Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Математическое моделирование и его программное обеспечение в электроразведке становлением поля при многократном профилировании

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

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата технических наук, Лепешкин, Владимир Павлович, Саратов

МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НЗДЖНЕ-ВОЛЖСКИй НАУЧНО-ИССЛЕЩОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ и ГЕОФИЗИКИ

На правах рукописи

Лепешкин Владимир Павлович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЕГО ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ В ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКЕ СТАНОВЛЕНИЕМ ПОЛЯ ПРИ МНОГОКРАТНОМ

ПРОФИЛИРОВАНИИ

Специальностъ 04,00.12

геофизические метода поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Д и с с е р т а ц и я на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профе ссор И.А. Бе зрук

САРАТОВ - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

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

I. ВОПРОСЫ ТЕОРИИ МЕТОДА СТАНОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧАМ МНОГОКРАТНОГО ПРОФИЛИРОВАНИЯ....... 11

1.1. Характеристика метола становления э/м поля при многократном профилировании........................................11

1.2. Анализ э/м полей над полупространством при возбуждении ступенью тока генераторных установок конечного размера............................................... 15

1.3. Становление э/м поля в присутствии проводящих пластин...............„................................., 21

1.4. Становление э/м шля в присутствии горизонтально-слоистой среды........................................33

1.5. Возбуждение э/м поля импульсом тока................... 54

II. РАСЧЕТЫ НЕУСТАНОВИВШИХСЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ДЛЯ БОЛЕЕ СЛОЖНЫХ МОДЕЛЕЙ ГОРИЗОНТАЛЬНО-СЛОИСТЫХ СРЕД............... 58

2.1. Некоторые общие закономерности изменения во времени

регистрируемых сигналов..............................od

2.2. Горизонтально-слоистая градиентная среда.........................69

2.3. Включение в горизонтально-слоистую среду проводящих пластин..................................................74

2.4. Учет поляризуемости среды.............................78

2.5. Резонансный вклад слоя и повышенная разрешенность

ЗСВ..................................................89

III. ТРАНСФОРМАЦИЯ РЕГИСТРИРУЕМЫХ ПОЛЕЙ В ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ

ПАРАМЕТРЫ РАЗРЕЗА........................................103

3.1. Физические основы трансформации полей и применения профилирования......................................ЮЗ

3.2. Трансформация с использованием производной

, сигнала - дифференциальная трансформация............107

3.3. Трансформация с использованием интегрального значения сигнала - интегральная трансформация.......113

3.4. Трансформация при импульсном возбуждении............125

3.5. Трансформация э/м полей на основе параметрических функционалов........................................130

IV. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАНОВЛЕНИЯ ПОЛЯ В УСЛОВИЯХ НЕОДНОРОДНОГО ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА...................139

4.1. Выбор класса неоднородных моделей и математического метода решения....................................... 139

4.2. Общая формулировка задачи............................141

4.3. Формулировка граничных условий.......................147

4.4. Расчет полей 'внутри среды............................151

4.5. Описание общей процедуры расчета.....................170

V. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОЭЛЭДТРИЧЕСКИХ РАЗРЕЗОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО

К УСЛОВИЯМ ПРМКАСШИСКОИ ВПАДИНЫ...........................187

5.1. Описание программного пакета обработки электроразведочных материалов.....•..........................187

5.2. Программы математического моделирования и их информационная связь с пакетом обработки.............193

5.3. Примеры обработки материалов по результатам

работ в Астраханской области........................ .196

5.4. Обработка материалов Саратовского Заволжья...........214

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................228

ЛИТЕРАТУРА....................................................231

ВВЕДЕНИЕ

Геофизичические работы б условиях Нижнего Поволжья (Прикаспийская впадина и ее обрамление) на нефть и газ проводятся в сложных геологических условиях [403, которые значительно снижают эффективность геофизических методов, в том числе основного метода - сейсморазведки. Для получения более надежной информации применяются "утяжеленные" методики проведения полевых ■ работ и сложные графы обработки информации. Все это значительно повышает стоимость подготовки структур под бурение. Вместе с тем в последние 10-15 лет значительное развитие получили относительно более дешевые и высокопроизводительное геофизическое методы, среди них метода структурной электроразведки. Комплексирование этих методов с сейсморазведкой позволяет увеличить надежность получаемой геологической информации и, в целом, снизить стоимость проводимых геофизических исследований. Следует отметить, что в условиях ограниченного финансирования геологоразведочных работ требования к геофизическим методам повышаются.

Для проведения профильных электроразведочных работ в НВНММГГ [811 была разработана методика, получившая название зондирований становлением электромагнитного поля с многократным профилированием (ЗСМП). Физической основой этой методики и технологической базой является метод зондирований становлением э/м поля в ближней зоне (ЗСБ или ЗСТ).

Использование ЗСБ для повышения детальности и достоверности выделения аномальных зон показало, что необходимо увеличение плотности наблюдений при существенном повышении точности полевых измерений [81]. Задача точных полевых измерений, практически, была решена: во-первых, были внедрены в производство и выпускались типовые генераторные группы ЗРС-67 и УГЭ-50 [831, имелись разработки генераторов повышенной мощности; во-вторых, были разработаны и используются в настоящее время цифровые регистрирующие многоканальные станции "Прогресс 2СЗ", ЩЭС-МГД, ЦЭС-МГД MI и ее модификации.

С другой стороны, простое сгущение сети одиночных зондиро-рований малоэффективно, поскольку действует искажающее влияние неоднородностей верхней части разреза, нестабильность работы

установки зондирований и другие-факторы. Однако, имеется большой опыт применения многократных систем наблюдения в сейсмических исследованиях. Этот опыт был использован для создания методики ЗСМП. Основная идея методики ЗСМП заключается [81] в использований пространственного суммированиия с сохранением временного накопления сигналов. Пространственное суммирование осуществляется на уровне трансформаций исходного сигнала, что при условии малого градиента э/м поля на временах, соответствующих глубинам зондирования, обеспечивает определенную устойчивость результатов вдоль профиля. С целью уменьшения влияния положения точки регистрации на результаты .зондирования установкам зондирования придается пространственно-вытянутый характер вдоль профиля.

Физические идеи, положенные в основу метода ЗСМП, способы расчета и выбора технологических параметров, естественно, требовали проверки и обоснования. Такое обоснование возмогло провести несколькими способами. Во-первых, использовать упрощенные теоретические представления, описывающие процессы становления э/м поля, и на их основе получить расчетные формулы для задания параметров установки зондирований, регистрации сигналов и их последующей обработки. Этот подход использовался на ранней стадии разработки метода [573. Во-вторых, можно использовать физическое моделирование, что и использовалось достаточно интенсивно при разработке предшествующего метода - ЗСТ или ЗСБ. Но выяснилось, что физическое моделирование обладает существенными ограничениями: сложно обеспечить электродинамическое подобие модели исследуемому разрезу; регистрация ранних и поздних стадий переходного процесса затрудняется собственными процессами рамок установки моделирования и нестабильностью работы измерительной аппаратуры; наконец, существуют трудности создания полного набора моделей С59].

Метод математического моделирования был выдвинут на первый план развитием вычислительной техники, которое коренным образом изменило технологический уровень всех геофизических методов. В начале, ЭВМ 1-го и 2-го поколений использовались как автоматизированные вычислительные устройства для ускорения отдельных трудоемких расчетов. Затем на базе ЭВМ 3-го и 4-го поколений были развернуты мощные автоматизированные комплексы обработки, которые

позволяли не только получать итоговые материалы, но и проводить оптимизацию геофизических методов с помощью моделирования физических процессов. Наконец, появление персональных компьютеров с развитыми средствами интерактивной графики привело к созданию систем обработки геофизических данных, функционирущих в диалоговом режиме с развернутыми способами графического представления результатов обработки, Бее это существенно повысило оперативность обработки и, в целом, качество интерпретации. Актуальной стала задача создания специальных программных комплексов, позволяющих охватить математическим моделированием весь технологический цикл обработки, включая процессы регистрации сигнала, процедуры трансформации полевых данных в геофизические параметры и визуализацию результатов.

Развитие мощных средств программирования на базе новых"поколений IBM PC совместимых компьютеров привело к новому подходу конструктивного оформления программных комплексов, получившему название "интегрированные пакеты" [53. Основные принципы построения интегрированных пакетов состоят в следующем. На базе системы программирования (например: Турбо Си, Микрософт Си, Турбо Паскаль и др.), которая, в свою очередь, является интегрированным пакетом и имеет, как правило, все средства для формирования интегрированных пакетов, создается "ядро" пакета. Б этом ядре сосредоточены основные программы, реализующие главные функции, к которым относятся: организация и поддержка информационной базы; основные процедуры обработки; средства организации иерархической структуры пакета; информационная связь с "внешним миром" и другие, Формируется структура базы данных пакета с тем расчетом, чтобы можно было отобразить все наборы данных, которые потребуются для работы пакета. Организуются библиотеки программных модулей, дополнительные к библиотекам системы программирования и позволяющие создавать и модифицировать программы пакета. Разрабатывается ряд программ, имеющих вспомогательный характер. Такие программы, обычно, называются утилитами и работают они независимо от основного ядра пакета, но на одной информационной базе. Наконец, должно быть составлено иформационно-логическое описание пакета, которое не должно быть слитком объемным (с учетом наличия в каждой программе внутренней, встроенной описательной инфор-

мадии), но, в то же время, достаточно ясно отображать все правила формирования базы данных и организации пакета.

Следует также отметить расширение алгоритмической базы в области анализа процессов становления э/м поля. Развитие теоретической базы вычислительной математики заложило основы создания эффективных вычислительных процедур для решения прямых и обратных задач [51. Актуальность проблемы, прогресс вычислительной техники и достижения в теории и практике метода ЗСМП определили направление исследований автора работы.

Основная цель исследований состоит в создании набора алгоритмов, охватывающего основные reoэлектрические модели, которые используются при интерпретации материалов ЗСМП, и разработке пакета программ моделирования процессов становления э/м поля, информационно совместимого с пакетом обработки и интерпретации полевых материалов и работающего на IBM PC совместимых компьютерах.

Основные задачи исследований:

- выбор, анализ и разработка алгоритмов и вычислительных процедур для моделирования процесса становления э/м поля применительно к задачам ЗСМП;

- адаптация имеющихся и разработка новых алгоритмов и программ трансформации регистрируемых сигналов в значения геоэлектрического глубинного разреза в рамках методики ЗСМП;

- создание пакетов программ на базе "IBM PC - совместимых" компьютеров, позволяющих на единой информационной базе проводить обработку полевых материалов и результатов математического моделирования;

- обработка ряда полевых материалов для тестирования пакета программ математического моделирования и программ трансформации.

Научная новизна:

- предложены алгоритмы и вычислительные процедуры для расчета сигналов становления э/м поля с контролируемой точностью в присутствии горизонтально-слоистой градиентной среды и установок зондирования конечных размеров;

- предложен новый алгоритм и реализована программа трансформации полевых данных с использованием интегрального значения сигнала в геоэлектрический глубинный разрез;

- предложен эффективный алгоритм и создана программа трансформации сигналов становления при зондированиях токовыми импульсами неидеальной формы;

~ в феноменологической теории поляризуемости А.В. Куликова более четко физически и математически выделена роль токов поляризуемости в виде противотока основному току, а также связь этих токов в общем процессе релаксации, что позволяет сделать обобщение теории на случай произвольного закона поляризуемости и применить ее к построению эффективных вычислительных процедур для различных моделей геоэлектрического разреза;

- сформулирована задача и алгоритм расчета сигналов становления поля для класса неоднородных моделей геоэлектрического разреза, состоящего из горизонтально-слоистой градиентной среды с включением ограниченных аномальных областей.

Практическая значимость диссертации заключается в том, что на основе исследований»выполненных автором, создан пакет программ математического моделирования процесса становления э/м поля, информационно связанный с пакетом обработки полевых материалов ЗОМП. С помощью указанных пакетов программ повышается эффективность проведения полевых работ, обработки материалов и интерпретации результатов.

Реализация результатов исследований. Пакет обработки материалов ЗСШ на базе IBM PC - совместимых компьютеров используется для обработки материалов полевых работ в Опытно-методической экспедиции (г. Александров Владимирской обл.) ТТЛ "Центргеофизика". Отдельные алгоритмы трансформации и программы, моделирования применяются при проведении электроразведочных работ в АО "Саратовнефтегеофизика". Математическое моделирование с использованием программ пакета широко применяется в НВНИИГГ для разработки новых методов и способов электроразведки и обработки ряда материалов.

р

Защищаемые положения: 1. Математическое моделирование процессов становления э/м поля применительно к установкам зондирования, используемым в технологических схемах ЗСШ.

-92. Интегральный способ трансформации сигналов в методе ЗСМП устраняет искажения в виде отрицательных значений электропроводности reoэлектрического разреза.

3. Алгоритм трансформации сигналов при зондированиях токовыми импульсами произвольной формы, осуществляемый без процедур обратной фильтрации.

4. Поляризуемость отдельных слоев горизонтально-слоистого разреза в методе ЗСМП повышает их дифференцированность.

5. Для класса неоднородных моделей геоэлектрического разреза, состоящего из горизонтально-слоистой градиентной среды с включением ограниченных аномальных областей, формулируется задача и описывается процедура расчета полей итерационного типа.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались: на VI Всесоюзной школе-семинаре по геоэлектрическим исследованиям в г. Баку (1981 г.); на VIII Всесоюзной школе по электромагнитным зондированиям в г. Киеве (1987 г.); на Научно-техническом семинаре-совещании "Индукционная электроразведка-89" в п. Славское, Львовской обл. (1989 г.); на Международной научной конференции "Неклассическая геоэлектрика", Саратов (1995 г.); на Международной геофизической конференции "Электромагнитные исследования с контролируемыми источниками", Санкт-Петербург, Петро-дворец (1986 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 печатных работ, в том числе 2 авторских свидетельства.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем 240 страниц, в том числе 209 страниц текста, 31 иллюстраций. Список литературы состоит из 107 наименований.

Работа выполнена с использованием материалов, полученных: в Прикаспийском отделении НВНЙИГГ при проведении экспериментов с МГД-генератором (1987 - 1990 гг., г. Астрахань); в Александровской опытно-методической экспедиции ГГП "Центргеофизика" при проведении поисковых электроразведочных работ в Астраханской области (1991 - 1993 гг.); в Саратовской геофизической экспедиции НВНЖГТ при- проведении полевых работ в Саратовском Заволжье (1991 - 1993 гг.).

Исследования по теме диссертации выполнены автором в период обучения .в заочной аспирантуре при ВНИИГеофизике (г. Москва, 1987 - 1990 гг.) под научным руководством доктора технических наук, профессора И.А. Безрука, которому автор выражает искреннюю признательность, и работы в НВНИМГГ (научное руководство работами в области совершенствования методов электроразведки осуществлялось доктором технических наук, член.-корр. РАЕН Тикшаевым В.В.).

Немалую помощь в проведении исследований оказали автору большие энтузиасты элек