Full Text

Введение В настоящее время существует множество программ интерпретации данных геофизических исследований скважин (ГИС) [1-5], позволяющих решать геологические задачи и осуществлять контроль технического состояния скважин. Для оценки состояния скважин используют комплекс методов [1, 4, 6-12], включая акустические, радиоактивные, электромагнитные и др. В связи с этим является актуальным сравнительный анализ возможностей существующих программных комплексов ГИС для контроля технического состояния скважин. Необходимо рассмотреть возможности программ на всех этапах обработки и интерпретации: поддержка различных форматов данных, оценка качества материала в соответствии с отраслевыми стандартами [13], поддержка пошаговой обработки, предварительная обработка [14], определение параметров сигнала [15, 16], расчет физико-механических свойств и других параметров [6], обработка данных различных акустических, радиоактивных, электро-магнитных методов [17, 18] и профилеметрии. Анализ существующих пакетов обработки и интерпретации информации о геофизических исследованиях скважин Для обработки и интерпретации данных геофизических исследований скважин наиболее широко используются следующие пакеты: «СОНАТА» [19, 20], «Прайм», «Гинтел», «Пангея», «СИАЛ-ГИС», «Камертон», DV-Geo, Geophysics Office, Tigress, «ГеоПоиск», Techlog («Шлюмберже»), LogPWin ООО «Нефтегаз-геофизика». Из указанных программных средств наибольшее распространение на территории Российской Федерации для задач оценки технического состояния скважин и обработки волнового акустического каротажа (ВАК) получили пакеты «Прайм», «Камертон», «ГеоПоиск», Techlog, LogPWin, «СОНАТА» [21-25]. LogPWin имеет различные модули обработки специализированных геофизических методов, но привязан только к аппаратуре, производимой ООО «Нефтегазгеофизика». Платформа Techlog, благодаря многообразию различных модулей, может использоваться для обработки практически любых данных ГИС, однако в силу высокой стоимости применяется в РФ исключительно в небольшом количестве крупными нефтяными и сервисными компаниями, а также имеет ограничение на поддержку ряда отечественных аппаратурных комплексов. В приведенной ниже табл. 1 представлены сравнительные характеристики каждого комплекса по обработке и интерпретации данных ГИС для задач оценки технического состояния и обработки данных ВАК. Из табл. 1 видно, что из представленных програм-мных комплексов наиболее полно покрывает всю необходимую функциональность в области оценки технического состояния и обработки ВАК система «СОНАТА». Ближайшим конкурентом по функциональности является система Techlog («Шлюмберже»), но она не является российской, а также, как было указано выше, слабо поддерживает отечественную аппаратуру и имеет большую стоимость. Достаточно обширный функционал имеют пакеты «ГеоПоиск» и «Прайм», но они в основном используются для обработки и интерпретации стандартных комплексов ГИС в открытом стволе или при контроле за разработкой. Программный комплекс «Камертон» имеет развитые процедуры обработки и интерпретации данных ВАК, но в последнее время его развитие прекратилось. Разработка модульной системы обработки и интерпретации данных геофизических исследований скважин «СОНАТА» Программный комплекс «СОНАТА» явился развитием компьютерных программ обработки волнового сигнала «ГИС-Акустика» и «ГИС-АКЦ» [26], которые были предназначены для оценки качества цементирования скважин по данным акустического каротажа (АК). Основной целью программного комплекса является эффективная обработка и интерпретация данных, зарегистрированных различной геофизи-ческой аппаратурой, с использованием разнообраз-ных геофизических методов и методик, не ограничиваясь только акустическим каротажем [27]. При разработке программы «СОНАТА» основное внимание было уделено задачам комплексной оценки технического состояния скважин и обработке данных различными методами [22-25, 28, 29]. Создание такого комплекса программных средств предполагает работу по широкому кругу вопросов, связанных со стандартизацией форматов хранения данных, разработкой информационной модели и ее функционального наполнения [19], включая выбор методов обработки и интерпретации данных, планирование интерфейсов c программной реализацией, тестированием и внедрением [2]. Таблица 1 Сравнительные характеристики программных комплексов Характеристики «Прайм» «Геопоиск» LogPWin «Камертон» Techlog «СОНАТА» Поддержка форматов данных 0-5 6-10 11-20 Оценка качества по отраслевым стандартам Предварительная обработка волнового сигнала Определение кинематических параметров Определение динамических параметров Определение спектральных параметров Определение азимутальной анизотропии Учет геометрии ствола скважины Расчет физико-механических свойств Оценка коэффициента приточности Мастера пошаговой обработки Обработка акустической цементометрии (АКЦ) АКЦ. Учет скважинных условий* Секторная акустическая цементометрия Обработка скважинного гамма-дефектоскопа-толщиномера (СГДТ) СГДТ. Учет скважинных условий** Обработка магнитно-импульсной дефектоскопией Обработка многорычажной профилеметрии Акустическая профилеметрия Построение отчета Примечание: - нет; - да; - частично; * - тип разреза, свойства цемента, конструкция скважины; ** - многоколонная конструкция, уровень жидкости, эксцентриситет и др. Этот спектр работ выполнялся ООО «Предприятие “ФХС-ПНГ”, под руководством автора данной статьи, вклад которого в разработку программного комплекса «СОНАТА» заключался в построении информационной модели предметной области и определении концептуальных требований потенциальных пользователей. Проектирование концептуальной модели было основано на анализе решаемых на различных геофизических предприятиях задач по обработке данных. Построение информационной модели предметной области предполагало выделение сущностей, их атрибутов и идентификацию связей между сущностями. Моделирование и построение информационной модели программного обеспе-чения проводилось с использованием инструмента IBM Rational Software Architect и языка UML (Unified Modeling Language). Преимущество использования UML для описания информационной модели заключается в том, что UML - унифицированный язык графи-ческого описания для объектного моделирования в области разработки программного обеспечения, для моделирования бизнес-процессов, системного проектирования и отображения организационных структур, который одинаково понятен как специалистам предметной области, так и разработчикам программного обеспечения. Поэтому в первую очередь был проведен всесторонний анализ предметной области, описаны основные концептуальные требования к разра-батываемому комплексу, построены объектная и компонентная модель системы. На рис. 1 показана разработанная объектная модель системы, которая позволила описать в рамках единого информационного поля объекты, имеющие разнородную внутреннюю структуру и состав элементов, установить сложные много-уровневые отношения между информационными объектами, выделить как общие, так и индиви-дуальные свойства объектов. В отличие от объектной модели, которая рассматривает взаимоотношение между объектами, компонентная модель представляет собой абстрактное представление конструируемой системы, в которой элементами являются реальные компоненты, обеспечивающие реализацию функциональных требований к системе. Рис. 1. Объектная модель системы «СОНАТА» Для одной и той же системы существует множество компонентных моделей в зависимости от концепций проектирования с использованием компонентного подхода. Рассмотрим обобщенный уровень представления модели, используя функции компонентов и совокупность контрактов (интерфейсов) между ними. Пусть M[I] - множество интерфейсов, относящихся к определению функций компонентов. Каждому I можно сопоставить интерфейс In, который описывает интерфейс как клиент-серверное взаимодействие с соответствующими методами и структурами данных. В соответствии с этим каждому интерфейсу можно сопоставить пару In и Out, которые будем называть определяющим представлением In и реализующим представлением Out (что соответствует входному и выходному интерфейсам). In определяет условия и цель интерфейса со стороны клиента, a Out задает аспект реализации интерфейса со стороны сервера. После того как все In и Out определены, их можно группировать в различных сочетаниях для элементов С. Рассмотрим произвольную совокупность Inj, Outj. В нее входят одновременно определяющее и реализующее представления для одного и того же интерфейса. Каждая полученная совокупность С и I входит в модель компонента или является шаблоном компонента. Фактически каждый шаблон содержит некоторое множество определяющих и реализующих представлений интерфейсов. По этим представлениям в дальнейшем осуществляется сопоставление шаблонов и интерфейсов реальных программных компонентов. Модель компонентной системы имеет вид Mкс = (CLm(Lm1, ..., Lmn), P(1, ..., Pm), CLn(In1, ..., Ink), Di, где CLm - компоненты из множества реализаций в разных языках L; Р(Р1, ..., Рm) - множество предикатов, соответствующих процессам сборки или конфигурации программного средства на основе реализаций компонентов CLm и интерфейсов In; CLn - множество интерфейсов компонентов; Di - множество данных. Модель компонентной системы Мкс состоит из множества функций (объектов), реализаций, предикатов, интерфейсов и данных. Условие целостности системы заключается в существовании для каждого компонента Сх из С, имеющего исходный интерфейс In, компонента Сz с соответствующим входным интерфейсом СInz, и контракта Contz, входящего в состав множества С. Процесс построения Мкс включает в себя создание компонентной среды, выявление начальных компонентов и определенного множества интерфейсов в соответствии с функциональными требованиями к компонентной системе. Суть моделирования системы - представить модель Мкс так, чтобы для любого элемента системы существовал компонент из С или он мог быть получен из С' посредством конечного числа допустимых операций компонентной алгебры. На рис. 2 показана разработанная компонентная модель программного комплекса «СОНАТА». Рис. 2. Компонентная модель системы СОНАТА Разработанный программный комплекс «СОНАТА» включает следующие основные модули [30]: обработка и интерпретация данных акустической цементометрии (АКЦ); обработка и интерпретации данных скважинного гамма-дефектоскопа-толщиномера (СГДТ); совместная интерпретация данных АКЦ и СГДТ (определение герметичности заколонного пространства); обработка и интерпретация ВАК в открытом стволе, включая модули выделения волн, получения кинематических, динамических и спектральных характеристик волн, расчета физико-механических свойств пород, определения приточных интервалов по полной энергии волнового сигнала [9]; определение плотности породы по комплексу нейтронного и гамма-каротажа; обработка данных скважинного акустического телевизора [9, 31]; обработка данных магнитоимпульсной дефектоскопии [29, 32]; обработка данных секторной акустики [23, 33]; обработка кросс-дипольного АК [24, 34]. Основные возможности программы, кроме указанных выше: ввод данных из большинства известных геофизических форматов (LIS, LAS и др.), экспорт данных в различные форматы; проверка качества полевых данных, включая проверку качества волновых сигналов; предварительная обработка, коррекция и подготовка данных; редактирование глубин и привязка данных по глубине; интерпретация данных АКЦ и гамма-гамма-цементометрии, их комплексная интерпретация; обработка данных акустической шумометрии; профилеметрия ствола скважины [35, 36]; построение по результатам комплексной интерпретации заключения, включающего подробную поинтервальную характеристику скважины, технического состояния, местоположение элементов конструкции, различную статистику, в том числе в интервалах детальных исследований. Технологичность использования программы повышается за счет наличия мастеров обработки, помогающих в пошаговом режиме получать необходимые результаты. Возможность описания шаблонов ввода позволяет автоматизировать ввод дополнительной информации по скважине и выдачу заключения. Таким образом, разработанный программный комплекс «СОНАТА» является эффективным инструментом по оценке технического состояния скважин, включающим технологию комплексной обработки и интерпретации широкого спектра геофизических методов. Использование единого программного комплекса для оценки технического состояния скважины, включающего универсальную обработку данных, полученных большинством геофизических приборов как российского, так и зарубежного производства, позволило значительно сократить время получения комплексного заключения, при этом использование информации, получаемой на различных этапах строительства скважины, начиная от исследований в открытом стволе, кондукторе и до исследований технического состояния эксплуатационной колонны и колонны насосно-компрессорных труб, позволило значительно повысить достоверность и информативность проводимого мониторинга состояния скважины, особенно в интервалах многоколонной конструкции и сложных геолого-технических условиях. Создание служебных пакетов программ, предназначенных для сжатия и хранения материалов ГИС Одна из особенностей волнового акустического каротажа - значительно больший объем данных по сравнению с аналоговыми кривыми. Соответственно, возрастают требования к устройствам для хранения данных и передачи информации, а также к программам обработки и интерпретации. Сжатие исходных данных без потерь с помощью стандартных программ-архиваторов может обеспечить степень сжатия в среднем в 1,5-3,0 раза, что часто является недостаточным условием для передачи данных. Сжатие данных ВАК может быть применено: для передачи полевого материала ВАК по низкоскоростным цифровым каналам связи от удаленных полевых партий в интерпретационные службы, расположенные на базе; архивирования исходного и обработанного материала; обмена данными между подразделениями организаций. Программа «Сжатие ВС» [37] стала одним из первых шагов по унификации форматов хранения и представления данных волнового акустического каротажа. Требования к алгоритму сжатия данных ВАК: обеспечение оперативной доставки сжатых данных для интерпретации; погрешность параметров, извлекаемых из волнового сигнала до и после сжатия, находится в пределах регламентированных значений; выполнение сжатия с потерей данных после того, как весь материал записан; сжатие для архивирования с минимальными допустимыми искажениями для всего сигнала. Указанные требования были реализованы в программе «Сжатие ВС», обеспечивающей: поддержку большинства форматов записи волнового сигнала; совместимость с программным обеспечением «СОНАТА» по форматам данных; задание допустимой величины искажений сигнала на различных участках, что позволяет добиться оптимального соотношения «минимальные искажения полезного сигнала/максимальная степень сжатия»; возможность визуального сравнения сигнала до и после сжатия; предварительную оценку степени сжатия сигнала; удаление неинформативных частей сигнала до первых вступлений и в конце сигнала; упаковку совместно с волновым сигналом каротажных кривых и обработанных данных, получаемых программным обеспечением «СОНАТА». Дальнейшее развитие программы было ограничено ее нацеленностью на сжатие только сигналов волнового акустического каротажа. Также были желательны повышение скорости упаковки и распаковки данных и уменьшение погрешностей при плохом качестве волнового сигнала и искажений низких амплитуд при определенных настройках параметров сжатия. Все это обусловило необходимость значительных изменений и способствовало созданию новой программы «Сжатие ГИС» [28, 38]. Для оперативной передачи ГИС-данных большого объема необходимо применять алгоритмы, позволяющие с минимальными погрешностями в информативных частях исходных данных обеспечивать степень сжатия на порядок выше стандартных алгоритмов сжатия без потерь. Исходные данные могут быть разбиты на различные информативные блоки, и для каждого блока установлена своя степень погрешности/сжатия. Это позволяет сильнее сжимать менее информативные участки и, наоборот, оставлять более информативные участки с меньшими искажениями. Степень сжатия в пределах допустимой погрешности рассчитываемых параметров для различных методов в зависимости от решаемых геолого-геофизических задач может значительно отличаться и составлять от нескольких до десятков и сотен раз. В основе методики сжатия в программе «Сжатие ГИС» использован принцип вейвлет-преобразования данных [39, 40]. Суть методики заключается в следующем. Исходными данными являются матрица вещественных чисел FmnFmn (геофизические данные) и коэффициент сжатия K Î (0; 1). Алгоритм сжатия следующий: • В зависимости от типа геофизических данных исходные данные Fmn могут подвергаться предварительному преобразованию (без потери точности) Y(Fmn). Обязательным условием выбора преобразования Y является наличие обратного преобразования Y’, такого, что Fmn = Y’(Y(FmnFmn)). • К двумерным данным FmnFmn применяется вейвлет-преобразование с использованием двумерного вейвлета. Подбор вейвлета осуществляется автоматически в зависимости от исходных данных. Критерием подбора является минимизация функционала где - относительная погрешность рассчитываемых параметров в результате сжатия. Пусть имеется матрица исходных данных размером . Применяется одномерное вейвлет-преобразование к каждой строке матрицы. Для каждой строки получаем матрицу Данная матрица преобразуется в массив таким образом, что коэффициенты усреднения оказываются первыми Из полученных массивов составляется новая матрица размером Аналогичные действия применяются к каждому столбцу новой матрицы[e1] . · К полученным коэффициентам вейвлет-преобразования применяется алгоритм исключения, т.е. обнуляются все коэффициенты, кроме N наибольших, где N = m × n(1 - K). · Коэффициенты вейвлет-преобразования представляются в виде одномерного вещественного массива. · Полученный массив вещественных чисел подвергается выбранному типу квантования. Результатом является массив байтов. · Полученный массив байтов сжимается с использованием какого-либо стандартного алгоритма сжатия без потерь. Восстановление сигнала происходит в обратном порядке с применением обратного одномерного вейвлет-преобразования. Разработанная методика позволяет адапти-ровать сжатие данных практически для любых больших многомерных данных промыслово-геофизических методов при условии, если известен способ извлечения информативных параметров из исходных данных. Основные характеристики программного комплекса «Сжатие ГИС»: загрузка данных ГИС из различных полевых форматов; просмотр загруженных данных в графическом виде; оценка качества полевого материала с выдачей заключения; предварительная обработка и подготовка исходных данных; формирование и заполнение бланка оператора; экспорт данных в различные форматы обмена данных; быстрое сжатие и распаковка полевого материала; максимальная степень сжатия в пределах допустимой погрешности геофизических методов; сжатие и распаковка данных ГИС большого объема (сотни мегабайтов); сжатие данных акустического каротажа, магнитно-импульсной дефектоскопии, скважинной профилеметрии и др. Всего установлено 211 рабочих мест программы «Сжатие ГИС» в различных геофизических организациях. Был выполнен анализ сжатия исходных данных для различных методов ГИС (АКЦ, широкополосный ВАК, акустическая профилеметрия, магнитно-импульсная дефекто-скопия и др.), проведена оценка погрешности информативных параметров до и после сжатия для каждого метода. Показано, что при допустимой относительной погрешности степень сжатия для различных геофизических методов может варьироваться от 10 до 100 раз. Средняя степень сжатия для комплекса геофизических методов по оценке технического состояния колонн составляет 20 раз. На рис. 3 показано, что максимальная степень сжатия достигается для приборов секторной акустической цементометрии (МАК-СК) и магнитно-импульсной дефектоскопии (МИД-К). Рис. 3. Примерная степень сжатия для различных методов и приборов в пределах допустимой погрешности рассчитываемых параметров Таким образом, разработанная методика и программа «Сжатие ГИС» позволяют решить проблему оперативной передачи исходных геофизических данных большого объема со скважины в интерпретационные центры. В настоящее время свыше 50 различных предприятий РФ, Казахстана, Туркмении, Вьетнама, Сербии используют разработанные программные комплексы «СОНАТА» и «Сжатие ГИС» в производственном режиме. Выводы Анализ существующих программных комплексов показал, что большинство из них имеют те или иные недостатки, что связано либо с длительной историей формирования пакета программ, когда новые инструменты не подходят к старой архитектуре, либо с узкой направленностью, когда не все скважинные методы используются. Разработанный программный комплекс «СОНАТА» является эффективным инструментом по оценке технического состояния скважин и обработке данных ВАК, включающим технологию комплексной обработки и интерпретации широкого спектра геофизических методов. Многолетний опыт использования модульной системы обработки и интерпретации данных геофизических исследований скважин «СОНАТА» в геофизических организациях России показал, что система является востребованной в нефтесер-висных организациях, позволяя решать полный спектр задач контроля технического состояния скважин, предоставляя эргономичный интерфейс и удобный набор средств для формирования итоговых выводов и документов. Разработанная методика и программное обеспечение сжатия многомерных данных ГИС позволяют эффективно решать проблему подготовки и доставки больших объемов геофизической информации из удаленных полевых партий в интерпретационные центры по медленным каналам связи, что, в свою очередь, способствует решению актуальную проблему оперативной выдачи заключения по комплексу ГИС заказчику геофизических работ.

About the authors

Aleksandr V. Shumilov

Author for correspondence.
Email: shum5011@gmail.com
15 Bukireva st., Perm, 614068, Russian Federation

PhD in Engineering, Associate Professor of the Department of Geophysics

References

Statistics

Views

Abstract - 343

PDF (Russian) - 111

PDF (English) - 84

Refbacks

• There are currently no refbacks.