На втором этапе в 2020 году с использованием вычислительных ресурсов ССКЦ СО РАН проведено масштабное моделирование и выполнен сопоставительный анализ сигналов импульсных электромагнитных зондирований в реалистичных моделях баженовской свиты, рассмотрены различные формы токового импульса, предложены конфигурации зондирующих систем и создано программное обеспечение для численной инверсии электромагнитных сигналов.
Масштабное численное моделирование импульсных электромагнитных зондирований в реалистичных моделях баженовской свиты с реальными траекториями скважин
Выполнены исследования по установлению возможности импульсного электромагнитного каротажного и межскважинного зондирования баженовской свиты из наклонно-горизонтальных скважин на примере Восточно-Сургутского месторождения. На этом месторождении рядом с баженовской свитой находятся нефтесодержащие коллекторы БС22, ЮС1, ЮС2, а для повышения эффективности нефтеизвлечения из этих коллекторов применяется как вертикальное, так и горизонтальное бурение. Поэтому для моделирования сигналов импульсных электромагнитных зондирований построены реалистичные геоэлектрические модели с реальными траекториями скважин для нижнемеловых – среднеюрских отложений на основе численной инверсии комплекса промысловых данных. Численное моделирование выполнено на ССКЦ СО РАН с использованием вычислительных алгоритмов и программ, разработанных в рамках проекта на предыдущем этапе исследования.
Обоснование численным моделированием импульсного электромагнитного каротажного зондирования: сравнительный и сопоставительный анализ сигналов, их функций чувствительности, ошибок определения модельных параметров, пространственного разрешения
Выполнено теоретическое обоснование применения импульсных электромагнитных каротажных зондирований для изучения свиты зондированием из сильнонаклонных и субгоризонтальных скважин, пробуренных в верхне- и среднеюрских пластах-коллекторах. Для установления возможности импульсных зондирований при картировании кровли и подошвы баженовской свиты выполнено моделирование сигналов из горизонтальных скважин, лежащих как в нефтеносном пласте-коллекторе ЮС1 верхнеюрского нефтегазоносного комплекса, так и в глубокопогруженном пласте ЮС2 среднеюрского нефтегазоносного комплекса.
Проведен детальный анализ э.д.с. для полного набора компонент поля. Установлены зависимости сигналов от времени и от положения зондов вдоль реальной траектории скважины. Проанализированы сигналы для зондов различной длины. Изучены чувствительности сигналов к геоэлектрическим параметрам среды. Оценены относительные ошибки определения положения кровли баженовской свиты при движении зонда вдоль скважины. Установлены диапазоны времен для уверенного определения положения и кровли, и подошвы свиты. Результатами расчетов показано, что на рассматриваемом месторождении импульсное зондирование баженовской свиты из скважин в пластах и ЮС1 и ЮС2 реализуемо. Обоснование численным моделированием выполнено с использованием ресурсов ССКЦ СО РАН.
Обоснование численным моделированием импульсного электромагнитного межскважинного просвечивания: сравнительный и сопоставительный анализ сигналов, их функций чувствительности, ошибок определения модельных параметров, пространственного разрешения
Следующий этап исследований посвящен численному анализу возможности импульсного электромагнитного зондирования в варианте межскважинного просвечивания баженовской свиты. Здесь используются системы эксплуатационных наклонно-горизонтальных скважин, пробуренных в нефтеносных пластах-коллекторах БС22 ачимовской части осложненного неокомского комплекса и ЮС1 верхнеюрского комплекса, а также вскрывающих этот разрез вертикальных скважин. При этом взаимное расположение скважин рассматривается на примере одного из кустов Восточно-Сургутского месторождения с использованием реальных траекторий.
Аналогично предыдущим исследованиям проведен детальный анализ э.д.с. всех компонент поля. Проанализированы сигналы, их уровни, особенности поведения, диапазоны времен. Установлены зависимости сигналов от времени регистрации и от азимутального расстояния между источником и приемником. Исследованы функции чувствительностей сигналов к модельным параметрам, а именно к положению кровли и подошвы свиты, ее удельному электрическому сопротивлению. Установлены относительные ошибки определения указанных параметров. Установлены диапазоны времен высокой чувствительности к границам свиты. В результате исследований показано, что межскважинные импульсные электромагнитные зондирования обладают значительным потенциалом при картировании кровли и подошвы баженовской свиты из системы как вертикальных, так и горизонтальных скважин, проходящих в коллекторах нижнемеловых и верхнеюрских отложений. Обоснование численным моделированием выполнено с использованием ресурсов ССКЦ СО РАН.
Изучение влияния формы токового импульса в источнике на электромагнитные сигналы: функциональное описание, критерии оптимальности импульса
Детально изучено влияния токового импульса в источнике на сигналы импульсных электромагнитных зондирований. Результаты расчетов показали, что перспективными с точки зрения чувствительности к пространственному расположению неоднородностей в среде являются реальные импульсы «включение-выключение», в том числе импульсы с переходом через ноль и импульсы с выключением тока по сложному закону. Проведен численный анализ с различными вариантами импульсов с единичной амплитудой. Рассмотрены следующие формы импульсов тока в зависимости от времени: включение-выключение по типу синуса и по типу параболы, выключение по типу параболы и по типу косинуса. Параметрами импульсов являлись амплитуда, продолжительность и степень затухания.
Сформулированы критерии оптимальности импульса для определения заданных параметров среды. Во-первых, минимальный уровень энергии импульса и, во-вторых, максимальное значение сигнала и его производных по искомым параметрам в заданном классе моделей и областей допустимых значений параметров. Последние два требования объединены в одно: оптимальный импульс обеспечивает минимум ошибки определения заданных параметров на некотором временном интервале, которая характеризует чувствительность сигнала к параметрам (чем меньше ошибка, тем выше чувствительность). Для расчетов выбраны реальные модели погрешностей измерения. В дальнейшем возможно рассмотрение сверхширокополосных электромагнитных импульсов, использующихся в георадарах для задач наземной геоэлектрики.
Выбор оптимальной системы наблюдения импульсных электромагнитных зондирований в наклонно-горизонтальных скважинах применительно к изучению баженовской свиты
Выполнено оптимальное проектирование и научное обоснование параметров и конфигурации новой зондирующей установки. Для поиска оптимальных импульсов выполнен подбор параметров импульсов (продолжительность и степень затухания) для минимизации условий критерия оптимальности, при этом значение амплитуды тока фиксировано, так как оно входит сомножителем в момент и является максимально достижимой силой тока в источнике. Численные расчеты проведены в класс трехслойных горизонтально-слоистых моделей среды, где средний слой имитирует баженовскую свиту. Рассмотрены широкие диапазоны допустимых параметров по удельному электрическому сопротивлению (УЭС), положению границ и другие. Зондирующая установка характеризуется вертикальным положением источника или приемника, расстоянием между ними и углом наклона относительно вертикали.
Определяемыми геоэлектрическими параметрами служили координаты границ, также оценивалась чувствительность сигналов и к УЭС баженовской свиты, и к наклону установки (что равносильно наклону границ относительно установки). В результате подбора выявлены диапазоны параметров импульсов, для которых соблюдались критерии оптимальности. Определены средние значения оптимальных параметров для четырех типов импульсов. Результаты численного моделирования и их анализ включал следующее. Сравнительный анализ сигналов в зависимости от времени для всех типов импульсов, включая стандартное выключение, выявление их особенностей на ранних и поздних временах. Сопоставительный анализ производных сигналов по модельным параметрам для различных форм импульсов, а также оценка относительной ошибки определения параметров. Анализ выполнен для полного набора компонент поля. В связи с большим объемом вычислений решение оптимизационной задачи и выбор оптимальной конфигурации выполнен на базе Сибирского суперкомпьютерного центра СО РАН.
Численная инверсия импульсных электромагнитных зондирований: вычислительные алгоритмы, программная реализация, тестирование
Созданы вычислительные алгоритмы для численной инверсии данных импульсных электромагнитных зондирований с заданными токовыми импульсами в источнике и выбранными конфигурациями зондирующих установок. Разработан модифицированный многостартовый алгоритм для поиска глобального минимума многоэкстремальной функции, позволяющий существенно экономить вычислительные ресурсы по сравнению со стандартным много-стартовым методом. В алгоритме выбор достаточно хорошего начального приближения заменен на более простую задачу – выбор границ интервала, в котором ищутся решения задачи минимизации. Поскольку минимизируемая функция представляет из себя сумму квадратов, в качестве метода поиска локальных минимумов использовался алгоритм эффективного решения задачи наименьших квадратов. Методу не требуется вычислять производные в явном виде. Вместо этого он строит приближение матрицы Якоби, используя только значения самих функций. Для уточнения аппроксимации матрицы Якоби он использует одно вычисление целевой функции за итерацию, за счет чего достигается его высокая эффективность. Минимизируемая функция учитывала наличие модели погрешности (шума) в реальных измерениях.
На основе вычислительных алгоритмов решения обратной задачи созданы компьютерные программы для инверсии данных импульсных электромагнитных зондирований как при межскважинном просвечивании, так и при традиционном каротаже скважин для определения пространственного распределения УЭС и расположения границ пластов. Для выполнения моделирования результатов измерений импульсных электромагнитных зондирований использовалась разработанная на прошлом этапе исследований компьютерная программа прямого численного моделирования в трехмерной модели среды. В качестве вычислительной среды используется кластер суперкомпьютерного центра СО РАН.
Выполнено масштабное тестирование алгоритмов и компьютерных программ инверсии данных импульсных электромагнитных зондирований для случаев каротажа скважин и межскважинного просвечивания при определении УЭС пластов, положения их границ и угла наклона. Псевдоэкспериментальные данные были смоделированы и зашумлены с помощью нормально распределенной случайной величины с дисперсией равной ошибке измерений. Результаты тестовых инверсий показали, что отклонения найденных параметров от истинных находятся в пределах области эквивалентности, обусловленной ошибками измерения. Во всех случаях разность между подобранными модельными сигналами и псевдоэкспериментальными данными не превосходила ошибки измерения.
Высокопроизводительные вычисления с использованием параллельных алгоритмов численных решений задач импульсных электромагнитных зондирований на ССКЦ СО РАН
Для максимально полного использования вычислительных ресурсов суперкомпьютерного кластера НКС-1П ЦКП ССКЦ СО РАН, разрабатывается двухуровневый подход к распараллеливанию задачи импульсных электромагнитных зондирований. Это обуславливается тем, что кластер состоит из набора вычислительных узлов двух типов. Первый тип узлов обладает большим объемом оперативной памяти и относительно небольшим количеством вычислительных ядер, в то время как второй тип узлов обладает большим количеством вычислительных ядер и относительно небольшим объемом памяти. На узлах кластера, обладающих достаточным объемом оперативной памяти, для загрузки отдельных вычислительных ядер используется разделение исходной задачи по частотам. В то же время для полного использования вычислительных ресурсов узлов с ограниченным объемом памяти в дополнении к предыдущему способу применяется распараллеливание матрично-векторного умножения, основанное на том, что матрица имеет блочную структуру.
Для трехмерного моделирования процесса зондирования при помощи импульсных источников тока, используется преобразования Фурье по времени. Таким образом необходимо решить множество независимых и трудоемких трехмерных задач, решения которых учитываются вместе только при осуществлении обратного преобразования Фурье. Такой подход предоставляет возможность выполнить распараллеливание естественным образом, решая каждую частотную задачу в отдельном вычислительном потоке.
Предложенный подход показывает существенное преимущество по сравнению с распараллеливанием матрично-векторного умножения (данная операция является самой трудоемкой в процессе решения), поскольку в этом случае связь между различными вычислительными потоками необходимо осуществлять как минимум один раз за итерацию алгоритма решения системы линейных алгебраических уравнений. Кроме того, в этом случае становится существенным время передачи больших объемов данных между различными вычислительными блоками. Но в случае, когда решение одной частотной задачи требует достаточно большого объема оперативной памяти, в зависимости от характеристик используемой вычислительной техники, может возникнуть ситуация, когда вся доступная память уже задействована, но существуют незадействованные вычислительные ядра. В таком случае для более полного использования имеющихся вычислительных ресурсов становится актуальным применять параллельные алгоритмы уже к процедуре матрично-векторного умножения. Классическим способом распараллеливания процедуры умножения большой разреженной матрицы на вектор является выделение в матрице блочной структуры и выполнение множества умножений матричных блоков на векторные блоки параллельно. Затем последовательно производится сборка окончательного результата умножения из векторных блоков. Разбивка исходной матрицы на блоки основана на структуре векторных базисных функций высоких порядков, используемых для построения дискретного аналога решаемого дифференциального уравнения. Векторные базисные функции высоких порядков определены на тетраэдре и могут быть ассоциированы с ребром, гранью или с самим тетраэдром. Это зависит от того, как определяется степень свободы конкретной базисной функции: интегралом вдоль ребра, интегралом по грани или интегралом по всему геометрическому элементу, соответственно. Грань или элемент для базисов высоких порядков ассоциированы с несколькими функциями, это свойство используется в качестве разделителя на группы. Каждая из этих групп разбивается еще на две подгруппы, это подгруппа базисных функций, являющихся градиентами скалярных функций, и подгруппа базисных функций, которые нельзя выразить через градиент скалярной функций. Такой способ разбивки существует всегда и не зависит от используемой расчетной сетки и особенностей геофизической модели, что делает эффект от распараллеливания более стабильным и предсказуемым по сравнению с формированием матричных блоков при помощи алгоритмов декомпозиции расчетной сетки на подобласти. Процедура распараллеливания матричного умножения является вспомогательной относительно распараллеливания по частотам, а именно сначала выполняется распараллеливание по частотам, и в случае нехватки оперативной памяти оставшиеся свободными вычислительные ядра используются для распараллеливания, основанного на матрично-векторном умножении. Проводимые вычислительные эксперименты демонстрируют эффективность данного подхода и более полное использование вычислительных ресурсов суперкомпьютерного кластера НКС-1П ЦКП ССКЦ СО РАН. Результаты анализа быстродействия двухуровневого алгоритма распараллеливания показывают, что для обоих типов узлов оптимально использовать 8 потоков при распараллеливании операций матрично-векторного умножения.
Дополнительные исследования по проекту в 2020 году
С целью повышения эффективности научно-исследовательских работ и результатов по настоящему проекту авторами научного коллектива выполняется дополнительный объём научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, не входящий в План работ.
Дополнительные исследования обусловлены продолжающимся взаимовыгодным сотрудничеством с Научно-исследовательским институтом измерительных приборов – Новосибирским заводом имени Коминтерна, являющимся подразделением Концерна военно-космических сил «Алмаз-Антей». Вместе с текущими фундаментальными исследованиями по проекту выполняются работы по практической реализации научных результатов в рамках опытно-конструкторских работ, связанных с разработкой скважинного георадара для каротажного зондирования и межскважинного просвечивания применительно к изучению баженовской свиты с использованием системы наклонно-горизонтальных скважин, на производственных мощностях этого предприятия. В этом году спроектированы, изготовлены и протестированы в полевых условиях излучающая и приемная антенны прототипа георадара. Первые успешные физические эксперименты проведены на нескольких объектах песчано-глинистых разрезов в Новосибирской области.
Другим направлением исследования, сопряженным с темой настоящего проекта, является развитие импульсного электромагнитного межскважинного зондирования применительно к мониторингу многолетнемерзлых пород и изучению процессов их геокриологических изменений. Результаты по проекту способствовали выполнению работ для научного обоснования способа импульсного электромагнитного межскважинного зондирования для мониторинга криолитозоны. В России территория распространения вечной мерзлоты около 65%, что делает ее изучение чрезвычайно важным. Острая необходимость определяется и последними событиями, связанными с экологической катастрофой на нефтехранилище в г. Норильске. Это обуславливает необходимость развития и совершенствования геофизических методов изучения состояния многолетнемерзлых пород. В рамках данного направления по теме импульсного электромагнитного межскважинного зондирования коллективом исполнителей показано, что разработанный подход может быть направлен на решение широкого круга задач по мониторингу многолетнемерзлых пород под гражданскими и промышленными объектами, зданиями и сооружениями.
По результатам исследований опубликовано и приняты к печати 4 статьи в ведущих периодических научных зарубежных и отечественных изданиях, входящих в базы цитирования WoS и Scopus (Journal of Inverse and Ill-Posed Problems, Geosciences, Numerical Analysis and Applications, Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири), результаты представлены в 4 конференциях, материалы которых также цитируются в международных базах данных (22-я научно-практическая конференция EAGE по вопросам геологоразведки и разработки месторождений нефти и газа «Геомодель 2020», SEG 2020 Annual Meeting, 9th International geological and geophysical conference «Saint Petersburg 2020. Geosciences: Converting Knowledge into Resources», 82nd EAGE Annual Conference Online).