Введение к работе
Актуальность проблемы. Картирование является важнейшим инструментом изучения свойств геологических объектов. При этом значимая роль задач картопостроения определяется не только необходимостью удобного картографического представления имеющейся информации, но и осуществления анализа пространственных закономерностей изменения комплекса различных показателей, а также сопоставления модельных представлений с фактическими данными. Широкий круг геологических вопросов, в которых используется построение карт, определяет множественность и разнообразие задач, связанных с картопостроением.
Развитие технических средств измерения данных, дистанционного зондирования и телеметрии обеспечивает получение и накопление в больших объемах информации о свойствах геологических объектов, чем определяется необходимость использования автоматизированных методов обработки этих данных. В свою очередь, развитие вычислительной техники и компьютерных геоинформационных методов определяет постоянное увеличение числа содержательных геологических задач, связанных с обработкой пространственной информации, их постоянное усложнение и повышение комплексности.
К настоящему времени разработано и активно применяется на практике большое число различных программных продуктов как предназначенных только для решения задач картирования, так и специализированных программных комплексов, например, геоинформационных систем, геологического моделирования нефтегазовых месторождений, включающих в себя модули построения карт в качестве составных элементов.
Применяемые в программных средствах методы компьютерного картирования отличаются большим разнообразием, что обусловлено неоднозначностью восстановления значений параметра в пределах всей области картирования по ограниченному набору исходных данных. В этих условиях при использовании различных методов картирования существенно отличаются решения вопросов оценки точности построенных карт, анализа влияния погрешностей имеющихся данных, выбора модельных условий, отвечающих наблюдаемым значениям, и многое другое. Этим также определяется то, что в существующих и разрабатываемых программах по-разному решаются вопросы эффективности комплексирования возникающих математических, компьютерных и геологических проблем. Причем набор математических проблем в значительной степени ограничивает или делает более сложным реализацию решения и содержательных геологических задач.
Как показывает практика, наибольшие возможности в решении широкого круга задач геологического картирования обеспечивают методы, отличающиеся общностью математической постановки и реализующие глубокие
модельные представления о свойствах картируемых объектов.
В полной мере это относится к сплайн-аппроксимационному подходу решения задач геокартирования, развитие которого заложено в работах A.M. Волкова, А.Н.Сидорова, СВ. Торопова, В.И. Пяткова, В.М. Яковлева и других ученых. В рамках этого подхода уже к концу 70-х годов XX столетия были разработаны теоретические основы и созданы программные средства, которые позволили реализовывать модельные представления в виде дифференциальных уравнений в частных производных. Этим были обусловлены простота, надежность и эффективность решения многих задач, в том числе, например, таких, как учет косвенной информации.
Актуальность дальнейшего развития теоретических вопросов, разработки и совершенствования программного обеспечения на основе использования сплайн-аппроксимационного подхода определяется необходимостью решения новых содержательных задач, связанных с картированием свойств геологических объектов, и использования в максимальной мере возможности современной компьютерной техники.
Цель исследований заключается в разработке методов и программных средств применения сплайн-аппроксимационного подхода к решению широкого круга вопросов картирования свойств геологических объектов, обеспечивающих реализацию разнообразных модельных представлений, оценку погрешностей полученных результатов и предоставляющих возможности по созданию и гибкому управлению применяемых технологий решения задач, связанных с картопостроением.
Задачи исследований
Анализ современных задач картирования свойств геологических объектов с использованием компьютерных технологий, сравнение подходов к их решению в рамках различных методов, определение перспективных направлений развития сплайн-аппроксимационных методов в решении задач геокартирования.
Обобщение опыта сплайн-аппроксимационной постановки и решения задач построения карт геологических параметров с целью обеспечения возможностей реализации в рамках единого программного продукта широкого спектра модельных представлений о закономерностях пространственного изменения свойств геологических объектов и их взаимосвязей.
Разработка методов оценки достоверности выполненных построений, в том числе для участков карт, слабо охарактеризованных фактическими данными, и методов анализа приемлемости модельных условий, задаваемых для описания пространственных закономерностей изменения картируемого параметра.
Определение основных геоинформационных элементов технологии
решения комплексных геологических задач, связанных с картопостроением, разработка методов интерфейсного обеспечения их определения, создания и хранения и, на этой основе, автоматизации получения конечных результатов при изменении исходных данных, отдельных технологических составляющих или их взаимосвязей.
Разработка программных средств, реализующих методы картирования свойств геологических объектов в рамках сплайн-аппроксимационного подхода и обеспечивающих построение и автоматизацию гибких технологий решения комплексных геологических задач, связанных с картопостроением.
Апробация разработанных методов и программных средств в решении практических задач картирования, анализа и моделирования свойств геологических объектов Западной Сибири.
Научная новизна
Выполнено обобщение накопленного опыта постановки и решения вопросов картирования свойств геологических объектов на основе сплайн-аппроксимационного подхода.
Разработаны методы алгоритмизации решения задач, связанных с картопостроением, позволяющие создавать, настраивать, протоколировать и редактировать последовательность выполняемых работ и осуществлять автоматическое перестроение необходимых объектов при изменении исходных данных или модельных представлений.
Обоснованы методы оценки устойчивости результатов построения карт, при исключении имеющихся или добавлении новых данных, с возможностью определения этого показателя во всех точках области картирования, в том числе в зонах с низкой плотностью расположения данных.
Разработаны методы расчета дисперсий возможных отклонений в результатах картирования, обусловленных погрешностями в исходных данных или в модельных представлениях.
Предложены методы, обеспечивающие необходимую детальность и точность построения карт при существенной неоднородности размещения фактических данных и ограниченности ресурсов вычислительной техники. Решена задача моделирования поверхностей с разрывными нарушениями с использованием сплайнов на регулярных прямоугольных сетках, на основе их разномасштабной композиции в окрестности разломов.
Обоснован метод, обеспечивающий высокую скорость и точность определения и учета интегральных показателей в областях, имеющих сложную геометрию границ. Разработан метод районирования геологических объектов по комплексу многопараметрических данных, который сочетает в себе элементы использования статистического аппарата главных компонент и возможность согласования с имеющейся косвенной информацией о свой-
ствах рассматриваемых геологических объектов. Защищаемые положения
Обобщенная постановка метода решения задач картирования свойств геологических объектов на основе аппроксимации кубическими сплайнами, включающая введение и детализацию понятий глобальных и локальных уравнений, строгих и нестрогих связей, обеспечивает решение широкого круга задач геокартирования с возможностью многокритериальной оптимизации конечных результатов, с учетом разнородных косвенных данных, а также модельных представлений, описываемых уравнениями в частных производных второго порядка.
Принципы алгоритмизации геоинформационных технологий, заключающиеся в формализации основных объектов - таблиц, покрытий, гридов и их иерархии, и разработке для них соответствующих методов построения и визуализации, обеспечивают возможность создания эффективных программных средств по автоматизации решения геологических задач, связанных с картопостроением.
Разработанные методы оценки дисперсии погрешностей картирования, обусловленных погрешностями исходных данных и используемых модельных условий, обеспечивают возможность оценки ошибок результатов построений в произвольной точке карты. Предложенный метод оценки устойчивости позволяет в произвольных точках области картирования, в том числе и на участках слабо охарактеризованных фактическими данными, оценивать соотношение ошибок аппроксимации и ошибок прогноза, как для значений картируемого параметра, так и для значений производных или более сложных конструкций, описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных.
Практическая реализация сплайн-аппроксимационных методов в комплексе с алгоритмизацией геоинформационных технологий к решению задач геокартирования в программном комплексе GST обеспечивает возможность решения широкого круга геологических задач, таких как выполнение структурных построений, оценка запасов месторождений нефти или гидроминеральных ресурсов подземных вод, районирование подземных вод по комплексу гидрогеохимических показателей и многие другие.
Методы исследований и фактический материал
Исследования основывались на анализе современных задач геокартирования, обусловленных активным развитием технических средств получения, хранения и обработки данных о свойствах геологических объектов, и опыта их решения с использованием компьютерных технологий. Для создания надежных и эффективных вычислительных алгоритмов реализовыва-лись возможности глубокой аналитической проработки математических во-
про сов применения бикубических сплайнов в решении рассматриваемых задач. В исследованиях использовались методы численных экспериментов для оценки достоверности применения существующих и разработанных подходов к задачам картопостроения.
В процессе выполнения работы использовались данные, характеризующие как на региональном, так и на локальном уровне, широкий спектр свойств геологических объектов Западно-Сибирского бассейна, в частности геометрию пластов, физико-химические свойства отложений, состав насыщающих флюидов, геотемпературный режим недр. Объем обрабатываемой информации по некоторым видам данных, например, сейсмических, достигал нескольких сотен тысяч определений.
Достоверность и обоснованность применения разработанных методов для решения задач картирования свойств геологических объектов обусловлена глубокой теоретической изученностью свойств сплайн-функций и их широким практическим применением в высокотехнологичных областях промышленности - машиностроении, авиастроении, гидроэнергетике и других. Богатый опыт в решении разнообразных теоретических и прикладных задач с использованием дифференциальных уравнений в частных производных определяет прозрачность и предсказуемость их применения и в качестве модельных условий, описывающих закономерности изменения изучаемых свойств геологических объектов. О достоверности и обоснованности предложенных методов свидетельствует практика успешного решения множества прикладных задач, относящихся к различным направлениям геологических исследований.
Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач, разработке методов их решения, в последующей программной реализации и практическом приложении к решению геологических, преимущественно гидрогеологических, вопросов, связанных в картопостроением.
Практическая значимость работы определяется повышением эффективности решения комплексных геологических задач, связанных с картопостроением, что обусловлено следующими особенностями используемого сплайн-аппроксимационного подхода и разработанного программного продукта GST:
Общностью математической постановки сплайн-
аппроксимационного подхода к решению задач картопостроения, что обеспечивает возможность вычислительной и интерфейсной реализации широкого спектра представлений о закономерностях изменения картируемых параметров и их связей с другими свойствами изучаемых геологических объектов.
- Возможностью конструирования, архивирования, редактирования и
автоматизации технологии решения широкого круга геологических задач, связанных с картопостроением. А также применения разработанных технологий в виде «шаблонов», доступных для использования в аналогичных задачах.
Возможностью оперативного анализа ошибок выполненных построений с учетом погрешностей исходных данных и используемых модельных условий.
Единством методической основы решения задач построения карт, в том числе для моделирования поверхностей с дизъюнктивными нарушениями и для выполнения композиционных построений разномасштабных карт и карт, имеющих смежные области. Наличием встроенных расширенных средств для решения специализированных задач, например, подсчета запасов углеводородов в залежах.
Апробация результатов. Результаты работы докладывались на сибирской конференции «Методы сплайн-функций» (Новосибирск, 2001), на Всероссийской научной конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна» (Тюмень 2000 г.), на научно-практических конференциях «Пути реализации нефтегазового потенциала ХМАО» (Ханты-Мансийск, 2001, 2003 и 2007 гг.), «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2003 и 2004 гг.), на Международной конференции по вычислительной математике МКВМ - 2004 (Новосибирск, 2004 г.), на Международной конференции «Фундаментальные проблемы нефтегазовой гидрогеологии» (Москва, 2005 г.), на научно-практической конференции «Теория и практика геолого-экономической оценки разномасштабных нефтегазовых объектов. Актуальные проблемы подготовки и освоения углеводородной сырьевой базы» (Санкт-Петербург, 2008 г.), на XIX и XX Всероссийских совещаниях по подземным водам Сибири и Дальнего Востока (Тюмень, 2009 г., Иркутск, 2012 г.), на Всероссийской конференции «80 лет ГИГЭ ТПУ» (Томск, 2010 г.), на Российской конференции, посвященной 80-летию со дня рождения Ю.С. Завьялова "Методы сплайн-функций"(Новосибирск, 2011 г.), на семинаре Института математики и механики УрО РАН (Екатеринбург, 2011 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна», к 100-летию Н.К.Байбакова, (Тюмень, 2011 г.), на семинаре Института математики СО РАН (Новосибирск, 2012 г.).
Реализация результатов работы. Представленные в работе алгоритмы и подходы являются составной частью программного комплекса GST, который используется во многих геологических и нефтяных организациях и компаниях Тюменской области, некоторых других регионов России и за рубежом. С его помощью проведена оценка запасов Иусского, Котыльинского,
Западно-Талинского, Восточно-Каменного, Южно-Хангокуртского, Сергин-ского, Западно-Яганокуртского и других месторождений нефти и газа. Выполняется построение структурных карт как региональных, так и по отдельным площадям. Комплекс активно использовался в решении задач оценки потенциальных ресурсов нефти и газа в неокомских отложениях Среднего Приобья (2004 г.), а также при оценке гидроминеральных ресурсов апт-сеноманских и неокомских отложений на территории ХМАО-Югры (2002 г.).
Разработанные методы и программные средства использовались в учебных курсах «Геологическое картирование», «Моделирование поисково-разведочного процесса» и «Подсчет запасов нефти и газа на ЭВМ» обучения студентов специальности «Геология нефти и газа» ТюмГНГУ. Программа GST успешно применяется при оценке запасов подземных вод апт-альб-сеноманского комплекса с целью использования в системе поддержания пластового давления при разработке нефтяных залежей Западной Сибири, а также для обоснования возможных объемов утилизации излишков подтоварных вод (с 2000 года и по настоящее время). Разработанные методы использовались при оценке потенциала нефтеносности восточной части ХМАО-Югры и прилегающих районов (2010 г.), в работе по оптимизации системы разработки Урненского и Усть-Тегусского месторождений (2011 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 46 работ, в том числе 10 статей в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендуемых ВАК для защиты докторских диссертаций. В автореферате приведены основные публикации по теме диссертации.
Структура работы. Диссертационная работа изложена на 248 страницах, состоит из предварительного раздела с ее общей характеристикой, введения, шести глав, заключения, списка использованных источников (174 наименований), двух приложений и содержит 104 рисунка и 20 таблиц.
Похожие диссертации на Картирование свойств геологических объектов на основе сплайн-аппроксимационного подхода
