператору.

Неотъемлемой частью телеметрической станции «Пикет» является программа «Регистрация ЗСБ». Ее основные функции: управление работой драйвера станции, задание параметров регистрации сигналов, экспрессная визуализация получаемых пространственных и геофизических данных, сохранение зарегистрированных сигналов и параметров регистрации в единую базу данных (БД) программного комплекса.

Автором предложена и реализована специализированная база данных (БД) для электромагнитных зондирований. Это позволяет сохранять и осуществлять быстрый доступ ко всем реализациям сигналов,

обработанным кривым зондирований и геоэлектрическим моделям. Схема работы с данными программных блоков, входящих в состав программного комплекса станции «Пикет», приведена на рисунке 2.

[

• картографическое обеспечение

• проектирование сети наблюдений

Полевые наблюдения

Регистрация сигналов становления ДЦ/1

Визуализация

(качественная интерпретаций]

» Анализ профильных данных » Расчет дифференциальной электропроводности АЧ

• Построение разрезов и карт. • кажущегося сопротивления рт (Нг

- кажущейся проводимости Бт (Нт)

- дифференциальной шектропроводности дБ

• Построение сейсмоэлектрических разрезов ОГТ и ЗСБ

Инверсия

(количественная и нтерпре»ация)

• Одномерная инверсия - определение геоэлектрических параметров слоистой среды

• 20-30 - моделирование

• Анализ и учет влияния вызванной потяризации, магнитной вязкости и других эффектов

• Построение геоэлектрических разрезов и карт

Рис. 2. Поток данных программно-измерительного комплекса.

За 6 лет использования телеметрической аппаратуры зондирования становлением поля осуществлялись в различных условиях. Накопленный обширный материал позволил составить банк данных по помехам различного происхождения и обосновать их классификацию.

Система регистрации с арифметическим шагом дискретизации и сохранение всех реализаций сигналов делает возможным использование эффективных средств осреднения накопленных массивов данных и

подготовки итоговых кривых зондирований. Предварительная обработка сигналов ЗСБ объединяет в себя процедуры для подготовки кривых, включая анализ всех реализаций, просмотр и осреднение сигналов, подавление помех, расчет трансформант и другие функции. Разработанный подход к обработке сигналов становления основывается на следующих принципах: подавление помех осуществляется с помощью математических алгоритмов, результаты обработки различными способами сравниваются по рассчитываемому отношению сигнал/помеха, производится независимая сборка итоговых кривых с геометрическим

Рис. 3. Пример обработки сигнала с высоким уровнем промышленных помех: 1 - положительный импульс; 2 - отрицательный импульс; 3 - полуразность двух импульсов; 4 - среднее арифметическое по 100 реализациям; 5 - среднее по медиане; 6 - среднее по 100 значениям с минимизацией периодических помех.

Для условий работы при значительном уровне электромагнитных помех в программе обработки разработан специальный алгоритм. Он основан на подборе амплитуд, фаз и периода сетевой помехи с последующим удалением из смеси «еигнал+помеха».

Пошаговый алгоритм подавления промышленных помех включает:

1. Приближенное определение периода помехи нечетного импульса. Отсчеты выбираются с задней части импульса, где преобладает помеха. Сигнал сворачивается с синусоидами, период которых изменяется от 19.9 мс до 20.1 мс с шагом АТ=0.01 мс. Результат свертки аппроксимируется параболой, максимальная абсцисса которой определяет приближенное значение периода.

2. Определение амплитуды и фазы основной гармоники помехи, путем свертки нечетного и четного импульсов, а также их полуразно-

и арифметическим шагом дискретизации.

сти с синусоидой, период которой определен приближенно. По результатам свертки определяется амплитуда и фаза Аь ср1, А2, (р2, А3, ф3. 3. Для точного определения периода рассчитывается отношение:

Аз

О = , далее рассчитывается точный период:

А, - А2

'0.2^ / \ 2xQ

х arctan

, к , /1-(2Q)2,

4. Период всех четных и нечетных гармоник определяется как отношение точно определенного периода первой и номера последующих, амплитуда всех гармоник определяется с помощью свертки с гармоникой, период которой определен с высокой точностью. Фаза определяется способом покоординатного спуска. После этого производится их моделирование, исключение гармоник из сигнала начинается с тех, амплитуда которых наибольшая. При оценке амплитуд гармоник периодической помехи происходит их сравнение с амплитудой шума. Если максимум гармоники меньше амплитуды шумов, то она не учитывается.

5. После обработки всех импульсов производится суммирование сигналов, и формируется массив, в котором описана гармоническая помеха. Применение алгоритма обеспечивает подавление амплитуды периодических помех более чем в 10000 раз (рис. 3).

При значительном уровне импульсных помех, используется алгоритм робастного оценивания на основе М-оценок Хьюбера.

Как показал опыт цифровой обработки данных, визуально весьма сложно оценивать эффективность работы того или иного обрабатывающего алгоритма. Для сравнения разных способов обработки сигналов разработан специальный программный модуль. Оценка соотношения сигнал / помеха производится каждый раз при обработке записей с целью выбора оптимального алгоритма осреднения и подавления помех. Критерием сигнала является его средняя величина в заданном временном интервале, помеха оценивается по величине стандартного отклонения. Отношение сигнал помеха рассчитывается как отношение среднего значения и стандартного отклонения.

Глава 2. РАСЧЕТ И АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК ЭТАЛОННЫХ МОДЕЛЕЙ СЛОЖНОПОСТРОЕНННЫХ СРЕД

Модель коллектора в терригенных отложениях можно представить в виде пласта, сложенного разнозернистыми песчаниками, с возможными прослоями алевролитов и аргиллитов. Коллекторские свойства песчаников могут изменяться в значительных пределах не только в региональном плане, но и на отдельных разведочных площадях. В разрезе терригенных горизонтов могут присутствовать коллекторы, как насыщенные нефтью или газом, так и рассолонасыщенные слои. По структурным особенностям для описания терригенного коллектора с высокой степенью точности подходит одномерная модель тонкого пласта с пониженным электрическим сопротивлением. В случае углеводородного насыщения коллектора коэффициент газонасыщенности достигает 60-70%, однако и в этом случае пласт имеет пониженное сопротивление относительно вмещающих пород, за счет остаточного во-донасыщения. При насыщении горизонта минерализованными растворами его сопротивление может понижаться до единиц Ом*м.

Модельные представления для карбонатных рассоловмещающих резервуаров на сегодняшний день до конца не разработаны. По общим представлениям потенциальные резервуары для локализации промышленных рассолов в карбонатных горизонтах могут быть крупнее по размерам, а их фильтрационные параметры выше, чем в терригенных коллекторах. В галогенно-карбонатной толще выделяются два типа коллекторов - нормальные, как правило, трещинно-поровые, и аномальные, развитые по плоскостям межпластовых срывов. Геоэлектрическая модель ненарушенных коллекторов может быть представлена в виде проводящего пласта. Нередко встречаются вытянутые структуры вдоль соляных валов или разломов и локальные ограниченные по ла-терали изометричные объекты. Аномальные коллектора формируют наложенную вторичную фильтрационную структуру, что может существенно влиять на апостериорные геоэлектрические модели.

Для геоэлектрических условий юга Сибирской платформы было выбрано и типизировано 10 физико-геологических моделей с наличием контрастных проводящих неоднородностей (коллекторов). Изменялось положение неоднородностей в плане и по глубине, их мощность, электрическое сопротивление. По форме все объекты разделены на 3 типа: выклинивающийся пласт, локальные - изометричные круглые и эл-

липсовидные линзы (мульды), вытянутые узкие линейные структуры большой протяженности (пласт-полоса).

Автором проведено моделирование с трехмерными моделями для сети наблюдений с повышенной пространственно-временной плотностью - 45 источников и 225 приемников поля, с шагом между точками 500 м, между профилями 2500 м. Размер генераторных петель 600x600 м, приемных - 18x18 м, для каждого источника были заданы 5 приемников с разносами 0, 500 и 1000 м. По результатам моделирования составлен альбом с результатами в виде кривых, разрезов и карт.

По результатам 30 моделирования выделяются следующие характерные особенности: 1) на кривых кажущейся проводимости в случае наличия неоднородностей возможно уменьшение кажущейся проводимости с глубиной; 2) по мере приближения к объектам уровень проводимости значительно увеличивается; 3) при удалении от края влияние неоднородности на сигнал проявляется на более поздних временах; 4) под 3-0 объектами наблюдается недостаток проводимости, что приводит к завышению сопротивления при одномерной инверсии; 5) искажения сигналов, по сравнению с 1-0 моделями, зависят от размеров, глубины залегания, сопротивления и местоположения установки зондирования относительно неоднородностей; 6) на геоэлектрических разрезах, получаемых по результатам 1-Б инверсии, выделяются ложные наклонные проводящие границы.

Влияние трехмерных неоднородностей на сигналы соосных и разнесенных зондирований, имеет определенные закономерности, которые позволяют делать выводы не только о неоднородном распределении поля, но и о вероятном положении объектов относительно зондирующей системы с несколькими приемными петлями. Дополнительная информация о пространственном распределении поля, получаемая при многоканальном приеме, позволяет повысить эффективность и объемную разрешающую способность зондирований.

Глава 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ

СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ СИБИРСКОЙ ПЛАТФОРМЫ

Возможности аппаратуры нового поколения позволяют решать традиционные задачи по изучению строения осадочного чехла, выделению зон коллекторов. Кроме того, появилась возможность решения геологических, геоэкологических и инженерных задач в условиях вы-

сокого уровня промышленных электромагнитных помех. Практически в любых физико-географических условиях производительность одного отряда ЗСБ, оснащенного телеметрической аппаратурой в среднем 400 физических точек в месяц. По результатам инверсии выделяется до 13 -15 слоев, подсолевая толща нередко дифференцируется на 2 - 3 слоя.

т т т

*■«■«•*■■< * ! 1"||)||И1!»Н>«У!|" 3

м» «

шииш и |ДШШШи111Ш.1

и мшшшшшт

•ммммммМ

I

I

I:

ль*.

О"

Г.!

Рис. 4. Геоэлектрический разрез участка Присаяно-Ленского профиля.

Рис. 5. Результаты работ методом ЗСБ на площадке проектной скв. 1.

Методика профильных зондирований. Основные задачи - изучение строения осадочного чехла на этапе регионального прогнозирования зон коллекторов и разведка участков перспективных на углеводородное сырье (рис. 4). Анализ аномальных зон повышенной или пониженной электропроводности в осадочном чехле позволяет выделять горизонты с улучшенными коллекторскими свойствами. Статистическая обработка результатов интерпретации дает возможность вероятностного прогноза параметров пластов-коллекторов. По сравнению с электроразведочными станциями предыдущих поколений телеметри-

ческая аппаратура, оснащенная GPS приемниками в комплексе с эффективными программными средствами, реализованными на базе географических информационных систем, позволяет вести профильные работы с частым шагом наблюдения, не снижая производительности.

Постановка зондирований позволила изучить строение осадочного чехла, исследовать распространение горизонтов-коллекторов и прогнозировать участки, перспективные на углеводородное сырье. Район исследований характеризуется значительным уровнем электромагнитных помех. Благодаря использованию средств математической обработки и подавления помех удалось обеспечить высокое качество материалов.

Площадные системы наблюдения. Применение площадных зондирований актуально при изучении объектов со значительной изменчивостью свойств по латерали, оконтуривании локальных неоднород-ностей, поисках зон структурных нарушений, картировании границ выклинивания коллекторов. В разрезе осадочного чехла юга Сибирской платформы локальные ограниченные по простиранию горизонты распространены повсеместно. Часто с такими объектами связаны коллекторы в галогенно-карбонатных отложениях с аномально высокими пластовыми давлениями (АВПД). В таких условиях необходимы площадные наблюдения с различным расположением источников и приемников поля. Примером решения геологических задач на основе площадной технологии являются работы на Ковыктинском газокон-денсатном месторождении и прилегающих территориях (рис. 5.).

С внедрением новой технологии зондирований с телеметрическими регистрирующими системами стало возможным прогнозирование условий проходки глубоких скважин - как на этапе проектирования, так и в процессе бурения. Результаты работ методом ЗСБ позволяют выделять интервалы разреза, в которых могут быть встречены коллекторы, оценивать их насыщение и прогнозировать возможные осложнения.

Мониторинговые наблюдения по сети с повышенной пространственной плотностью наблюдений. Пример решения новых геоэкологических задач - мониторинговое изучение осадочного чехла в районе промышленных комбинатов, где можно ожидать интенсивное технологическое воздействие на окружающую среду. Алгоритмы подавления помех позволили получить качественный материал на объектах, изучение которых методами электроразведки ранее было практически невозможно. Высокая пространственно-временная плотность наблюдения, обеспечивает увеличение объема регистрируемых данных, по-

зволяет улучшить отношение сигнал-помеха и повысить точность оценки геоэлектрических параметров участков, подвергающихся техническому воздействию. Получаемые по результатам ЗСБ карты и разрезы позволяют представить объемную геоэлектрическую модель, следить за эволюцией коллекторов во времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

Запись с арифметическим шагом дискретизации и сохранение всех реализаций сигналов позволяют использовать эффективную методику многоступенчатой математической обработки; применяемые алгоритмы обеспечивают высокий уровень подавления периодических и импульсных помех, благодаря чему достигается повышение возможностей метода ЗСБ. Программный комплекс станции имеет унифицированный графический интерфейс, опирается на единую базу данных, основанную на использовании современных технологий, предоставляет широкий набор инструментов для проектирования сетей наблюдения, регистрации, обработки, визуализации данных, интерпретации результатов и математического моделирования.

На основе анализа геолого-геофизических данных по морфологии и физическим свойствам, обоснованы и типизированы трехмерные геолого-геоэлектрических модели коллекторов в галогенно-карбонатном и терригенном комплексах юга Сибирской платформы. Результаты компьютерного трехмерного моделирования позволили исследовать эффекты влияния З-Э объектов на электромагнитные отклики и обосновать эффективность зондирований с повышенной пространственно-временной плотностью, обеспечиваемой телеметрическими системами.

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

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

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

Основные публикации по теме диссертации

1. Агафонов Ю.А., Поспеев А.В. Программно-измерительный комплекс для работ методом ЗСБ // Геофизический вестник, 2001, №10, с. 8-11.

2. Агафонов Ю.А. Новые подходы к регистрации и обработке сигналов становления поля с использованием телеметрических систем наблюдения // Третья Уральская молодежная школа по геофизике: Сборник докладов. Екатеринбург: УрО РАН, 2002, с. 3-6.

3. Агафонов Ю.А. Возможности обработки материалов ЗСБ, зарегистрированных с арифметическим шагом дискретизации, с применением трансформации St(Ht) и методики расчета аномальных остатков сигналов // Первая Сибирская международная конференция молодых ученых по наукам о Земле: Тез. докл. Новосибирск, 2002, с. 4-6.

4. Агафонов Ю.А., Вахромеев А.Г. Новые геолого-геофизическис подходы в прогнозе зон АВПД на примере Орленгской структурной седловины // Четвертая Байкальская молодежная школа-семинар «Геофизика на пороге третьего тысячелетия»: Сборник трудов. Иркутск: ИрГТУ, 2004, с. 59-69.

5. Агафонов Ю.А., Шарлов М.В. Создание программного комплекса для электромагнитных зондирований на основе геоинформационных технологий // Четвертая Байкальская молодежная школа-ссминар «Геофизика на пороге третьего тысячелетия»: Сборник трудов. Иркутск: ИрГТУ, 2004, с. 69-78.

6. Агафонов Ю.А. Эффективность использования дифференциальных трансформаций и методики расчета аномальных остатков сигналов ЗСБ по результатам математического моделирования // Всероссийская научно-техническая конференция «Геофизические методы при разведке недр и экологических исследованиях», посвященная 100-летию со дня рождения Д.С. Микова: Сборник трудов. Томск: ТПУ, 2003, с. 48-51.

7. Агафонов Ю.А., Вахромеев А.Г. Одномерные и трехмерные геолого-геоэлектрические модели коллекторов в условиях Восточной Си- 1 бири // Научно-техническая конференции ФГГГ «Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований»: Сборник избранных трудов. Иркутск: ИрГТУ, 2004, с. 234-240.

8. Агафонов Ю.А., Шарлов М.В., Татарников А.С. Возможности трехмерного математического моделирования для метода ЗСБ в программе «Tern-model» // Научно-техническая конференции ФГГГ «Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований»: Сборник трудов. Иркутск: ИрГТУ, 2004, с. 240-245.

9. Agafonov Y.A., Pospeev A.V. Potentialities of electromagnetic soundings with new telemetering measuring systems on the south part of the Siberian platform // Пятая международная конференция «Проблемы геокосмоса»: Тез. докл. Санкт-Петербург: СпбГУ, 2004, с. 212-213.

Ю. Agafonov Y.A., Sharlov M.V. Review of the new telemetring prospecting equipment and data-processing software for electromagnetic soundings // Пятая международная конференция «Проблемы геокосмоса»: Тез. докл. Санкт-Петербург: СпбГУ, 2004, с. 213-215.

11. Агафонов Ю. А., Кондратьев В.А., Ольховик Е.А., Пашевин A.M., Поспеев А.В. Результаты применения новых технологий электромагнитных зондирований на юге Сибирской платформы // Разведка и охрана недр, 2004, №8-9, с. 26-28.

12. Агафонов Ю.А., Компаниец С.В. Результаты электроразведочных исследований в Западном Прибайкалье // 21 Всероссийская молодежная конференция «Строение литосферы и геодинамика»: Сборник докладов, Иркутск: ИЗК СО РАН, 2005, с. 248-249.

Технический редактор K.JI. Клейн

Подписано к печати 10.08.2005. Формат 60х84'/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Times. Усл. Печ. л. 1,2. _Тираж 150 экз. Заказ № 1308._

Отпечатано в Глазковской типографии. 664039, г. Иркутск, ул. Гоголя, 53. Тел.: 38-78-40

м 5 7 2 9

РНБ Русский фонд

2006-4 10046

I

(

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Агафонов, Юрий Александрович

Оглавление.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ МЕТОДОМ ЗСБ «ПИКЕТ».

1.1. Современные требования к аппаратуре и программному обеспечению ^ для нестационарных электромагнитных зондировании в сложных условиях.

1.2. Телеметрическая аппаратура и программный комплекс для регистрации сигналов методом электромагнитшлх зондировании.

1.2.1. Принцип работы и основные компоненты телеметрической регистрирующей системы.

1.2.2. Техническое описание и характеристики телеметрической электроразведочной станции «Пикет».

1.2.3. Система тестирования регистрирующего тракта и приемников поля.

1.2.4. Профаммпое обеспечение для регистрации сигналов ЗСБ.

1.3. База данных и географическая информационная система как основа программного комплекса.

1.3.1. Структура базы данных и схема работы с данными.

1.3.2. Использование географических информационных систем.

1.4. Особенности обработки сигналов зарегистрированных с арифметическим шагом дискретизации но времени.

1.4.1. Накопленный банк данных электромагнитных помех и их классификация.

4 1.4.2. Предварительная обработка экспериментальных данных в про1рамме «ТЕМ-РгосеББн^».

1.4.3. Методика подавления индустриальных периодических помех.

1.4.4. Использование робастных процедур.

1.4.5. Оценка отношения спгиал/помеха при сравнении различных способов обработки сигналов.

1.5. Качественная и количественная интерпретация результатов зондировании.

1.5.1. Возможности качественной интерпретации результатов в программе «Profile».

1.5.2. Возможности количественной интерпретации данных ЗСБ в программе «Model» для исследования горизонтов-коллекторов.

Глава 2. РАСЧЕТ И АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК I ЭТАЛОННЫХ МОДЕЛЕЙ СЛОЖНОПОСТРОЕНННЫХ СРЕД.

2.1. Обоснование геоэлектрнчсских моделей осадочного чехла на примере Сибирской платформы).

2.1.1. Характеристика геоэлектрнческого разреза осадочного чехла Сибирской платформы.

2.1.2. Петрофпзические особенности горизонтов-коллекторов.

2.1.3. Обоснование параметров 1-D и 3-D физико-геологичсских моделей терригенпых и галогсипо-карбонатных коллекторов.

2.1.4. 1-D моделирование и анализ возможностей представления ф результатов в дифференциальных трансформациях.

2.2. Математическое моделирование электромагпптпых откликов в условиях трехмерных сред.

2.2.1. Система массовых расчетов электромагнитных откликов.

2.2.2. Характеристика геоэлектрическнх моделей и способы представления синтетических данных.

2.3. Особенности электромагнитных откликов эталонных 3-D гсоэлектрических моделей.

2.3.1. Изомстричпая проводящая вставка.

2.3.2. Модель 3-D объекта «пласт-полоса».

Ф 2.3.3. Выклинивающийся пласт.

2.3.4. Анализ результатов моделирования.

Глава 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

НАБЛЮДЕНИЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

СТРОЕНИЯ СИБИРСКОЙ ПЛАТФОРМЫ.

3.1. Региональное прогнозирование зон коллекторов.

3.1.1. Присаяно-Ленский опорный геофизический профиль.

3.1.2. Профильные работы на перспективных площадях.

3.2. Оценка коллекторских свойств отложений и прогноз условий проходки глубоких скважин.

3.2.1. Применение метода ЗСБ при прогнозировании условий бурения глубоких скважин.

3.2.2. Статистический анализ данных ЗСБ.

3.3. Мониторинг па предприятиях использующих пласты-кол лекторы как источник сырья и хранилище отходов.

3.3.1. Особенности технологии зондирований при осуществлении мониторинга.

3.3.2. Геологические результаты мониторинга.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка программно-измерительного комплекса для нестационарных электромагнитных зондирований на основе телеметрических систем наблюдения"

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

Актуальность темы

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

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

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

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

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

Задачи исследований

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

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

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

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

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

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

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

Научная новнзна работы. Лнчнын вклад

1. В области регистрации и предварительной обработки сигналов ЗСБ:

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

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

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

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

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

2. В области программного обеспечения для интерпретации и представле

0 ния данных:

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

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

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

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

3. В области изучения геоэлектричсских моделей и методики наблюдений:

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

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

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

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

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

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

Практическая значимость работы

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

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

Апробация работы

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

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

Объем н структу ра работы

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

Благодарности

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

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

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

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Агафонов, Юрий Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

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

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

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

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

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Агафонов, Юрий Александрович, Иркутск

1. Агафонов Ю.А. Новые подходы к регистрации и обработке сигналов становления поля с использованием телеметрических систем наблюдения // Третья Уральская молодежная школа по геофизике: Сборник докладов. Екатеринбург: УрО РАН, 2002, с. 3-6.

2. Д.С. Мпкова: Сборник трудов. Томск: ТПУ, 2003, с. 48-51.

3. Агафонов Ю.А., Кондратьев В.А., Ольховик Е.А., Пашевип A.M., Поспеев A.B. Результаты применения новых технологий электромагнитных зопдировапий па юге Сибирской платформы // Разведка и охрана недр, 2004, №89, с. 26-28.

4. Агафонов Ю.А., Поспеев A.B. Программно-измерительный комплекс для работ методом ЗСБ // Геофизический вестник, 2001, №10, с. 8-11.

5. Бердпчевскпй М.Н., Жданов М.С. Интерпретация аномалий электромагнитного поля Земли. М.: Недра, 1981.

6. Вахромеев Г.С., Давыдепко АЛО. Моделирование в разведочной геофизике. М.: Недра, 1987, 192 с.

7. Вахромесв Г.С., Кожевников И.О. Методика нестационарных электромагнитных зондирований в рудной электроразведке // Иркутск: изд. Иркут. ун-та, 1988, 224 с.

8. Вычислительная математика и техника в разведочной геофизике. Справочник геофизика // Под ред. Дмитриева В.И. М.: Недра, 1982, 222 с.

9. Глинский Б.М. Вопросы построения электроразведочной станции со специализированным вычислителем для первичной обработки информации при полевых геофизических исследованиях: Авторсф. дис. канд.техн. паук. Новосибирск, 1975.-23 с.

10. Давыденко Ю.А. Дифференцирующий фильтр для подавления промышленной помехи частотой 50 Гц // Геофизика, 2002, № 4, с. 44-48.

11. Давыдепко Ю.А. Подавление спорадических помех и устранение тренда в днфферемцпально-нормпрованном методе электроразведки // Геофизика, 2004, №2, с. 37-48.

12. Дэвис Дж. С. Статистический анализ данных в геологии, Кп. 1.- М.: Недра, 1990,319 с.

13. Зондирования становлением поля в ближней зоне // Рабинович Б.И., Купии Д.И., Захаркин А.К. и др, М.: Недра, 1976, 102 с.

14. Кауфман A.A., Морозова Г.М. Теоретические основы метода зондирования становлением поля в ближней зоне// Новосибирск: Наука, 1970, 123 с.

15. Кожевников И.О. Некоторые особенности структуры Прпольхопья по данным электроразведки (Западное Прибайкалье) // Геология и геофизика, 1998, №2, с. 271-276.

16. Кожевников И.О., Бигалке 10., Кожевников O.K. Региональная структура Приольхонья но данным геоэлектрических исследований // Геология и геофизика, 2004, №2, с. 253-265.

17. Корольков Ю.С., Зондирование становлением электромагнитного поля для поиска нефти и газа. М.: Недра, 1987, 117 с.

18. Корольков Ю.С., Эффективность электроразведочных методов при поисках нефти и газа. М.: Недра, 1988, 226 с.

19. ЗКЛегейдо П.10., Мальдембаум М.М., Рыхлннскнй П.И. Дпфферепцпалыю-иормироваипые методы электроразведки. Иркутск: БУК, 1996, 145 с.

20. Ломтадзе В.В. Программное и информационное обеспечение геофизических исследований. М.: Недра, 1993, 268 с.

21. Мапдельбаум М.М., Агеенков Е.В., Легейдо П.Ю. и др. Современное состояние и перспективы применения дифферепцпальио-пормироваииого метода электроразведки для поисков нефти и газа // Геология и геофизика, 2002. №12, с. 1137-1143.

22. Мац В.Д., Уфимцев Г.В, Мальдембаум М.М. и др. Кайнозой байкальской рифтовой впаднны: строение и геологическая история. Новосибирск: Изд-во СО РАИ, Филиал «Гео», 2001, 249 с.

23. Методические рекомендации по электроразведочным работам методом ЗСБ с аппаратурой «Цикл» // Составитель Захаркии А.К., Новосибирск: СНИИГГиМС, 1981, 98 с.

24. Методические указания по применению метода ЗСБ с аппаратурой «Цикл-2» в районах Сибирской платформы // Составители Рабинович Б.И., Захар-кип А.К., Фииогеев В.В., Бубнов В.М. и др., Новосибирск: СНИИГГиМС, 1984,68 с.

25. Могилатов B.C. Импульсная электроразведка: Учебное пособие // Новосибирск: ИГУ, 2002, 208 с.

26. Могилатов B.C. Эиов М.И., Исаев И.О. Томографическая инверсия данных ЗСБ-МПП // Геология и геофизика, 1999, №4, с. 637-644.

27. Могилатов B.C., Балашов Б.П. Зондирования вертикальными токами (ЗВТ): Новосибирск: Изд-во Со РАИ, Филиал «Гео», 2005, 207 с.

28. Могилатов B.C., Эиов М.И. Томографический подход к интерпретации данных геоэлектро.магпитиых зопдпроваппп // Изв. РАИ. Сер. Физика Земли, 1999, №11.

29. Моисеев B.C. Мегод вызванной поляризации при поисках нефгеперспек-тивных площадей. Новосибирск: Наука, 2002, 135 с.

30. Московская Л.Ф. Прспроцсссииг измерении установившихся электромагнитных нолей с высокой пространствепно-врсмсииой плотностью на примере морских электрозондирований // Геофизика, 2003, №4, с. 25-29.

31. Московская Л.Ф. Фильтрация установливающнхся нолей па основе роба-стпого оценивания // Российский геофизический журнал, 2000, №19-20, с. 71-78.

32. Панкратов В.М. Результаты электроразведочных работ методом ЗСБ па Марковской и Потаповской алощадях. // В сб. Изучение нефтегазоносности Сибирской платформы геофизическими методами. Вып. 281. Новосибирск, 1980.

33. Поспеев A.B. Пашевип A.M., Яговпн А.Л., Применение компыотизпровап-ной аппаратуры СГС-ТЕМ при исследованиях методом ЗСБ // Геофизика, Специальный выпуск к 50-лстию Иркутскгеофизика,1999, с.45-46.

34. Рабинович Б.И. Наставление по электроразведочпым работам методом ЗСБЗ (интерпретация) Новосибирск: СНИИГГиМС, 1973, 80 с.

35. Светов Б.С. Электродинамические основы квазнстациопарпой геоэлектрики. М.: ИЗМИРАН, 1984, 245 с.

36. Сидоров В.А. Импульсная индуктивная электроразведка// М.: Недра, 1985, 192 с.

37. Сизых В.И. Шарьяжно-надвнговая тектоника окраин древних платформ. Новосибирск: Изд-во СО РАИ. Филиал «Гсо», 2001, 154 с.

38. Сметании A.B. Опыт динамической интерпретации гравитационных аномалий. Иркутск, 2000, 85 с.

39. Смилевец II.Г1. Комплексная интерпретация геофизических данных в сложнопостроенных районах // сборник Разведочная геофизика, выи. 91, М.: Недра, 1980, с. 68 79.

40. Табаровский Л.А., Эпов М.И., Антонов ЕЛО. Электромагнитное ноле в средах со слабонегорнзонтальными границами. Новосибирск, 1988, 22 с. Деи. ВИНИТИ 18.07.88. N 6258-В88.

41. Табаровский Л.А., Эпов М.И., Сосунов О.Г. Оценка разрешающей способности электромагнитных методов и подавление помех в системах многократного наблюдения // Новосибирск, 1985, 47 е., (препринт ИГиГ СО ЛИ СССР, №7).

42. Хамиель Ф., Рончетти Э., Рауссеу П. и др. Робастпость в статистике. Подход на основе функций влияния. М.: Мир, 1989, 512 с.

43. Электроразведка. Справочник геофизика // Под ред. Дмитриева В.И. М.: Недра, 1989, т. 1-2.

44. Эпов М.И. Ельцов И.Н. Прямые п обратные задачи индуктивной гсоэлек-трики в одномерных средах // Новосибирск, 1992, 31 е., (препринт ИГиГ СО ЛИ СССР, №2).

45. Эиов М.И., Антонов Е. 10. Прямые задачи электромагнитных зондирований с учетом дисперсии геоэлектричсских параметров // Физика земли, 1999, №4, с. 48-55.

46. Agafonov Y.A., Pospecv A.V. Potentialities of electromagnetic soundings with new telemetering measuring systems on the south part of the Siberian platform //

47. Пятая международная конференция «Проблемы геокосмоса»: Тез. докл. Санкт-Петербург: СнбГУ, 2004, с. 212-213.

48. Agafonov Y.A., Sharlov M.V. Review of Ihe new lelemetcring prospecting equipment and data-processing software for electromagnetic soundings // Пятая международная конференция «Проблемы геокосмоса»: Тез. докл. Санкт-Петербург: СпбГУ, 2004, с. 213-215.

49. Busclli G., Cameron М. Robust statistical methods for reducing sfcrcs noisecon-taminating transient electromagnetic measurements // Geophysics, 1996, № 11, p. 1633-1646.

50. McNeill JD. Application of transient electromagnetic techniques. Technical notesTN7. Gconics Limtcd, 1980.

51. PROTEM TDcm Sounding Systems. Principles and applications. Geonics Limtcd, 1998.

52. Spies B.R. Depth of investigation in electromagnctic sounding methods // Geophysics, vol.54, №7, p. 872-888

53. Strack K.-M., Hanstcin Т.Н. and. Eilcnz H.N. LOTEM data processing for areas with high cultural noise levels // Physics of the Earth and Planelary Intieriors, 1989, №53, p. 261-269.

54. Wannaamaker P.E., Ilohmann G.W., SanFilipo W.A. Electromagnetic modeling of three-dimensional bodies in layered earths using integral equations // Geophysics, vol.49, № 1, p. 60-74.