Программное обеспечение проектирования и оценки качества геофизических исследований на нефть и газ
На правах рукописи
АХМАДУЛИН РУСЛАН КАМИЛЬЕВИЧ
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА НЕФТЬ И ГАЗ
| Специальность 05.13.01 – | Системный анализ, управление и обработка информации (в нефтегазовой отрасли) |
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тюмень 2006
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего и профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» на кафедре «Геоинформатика».
Научный руководитель: доктор технических наук
Туренко Сергей Константинович
Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук
Дорошенко Александр Александрович
кандидат технических наук
Латфуллин Монир Гумерович
Ведущая организация: ОАО «Сибирский научно-аналитический
центр»
Защита состоится 23 июня 2006 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.08 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72, конференц-зал, каб. 46.
С диссертацией можно ознакомиться в Библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72.
Автореферат разослан 22 мая 2006 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Т.Г. Пономарева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. От качества проектирования и оценки результатов геофизических исследований на нефть и газ во многом зависит эффективность поисково-разведочных исследований, качество геологических моделей и, в конечном счете, эффективность эксплуатации нефтегазовых месторождений. В настоящее время указанные вопросы в ряде случаев решаются без должных расчетов на качественном уровне.
Одним из методов повышения качества геофизических исследований на нефть и газ в настоящее время является использование специализирован-ного программного обеспечения на этапе их проектирования. Имеющиеся же программные разработки данного класса существенно отличаются уровнем технологического развития и функционального наполнения. Так разработки, отвечающие современному технологическому уровню, ограничены по функциональным возможностям, а разработки с наиболее полными функциональными возможностями являются слабыми с технологических позиций. В частности, в этом ряду можно выделить пакет прикладных программ (ППП) ПЛЭКС, разработанный в конце 80-ых гг. XX в. в ЗапСибНИИГеофизике под руководством С.К. Туренко.
Таким образом, актуальность темы определяется необходимостью систематизации и разработки программного обеспечения, обеспечивающего эффективное решение задач проектирования геофизических исследований на нефть и газ на современном технологическом уровне.
Цель работы. Провести моделирование процессов проектирования геофизических исследований на нефть и газ за счет создания нового программного обеспечения.
Основные задачи исследований.
- Провести анализ существующих отечественных и зарубежных работ в области проектирования и оценки качества геофизических исследований на нефть и газ.
- Проанализировать современный инструментарий создания и развития программного обеспечения.
- Разработать новый подход к адаптации существующего программного обеспечения к современному технологическому уровню.
- Разработать эффективное по технологическому уровню и функциональному наполнению программное обеспечение проектирования и оценки качества геофизических исследований на нефть и газ.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, проектирования программного обеспечения, объектно-ориентированного программирования, а также имитационное моделирование на ЭВМ.
Научная новизна.
- На основе системного анализа ситуации развития и выбора наиболее эффективного инструментария, а также разработки адаптивной структуры программного обеспечения и системы связей для её реализации, адаптировано программное обеспечение второго поколения к современному технологическому уровню.
- Разработан способ формирования вспомогательных сетей по наблюдению геолого-геофизических параметров для априорной оценки качества моделей нефтегазовых объектов.
- Предложен способ формирования множества результатов выделения нефтегазовых объектов, которые предъявляются эксперту при построении критерия качества на основе формализации экспертных оценок.
Практическая ценность работы.
- Разработана система проектирования и оценки качества геофизических исследований на нефть и газ, являющаяся развитием до современного технологического уровня пакета прикладных программ ПЛЭКС.
- Программно реализован метод «раскачки» для оценки устойчивости моделей нефтегазовых объектов без использования дополнительной информации.
- Программно реализован способ построения показателя для оценки качества выделения нефтегазовых объектов на основе формализации экспертных оценок.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанное программное обеспечение использовалось при решении практических задач проектирования и оценки качества геофизических исследований на нефть и газ в Научно-аналитическом центре рационального недропользования им. В.И. Шпильмана и др. Программное обеспечение используется в учебном процессе Тюменского государственного нефтегазового университета при обучении студентов в рамках курса «Программно-алгоритмическое обеспечение оптимизации полевых геофизических работ», при курсовом и дипломном проектировании специальности 08.04.09 – «Геофизические методы поисков и разведки полезных ископаемых».
Апробация работы. Научные результаты диссертационной работы докладывались и публиковались в сборниках трудов на международных научно-технических семинарах «Информационные системы и технологии в геологии и нефтегазодобыче» (Тюмень, 2003, 2005); I конференции Студенческой академии наук, посвященной 40-летию ТюмГНГУ и 50-летию открытия Березовского газа (Тюмень, 2003); III Всероссийской научно-технической конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибир-ского мегабассейна» (Тюмень, 2004); III научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ТюмГНГУ (Тюмень, 2004).
Публикации автора. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов основного текста, заключения; содержит 129 страниц текста, 38 рисунков, 29 таблиц, 4 приложения, 106 наименований использованной литературы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении кратко обосновывается актуальность темы, поставлены цели, задачи и методы исследований, формулируется научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
Первый раздел посвящен системному анализу проблемы проектирования геофизических исследований на нефть и газ.
В разделе рассмотрены исходные представления, связанные с оптимизацией геофизических исследований на нефть и газ, проведен анализ работ, посвященных данной тематике. На основе обобщенной модели ситуации проектирования геофизических исследований даны представления о постановке и решении задачи проектирования, охарактеризованы основные подходы к её решению, рассмотрены принципиальные вопросы для реализации проектирования на основе имитационного моделирования.
Стоит отметить, что значительный вклад в развитие данной области внесли работы Вахромеева Г.С., Гольцмана Ф.М., Никитина А.А., Савинского И.Д., Страхова В.Н., Шурыгина А.М., Туренко С.К. и др.
В работе приводится обзор ряда программных разработок для проектирования и оценки качества геофизических исследований на нефть и газ. Произведен сравнительный анализ по функциональным, технологическим, эксплуатационным и стоимостным показателям наиболее известных в России продуктов данного класса MESA (Green Mountain Geophysics), пакета ГСК (ГеоСейсКонтроль), а также ППП ПЛЭКС. Некоторые результаты проведенного анализа представлены в табл. 1.
Сравнительный анализ показал, что ППП ПЛЭКС является более полным в плане функциональности и предназначен для решения более широкого круга задач проектирования, но значительно уступает другим продуктам в уровне своего технологического развития. Таким образом было решено, что целесообразным является создание нового программного обеспечения проектирования и оценки качества геофизических исследований на нефть и газ на функциональной базе пакета ПЛЭКС, а именно – его развитие до нового технологического уровня.
Таблица 1
Сравнительный анализ программ MESA, ГСК и ППП ПЛЭКС
| Параметр | MESA | ГСК | ПЛЭКС |
| Функциональные параметры | |||
| построение годографов ОГТ, графиков скоростей и т.п. | нет | нет | да |
| анализ и расчет линейных систем наблюдений | нет | нет | да |
| анализ площадных систем наблюдений | да | да | да |
| расчет площадных систем наблюдений | нет | нет | да |
| расчет сетей наблюдений | нет | нет | да |
| оценка стоимости | нет | нет | да |
| Технологические параметры | |||
| интерфейс пользователя | Win | Win | Dos |
| визуализация систем наблюдений на карте местности | да | да | нет |
| визуализация систем наблюдений на обобщенной плоскости | нет | нет | да |
| графический контроль введенных параметров | да | да | нет |
| импорт/экспорт данных | да | да | нет |
В заключение первого раздела рассмотрены современные технологии разработки и проектирования программного обеспечения. В работах данной тематики рассматриваются различные языки и системы программирования (Фаронов В.В., Паппас К., Мюррей У. и др.), системы управления базами данных (Дейт К. Дж. и др.), геоинформационные системы (Цветков В.Я., Шайтура С.В. и др.), экспертные системы (Попов Э.В., Иванов Ю.К. и др.), методологии моделирования программного обеспечения (Буч Г., Рамбо Д., Джекобсон А. и др.).
Во втором разделе рассматриваются вопросы технологического развития пакета прикладных программ ПЛЭКС.
Выбор подхода к развитию пакета ПЛЭКС до современного технологического уровня осуществлялся на основе системного анализа проблемы, в частности объекта развития, целей, классов способов, условий и критериев оценки эффективности (рис. 1).
Объектом развития является программное обеспечение, которое необходимо вывести на новый функциональный или технологический уровень. Все объекты можно классифицировать по различным признакам. Для каждой группы объектов определяются допустимые классы способов развития, в качестве которых могут быть выделены следующие.
1) Реализация на базовом языке. Программы дорабатываются на «родном» языке. Подход удобен для быстрого функционального развития продукта.
2) Реализация на новом языке (языках). Старая программа переписывается на современных языках программирования, за счет правильного подбора которых возможно повышение её эффективности. Главный недостаток – трудоемкость.
3) Интеграция базового и нового языков. В этом случае в старой программе выделяется функциональная и интерфейсная части. Функциональная часть остается на базовом языке, интерфейсная – реализуется на новом.
Выбор конкретного класса способов развития осуществляется на основе критерия эффективности, с учетом целей и условий развития. Целями развития программ могут являться развитие технологичности и функциональности. Условия же могут ограничивать разработчика при выборе подходящего класса.
В результате проведенного анализа в качестве класса способов развития ПЛЭКС выбрана «интеграция базового и нового языков». В работе предложены рекомендации и для других сочетаний «Объект–Цели–Условия–Критерий».
Принципиальный подход к адаптации ПЛЭКС до нового технологического уровня на основе выбранного класса способов развития заключается в том, что:
- разрабатывается адаптивная архитектура программного обеспечения, включающая в себя блоки ввода-вывода различных видов информации, в т.ч. графической, базы данных, базы знаний, принятия решений, управления;
- за основу наиболее трудоемкой части – расчетного блока, принимаются существующие версии программ;
- разрабатываются блоки интерфейса ввода-вывода данных, отвечающие современному технологическому уровню;
- разрабатываются вопросы реализации других подсистем, таких как база данных, подсистема принятия решения, управляющий подмодуль;
- разрабатываются вопросы реализации связей всех блоков с другими элементами.
Принципиальная архитектура разрабатываемого программного обеспечения приведена на рис. 2, где выделены расчетный блок, за который принимаются существующие версии программ, а также блоки ввода/вывода, которые были предусмотрены в существующей версии ППП ПЛЭКС.
Для представленной архитектуры разработаны вопросы реализации всех ее элементов, произведен анализ средств, выбраны конкретные инструменты.
В работе также приводятся функциональная и объектно-ориентированная модели разработанного программного комплекса ПЛЭКС-Н и его характеристика.
Наряду с вопросами технологического развития пакета ПЛЭКС, разрабатывались вопросы и алгоритмического развития, подробнее рассмотренные в третьем разделе.
В основе решения прикладных задач проектирования геофизических исследований на нефть и газ в пакете ПЛЭКС лежат как аналитические модели, так и методы, основанные на имитационном моделировании объектов и процессов исследований.
В основе имитационного моделирования лежат вопросы создания модели объекта и процесса исследования, реализации процесса исследования на модели, оценки результата. При таком подходе принципиально решение вопросов оценки качества модели объекта и построения критерия эффективности для оценки результатов решения задачи.
Геометрические модели, в частности нефтегазовых объектов, определяются двумя параметрами: <T, L>, где T – таблица данных, а L – алгоритм аппроксимации. Таблица данных определяется сетью наблюдений.
Традиционно качество моделей нефтегазовых объектов оценивается по апостериорным данным (т.е. сравниваются с результатами бурения), которые не всегда имеются в достаточном количестве. Ранее, в работах С.К. Туренко, был предложен априорный способ, в основе которого лежит метод «раскачки» модели по неконтролируемым параметрам. Сущность метода заключается в том, что исследуется влияние неконтролируемых параметров сети наблюдений (начало координат, ориентация) на устойчивость модели при фиксированных значениях контролируемых параметров (размер ячейки и т.п.).
Принципиальным является вопрос выбора неконтролируемых параметров для оценки устойчивости модели. Автором предложен способ, позволяющий осуществить выбор таких параметров. Согласно нему выбираются такие неконтролируемые параметры, при которых среднее значение максимальных погрешностей алгоритма аппроксимации L в узлах новой сети максимально.
Так, сдвиг сети наблюдений для оценки устойчивости функции одной переменной методом раскачки следует выбирать следующим образом:
- выбрать несколько сдвигов {dxi}, равномерно распределенных на отрезке от 0 до величины шага сети наблюдений;
- для сетей наблюдений с выбранными сдвигами {dxi} вычислить оценки Wi – среднее значение максимальных погрешностей алгоритма аппроксимации L в узлах сети, по указанной ниже формуле:
,
где: xij – j-ый узел сети c i-тым сдвигом; n+1 – количество узлов сети.
- по найденным значениям Wi для {dxi} построить график оценок Wi для различных сдвигов;
- по графику выбирать сдвиг, при котором достигается максимальная оценка W* = max Wi.
В работе рассмотрен и способ построения критерия качества выделения нефтегазовых объектов на основе формализации представлений эксперта.
При реализации имитационного моделирования, качество решения задачи выделения нефтегазовых объектов определяет линейный показатель
H = [ 1•(1 – h1) + 2•(1 – h2) + 3•(1 – h3) + 4•(1 – h4) ]/4,
зависящем от частных показателей погрешности определения площади объекта h1, центра масс h2, ориентации h3 и формы h4. Для задания такого показателя принципиальным является определение его коэффициентов 1, 2, 3 и 4. Специалист-математик не знает значения этих коэффициентов, а специалист-геолог затрудняется формализовать свои представления.
Для решения данной проблемы можно воспользоваться способом формализации представлений эксперта, предложенным С.К. Туренко. Согласно данному способу, эксперту предлагается множество различных результатов выделения нефтегазовых объектов, среди которых он должен указать наиболее и наименее предпочтительные варианты. Затем указания эксперта формализуются и определяются значения коэффициентов 1, 2, 3 и 4.
Автором предлагается способ формирования множества результатов выделения нефтегазовых объектов, предлагаемых эксперту для анализа. В основу способа положена классификация-перечисление результатов выделения по таким признакам, как вид ошибки (площади, центра масс, ориентации, формы), комбинации ошибок (один вид ошибки, несколько видов) и уровни ошибок (существенные, несущественные).
Множество результатов выделения формируется в несколько этапов. На первом из них, опираясь на результаты имитационного моделирования, строятся графики зависимостей ошибок каждого вида от различных параметров сети (плотность, вытянутость, ориентация сети), на графиках выбираются оптимальные точки xопт и интервалы (xопт–, xопт+) возможных отклонений от оптимума. В результате, для каждого вида ошибок определяется их вероятный диапазон.
На втором этапе определяются уровни существенности ошибок каждого вида внутри вероятного диапазона, в несколько итераций. На первой из них эксперту предъявляются несколько ошибок из всего диапазона (например с шагом 10%), а далее детализируется выбранный поддиапазон (например, с шагом 2.5%).
Далее эксперту предъявляются пары картинок с изображением ошибок разного рода, в которых нужно указать более предпочтительный вариант (рис. 3).
Рис. 3. Пример пары картинок: ошибка центра масс и ошибка ориентации
Важным является вопрос уменьшения количества предъявляемых эксперту пар картинок. Добиться такого результата можно за счет выделения среди них «узловых» и «очевидных». «Узловые» пары представляются эксперту в первую очередь. «Очевидные» эксперту не представляются вообще, а предпочтительный вариант в таких парах определяется на основе предыдущих указаний эксперта.
На основе проведенных исследований был программно реализован метод построения обобщенного показателя качества выделения нефтегазо-вых объектов, состоящего из четырех частных показателей: погрешностей определения площади, центра масс, ориентации и формы объекта.
В четвертом разделе представлены результаты апробации разработанного программного комплекса ПЛЭКС-Н на практических и модельных задачах.
Вначале представлена иллюстрация ПЛЭКС-Н на N-ской площади. На N-ской площади, находящейся в Западной Сибири, были проведены геофизические исследования (сейсморазведка). На основе полученных данных построена модель (структурная карта) отражающего горизонта. С помощью метода «раскачки» была исследована устойчивость и полученной модели и избыточность сети наблюдений.
Сначала исследовалась устойчивость модели в целом. В результате были определены наиболее и наименее устойчивые к «раскачке» участки модели.
Затем, на построенной модели, в качестве перспективных были выделены два целевых объекта различных размеров, и исследовалась устойчивость к «раскачке» их параметров (площадь, центр масс, форма, ориентация). В качестве результата показано, что оба объекта имеют приемлемую устойчивость.
Также показано, что при уменьшении шага по профилю с 200 м. до 600 м., устойчивость параметров целевых объектов изменяется менее, чем на 1%, а при разрежении сети профилей (р = и/2, где р – плотность разреженной сети профилей, а и – исходной), то устойчивость модели была бы значительно меньшей, и был бы даже возможен пропуск некоторых аномальных участков (рис. 4).
В работе представлены аналогичные исследования и для M-ской площади.
 a) исходная модель |  б) вспомогательная модель |
Рис. 4. Модель N-ской площади, построенная по разреженной сети. На исходной модели объект обнаруживается (а), но при ее «раскачивании» – исчезает (б).
Построен обобщенный показатель качества выделения нефтегазовых объектов. Рассматривалась прямоугольная область D, в которой расположено N плоских объектов эллиптической формы размерами AxB и ориентацией Q.
Опираясь на результаты имитационного моделирования, были построе-ны графики, отражающие зависимость ошибок от параметров сети (рис. 5).
 а) ошибки площади |  б) ошибки центра масс |
| Рис. 5. Графики ошибок определения параметров объектов | |
На графиках определялись оптимальные точки, выбирались диапазоны ошибок. Внутри выбранных диапазонов определялись уровни существенности ошибок. В результате было составлено множество пар картинок с изображением одиночных ошибок разного вида и комбинаций до двух видов ошибок.
Далее пары картинок предъявлялись эксперту. Благодаря выделению «узловых» и «очевидных» пар картинок, эксперту были предъявлены не все 297 сформированных пар, а лишь 66 из них, которые были определены как основные.
На основе предпочтений эксперта в предложенных ему парах картинок, был построен показатель качества, имеющий следующий вид:
H=0.3•(1–S)+1•(1–CM)+0.8•(1-Q)+0.1•(1-F),
где S – погрешность определения площади, CM – центра масс, Q – ориентации, F – формы объекта (все значения – в долях, от 0 до 1).
Результаты полученного показателя качества на всем сформированном множестве пар картинок совпадают с предпочтениями эксперта более чем на 91%.
В завершении раздела иллюстрируются возможности разработанного программного комплекса для обучения. В настоящее время разработанное программное обеспечение ПЛЭКС-Н внедрено в учебный процесс. К особенностям, позволяющим использовать его в учебном процессе, относятся функциональная полнота, дружественный интерфейс, возможность экспорта результатов, наличие справочной системы и экспертной поддержки.
В заключение работы сформулированы основные результаты исследований.
В приложениях представлены диаграммы UML-модели разработанного программного комплекса; документы, подтверждающие использование разработки при решении практических задач и его внедрение в учебный процесс; пример экспертного заключения, подготовленного с помощью модуля ROCISMOD на одном из предприятий; а также листинг программного ядра ПЛЭКС-Н.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
- Сравнительный анализ представленного на рынке информационных технологий программного обеспечения проектирования и оценки качества геофизических исследований на нефть и газ показал, что целесообразным является развитие пакета прикладных программ ПЛЭКС до нового технологического уровня.
- На основе системного анализа разработан подход к адаптации программного обеспечения второго поколения до современного технологического уровня, базирующийся на основе выбора наиболее эффективного инструментария и разработки адаптивной структуры программного обеспечения и системы связей для её реализации.
- Развито алгоритмическое обеспечение проектирования и оценки качества геофизических исследований на нефть и газ, в т.ч. предложено развитие задачи априорной оценки моделей нефтегазовых объектов и способа построения критерия качества выделения нефтегазовых объектов на основе представлений эксперта.
- Впервые на основе разработанного подхода к адаптации создано программное обеспечение проектирования и оценки качества геофизических исследований на нефть и газ, являющееся развитием до современного технологического уровня пакета прикладных программ ПЛЭКС.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
- Ахмадулин Р.К. Принципиальный подход к технологическому развитию программного обеспечения / Туренко С.К., Ахмадулин Р.К. // Информационные системы и технологии в геологии и нефтегазодобыче: Сб. тр. международного научно-технического семинара, посвящ. 50-летию открытия Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции. Тюмень, 22-23 окт. 2003 г. – Тюмень: Вектор Бук, 2005. – С. 172-179.
- Ахмадулин Р.К. Архитектура программного обеспечения ПЛЭКС-Н / Туренко С.К., Ахмадулин Р.К. // Информационные системы и технологии в геологии и нефтегазодобыче: Сб. тр. международного научно-технического семинара, посвящ. 50-летию открытия Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции. Тюмень, 22-23 окт. 2003 г. – Тюмень: Вектор Бук, 2005. – С. 192-196.
- Ахмадулин Р.К. К проекту развития программного обеспечения ПЛЭКС / Туренко С.К., Ахмадулин Р.К. // Информационные системы и технологии в геологии и нефтегазодобыче: Сб. тр. международного научно-технического семинара, посвящ. 50-летию открытия Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции. Тюмень, 22-23 окт. 2003 г. – Тюмень: Вектор Бук, 2005. – С. 180-191.
- Ахмадулин Р.К. Структура расчетного модуля программного обеспечения ПЛЭКС-Н / Туренко С.К., Ахмадулин Р.К. // Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна: Материалы третьей всероссийской научно-практической конф. 25-27 февр. 2004 г. Ч. 1. – Тюмень: Вектор Бук, 2005. – С. 222-226.
- Ахмадулин Р.К. Выбор базовых средств развития программного обеспечения ПЛЭКС / Туренко С.К., Ахмадулин Р.К. // Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна: Материалы третьей всероссийской научно-практической конф. 25-27 февр. 2004 г. Ч. 1. – Тюмень: Вектор Бук, 2005. – С. 214-222.
- Ахмадулин Р.К. Реализация метода «раскачки» при оптимизации сетей наблюдений на основе имитационного моделирования / Ахмадулин Р.К., Туренко С.К. // Техника и технология. – 2005. – №5. – М.: Компания Спутник +, 2005. – С. 83-87.
- Ахмадулин Р.К. Построение показателя качества на основе формализации представлений эксперта / Ахмадулин Р.К., Туренко С.К. // Естественные и технические науки. – 2005. – №5. – М.: Компания Спутник +, 2005.– С. 135-137.
