Автоматизированная интерпретация данных геофизических исследований

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ

ИНТЕРПРЕТАЦИИ ПРОМЫСЛОВО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ

ДАННЫХ НА БАЗЕ СИСТЕМНО-СТРУКТУРНОГО ПОДХОДА

Подход к объектам исследования как к системам выражает одну из главных особенностей современного научного познания. За послед­ нее время значительно возрос интерес к теоретико-системной пробле­ матике со стороны тех исследователей, которые занимаются вопроса­ ми логики и методологии научного исследования. Основные их уси­ лия направлены на выявление и анализ многообразных конкретных проблем, выдвигаемых практикой системных исследований, на соз­ дание новых действенных средств решения научных и прикладных задач системного характера.

Геология является сферой научной и практической деятельно­ сти, в которой использование системного подхода предопределено спецификой геологических объектов, понятия целостности и элементности которых использовались многими геологами-исследователями [6, 19, 36, 39, 48,51,52].

В геологии все более осознается фундаментальный статус сис­ темной организованности геологических объектов, что предопреде­ ляет желание геологов раскрыть системную природу и системные закономерности геологических тел и применить в своих исследова­ ниях различные системные теории.

Общую теорию систем следует рассматривать как совокуп­ ность различных способов описания систем разного рода. Главной особенностью общей теории систем является установка на выделе­ ние и фиксацию самой «системной действительности» в ее «естест­ венном» расчленении. Один из подходов к построению общей теории систем заключается в том, чтобы расположить реально существующие объекты в соответствии с иерархией составляющих их подсистем

и элементов, для каждого уровня иерархического ряда подобрать наиболее подходящие способы абстракции. Одним из преимуществ выявления иерархии систем является то, что это может дать ясное представление об имеющихся пробелах как в теоретических знаниях, так и в эмпирических данных. Наиболее перспективными являются попытки построения теоретических моделей отдельных типов сис­ темных объектов [5, 42, 44, 48, 50, 56]. При системном подходе иссле­ дователи должны показать, что изучаемый объект может рассматри­ ваться как системный (это необходимое условие) и выяснить, из каких элементов состоит данная система. Поскольку элементы могут выде­ ляться более или менее произвольно, то необходимо ввести критерий выделения элементов и показать, что именно эти элементы удовле­ творяют исследователей при изучении системы. Также нужно вы­ явить соотношения между элементами (структуру системы) и харак­ тер связей между ними.

Таким образом, термин «система» можно определить как от­ носящийся к совокупности выделенных любым способом элемен­ тов, каждый из которых в рамках данного исследования признается неделимым и гак или иначе связанным с другими элементами той же системы.

Ценность системного подхода для геологов состоит в том, что, получив принципиально важную информацию уже в самом на­ чале системных исследований, можно правильно спланировать весь ход дальнейших исследований и последовательно приближаться к более полному познанию сложных геологических объектов, вво­ дить качественные характеристики объекта, которые впоследствии могут быть заменены на количественные, эффективно сочетать фор­ мальные и содержательные методы, широко использовать интуицию и опыт. Под системными исследованиями понимается вся совокуп­ ность научных и технических проблем, которые при всей их специ­ фике и разнообразии сходны в понимании и рассмотрении иссле­ дуемых ими объектов как систем, т.е. как множеств взаимосвязанных элементов, выступающих как одно целое [6, 39].

Как мы выделяем систему? Это зависит от конкретно постав­ ленной задачи. С позиций общенаучного системного подхода, систе­ ма есть множество связанных между собой компонентов той или иной природы, обладающая целостностью, которая выражается в ин­ тегральных свойствах и функциях и в относительной автономности существования и проявления этого множества [5, 39, 48, 50]. Компо­ нентами системы могут быть ее части (относительно неделимые эле­ менты), свойства, состояния, связи, фазы и этапы внутреннего функ­ ционирования и развития.

Многие исследователи дают свою трактовку термина «систе­ ма». Так, Г.А. Викторов под системой понимает какое-то множество объектов или явлений, определенным образом связанных друг с дру­ гом, а по Л.А. Блюменфельду система - это совокупность любым способом выделенных из остального мира реальных или воображае­ мых элементов. Похожее определение системы дает А. Холл, кото­ рый считает, что система - это множество объектов вместе с взаимо­ отношениями между ними и их атрибутами [6]. Некоторые исследо­ ватели рассматривают систему с математической точки зрения как некоторую часть мира, которую в любое время можно описать, при­ дав конкретные значения некоторому множеству переменных. Они подчеркивают, что система не просто совокупность элементов, в ко­ торой каждый элемент управляется действующими по отношению к нему законами причинной связи, а совокупность отношений между этими элементами [44, 48].

Основные объекты исследования в современной науке пред­ ставляют собой те или иные системы. Любой реальный объект рас­ сматривается как система, если результат его поведения определя­ ется как продукт взаимодействия его частей. В геологии к таким системам относятся залежь, пласт, образец и т.п., принадлежащие к различным иерархическим уровням, т.е. системный подход к ис­ следованию геологических тел обычно реализуется на основе их декомпозиции на иерархии пространственно связанных частей - подсистем. Для того чтобы представить объект как систему, необ­ ходимо вначале так или иначе расчленить его, выявить, например,

его пространственно ограниченные части (пласт горной породы, ограниченный сверху и снизу поверхностями напластования) или найти другие формы расчленения объекта, а затем констатировать существование отношений этих частей (поДсистем и элементов) в целостной картине объекта, т.е. при рассмотрении объекта как системы должна быть представлена картина ее составных частей в их взаимных отношениях.

Границы подсистем всех уровней желательно проводить по поверхностям, характеризующимся резким изменением мер взаим­ ного сходства и взаимосвязи смежных элементов. Тогда возможно­ сти иерархической декомпозиции как средства моделирования сложных систем (например, нефтегазовых залежей) проявляются

снаибольшей полнотой.

Впоследнее время ряд исследователей подчеркивают необхо­ димость выделения трехмерных геологических объектов с одновре­ менным учетом площадной и вертикальной иерархии. В принципе под геологическим телом следует понимать часть геологического пространства, ограниченную геологической границей. Но если рань­ ше больше внимания обращали на целостность геологических тел, то при системном подходе изучаются его части (элементы) и их связи между собой и с другими геологическими телами [51]. Тем не менее до сих пор не разработаны единые правила сопоставления объектов, выделяемых на площади и в разрезе, в зависимости от их ранга (уровня организации) и масштаба. Определяющим моментом в орга­ низации бесчисленного множества геологических тел и их связей является закон иерархии: каждое геологическое тело является частью более крупного тела и участвует вместе с ним в геологических телах высших рангов. Так, например, слой является частью пачки, гори­

зонта; пачка и горизонт - частями яруса и т.д. Осадочный бассейн в нефтегазоносном отношении представляет собой целостную систе­ му и находится на более высоком интегративном уровне организа­ ции, чем слагающие его нефтегазогеологические компоненты разре­ за - залежи, толщи, пачки, слои. Разрез любого осадочного бассейна представлен в виде чередования слоев (геологических тел более

низкого ранга), каждый из которых имеет свой литологический со­ став и может представлять собой как нефтесодержащий коллектор, так и покрышку, препятствующую перемещению углеводородов по вертикали.

Целесообразно разработать модели различных уровней в гео­ логии с учетом их иерархичности и при выделении геологических объектов, находящихся на разных иерархических уровнях, необхо­ димо исходить из основных признаков, отражающих сущность вы­ бираемого в качестве основной (базисной) единицы объекта. Каждый геологический объект определенного ранга обладает своими, прису­ щими только ему, свойствами. Первоначально объект предстает как некая система свойств, которые характеризуют внешние отношения объекта в его целостных проявлениях. Уже здесь имеет место сис­ темное рассмотрение объекта, хотя еще не известна его структура, предполагающая прежде всего внутренние отношения составляющих его элементов. Переход от системы целостных свойств к структуре может быть осуществлен при условии, если найдены элементы и их устойчивые отношения, которые связаны с природой этих свойств.

Дж. Нидхем полагает, что внутреннее строение системы опре­ деляется тремя факторами: качеством элементов, их количеством и, наконец, тем, как они складываются в общую архитектонику сис­ темы, т.е. тем, что можно было назвать структурой системы [40]. В рамках системного подхода наиболее важным и вместе с тем наиме­ нее разработанным является учение о структурах, т.е. об особых преобразованиях, общих для всех систем данного типа, независи­ мо от качества элементов и области, к которой относится система. Поэтому в ситуациях, когда решающее значение для успеха иссле­ дования геологических объектов имеет «правильный» выбор спо­ соба декомпозиции системы, следует говорить о системно-струк­ турном подходе.

Изучение типов систем и структур самих по себе очень важно еще и потому, что позволяет четко решать некоторые вопросы, абст­ рагируясь при этом в известной мере от менее существенных свойств изучаемых объектов. Большую роль в изучении структур играет

установление аналогий между различными объектами. Там, где ана­ логия видна, можно с большим основанием сформулировать выводы, смысл которых состоит в том, что если в разных типах объектов имеются сходные закономерности, то эти закономерности можно рассматривать как общеструктурные, т.е. структура выявляется как нечто общее в различных объектах. Собственно структурный анализ системы начинается с определения состава системы, с детального исследования ее частей (элементов) и с констатации неделимости элементов в определенных отношениях. Структурные отношения важны не сами по себе, но только в той мере, в какой они характери­ зуют устойчивость системы, так как структура есть устойчивое един­ ство элементов, их отношений и основа целостности системы.

Структурные исследования статических систем строятся на ос­ нове синтеза макро- и микроподходов к познанию этих систем, в рам­ ках которого исследования системы в целом и независимые исследо­ вания свойств составляющих ее элементов необходимым образом до­ полняют и видоизменяют друг друга. Развитие системно-структурных исследований существенным образом видоизменяет способы характе­ ристики индивидуальных, отдельных объектов - они рассматриваются как элементы определенных материальных систем, т.е. их свойства и существование с самого начала ставятся в зависимость от других элементов этих систем.

Изучение связей и взаимодействий компонентов геологических объектов на разных уровнях их организации позволяет подойти к пониманию значения геологических структур. Так, набор значений каких-либо физических параметров (например, пористости, прони­ цаемости, глинистости и т.п.) является ни чем иным, как некоторым схематическим описанием реального объекта (нефтяной залежи, пла­ ста, образца), который можно воспринимать как систему. В основе каждой системы лежит наличие связей между элементами системы, например, между минеральными зернами, слагающими образец гор­ ной породы. Каждому элементу (зерну) отвечает некоторый набор возможных параметров - размер, окатанность, минеральный состав,

цвет и т.д. Очень важно при этом установить наиболее важные пара­ метры, которые несут наибольшую информацию.

При переходе от одной системы к другой более высокого или более низкого порядка (уровня) изменяются и определяющие их свойства. Некоторые свойства остаются общими для разноуровневых систем, а другие характерны только для какой-либо определенной системы. Таким образом, при рассмотрении систем с близкими свой­ ствами возникает вопрос об их классификации, т.е. о выяснении об­ щих черт сходства и различия между ними. Обычно при изучении реального объекта сначала обращают внимание на его характерные свойства, а затем при расчленении объекта на элементы выявляют и частные характеристики. В геологии также можно выделять не­ сколько основных уровней организации геологических объектов.

Для более полного и научно обоснованного выделения объек­ тов как систем различного уровня в геологии целесообразно разрабо­ тать модели этих систем с учетом их иерархии. Отсюда, важнейшей особенностью объекта как системы является его иерархичность, кото­ рая означает, что каждый ее компонент в свою очередь может рас­ сматриваться как система, а сама исследуемая система - это лишь один из компонентов более широкой системы.

Окружающий нас мир представляет собой многоступенчатую иерархию разных уровней организации или структурных уровней. Каждый следующий уровень характеризуется новыми, эмерджентными свойствами, которые нельзя обнаружить у компонентов систе­ мы. Следует отметить, что переход от одного уровня к другому более высокого порядка отнюдь не означает повышения упорядоченности или устойчивости, а построение иерархических рядов на основе про­ стой линейной последовательности является ошибочным.

Очень важное значение при системно-структурных исследова­ ниях имеет моделирование какого-либо объекта путем воспроизве­ дения его самого и существенных его свойств в виде модели матери­ альной или воображаемой. Положительным моментом применения моделирования является то, что всякая структура объекта как бы ос­

вобождена от затемняющих ее деталей [15]. При построении модели залежи по данным ГИС по ряду скважин системно-структурный подход заключается в огрублении каротажных кривых при лито- лого-стратиграфическом расчленении разреза для выявления ос­ новных его закономерностей и удаления локальных неоднородно­ стей [31, 34].

ГЛАВА 1. Системно-структурный подход

КАК МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА ПОСТРОЕНИЯ

МОДЕЛЕЙ ЗАЛЕЖЕЙ НЕФТИ И ГАЗА

Математические методы обобщения, анализа и обработки гео­ логической информации все более широко используются при реше­ нии многих задач нефтегазовой геологии. Не случайно научнотехнический прогресс в нефтегазодобывающей отрасли связывают с применением математических методов, современной вычислитель­ ной техники и новейших информационных технологий. Однако при этом геологические объекты в основном исследуются только в узко поставленных рамках конкретной задачи и нередко недооценивается и не используется весь комплекс методов научного познания изучае­ мого геологического объекта. Выйти из создавшегося положения, как считают многие геологи-исследователи, можно только при обращении к системно-структурному подходу, который должен включать в себя не только теоретическое обсуждение методов и принципов исследова­ ния объектов как систем, но и иметь реальное прикладное значение. Все усилия по системным исследованиям должны быть направлены на поиски системообразующих факторов, а не просто фиксации совокуп­ ных характеристик системного объекта [14, 19, 36,58,59].

Однако эффективность применения системно-структурного подхода зачастую невысока, что и подтверждается практическими результатами многих исследователей, когда далее тривиальных ре­ комендаций познавать сложное путем изучения слагающих его эле­ ментов и взаимосвязей между элементами дело не идет.

Замечено, что если внутри системы некоторые элементы об-, ладают способностью обмениваться информацией, то в результате этого могут возникнуть подсистемы, которые относительно авто­ номны и связаны между собой иерархическим образом, т.е. подсис­ темы определенного уровня объединяются в подсистемы более вы­ сокого уровня.

Реальный геологический объект может быть рассмотрен как система, если его поведение определяется как продукт взаимодейст­ вия его частей. Каждая система (подсистема) характеризуется нали­ чием связей между составляющими ее элементами, причем каждому элементу отвечает некий набор возможных состояний. В геологии четко прослеживается, что система (геологический объект) состоит из двух частей: физико-химической и структурной, находящихся в отношении взаимозависимости.

Концептуальная модель системно-структурного подхода к про­ блемам познания и анализа объектов нефтегазопромысловой геологии трактуется многими авторами по-разному. Так, с одной стороны, кон­ статируется познавательная ценность мысленного расчленения (декомпозиции) систем (совокупности геологических объектов, оп­ ределенным образом связанных между собой и образующих неко­ торые целостности) на отдельные элементы или подсистемы, кото­ рые в дальнейшем по ходу их изучения будут сами рассматриваться как системы. С другой стороны, подчеркивается такая особенность системы, которая характеризуется наличием у нее так называемых эмерджентных свойств [19, 39, 58], отсутствующих у слагающих ее элементов.

Ранее (до системного подхода) исследователями широко ис­ пользовался так называемый причинный подход, который состоит в представлении изучаемого явления или объекта в виде цепи причин и следствий. При системном же подходе объект представляется в виде системы в системе объектов того же класса. Как мы можем предста­ вить тот или иной объект исследования в виде системы? Это зависит от содержания решаемой задачи. При системном подходе прежде всего необходимо показать, что изучаемый объект может рассматри­ ваться как системный и затем уяснить, из каких элементов состоит

данная система. Поскольку элементы могут выделяться более или менее произвольно, то при этом требуется ввести критерий выделе­ ния элементов и показать, что именно эти элементы характерны для изучаемой системы. Далее необходимо выявить соотношения (каче­ ственные и количественные) между этими элементами и тем самым получить представление о структуре системы.

Противоречия, возникающие при трактовке концепции системно­ го подхода, могут быть устранены, если системный подход рассматри­ вать как средство учета в научных исследованиях индивидуальных, не­ повторимых особенностей изучаемых реальных объектов и явлений.

Рассмотрим сущность системно-структурного подхода приме­ нительно к моделированию геологических объектов с использовани­ ем результатов интерпретации материалов промыслово-геофизичес­ ких исследований.

В своих представлениях о строении геологических объектов интерпретатор явным или скрытым образом всегда руководствуется некоторой классификацией (типизацией) изучаемых объектов и со­ ставляющих их элементов. Предполагается, что элементы каждого типа тождественны друг другу по наборам присущих им видовых свойств. Так, например, основное свойство каротажных диаграмм (совокупности вынесенных на бумажную полосу различных линий, координатной сетки, цифр и других знаков) заключается в том, что по их конфигурации можно произвести литолого-стратиграфическое расчленение разрезов скважин (построить литолого-стратиграфическую колонку). Взятые в целом, кривые ГИС характеризуют рассматри­ ваемый объект (разрез скважины от устья до забоя) как единую сис­ тему. Аномальные участки на кривых ГИС характеризуют элементы разреза скважины более низкого порядка: например с их помощью можно разделить карбонатную и терригенную части разреза, выде­ лить интервалы продуктивных толщ, крупных стратиграфических подразделений. На более глубоком уровне по конфигурации кривых ГИС можно выделять пласты горных пород по литологическому составу и пласты-коллекторы с указанием характера насыщения (рис. 1). Наиболее наглядно иерархичность системы (разреза) видна на интегральных диаграммах, на которых отдельные элементы разреза