авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Разработка и применение схем конечноэлементного моделирования электромагнитных полей в задачах электроразведки с использованием скважин

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Тракимус Юрий Викторович

Разработка и применение схем конечноэлементного моделирования электромагнитных полей в задачах электроразведки С использованием скважин

Специальность 05.13.18 – Математическое моделирование,
численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Новосибирск – 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования
«Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Соловейчик Юрий Григорьевич
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук
Бородулин Александр Иванович,
кандидат технических наук
Березовский Михаил Витальевич
Ведущая организация: Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, г. Новосибирск

Защита состоится 31 октября 2007 года в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.06 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан «27» сентября 2007 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.173.06 Чубич В.М.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время методы электроразведки достаточно широко применяются при геологическом картировании, разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых, а также при мониторинге захоронений радиоактивных отходов.

В последнее время все больший практический интерес представляют задачи, связанные с увеличением глубинности исследований. К таким задачам можно отнести, в частности, проведение поисково-оценочных геофизических исследований рудных месторождений в Республике Казахстан. Эти месторождения характеризуются, как правило, большой глубиной залегания рудных жил (до 1000 м и глубже) и наличием в верхней части разреза приповерхностных проводящих объектов-помех, являющихся отдельными участками неоднородного приповерхностного слоя из осадочных отложений. В таких геоэлектрических условиях наземная регистрация электромагнитного поля малоэффективна из-за низкого уровня аномального отклика от целевых глубинных объектов и очень большого искажения полезных от глубинных объектов сигналов приповерхностными неоднородностями среды.



Известно, что в районах перспективных и осваиваемых месторождений часто проводится разведочное бурение и при этом число пустых скважин даже на продуктивных участках постоянно растет. Поэтому существует возможность использования этих скважин для заряда и проведения измерений по их стволу. Заряд в виде гальванически заземляемой в скважине вертикальной электрической линии (ВЭЛ) и измерения по стволу удаленной скважины могут позволить получить измеримый аномальный сигнал от целевых глубинных объектов, расположенных в межскважинном пространстве, и в значительной степени избавиться от вкладов в регистрируемые сигналы неоднородностей из верхних слоев.

Для развития такой технологии глубинной электроразведки необходимо, во-первых, подтверждение непосредственно самой возможности определения структуры среды в межскважинном пространстве, т.е. доказательство наличия в регистрируемых по стволам скважин аномалий от объектов, не соприкасающихся со скважиной, а, во-вторых, разработка подходов к интерпретации данных, получаемых при измерениях электрического поля по стволу скважины.

Математическое моделирование возбуждаемых ВЭЛ электромагнитных полей является важнейшим инструментом при оценке возможности применения и эффективности использования данной технологии в сложных геоэлектрических условиях, разработке методических приемов работ, проведении анализа и интерпретации практических данных.

Электроразведочные работы по изучению рудных месторождений уже достаточно давно проводятся на постоянном токе (по так называемому методу заряда). Первые существенные результаты теоретических и экспериментальных исследований по этому методу приведены, например, в работах А.С. Семенова, П.Ф. Родионова, А.А. Редозубова, А.К. Козырина, А.Ф. Фокина, А.С. Полякова, В.С. Моисеева. Эти авторы установили общие закономерности, важные для методики проведения полевых работ и интерпретации материалов, но их подходы имели серьезные ограничения при работе со средами высокого уровня сложности.

В настоящее время существует довольно мощный программно-математи­ческий аппарат, базирующийся на методе конечных элементов (МКЭ). Он позволяет очень быстро и точно вычислять стационарные электрические поля в средах практически любого уровня сложности.

Однако методы электроразведки, в которых изучается процесс становления электромагнитного поля после выключения тока в источнике тока, могут обладать существенно большей информативностью и разрешающей способностью, чем методы, основанные на изучении только стационарного поля.

Первые работы по вычислению нестационарного поля ВЭЛ были основаны на использовании аналитических и полуаналитических методов, которые главным образом работают с существенно упрощенными математическими моделями поля и не позволяют учитывать достаточно сложную трехмерную геометрию геологических неоднородностей сред в практических задачах. Так в работе [ Гольдман М.М., Могилатов В.С. Становление поля вертикального электрического диполя, погруженного в горизонтально-слоистое полупространство // Теория и опыт применения электромагнитных полей в разведочной геофизике. — Новосибирск: ИГиГ СО АН СССР, 1978. – С. 123-138] был предложен аналитический метод решения задачи становления поля от ВЭЛ, который позволяет проводить расчеты только для горизонтально-слоистой среды без учета осесимметричных объектов и обсадной колонны труб.

Вопрос о влиянии обсадной колонны на процесс становления поля от ВЭЛ изучался в работе [ Могилатов В.С., Горошко Н.В. Становление поля от источника, заземленного в обсаженной скважине // Геология и геофизика. — Новосибирск, 1986. – № 12. – С. 101-105], где утверждалось, что влияние обсадной колонны может быть сведено к уменьшению тока в источнике, и предлагалось определять поле с учетом обсадной колонны труб через поле без учета обсадной колонны, умноженное на некоторый коэффициент. В действительности такой подход, как было показано Соловейчиком Ю.Г., Персовой М.Г., Тригубовичем Г.М., может привести к довольно большим ошибкам в расчете нестационарного поля ВЭЛ.

Применение предложенного в работах Соловейчика Ю.Г. для МКЭ подхода, базирующегося на разделении искомого электромагнитного поля на нормальную (двумерную) и аномальную (трехмерную) составляющие, позволило получать решение с приемлемой точностью при конечноэлементной аппроксимации рассматриваемых задач геоэлектрики в трехмерной постановке.

Для интерпретации получаемых при скважинных измерениях данных требуется решение большого числа двумерных и трехмерных задач. Поэтому для создания эффективной системы интерпретации данных (фактически являющейся обратной задачей), необходимы быстрые и высокоточные процедуры решения прямых задач расчета нестационарных электромагнитных полей ВЭЛ.

В работе [Соловейчик Ю.Г., Персова М.Г., Тригубович Г.М. Математическое моделирование процесса становления осесимметричного поля вертикальной электрической линии // Сибирский журнал индустриальной математики. – 2003. – Том 6. – № 2(14). – С. 107-125] был предложен метод конечноэлементного моделирования становления поля ВЭЛ в осесимметричной вмещающей среде, который позволяет учитывать не только осесимметричные геологические объекты, но и электрические и магнитные характеристики обсадной колонны труб в задачах с обсаженными скважинами. Однако этот метод требует задания очень подробных сеток при аппроксимации задач с обсадной колонной труб и, как следствие, значительных вычислительных затрат на получение приемлемого по точности численного решения. В данной диссертационной работе разрабатывается и исследуется подход, основанный на использовании в качестве математической модели осесимметричной векторной задачи и применении векторного МКЭ. Этот подход позволяет моделировать становление поля ВЭЛ для большинства практических задач с обсаженными скважинами без серьезного увеличения вычислительных затрат.

При оценке возможностей новых технологий зондирования с использованием скважин требуется проведение расчетов соответствующих нестационарных трехмерных электромагнитных полей. В данной работе разрабатывается программно-математический аппарат 3D-моделирования возбуждаемых ВЭЛ нестационарных электромагнитных полей и с его помощью исследуются возможности обнаружения глубинных объектов с измененной относительно вмещающей среды удельной проводимостью при возбуждении и измерениях поля в необсаженных скважинах в типичных для Казахстана геоэлектрических условиях. Исследуется наличие необходимого уровня аномалии и возможность ее выделения в регистрируемых сигналах, а также попадание сигналов в доступный для измерения современной аппаратурой диапазон.

Таким образом, предлагаемые в данной диссертационной работе методы конечноэлементного моделирования позволяют разрабатывать новые эффективные технологии проведения электроразведочных работ с использованием скважин, оценивать возможность их применения в тех или иных геоэлектрических условиях и являются важнейшими составляющими систем интерпретации практических данных. Все это и определяет актуальность предлагаемой диссертационной работы.

Основной научной проблемой, решению которой посвящена данная диссертационная работа, является проблема численного моделирования осесимметричных и трехмерных электромагнитных полей, возбуждаемых источником в виде ВЭЛ, в сложных геоэлектрических условиях.

В диссертационной работе сформулированы две основные цели исследования, для достижения которых решается ряд задач.

Цели исследования

  1. Создание и анализ вычислительных схем конечноэлементного моделирования, которые позволят проводить высокоточные и быстрые расчеты нестационарных осесимметричных электромагнитных полей для геоэлектрических моделей с обсаженными скважинами в задачах наземно-скважинной электроразведки.
  2. Изучение возможностей электроразведочных методов в сложных геоэлектрических условиях на основе моделирования трехмерных стационарных и нестационарных электромагнитных полей от источника в виде ВЭЛ.

Задачи исследования

Для достижения поставленных в диссертационной работе целей решается следующий ряд задач.

  1. Разработка и программная реализация схем моделирования стационарного и нестационарного электромагнитного осесимметричного поля ВЭЛ, основанных на решении векторной краевой задачи и применении векторного МКЭ.
  2. Сравнение точности получаемого решения и вычислительных затрат при использовании векторного и скалярного подходов.
  3. Разработка программно-математического обеспечения для моделирова­ния трехмерного нестационарного поля ВЭЛ.
  4. Исследование трехмерных стационарных и нестационарных электромагнитных полей от источника ВЭЛ в сложных геоэлектрических условиях.

Научная новизна





  1. Разработаны конечноэлементные схемы моделирования осесимметричных нестационарных электромагнитных полей от заземленной в скважине ВЭЛ, основанные на решении векторной краевой задачи и использовании векторного МКЭ. Предложен новый подход к моделированию стационарного электромагнитного поля ВЭЛ в осесимметричных средах.
  2. Исследована проблема точности решения, получаемого векторным МКЭ при расчете процесса становления осесимметричного поля ВЭЛ. Предложен новый подход, позволяющий получать решение с достаточной точностью во всем требуемом пространственно-временном диапазоне.
  3. Исследована эффективность и проведено сравнение вычислительных затрат скалярного и векторного подходов к моделированию нестационарного осесимметричного электромагнитного поля ВЭЛ при решении задач с необсаженными и обсаженными скважинами.
  4. Разработаны конечноэлементные схемы моделирования трехмерных стационарных и нестационарных электромагнитных полей от источника в виде ВЭЛ, базирующиеся на методике разделения поля на нормальную и аномальную составляющие.

Основные защищаемые положения

  1. Вычислительная схема, основанная на решении векторной краевой задачи векторным МКЭ, позволяет моделировать вызываемые ВЭЛ нестационарные осесимметричные электромагнитные поля в любых осесимметричных средах и рассчитывать в любом диапазоне времен все измеряемые на практике характеристики поля.
  2. Конечноэлементные схемы моделирования осесимметричного стационарного электромагнитного поля ВЭЛ, позволяют с достаточной точностью вычислять распределение вектор-потенциала , необходимое в качестве начального условия для расчета нестационарного поля ВЭЛ.
  3. Использование математической постановки, основанной на разделении полей, позволяет получать численные решения трехмерных стационарных и нестационарных электромагнитных задач для источника в виде ВЭЛ с необходимой точностью при относительно невысоких вычислительных затратах.
  4. Скалярный подход позволяет быстрее и с меньшими вычислительными затратами получать решения требуемой точности в осесимметричных задачах с необсаженными скважинами. При решении осесимметричных задач с обсаженными скважинами с учетом осесимметричных геологических объектов и обсадных труб лишь векторный подход дает решение достаточной точности с приемлемыми вычислительными затратами.
  5. Разработанные схемы конечноэлементного моделирования нестационарного электромагнитного поля ВЭЛ позволяют изучать влияние трехмерных геологических объектов на регистрируемый в приемниках сигнал и выделять отклики целевых объектов на значительных глубинах.

Достоверность результатов

Корректность вычислительных процедур, разработанных на основе математической модели нестационарного осесимметричного электромагнитного поля, подтверждена следующими вычислительными экспериментами.

  1. Правильность и точность расчета осесимметричного стационарного поля для источника ВЭЛ проверялась с помощью решения соответствующей двойственной задачи для ряда геоэлектрических моделей.
  2. Точность расчета нестационарного осесимметричного поля ВЭЛ с помощью векторного подхода проверялась путем сравнения с соответствующими результатами, получаемыми с помощью ранее верифицированного и успешно применявшегося скалярного подхода, а также с результатами, полученными при использовании полуаналитических методов.
  3. Корректность расчетов трехмерных нестационарных электромагнитных полей от источника ВЭЛ проверялась посредством сравнения решения осесимметричной задачи в трехмерной постановке с решением этой же осесимметричной задачи в двумерной постановке.

Теоретическая значимость

Разработаны и предложены математические модели, позволяющие с высокой точностью вычислять начальное поле при расчете нестационарного осесимметричного поля ВЭЛ.

Практическая значимость работы и реализация результатов

Предлагаемые в данной работе вычислительные схемы конечноэлементного моделирования стационарных и нестационарных электромагнитных полей реализованы в программном комплексе, который успешно применялся при исследованиях вызываемых ВЭЛ электромагнитных полей для ряда сложно построенных геоэлектрических моделей сред.

Личный вклад

Все результаты, приведенные в диссертации без ссылок на чужие работы, принадлежат лично автору.

В совместных публикациях по теме диссертации автору принадлежат следующие результаты.

В работе [2] лично автором были проведены расчеты нестационарных осесимметричных электромагнитных полей, вызываемых заземленной в обсаженной скважине ВЭЛ.

В работе [3] автору принадлежат результаты, связанные с разработкой и программной реализацией схемы конечноэлементного моделирования нестационарного осесимметричного поля ВЭЛ, основанной на решении векторной начально-краевой задачи векторным МКЭ. Лично автором исследована точность предложенной схемы и эффективность при решении осесимметричных задач с необсаженными и обсаженными скважинами.

В работе [6] лично автором проведены расчеты с применением векторного МКЭ возбуждаемых ВЭЛ трехмерных нестационарных полей.

В работе [10] принадлежат результаты, связанные с разработкой и программной реализацией схемы конечноэлементного моделирования нестационарного осесимметричного поля ВЭЛ со специальным способом вычисления начального поля. Лично автором проведена оценка точности и исследована эффективность предложенной вычислительной процедуры.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены и докладывались на: VIII международном научном симпозиуме молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2004 г.); международной конференции по вычислительной математике МКВМ-2004 (Новосибирск, 2004 г.); V и VI международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2004 и 2006 гг.); Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 2007 г.); научных семинарах НГТУ.

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ, из них:

– 2 статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендуемый ВАК РФ;

– 1 статья в докладах АН ВШ;

– 2 статьи в сборниках научных трудов;

– 5 работ в сборниках трудов конференций.

Диссертационная работа выполнялась при финансовой поддержке Федерального агентства по образованию РФ (проект № А04-2.13-574).

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка использованных источников (125 наименований) и приложения. Работа изложена на 138 страницах основного текста, содержит 45 рисунков и 3 таблицы.

Основное содержание работы



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.