Критерии истинности (применимости) при использовании ИИС акустических исследований горных пород

В качестве начальных, граничных, геометрических, дополнительных условий можно использовать те данные, которые определяются в научных дисциплинах горногонедроведения. Таким образом, в рамках схемы междисциплинарных исследований, в которой в качестве определяющих уравнений используются соотношения геомеханики (возможно с привлечением соотношений теплофизики и аэрогазодинамики), а в качестве граничных и дополнительных условий – уравнения смежных дисциплин, можно математически описать «привнесенную» нелинейность геопроцессов и, следовательно, подойти к прогнозированию многих опасных геомеханических явлений.Рассматривая нелинейные геосистемы, необходимо ввести в анализ их поведения новые элементы исследований – оценку устойчивости состояния системы и оценку устойчивости геопроцессов в системе. В широком смысле под устойчивостью понимается способность системы реагировать малыми возмущениями на малые изменения факторов воздействия. Малые возмущения могут иметь разную природу, отсюда следуют разные определения устойчивости в разных разделах науки. Главный признак устойчивости системы – ее способность к реакции, пропорциональной силе воздействия. Неустойчивость системы – несоответственно большой ее отклик на относительно слабое воздействие.Устойчивость состояния системы и устойчивость процесса малых изменений в ней при малом изменении условной «внешней нагрузки» составляют актуальное направление современных научных исследований, в том числе исследований природно-технических систем. Необходимо заметить, что определение точки начала необратимых изменений в геосистеме на основе какого-либо критерия разрушения массива, в строгом смысле, не является исследованием на устойчивость. В исследованиях на устойчивость анализируется, главным образом, тенденция изменений в системе – будет ли этот процесс прогрессирующим (динамическим и часто неконтролируемым), либо вялотекущим (квазистатическим), либо затухающим.Исследование на устойчивость – одна из главных целей междисциплинарных исследований вгорномнедроведении именно в плане анализа сценариев техногенного изменения физического состояния геосистем, что отвечает стратегии освоения и сохранения недр. Современные исследования горных пород2.1 Методы исследований горных породНа современном этапе развития науки и техники методов исследования горных пород огромное множество, выделим некоторые из них:Бурение скважины с последующим лабораторным изучением породы;Электрические методы, включают в себя каротаж сопротивлений: кажущегося сопротивления - измерение удельного сопротивления горных пород; Индукционный каротаж ИК-измерение удельной проводимости горных пород при помощи катушек индуктивности. Методы электрического каротажа, основанные на дифференциации горных пород по УЭС, называют методами сопротивления. Их реализуют с помощью измерительных установок — зондов. Радиометрические методы, к ним относятся различные виды каротажа, основанные на изучении естественного гамма-излучения и взаимодействия вещества горной породы с наведенным ионизирующим излучением.Акустическим каротажом называют методы изучения свойств горных пород по измерениям в скважине характеристик упругих волн ультразвуковой (выше 20 кГц) и звуковой частоты.Газовый каротаж основан на анализе содержания в буровом растворе газообразных или летучих углеводородов.Термокаротаж - измерение и интерпретация температурного режима в скважине с целью определения целостности колонны;зон цементации и рабочих горизонтов скважины. Кавернометрия — измерения, в результате которых получают кривую изменения диаметра буровой скважины с глубиной — кавернограмму. Сравнивая данные методы, можно отметить, что они все являются высокоэффективными методами, но достаточно дорогостоящими.Существенно повысить эффективность геологоразведочных работ можно в том случае, если при геологических построениях использовать данные об элементах залегания пластов. Под элементами залегания понимают угол и азимут падения тела или его поверхностей.Пластовая наклонометрия изучает условия осадконакопления и геометрическую форму залежей на основе определения элементов залегания физических поверхностей горных пород с помощью геофизических методов исследования скважин.Первые исследования в этом направлении были начаты в 1942 г., когда был разработан первый трехрычажный наклономер (Doll H.G.), регистрирующий каротаж собственных потенциалов вида «ПС», в 1955 г. – регистрирующий микробоковой каротаж «МБК», с 1985 г. начинается широкое промышленное применение шестирычажных наклономеров типа 6 х «МБК» и 6 х «МАК» и развитие процедур автоматических расчетов по специальным программам.В 1965–1971 гг. советским учёным Р.И. Кривоносовым под руководством В.Н. Дахнова были проанализированы геофизические методы определения элементов залегания горных пород, пересеченных скважиной, и на основе этих работ впервые в России в 1983 г. создана трехрычажная аппаратура пластового наклономера НИД.Данной аппаратурой в 1985–1995 гг. в комплексе со скважинным акустическим телевизором (САТ) были исследованы десятки скважин на нефтяных месторождениях ПермскогоПрикамья.На основании выполненных исследований А.И. Губиной были выявлены возможности метода для оценки параметров пластов в геологических условиях Пермского Прикамья. Для проверки работоспособности аппаратуры и оценки качества (достоверности) материалов наклонометрии была предложена методика использования контрольной скважины, в которой установлены опорные пласты с аттестованными значениями элементов залегания.Уточнение формы структуры и типа залежи проводилось на основе выделения стратиграфических интервалов пород, пригодных для определения структурного наклона пластов и совместного анализа данных НИДГИС-сейсморазведки.Комплексное использование геолого-геофизической информации позволило изучить влияние текстуры и структуры порового пространства коллекторов для определения направления русел в терригенных отложениях и разделения карбонатных коллекторов по типу пористости.В разрезах Предуральского прогиба определены направления горизонтального напряжения горных пород, знание которых помогает лучшему пониманию влияния тектоники района на эффективность проведения гидроразрыва пластов и эксплуатацию месторождений.Переход на цифровую запись и компьютерную обработку данных резко ускорил развитие наклонометрической аппаратуры в России. Структурная схема современных пластовых наклономеров включает в себя датчики электрических, индукционных, акустических параметров, устройства для прижатия каротажных зондов к стенке скважины, датчики диаметра скважины, инклинометрии и угловой ориентации, устройства для телеметрии, регистрации и программное обеспечение обработки данных.Появление новой технологии, обеспечивающей большой объем информации и представляющей визуальное изображение по всей окружности стенки скважины (сканеримидж), открывает широкие перспективы в изучении геологического разреза скважин.Анализ опытного внедрения в производство работ современных отечественных пластовых наклономеров типа электрического сканера бокового каротажа (БКС), акустического сканера (САС) и индукционного пластовотрещинного наклономера (ИПТН) приведены в работе. Методы различаются глубиной исследования и разрешающей способностью, обеспечивая при этом визуальное представление результатов сканирования с азимутальной разверткой и элементами залегания пластов.В настоящее время одной из последних разработок пластового наклономера является электрический микросканер (ЭМС), который предназначен для получения изображения стенки скважины и элементов залегания пластов методом электрических сопротивлений. Прибор имеет 160 электродов, расположенных на восьми независимых прижимных устройствах, обеспечивающих 60%ное покрытие стенки скважины. Электроды имеют диаметр 5 мм и расположены в шахматном порядке в два ряда, обеспечивая разрешающую способность по вертикали и горизонтали в 2,5 мм, диаметр прибора 110 мм. Микросканер содержит модуль непрерывного инклинометра, позволяющего ориентировать в пространстве полученную информацию. Программное обеспечение выполняет всю необходимую обработку и визуализацию данных с полной статистической картиной их распределения.В основу разработанной мною информационно-измерительных систем положена другая задача - распределение горной породы. Для решения которой, необходимо определять другой параметр, не скорость и амплитуду, а характеристическую частоту. Горная порода будет выступать не только как предмет исследования, но и как необходимый элемент структурной схемы информационно-измерительных систем - фильтр.Таким образом, возвращаясь к методам исследования горных пород можно с уверенностью сказать, что описанные ранее методы достаточно дороги и аппаратурносложны. В то время как предложенный мною метод является попутным и не потребует больших дополнительных затрат, кроме как на первоначальные исследования.2.2 Метод изучения горных пород при использовании информационно измерительных систем акустических исследований горных породАкустический каротаж является неотъемлемой частью комплекса методов геофизических исследований скважин. Современная скважинная аппаратура акустического каротажа обладает существенным информационным потенциалом при выявлении упругих свойств околоскважинного пространства, что позволяет с большой достоверностью решить ряд геофизических и геологических задач: оценить пористость пород, выполнить петрофизический анализ, дать количественную оценку анизотропии и проницаемости коллекторов, определить ориентацию и рассчитать глубину распространения трещин в технологии гидравлического разрыва пласта. К главным особенностям скважинной аппаратуры относятся возбуждение волновых полей в скважине моно- и дипольными преобразователями, регистрация сигналов многоэлементной антенной с азимутальными узконаправленными приемниками и многоканальная обработка данных. Высокий уровень сложности, присущий приборам акустического каротажа, вплоть до настоящего времени обеспечивался ведущими геофизическими компаниями, на протяжении многих лет и в больших объемах ведущими научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами по созданию и модернизации акустической аппаратуры. Многоканальные кросс-дипольные приборы волнового акустического каротажа типа XMAC-2 (BakerHughes), DSI, MSIP (Schlumberger), WaveSonic (Halliburton) по своим измерительным возможностям и техническому исполнению значительно опережают приборы российского производства. В связи с этим актуальной является разработка скважинного прибора, наиболее полно отвечающего требованиям, предъявляемым к кросс-дипольной аппаратуре волнового акустического каротажа. Масштабность задачи и ограниченность сроков требуют современного подхода к процессу проектирования, в отличие от принятого ранее в отечественном геофизическом приборостроении. Суть нового подхода в применении компьютерного моделирования на основе метода конечных элементов; его отличительными особенностями являются универсальность решения инженерных проблем, возможность всестороннего исследования реалистичных моделей и решения задач оптимизации элементов конструкций. Разработка акустического прибора сопровождается моделированием волновых полей, создаваемых моно- и дипольными источниками в скважинах для различных типов пород, и исследованием моделей пьезокерамических преобразователей. В широком диапазоне геометрических параметров, свойств материалов и вариантов конструктивного исполнения анализируется эффективность моделей звукоизоляторов, а также дается оценка свойств приемной антенны. Кроме того, проводится комплексное исследование сложных моделей, учитывающих влияние прибора на свойства волновых полей в скважине. Для обработки результатов вычислений привлекаются математические пакеты и программы для анализа волновых полей и оценки их дисперсионных свойств, чем обеспечивается всестороннее изучение ключевых проблем с целью обоснованного выбора параметров и конструктивных особенностей скважинного прибора. При этом отпадает необходимость в большом объеме дорогостоящих лабораторных и натурных экспериментов, что приводит к радикальному сокращению сроков и стоимости разработки.ЗаключениеТаким образом, задачи, поставленные в работе выполнены. С точки зрения философии и методологии науки акустический метод применим для изучения горных пород, так как всём соединены все стадии научного познания, а именно:1. Причинное, или каузальное объяснение сводится к нахождению причин, обусловливающих образование горных пород, степени их укладки, и предсказанию, например возникновения вулкана, в месте исследования. 2. Номологическое объяснение. Акустическим методом можно объяснить закономерность сейсмической устойчивости горы.3. Структурное объяснение состоит в выяснении структуры, т.е. способа связи элементов горной порды, который обусловливает объясняемые качественно-количественные свойства, поведение функционирования системы. 4. Функциональное объяснение состоит в раскрытии функций самоорганизации горных пород.5. Генетическое (историческое) объяснение. Здесь объяснение идет путем выяснения всей совокупности условий, причин и законов, действие которых привело к превращению ранее существовавшей горной системы в горную систему, более позднюю во времени. Например, мы можемпояснить существование тех или иных горных пород в определенном районе путем построения мысленной картины состояния данного участка земной коры в прошлом и мысленного восстановления процессов образования данной породы по аналогии с соответствующими современными геологическими процессами.Список литературыБалдин А.В., Губина А.И., Уточкин Ю.В. Диагностика нефтяных скважин сканирующими и спектральными методами // Геофизика. 2011. №5. С. 65–69.Брызгалина Е. Концепции современного естествознания. Учебник. – М.: Проспект, 2015. – 494 с.Вернадский В.И. Научная мысль как планетное явление. – М.: Наука, 1991. – 271 с. Гордеев Ю.Н., Бабаева Д.О., Сандаков Е.Б. Точное квазистационарное решение задачи о гидравлическом разрыве проницаемого пласта // Прикладная механика и техническая физика. 2013. Т. 54. № 6 (322). С. 87-94.Донская Т.К. Учёный в современном мире. В сборнике: Наука. Культура. Искусство: актуальные проблемы теории и практики Сборник докладов Международной научно-практической конференции. Отв.ред. С.Н. Борисов, И.Е. Белогорцева, С.И. Маматова. 2017. С. 5-11. Игнатьева Л. Природное наследие Центральной Сибири // Наука в России. 2014. № 1. С. 82-91. Коломиец А.В., Третьяк А.А., Цатрян А.М. Профессиональные стандарты в области геологии нефти и газа. В сборнике: Техника, технологии, ресурсы и производство: приоритетные направления развития и практические разработки Сборник научных трудов по материалам I Международной научно-практической конференции. 2017. С. 181-187. Кузнецова Ю.М. Концепт «картина мира» в современном русскоязычном научном дискурсе // Труды Института системного анализа Российской академии наук. 2016. Т. 66. № 3. С. 117-132. Куренков В.В. Применение методики гидравлического разрыва пласта с промыслово-геофизическими методами для низкопроницаемых пластов // Научные исследования: от теории к практике. 2016. № 4-1 (10). С. 94-97.Лихин А. Концепции современного естествознания. Учебник. – М.: Проспект, 2015. – 264 с. Миронов В.А. Характеристика геологического познания с точки зрения нарратологии // Философия науки. 2017. № 1 (72). С. 61-74. Назаров И.В. Статус и структура методологии науки // Российский гуманитарный журнал. 2015. Т. 4. № 5. С. 339-346. Попов В.А. Онтогенический подход в естествознании // Минералогия. 2016. № 1. С. 92-94. Рябухин А.Г., Наймарк А.А. История геологии как последовательность парадигм (от ремесла к зрелой науке) // Вестник Московского университета. Серия 4: Геология. 2012. № 4. С. 62-68.Ступакова А.В., Конюхов А.И., Карнюшина Е.Е., Богомолов А.Х., Козлова Е.В., Соболева Е.В., Макарова Е.Ю. Научные направления и история развития кафедры геологии и геохимии горючих ископаемых геологического факультета Московского Государственного Университета // Георесурсы. 2015. Т. 61. № 2. С. 3-12. Суханов В.И., Аленичев В.М. Разработка горно-геологической информационной системы по стандартам открытых систем // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2015. № 11. С. 320-329.Таранина Т.И. Геологический музей ЮУРГУ и его роль в совершенствовании учебного процесса // Вопросы музеологии. 2016. № 1 (13). С. 92-96. Толстых Л.А. Проблемы современной геологии // Национальная Ассоциация Ученых. 2015. № 6-4 (11). С. 88-91. Черемисин А.Е. Построение траекторий скважин в горно-геологических информационных системах // Инновации в науке. 2017. № 9 (70). С. 14-16. Шарапов Р.В. Размышления об эколого-геологических системах // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2013. Т. 18. № 3. С. 918-922. Шорохов А.Н., Азаматов М.А., Артамонов А.А. Основные особенности проведения многостадийного гидравлического разрыва пласта на горизонтальных скважинах // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. 2013. № 5. С. 46-51. Шурыгин Д.Н., Голик В.И. Исследование процесса автоматизации прогнозирования горно-геологических условий в геоинформационных системах управления горным предприятием // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2014. № S4-15. С. 3-11.