Введение к работе
Актуальность исследования. На сегодняшний день во многих практических задачах встречается необходимость сопоставления данных нерегулярной структуры. Так в процессе трехмерного геологического моделирования используются данные, полученные различными способами на этапе разведки и во время разработки месторождения. В результате, на основе анализа имеющейся информации, можно с определенной точностью предсказать, какими характеристиками обладают участки изучаемого месторождения, расположенные на удалении от пробуренных скважин, и как эти свойства будут изменяться в процессе разработки залежи нефти или газа.
При построении модели обычно используются два принципиально разных источника информации: результаты измерений, производимых вдоль ствола пробуренной скважины, и данные сейсморазведки. Скважинные данные показывают, как с глубиной изменяются свойства пород и насыщающих их флюидов (углеводороды и вода). Но в силу специфики проведения сейсморазведочных работ, все результаты, представляющие собой совокупность упругих характеристик геологической среды, привязываются не к определенной глубине, а к временному интервалу, который разделяет моменты испускания и получения сейсмического сигнала на поверхности.
Таким образом, в процессе трехмерного геологического моделирования появляется необходимость одновременного использования данных из разных областей: глубинной и временной. Решением такой задачи является построение скоростного закона: зависимости времени от глубины. Очевидно, что качество найденной зависимости будет непосредственно влиять на точность воспроизведения структурной модели месторождения, и, следовательно, - на точность предсказания свойств пласта на неразбуренных участках.
Скоростной закон необходимо найти везде, где имеются данные сейсморазведки, т.к. при проектировании новых скважин и определении их траекторий моделируемые особенности залегания пластов будут рассматриваться в глубинной области. В случае трехмерной сейсморазведки такой закон устанавливается для всего объема данных, которые покрывают обширные площади и простираются на большие глубины. Но первым этапом в этой работе чаще всего является нахождение скоростной зависимости вдоль ствола скважины. Для этого в околоскважинном пространстве производится измерение различных показателей, отвечающих за акустические характеристики пород (скорость распространения волн). Имея такие данные, можно предсказать, как бы выглядели результаты сейсморазведки вдоль ствола скважины. Результатом искусственного расчета сейсмических амплитуд на основе скважинных измерений является синтетическая сейсмограмма. Так как сейсморазведочные данные можно извлечь в той области, где непосредственно проходит скважина, то после построения
синтетической сейсмограммы есть возможность сравнить ее с реальной сейсмической трассой, проходящей вдоль ствола скважины.
Обе эти последовательности представляют собой числовой ряд нерегулярной структуры.
Теоретически последовательности должны совпасть в том случае, когда скоростной закон, полученный из акустического и сейсмического каротажей, является абсолютно точным. На практике в силу различных причин, описанных в первой главе диссертации, получаемый скоростной закон неточен, и его необходимо корректировать.
На данный момент в наиболее распространенных программных пакетах для создания трехмерной геологической модели (компаний Schlumberger, Roxar, Landmark, Paradigm) работа по так называемой «привязке» сейсмической информации к скважинным данным возложена на пользователя. Программа помогает построить синтетическую сейсмограмму вдоль ствола скважины. Также на основе скважинных данных строится первое приближение скоростного закона, который и редактирует пользователь, пытаясь обеспечить максимальное совпадение оригинальных и синтетических данных сейсморазведки.
В программном продукте DV-SeisGeo (компания «Центральная геофизическая экспедиция») предложен инструмент по автоматизации процесса корректирования скоростного закона на основе минимизации коэффициента корреляции между двумя рядами данных. Данное решение обладает существенным недостатком. В силу особенностей используемого алгоритма оптимизации (имитационного аннилинга) требуется подбор параметров, которые обеспечат сходимость процесса, что не всегда реализуемо.
Таким образом, актуальной является задача разработки эффективного и выполнимого за реальное время алгоритма, позволяющего автоматизировать процесс «привязки» сейсмической информации к скважинным данным. Эта задача, как показано в диссертации, сводится к кусочной идентификации данных нерегулярной структуры.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка программного комплекса для автоматизации процесса подбора скоростного закона на основе метода сопоставления данных нерегулярной структуры, предложенной математической модели и развитых в диссертации алгоритмов оптимизации, что повысит эффективность процесса трехмерного геологического моделирования.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следуюшие основные задачи:
Проведен анализ существующих способов решения задачи подбора скоростного закона и выявлены их слабые стороны;
Проведен анализ используемых на практике характеристик степени подобия двух массивов данных нерегулярной структуры и предложен критерий, наиболее соответствующий специфике сейсмических данных;
Разработана математическая модель получения синтетического аналога сейсмических данных, отвечающая требованиям поставленной задачи;
Модифицирован алгоритм оптимизации, позволяющий эффективно решать задачу подбора скоростного закона с заданной точностью;
Осуществлена реализация алгоритма в виде программного приложения к комплексу программ геологического моделирования.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы анализа временных рядов, методы оптимизации многоэкстремальных задач, корреляционный анализ. Для программной реализации использованы языки программирования C++ и С#, среда разработки Microsoft Visual Studio 2005.
Практическая значимость. Результаты данной работы позволяют автоматизировать процесс создания скоростного закона вдоль ствола скважины. За счет введения упрощенной математической модели, включающей только явно выраженные экстремумы исследуемых данных, сокращается время, необходимое на проведение расчетов при решении задачи оптимизации. В то же время автоматизация не исключает работу эксперта из процесса скоростного моделирования: именно специалист, использующий данный алгоритм, устанавливает предельные значения параметров модели (пластовых скоростей), выбирает форму импульса для создания синтетической сейсмограммы и корректирует модель при проведении анализа качества исходных данных и полученных результатов.
Созданный в рамках работы программный комплекс можно использовать в профессиональных программных продуктах для сейсмической интерпретации и геологического моделирования.
На защиту выносятся:
Метод оценки степени подобия двух рядов данных нерегулярной структуры, позволяющий автоматизировать это процесс.
Математическая модель, описывающая процесс построения синтетической сейсмограммы на основе отфильтрованных экстремумов акустических данных, и результаты ее исследования.
Алгоритм автоматического подбора скоростного закона на основе последовательного применения глобальной и локальной оптимизации и параметры алгоритма.
Результаты исследования данных нерегулярной структуры на основе разложения в ряд Фурье, устанавливающие область применения данного метода для данных нерегулярной структуры.
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами:
1. Разработана математическая модель, использующая предложенную меру подобия двух числовых рядов нерегулярной квазипериодической структуры и
позволяющая, основываясь только на ярко выраженных экстремумах нерегулярных данных, воспроизводить их характер и структуру;
Разработан алгоритм решения задачи нелинейной оптимизации многоэкстремальной функции многих переменных на основе модифицированного генетического алгоритмы с последующим уточнением результата методами поиска локального минимума;
Разработан программный комплекс «Velocity Model» для автоматизации процесса подбора скоростного закона на основе предложенной математической модели и развитых в диссертации алгоритмов оптимизации.
Достоверность результатов исследования обеспечивается корректным применением методов оптимизации и анализа временных рядов; адекватностью предложенной модели, определяющей степень подобия двух числовых рядов нерегулярной структуры, реальным задачам интерпретации геофизических данных; результатами применения разработанной модели и созданного на ее базе программного комплекса с использованием данных разрабатываемых месторождений нефти и газа.
Публикации и апробация. Основное содержание диссертационной работы было отражено автором в 7 печатных работах (1 работа опубликована в издании, рекомендованном ВАК для защиты докторских и кандидатских диссертаций). Результаты диссертационной работы прошли апробацию на научных конференциях: Научно-практическая конференция ИНФО-2008, МИЭМ, Москва,
г.; IX международная конференция «Новые идеи в науках о земле», Москва,
г.; Научно-практическая конференция ИНФО-2009 «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий», Сочи, 2009 г.; Международный форум «Новые информационные технологии и менеджмент качества», Европейский центр по качеству, Москва, 2009 г.; XXII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях», Псков, 2009 г.; VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», Москва, 2010 г.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 96 наименований и 5 приложений. Работа содержит 174 страницы, включая 50 рисунков и 2 таблицы.
