Методология автоматизированной комплексной обработки геолого-геофизической информации при поисках и разведке угольных месторождений Попов, Виктор Владимирович

Введение к работе

"Актуальность проблемы. Наряду с нефтью и газом уголь занимает важное место в топливно-энергетичевком комплексе СССР и многих цромышленно развитых стран мира. Дальнейшее развитие угольной промышленности, предусмотренное решениями ХХУП съезда КПСС, ставит новые задачи и повышенные требования к геологической и экономической эффективности разведочных работ. Повышение качества разведки угольных месторождений, точности и надежности данных может быть достигнуто путем оптимизации комплексов исследований и углубленной обработки геолого-геофизйческой информации с помощью современной вычислительной техники. Совместным Постановлением ГКНТ СССР и Президиума.АН СССР # 573/137 от 10 ноября , 1985 г. было пеставлено задание на создание и разработку во ЕНИГРИуголь Мингео СССР автоматизированной системы обработки геологической информации и горно-геологического прогнозирования при разведке твердых горючих полезных ископаемых.

Целью исследований является разработка методологии автоматизированной комплексной обработки геолого-геофизической информации и оптимизации разведочного комплекса методов с целью повышения оперативности, точности и надежности оценок параметров, опредедя-щих промышленную ценность угольных месторождений.

Основой методологии автоматизированной обработки геолого-геофизических данных приняты системный и информационный анализы процесса поисков и разведки угольных месторождений, а способом ее реализация-комплексная обработка ішформации.

Основные задачи исследований:

1. Выполнить системный анализ процесса поисков и разведки угольных месторождений, цроизвести декомпозицию системы, выделить иерархические уровни обработки и накопления информации, элементы и установить связи между ними.

2. Провести информационный анализ процесса поисков и разведки, количественно оценить информационные потоки на разных уровнях обработки и стадиях разведки месторождений, выделить основные уровни накапливания информации, и разработать для них логические структуры баз данных.

3. Выделить и сформулировать основные геологические задачи, решаемые в процессе поисков и разведки угольных месторождений*

4. Исследовать методологические вопросы автоматизированной

- г -

комплексной интерпретации данных каротажа утлеразведочных скважин.

5. Лредложигь автоматизированную методику определения мощности, строения, физических свойств и показателей качества угольных пластов по данным комплекса геолого-геофизических исследований.

6. Разработать автоматизированную методику литологического расчленения разрезов скважин и оценки физико-механических свойств вмещающих пород по комплексу геолого-геофизических исследований скважин.

7. Обосновать методику математического моделирования геологических структур с целью анализа тектонического строения месторождения и выявления малоамплитудных нарушений.

8. Разработать методику оптимизации комплекса геолого-геофизических методов исследования ;углеразведочных скважин.

Ме^элы исследований, Для решения задач, поставленных перед диссертацией, использовался комплекс методов. Метод системного анализа применялся для исследования процесса поисков и разведки угольных месторождений как единой системы сбора и обработки подученных данных на разных организационных уровнях и стадиях. Информационный анализ позволил рассмотреть поиски и разведку угольных месторождений как информационный процесс, распределенный в пространстве и времени. Прямые задачи каротазса сопротивлений, потенциалов собственной поляризации и гамма-каротажа решались численно методами дифференциальных и кнтерградьккх уравнений, математического я физического моделирования. Решение задач диалогического расчленения скважин, определения показателей качества углей и физико-механических свойств пород выполнялось методами математической статистики, многомерного корреляционного к регрессионного анализа,распознавания. Петрофизические исследования выполнялись путем измерений в скз&ташах, лабораторных испытаний образцов углей и вмещающих пород, а также с помощью математического моделирования. Задача выявления малоамллитудикх тектонических нарушений решалась методами пространственного геометрического моделирования, аппроксимации геологических поверхностей напластования тренд-поверхностями к статистический анализом "остаточного тренда", деталькой корреляцией разрезов скважин. Оптимизация геолого-геофизического комплекса выполнялась методами информационного анализа, линейного и целоч-! ленного црограммЕрозакия. Оценка информативности геолого-геоазк-ч.'їских комплексов и отдельных методов выполнялась путем сравнения

результатов с данными по горным выработкам. Научная новизна.

Впервые процесс поисков и разведки, угольных месторождений рассмотрен как информационная система, имеющая сложную иерархическую структуру. Выделены 4 уровня обработки 5 уровней накопления информации,количественно оценена информация на разных стадиях разведки и уровнях обработки. Выделены и сформулированы основные задачи, решаемые на разных уровнях^ Разработана общая схема автоматизированной системы обработки геолого-геофизической информации при поисках и разведке угольных месторождений (АСОИ-Углеразведка).

В системе разведки геофизические исследования скважин играют роль источника первичной независимой информации, специфика которой сохраняется лишь на первом уровне обработки. Разработана методология комплексной обработки геолого-геофизических данных го углеразведочным скважинам. Надежность результатов обеспечивается надежностью отдельных измерений и избыточностью информации.

Комплексная интерпретация геолого-геофизических данных выполняется на основе многомерных петрофизических моделей, при этом происходит смена понятий. Комплексные петрофизические модели носят вероятностно-статистический характер и математически могут быть выражены многомерными"нелинейными уравнениями регрессии, тренда, распознавания образов, суммирования последовательных разностей, информационных мер, линейного и дискретного программирования.

В первом приближении положение контактов пластов определяется по комплексу геофизических измерений положением максимума на суммарной кривой последовательных разностей. Точное определение мощности и физических свойств тонких пластов выполняется методом последовательных приближений физических моделей с помощыс решения прямых задач геофизики.

Выполнены решения прямых задач поля потенциалов и градиента потенциалов собственной поляризации, каротажа сопротивлений и гамма-каротажа для условий тонкого, переслаивания и крутого залегания пластов. При углах падения свыше 45 против контактов пластов на кривых потенциалов собственной поляризации и гамма-карота-зка появляются дополнительные характерные точки с пониженным' градиентом, на кривых градиента потенциала собственной поляризации

- 4 -экстремальные точки раздваиваются. Против контакта пород разной плотности максимальный градиент на кривой ГК смещен в сторону пласта пониженной плотности. Представления о поверхностных зарядах позволяют свести прямую задачу каротажа сопротивлений к системе линейных уравнений и получить численное решение для многослойного разреза с учетом влияния скважины и промытой зоны.

- Распределение геофизических свойств пород угленосных отложений пересекаются в многомерном признаковом пространстве, минимизация ошибок классификации достигается выбором граничных условий для построения разделяющих дискриминантных гиперповерхностей.

Петрофизическая модель удельного сопротивления углей устанавливает количественные зависимости от степени метаморфизма, содержания минеральных примесей, текстурных особенностей, анизотропии, пористости, влагонасыщенности и минерализации пластовых вод. Модель рассеивания и поглощения неДтронов в породах угленосной толщи устанавливает связь времени жизни и коэффициента диффузии тепловых нейтронов с марочным составом, зольностью, пористостью, влагонасыщенностью и химическим составом углей к вмещающих пород.

Миогсдизрние связи меяду показателями качества углей (зольностью, влажностью, выходом летучих веществ, толщинок пластического слоя,удельной теплотой сгорания) и их физическими свойствами (удельны:,¹: злектрпчєскізі сопротивлением, поляризуемостью, радиоактивностью, Еренекек жизни к коэффициенте:,! дЕфсїузицяи тепловых нейтронов) носят Бероятнос'гко-ста\'иеткчеекк! характер, могут бить ксподьзованн для ецзкки показателей кач^тва углей.

Многомерная связь модду физігкс-мехаїізчесіїклв: свойствами пород (проделом прочности на одноосное сглтие и растяжение, пористость», плотностью, влажностью, модулем упругости) и геофизическими измерениями в скважинах кокет быть аппроксимирована в ввде нелинейных многомерных, уравнений регрессии и использована для оценки физико-механических свойств пород.

При анализе тектонического строения постседиментацконных складчатых структур на поверхности остаточного тренда разрывные нарушения выделяются резкими знакопеременными отклонениями, а пликативные - плавными переходами через нулевое значение. Вероятность выделения шлоамдлнтудннх нарушений тем выше, чем больше плотность разведочной сети и отношение амплитуда к погрешности определения координат.

Информативность геолого-геофизических комплексов и отдельных методов может быть оценена с помощью мер теории информации для 4 основных типов задач: разпознавания, корреляции, выделения сигналов на фоне помех и прямых измерений.

Выбор геолого-геофизического комплекса исследований скважин сформулирован как задача оптимизации по параметру максимальной информативности и миншума затрат, решение которой сводится

к задаче целочисленного программирования и комбинаторике. Типовые комплексы геофизических исследований углеразведочных скважин не достигли оптимального уровня и их необходимо пополнить новыми высокоэффективными методами: импульсным нейтронным, углеродно-кислородным, акустическим видеокаротажем и другими. Экономическая эффективность каротажа должна быть повышена за счет одновременной многоканальной цифровой записи геофизических параметров и автоматизированной углубленной обработки полученных данных.

Достоверность научных результатов, полученных теоретически, многократно проверялась экспериментально в производственных условиях путем сравнения конечных результатов - оценок по предлагаемым методикам определения мощности, строения и показателей качества углей, литологического состава и физико-механических свойств пород, параметров малоамплитудных тектонических нарушений с данными других методов: кернового опробования, данных лабораторных анализов проб, физического моделирования, измерений в горных выработках. По всем выявленным закономерностям установлены пределы применимости, доверительные интервалы и возможные расхождения оценок. Оптимальные комплексы с применением новых методов: импульсного нейтрон-нейтронного, гамма-спектрометрического, бокового, акустического каротажа проверялись в скважинах на угольных месторождениях разных типов.

Практическая значимость работы. На основании методологии комплексной обработки геолого-геофизкческой информации был разработан ряд конкретных методик:

техническое задание и технический проект автоматизированной системы АСОИ-Углеразведка;

алгоритмы и программ для интерпретации данных каротажа углеразведочных скважин, позболяещиє повысить точность определения мощности, строения и физических свойств пород тонкослоистой среда;

методика определения показателей качества угольных пластов по комплексу геофизических измерений в скважинах;

- б -

методика литологического расчленения разрезов скважин методом дискриминантных функций по комплексу данных ГИС;

методика определения физико-механических свойств пород по данным комплекса ГИС;

методика выявления малоамплитудных тектонических нарушений методом математического моделирования геологических поверхностей;

методика определения информативности геолого-геофизических комплексов и отдельных методов, а также количественной оценки надежности получаемых результатов;

методика оптимизации геолого-геофизичзских комплексов исследований в утлеразведочных сквааинах.

Реализация результатов. Все основные- методические разработки диссертационной работы прошли производственные испытания и последующее внедрение в геологоразведочных предприятиях страны.

Результаты НИР по системному и информационному анализу процесса поисков и разведки угольных месторождений были реализованы в виде технического задания (1986 г.) и технического проекта (1987 г.) межотраслевой автоматизированной системы обработки геологической.информации и горно-геологического прогнозирования (АСОИ-Углеразведка), утвержденные заместителем Министра геологии СССР.

Автоматизированная методика определения фазнконяеханичес-кях свойств пород по комплексу ГИС внедрена в ИГО "Ворошловград-геодогия" (IS72-IS79 гг.), "Донбассгеологая" (1973-1979 гг.), "Юшзология" (1979-1983 гг.), "Залспбгеологйя" (1976-1979 гг.), "Красноярскгеология" (1934-1985 гг.).

Автоматизированная методика определения показателей качества угольных пластов по комплексу ШС внедрена б 1972-1975 гг. в трестах "ВорошЕлозгргдгеология" и "Днепрогео^азшса", б 1977 г. -1978 г. на мес торошениях Киргизской ССР, в 1984-1985"гг. в ПГО "Красноярскгеология".

Методика выявлений' малоашлитудных тектонических нарушений іготодом математического моделирования геологических поверхностей црояла вроиззодственшіо испытания к внедрение в І970-І9?3,гг. в Волго-Донском ТІУ и тресте "Днепрогеология", в 1980-1986 гг. внедрялся И.Н.Власовым усовершенствованный вариант методики з ПГО "Донбзссгеология" и "Ворошловградгеология".

Общей экономический эффект от разработок автора превышает 900 тыс.рублей.

'- 7 -

Апробация работы» Основные положения диссертации докладывались на Ш, У,'71, УП, УШ Всесоюзных геологических совещаниях по твердым горючий ископаемым (г. Ростов-на-Дону 1967, 1977, 1981, 1986 гг., г.Іьвов, 1980 г.), на УП Всесоюзной научно-технической геофизической конференции (г.Львов, 1972 г.), на Всесозных семинарах (г.Ростов-на-Дону, 1973 г., г.Москва, ВДНХ СССР, 1979г.), на республиканских конференциях (г.Днепропетровск, 1967 г., г. Донецк, 1967 г.), на П Дальневосточной геологической конференции (г.Артем, Приморского края, 1974 г.), на Всесоюзной конференции "Перспективы прогнозирования горно-геологических условий разработка" (г.Шахта, 1976 г.), на Ветошных школах передового опыта (г.Ростов-на-Дону, 1971, 1976, 1977, 1982 гг., г. Москва, ВДНХ СССР, 1979, 1984 гг.), на УП Всесоюзном семинаре по оптимизации горных работ (г. Новосибирск, Академгородок, 1985 г.).

Публикации. Результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 50 печатных работах, в том числе в одной монографии, 6 брошюрах, 40 статьях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения общим объемом 300 страниц Гіжзшописного тэкс-та, 42 таблицы, 93 иллюстраций и список дятерагуры на 503 ияннэ-нования.