УДК: 550.34.013.4

Программный редактор «GeoVIP» как компонент среды физико-геологического моделирования на основе системной инверсии

«GeoVIP» software as a part of integrated environment for physical-geological modelling based on constructing system solutions for inverse problems

С. Г. Куделин

М. И. Барабанов

А. И. Кобрунов

S. G. Kudelin

M. I. Barabanov

A. I. Kobrunov

Ухтинский государственный

технический университет, г. Ухта

Ukhta State Technical University, Ukhta

В работе описывается технология моделирования сложных сред на основе методов интегрированной инверсии. Рассматриваются основные принципы разработки программного комплекса создания и поддержки сбалансированных физико-геологических моделей среды «GeoVIP», а также его функциональные возможности.

This article describes technology of complex geomodeling based on integrated geophysical inversion methods. Basic developing principles for constructing and supporting balanced physically-geological models software package «GeoVIP» and also the functionality of this software are described.

Ключевые слова: геофизическая инверсия, физико-геологическая модель, программный редактор «GeoVIP».

Key words: geophysical inversion, physically-geological model, «GeoVIP» software.

Разрабатываемая коллективом межкафедральной лаборатории математического моделирования в науках о Земле интегрированная среда физико-геологического моделирования призвана обеспечить создание и актуализацию сбалансированных физико-геологических моделей. Обычно для интер- и экстраполяции данных в подобных средах и программных комплексах используются стохастические алгоритмы, не учитывающие априорные геологические данные и геофизические поля. Одна из важнейших задач данной разработки — создание алгоритмического и программного обеспечения, позволяющего выполнять взаимную увязку и аппроксимацию интегрированных моделей на основе геофизической инверсии.

Структура интегрированной среды изображена на рисунке 1. Файловое хранилище данных содержит опорные данные для проведения анализа и построения содержательных физико-геологических моделей. Двумерные данные структурированы по профилям, этот раздел содержит файлы с геометрией и параметрами плоских моделей разрезов, а также геофизическими полями (форматы ASCII, dat, bin, GCIS-текст [3] и пр.), данные скважинных исследований (ASCII, las, dat, xls) и прочие данные, необходимые для обеспечения рабочего процесса. Трехмерные данные структурированы по площадям и включают карты профилей (bin), трехмерные структурные сетки, распределения параметров и пространственные геофизические поля (grd, dat).


Рисунок 1. Схема интегрированной среды физико-геологического моделирования

Набор прикладных программ 2D моделирования служит для создания, анализа и уточнения двумерных физико-геологических моделей и покрывает различные содержательные задачи геофизики. Некоторые из этих модулей уже разработаны и опробованы (модуль инверсии гравитационных полей на основе эволюционно-динамических принципов, экспресс-конструктор структурно-плотностных моделей с динамическим расчетом гравитационного эффекта), некоторые находятся на стадии проектирования и разработки.

Примером подобного программного модуля может служить разработанный для данных гравиметрии модуль инверсии на основе эволюционно-динамических принципов. Он реализует двухэтапную схему расчета компенсации невязки геофизических полей за счет модификации параметров модели соответственно уравнениям движения вещества. Механизм движения контролируется уравнением движения и входящими в него параметрами. На первом этапе выполняется компенсация невязки за счет сдвиговых деформаций до тех пор, пока не будет достигнута некоторая норма, допустимая на данном этапе. На втором этапе оставшаяся невязка компенсируется за счет дивергенции, подразумевающей перенос вещества. Результатом работы модуля являются сбалансированные двумерные структурно-параметризованные модели, соответствующие введенному гравитационному полю. При этом геологические знания о среде учитываются за счет принципа приоритетных трансформаций, допустимых норм невязки для каждого этапа и матрицы оператора трансформации, задаваемой пользователем.

Трёхмерное моделирование производится с помощью программного комплекса создания и поддержки физико-геологических моделей GeoVIP. Также он позволяет производить интерполяцию и согласование двумерных и трехмерных данных, применять геодинамические модификаторы к геометрии моделей, решать прямую задачу гравиметрии для двумерного и трехмерного случая, а также интерполировать геометрию и параметры модели на основе решения обратной задачи гравиметрии. Включение результатов инверсии в процесс интерполяции происходит за счет введения в процесс решения обратной задачи так называемых «мер доверия» для параметров среды. Это означает, что доверие к различным участкам и параметрам модели может быть высоким за счет наличия опорных данных для этих участков и параметров, или низким по причине их удаленности от опорных данных. Эти меры доверия могут быть включены в алгоритм инверсии в качестве матричных операторов — как для двумерного, так и для трехмерного случая.

Разрабатываемые в рамках проекта наборы программ призваны обеспечить работоспособность созданных вычислительных схем и алгоритмов интегрированной инверсии на современном технологическом уровне. Для построения и поддержки актуальности моделей сложнопостроенных сред, позволяющих корректировать и взаимно увязывать изменения распределённых параметров литосферы, была создана пилотная версия программного комплекса физико-геологического моделирования «GeoVIP». Комплекс имеет геофизическую направленность и предназначен для анализа и интерпретации результатов геофизических исследований, построения моделей среды и поддержки их актуальности за счёт взаимной увязки данных и корректировки геолого-геофизических моделей на основе оптимальных решений обратной задачи [1]. Подобный инструмент позволит применить современные алгоритмы работы с данными полевых и скважинных исследований, а также объединить функциональность ряда программных продуктов, разработанных в том числе и в Ухтинском государственном техническом университете, в едином программном комплексе, обеспечивающем полноценное плоское и трехмерное физико-геологическое моделирование месторождений углеводородов без издержек на конвертирование и передачу данных, а также позволит проводить интерпретацию геофизических данных.

Комплекс «GeoVIP» представляет собой набор функциональных модулей, взаимосвязанных на уровне базы данных и общей программной оболочки (рис. 2).


Рисунок 2. Модули программного комплекса «GeoVIP»

В блоке описания структуры базового модуля предполагается ввод пользователем всех исследуемых геологических объектов (профилей, пластов, структурных карт и других) с обозначением проведённых исследований (структурно-плотностных моделей, сейсмических разрезов по профилям, электрометрических моделей, скважинных исследований и прочих) по этим объектам. После этого соответствующие модули позволяют заполнить эти элементы данными и сохранить их в едином пространстве данных для дальнейшей обработки, а также провести необходимые операции над ними.

Структурно-плотностное моделирование

В рамках данного модуля реализованы инструменты ввода данных и параметров моделей, обработки и визуализации для структурных геолого-геофизических моделей сред (рис. 3).


Рисунок 3. Визуализация 2D профиля в GeoVIP на примере гряды Чернышева — структурно-плотностная модель с обозначениями горизонтов

В модуль структурно-плотностного моделирования также включен инструмент для работы с картой профилей исследуемой области.

Он позволяет определить взаимное расположение профилей в пространстве на карте исследуемой области и задать пикеты для разбиения профилей на участки.

Поскольку современные технологии интерпретации и моделирования подразумевают возможность работы с полноценной трехмерной моделью, в комплекс включена возможность отображения и редактирования трёхмерных структурно-плотностные моделей исследуемых объектов, а также других моделей с распределенными параметрами. Загружая набор структурных карт и задавая характеристики среды, можно получить объёмную модель исследуемой площади (рис. 4). Реализован гибкий механизм отображения объектов, позволяющий выбирать те структуры, которые необходимо отобразить для текущей модели без постоянных затрат времени на создание и пересчёт трёхмерных объектов. Реализованы механизмы масштабирования объектов и вращения камеры, инструменты наложения структурных и равномерных сеток, а также возможность «взгляда внутрь пласта».


Рисунок 4. Трёхмерная визуализация аномальной зоны распределения плотностей, имеющий интерес для поиска УВ в пределах Геофизического месторождения

Также в рамках данного модуля разработаны и включены в программный комплекс алгоритмы интерполяции структурных границ и распределения параметра для трехмерной модели из двумерных данных (интерполяция по профилям) и процедуры согласования структурно-плотностной модели. Результатом их применения являются согласованные модели изучаемых объектов, учитывающие как результаты плоского моделирования разрезов, так и результаты геофизической инверсии для трехмерного случая.

Электрометрическое моделирование

Модуль электрометрического моделирования позволяет создавать и редактировать модели изучаемых объектов с распределенными параметрами проводимости. Он позволяет рассчитывать тензоры магнитотеллурического импеданса для таких моделей. В модуле применены алгоритмы расчета и метод построения электрометрической модели, разработанные сотрудником УГТУ Геннадием Жарким. Разработанная им библиотека алгоритмов также позволяет рассчитывать производную Фреше для моделей с распределенными электрометрическими параметрами и решать обратную задачу магнитотеллурического зондирования в критериальной постановке [2].

Геодинамическое моделирование

Модуль структурно-плотностного моделирования также дополняют инструменты моделирования сложных геологических структур в соответствии с эволюционно-динамическими принципами. Они представляют собой модификаторы, применяемы к структурным границам модели с целью изменить её геометрию сообразно некоторому физическому закону (рис 5).


Рисунок 5. Действие геодинамических модификаторов в GeoVIP

а) – образование складки, б) – моделирование сбросов и взбросов, в) – создание произвольной разломной структуры

Скважинное моделирование

В разработанный программный комплекс GeoVIP включен функциональный модуль редактирования и визуализации скважинной информации. Он позволяет загружать, редактировать и отображать информацию по траекториям скважин и распределению физических параметров вдоль ствола скважины (рис. 6). В настоящее время в тестовом режиме отлаживается подсчёт запасов углеводородов по следующей схеме:

1) загрузка траекторий скважин;

2) загрузка структурных поверхностей;

3) загрузка данных по скважинам;

4) численная оценка ресурсов и подсчёт запасов по изучаемой территории.


Рисунок 6. Трёхмерная визуализация траекторий скважин и распределения параметра нефтенасыщенности

Итак, на данном этапе разработки программный редактор создания и поддержки геолого-геофизических моделей GeoVIP обеспечивает:

  1. Импорт данных (данных исследований, исходных параметров моделей, потенциальных полей, характеристик моделей) из основных форматов хранения геолого-геофизических данных (GRID, ASCII GRID, dat, файлы системы GCIS [3]), а также скважинных исследований (LAS).
  2. Хранение данных геофизических исследований, введённых и рассчитанных параметров моделей, а также геофизических полей в едином пространстве данных.
  3. Отображение и редактирование плоских моделей структуры и распределения параметра по профилям, схемы профилей на модели изучаемой площади, структурных карт в формате GRID, а также трёхмерных структурно-плотностных моделей изучаемых объектов.
  4. Формирование согласованных трехмерных моделей, включая разломные структуры.
  5. Интерполяция геометрии и параметров трехмерной модели по данным 2D-моделей профилей.
  6. Расчет распределения параметра для двумерной и трёхмерной моделей изучаемого объекта, а также по произвольному разрезу.
  7. Расчет прямой и обратной задачи гравиметрии для трехмерных структурно-плотностных моделей.
  8. Расчет прямой и обратной задачи электрометрии для трехмерных сеточных моделей.
  9. Экспорт моделей и результатов расчётов в файлы для дальнейшей обработки (файлы системы GCIS, grd, dat, графические форматы).

Архитектура и идеология программного комплекса нацелены на дальнейшее его наполнение инструментами физико-геологического моделирования, а также модулями решения содержательных задач геофизики. На данный момент ключевые компоненты интегрированной среда физико-геологического моделирования разработаны и находятся в стадии отладки и опытной эксплуатации. Их апробация производится на физико-геологических моделях Баренцевоморского, Карского и Тимано-Печорского регионов.

Работа выполнена при поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Библиографический список

  1. Кобрунов, А.И. Математические основы теории интерпретации геофизических данных [Текст]: учеб. пособие / А.И. Кобрунов. – Ухта: УГТУ, 2007.
  2. Кобрунов А.И., Жаркой Г.С. О постановке и принципах решения обратных задач магнитотеллурического зондирования для сред с распределенными параметрами. Геофизика, 2010, No.4, С. 9-16.
  3. Кузнецов О.Л., Никитин А.А., Черемисина Е.Н. Геоинформационные системы. Информационный центр ВНИИгеосистем., 2005, 345 с.

References

  1. Kobrunov, A.I. Matematicheskie osnovy teorii interpretacii geofizicheskih dannyh [Mathematical Foundations of the theory of geophysical data interpretation]. Ukhta, Ukhta State Technical University, 2007.
  2. Kobrunov A.I., Zharkoj G.S. The statement and the principles for solving inverse problems of magnetotelluric sounding for environments with distributed parameters. Geophysics, No.4, 9—16 (2010).
  3. Kuznecov O.L., Nikitin A.A., Cheremisina E.N. Geoinformacionnye sistemy [Geoinformational systems]. Moscow, Information Centre VNIIgeosystem, 2005. 345 p.

 

Статья поступила в редакцию: 28.07.2012

VN:F [1.9.17_1161]
Rating: 0.0/10 (0 votes cast)
VN:F [1.9.17_1161]
Rating: 0 (from 0 votes)
VN:F [1.9.17_1161]
Стиль изложения
Информативность
Сложность вопроса
Научная новизна
Коммерциализуемость
Rating: 0.0/5 (0 votes cast)