Вычислительная технология изучения гетерогенных сред земной коры по динамическим характеристикам локальных волновых пакетов (по данным профильных глубинных сейс

На правах рукописи

Гошко Елена Юрьевна

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗУЧЕНИЯ

ГЕТЕРОГЕННЫХ СРЕД ЗЕМНОЙ КОРЫ

ПО ДИНАМИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ

ЛОКАЛЬНЫХ ВОЛНОВЫХ ПАКЕТОВ

(по данным профильных глубинных сейсмических наблюдений МОВ-ОГТ)

Специальность 05.13.18 – Математическое моделирование,

численные методы и комплексы программ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск- 2006

Работа выполнена в Новосибирском государственном архитектурно- строительном

университете НГАСУ (Сибстрин)

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

С.М.Зеркаль

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук

Глинский Б.М.

Кандидат физико-математических наук

Чеверда В.А

Ведущая организация: Югорский научно-исследовательский

институт информационных технологий

Защита диссертации состоится 19 декабря 2006 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 003.061.02 при Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН по адресу: г. Новосибирск, пр. акад. Лаврентьева, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН

Автореферат разослан 17 ноября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета д. ф.-м. н. Сорокин С.Б.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Бурное развитие средств вычислительной техники и связанных с ней информационных технологий обеспечивает рост эффективности современной производственной базы геофизических исследований. Сейсмические методы исследования имеют преимущество перед другими геофизическими методами по детальности и достоверности, получаемой при их использовании, информации о структуре слоев земной коры. Открытие большинства нефтяных и газовых месторождений на суше и в морских акваториях стало возможным благодаря высокой эффективности сейсморазведки. Роль вычислительной техники и информационных технологий в сейсмических исследованиях трудно переоценить учитывая, что уже во второй половине прошлого столетия объемы обрабатываемых сейсмических данных оценивались астрономическими числами [Алексеев А.С., Цибульчик Г.М. Актуальные проблемы вычислительной математики и математического моделирования. – Новосибирск: Наука, 1985 г.].

Результатами сейсморазведочных работ и обобщающими геологическими исследованиями последних лет доказана принципиальная возможность открытия промышленных углеводородных скоплений на больших глубинах (более 4-5 км), в том числе значительных по запасам. Дальнейшая задача прогноза и поисков глубокозалегающих залежей УВ зависит от степени изученности условий и факторов формирования и размещения таких объектов. В этой связи проблема выявления особенностей строения земной коры, тектонических обстановок в ее глубоких частях, влияющих на формирование залежей УВ на больших глубинах, приобретает особую актуальность. Полученные в последнее время многочисленные глубинные сейсмические данные показали, что строение консолидированной земной коры, обусловленное неоднородностями различной геологической природы, отличается от горизонтально слоистого. На глубинных разрезах ОГТ не установлено отражающих границ, расположенных ниже 4 - 5 сек и имеющих региональную протяженность. Наблюдаются лишь хаотически расположенные отражающие площадки с длиной, соизмеримой с первой зоной Френеля. Они образуют вертикально и латерально неоднородные зоны насыщения коры отражателями. В этом случае важно выбрать модель, соответствующую выявленному строению геологической среды, и применять адекватные алгоритмы обработки сейсмических данных с целью получения информативных характеристик земной коры.

Общим подходом к обработке глубинных сейсмических данных в настоящее время является то, что в основу закладывается гетерогенная сейсмическая модель земной коры [Караев Н.А., Рабинович Г.Я. Рудная сейсморазведка. Москва: ЗАО «Геоинформмарк»,2000]. Процесс обработки сейсми­ческих данных при этом ориентируется на статистические методы вычисления интегральных характеристик разреза: динамических, энергетических, спектральных. Эти характеристики используются для последующего многофакторного разделения полей сейсмических атрибутов на области однородности. Как было отмечено [Пузырев Н.Н. Методы и объекты сейсмических исследований. Н-ск: Изд-во СО РАН, 1997], «…в сейсмологии отчетливо обозначилась тенденция возможно полного использования динамических характеристик волн (амплитуд, спектров, импульсов и др). Это направление, безусловно, должно получить еще большее развитие в будущем». Изучению динамических характеристик сейсмических данных способствует в настоящее время наличие хорошо калиброванных сейсмограмм, предоставляющих данные об отражениях в истинных амплитудах. Именно это обстоятельство делает возможным волновой подход, при котором в качестве исходных данных используются: форма отраженного волнового пакета, время и знак вступления, максимальная амплитуда, спектральные и энергетические характеристики отраженной волны.

Одним из ключевых способов получения информации о свойствах объектов неоднородной среды является выделение и исследование формы отраженных волновых пакетов (сигналов) на разрезе ОГТ. Чувствительным параметром, характеризующим свойства неоднородных горных пород, принято считать затухание амплитуды сигнала. Это явление связано с повышенной трещиноватостью, разломами и разрушениями в среде, а также заполнением порового пространства флюидами различного происхождения, что делает затухание амплитуды сигнала, поглощение энергии на высоких частотах актуальным явлением с точки зрения прогноза месторождений. В настоящей работе предложен алгоритм и вычислительная технология расчета куба спектральных амплитуд сейсмических сигналов в пространстве временной и латеральной координат сейсмического профиля и частоты (t, x, f). Особенностью предложенного технологического решения является вычисление локального волнового пакета произвольной формы на разрезе ОГТ в бегущем окне с размером, согласованным с масштабом выявляемых неоднородностей. Визуализация куба спектральных амплитуд в виде среза на определенной частоте f = Const или в интересующем интервале частот позволяет исследовать эффекты затухания амплитуд сейсмических сигналов. Обработка данных выполняется с использованием разработанного специализированного программного комплекса StreamSDS [3, 4, 6]. В настоящее время изучение глубинного строения Восточной территории России для развития ее минерально-сырьевой базы стало приоритетной задачей Министерства Природных Ресурсов Российской Федерации. С 1994 г. и по настоящее время в России создается государственная сеть опорных геофизических профилей для обеспечения широкого круга недропользователей информацией о строении недр. Автор диссертационной работы принимает участие в глубинных исследованиях, проводящихся в настоящее время на опорных профилях: 2-ДВ, 3-СБ.

В диссертации представлены результаты применения разработанного автором алгоритма и вычислительной технологии StreamSDS для диагностики зон аномального затухания амплитуд спектров сейсмических сигналов в условиях гетерогенных сред земной коры. Полученные результаты хорошо согласуются с прежними представлениями о геологии исследуемых территорий, а также добавляют новые данные о строении земной коры и верхней мантии, интерес к которым обусловлен современными работами на нефть, газ и некоторые виды твердых полезных ископаемых [5, 9].

Цель исследований

Изучение строения земной коры по глубинным сейсмическим разрезам ОГТ на региональных и опорных профилях требует разработки специальных приемов обработки и анализа волновых полей, формирующихся в сложных гетерогенных средах.

Целью работы является создание алгоритма вычисления локальных пакетов отраженных волн по данным профильных глубинных сейсмических наблюдений МОВ-ОГТ и разработка компьютерной технологии анализа их динамических характеристик, в частности, одной из наиболее важных, - затухания амплитуды волн, являющейся прогнозным признаком при локализации месторождений полезных ископаемых.

Задачи исследований

1. Разработка и обоснование алгоритма вычисления локальной формы пакета отраженных, дифрагированных и рассеянных волн по данным профильных глубинных сейсмических наблюдений МОВ-ОГТ.

2. Численное исследование алгоритма определения формы локального волнового пакета на основе математического моделирования волновых образов сложных геологических сред с помощью синтетического разреза ОГТ.

3. Разработка технологии изучения динамических характеристик локальных волновых пакетов на глубинных разрезах ОГТ в условиях сложных гетерогенных сред земной коры.

4. Создание специализированного вычислительного программного комплекса StreamSDS и практическое использование его на материалах глубинных опорных профилей: 2-ДВ (г. Магадан – мыс Эммытаген), 3-СБ (Алтай - Северная Земля).

Фактический материал и методы исследований

Разработанное автором алгоритмическое и компьютерное обеспечение для исследования динамических параметров отраженных волн было опробовано:

• на дальневосточном опорном профиле 2-ДВ (г. Магадан – мыс Эммытаген, 2000 погонных километров, длительность регистрации наблюдений 25 сек);
• на опорном профиле Восточной Сибири 3-СБ (рассечка к профилю Алтай-Северная Земля, 300 пог. км, длительность регистрации наблюдений 24 сек);

Всего с помощью разработанной автором вычислительной технологии и специализированного программного комплекса обработано около 700 пог. км глубинных опорных сейсмических профилей. В работе применялись теоретические результаты в области исследования сейсмических сигналов, полученные акад. Алексеевым А.С., Н.И.Берзон, Н.Н.Пузыревым, Аки и Ричардсом, Н.А.Караевым, О.Л.Кузнецовым, методы математического анализа и статистики.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Алгоритм вычисления локальной формы пакета отраженных, дифрагированных и рассеянных волн, формирующейся на разномасштабных неоднородностях в условиях гетерогенных сред земной коры, по данным профильных глубинных сейсмических наблюдений МОВ-ОГТ.
2. Технология исследования динамических (спектральных, энергетических) характеристик локальных волновых пакетов в условиях сложных гетерогенных сред земной коры.
3. Специализированный вычислительный программный комплекс StreamSDS, позволяющий:
   • создавать и визуализировать матрицу локальных волновых пакетов,
   • формировать куб амплитудных спектров локальных волновых пакетов в пространстве трех переменных t, x, f,
   • получать и визуализировать двумерные срезы спектрального куба по любой из вышеперечисленных координат с целью анализа и разделения на области, однородные по спектральным и энергетическим характеристикам,
   • диагностировать зоны затухания энергии отраженных волн на основе исследования срезов спектрального куба по частоте, позволяющего обнаружить эффекты, связанные с поглощением высоких частот, рассеянием и другими потерями энергии при прохождении сейсмического импульса в неоднородной толще пород.
4. Результаты применения специализированного программного комплекса на фрагменте дальневосточного опорного профиля 2-ДВ, на профиле 3-СБ в Восточной Сибири.

Научная новизна работы

Автором разработан алгоритм вычисления локальной формы волнового пакета по данным профильных глубинных сейсмических наблюдений МОВ-ОГТ. Это позволило впервые получить цифровые данные об изменении формы волнового пакета отраженных, дифрагированных и рассеянных волн, формирующегося в области локальной неоднородности гетерогенной среды; на основе исследования спектральных характеристик матрицы волновых пакетов диагностировать зоны аномального затухания энергии отраженных волн на разрезе ОГТ.

Автором впервые сформулированы методические приемы, позволяющие по спектральным и энергетическим характеристикам локальных волновых пакетов обнаружить эффекты, связанные с поглощением высоких частот, рассеянием и другими потерями энергии при прохождении сейсмического импульса в неоднородной толще пород.

Разработанные автором алгоритмы и методические приемы легли в основу специализированного программного комплекса StreamSDS, реализующего вычисление динамических характеристик отражений от локальных неоднородностей среды и диагностику зон затухания энергии отраженных волн на основе исследования срезов спектрального куба по частоте.

Практическое использование разработанного специализированного программного комплекса StreamSDS на материалах глубинных опорных профилей: 2-ДВ (г. Магадан – мыс Эммытаген), 3-СБ (Алтай - Северная Земля) позволило впервые составить предварительные геолого-геофизические и тектонические модели строения земной коры этих территорий.

Внедрение результатов работы

Специализированный программный комплекс StreamSDS внедрен в ФГУП «СНИИГГИМС», что подтверждено Актом о внедрении (Приложение 1).

Проводящиеся в настоящее время автором работы по обработке и интерпретации материалов СГ-ОГТ опорного геофизического профиля 2-ДВ (г. Магадан – мыс Эммытаген, 2000 погонных километров) с использованием защищаемых алгоритмических и технологических разработок имеют положительные отзывы ведущей организации ВСЕГЕИ,г.Санкт-Петербург. Рекомендация к дальнейшему применению вычислительного программного комплекса StreamSDS зафиксирована в Решениях Комиссии Министерства природных ресурсов РФ по надзору за выполнением работ (от 22.09.06 г.) по Договору о научном сопровождении региональных геолого-геофизических работ на территории Магаданской области и Чукотского автономного округа.

Созданная автором вычислительная технология, реализованная в комплексе StreamSDS применяется в настоящее время для выполнения договоров с Федеральным агентством по недропользованию РФ, Территориальным агентством по недропользованию по Красноярскому краю по созданию опорного профиля 3-СБ «Алтай – Северная Земля».

Апробация работы

Основные результаты по теме диссертационной работы доложены на:

1. Всероссийском семинаре «Методы, технические средства, методика обработки и интерпретации геолого-геофизических исследований при создании государственной сети опорных геофизических профилей», г. Новосибирск,10-13 сентября 1999 г.,
2. Геофизической научно-практической конференции: «Проблемы повышения эффективности применения геофизических исследований при поисках, разведке, разработке и эксплуатации месторождений нефти и газа в Западной Сибири», г. Тюмень, 16-18 сентября 2003г.
3. 62-й научно-технической конференции, посвященной 75-летию НГАСУ (СИБСТРИН). – Новосибирск: НГАСУ, 2005
4. VII Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» в Москве, 2005
5. 2-ом Международном симпозиуме «Активный геофизический мониторинг литосферы земли, 12-16 сентября, Академгородок, Новосибирск, 2005 г.
6. Международной конференции «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» Казахстан, Павлодар, 20-22 сентября 2006 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 печатных научных работ. Из них одна монография и три статьи в рекомендованных ВАК научных журналах.

Личный вклад автора диссертации

В работах 3, 4 научному руководителю Зеркалю С.М. принадлежит постановка задач и руководство работой. В работе 6 Маркову В.М. принадлежит программная реализация разработанных Гошко Е.Ю. алгоритмов. В работе 9 Мигурскому А.В. принадлежит геологическая и тектоническая интерпретация результатов применения специализированного программного комплекса StreamSDS на материалах опорного профиля 2-ДВ. В остальных перечисленных работах соавторам Рудницкой Д.И., Сагайдачной О.М., Сальникову принадлежит предоставление цифровых сейсмических данных по глубинным разрезам ОГТ опорных профилей 2-ДВ и 3-СБ и геологический анализ результатов. Работы 1, 2, 10, 11 посвящены созданию и применению системы РЕАПАК; руководящая роль принадлежит Рудницкой Д.И., алгоритмическое обеспечение отдельных блоков системы, тестирование программ и их использование – Гошко Е.Ю.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и 2-х приложений, содержит 133 страницы машинописного текста и 44 рисунка. Библиография включает 79 наименований.

Введение

Во введении излагается современное состояние исследуемой проблемы, обосновывается актуальность, научная новизна и важность полученных в диссертации результатов, определяется их место среди близких научных исследований.

Глава 1. Физические и математические основы сейсмических исследований строения земной коры

В данной главе дается краткое описание математических моделей, используемых для изучения распространения упругих волн в среде и область их физического применения. Для гетерогенных сред, являющихся предметом диссертационного исследования, выполняется анализ применимости классических и статистических методов обработки и интерпретации геофизических данных.

Сейсмические модели по существу являются математическими. Изложим основные положения теории, следуя [Аки, 3]. Физические предпосылки для создания модели содержат: