Информационные технологии в геологии и геофизике. 1 Геофизические измерения и цифровая регистрация данных, компьютеризированные измерительные приборы
 Скачать 42.71 Kb.
|
|
Введение Современный геологоразведочный процесс представляет собой масштабную индустрию по производству больших объёмов геоинформации, при которой ведется регистрация всех известных видов геологических, геофизических и геохимических полей. В результате образуются огромные массивы данных, требующих от специалистов извлечения полезной информации в связи с решением различных геологических задач, хранение этого информационного материала с возможностью многократного к нему обращения. Таким образом, перед сегодняшней наукой геологией и геофизикой ставится целый спектр актуальных задач: сбор, регистрация и передача геоинформации с использованием современной техники и информационных сетей; хранение и многократное использование геоинформации на основе баз данных и систем управления базами данных; создание автоматизированных и геоинформационных систем по обработке и интерпретации геоданных с дальнейшим их развитием в экспертные системы; интегрированный системный анализ многоуровневой и разнопараметровой геоинформации; построение информационно-аналитических систем. Внедрение современных информационных технологий в геологоразведочный процесс даст возможность оптимально решать стоящие перед современной геологией и геофизикой перечисленные задачи, позволит увеличить производительность и снизить эксплуатационные затраты предприятий, обеспечить оперативное принятие решений в промышленном производстве. 1 Геофизические измерения и цифровая регистрация данных, компьютеризированные измерительные приборы В настоящее время в геофизических производственных организациях РФ и стран СНГ эксплуатируется большое количество промыслово-геофизических лабораторий и станций, оснащенных оборудованием для цифровой регистрации данных ГИС. Перечисленные лаборатории обладают различными функциональными возможностями и по-разному вписываются в полный цикл компьютерной технологии геофизического предприятия. Вне зависимости от области применения (геофизические исследования открытого ствола, обсаженной скважины, контроль за эксплуатацией скважины) промыслово-геофизическая лаборатория состоит из ряда подсистем. Подсистема сбора геофизической информации предназначена для выделения и разделения по регистрирующим каналам измерительной информации, поступающей по кабелю от скважинных приборов. Подсистема регистрации и визуализации включает в себя средства, необходимые для автоматической регистрации получаемых от подсистемы сбора геофизической информации данных, и их визуализацию с целью контроля качества регистрации. Подсистема питания и управления осуществляет питание скважинных приборов и управление работой исполнительных механизмов (двигателей постоянной и переменного тока, переключателей и т.п.). При работе с цифровыми связками программно-управляемых скважинных приборов дополнительно вводится блок кабельного интерфейса. Подсистема силового питания осуществляет питание оборудования лаборатории стабилизированным напряжением промышленной частоты. В случаях работы при больших провалах сетевого питания в состав лаборатории вводится агрегат бесперебойного питания с аккумуляторами. Подсистема контроля спускоподъемных операций предназначена для обеспечения синхронной работы регистрирующих средств лаборатории с движением прибора в скважине и определения параметров этого движения (глубина, скорость, натяжение кабеля). Современные геофизические станции включают: комплект наземной измерительной аппаратуры; скважинные приборы; оборудование, обеспечивающее спуск приборов в скважину и подъем их на поверхность; кабель, на котором производят спуско-подъемные операции и который одновременно служит электрическим каналом связи между наземной аппаратурой и скважинным прибором. Компьютеризированные промыслово-геофизические (каротажные) лаборатории подразделяют на: 1. аналоговые с цифровым или компьютеризированным регистратором, осуществляющие цифровую регистрацию данных от всех типов скважинных приборов через аналоговые (импульсные) выходы наземных панелей этих приборов; 2. программно-управляемые, работающие с цифровыми программно-управляемыми скважинными приборами и комбинированными сборками этих приборов; 3. лаборатории с программно-управляемыми средствами демодуляции и декодирования информационных сигналов скважинных приборов, коммутации жил кабеля, источников питания и управления опросом приборов, работающие с аналоговыми приборами без их наземных панелей. В последнее десятилетие прошлого века произошло техническое переоснащение отечественной каротажной службы, выразившееся в замене обычных каротажных станций с аналоговыми или цифровыми регистраторами новыми, компьютеризированными каротажными станциями, а обычных скважинных приборов - комплексными скважинными приборами, зачастую с цифровым выходом информации. С датчиков, размещенных в комплексном скважинном приборе СП, информация поступает на блок управления скважинным прибором БУСП. Назначение БУСП - это определение точки записи и совмещение по глубинам диаграмм различных регистрируемых параметров; проверка, настройка и градуировка измерительных каналов. С БУСП предварительно обработанная информация о регистрируемых параметрах в аналоговой форме и преобразованная в цифровую форму на АЦП подается на бортовую ЭВМ, которая обеспечивает: управление работой станции, интерпретацию получаемых результатов, выдачу информации на аналоговый регистратор АР, запись ее в цифровом коде на магнитную ленту цифрового магнитного регистратора ЦМР и передачу информации на экран дисплея. В понятие "управление работой" включаются: автоматизированная настройка измерительных и регистрирующих каналов, калибровка приборов, градуировка измерительных каналов, выбор и установка масштабов регистрации, диагностика неполадок. Автоматизированная обработка получаемой информации обеспечивает контроль качества материалов. Кроме того, в процессе каротажа непосредственно на скважине получают сведения о литологии разреза, о наличии и местоположении в нем коллекторов; проводят предварительную оценку пористости и характера насыщения. Управление бортовой ЭВМ осуществляется из блока накопления НМЛ, где на магнитной ленте сконцентрирована библиотека программ управления процессом измерения и интерпретации. Предусмотрена также возможность ручного управления ЭВМ с терминала ручного управления. Примером компьютеризированных станций могут служить станции "Гектор", "Мега", "Карат-П", "Гранит-Оникс", "Кедр" и др. Информация записывается на диски в международном формате LAS и выводится на плоттере или в формате привычном для российских заказчиков. Достоинством программного обеспечения является то, что оно позволяет пользователю самостоятельно включать в состав системы любой скважинный прибор. В дальнейшем эта система может развиваться за счет введения в ее состав расширенного комплекса обрабатывающих программ. 2 Передача данных по линям связи, компьютерные сети В последнее время все больше внимания уделяется автоматизации и повышению надежности процесса каротажа. Важнейшую роль при этом играет совершенствование наземной регистрирующей аппаратуры и программного обеспечения. В качестве телеметрической линии передачи информации из скважины в наземную регистрирующую систему наибольшее распространение получил каротажный одножильный геофизический кабель, который является одной из разновидностей коаксиального кабеля с концентрическим расположением жилы (прямого провода) внутри брони (обратного провода). В качестве внешней оплетки каротажный кабель имеет броню без поверхностной изоляции. Следовательно, высокочастотный информационный сигнал, проходящий через каротажный кабель, подвергается искажению и ослаблению под действием сопротивления и емкости кабеля. При этом степень искажения зависит как от длины линии связи (каротажного кабеля), так и от частоты информационного сигнала. Раньше для передачи данных из скважины в наземную аппаратуру использовался в основном аналоговый сигнал, который затем оцифровывался на поверхности. Но передача аналогового сигнала по грузонесущему геофизическому кабелю длиной порядка 5 000 м ввиду его значительной электрической емкости приводит к значительным трудно устранимым амплитудно - и фазочастотным искажениям, что затрудняет интерпретацию зарегистрированного геофизического материала, а также приводит к зашумливанию сигнала, что снижает общий динамический диапазон измерительного комплекса. В настоящее время наиболее распространенным методом передачи данных является цифровая телеметрия. Начиная с 80-х годов прошлого столетия основным методом кодирования сигнала является самосинхронизирующийся код «Манчестер-2», который, в отличие от других методов кодирования, не требует дополнительной линии синхронизации. Передача производится по одной линии, что позволяет использовать его при передаче данных по одножильному кабелю. Кодирование с использованием «манчестерского» кода осуществляется за счет положительных и отрицательных переходов уровня потенциала, осуществляемых посередине битового интервала. Нулю исходных данных соответствует положительный переход, а единице – отрицательный. За счет наличия переходов потенциала «манчестерский» код обладает самосинхронизацией. Скважинный прибор может иметь различные методы измерения геофизических параметров для самых разных типов нефтегазовых скважин. Также могут использоваться различные устройства телеметрии. Система питания обеспечивает скважинный прибор электроэнергией требуемого вида: постоянным напряжением стабильного тока и напряжения, переменным напряжением частотой 50 и 400 Гц регулируемого уровня тока и напряжения, а также энергоснабжение наземных датчиков (глубины, магнитных меток и натяжения каротажного кабеля) и всех элементов регистратора (блока сопряжения с различными устройствами телеметрии, платы процессора с памятью, схемы интерфейса с ЭВМ). Указанная обобщенная структура компьютеризированной геофизической лаборатории естественным образом вписывается в состав каротажного подъемника, преобразуя его в геофизическую станцию. В таком совмещенном варианте в настоящее время выпускается большинство серийных каротажных подъемников. Именно такая структура современной геофизической станции позволяет в полной мере реализовать основные цифровые технологии ГИС. Основными техническими задачами при подключении к регистратору скважинных приборов различных производителей являются: – коммутация жил кабеля для энергоснабжения от соответствующих источников питания и для информационной совместимости с сигнальными и управляющими входами регистратора; – преобразование выходных сигналов систем телеметрии с различными видами модуляции в цифровой код на вход процессора. 3 Спутниковые системы связи и навигации В России имеется огромный потенциал для применения космических технологий в геологоразведке, особенно в нефтегазовом секторе. Разведка из космоса позволяет значительно оптимизировать процессы поиска полезных ископаемых, но она требует крупных инвестиций. Космические технологии пришли в геологоразведку в виде метода дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Суть ДЗЗ состоит в приеме данных со спутников, их регистрации, обработке и архивации. В геологоразведке используются такие направления, как структурный анализ изучаемой поверхности для оценки глубинного залегания пород, изучение свойств полезных ископаемых посредством спектрального анализа, прогнозирование мест залегания пород, подсчет запасов, разработка карт, актуализация и анализ геологических аномалий и изменений, отслеживание состояния экзогенных геологических процессов и т.д. Их использование имеет высокий экономический потенциал. Основные плюсы: ДЗЗ значительно удешевляет поиск полезных ископаемых и минералов: снижаются финансовые и временные затраты на наземную разведку и использование техники и персонала; геологоразведочные работы выходят на качественно новый уровень; высокая скорость получения информации: от 1-2 дней до нескольких недель; высокая точность информации: снимки из космоса документируют конкретную местность в конкретное время; значительно большая широта и глубина охвата: ДЗЗ позволяет одновременно делать снимки на большой площади с высокой степенью точности, исследовать труднодоступные регионы и участки, локализовать поиск, делать одновременные наблюдения на разных участках; отсутствие привязки к государственным и другим границам, не требуется специального разрешения; помощь в получении более детальной информации о возможных сейсмологических изменениях в сейсмоактивных зонах; тенденция к удешевлению услуг: актуальные разработки в области микроспутников, другие разработки, направленные на снижение себестоимости. Но есть и минусы: высокая стоимость инновационных технологий, требующая первоначальных инвестиций; сложность в оценке эффективности в текущем периоде (отложенный во времени экономический эффект); замкнутость индустрии ДЗЗ на государственном финансировании, включая оборонные бюджеты (закрытая информация); проблемы, связанные с психологическим восприятием инновационных методов в геологоразведке, недоверие к новым методам; дискредитация метода ДЗЗ низкоквалифицированными специалистами, нехватка квалифицированных специалистов; отсутствие практики массового потребления данных услуг (несформированный рынок). Рынок ДЗЗ в России еще не сформирован на уровне массового потребления, страна пока отстает от мировых лидеров, но в целом старается быть в тренде развития рынка. Услуги ДЗЗ для геологоразведки могут предоставлять любые компании, занимающиеся дистанционным зондированием Земли в целом. Наибольшее развитие данные методологии получили в США (в тесной связи с НАСА). GeoEye, DigitalGlobe — крупные американские игроки. Наиболее популярные космические системы для ДЗЗ: Landsat 7, Landsat 8, Terra/Aster и WorldView-3. В России развитие систем ДЗЗ регулируется государством. Главный российский игрок: госкорпорация Роскосмос. Головная компания по работе с ДЗЗ-АО «Российские космические системы». Наиболее актуальные и перспективные направления для ДЗЗ в России: Нефтегазовая отрасль. В рамках федеральной космической программы 2016-2025 гг. «Газпром» рассматривает запуск 7 спутников (системы «Смотр») на небюджетные средства (около 93,5 млн рублей планируется получить от инвесторов). Арктика, обладающая гигантскими запасами полезных ископаемых, становится все более актуальной для исследований, включая ГРР: изучение состава ледяного покрова, его изменений, мониторинг природных ресурсов, поиск полезных ископаемых. 4 Обработка и интерпретация геофизических данных (алгоритмы и программы) Программы интерпретации геофизической информации широко распространены во всем мире. В зависимости от задач компании-разработчика программы охватывают различные направления геофизики. Большинство программ предназначено для электроразведки на постоянном и переменном токе. Программы постоянно совершенствуются. Этому способствует непосредственное участие разработчиков в процессе интерпретации полевых данных, а также многочисленные консультации с представителями производственных организаций. Среди используемых для обработки геофизической информации пакетов программ наиболее известными и хорошо зарекомендовавшими себя на практике являются: - Surfer, Grapher (Golgen SoftWare) - MapInfo (MapInfo)+ Discover for MapInfo (ENCOM) - Micromine (Micromine) - ИМПУЛЬС ABC, HORIZONW (Новосибирск, ГФУП СНИИГГиМС, Тригубович Г.М.) - ZondRes2D, ZongIP1D, ZondMag2D, ZondMag3D, ZondGM2D (СП-б, Каминский А.) - ЦИКЛ Проба, Подбор (Новосибирск, Институт геофизики СО РАН, Могилатов В.С.) - WGRMG (Долгов С.В., Алматы, АО “АЭС”) - вспомогательные программы AutoCad, CorelDraw и т.д. Широкий спектр применяемого программного обеспечения позволяет производить оперативную предварительную обработку и визуализацию полученных результатов непосредственно в полевых условиях, а также полуколичественные и количественные расчеты в камеральный период с получением вертикального распределения истинных параметров исследуемых сред (модели среды). Кроме этого, в настоящее время наиболее перспективными методами обработки считаются различные алгоритмы, использующие методы инверсии (пакет программ ZOND) и восстановления истинных параметров среды по всему массиву полевых данных с учетом реального рельефа и расположения приемных и питающих электродов на нем (2.5D интерпретация). Данный вид обработки полевых данных позволяет получить наиболее точные и близкие к реальным разрезам модели среды. GeoMag – программа предварительной обработки данных магниторазведки. Создание общей базы данных по профилю и площади. Расчет магнитного поля с учетом вариаций и нормального поля. Возможность площадной увязки данных при использование разных магнитометров. Расчет погрешности съемки. Экспорт данных в Excel и Surfer. GeoModel – программа количественной интерпретации кривых ВЭ-ВП 1D. Расчет прямой задачи на каждом пикете профиля. Экспорт данных в Surfer для окончательного построения геолого-геофизического разреза. GeoVez – программа импорта данных с электроразведочных станций и пересчет регистрируемых параметров в физические параметры сопротивления и поляризуемости. Создание общей базы данных по профилю и по участку. Расчет погрешностей. Экспорт данных в программу Surfer для построения псевдоразверов. GeoGrav – программа предварительной обработки гравиразведки для гравиметров ГНУ-КВ. Также специалистами разработан ряд модулей и макросов для быстрого обмена данными между программами интерпретации и построения окончательных данных в графическом виде (графики, разрезы, карты для Surfer, MapInfo, AutoCad). Разработаны алгоритмы расчета локальных и комплексных параметров геофизических полей (магниторазведка+гравиразведка+электроразведка). Компьютерная технология статистического и спектрально-корреляционного анализа геоданных "КОСКАД 3D", предназначена для обработки и интерпретации геолого-геофизической информации, организованной в одномерные, двухмерные и трехмерные регулярные сети, методами вероятностно-статистического подхода. Оригинальная база данных комплекса позволяет эффективно работать с цифровой пространственно распределенной информацией, организованной в трехмерные, регулярные сети. Функциональное наполнение комплекса "КОСКАД 3D" позволяет на современном уровне провести полный спектрально-корреляционный, статистический и градиентный анализ геоданных, выполнить расчет спектров Фурье, различных корреляционных функций и градиентных характеристик геополей, получить спектральные оценки геополей с использованием аппарата вейвлет-анализа. 5 Базы данных и геоинформационные системы Базы пространственных данных (БПД) или базы геоданных (БГД) являются основой хранения пространственной информации. Термин «базы геоданных» включает: картографические базы данных, археологические базы геоданных, логистические базы геоданных, экологические базы геоданных, гравиметрические базы геоданных, трехмерные базы геоданных и другие. Геоданные являются организованным, структурированным и системным ресурсом, что позволяет решать на их основе системные задачи и проводить системный анализ на основе БГД. В геоинформатике геоданные более структурированы, чем данные в информатике. Они изначально содержат три группы и имеют вид [23]: GD = Ф{(C1,C2,…Cn), (Pt1, Pt2, …Ptm), (А1, A2, …Al), (1) где Ci – совокупность координатных (пространственных) параметров (i=1…n); Pti – совокупность временных параметров (i=1…m); Аi – совокупность тематических характеристик (i=1…k). Такая структура данных делает их удобными для моделирования в пространстве и времени. В результате комплексной обработки с использованием интегрированной информационной основы получают специализированные базы геоданных для решения задач каждой предметной области. Базы геоданных бывают разных размеров, имеют различное количество пользователей и могут масштабироваться от небольших однопользовательских баз данных, созданных на основе файлов до более крупных рабочих групп, отделов и предприятий, к которым обращаются многие пользователи. Аспект связи с обычными базами данных. База геоданных – развитие обычной базы данных применительно к организации пространственной информации трех типов (место, время, тема) и решению задач с использованием пространственной информации. Связь осуществляется в первую очередь за счет использования системы управления базами данных (СУБД) или файловой системы. Структурный аспект. База геоданных может быть рассмотрена как организованная структура данных для ГИС или базы данных, не связанной напрямую с ГИС. Аспект физического хранилища информации. База геоданных как система хранения информации может быть рассмотрена как физическое хранилище разной информации, включая пространственную и географическую информацию. Аспект моделирования и пространственного моделирования. База геоданных содержит набор информационных моделей для представления и управления интегрированной информацией. Эта комплексная информационная модель реализуется как сложная совокупность разных моделей: топологий, цифровых карт, моделей Земли, моделей преобразований, таблиц, содержащих классы объектов, наборов визуальных моделей и атрибуты. Системный аспект позволяет рассматривать БГД как целостную систему, данные которой также обладают системностью и целостностью. Логический аспект организации БГД включает логику организации геоданных, логику алгоритмов, логику верификации, логику валидации результатов и обработки. Логика программного обеспечения базы геоданных обеспечивает общую логику приложения, используемую в ГИС или независимой БГД для доступа и работы со всеми данными в различных файлах и форматах. Интеграционный аспект БГД поддерживает работу с базой геоданных и включает в себя работу с разнообразными форматами файлов от пространственных до визуальных. Эти форматы описывают: данные САПР, триангуляционные сети (TIN), регулярные сетки, изображения, файлы географической разметки (GML) и многими другими данными разных источников. построения БГД как создание слоев в пространственной информации и геоданных для их фиксации в базе геоданных. Геоинформационная система (ГИС) – это аппаратно-программный человекомашинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координатных данных, интеграцию информации и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием, управлением окружающей средой и территориальной организацией общества. ГИС – это инструмент управления. Является общепризнанным, что географические данные составляют порядка 70 % объёма всей циркулирующей в ГИС информации. ГИС позволяет принимать решения на основе географической информации. В отличие от других типов инструментов обработки информации ГИС понимает концепцию местоположения, так как базируется на информации, привязанной к координатам на карте, и позволяет представить её в графическом виде для интерпретации и принятия управленческих решений. ГИС может использоваться для решения самых разнообразных аналитических задач, например: создание и распределение кадастровых кварталов, присвоение участкам новых кадастровых номеров в зависимости от их расположения и сопутствующей юридической информации. В настоящее время ГИС используются местными властями, кадастровыми службами, Росреестром, агентствами по контролю за окружающей средой, службами быстрого реагирования и коммунального хозяйства, в сферах деловой активности и т.д. Основной единицей в ГИС являются данные. Под данными в среде ГИС понимается информация, известная об объектах реального мира; результаты наблюдений и измерений этих объектов. Элемент данных содержит две главные компоненты: географические сведения, описывающие его местоположение в пространстве относительно других объектов (пространственные данные), и атрибутивные данные, которые описывают сущность, характеристики, переменные и значения. Геоданные – это данные о предметах, формах территории и инфраструктурах на поверхности Земли, причем как существенный элемент в них должны присутствовать пространственные отношения (связи). Компоненты данных в ГИС. ГИС способна моделировать объекты и процессы, протекающие не только на суше (территории), но и на акваториях морей, океанов и внутренних водоёмов (акватории). Например, ГИС Чёрного моря, ГИС для мониторинга глубоководного газопровода «Голубой поток». Классификация ГИС возможна по нескольким критериям: по функциональным возможностям, по архитектурному принципу построения, по территориальному (пространственному) охвату, по проблемной ориентации, по тематике, по способу организации пространственных данных, по масштабу. Заключение На современном этапе информационные технологии в геологии и геофизике становятся средством первой необходимости при решении самых разнообразных геологоразведочных задач. Это один из универсальных инструментов и средств, решающих задачи сбора, обработки, моделирования и анализа информации, её отображения и использования при решении расчетных задач, подготовке и принятии технологических решений в процессе производства. Список литературы 1. Розенберг И.Н. Информационные революции и информационные потребности // Дистанционное и виртуальное обучение. – 2017. – № 4. – С. 5–12. 2. Железняков В.А. Интеллектуальное обновление информации в банке геоданных // Инженерные изыскания. – 2012. – № 5. – С. 58–61. 3. Савиных В.П., Соловьев И.В., Цветков В.Я. Развитие национальной инфраструктуры пространственных данных на основе развития картографо-геодезического фонда Российской Федерации // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. – 2011. – № 5. – С. 85–91. 4. Болдырев Г.Г., Барвашов В.А., Шейнин В.И., Каширский В.И., Идрисов И.Х., Дивеев А.А., 2019. Информационные системы в геотехнике – 3 D геотехника. // Геотехника, Том ХI, № 2, с. 6–27. 5. http://www.geol.vsu.ru/ecology/ForStudents/Library/GIS_i_GGIS_v_geologii.pdf 6. https://www.istu.edu/promo/geois/ 7. https://www.ruscable.ru/article/Informacionnaya-sistema-dlya-priema-i-registracii_informacii-peredavae/ 8. https://bibl.nngasu.ru/electronicresources/uch-metod/geodesy/847228.pdf |