К оглавлению

© В.Г. Аковецкий, 2005

МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОИСКА И РАЗВЕДКИ СКОПЛЕНИЙ НЕФТИ И ГАЗА НА ОСНОВЕ АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ

В.Г. Аковецкий (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина)

Эффективность геологоразведочных работ в значительной мере определяется полнотой информации, используемой как для изучения геологического строения исследуемой территории, так и прогноза месторождений и залежей нефти и газа. Используемые методы и технологии исследования нефтегазоносных территорий не обеспечивают требуемой производительности, а в ряде случаев и необходимой достоверности получаемых результатов. Несмотря на применение современных методов геофизических съемок, привлечение мощных вычислительных моделирующих комплексов, экономическая эффективность проводимых работ не обеспечивает требуемого уровня. Коэффициент успешного поиска месторождений нефти и газа в США не превышает 20 %, а в России - 28 % [2].

Повышение эффективности информации требует совершенствования существующих, а также разработки новых методов исследований. В основе используемых технологий поиска и разведки месторождений нефти и газа заложено комплексное геологическое изучение нефтегазоносных территорий. В общем случае оно включает аэрокосмические, структурно-геоморфологические, структурно-геологические, топографические съемки, геохимические и гидрогеологические исследования, а также геофизические работы, объединяющие аэро- и гравиметрическую съемки, электро- и сейсморазведку.

Структурная схема организации геологической съемки при проведении поиска и разведки скоплений нефти и газа представлена на рис. 1.

Результатом геологической съемки является создание широкого перечня картографических материалов. В него входят топографические, геологические, структурные, структурно-геологические, тектонические, геоморфологические, гидрогеологические, геохимические, а также геофизические карты (гравиметрические, магнитные, сейсмические и электрометрические); типовые литолого-стратиграфические разрезы, карты коллекторов, а также сводные карты, характеризующие перспективы нефтегазоносности отдельных литолого-стратиграфических комплексов.

Для анализа истории геологического развития регионов применяют палеогеологические, палеоструктурные, литофациальные, палеогеографические, палеогидрогеологические, палеотектонические карты и профили, карты мощностей.

Кроме перечисленных видов графических документов в современных методах исследований используются цифровые ортофотопланы и ортофотокарты, цифровые модели рельефа, трехмерные модели местности и цифровые стереомодели, которые создаются методами цифровой фотограмметрии по материалам дистанционного зондирования.

Следует отметить, что качество создания, анализа и интерпретации всего множества рассмотренных картографических документов существенно определяет эффективность как проведения геологической съемки на всех этапах и стадиях геолого-разведочных работ, так и последующих работ, связанных с обустройством и разработкой месторождений нефти и газа. В связи с этим необходимо проведение всей совокупности работ, связанных с созданием, интерпретацией и отображением результатов исследований территорий, на единой методической, технологической, информационной и метрологической основе. Реализация такого подхода требует разработки единого геоинформационного обеспечения геолого-разведочных работ на основе автоматизированных систем сбора, обработки, хранения и анализа информации на всех этапах прогноза, поиска и разведки месторождений нефти и газа.

Основной целью разработки геоинформационного обеспечения нефтегазоносных территорий является переход от решения частных задач отдельных исследований к системному анализу комплексной информации на протяжении всего инвестиционного цикла освоения месторождений, начиная с этапа поиска и разведки и заканчивая этапами эксплуатации и ликвидации скважин. Такой подход позволяет избежать дублирования однотипных работ, обеспечивая последовательный переход от задач региональных к поисковым и разведочным исследованиям, а затем к мониторингу эксплуатируемых месторождений.

Системный подход к разработке геоинформационного обеспечения позволяет использовать его при решении следующих задач [2]:

·        поиска и разведки месторождений нефти и газа;

·        планирования и размещения разведочных и эксплуатационных скважин; подсчета запасов месторождений; проведения инженерных изысканий под строительство объектов нефтегазового комплекса на всех этапах реализации инвестиционных проектов; планирования размещения инженерного оборудования и сооружений; создания кадастровых карт земель;

·        районирования и комплексной оценки территорий и участков землепользования;

·        планирования и оптимизации маршрутов транспортировки нефти и газа;

·        проведения комплексного геоинформационного мониторинга инфраструктуры природно-технических систем месторождений нефти и газа.

Существующее геоинформационное обеспечение геолого-разведочных работ не позволяет в полной мере успешно решить перечисленные задачи на основе единых технологий, так как оно не покрывает территорию большинства месторождений требуемыми современными цифровыми картографическими данными, а также представлено в различных структурах и на разных носителях: бумажных и цифровых.

Для устранения этих ограничений целесообразно выполнить геологическую съемку интересующих территорий на основе современных единых технологий цифровой картографии и цифровой фотограмметрии, основанных на материалах аэрокосмических съемок. Требования к материалам аэрокосмических съемок определяются этапом и стадией геолого-разведочных работ.

В таблице представлен перечень задач, решаемых в ходе выполнения геолого-разведочных работ на региональном, поисковом и разведочном этапах на основе аэрокосмических съемок, а также требования к получаемым изображениям, используемым в ходе проведения исследований.

Решение перечисленных задач требует использования современных геоинформационных систем (ГИС), обеспечивающих комплексную обработку и анализ исходных материалов. Определяющим требованием к таким системам является необходимость в ходе оценки нефтегазоносности территорий использовать системный подход к анализу разнородной информации, получаемой в результате комплексных структурно-геоморфологических, структурно-геологических, геохимических, гидрогеологических и геоботанических исследований. Это в рамках рассматриваемого подхода обусловливает необходимость совмещения технологии общегеографического (топографического и ландшафтного) и тематического анализов получаемой видеоинформации.

Технологическая блок-схема ГИС позволяет обеспечивать обработку, анализ и интерпретацию материалов аэрокосмических съемок, а также создание на их основе комплекса топографических и тематических карт (рис. 2).

Любое изображение земной поверхности содержит определенный объем информации о характеристиках объектов земной поверхности. Получение этой информации осуществляется в ходе дешифрирования изображений в модуле ГИС, обеспечивающего проведение общегеографического и тематического дешифрирования.

Общегеографическое дешифрирование изображений разделяется на топографическое и ландшафтное. Топографическое дешифрирование обеспечивает получение информации о характеристиках объектов, отображаемых на топографических картах. Ими являются рельеф, гидрография, растительный покров, транспортная сеть, населённые пункты.

Ландшафтное дешифрирование предназначено для получения информации о характеристиках объектов земной поверхности с целью регионального или типологического районирования местности. В ходе его проведения выделяют при- родно-территориальные комплексы, а также их составляющие: фации, урочища и ландшафты.

Тематическое дешифрирование проводится для получения информации о заданных классах отдельных объектов земной поверхности. При решении задач исследования нефтегазоносности территорий используют геологическое, геоморфологическое, гидрологическое, геоботаническое и экологическое дешифрирование, а также дешифрирование видов почв и инженерных сооружений.

В основе дешифрирования изображений объектов земной поверхности лежат отличительные демаскирующие и дешифровочные признаки. Демаскирующие признаки характеризуют отличительные геометрические и оптические свойства самих объектов, дешифровочные признаки - свойства изображений объектов. Все множества рассматриваемых признаков разделяют на прямые и косвенные.

Прямыми называют признаки, характеризующие физические свойства самих объектов. К ним относятся геометрические и оптические характеристики объектов, а также тени и структура изображения.

Геометрические признаки включают форму и пространственные характеристики объекта, его размеры, детали и структуру изображения. Оптические признаки характеризуют тон и цвет изображений.

Косвенные признаки прямо к объекту не относятся, а являются индикаторами наличия интересующих объектов - взаимосвязь и местоположение объектов.

Местоположение объектов проявляется как приуроченность одних объектов к другим. Например, на песчаных и подзолистых почвах средней и малой влажности растут как правило хвойные леса, а на жирных почвах (черноземе) - лиственные.

Взаимосвязь объектов проявляется в изменении прямых признаков. В частности, высота деревьев на болотах значительно ниже, чем на твердой почве. Подземная дренажная сеть меняет влажность почвы, что приводит к изменению тона изображения.

Технология дешифрирования изображений, как и любая технология обработки информации, предполагает наличие трех составных элементов: исходных данных, функционального модуля обработки и выходных данных, т. е. результатов дешифрирования.

Исходными данными процессов дешифрирования изображений являются информационные описания метрических и семантических характеристик объектов земной поверхности. Для получения таких описаний на основе априорного анализа исходных (реальных) объектов земной поверхности составляется перечень демаскирующих признаков, позволяющих на формальном (алгоритмическом) уровне провести классификацию всего множества объектов, а в рамках одного класса выполнить разделение отдельных объектов.

В качестве демаскирующих признаков при поиске и разведке скоплений нефти и газа выступают критерии нефтегазоносности регионов, выделяемые в следующие группы [1]:

·        палеотектонические и палеогеографические, которые определяют условия формирования и развития исследуемой территории;

·        палеогеотермические, определяющие условия развития исследуемой части разреза литосферы во времени (геологическом) и пространстве;

·        палеогидрогеологические, отражающие условия и характер изменения скоплений нефти и газа во времени и пространстве;

·        структурные тектонические, описывающие структуру изучаемой территории;

·        литолого-фациальные и геохимические, характеризующие условия накопления осадков в течение рассматриваемого отрезка геологической истории;

·        условия, обеспечивающие сохранность образовавшихся зон нефтегазонакопления.

На основе созданного описания демаскирующих признаков строятся описания дешифровочных признаков, позволяющие выполнить классификацию и разделение отдельных изображений объектов. Примером такого подхода может служить классификатор, разработанный совместно специалистами Сибирского научно-исследовательского института геологии, геофизики и минерального сырья и инженерно-технологического центра "СканЭкс".

Косвенные дешифровочные признаки имеют особо важное значение при дешифрировании геологических структур. К косвенным дешифровочным признакам относятся ландшафтные признаки: рельеф, гидрография, почвы, растительность природно-территориальных комплексов, хозяйственная деятельность.

Рельеф - главный индикатор проявления целого ряда геологических явлений, структур, современных тектонических процессов, дизъюнктивных нарушений. Рассматривается связь между геологическим строением и рельефом.

Гидрографическая сеть позволяет выделить на изображениях тип, форму речных долин, границу водосборов и речных бассейнов, следы перехвата русел, меандрирования. Комплексный анализ показывает наличие разрывной тектоники и складчатых структур, вещественный состав пород и особенности неотектоники.

Растительность и почвы являются индикатором различных отложений, которые подчеркивают разрывные нарушения, трещиноватость, крупные структуры, увлажненность и гидрогеологические особенности. Важное место занимает смена растительности и почв в пределах одних и тех же природно-климатических зон.

В результате выполнения перечисленных процессов формируется база знаний, которая состоит из двух составных блоков: функционального и информационного.

Информационный блок содержит данные о прямых и косвенных дешифровочных признаках объектов, эталонах дешифрирования изображений объектов, формируемых по иерархическому уровню. Эта информация создается на основе знаний опытных дешифровщиков и тематических специалистов.

Функциональный блок включает алгоритмические решения, обеспечивающие ввод, формирование, поиск и выбор информации об объектах, анализ и оценку введенной и хранимой информации, критерии разделения сравниваемых признаковых описаний, вывод результатов анализа в форме дешифровочного решения.

Априорные знания демаскирующих признаков объектов земной поверхности позволяют определить оптимальные режимы съемки объектов земной поверхности. Для этих целей могут использоваться фотографические и цифровые съемочные камеры, лазерные, инфракрасные и радиолокационные съемочные комплексы. Такой подход позволяет на методическом уровне получить оптимальные, с точки зрения решаемых задач, изображения объектов земной поверхности. Для уточнения информации о характеристиках объектов могут привлекаться топографические и тематические карты, которые вместе с изображениями земной поверхности хранятся в геоинформационной базе данных.

Исходные данные поступают в модуль функциональной обработки, который включает наблюдательную и экспертную системы. В блоке предварительной обработки наблюдательной системы осуществляется выделение искомых дешифровочных признаков посредством изменения контраста, низкочастотной и высокочастотной фильтрации, адаптивного квантования мод, нормализации оптических плотностей изображений.

Различают монокулярные и стереоскопические наблюдательные системы. При использовании монокулярных систем обеспечивается восприятие плоских моделей изображений объектов, стереоскопических - восприятие пространственных моделей изображений объектов. Для этих целей используют режимы визуального, автоматического и автоматизированного (интерактивного) анализа изображений земной поверхности. Они реализуются посредством технологических процессов, обеспечивающих наблюдение, обнаружение, распознавание и векторизацию характеристик объектов.

Наблюдение изображений предполагает восприятие исходной информации наблюдательной системой, в качестве которой может использоваться зрительная система оператора или система «машинного зрения» (технического зрения). В автоматических системах «машинного зрения» в зависимости от характера решаемых задач используется анализ всей совокупности признаков (полная модель), совокупности группы признаков класса объектов (проблемно-ориентированная модель) или один признак (рефлек- сорная модель). Зрительная система человека использует одновременно три рассмотренные модели восприятия.

Обнаружение заключается в поиске на изображении участков, где вероятнее всего находятся объекты, т.е. выделении искомого сигнала на фоне «шума».

Распознавание объекта позволяет отнести его к определенному классу и определить его функциональное предназначение.

Векторизация изображений объектов предполагает определение местоположения объекта и описание его количественных и качественных характеристик. Этим завершается процесс дешифрирования, в ходе которого создаются цифровые семантические описания, которые формируются в соответствующих форматах цифровой продукции.

Рассмотренные методические подходы геоинформационного обеспечения задач поиска и разведки месторождений нефти и газа посредством использования материалов аэрокосмической съемки предполагают разработку специализированных геоинформационных систем, а также использование существующих ГИС, в качестве которых могут быть рекомендованы интегрированные системы ERDAS, ArcGIS. Однако следует отметить, что решение всего перечисленного перечня задач в полной мере не обеспечивает ни одна из существующих ГИС. Это связано с отсутствием:

·        требований к структуре построения геоинформационного обеспечения;

·        методик использования геоинформационного обеспечения при решении задач как отдельных этапов, так и всего инвестиционного цикла освоения месторождений нефти и газа;

·        эталонов дешифрирования изображений природных объектов и объектов инженерной инфраструктуры, обеспечивающих обработку, анализ и интерпретацию данных в рамках единой системы геоинформационного обеспечения в визуальном, автоматизированном и автоматическом режимах.

Отмеченные ограничения существенно снижают эффективность проводимых исследований нефтегазоносных территорий на всех этапах геолого-разведочных работ, а также на этапах эксплуатации месторождений. Для устранения отмеченных ограничений целесообразно выполнить цикл теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку методики создания и использования геоинформационного обеспечения в задачах поиска и разведки месторождений нефти и газа на основе современных цифровых компьютерных технологий получения и обработки материалов аэрокосмических съемок.

Литература

1.    Бакиров А.А. Теоретические основы и методы поисков и разведки скоплений нефти и газа / А.А. Бакиров., В.С. Бакиров, В.С. Мелик-Пашаев, Л.П. Мстиславская, В.Ю. Керимов, Г.Т. Юдин. - М.: Высш. шк., 1987.

2. Гридин В.И. Системно-аэрокосмическое изучение нефтегазоносных территорий / В.И. Гридин, А.Н. Дмитриевский. - М.: Наука, 1994.

Abstract

Presently used methods and technologies of oil and gas areas investigation don't provide the required production as well as appropriate reliability of the obtained results in a number of cases.

Higher effectiveness indices of obtained information require the improvement of the existing and elaboration of new investigation methods. Complex of geological survey of oil-and-gasbearing areas is a basis of used technologies for oil and gas pools prospecting and exploration. In general it includes aerospace, structural and geomorphological, structural and geological and topographical surveys, geochemical and hydrogeological investigations as well as geophysical survey combining areal and gravimetric survey, electric and seismic survey.

 

Таблица

ЗАДАЧИ: РЕГИОНАЛЬНЫЙ ЭТАП

1-я стадия: прогноз нефтегазоносности

2-я стадия: оценка зон нефтегазонакопления

1. Выделение литолого-стратиграфических комплексов и этапов геотектонического развития, тектоническое районирование

1. Выявление субрегиональных и зональных структурных соотношений между нефтегазоперспективными и литолого-стратиграфическими комплексами

2. Выделение нефтегазоперспективных комплексов и зон нефтегазонакопления, нефтегазогеологическое районирование

2. Уточнение нефтегазогеологического районирования. Выделение крупных ловушек

3. Качественная оценка перспектив нефтегазоносности

3. Выбор районов и установление очередности проведения поисковых работ

СЪЕМОЧНЫЕ СИСТЕМЫ. Разрешение объектов: 200-1000 м.
Съемочные системы:
NOAA,TERRA (камера MODIS) (США), Ресурс-О (Россия)

ЗАДАЧИ: ПОИСКОВЫЙ ЭТАП

1-я стадия: выявление объектов (залежей)

2-я стадия: поиск месторождений (залежей)

1. Выявление условий залегания и геолого-геофизических свойств нефтегазоносных и нефтегазоперспективных комплексов

1. Детализация выявленных перспективных ловушек и прогноз пространственного положения предполагаемых залежей

2. Выявление перспективных ловушек

2. Выбор мест заложения поисковых скважин

3. Выбор объектов и определение очередности их подготовки к поисковому бурению

3. Выбор объектов и определение очередности их ввода в поисковое бурение

СЪЕМОЧНЫЕ СИСТЕМЫ. Разрешение объектов: 10-200 м.
Съемочные системы:
Landsat ,Terra(ASTER) (США), IRS-1C, IRS-1D (LISS) Индия), SPOT (Франция), Ресурс-Ф1, Комета, Метеор, Ресурс-O (Россия)

ЗАДАЧИ: РАЗВЕДОЧНЫЙ ЭТАП

1-я стадия: оценка залежей

2-я стадия: подготовка залежей к разработке

1. Установление основных характеристик месторождений (залежей)

1.Доизучение залежей и месторождений в процессе разработки

2.Выбор объектов разведки

2. Выбор мест заложения скважин

СЪЕМОЧНЫЕ СИСТЕМЫ. Разрешение объектов: 1-10 м. IRS-1C, IRS-1D (Pan) (Индия), SРОТ(Франция), Ресурс-Ф1, Комета (Россия), Ikonos, OrbView, Quick Bird (США), EROS-1A (Израиль), аэросъемка

 

Рис. 1. СТРУКТУРНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТИ И ГАЗА

 

Рис. 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БЛОК-СХЕМА МОДУЛЯ ДЕШИФРИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ГИС