Введение к работе
Объектом исследования являются: аппаратура цифровой записи параметров каротажа (АЦЗПК), цифровые магнитные регистраторы (ЦМР) и регистраторы каротажных диаграмм (РКД) автоматических каротажных станций, устройство ввода служебной информации, устройство для селекции импульсов глубины скважины от импульсов помех, интерфейсный блок согласования ЦМР с ЭВМ, программно-аппаратный комплекс (ПАК) для геофизических исследований скважин (ГИС) на основе микропроцессорных вычислительных средств (МПВС) и электростатическое печатающее устройство (ЭСПУ).
Предметом исследования являются комплекс программ ввода и предварительной обработки POISK-2, алгоритмы программы ввода и контроля данных информационной таблицы записи, анализа стандарт-сигналов, восстановления сигналов по его реализациям в различных масштабах, автоматическая коррекция границ интервалов кодов глубины, редактирование каротажных диаграмм (КД) в диалоговом режиме, программный модуль для оценки качества введенной информации, значения амплитуд, частот и фаз скрытых периодичностей, разностное уравнение авторегрессии - скользящего усреднения (АРСУ), оценки спектральной плотности и корреляционной функции, проекционные оценки плотности распределения, глубина залегания потенциально продуктивных нефтяных пластов.
Актуальность темы. Массовые ГИС возможны только при использовании интеллектуальных ПАКов, осуществляющих преобразование аналоговых каротажных сигналов в цифровой код, записи его на машинные носители информации, фильтрацию, распознавание и редактирование полученных дан-ных, обработку и регистрацию КД, привязанных к откорректированным с по-мощью МПВС значениям глубины скважины, и экспертных систем для после-дующей верификации и интерпретации отредактированных КД.
Решение проблемы автоматизации ГИС требует создания и совершенствования парка приборов, включающего цифровые регистраторы, компьютеризированные системы для производства работ отдельными скважинными приборами или комплексом скважинных приборов, цифровые каротажные станции, а также системы для ГИС программно-управляемыми приборами.
При этом особое место уделяется разработке новых принципов автоматизации процессов сбора, оперативной предварительной обработки и интерпретации результатов ГИС, широко использующих современные программные комплексы для классификации и распознавания КД и геологических объектов.
КД представляет собой кривую, отражающую изменение какого-либо одного параметра по глубине скважины. Зная значение этого параметра в различных породах и при различных мощностях пластов, можно на основе КД выполнить литологическое расчленение, т.е. определить тип и мощность изучаемых пластов, а также их возможную продуктивность. Тем не менее, по форме КД его возможно проводить только в идеальном случае, в реальных же условиях приходится применять более сложные методы, поскольку формируемые в тракте преобразования сигналов КД являются "зашумленными", и требуется идеи-
тификация шумов с последующим их "вырезанием".
Однако, нерешенными задачами остаются разработка оценок точности регистрации КД, сформированных датчиками скважинного прибора и переданных по каналу связи на регистратор каротажной станции, оценок ее достоверности, построение математической модели процесса регистрации, позволяющей количественно указывать, как влияют на точность записи различные помехи в канале связи, а также параметры регистратора и условия его работы.
К настоящему времени написано большое число работ, предлагающих самые разные процедуры статистического анализа сигналов вообще. Однако, оказывается, что единого и достаточно простого подхода как при выделении регулярных периодичностей, так и при статистическом анализе спектра и распределения стационарного процесса, каковым в большинстве случаев идентифицируются КД, нет. Уж очень много что зависит от априорной информации, от выбираемой функции потерь и от применяемой вычислительной техники.
Поэтому для автоматизации ГИС необходимы комплексные программные средства, по структуре, характеристикам и предназначению являющиеся инструментом для обработки и интерпретации КД и состоящие из головной программы (загрузчика) и набора программ-"инструментов". Головная программа управляет процессом обработки, выполняя, по выбору пользователя, работу тем или иным "инструментом". Сервисные программы обеспечивают взаимодействие с файловой системой хранения данных, выполняют справочно-информа-ционные и редакционные функции, а также оформление и представление результатов обработки.
Цель работы-проведение комплексных исследований, направленных на решение проблемы по совершенствованию и научному обоснованию методологических и технических решений, способствующих созданию эффективных программно-аппаратных средств и математического обеспечения для цифровой регистрации, компьютерной обработки и статистического анализа КД.
Для этого необходимо решить следующие задачи:
выбор и обоснование путем теоретических и экспериментальных исследований структуры и функциональных схем АЦЗПК и устройств ввода-вывода геофизической информации в МПВС, компьтеризированного ПАК для ГИС, принципов построения программного, лингвистического и информационного обеспечения ПАК, обеспечивающих цифровую запись каротажных сигналов и их оперативную предварительную обработку;
разработка теоретически обоснованных алгоритмов: ввода и контроля данных информационной таблицы записи; раскодирования глубины скважины с самокорреляцией интервалов кодов глубины; автоматического анализа качества стандарт-сигналов; восстановления сигнала по нескольким его реализациям с одновременным переходом к равномерному шагу по глубине; последовательной обработки информации с использованием диалога; запись и передача уровней стандарт-сигналов из одного участка информации в другой; печати содержимого каталога и архива ГИС в цифровом виде;
создание комплекса программ и процедур ввода в МПВС и предварите-
льной обработки каротажной информации, обеспечивающего реализацию алгоритмов обработки информации, включающей следующие этапы: создание базы данных и набора данных, ввода информации, разделение информации на участки, первичную обработку участка, редактирование каротажных сигналов на участке записи, предварительную обработку последовательности участков и графический вывод информации;
- разработка научно обоснованной методики для статического анализа КД, включающей выделение в их составе регулярных периодичностей, анализ спектральной плотности и ковариационной функции, а также одномерных функций распределения и плотностей распределения стационарной случайной составляющей КД, позволяющей дать оценку точности их регистрации, идентифицировать и отфильтровывать детерминированные и случайные помехи, и на основе реальной каротажной диаграммы производить литологическое расчленение разреза скважины.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные исследования.
Теоретические исследования базируются на использовании методов статистического анализа временных рядов в приложении к геофизическим сигналам. При создании АЦЗПК И ЦМР использовались теоретические основы радиоэлектроники, теория точной магнитной записи и теоретические основы вычислительной техники. Создание электростатических регистраторов базировалось на теории электростатики и электродинамики.
При создании программных комплексов использовались теория вероятностей и математической статистики, теоретические основы информатики и программирования, а также методы распознавания образов. При анализе КД они представлялись моделями АРСУ и скользящего усреднения, для определения регулярных периодичностей использован метод циклического спуска, для вычисления оценок спектральной плотности и корреляционной функции применялись метод уравнений Юла-Уокера и метод наименьших квадратов. Аппроксимация неизвестной плотности распределения осуществлялась с помощью метода проекционных оценок.
Для проверки теоретических положений были спроектированы и изготовлены устройства для записи цифровой и графической информации. Экспериментальные исследования АЦЗПК проводились с помощью методов ГИС, теории измерения электрических и механических величин. Интерпретация каротажной информации осуществляется на основе использования методов геолого-геофизических исследований литологической структуры разрезов скважин и теории корреляционного анализа.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена результатами системного анализа АЦЗПК, ЦМР, РКД, и компьютеризированных ПАКов, а также многолетним опытом их производственной эксплуатации.
Математические модели и алгоритмы, предложенные в работе, основаны на фундаментальных положениях функционального анализа, теории вероятное-
тей и случайных функций и теории статистического анализа временных рядов.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием аттестованных средств измерений точности регистрации КД, большим объемом экспериментального материала, проведением вычислительного эксперимента, статистическими методами обработки данных и хорошей воспроизводимостью результатов.
На защиту выносятся результаты исследования АЦЗПК и ПАКов, обеспечивающих высокую точность цифровой записи каротажных сигналов, создание алгоритмов и комплексов программ для их оперативной предварительной обработки и статистического анализа КД, способствующих повышению информативности и достоверности геофизической информации, а также надежности документирования и наглядности представления результатов ГИС, в том числе:
структурные и функциональные схемы блоков и устройств АЦЗПК, производящей усиление низкочастотных сигналов, их оцифровку и запись на ЦМР в соответствии с координатой глубины; РКД, обеспечивающих документирование графической и буквенно-цифровой информации, ЭСПУ, работающем на принципе развертывающего сканирования поля изображения электростатическим лучем, и компьютеризированных ПАКов, функционирующих на основе универсальной системы программного обеспечения, информационной модели, построенной в виде базы знаний, и интерактивном взаимодействии с оператором каротажной станции;
разработка комплекса программ ввода и предварительной обработки POISK-2; создание алгоритма расшифровки значений глубины, записанных в виде шестнадцатиуровневого кода, и закодированых номеров разрядов ЦМР; использование гистограммы кодов глубины для программной коррекции границ их интервалов; проведение оценки качества стандарт-сигнала путем анализа его уровней по всем каналам для данного метода каротажа и по величине реальных коэффициентов усиления; решение задачи восстановления единого сигнала путем приведения реализаций сигнала к тому масштабу, по которому производилась калибровка сигнала; принятие принципа организации информации, при котором распакованная по кадрам информация с одного листа ЦМР записывается в один последовательный файл-множество, состоящее из отдельных участков записи;
разработка программ ввода информации со специализированного устройства в ЭВМ; создание программ и процедур, обеспечивающих решение основных задач первичной обработки информации; разработка программ редактирования КД в диалоговом режиме, внедрение программ и процедур отображения информации в цифровом и символьном виде на АЦПУ на различных этапах обработки; создание комплекса программ графического вывода геофизической информации;
алгоритм и пакет программ выделения скрытых периодичностей, определение значения их амплитуд, частот и фаз; применение метода циклического спуска в случае известных частот и вычисление значений периодограммы для
некоторого окна данных в случае известных интервалов при определении частот; выбор в качестве математической модели представления помех КД модель стационарного случайного процесса, удовлетворяющего разностному уравнению АРСУ; алгоритм определения весовой последовательности проекционных оценок для аппроксимации неизвестной плотности распределения.
Научная новизна полученных результатов определяется впервые проведенными комплексными исследованиями, направленными на получение научно-обоснованных технических решений, способствующих созданию автоматизированных ПАКов двух поколений оригинальной структурной конфигурации, позволивших отказаться от использования шлейфового осциллографа и фотобумаги, как основного средства визуализации КД, и перейти к получению каротажных сигналов на машинных носителях, повысить надежность ГИС за счет увеличения количества и плотности записываемой информации, обрабатывать информацию по всей глубине скважины с помощью МГШС, а не на отдельных ее участках, как это делалось при ручной обработке, резко сократить время, повысить качество предварительной обработки КД, в ходе которых:
- разработан основополагающий для ПАКа первого поколения принцип многоканальной цифровой магнитной записи больших массивов каротажных сигналов, предложена покадровая структура и система кодирования полезной, служебной и сопроводительной информации; создан комплект блоков и устройств на основе отечественных элементной и конструктивной баз, позволяющий осуществлять масштабирование каротажных сигналов, преобразование их в цифровую форму, запоминание этих сигналов на магнитном носителе с последующим вводом в ЭВМ, вывод отредактированных КД и документирование их в виде твердых копий на бумажном носителе;
создан компьютеризированный ПАК второго поколения, обладающий системой программного обеспечения, легко модифицируемой под конкретные требования и имеющей возможность расширения новым комплексом задач и процедур обработки; предложен отличный от традиционного принцип информационного обеспечения, при котором ключевым понятием в базе данных ПАКа введен «фрагмент диалога»-текстовый файл, определяющий форму представления информации на экране, который описывает структуру участвующих в диалоге данных, является шаблоном выходного документа;
внедрена вторая версия комплекса программ ввода и предварительной обработки POISK-2, повысившая степень автоматизации и технологичности процесса оперативной обработки ГИС; разработан алгоритм программной коррекции границ интервалов кодов глубины, использующий гистограмму кодов, соответствующие которым цифры рассматриваются как случайные величины, имеющие нормальное распределение; создан алгоритм автоматической аттес-таци качества стандарт-сигналов и выбор наилучшего из них;
разработан алгоритм восстановления единого сигнала путем приведения реализаций сигнала к тому масштабу, по которому производилась калибровка сигнала, для точек, ближайших по глубине к расчетным значениям глубины, полученным при переходе к равномерному шагу; обеспечено редактирование
каротажных сигаалов на участке в диалоговом режиме; разработаны алгоритмы программ, для разрешения нестандартных ситуаций, когда исходные данные не полностью удовлетворяют требованиям; разработан алгоритм программы печати содержимого каталога и архива ГИС в цифровом виде;
создан комплекс программ ввода в ЭВМ и предварительной обработки каротажной информации, состоящий из шести групп, согласно выполняемым функциям реализует алгоритм обработки информации, включающий следующие этапы: создание базы данных и набора данных, ввода информации, разделение информации на участки, первичная обработка участка, редактирование последовательности участков и графический вывод информации;
предложена методика статистического анализа помех КД, рассматриваемых как сумму неслучайных незатухающих периодичностеи и сравнительно хорошо перемешанного во времени стационарного случайного процесса, включающая выделение регулярных периодичностеи, анализ спектральной плотности, кова-риационной функции и одномерных функций распределения и плотностей распределения стационарной составляющей помех; разработанная методика реализована с помощью пакета программ "СПЕКТР", включающего программы определения частот для случаев известных частот и известных интервалов, про-грамм для анализа спектра КД с помощью АРСУ и плотности распределения на основе применения проекционных оценок.
Практическая ценность. Созданные ПАКи двух поколений позволили решить проблему автоматизации ГИС в ОАО "Удмуртгеология" за счет обеспечения цифровой записи параметров каротажа, позволяющей вести их оперативную обработку с помощью МПВС по всей глубине скважины, и обеспечить информативность и наглядность документирования КД.
Многолетнее использование серийно изготавливаемых ПАКов в полевых условиях Удмуртии и севера Тюменской области показали их высокую надежность при записи и обработке каротажных сигналов.
Технический и экономический эффект от внедрения ПАКов первого поколения заключается в резком сокращении трудоемкости технологического процесса ГИС и расхода материалов, что привело к сокращению численности работников, занятых ГИС в расчете на одну скважину. За счет сокращения трудоемкости, времени обработки информации и принятия заключения по одной скважине достигается дополнительный эффект и в сфере промысловой эксплуатации скважин как прибыль от прироста добычи нефти и ускорения ввода скважин в эксплуатацию.
Результаты диссертации были использованы при создании, отработке и отработке и промышленной эксплуатации ПАКов двух поколений, входящих в состав автоматических каротажных станций.
Работа выполнялась в соответствии с планами госбюджетных НИР, проводимых ИжГТУ и Удмуртским производственным геологическим объединением: № ГР 32-8-78/25 «Разработка аппаратуры цифровой записи параметров каротажа для серийных каротажных станций. Разработка конструкторской документации и изготовление опытной партии»; № ГР 32-81-78/24 «Опытно-мето-
дические работы по освоению и внедрению новых методов ГИС и цифровой записи каротажа»; №ПРГ-14/84-86 «Опытно-методические работы по внедрению новых методов ГИС и цифровой записи каротажа»; № ГР 32-83-18/35 «Опытно-методические работы по обеспечению эффективности применения цифровой записи параметров каротажа на серийных станциях АКСЛ-7»; № ГР 32-85-45/42 «Опытно-методические работы по внедрению системы цифровой записи и дистанционной передачи параметров каротажа»; № ГР 32-86-19/ 43 « Совершенствование методов и средств записи, документирования, передачи и обработки каротажных данных с помощью ЭВМ»; № ГР 32-87-43/37 « Опытно-методические работы по совершенствованию системы цифровой регистрации параметров каротажа».
Реализация работы в производственных условиях. Полученные результаты использованы при проведении ГИС в ОАО «Удмуртгеология». За большой вклад в разаботку, создание, опытно-методическую отработку и внедрение в производство ПАКов двух поколений, обеспечивших автоматизацию ГИС, автор работы удостоен почетного звания «Заслуженный нефтяник Удмуртской Республики» (2000).
Результаты диссертации могут быть использованы в практике работы геологоразведочных предприятий, занимающихся разведкой и оценкой запасов полезных ископаемых, геофизическими исследованиями территорий.
Общий экономический эффект от внедрения диссертационной работы и вклада ее автора в создание автоматизированных ПАКов, рассчитанных в ценах 1991 года, составляет 730 тыс. рублей.
Апробация работы. Отдельные законченные этапы работы докладывались и обсуждались III Республиканской научной конфе-ренции молодых ученых «Молодые ученые Удмуртии —народному хозяйству», (Устинов, 1984); Республиканской научно-практической конференции "Моло-дежь Удмуртии -ускорению научно-технического прогресса" (Устинов, 1985); Зональной конференции «Методы прогнозирования надежности проектируемых РЭА и ЭВА», Всесоюзной научно-технической конференции "Конструктивно-технологическое обеспечение качества микро- и радио-электронной ап-паратуры при проектировании и в производстве" (Ижевск, 1988), 32 Научно-технической конференции ИжГТУ (Ижевск, 2000); Научно-технической конфе-ренции с международным участием "Информационные технологии в инноваци-онных проектах" (Ижевск, 2000).
Разработка, создание и внедрение ПАКов первого поколения удостоены премии НТО Удмуртии (1983) и серебряной медали ВДНХ СССР (1988).
Публикации. Результаты работы отражены в 18 научных публикациях: 9 статей в печати, 2 тезисов научно-технической конференции, 7 научно-технических отчетов по бюджетным НИР.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав и заключение, изложенные на 199 с. машинописного текста. В работу включены 71 рис., 7 табл., список литературы из 105 наименований и приложения, в котором представлены 1 таблица и акты об использовании результатов работы.