автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Разработка и внедрение интегрированной информационно-измерительной системы для геофизических исследований скважин

Ижевский государственный технический университет

На правах рукописи

^^^^"ТАРАНУХА ВЛАДИМИР ПРОКОФЬЕВИЧ

УДК 681.518.3(04)4-681.2.08+550.8

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СКВАЖИН

05.11.16.- Информационно-измерительные системы (в науке и промышленности)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - заслуженный изобретатель Российской' Федерации, доктор техническшгнаук, профессор ЛЯЛ^Н В.Е.

Ижевск-1999

Содержание

Введение..............................................................................................................5

1. Обзор технических средств для сбора, обработки и регистрации каротажных сигналов................................................................................................11

1.1. Общие сведения о каротаже..................................................................11

1.2. Применяемая аппаратура и оборудование при ГИС..........................16

1.2.1. Каротажные шлейфовые осциллографы....................................17

1.2.2. Электронные самопишущие потенциометры............................19

1.2.3. Преобразователи каротажных диаграмм....................................21

1.2.4. Аппаратура цифровой регистрации данных каротажа на скважине..................................................................................................23

1.2.5. Электронные запоминающие устройства..................................27

1.3. Комплекс аппаратуры для измерения и регистрации каротажных сигналов..............................................................29

1.3.1. Цифровые магнитные регистраторы..........................................32

1.3.2. Устройства повышения точности измерения глубины............35

1.3.3. Графические регистраторы каротажных сигналов....................38

1.3.4. Устройство ввода информации в ЭВМ......................................48

1.4. Постановка задач исследований............................................................50

2. Математическая модель движения в скважине снаряда, подвешенного

на конце троса переменной длины....................................................................53

2.1. Требования к привязке геофизических измерений по глубине..........53

2.2. Математическая модель движения снаряда в скважине при учете только упругих свойств троса........................................................................54

2.3. Математическая модель движения снаряда в скважине при учете упругих несовершенств троса........................................................................62

2.4. Оценка погрешностей решения..............................................................72

2.5. Выводы......................................................................................................73

3. Исследование принципов построения ИИИС ГИС на базе микропроцессорной техники..............................................................................................75

3.1. Структурная схема ИИИС ГИС..............................................................75

3.2. ИИИС ГИС..............................................................................................79

3.2.1. Назначение...................................................................79

3.2.2. Состав технических средств........................................................79

3.3. Разработка структуры программного обеспечения, алгоритмов и программ для ввода аналоговой информации, определение глубины, скорости подъема геофизического прибора и корректировка глубины. . 82

3.4. Принципы построения программного, лингвистического и информационного обеспечения ИИИС ГИС....................................................93

3.5. Система программного обеспечения "КАРОТАЖ"............................101

3.5.1. Функции системы........................................................................101

3.5.2. Условия применения..................................................................103

3.5.3. Состав системы............................................................................103

3.5.3.1. Программное обеспечение включает:..............................103

3.5.3.2. Информационное обеспечение системы включает: .... 106

3.5.3.3. В процессе измерений создаются файлы с данными каротажа:...........................................................................106

3.6. Оптимизация структуры входных нормирующих усилителей для обеспечения автоматизированной калибровки и ввода аналоговой информации в комплекс. Разработка узла преобразования аналоговых сигналов...................................................., 107

3.7. Интерфейсный блок согласования........................................................117

3.8. Выводы.................................................... 118

i

4. Разработка новых технических решений аппаратурной обработки и регистрации каротажных сигналов................................. 119

4.1. Введение................................................. 119

4.2. Устройство для цифровой регистрации каротажных сигналов..........121

4.3. Устройство для считывания информации с последующим вводом

в ЭВМ..............................................................................................................132

4.4. Устройство для селекции признаков при распознавании образов при диагностике случайных процессов........................................................142

4.5.Устройство для автоматического измерения шумов усилителей панелей каротажной станции........................................................................147

• 4.6. Устройство для распознавания образов при контроле и диагностике механизмов развертки носителя информации........................................152

4.7. Устройство для измерения деформации ленточного носителя..........159

4.8. Выводы......................................................................................................163

Заключение..........................................................................................................165

Список литературы............................................................................................167

Приложения........................................................................................................174

Введение

Актуальность темы. В последние несколько лет в России остро стоит проблема воспроизводства топливно-энергетических запасов, в первую очередь нефти. В условиях существенных недоплатежей за использование недр со стороны российских нефтяных компаний-арендаторов и разработчиков нефтяных месторождений, повлекших за собой стагнацию развития инфраструктуры геологоразведочных работ, а также жесткой конкуренции со стороны иностранных нефтеразведочных фирм, оснащенных современной техникой и аппаратурой и стремящихся завоевать российский рынок для оказания сервисных услуг, решение указанной проблемы силами отечественных геофизических экспедиций возможно только при оснащении их современным оборудованием и геофизической аппаратурой, мало в чем уступающим по тактико-техническим характеристикам зарубежным образцам, но имеющим примерно на порядок меньшую стоимость.

Огромное разнообразие литологических структур верхней мантии Земли в Российской Федерации требует избирательного подхода к выбору эталонов и инструментов геофизических информационно-измерительных систем. Именно это и определяет необходимость и целесообразность разработки и создания адаптированных к регионально локализованным геологическим горизонтам ИИИС для решения обратных задач скважинной геофизики.

Разработка и создание проблемно-ориентированных интеллектуальных ИИИС, функционирующих в интерактивном режиме "человек-машина" -актуальная проблема при внедрении новых информационных технологий в наукоемких производственных процессах. Геофизика - отрасль знаний о Земле, которая не может далее развиваться без применения быстродействующих микропроцессоров, систем искусственного интеллекта и экспертных систем, поскольку информативность результатов исследований напрямую зависит от информационной емкости программно-аппаратных средств, используемых при обработке больших массивов данных геофизических исследований.

Цель работы - разработка и создание ИИИС ГИС на базе персонального

компьютера IBM типа "Notebook".

Для достижения цели решались следующие задачи:

- разработка интегрированной программной среды, включающей информационную модель системы в виде базы знаний предметной области, представляющей измерительную информацию в виде базы данных, позволяющей визуализировать на мониторе текущие каротажные сигналы и обеспечивающей документирование на бумажном носителе каротажных диаграмм в требуемых масштабах; -

- построение математической модели подъема скважинного прибора при каротаже, позволяющей программными методами корректировать привязку глубины и информации;

- разработка и применение новых технических решений, направленных на повышение точности и надежности аппаратурной обработки, регистрации и ввода в компьютер геолого-геофизической информации;

- внедрение и промышленная эксплуатация созданного программно-аппаратного комплекса.

Объектом исследования является интегрированная информационно-измерительная система (ИИИС) для геофизических исследований скважин (ГИС), включающая устройства цифровой регистрации и обработки каротажных сигналов, технические средства для селекции признаков и распознавания образов, автоматизированного измерения шумов, а также оборудование для контроля и диагностики узлов транспортирования ленточных носителей информации.

Предметом исследования являются программно-аппаратные средства ИИИС ГИС, изучение зависимостей удлинения троса, на который нанесены магнитные метки глубины, обеспечивающие привязку геофизической информации к глубине скважины, с подвешенным на его конце скважинном прибором, формирующим геофизические сигналы, а также разработка технических средств ИИИС.

Методы исследования. Математическая модель движения геофизического снаряда в скважине построена на основе уравнений механики твердого дефор-

мируемого тела. Уравнения, описывающие состояние троса при подаче в исследуемую скважину, решены с помощью обобщения методов Бубнова-Галеркина для нестационарных задач.

Комплекс ИИИС ГИС построен на основе метода структурной декомпозиции блоков и узлов, позволяющего обеспечить удобство настройки блоков и их адаптации к геофизическим условиям исследуемой скважины.

Информационная модель комплекса ИИИС ГИС построена в виде базы знаний. При создании комплекса использованы сведения о методах каротажа.

Программное обеспечение комплекса реализовано на алгоритмических языках высокого уровня - Турбо-Паскале и Ассемблере.

При усовершенствовании узлов записи и обработки получаемой информации применены схемотехнические методы слаботочной и импульсной электроники.

Контрольно-диагностирующие устройства динамической точности отображения геолого-геофизической информации созданы на основе методов точной магнитной записи-воспроизведения информации.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена государственной патентной экспертизой технических решений, применением современных информационных технологий при создании программно-аппаратного комплекса, а также многолетним опытом производственной эксплуатации ИИИС ГИС.

Математические модели и аналитические исследования, представленные в работе, основаны на фундаментальных положениях дифференциальных уравнений математической физики.

На защиту выносятся результаты исследований по созданию ИИИС ГИС, включающие следующее:

- теоретическое и программное решение задачи коррекции привязки геофизической информации к глубине скважины на основе составления математической модели динамики троса с подвешенным на его конце скважинным прибором при учете того, что трос - тело переменной длины, изменяющейся в процессе каротажа, идентифицирующееся феноменологическими моделями Гука и

Кельвина-Фойгта, при отсутствии проскальзывания троса по ободу барабана каротажного подъемника;

- создание интегрированной программной среды ИИИС ГИС, обладающей гибкостью ввиду модульного принципа ее построения;

- разработку информационного обеспечения;

- создание оригинальных технических решений, направленных на повышение точности и надежности ввода в компьютер больших массивов информации и регистрации каротажных данных;

- разработку технических средств ИИИС ГИС;

- создание технических средств для контроля и диагностики функционирования инерционных звеньев ИИИС.

Научная новизна полученных результатов определяется созданием

ИИИС ГИС, способной конкурировать с аналогичными зарубежными образцами при геофизических скважинных исследованиях и обладающей хорошей совместимостью со всеми высокоинтеллектуальными программами обработки и интерпретации каротажных данных, при разработке которой:

- получено решение задачи определения удлинения троса в скважине при каротаже с помощью специальным образом подобранной замены переменных и применения обобщения метода Бубнова-Галеркина для нестационарных задач, эффективность которого заключается в возможности получения решения без неоправданно больших затрат машинного времени;

- дана априорная оценка погрешностей аппроксимации точной задачи о колебаниях троса переменной длины;

- предложен отличный от традиционного принцип информационного обеспечения, при котором ключевым понятием в базе данных ИИИС введен "фрагмент диалога" - текстовый файл, который определяет форму представления данных на экране в процессе диалога, описывает структуру участвующих в диалоге данных, является шаблоном выходного документа, в результате чего пользователь имеет возможность, используя язык описания фрагментов диалога, создать требуемые структуры данных в базе, удобную форму диалога и выходного документа без изменения программного обеспечения.

Практическая полезность. ИИИС ГИС построена на базе персональных компьютеров IBM PC/AT, конструкция которых позволяет использовать их в полевых каротажных станциях.

Система программного обеспечения ИИИС универсальна, легко модифицируется под конкретные требования, может быть расширена новым комплексом задач и процедур обработки. Программное обеспечение имеет высокую надежность, защищено от аппаратных сбоев и ошибок пользователя.

Информационная модель системы построена в виде базы знаний, содержащей сведения о понятиях, отношениях и ограничениях предметной области. В системе имеются сведения о методах каротажа, параметрах скважинных приборов. Универсальная система диалога позволяет вводить и контролировать данные, используя имеющиеся априорные сведения.

Сопроводительная информация представлена в виде заголовков с возможностью их модификации, ввода и просмотра, форма заголовка произвольная.

Измерительная информация представлена в виде базы данных, что позволяет обрабатывать данные по скважинам, методам и измерениям.

Данные в процессе измерений отображаются на экране монитора в удобном для восприятия виде; имеется возможность просмотра развернутого во времени графика сигнала э любом канале отдельно, либо уровней сигналов во всех каналах одновременно. Вывод на экран осуществляется в реальном масштабе времени. Возможен выбор любых масштабов глубины, амплитуды, смещения по амплитуде. На экране отображается текущее состояние системы: глубина, скорость, магнитная метка, направление движения, номер измерения.

В ИИИС ГИС использован ряд оригинальных устройств, обладающих технической новизной и практической полезностью, которые обеспечивают повышение точности и надежности аппаратурной обработки, регистрации и ввода в компьютер геолого-геофизической информации. i

Реализация работы в производственных условиях. Разработанный программно-аппаратный каротажный комплекс для ввода и обработки информации при ГИС начал внедряться в производство в ОАО "Удмуртгеология" в 1992 году. Внедрено 19 комплексов, которые используются в производственных геоло-

гических партиях и отрядах.

От внедрения достигнут экономический эффект, выражающийся в экономии материальных и трудовых ресурсов, повышении динамической точности регистрации информации, сокращении сроков получения заключения по результатам исследований, возможности получения результатов непосредственно на скважине.

Общий экономический эффект от внедрения, рассчитанный в ценах, отнесенных к 1984 году, составляет 1 200 ООО рублей. На долю автора данной диссертационной работы приходится 132 ООО рублей.

Апробация работы. Отдельные законченные этапы работы обсуждались на Российской научно-технической конференции "Актуальные вопросы радиоэлектроники и автоматики" (Свердловск, 1984), Научно-практической конференции Устиновского механического института (Устинов, 1986), Республиканской научно-практической конференции "Молодежь Удмуртии - ускорению научно-технического прогресса" (Ижевск, 1987), Всесоюзной научно-технической конференции "Конструкторско-технологическое обеспечение качества микро- и радиоэлектронной аппаратуры при проектировании и производстве" (Ижевск, 1988), Зональной научно-технической конференции "Методы оценки и повышения надежности РЭА" (Пенза, 1989.), 34 Международном технологическом коллоквиуме (Германия, Ильменау, 1990), III Российской университетско-академической научно-практической конференции (Ижевск, 1997).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 12 научных публикациях и защищены 6 авторскими свидетельствами СССР.

Благодарность. Выражаю особую благодарность коллективу отдела Автоматизации научного эксперимента кафедры Конструирования радиоаппаратуры Ижевского Государственного технического университета, а именно на-I

чальнику отдела, к.т.н. Владимиру Евгеньевичу Кузне�