ТРОЙНІЧ КОСТЯНТИН СЕРГІЙОВИЧ. КОМПЛЕКСНА ІНВЕРСІЯ ДАНИХ СЕЙСМО- ТА ГРАВІРОЗВІДКИ МЕТОДОМ ОДНОЧАСНОЇ ІТЕРАТИВНОЇ РЕКОНСТРУКЦІЇ

Краткое описание

ТРОЙНІЧ КОСТЯНТИН СЕРГІЙОВИЧ. Назва дисертаційної роботи: "КОМПЛЕКСНА ІНВЕРСІЯ ДАНИХ СЕЙСМО- ТА ГРАВІРОЗВІДКИ МЕТОДОМ ОДНОЧАСНОЇ ІТЕРАТИВНОЇ РЕКОНСТРУКЦІЇ"

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
На правах рукопису
ТРОЙНІЧ КОСТЯНТИН СЕРГІЙОВИЧ
УДК 550.8.056
КОМПЛЕКСНА ІНВЕРСІЯ ДАНИХ
СЕЙСМО- ТА ГРАВІРОЗВІДКИ МЕТОДОМ
ОДНОЧАСНОЇ ІТЕРАТИВНОЇ РЕКОНСТРУКЦІЇ
04.00.05 – Геологічна інформатика
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата
фізико-математичних наук
Науковий керівник
Вижва Сергій Андрійович,
доктор геологічних наук,
професор
Київ-2016
2
ЗМІСТ
ЗМІСТ.................................................................................................................. 2
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, СКОРОЧЕНЬ...... 4
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.............................................. 5
РОЗДІЛ 1 СУЧАСНИЙ СТАН ТА ПЕРСПЕКТИВИ ВПРОВАДЖЕННЯ
ГЕОФІЗИЧНОЇ ТОМОГРАФІЇ ДЛЯ ВИРІШЕННЯ ЗАДАЧ
НАФТОГАЗОВОЇ ГЕОЛОГІЇ (ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД)................... 11
1.1. Основні положення геофізичної томографії................................. 11
1.2. Геофізична томографія при міжсвердловинних дослідженнях .. 12
1.3. Використання томографії в сейсморозвідці.................................. 15
1.4. Літологічна томографія. Проблеми та перспективи розвитку. ... 19
ВИСНОВКИ ДО РОЗДІЛУ 1................................................................. 22
РОЗДІЛ 2 ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ КОМПЛЕКСНОЇ ІНВЕРСІЇ
ДАНИХ СЕЙСМО- ТА ГРАВІРОЗВІДКИ НА ОСНОВІ МЕТОДУ
ОДНОЧАСНОЇ ІТЕРАТИВНОЇ РЕКОНСТРУКЦІЇ............................... 23
2.1 Інверсія геофізичних даних на основі моделі................................ 24
2.2. Параметризація моделі.................................................................... 28
2.3. Часи пробігів сейсмічних променів з точки зору лінійної алгебри
................................................................................................................... 32
2.4. Пряма задача гравірозвідки з точки зору лінійної алгебри......... 39
2.5. Променева сейсмічна томографія на основі одночасної
ітеративної реконструкції ...................................................................... 44
2.6. Вирішення оберненої задачі гравірозвідки за допомогою методу
SIRT.......................................................................................................... 49
2.7. Комплексна інверсія даних сейсмо- та гравірозвідки за
допомогою методу SIRT ........................................................................ 53
3
ВИСНОВКИ ДО РОЗДІЛУ 2................................................................. 56
РОЗДІЛ 3 АЛГОРИТМІЧНЕ ТА ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ.... 58
3.1. Алгоритм комплексної томографічної інверсії геофізичних даних
із використанням даних петрофізичних досліджень........................... 58
3.2. Трасування променів ....................................................................... 62
3.3. Умови виходу з ітеративного процесу .......................................... 66
3.4. Локальна система координат.......................................................... 68
3.5. Вхідні та вихідні дані ...................................................................... 71
ВИСНОВКИ ДО РОЗДІЛУ 3................................................................. 79
РОЗДІЛ 4 ПЕРЕВІРКА РОБОТИ МЕТОДУ НА СИНТЕТИЧНИХ ТА
РЕАЛЬНИХ ДАНИХ ...................................................................................... 81
4.1. Томографічна інверсія даних поверхневої сейсморозвідки........ 81
4.2. Томографічна інверсія даних міжсвердловинних прозвучувань.
................................................................................................................... 87
4.3. Використання SIRT для інверсії даних гравірозвідки на
синтетичних моделях.............................................................................. 98
4.4. Інверсія комплексу даних сейсмо- та гравірозвідки .................. 103
ВИСНОВКИ ДО РОЗДІЛУ 4............................................................... 113
ВИСНОВКИ ................................................................................................... 114
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ .................................................. 116
4
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, СКОРОЧЕНЬ
ВСП Вертикальне сейсмічне профілювання
ГДС Геофізичні дослідження свердловин
СГТ Спільна глибинна точка
ART Algebraic Reconstruction Tomography
d Довжина відрізка траєкторії променя
f Геометричний фактор
g Гравітаційний вплив на точку спостереження
m Значення модельної функції
N Кількість комірок дискретної моделі
s Повільність в секундах на метр
SIRT Simultaneous Iterative Reconstruction Technique
t Час пробігу сейсмічного променя
x, y, z Просторові прямокутні координати
γ Гравітаційна постійна
σ Густина
υ Функція швидкості від просторових прямокутних координат
В даній роботі використовуються такі правила математичної нотації:
1. Вектори позначені маленькими напівжирними літерами.
2. Матриці позначені великими напівжирними літерами.
3. Просторові координати точки обрамлені курсивними дужками.
4. Підрядкові курсивні літери позначають індекс матриці або вектора.
5. Надрядкові символи в курсивних дужках позначають належність
вектора, матриці чи іншого елемента до певного набору даних
(наприклад: (m)
- спостережні, (g)
- гравітаційні).
5
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Дисертаційна робота присвячена розробці комплексної інверсії даних
сейсмо- та гравірозвідки методом одночасної ітеративної реконструкції.
Актуальність теми дисертації. Наукова спільнота активно розвиває
напрямки геофізичної томографії та комплексної інверсії, про що свідчить
велика кількість відповідних публікацій в передових геофізичних
періодичних виданнях світу. Геофізична томографія також широко
використовується сучасними нафтогазовими, сервісними та інженерними
компаніями для вирішення широкого кола задач. Алгоритми та принципи
роботи програмного забезпечення для томографічної (переважно сейсмічної
томографії) та комплексної інверсії геофізичних даних, що розробляються
провідними світовими геофізичними компаніями через комерційну
таємницю не публікуються. Висока ціна послуг передових зарубіжних
компаній не дозволяє широко використовувати найсучасніші технології
геофізичної томографії на теренах України.
У Київському університеті* ще з початку 80-х років минулого століття
під керівництвом проф. Тімошина Ю.В. була створена перша в колишньому
СРСР школа сейсмічної голографії (томографії). З того часу дослідники
кафедри геофізики працюють над створенням конкурентоспроможних
методів томографічної інверсії комплексу геофізичних даних для вирішення
цілого класу завдань нафтогазової геології, інженерної геофізики, Фізики
Землі, моніторингу небезпечних геологічних процесів.
Комплексна томографічна інверсія даних сейсмо- та гравірозвідки
становить значний інтерес для аналізу складнопобудованих розрізів при
пошуках та розвідці родовищ нафти і газу, пов’язаних із соляними тілами.
Вдала імплементація цього методу в практику вітчизняних геолого-

* Нині Київський національний університет імені Тараса Шевченка
6
геофізичних робіт дозволить підвищити ефективність геофізичних
досліджень та позитивно вплине на нарощування енергетичного потенціалу
України та виконання «Стратегії розвитку мінерально-сировинного
комплексу України до 2030 року».
Зв‘язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Робота виконана в рамках бюджетної теми № 11БФ049-02 «Розробка теорії
та методології побудови динамічних геолого-геофізичних моделей
геологічних об’єктів і процесів», а саме – підрозділу «Розробка теоретичних
основ геофізичної томографії складнопобудованих геологічних середовищ»
на кафедрі геофізики. Дана тема фінансувалась фондом фундаментальних і
прикладних досліджень Київського національного університету імені
Тараса Шевченка.
Мета та задачі дослідження. Мета дисертаційного дослідження
полягає у розробці методу інверсії комплексу даних сейсморозвідки та
гравірозвідки за допомогою геофізичної томографії із залученням всієї
наявної геологічної інформації та результатів інтерпретації даних
попередніх геофізичних та петрофізичних досліджень в якості апріорної
інформації.
Для досягнення поставленої мети дисертаційної роботи необхідно
вирішити наступні наукові задачі:
1. Виконати аналіз сучасного стану геофізичної томографії та
комплексної інверсії геофізичних даних з метою отримання фізичних
параметрів середовища та оцінити їх переваги та недоліки, а також
сучасні напрямки розвитку.
2. Розробити новий методологічний підхід до комплексної інверсії
геофізичних даних із залученням моделювання петрофізичних
властивостей.
3. Вдосконалити існуючі методи сейсмічної променевої томографії для
можливості обробки великих масивів сейсмічних даних.
7
4. Розробити метод інверсії гравітаційних даних на основі методу
одночасної ітеративної реконструкції (SIRT).
5. Розробити метод комплексної томографічної інверсії даних сейсмо- та
гравірозвідки на основі методу одночасної ітеративної реконструкції
(SIRT).
6. Провести перевірку розроблених методів та алгоритмів на спеціально
створених синтетичних тестах та на даних реальних геофізичних
спостережень.
Об’єктом дослідження є складнопобудоване геологічне середовище,
яке описується через густину та пружні параметри окремих комірок.
Предметом дослідження є комплексна інверсія даних
сейсморозвідки та гравірозвідки в ефективні геофізичні та геологічні
параметри середовища на основі методу одночасної ітеративної
реконструкції.
Методи дослідження. Для розробки та перевірки методів використані
розрахунково-аналітичний метод та математичне моделювання. Для
петрофізичних моделювань використані статистичний (регресійний,
кореляційний) аналіз.
Наукова новизна отриманих результатів. Основні результати
проведених досліджень мають таку наукову та прикладну новизну:
1. Розроблено новий методологічний підхід комплексної інверсії
геофізичних даних із залученням моделювання петрофізичних
властивостей.
2. Вдосконалено метод сейсмічної променевої томографії для
можливості обробки великих масивів сейсмічних даних.
3. Вперше розроблено метод інверсії гравітаційних даних на основі
методу одночасної ітеративної реконструкції (SIRT).
4. Вперше введено блочну систему лінійних алгебраїчних рівнянь для
комплексу гравітаційних та сейсмічних даних, яка дозволяє
8
виконувати комплексну томографічну інверсію з використанням
повільності поздовжніх хвиль як шуканого параметру.
5. Вперше розроблено метод комплексної томографічної інверсії даних
сейсмо- та гравірозвідки на основі методу одночасної ітеративної
реконструкції (SIRT).
Практичне значення одержаних результатів. Серед основних
можливих напрямків застосування результатів наукового дослідження
можна виділити наступні:
1. Алгоритм спільної інверсії сейсмічних та гравітаційних даних може
бути використаний при обробці та інтерпретації даних геофізичних
методів при пошуках та розвідці родовищ вуглеводнів в складних
геологічних умовах, зокрема при наявності штоків і діапірових
структур.
2. Розроблене автором програмне забезпечення може бути використане
для інверсії даних міжсвердловинних сейсмічних (акустичних)
прозвучувань при інженерних дослідженнях.
3. Деякі відомі методи адаптовано для збільшення швидкості обчислень
та зменшення вимог до ресурсів обчислювальної техніки.
4. Кожна із складових розробленого алгоритму втілена автором в окремі
програмні модулі на мові програмування С++ та може бути
використана незалежно для вирішення інших дослідницьких та
прикладних задач, таких як трасування сейсмічних променів крізь
швидкісну модель, обчислення гравітаційного ефекту заданого
розподілу мас та вирішення систем лінійних алгебраїчних рівнянь в
сенсі найменших квадратів нев’язки.
5. Проведена перевірка на даних міжсвердловинних прозвучувань на
підприємстві КІІВД «Енергопроект», що підтвердило його високу
ефективність.
9
Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати за темою
дисертаційних досліджень були отримані автором особисто та опубліковані
в наукових фахових вітчизняних та зарубіжних виданнях.
У роботах, виконаних у співавторстві, автору належать наступні
внески:
У роботі [1] у співавторстві із проф. Вижвою С.А. автору належить
написання всіх основних частин статті, створення ілюстрацій, розробка
алгоритму та втілення його у вигляді програмного коду, створення тестових
моделей та виконання інверсії на синтетичних прикладах.
У роботі [3] у співавторстві із Матвійчуком Б.В. та проф.
Вижвою С.А. автору належить написання вступної частини, розділу
«Використання томографії в сейсморозвідці» та вклад в написання розділу
«перспективи подальших досліджень»
У роботі [8] у співавторстві із Віршило І.В. та Матвійчуком Б.В.
автору належить написання розділів «velocity tomography», «ray tracing»,
«tomography algorithm description», частин розділів «model definition» та
«testing models», а також блок-схема, яка узагальнює ідею літологічної
інверсії комплексу геофізичних методів за допомогою томографії та
моделювання петрофізичних параметрів.
Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати,
відображені в роботі, доповідалися на таких Міжнародних наукових
конференціях та симпозіумах:
1) 14th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM
2014 (Bulgary, 2014);
2) Міжнародна наукова конференція «Роль вищих навчальних закладів
у розвитку геології» (Київ, 2014);
3) XIV міжнародна конференція «Геоінформатика: теоретичні та
прикладні аспекти» (Київ, 2015).
У цілому робота обговорювалася на науковому семінарі Інституту
10
Геології Київського національного університету імені Тараса Шевченка.
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 8 наукових робіт,
серед яких 4 статті у наукових фахових виданнях, що входять до переліку
МОН за спеціальністю дисертації та одна – в закордонному науковому
періодичному виданні, а також 3 публікації у матеріалах міжнародних
конференцій.
Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі
вступу, чотирьох розділів основної частини, висновків та переліку
використаних літературних джерел, що налічує 73 назви. Загальний обсяг
дисертації складає 122 сторінки; робота містить 1 таблицю та 46 рисунків.
Автор висловлює щиру подяку науковому керівнику, доктору
геологічних наук, професору Вижві С.А. за суттєву допомогу на всіх етапах
виконання роботи; доценту Віршило I.B. за продуктивні наукові дискусії та
консультації; кандидату геологічних наук Дейнеко С.І. за люб'язно надані
польові записи. Окрему подяку висловлюю професору Мартіну Букхольту
за мотивацію та мудрі поради стосовно методології наукових досліджень.
Також висловлюю щиру подяку моїй дружині за терплячість, розуміння та
підтримку протягом чотирьох років роботи над цим дослідженням.

Список литературы

ВИСНОВКИ
Автором було досягнуто мети досліджень та виконано всі основні
наукові задачі, поставлені перед даним дисертаційним дослідженням.
Основні наукові результати дисертаційного дослідження наступні:
1. Розроблено новий методологічний підхід до комплексної інверсії
геофізичних даних із залученням моделювання петрофізичних
властивостей. Даний підхід робить можливим поєднання часів
пробігів та/або амплітуд сейсмічних променів та значень аномалій
гравітаційного поля в одну систему рівнянь за рахунок моделювання
взаємозв’язків між густиною та пружними параметрами середовища.
2. Вдосконалено метод сейсмічної променевої томографії для
можливості обробки великих масивів сейсмічних даних.
Вдосконалення стосуються збільшення ефективності роботи із
машинною пам’яттю та можливості вирішувати задачу трасування
променів та знаходження поправок в багато-поточному або
паралельному режимах.
3. Вперше розроблено метод інверсії гравітаційних даних на основі
методу одночасної ітеративної реконструкції (SIRT). Перевагою
розробленого методу є можливість вирішувати обернену задачу
гравірозвідки використовуючи теоретичні положення та алгоритми
сейсмічної томографії, а також поєднувати сейсмічну та гравітаційну
томографію в один комплекс.
4. Вперше введено блочну систему лінійних алгебраїчних рівнянь для
комплексу гравітаційних та сейсмічних даних, яка дозволяє
виконувати комплексну томографічну інверсію з використанням
повільності поздовжніх хвиль як шуканого параметру.
5. Вперше розроблено метод комплексної томографічної інверсії даних
сейсмо- та гравірозвідки на основі методу одночасної ітеративної
115
реконструкції (SIRT). Даний метод дозволяє суттєво покращити
результати томографічної інверсії даних сейсморозвідки при
наявності зон низької когерентності сигналу СГТ викликаних
присутністю розломів із великою амплітудою та соляних тіл.
6. Результати досліджень були апробовані на реальних даних наданих
підприємством КІІВД «Енергопроект» та на синтетичних даних
створених компанією HESS для тестування методів міграції
сейсмічних даних та вільно розповсюджуваних спілкою SEG.
Результати апробації показали готовність запропонованих в
дисертації методів до вирішення практичних задач розвідувальної
геофізики.