Введение к работе
Актуальность темы. Массовые геофизические исследования скважин (ГИС) возможны только при использовании интеллектуальных информационно-измерительных систем (ИИС), осуществляющих преобразование аналоговых каротажных сигналов в цифровой код, записи его на машинные носители информации, фильтрацию, распознавание и редактирование полученных данных, обработку и регистрацию каротажных диаграмм (КД), привязанных к откорректированным с помощью компьютеров значениям глубины скважины, и экспертных систем для последующей верификации и интерпретации отредактированных КД.
Развитие ГИС происходит по нескольким направлениям, это разработка новых информативных методов исследований, включающих аппаратуру, методику и технологию, создание аппаратурно-методических комплексов, позволяющих за один спуск аппаратуры в скважину измерять целый набор параметров, наконец, разработка компьютеризированных ИИС ГИС, обеспечивающих управление измерениями, регистрацию и первичную обработку скважинных материалов.
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.
В сложных условиях залегания углеводородов на больших глубинах в тонких пластах-коллекторах при многокомпонентном литологическом составе и сложной структуре порового пространства возрастают требования к качеству интерпретации результатов ГИС
При наличии некоторой эмпирической базы данных возможно использование методов извлечения знаний из данных и создание обучающихся информационных систем для интерпретации ГИС. Интерпретация ГИС относится к классу особо сложных задач, решаемых в условиях неполной информации. Однако в большинстве существующих методик интерпретации не заложен принцип адаптивности, т.е. самонастройки к условиям измерений и объектам ГИС. Этот фактор негативно влияет на качество и скорость интерпретации данных.
Методы интеллектуального анализа данных включают ряд конкурирующих подходов, к которым, в частности, относятся нечеткая логика (НЛ) и искусственные нейронные сети (НС). Адаптивные системы нечеткого вывода в настоящее время представляют собой перспективное направление в развитии теории искусственного интеллекта. Появление таких систем объясняется возросшей потребностью в анализе больших массивов данных, накопленных в базах данных автоматизированных систем обработки информации. НС нашли широкое применение для извлечения знаний из системы данных и для решения задач аппроксимации сложных функций многих переменных. Важным их свойством является способность к обучению и обобщению полученных знаний. Перспективным и реализованным в данной работе является объединение идеологий нечеткого вывода и НС.
При использовании методов интерпретации ГИС часто приходится решать оптимизационные задачи. Использование для этого классических алгоритмов, основанных на вычислениях градиента целевой функции, показало низкую эффективность, связанную с разрывностью и многоэкстремальностью функции. Значительно более эффективным, что показано в данной работе, является применение генетических и гибридных алгоритмов. Принимая во внимание, что задачи интерпретации ГИС имеют в своей основе сложные функциональные зависимости, обладающие структурной и параметрической неопределенностью, применение адаптивных систем НЛ и НС для их решения вполне приемлемо и обоснованно.
Развитие интеллектуальных компьютерных систем, разработка высоких информационных технологий, доведение их до уровня, соответствующего современным требованиям экспертных систем, является магистральным направлением в развитии скважинной геофизики.
Использование преимуществ искусственного интеллекта позволяет выйти на иной, более качественный уровень обработки результатов ГИС, поскольку он позволяет в значительной мере заменить геофизика-интерпретатора, занимающегося рутинной работой просмотра огромных массивов однотипной геолого-геофизической информации на автоматизированный программно-аппарат-ный комплекс, использующий сетевые технологии, Internet-технологии и инфотелекоммуникационные системы для принятия с высокой степенью достоверности решения о наличии нефтеносного коллектора при ГИС.
В настоящее время создано множество программных продуктов, имитирующих работу систем интерпретации, однако возможности их применения в геофизической области весьма ограничены. Это связано с тем, что данные программы не содержат в себе ни правил, формализующих знания эксперта, применяемых для решения задач ГИС, ни механизмов обучения и адаптации к условиям измерений и объектам ГИС, ни средств импорта/экспорта геофизических данных.
Взаимодействие естественного и искусственного интеллекта в процедурах принятия решений через информационные объекты по критериям максимальной эффективности может быть закодировано сложными инструментальными методами. В связи с этим, применение математической теории интеллектуальных систем для повышения эффективности интерпретации ГИС является крайне актуальной проблемой.
Область исследования. Диссертационная работа выполнена в соответствии с пунктами «14. Методы обработки и интерпретации результатов измерения геофизических полей», «16. Использование геолого-геофизических данных для построения геологических, гидродинамических и геодинамических моделей месторождений. «17. Мониторинг геологического строения и разработки месторождений геофизическими методами» и «23. Теория, технические средства, технологии, методы сбора и интерпретации каротажной информации, геолого-технологических исследований скважин, геофизических методов исследования технического состояния скважин, вскрытия пластов в скважинах» паспорта специальности 25.00.10 – «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых».
Объектом исследования являются геолого-технологическое моделирование нефтяного пласта и информационные технологии для автоматизации процессов сбора, оперативной предварительной обработки и интерпретации результатов ГИС.
Предметом исследования являются математическое описание алгоритмов и методов интерпретации каротажных диаграмм, определение продуктивных коллекторов и их классификация на основе интеллектуальные информационные технологии интерпретации ГИС, а также применение метода линий тока (МЛТ) при комплексной интерпретации данных.
Цель работы состоит в получении научно-обоснованных технических и методических решений, направленных на создание современных программно-аппаратных средств и интеллектуальных информационно-измерительных технологий для автоматизации комплексных ГИС, ранжирования и ремасштабирования геостатистических реализаций модели пластовой системы, а также увеличение эффективности компьютерного гидродинамического моделирования пластовых систем на основе МЛТ, что будет способствовать упрощению процесса управления и контроля комплексной интерпретации исходных данных в рамках геолого-технологического моделирования и разработке нефтегазовых месторождений, повышению скорости получения прогнозов эксплутационных характеристик для продуктивных пластов.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- выбор и обоснование путем теоретических и экспериментальных исследований структуры и функциональных схем аппаратуры цифровой записи параметров каротажа (АЦЗПК) и устройств ввода-вывода геофизической информации в ЭВМ, компьютеризированного ПАК для ГИС, принципов построения программного, лингвистического и информационного обеспечения ПАК, обеспечивающих цифровую запись каротажных сигналов и их оперативную предварительную обработку;
- создание автоматизированной технологии оцифровки КД с бумажного носителя; разработка математической модели оценки точности формирования скан-образов КД, а также аппаратно-программных средств для определения, анализа и устранения погрешностей процесса сканирования КД;
- выработка методики построения моделей НЛ для распознавания литологической структуры разреза скважины; разработка способа определения информативности методов каротажа при интерпретации результатов ГИС на основе алгоритмов нечеткого вывода;
- формализация задачи качественной интерпретации данных ГИС для ее решения с помощью аппарата НС; разработка правил и методик применения НС для решения задачи литологического расчленения разреза скважины; выбор корректных оценок, позволяющих определять качество интерпретации с помощью НС; создание алгоритмов последующей обработки результатов работы НС для повышения качества и надежности интерпретации;
- разработка методических и алгоритмических средств для выделения продуктивных слоев, выбор методики оценки петрофизических свойств коллекторов, построение типовых схем оперативной обработки данных ГИС;
- создание моделей нечетких деревьев решений при распознавании литологической структуры разреза скважины; разработка метода построения деревьев решений с возможностным критерием разбиения и нечетким логическим выводом;
- формализация задачи интерпретации данных ГИС для ее решения с помощью аппарата нечетких деревьев решений и вейвлет-преобразований; создание алгоритмов последующей обработки результатов работы нечетких деревьев решений для повышения качества и надежности интерпретации;
- обоснование нового подхода к ранжированию геологических реализаций продуктивных пластов с использованием моделирования на базе метода линий тока (МЛТ);
- создание методики укрупнения ячеек математической модели при переходе от детальной геологической модели коллектора к его осредненной фильтрационной модели на основе МЛТ-моделирования;
- использование получаемой новой информации, предоставляемой МЛТ-симулятором, для качественной оценки эффективности схемы размещения скважин; апробация разработанных методики и подходов на примерах реальных месторождений.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.
Теоретические исследования базируются на использовании методов статистического анализа временных рядов в приложении к сигналам геофизических датчиков как одномерным случайным процессам, При проектировании основных узлов аппаратной части ПАКов применялись теоретические основы радиоэлектроники и теория точной магнитной записи.
Обучение системы НЛ осуществлялось на всех возможных комбинациях методов каротажа, входящих в состав стандартного набора методов ГИС, снимаемых на скважине. Результаты работы системы НЛ исследовались на предмет адекватности выделенных нефтенасыщенных, водонасыщенных и непродуктивных участков разреза скважины экспертным оценкам. При решении задачи качественной интерпретации данных ГИС применялись: многослойная НС; радиальная сеть; нечеткая сеть TSK; математические методы снижения размерности данных. Для обучения интерпретирующих систем применялся гибридный алгоритм оптимизации.
Информационная модель интерпретирующих систем создана с учетом объектно-ориентированных принципов разработки программных комплексов. При решении задачи распознавания литологической структуры разреза скважины использовалась модель нечеткого дерева решений. Для получения дополнительной информации о границах коллекторов геофизические сигналы обрабатывались с применением дискретного вейвлет-преобразования. Результаты работы системы, основанной на нечетких деревьях решений, исследовались на предмет адекватности выделенных нефте-газонасыщенных, водонасыщенных и непродуктивных участков разреза скважины экспертным оценкам.
Цифровые геологические модели исследуемых примеров месторождений отстроены на программном продукте IRAP RMS фирмы ROXAR в виде трехмерной детерминированной геологической модели. При моделировании пластов использовалась трехмерная дискретная сетка геометрии угловой точки (Corner Point) c равной мощностью ячеек по оси Z. Построение гидродинамической модели проводилось с использованием пакета программ расчетного комплекса 3DSL фирмы StreamSim Technologies.
Программное обеспечение системы реализовано на алгоритмическом языке высокого уровня – Object Pascal, интерфейс пользователя разработан в интегрированной среде Borland Delphi 7.0, база данных работает под управлением таких СУБД как Oracle 8, Finder и Microsoft SQL Server 7.0, а внутренняя база данных реализована в формате Microsoft Access (mdb). Часть правил системы используются в виде внешних библиотек (dll) и реализованы на языке высокого уровня Microsoft Visual C++.
Достоверность и обоснованность изложенных положений работы подтверждается результатами обеспечения серийных производств АЦЗПК и регистраторов КД, а также опубликованными отчетами о НИОКР, научными трудами и авторскими свидетельствами на изобретения, а также результатами системного анализа и технической диагностики устройств магнитной записи-воспроизведения и их внедрением в производственную эксплуатацию в составе цифровых каротажных станций. Кроме того, достоверность выводов подтверждается сопоставительным анализом разработанных и существующих математических моделей и методов, а также итогами практического использования систем интерпретации ГИС.
Математические модели, алгоритмы и прикладные программы, используемые в работе, основаны на положениях теории нечетких множеств и многослойных НС, на теоретических основах функционального анализа, теории статистического анализа КД как временных рядов, а также теории вероятностей, случайных функций и фундаментальных основ построения экспертных систем. Методики расчета параметров коллекторов базируются на широко применяемых при ГИС петрофизических зависимостях.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием большого объема экспериментального материала, статистическими методами обработки данных и хорошей воспроизводимостью результатов. Достоверность эталонного материала для обучения моделей НЛ обеспечена использованием утвержденных в ОАО «Башнефтегеофизика» экспертных заключений по обрабатываемым скважинам.
Научная новизна полученных результатов определяется проведенными комплексными исследованиями, в результате которых вместо применения классических методов интерпретации КД использован подход, существенно сокращающий количество вычислительных операций и повышающий быстродействие оперативной качественной интерпретации непосредственно на скважине в ходе проведения ГИС в ходе которых:
- созданы интеллектуальные информационно-измерительные технологии и современные программно-аппаратные средства для автоматизации комплексных ГИС, включающих экспресс-интерпретацию каротажных данных. Разработаны информационно-интерпретирующая система оцифровки КД с бумажного носителя и метод обнаружения и распознавания структурных элементов КД, построенный на базе центроидной фильтрации и кластерного анализа реакций центроидного фильтра на элементы изображения КД.
- осуществлен выбор структуры и сформирована концепция программно-аппаратных средств для определения, анализа и устранения погрешностей формирования скан образов каротажных кривых; разработаны критерии точности ввода данных ГИС при оцифровке, оценки достоверности полученных критериев; построена математическая модель, позволяющая количественно рассчитывать величину и характер погрешностей, определять параметры сканирования, обеспечивающие требуемую точность ввода каротажных данных;
- предложена модель НЛ для литологического расчленения пройденных скважиной пород; отработана и апробирована методика построения правил базы знаний; в результате проведения комплекса исследований по экспресс-интерпретации КД и сопоставления их результатов с экспертными оценками выведены критерии, позволяющие использовать оптимальный набор методов каротажа для выделения нефтенасыщенных коллекторов с заданной точностью;
- применен аппарат искусственных НС, позволяющий использовать накопленный эмпирический материал и знания опытных интерпретаторов, являющийся ядром базы знаний интеллектуальной системы для литологического расчленения разреза скважины;
- получены зависимости точности определения литологической структуры разреза скважины от вида представления каротажных данных, что дает возможность применять аппарат искусственных НС в геолого-геофизической области; предложена методика применения НС, не зависящая от количества входных КД, позволяющая проводить качественную экспресс-интерпретацию;
- обосновано применение дискретного вейвлет-преобразования для литологического расчленения разреза нефтяных и газовых скважин; создана новая методика определения нефтегазонасыщенности и продуктивности скважин по результатам интерпретации ГИС с совместным применением метода нечетких деревьев и вейвлет-преобразования;
- установлено, что для применения метода деревьев решений к анализу непрерывных петрофизических зависимостей целесообразна его доработка в виде алгоритма нечетких деревьев решений с нечеткими условиями ветвления и с нечетким логическим выводом;
- показано, что тестирование метода нечетких деревьев решений с возможностным критерием ветвления имеет универсальную способность решать задачи дискретной классификации и непрерывной аппроксимации. Погрешность аппроксимации на тестовых функциях в 2-3 раза ниже, чем в наиболее эффективном варианте НС – TSK;
- предложен метод обучения нечетких сетевых моделей с применением генетического алгоритма с вещественным кодированием, который повысил точность найденных решений и скорость нахождения глобального минимума или максимума;
- предложена методика ранжирования геостатистических моделей пласта, базирующаяся на иерархическом принципе учета неопределенностей в исходных данных, в которой критериями ранжирования являются функция коэффициента охвата, вычисляемая с помощью времени пролета вдоль линии тока, и функция первоначального объема нефти при нормальных условиях (STOIIP);
- разработана методика ремасштабирования геологической модели коллектора в вертикальном направлении с сохранением существенных неоднородных особенностей коллектора путем укрупнения слоев с близкими по среднему значению коэффициентами охвата, вычисляемого на основе МЛТ-моделирования;
- для качественной оценки эффективности схемы размещения скважин предложены три методики баланса схемы расположения скважин, оценки эффективности нагнетания и оценки эффективности добычи путем расчета с помощью МЛТ объема пористого пространства коллектора, ассоциированного с каждой отдельной скважиной.
Практическая ценность работы. Получены технические решения, способствующие созданию автоматизированных ПАКов двух поколений оригинальной структурной конфигурации. 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.
Тесная интеграция системы в программный комплекс оцифровки, предназначенный для создания базы электронных дел скважин ряда месторождений Западной Сибири, позволило увеличить скорость обработки скан-образов и снизить ошибки, возникающие при заполнении базы. Результатом верификации являлось построение геологических и гидродинамических моделей месторождений.
Полученные в работе методики и алгоритмы применения аппарата искусственных НС и метода нечетких деревьев для качественной экспресс-интерпре-тации данных ГИС позволяют существенно автоматизировать труд геофизика-интерпретатора за счет колоссальных вычислительных возможностей по обработке терабайт геофизической информации интеллектуальными системами на базе как отдельных компьютеров, так и компьютерных сетей, существенно использующих реляционные базы данных таких как «Finder» и др. НС за счет заложенных в них эталонных данных позволяют сократить время, необходимое на проведение качественной экспресс-интерпретации скважин в несколько раз с одновременным повышением качества интерпретации и сокращением ошибок при принятии решений.
Разработанный в диссертации новый подход к генерации и ранжированию геостатистических реализаций коллектора позволяет в рамках комплексной интерпретации данных при геолого-технологическом моделировании определять пессимистические, вероятные и оптимистические сценарии разработки с учетом неопределенностей в будущих прогнозах. Авторская методология выбора оптимальной процедуры вертикального ремасштабирования может быть успешно применена в реальных промысловых исследованиях, что позволит существенно снизить затраты на адаптацию по истории моделей месторождений. Предложенные авторские методики качественной оценки эффективности схемы размещения скважин могут использоваться для оптимизации эксплуатационных характеристик месторождения.
Реализация работы в производственных условиях. Полученные результаты использованы при проведении ГИС в ОАО «Удмуртгеология». За большой вклад в разработку, создание, опытно-методическую отработку и внедрение в производство интеллектуальной информационно-измерительной технологии (ИИТ) и ИИС, обеспечивших автоматизацию ГИС, автор работы удостоен почетного звания «Лауреат премии НТО Удмуртии» (1983), серебряной медали ВДНХ СССР (1988) и почетного звания «Заслуженный изобретатель РФ» (1998).
Работа выполнялась в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводимых ИжГТУ и Удмуртским производственным геологическим объединением: - № ГР 79058505 «Разработка и внедрение аппаратуры цифровой записи параметров каротажа для серийных каротажных станций»; № ГР 32-8-78/25 «Разработка конструкторской документации и изготовление опытной партии»; № ГР 32-81-78/24 «Опытно-методические работы по освоению и внедрению новых методов ГИС и цифровой записи каротажа»; № ГР 01840012827 «Опытно-методические работы по обеспечению эффективности применения цифровой записи параметров каротажа на серийных станциях АКСЛ-7. Разработка комплекса аппаратуры для автоматизации геофизических исследований скважин»; № ПРГ-14/84-86 «Опытно-методические работы по внедрению новых методов ГИС и цифровой записи каротажа»; № 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».
Работа выполнялась в соответствии с планами хоздоговорных НИР, проводимых ООО «Институт интеллектуальных технологий» и ОАО «ТНК-BP»: № ГР 01200 405097 «Верификация геолого-геофизической информации по объектам разработки месторождений Северного НГДП ОАО «Нижневартовск»; № ГР 01200 405096 «Формирование базы данных геолого-технологических мероприятий на скважинах Самотлорского месторождения»; № ГР 01200 405095 «Оцифровка каротажного материала Кашироподольского объекта Вятской площади Арланского месторождения»; № ГР 01200 405096 «Создание библиотеки скан-образов скважин Самотлорского месторождения»; № ГР 01200406709 Формирование базы данных по ОАО «Варьеганнефтегаз».
Работа выполнялась в Институте математического моделирования разработки нефтяных месторождений ИжГТУ в соответствии с планами хоздоговорных НИР, проводимых ИжГТУ с ОАО «Удмуртгеология» и ОАО «Белкамнефть».
Разработана и реализована система интерпретации, построенная на принципах иерархической классификации и нечеткого логического вывода. Работа системы протестирована в ходе верификации геолого-геофизических и промысловых данных ряда газовых месторождений Западной Сибири. Вся работа в целом, а также ее отдельные части могут быть использованы предприятиями нефтегазодобывающей отрасли, организациями, занимающимися построением ряда различных моделей на основе геолого-геофизической и промысловой информации.
Апробация работы. Отдельные законченные этапы работы обсуждались на более чем 50 всесоюзных, всероссийских, международных научно-техни-ческих конференциях, съездах и симпозиумах, в том числе: 2-й Всесоюзной НТК «Дальнейшее развитие теории и техники магнитной записи» (Москва-Киев, 1978); Всесоюзном научно-практическом совещании по цифровой записи и обработке геофизической информации (Калинин, 1980); Всесоюзной конференции «Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов» (Барнаул, 1982); 28-м Международном научном коллоквиуме (Ильменау, 1983); 5 и 6-м Всемирном конгрессе международной федерации по теории механизмов и машин (Дели - 1983, Севилья - 1987); Международной НТК «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск,1999-2004); 4-м и 5-м Международном конгрессе по мат. моделированию (Дубна, 2002, 2004); Международной НТК «Интеллектуальные и многопроцессорные системы» (Таганрог, 2003); 31-й Международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникациях и бизнесе» (Украина, Ялта – Гурзуф, 2004-2007); 6-м Международном конгрессе по мат. моделированию (Н. Новгород, 2004); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2004-2009); IX Европейском конгрессе «Математическое моделирование технико-экономических проблем в нефтегазовой отрасли» (Франция, Канны, 2004); Всероссийской НТК «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении» (Таганрог, 2005-2006); X Международной конференции Российской научной школы «Инноватика-2005» (Сочи, 2005); Международной НТК «Искусственный интеллект» (п.Дивноморское, 2005-2009); Конгрессе по интеллектуальным системам и информационным технологиям «AIS-IT’09»; Международной НТК «Многопроцессорные вычислительные и управляющие системы» (Таганрог, 2007-2009); Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития информационных технологий» (Новосибирск, 2010); Международная научно-практическая конференция «Науки о Земле на современном этапе» (Москва, 2011).
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 206 научных работах, в том числе 4 монографии (общим объемом 301,7 п.л.). Автор имеет 75 научных трудов в изданиях, выпускаемых в РФ и рекомендуемых ВАКом для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук, в том числе 51 авторское свидетельство СССР на изобретения.
Структура диссертационной работы определяется общими замыслом и логикой проведения исследований. Диссертация содержит введение, 8 глав и заключение, изложенные на 428 стр. машинописного текста. В работу включены 196 рис., 32 табл., список литературы из 386 наименований. В приложении представлены акты о внедрении и использовании результатов работы.
