CC BY
144
Электронный журнал Cloud of Science. 2015. T. 2. № 3
http://cloudofscience.ru ISSN 2409-031X
Средства автоматизации обработки данных геофизического исследования скважин на месторождениях урана пластово-инфильтрационного типа
Р. И. Мухамедиев*, Я. И. Кучин**
*Институт информационных и вычислительных технологий 050010, Республика Казахстан, Алматы, ул. Пушкина, 125 (уг. Курмангазы)
**ТОО «Геотехносервис» 050012, Республика Казахстан, Алматы, ул. Богенбай-Батыра, 156/156а
e-mail: [email protected]
Аннотация. В статье рассмотрены геофизические методы исследования скважин, а также их роль при отработке пластово-инфильтранионных месторождений урана Казахстана. Сделан анализ существующих программ для обработки данных и показана необходимость создания системы, позволяющей выполнять интерпретацию данных каротажа в автоматическом режиме, возможно с предварительным обучением на данных, проинтерпретированных экспертами.
Ключевые слова: геофизические исследования скважин, обработка данных, автоматизация, машинное обучение.
1. Геофизические исследование скважин и средства автоматизации обработки данных
На современном этапе развития геологоразведочных работ геофизические исследования скважин (ГИС) стали одним из основных источников информации о составе и свойствах геологических объектов, условиях их залегания [1] .
Они широко используются на различных стадиях поисков, разведки и отработки месторождений полезных ископаемых, и в целом, могут быть охарактеризованы как технологический процесс получения количественной информации о геологических объектах, реализуемый путем совместного использования технических средств измерений, а также методического, алгоритмического, петрофизического и метрологического обеспечения.
При отработке пластово-инфильтрационных месторождений урана геофизическим методам исследования скважин отводится особое место и роль. Связано это, прежде всего, с тем, что подавляющее большинство скважин в этом случае проходятся без отбора керна. Поэтому ГИС является практически единственной инфор-
Средства автоматизации обработки данных геофизического исследования скважин на месторождениях урана пластово-инфильтрационного типа
мационной поддержкой всех разноплановых видов работ, выполняемых при отработке этих месторождений.
Подземное скважинное выщелачивание (ПСВ) — это сложный физико-химический процесс, протекающий в горных породах. Динамика этого процесса, его особенности определяются природными факторами: фациально-литологичес-кими особенностями рудовмещающих горизонтов, физическими свойствами ру-довмещающей толщи и всего разреза в целом. Контроль за ходом выщелачивания и управление процессом ПСВ предполагает тщательное изучение и учет всех этих природных факторов, что, в свою очередь, предъявляет повышенные требования к максимальной полноте всей информации о среде.
Объекты исследований при ГИС — геологическая среда и элементы конструкции скважины. Они характеризуются определенными физическими свойствами, вещественным составом, определенными геометрическими размерами и могут быть описаны в виде конкретной геологической и петрофизической модели.
Конечная цель ГИС — получение наиболее исчерпывающих обобщенных представлений и оценок состояния этой геологической среды в принятой при отработке месторождений методом ПСВ системе классификации.
Большинство геологических, технических и геотехнологических задач, решение которых является конечной целью ГИС, может быть получено лишь в результате комплексной интерпретации данных различных методов ГИС, основанных на разных физических явлениях.
Поэтому вопрос комплексирования, заключающийся в выборе набора методов для решения поставленных задач, является одним из основных, определяющих требования, предъявляемые к получаемой по данным ГИС информации [2]. Естественно, при этом подразумевается, что будет строго соблюдаться принцип разумной достаточности, т. е. выбранный комплекс будет строго обоснован и будет включать в себя оптимальное сочетание отдельных методов и видов исследований.
Кроме того, корректность решения поставленных перед ГИС задач весьма часто определяется возможностью привлечения для их решения дополнительной геолого-петрографической и другой априорной информации.
Эпигенетические пластово-инфильтрационные месторождения урана, отрабатываемые способом ПСВ, приурочены к водонасыщенным проницаемым горизонтам. Рудовмещающим считают водоносный горизонт, ограниченный водоупорами и менее проницаемыми породами, представленными глинами или другими непроницаемыми породами и песками. В наиболее общем случае в качестве таких водо-упоров может быть принят горизонт, являющийся менее проницаемым по отношению к рудовмещающему. В пределах этого рудовмещающего горизонта выделяют интервалы оруденения, представленные балансовыми рудами и интервалы оруде-
нения, локализованного в непроницаемых породах, которые относят к технологическому забалансу.
При отработке месторождений урана способом ПСВ ГИС является основным, а зачастую и единственным методом получения наиболее полной информации об особенностях геологического разреза и характеристики уранового оруденения по каждой конкретной скважине. Они основаны на изучении естественных и искусственных физических полей во внутрискважинном, околоскважинном и межсква-жинном пространстве и проводятся с целью:
- изучения геологического разреза по всему стволу скважины в целом;
- детального изучения фациально-литологического строения рудовме-щающих горизонтов;
- выявления рудных интервалов и параметров уранового оруденения (мощность, средние содержания, стволовые запасы);
- исследования и оценки технического состояния скважин;
- контроля за разработкой рудных залежей и оценки полноты извлечения металла из недр;
- оценки ущерба, наносимого недрам при отработке месторождений.
Полный технологический цикл работ, проводимых при добыче урана методом
ПСВ, состоит из целого ряда отдельных этапов и стадий их проведения. Геофизические исследования зависят от задач, решаемых на каждом этапе работ на участке, и от условий, в которых их нужно проводить.
Полученные в ходе исследований данные обрабатываются с помощью программных продуктов, основные особенности которых описаны ниже.
2. Краткая характеристика методов каротажа
2.1. Гамма-каротаж (интегральный)
Основан на регистрации гамма-излучения естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ), содержащихся в горных породах, пересеченных скважиной. Измеряемая величина — скорость счета гамма-квантов в импульсах в минуту (имп/м).
Основная расчетная величина — мощность экспозиционной дозы в микрорентгенах в час (МЭД, мкР/ч).
Измеряемая величина определяется концентрацией, составом и пространственным распределением ЕРЭ, плотностью ρп и эффективным атомным номером 2эфф. пород.
Гамма-каротаж является одним из наиболее эффективных и распространенных методов ГИС. Методу отводится исключительная роль и особое место при всех, без исключения, видах работ, проводимых на радиоактивные руды.
Средства автоматизации обработки данных геофизического исследования скважин на месторождениях урана пластово-инфильтрационного типа
Входит в число основных и обязательных методов и при работах на другие виды минерального сырья, включая работы на нефть и газ.
При проведении гамма-каротажа на урановых месторождениях используются скважинные приборы с кристаллическими детекторами NaJ(Tl) размерами 30^70, 18x40, окруженные свинцовыми экранами 0,9-1,1 мм и 1,3-1,5 мм соответственно. Использование свинцовых экранов позволяет существенно уменьшить зависимость результатов измерений от значений 2'эфф. в пределах продуктивных горизонтов, т. е. устранить влияние литологического состава пород на результаты измерений. Это в значительной степени снижает картировочные возможности метода по расчленению разреза скважин, однако, дает возможность с высокой степенью точности и достоверности определять мощность, концентрацию и стволовые запасы урана в скважинах.
Минимальные требования к методическому обеспечению заключаются в наличии зависимостей:
- градуировочных, позволяющих перейти от скорости счета (в имп/мин) к мощности экспозиционной дозы, выраженной в микрорентгенах в час, или к эквивалентной массовой доле урана, выраженной в промилле урана (ррти);
1 ррти = 1 г/т урана = 110-4 % урана;
- поправочных, учитывающих влияние на МЭД бурового раствора, влажности руд, обсадной колонны и сдвиг радиоактивного равновесия между ураном, радием и радоном.
Система метрологического обеспечения метода включает:
- установку нижнего энергетического порога регистрации гамма-излучения -20±5 кэВ;
- определение цены деления и нелинейности;
- определение пересчетного коэффициента Ко.
Для проведения гамма-каротажа используется комплексный скважинный прибор, позволяющий одновременно выполнять электрокаротаж в модификациях кажущихся сопротивлений и естественного электрического поля.
2.2. Электрокаротаж
Электрический каротаж — это метод исследования горных пород, основанный на регистрации параметров естественного или искусственного электрических полей.
Электрический каротаж, основанный на регистрации параметров естественного электрического поля, представляет собой каротаж потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС). Измеряемой величиной является разность электрического
потенциала ПС (A^nc). Единица измерения — милливольт (мВ). Электрический каротаж, основанный на регистрации параметров искусственно создаваемого электрического поля, включает:
- боковое каротажное зондирование, (БКЗ);
- боковой каротаж (БК);
- боковой микрокаротаж (БМК);
- стандартный каротаж (СК).
Все они объединяются под общим названием «каротаж сопротивлений» (КС).
Измеряемой величиной является кажущееся удельное электрическое сопротивление (рк) среды. Единица измерения — ом-метр (Ом-м). При отработке месторождений урана выполняется стандартный электрокаротаж подошвенными градиент-зондами, размеры которых выбраны постоянными для данного района (месторождения) работ.
В скважинах, заполненных промывочной жидкостью на непроводящей основе, а также обсаженных полиэтиленовыми (непроводящими) трубами, электрокаротаж с целью литолого-стратиграфического расчленения разреза скважин не выполняется.
Данные стандартного электрокаротажа являются одними из основных для получения информации о литолого-стратиграфическом и фациально-литологическом строении разреза скважин. Кроме того, используются для оценки фильтрационных свойств пород, слагающих рудовмещающий горизонт.
Минимальные требования к методическому обеспечению заключаются в наличии корреляционных зависимостей, связывающих геоэлектрические, гранулометрические параметры с фильтрационными свойствами пород.
Метрологическое обеспечение стандартного каротажа заключается в оценке постоянства кажущихся сопротивлений (рк), полученных над опорным геоэлектрическим горизонтом. Сравниваются значения, полученные в идентичных условиях измерений с учетом данных о диаметре скважин и плотности бурового раствора.
2.3. Индукционный каротаж
Индукционный каротаж (ИК) основан на измерении кажущейся удельной электрической проводимости δχ пород в переменном электромагнитном поле в частотном диапазоне от десятков до сотен килогерц. В методе реализованы варианты измерения как активной компоненты кажущейся удельной электрической проводимости δ", которая пропорциональна ЭДС, так и реактивной компоненты δ", пропорциональной ЭДС, сдвинутой по фазе относительно тока генераторной цепи зон-
Средства автоматизации обработки данных геофизического исследования скважин на месторождениях урана пластово-инфильтрационного типа
да на величину π/г. Единица измерения — сименс на метр (См/м), дробная — мил-лисименс на метр (мСм/м).
Типовые условия применения метода — скважины, заполненные любой промывочной жидкостью и вскрывшие породы с удельным электрическим сопротивлением менее 500 Омм. Является основным методом при определении мест перетоков технологических растворов из продуктивных в вышележащие горизонты и оценке их растекания в процессе ПСВ.
Минимальные требования к методическому обеспечению заключаются в наличии зависимостей, отражающих влияние на показание зонда диаметра скважины и удельного сопротивления промывочной жидкости.
2.4. Кавернометрия
Кавернометрия (КМ) — метод ГИС, позволяющий определять среднее значение диаметра скважины и его изменения по стволу скважины.
Измеряемая величина — диаметр скважины в миллиметрах (мм).
3. Системы обработки данных ГИС, применяемые на урановых месторождениях Казахстана
В Казахстане имеется всего несколько программных продуктов, используемых для интерпретации данных ГИС на урановых месторождениях, все они сделаны силами самих предприятий по добыче урана. Это связано в основном с упадком отрасли после развала СССР. Зарубежные программные продукты не соответствуют действующим инструкциям, утвержденным в Государственном Комитете по Запасам Республики Казахстан.
3.1. Система интерпретации «Кобра»
Система «Кобра» (ТОО «Сигма», Киргизия) представляет собой набор программ для интерпретации данных ГИС, написанных под ОС DOS.
До недавнего времени использовалась на предприятиях НАК «Казатомпром». Представляет минимальные возможности для комплексной интерпретации данных ГИС, морально устарела (рис. 1).
3.2. Система GikLet
Разработана в начале 2000-х гг. в ТОО «ГРК» (Белых А.В.) Написана на Visual Basic в рамках MS Excel как часть автоматизированной информационной системы управления добычей урана «Рудник». Рассчитана в основном на интерпретацию групп скважин.
Из-за ограничений MS Excel (см. рис. 2) не очень удобна для оперативной интерпретации, особенно электрокаротажа, требует высокого уровня пользователя. Используется на некоторых предприятиях НАК «Казатомпром».
Й; WindowsXP Professional VMware Player File - Virtual Madiine - Help - _ Π X
Рисунок 1. Окно интерпретации системы «Кобра»
Рисунок 2. Окно интерпретации системы «Giklet»
Средства автоматизации обработки данных геофизического исследования скважин на месторождениях урана пластово-инфильтрационного типа
3.3. Система комплексной интерпретации данных ГИС «Альфа»
До недавнего времени в ТОО «Геотехносервис» не было единой системы камеральной интерпретации данных ГИС. Для интерпретации данных ГИС и построения паспортов скважин использовался целый ряд программных продуктов, созданных различными производителями в течение последних 10-15 лет. Используемые продукты разработаны для разных операционных систем (ОС DOS и ОС Windows), ориентированы на различные форматы исходных и конечных данных. Поэтому процесс интерпретации включал несколько подготовительных этапов, необходимых для построения паспорта скважины.
Система комплексной интерпретации данных ГИС «Альфа» была разработана в ТОО «Геотехносервис» в 2007 г. (авторское свидетельство № 482). Система «Альфа» включает в себя модули интерпретации электрокаротажа, гамма-каротажа, термометрии, токового каротажа, контрольных каротажей, расходометрии, редактор кривых и планшет данных ГИС. Таким образом, принятая идеология предусматривает выполнение всех работ по интерпретации данных ГИС в рамках единой системы [3].
Основой системы являются два COM-сервера в подгружаемых модулях (dll), см. рис. 3.
Первый отвечает за загрузку и сохранение исходных данных ГИС в различных форматах (dat-файлов и las-файлов), а также за обеспечение регистрации и использования других форматов данных.
Второй модуль осуществляет отображение данных ГИС на экране в различных масштабах а также вывод на печать. Он используется всеми интерпретационными модулями (редактор кривых, планшет данных ГИС и др.) для отображения данных на экране.
В системе также реализован «Рабочий стол», где хранятся все исходные данные и результаты интерпретации, а также дополнительная информация (глубина начала и конца интервала, время создания интерпретационной версии). Все интерпретационные модули имеют доступ к «Рабочему столу», который осуществляет обмен данными.
Остальные модули решают только специфичные задачи. Редактор кривых предназначен для корректировки кривых (сдвиг вверх-вниз, добавление констант и др.).
Модуль интерпретации электрокаротажа предназначен для литологического расчленения пород и расчета коэффициентов фильтрации. Результаты интерпретации электрокаротажа используются при интерпретации гамма-каротажа, а также для построения паспорта скважины.
Модуль интерпретации гамма-каротажа предназначен для интерпретации данных ГК с целью определения мощностей рудных интервалов и массовых долей урана.
Модуль интерпретации токового каротажа предназначен для определения фактической глубины посадки фильтра.
Рисунок 3. Архитектура системы «Альфа»
Планшет данных ГИС предназначен для построения паспорта скважины. Кроме того, система предусматривает возможность дальнейшего расширения, т. е. подключение дополнительных интерпретационных модулей для других видов каротажа.
3.4. Интерпретации данных электрокаротажа в системе «Альфа»
Электрический каротаж — это метод исследования горных пород, основанный на регистрации параметров естественных или индуцированных электрических полей. Данные стандартного электрокаротажа являются одними из основных для по-
Средства автоматизации обработки данных геофизического исследования скважин на месторождениях урана пластово-инфильтрационного типа
лучения информации о литолого-стратиграфическом и фациально-литологическом строениии разреза скважин. Кроме того, результаты электрокаротажа используются для оценки фильтрационых свойств пород, слагающих рудовмещающий горизонт, позволяет производить литолого-стратиграфическое и фациально-литологическое расчленение скважины, а также оценку коэффициентов фильтрации по данным каротажа копротивлений (КС). Окно интерпретации состоит из главного окна, разделенного на 6 треков и библиотеки литотипов (рис. 4). В первом треке находится шкала глубин, во втором и третьем — кривые. Четвертый трек представляет собой литологическую колонку. В пятом треке находятся: средние значения кающихся сопротивлений, сопротивления для каждой литологической разности, а в шестом — значения коэффициентов фильтрации. Замена литотипа осуществляется переносом соответствующего значка из библиотеки литотипов.
Рисунок 4. Главное окно программы интерпретации электрокаротажа системы «Альфа»
При выборе литологической разности в литологической колонке появляется контекстное меню, содержащее следующие пункты: заменить литотип; удалить верхнюю границу; удалить нижнюю границу; добавить границу.
Изменение границ литологических разностей происходит путем перемещения их с помощью мыши. При любом изменении границ происходит мгновенный пересчет коэффициентов фильтрации. Различные диапазоны значений коэффициентов фильтрации отображаются разными цветами. Результаты интерпретации электро-
каротажа (литологическая колонка и коэффициенты фильтрации ) сохраняются на «Рабочем столе» для последующего их использования при интерпретации гамма-каротажа и построения паспорта скважины (рис. 5).
Рисунок 5. Паспорт скважины, построенный в системе «Альфа»
В настоящее время компьютерная интерпретация электрокаротажа проводится только по кривой КС, остальные кривые (ПС, ИК, КМ, ГК) используются для ручной корректировки человеком-интерпретатором (рис. 6). Кроме того, при закисле-
Средства автоматизации обработки данных геофизического исследования скважин на месторождениях урана пластово-инфильтрационного типа
нии скважины автоматическая интерпретация по одной лишь КС зачастую становится невозможной.
Исчерпывающей теории, которая могла бы служить основой для автоматического литологического расчленения с учетом всех видов каротажа, сейчас нет. Очевидно, что комплексная интерпретация с учетом всех данных ГИС требует больших затрат времени и профессионализма интерпретатора, в то время как технология производства требует быстрого принятия решений.
Рисунок 6. Синяя кривая КС с закисленной скважины, черная — с незакисленной соседней скважины(видны два интервала закисления)
4. Заключение
Для выполнения литологического расчленения скважин по добыче урана методом подземного выщелачивания широко используются три метода электрического каротажа: "каротаж сопротивлений" (КС); электрический каротаж, основанный на регистрации параметров естественного электрического поля — каротаж потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС); индукционный каротаж (ИК).
Полученные данные, в настоящее время, обрабатываются с помощью программных продуктов "Кобра", GikLet, "Альфа". Система "Альфа", разработанная в 2007 году, включает в себя модули интерпретации электрокаротажа, гамма-каротажа, термометрии, токового каротажа, контрольных каротажей, расходомет-рии, редактор кривых и планшет данных ГИС. При этом компьютерная (автоматическая) интерпретация электрокаротажа проводится только по кривой КС, остальные данные (ПС, ИК, КМ, ГК) используются для ручной корректировки человеком-интерпретатором. Кроме того, при закислении скважины автоматическая интерпретация по одной лишь КС зачастую становится невозможной. Можно отметить также, что в настоящее время отсутствует законченная формальная модель, которая могла бы служить основой для автоматического литологического расчленения с учетом всех видов каротажа. Очевидно, что поскольку комплексная интерпретация с учетом всех данных ГИС происходит вручную, то необходимы большие затраты времени и профессионализм интерпретатора, в то время как технология производства зачастую требует быстрого принятия решений. Это означает, что необходима система, позволяющая выполнять интерпретацию данных каротажа в автоматическом режиме, возможно с предварительным обучением на данных, проинтерпретированных экспертами.
Литература
[1] Методические рекомендации по комплексу геофизических методов исследования скважин при подземном выщелачивании урана. — Алматы : ЗАО НАК «Казатомпром». ТОО ИВТ, 2003.
[2] Техническая инструкция по проведению геофизических исследований в скважинах на пластово инфильтрационных месторождениях урана. — Алматы: ТОО ГРК, 2010.
[3] Кучин Я. И. Система комплексной интерпретации результатов геофизических исследований скважин на пластово-инфильтрационных месторождениях урана // Известия НАН РК. Серия геологическая. 2009. № 4. С. 67-78.
Авторы:
Равиль Ильгизович Мухамедиев — доктор инженерных наук, старший научный сотрудник, Институт информационных и вычислительных технологий (Республика Казахстан, Алматы) Ян Игоревич Кучин —ведущий менеджер лаборатории геофизических исследований скважин, ТОО «Геотехносервис» (Республика Казахстан, Алматы)
Средства автоматизации обработки данных геофизического исследования скважин на месторождениях урана пластово-инфильтрационного типа
Automation of Data Processing of Geophysical Well Logging Data on Stratum-Infiltration Type Uranium Deposits
R. I. Muhamediev*, Y. I. Kuchin**
*Institute of Problems of Information and Control Ministry of Education and Science of the Republic of Kazakhstan 125 Pushkina, Almaty, Republic of Kazakhstan 050010
"LLC «Geotehnoservice», NAC «Kazatomprom» 156-156a Bogenbay batir, Almaty, Republic of Kazakhstan, 050012
e-mail: [email protected], [email protected]
Abstract. The article describes the methods of geophysical survey of wells, as well as their role in mining of stratum-infiltration uranium deposits in Kazakhstan. The analysis of the existing programs for data processing is made and the need for a system that enables users to interprete geophysical logging data in the automatic mode, possibly with prior training on data interpreted by experts is shown.
Key words: well logging, data processing, automation, machine learning.
Reference
[1] Metodicheskie rekomendacii po kompleksu geofizicheskih metodov issledovanija skvazhin pri podzemnom vyshhelachivanii urana. Almaty, ZAO NAK «Kazatomprom». TOO IVT, 2003. (In Rus)
[2] Tehnicheskaja instrukcija po provedeniju geofizicheskih issledovanij v skvazhinah na plasto-vo-infil'tracionnyh mestorozhdenijah urana. Almaty, TOO GRK, 2010. (In Rus)
[3] Kuchin Y. I. (2009) Izvestija NANRK. Serija geologicheskaja, 4: 67-78. (In Rus)
