ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ - Моделювання внутрішньої будови земної кори на основі розв'язання прямої динамічної задачі сейсміки методом скінченних елементів

Актуальність проблеми. Важливими питаннями сучасних наукових геофізичних досліджень залишаються: вивчення регіональної сейсмічності, пов'язані з ним аспекти досліджень у інженерній сейсміці, сейсмології, сейсморозвідці, питання дослідження покладів нафти і газу на великих і малих глибинах шляхом врахування особливостей внутрішньої будови та структури земної кори. Розв'язання перелічених задач сьогодні є неможливим без проведення модельних експериментів з використанням зростаючої швидкодії, комп'ютерної пам'яті, інтерактивних візуальних можливостей сучасної обчислювальної техніки. При цьому необхідне - врахування складної природи геофізичних полів та великих масивів існуючих геолого-геофізичних даних. Відомі методи моделювання хвильових полів, напружено-деформованого стану земної кори на сучасних ЕОМ з метою вивчення геологічних розрізів постійно вдосконалюються. Щодо цього великого значення набуває розвиток прикладних геолого-геофізичних підходів комп'ютерного моделювання, пов'язаних із розвитком електронно-обчислювальних машин, методів та особливостей застосування модельних досліджень.

Порівняно з існуючими методами моделювання хвильових полів і напружено-деформованого стану в задачах сейсміки (матричний, скінченнорізницевий, променевий, метод годографів) та деформаційних досліджень земної кори метод скінченних елементів (МСЕ) потребує значної потужності обчислювальних машин (швидкодії і пам'яті), дає змогу вирішити більш універсальні задачі як з погляду фізичного узагальнення, так і прикладного математичного моделювання геолого-геофізичних ситуацій. МСЕ використовується з метою вирішення актуальних наукових проблем модельних експериментів на основі врахування сучасного стану цифрових сейсмічних спостережень. Зростаюча потужність ЕОМ дає змогу брати до уваги достатньо велику просторову і часову тривалість модельних досліджень хвильових полів, напружено-деформованого стану в реальній земній корі.

Підхід, запропонований у представленій дисертаційній роботі, дає змогу вирішити актуальні задачі дослідження особливостей хвильових полів і вивчення на цій основі внутрішньої будови земної кори, дослідити напружено-деформований стан у випадку складних геолого-геофізичних об'єктів, сейсмічність окремих регіонів на основі геофізичного математичного моделювання, дослідити внутрішню будову і склад земної кори на основі порівняння теоретичних і експериментальних даних регіонів України, є розв'язанням нової актуальної науково-практичної і теоретичної задачі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких подано в роботі, містяться в звітах Відділу сейсмічності Карпатського регіону Інституту геофізики ім. С. І.Субботіна НАН України по темі: 1.5.2.129 "Розробка теоретичних основ і апаратно-програмних засобів сейсмічного моніторингу Карпатського регіону", 1.5.2.135 "Сейсмічні та геофізичні спостереження в Карпатському регіоні 2004-2008 р." та у звітах по НДР "Розробка комплексного методу оцінки і прогнозування пластових і порових тисків під час буріння свердловин на нафту і газ" договір №1.25 від 18 травня 2005 р. між ДП "Науканафтогаз" і НАК "Нафтогаз України".

Метою роботи є розробка інтерактивного методу побудови і аналізу сейсмічних хвильових полів для широкого класу вертикально - і горизонтально-неоднорідних шаруватих середовищ шляхом розв'язання прямої динамічної задачі сейсміки для отримання більш детальної інформації про будову земної кори.

Відповідно до визначеної мети автором у дисертації вирішено Основні завдання:

1. Розв'язання задачі моделювання хвильових полів і напружено-деформованого стану із використанням теорії методу скінченних елементів з метою одержання значень часових залежностей переміщення, швидкості переміщення, прискорення в задачах інженерної сейсміки, сейсморозвідки та сейсмології; 2. Розроблення та реалізація інтерактивного алгоритму як пакета програм для розрахунку фізичних полів переміщень, деформацій, напружень, їхніх часових залежностей у моделях середовищ оптимально наближених до будови земної кори; 3. Оцінка збіжності і точності розробленого алгоритму. 4. Рішення тестових задач з метою дослідити ефективність розробленого пакета програм для розрахунку фізичних полів, інтерпретація отриманих результатів; 5. Проведення модельних експериментів для дослідження реальних об'єктів різної геофізичної природи і географічного розміщення, вивчення внутрішньої будови та сейсмічності Карпатського регіону України, інженерних об'єктів, нафтогазових родовищ.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Запропонована методика (інтерактивний алгоритм і програма) моделювання та вивчення хвильового поля у вертикально - і горизонтально - неоднорідному півпросторі методом скінчених елементів, яка дає змогу шляхом інтерактивного задання і корекції параметрів моделі з використанням персонального комп'ютера досліджувати вплив зміни динамічних параметрів хвильового поля на теоретичні сейсмограми в межах практичних значень геометричних координат і частотного діапазону задач інженерної сейсміки, сейсморозвідки та сейсмології. 2. Розроблена методика (алгоритм) моделювання розподілу напружень, деформацій і переміщень у сейсмо-геологічному перетині з метою прогнозування напружено-деформованого стану в розрізі із свердловиною, пробуреною для видобутку нафти і газу, яка передбачає вивчення ситуації при зміні напряму стовбура свердловини в неоднорідному геологічному середовищі. 3. Здійснена корекція точності розрахункового алгоритму моделювання динаміки хвильового поля на основі оцінки і корекції збіжності рекурентних схем методу скінченних елементів шляхом введення параметра-коефіцієнта кроку по часу і вступу хвиль від характерних структурних елементів моделі. Оцінка точності розрахунків проведена для контрольних моделей. 4. З метою оцінки напружено-деформованого стану сейсмічного розрізу, підготовленого до буріння, змоделювано карти ізоліній напружень, деформацій і переміщень на прикладі сейсмогеологічного розрізу з свердловиною, отримано зміни напружень і деформацій залежно від збільшення довжини стовбура свердловини. 5. Проведений часово-спектральний аналіз модельних трас хвильового поля для оцінки сейсмічної небезпеки, характерних геометричних розмірів пластів, впливу особливостей будови вертикально - і горизонтально-неоднорідних структур сейсмогеологічних розрізів. 6. Вивчене повільне (низькочастотне) та швидке (високочастотне) хвильове поле для інженерного об'єкта історичного заповідника "Софія Київська" та Чорнобильської атомної електростанції, щоб дослідити небезпеку від коливання грунтів під інженерними забудовами в широкому діапазоні частот. 7. Досліджене сейсмічне хвильове поле для нафтогазових об'єктів Карпатського регіону, ДДЗ, Чорноморського шельфу з метою оцінки хвильових показників відбитих-заломлених та дифрагованих хвиль на неоднорідних у вертикальному і горизонтальному відношенні сейсмогеологічних структурах, уточнення геометрії нафтогазових пасток і їхньої глибини залягання за ознаками хвильового поля. 8. Змодельовані синтетичні сейсмограми в районі перетину профілів І, ІІ, ІІІ території Українських Карпат. Побудовано уточнену карту ізоліній сейсмічної активності Карпатського регіону. При інтерпретації поєднані історичні та загальні геолого-геофізичні регіональні дані.

Достовірність та обгрунтованість наукових положень, висновків та рекомендацій забезпечується коректним та послідовним застосуванням прикладних геолого-геофізичних методів і методів математичного моделювання: чіткою фізичною та математичною постановкою задач про поширення сейсмічних хвиль та напружено-деформований стан середовища; оцінкою точності і збіжності розроблених обчислювальних алгоритмів, узгодженням результатів для часткових випадків з відомими; узгодженням результатів, представлених у окремих розділах роботи; погодженням одержаних результатів з практичними результатами спостережень; модельними числовими підтвердженнями деяких теоретичних положень.

Практична цінність. Розроблена в дисертаційній роботі методика, програмне забезпечення та одержані результати можуть бути використані науково-дослідними та виробничими організаціями при вирішенні питань дослідження, розбудови та укріплення інженерно-геологічних об'єктів; при моделюванні та аналізі хвильових полів, вивченні внутрішньої будови земної кори, в практичних задачах сейсмології і сейсморозвідки, в тому числі під час виконання робіт з вивчення нафтогазових покладів.

Апробація роботи. Всі програмні розробки апробовано на модельних і практичних матеріалах. Результати наукових досліджень представлено на наступних конференціях: MathTools'2003, Fourth International Conference. - "Tools for Mathematical Modelling", Saint-Petersburg State Polytechnic University, Saint-Petersburg, Russia 23-28 June, 2003; International geophysical conference &; exhibition. - Mosсow, SEG, Russia 1-4 September 2003; 32th International Geological congress. - Florence, Italy, August, 20-28, 2004; V scientific conference: Monitoring of dangerous geological processes and ecology state of the medium. - Kyiv, 7-9 October 2004; XІ міжнародний науково-технічний симпозіум "Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища: GPS i GIS - технологій". - Алушта, 2006; Всеукраїнська наукова конференція: "Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища". - Київ, 2006.

Публікації. Основні результати за темою дисертації опубліковані у 11 наукових працях, з них 6 - тези доповідей.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, трьох розділів, висновку та переліку використаної літератури. Загальний обсяг роботи 144 сторінки, 85 рисунків, 2 таблиці та 176 літературних джерел.

Особистий внесок автора. Всі основні результати наведені в дисертації розроблені автором особистою Автором особисто досліджено та покращено ітераційні часові матричні схеми МСЕ. Формули МСЕ досліджено на збіжність, їхню стійкість покращено за рахунок введення структурного часового параметра корекції часу вступу відбиттів хвильового поля у пов'язку з особливостями будови сейсмогеологічних геофізичних модельних розрізів [4,10]. Розроблено програмний комплекс, що максимально враховує особливості дискретизації моделі геолого-геофізичного розрізу методом скінченних елементів, встановлено оптимальний просторовий і часовий крок схем МСЕ. Результати моделювання для тестових прикладів порівняно з точним розв'язком прямої динамічної задачі сейсміки, який отримано матричним методом; результати моделювання у випадку сейсмічних розрізів порівняно з результатами, отриманими іншими методами; використані експериментальні дані про час приходу відбиттів у сейсмічних хвильових поля [11]. Зроблено нові висновки щодо можливостей моделювання хвильових полів і напружено-деформованого стану та вивчення внутрішньої будови земної кори геологічного середовища на основі моделювання з використанням МСЕ [2,3,5,6,8,9].

Автор висловлює щиру подяку науковому керівнику, завідувачу відділом методики і технології геофізичних досліджень ДП "Науканафтогаз" НАК Нафтогаз України, члену-кореспонденту УНГА, доктору фізико-математичних наук Ю. П.Стародубу за допомогу, постійну увагу і підтримку в написанні дисертаційної роботи.

Відзначимо вклад співавторів праць, опублікованих за темою дисертації. Науковий керівник, доктор фізико-математичних наук Ю. П.Стародуб здійснював разом з автором наукову постановку задач та аналіз теоретичних і числових результатів; заступник директора з наукової роботи Інституту геофізики НАН України О. В.Кендзера здійснював загальне наукове організаційне керівництво, брав участь у підготовці та обробці даних; провідний інженер С. П.Сіреджук розробляв окремі програми інтерактивної обробки геофізичних даних.

Похожие статьи