Сборник проектов Питер

ВЫВОДЫ

1.В результате ретроспективного анализа автором установлено, что эффективным техническим решением устранения проблемы переполненности улиц мегаполисов является надземная эстакада.

2.Определен оптимальный вариант конструкции надземной путевой структуры

–форма трубопровода, произведены прочностные аналитический и расчет с применением имитационных методов FEM, подтверждающие корректность выбранной формы.

3.Построена имитационная модель надземной эстакады трубопроводного типа, исследованы её механические свойства методом конечных элементов.

4.Разработано транспортное средство и определены его массогабаритные показатели в соответствии с принятыми параметрами конструкции путевой структуры.

5.Произведен тягово-энергетический расчет с построением кривых движения расчетно-графическим способом.

6.Проведен анализ полученных результатов удельного расхода энергии на движение ТС.

7.Определено направление дальнейшего исследования. Внимание направлено на повышение энергоэффективности транспортных комплексов путем совершенствования продольного профиля пути и применение полученных знаний в использовании технологии подземно-наземного перемещения вагонов по рельсовым путям, проложенным в горизонтальной и наклонной плоскостях, для модернизации трубного пассажирского транспортного комплекса.

ЛИТЕРАТУРА:

1.МГЭИК, 2007: Изменение климата, 2007 г.: Обобщающий доклад. Вклад рабочих групп I. II и III в Четвертый доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата [Пачаури, Р. К., Райзингер, А., и основная группа авторов (ред.)]. МГЭИК, Женева, Швейцария, 104 стр.

2.Ньюман, П. WakeUp! Живая планета нуждается в помощи: Города будущего. Ч.7. – Режим доступа: http://www.wakeup.ru/articles/18/130/

3.Щуров Н.И. Теория электрической тяги [Текст] / Учебное пособие. − Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. – 100 с.

4.Концепт городского транспортного средства BIWAY. – Режим доступа: http://biwayconcept.blogspot.com/2010/02/biway.html

5.Транспортная компания «Транспорт-Русь» / Информационная статья. Трубопровод тоже транспорт. – Режим доступа: http://transportda.ru/article37.html#top

6.Скоростной пассажирский трубопровод / Информационная статья. – Режим доступа: http://transportda.ru/article37.html#top по материалам: http://membrana.ru/

7.Evacuated Tube Transport Technologies: et3 Network: Space Travel on Earth. — Режим доступа: http://et3.com/

41

8.Гибшман М. Е., Попов В. И. Проектирование транспортных сооружений: Учебник для вузов. — 2-е изд., М.: Транспорт, 1988. 447 с.

9.Deitz A. Intern. Sei. Tech. 58, 1964

10.Серенсен С.В. Прочность материалов и элементов конструкций при статическом нагружении. Избр. Тр.: В 3-х т. Т.1, Киев, Наук. Думка, 1985

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Рисунок П.1 – Кривые движения поезда V(t), V(l); кривые потребления тока двигателем I(t)

42

П.И. Вайнмастер (студент, курс 1М) Новосибирский государственный технический университет

Научный руководитель – Е.В. Рабинович, д.т.н., проф. кафедры Вычислительной техники, НГТУ

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ГИДРАВЛИЧЕСКОМ РАЗРЫВЕ ПЛАСТА

Реферат

Ключевые слова: гидравлический разрыв пласта (ГРП), сейсмические события, пространственная фильтрация, кластерный анализ, иерархическая кластеризация, оптимальное число кластеров, модель трещины ГРП, MATLAB.

Цель работы: разработка алгоритма и программного комплекса, позволяющих производить пространственную фильтрацию сейсмических событий, возникающих при гидравлическом разрыве пласта, а также визуализацию модели трещины ГРП.

В работе рассмотрен процесс формирования трещины в ходе гидравлического разрыва пласта, сформулирована задача фильтрации сейсмических данных для построения аутентичной модели трещины ГРП. Рассмотрены возможные подходы к анализу данных, проведен обзор методов кластерного анализа. Выбраны инструментальные средства разработки, проведены разработка и тестирование алгоритма пространственной фильтрации.

Реализован программный комплекс, позволяющий производить фильтрацию сейсмических событий и визуализацию модели трещины, возникающей в процессе ГРП.

Введение

Гидравлический разрыв пласта (ГРП) — один из эффективных и распространенных методов интенсификации добычи нефти при разработке низкопроницаемых зон и пропластков. Данный метод заключается в создании высокопроводимой трещины (или системы трещин) в целевом пласте для обеспечения притока добываемого флюида из продуктивной части пласта к забою скважины.

Определение геометрии трещины, возникающей при ГРП, является сегодня одной из сложных и актуальных задач. Так, знание геометрии трещины позволяет определить изменение продуктивности скважины и результаты воздействия на геологическую среду. В связи с этим, в последние годы все большее развитие получают системы сейсмического мониторинга.

Основные задачи, решаемые подобными системами – сбор данных о трещине, их обработка и интерпретация полученных результатов. И если в области сбора данных

43

в настоящее время получены вполне приемлемые результаты, то наиболее остро попрежнему стоит вопрос обработки сейсмических данных.

Обработка данных, полученных в ходе гидравлического разрыва пласта, необходима, поскольку не все зарегистрированные сейсмические события принадлежат процессу формирования трещины. Связано это с тем, что сейсмодатчики подвержены воздействию естественных случайных шумов и помех, вызванных производимыми работами.

Внастоящее время реализовано множество алгоритмов обработки сейсмических событий, и работы в данной области ведутся непрерывно. Многие из них реализуют фильтрацию, оставляя из множества «сырых» исходных данных только «полезные». Тем не менее, в большинстве случаев геометрия трещин ГРП, рассчитанная на основе полученных после фильтрации данных, отличается от фактической. В свою очередь, это сильно отражается на проектировании систем поддержания пластового давления и дальнейшей работе со скважиной.

Таким образом, проблема выделения микросейсмических данных на фоне шумов и помех является сегодня достаточно актуальной. Возникает потребность в увеличении точности построений, а, следовательно, и разработке новых алгоритмов фильтрации сейсмических событий.

Врамках данной работы разрабатывается система, реализующая описанные выше этапы обработки и интерпретации сейсмических данных.

Одним из направлений в области обработки сейсмических событий является пространственная фильтрация. Необходимо разработать алгоритм, реализующий данный тип фильтрации, а также модуль визуализации модели трещины ГРП.

1.Постановка задачи

1.1. Цель работы

Для того чтобы использование методов интенсификации добычи нефти приносило экономическую рентабельность, необходимо составить правильный план мероприятий по работе со скважиной. В свою очередь, составление подобного плана требует от специалистов знания геометрии раскрывшейся в процессе ГРП трещины.

Целью данной работы является разработка алгоритма и программного комплекса, позволяющего производить пространственную фильтрацию сейсмических событий и визуализацию модели трещины ГРП.

1.2. Задачи, подлежащие решению

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• рассмотреть предметную область и определить возможные подходы к пространственной фильтрации;

44

•проанализировать исходные данные: определить их структуру и характеристики;

•разработать алгоритм пространственной фильтрации;

•разработать приложение для визуализации модели трещины на основе результатов фильтрации, а также реализовать удобный пользовательский интерфейс.

1.3.Инструментальные средства разработки

Вкачестве среды разработки решено было выбрать пакет MATLAB, включающий одноименный язык программирования, как наиболее современную и мощную вычислительную систему.

MATLAB – это программный продукт компании «The MathWorks, Inc.», предназначенный для инженерных, научных и прикладных вычислений, а также визуализации и анализа их результатов.

Данный продукт включает большое количество основанных на матрицах структур данных, широкий спектр функций анализа данных, а также удобные средства для разработки алгоритмов. Актуальным является и тот факт, что в составе пакета имеется большое число функций для построения графиков, что позволит в дальнейшем реализовать визуализацию разработанных моделей трещин ГРП.

2. Описание предметной области

2.1. Введение в предметную область

Одной из важных проблем, связанных с внедрением технологии гидравлического разрыва пласта, является определение геометрии трещин, возникающих при ГРП. Во-первых, подобная информация необходима для проектирования систем поддержания пластового давления. Во-вторых, необходимо изучать результаты воздействия ГРП на геологическую среду. Наконец, модель трещины позволяет оценить продуктивность пласта и сделать выводы относительно рентабельности добычи в данной скважине.

Считается, что рост трещины происходит непосредственно во время операций по ГРП и сопровождается излучением сейсмических волн, связанных с раскрытием трещины. Для регистрации этих волн служат сейсмоприемники, которые, в свою очередь, передают записанные сейсмограммы на многоканальную сейсмостанцию. По завершении ГРП сейсмограммы обрабатываются и определяются точки рассматриваемого пласта, в которых были зафиксированы резкие колебания амплитуды и другие аномалии. Полученные данные передаются на обработку, в результате которой и должна быть определена геометрия трещины ГРП.

45

Зарубежные и отечественные компании, а также научные институты, ведут многочисленные исследования в данном направлении, в которых инженерная интуиция все чаще вытесняется математическим моделированием с применением ЭВМ. Используются различные способы фильтрации и выделения микросейсмических данных, «ответственных» за образование трещин, на фоне шумов и помех. Тем не менее, в большинстве случаев эти методы не позволяют получить модель трещины, близкую к фактической [1].

Одним из методов обработки сейсмических данных является пространственная фильтрация. Данный тип фильтрации учитывает только пространственные характеристики точек внутри рассматриваемого пласта, зафиксированных сейсмоприемниками. К таким характеристикам относятся координаты расположения точек (X, Y, Z), а также энергетическая характеристика точек – амплитуда (A).

Суть пространственной фильтрации заключается в выделении естественных «сгустков» («гроздей», групп) точек и определении в каждом из них «ключевых» точек, необходимых для построения модели трещины. Кроме того, каждый из таких «сгустков» может быть интерпретирован как одиночная трещина, а все они образуют единую систему, образовавшуюся в процессе ГРП.

Формально задачу пространственной фильтрации можно описать следующим образом. Имея множество точек в ограниченной области, нам нужно выявить закономерности в наборе, попытаться произвести классификацию, основываясь на расположении точек внутри пласта. Необходимо также ответить на вопрос: имеет ли место одна трещина, либо целая система трещин?

Для решения поставленной задачи решено воспользоваться методами иерархического кластерного анализа. Во-первых, множество точек внутри пласта нам необходимо разбить на группы по их пространственному расположению (мера похожести). Во-вторых, количество групп для разбиения заранее неизвестно и, по сути, эквивалентно количеству трещин, возникших при ГРП.

2.2. Иерархические методы кластерного анализа

Принцип работы иерархических алгоритмов состоит в последовательном объединении (разделении) групп элементов, т.е. в создании иерархической структуры классов. В зависимости от того, выполняется объединение или разбиение групп, выделяют агломеративные и дивизионные иерархические алгоритмы [5].

Агломеративные алгоритмы реализуют стратегию «снизу вверх». В начале работы подобных алгоритмов все объекты являются отдельными кластерами. На первом шаге наиболее похожие объекты объединяются в кластер. На последующих шагах объединение продолжается до тех пор, пока все объекты не будут составлять один кластер.

Дивизионные методы являются логической противоположностью агломеративным. В начале работы алгоритма все объекты принадлежат одному

46

кластеру, который на последующих шагах делится на меньшие кластеры. В результате образуется последовательность расщепляющих групп.

Последовательность объединения (разделения) кластеров представляется в виде дендрограммы – древовидной диаграммы, содержащей n уровней, каждый из которых соответствует одному из шагов процесса иерархической кластеризации.

Пример дендрограммы для описанных выше групп методов представлен на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Пример дендрограммы агломеративных и дивизионных методов

Удобство иерархических методов заключается в том, что на основе построенного дерева кластеров можно выбрать разбиение требуемой точности, используя в качестве критерия максимальное расстояние между кластерами.

К особенностям методов иерархической кластеризации относят проблему определения оптимального числа кластеров [6].

Данный вопрос будет рассмотрен более подробно при разработке алгоритма пространственной фильтрации, в разделе 4.

3.Описание исходных данных к работе

Вкачестве исходных данных к работе используется набор сейсмограмм для точек наблюдения за гидравлическим разрывом пласта.

Сейсмограмма (сейсмическая трасса) представляет собой запись сейсмических колебаний, зарегистрированных сейсмоприемником на поверхности рельефа при неизменном положении источника колебаний. Она представляет зависимость амплитуды колебания от времени.

Рассмотрим кратко процесс гидравлического разрыва пласта.

47

С помощью мощных насосных станций выполняется закачка в скважину жидкости разрыва (гель, вода либо кислота) при давлениях выше давления разрыва нефтеносного пласта. По стволу скважины жидкость проникает в область забоя, т.е. поверхность горных пород на максимальной глубине, до которой в настоящий момент скважина пробурена. В результате создаваемого давления происходит раскрытие трещин, распространяющихся от центра забоя к его краям. Для того чтобы вновь образованные трещины остались раскрытыми после снятия давления, в скважину закачивают специальный расклинивающий агент – проппант.

При проведении ГРП множество сейсмоприемников регистрируют колебания множества точек пласта, излучающих сейсмические волны. Запись сигналов производится за несколько минут до начала операций ГРП, во время непосредственного разрыва, и в течение нескольких минут после него. Сейсмические сигналы фиксируются многоканальной сейсмостанцией.

На основании сейсмограмм восстанавливаются координаты «точек» внутри пласта, являющихся источниками микросейсмических колебаний. Среди множества точек нам необходимо выбрать те, которые с большой долей вероятности приняли участие в процессе формирования трещины ГРП. Для этого исходные данные нужно подвергнуть обработке.

Среди всех точек рассматриваемого пласта выбираются те, сейсмограммы которых содержат резкие колебания амплитуды, превышающие заданный порог. Наличие подобного «максимума» в сейсмограмме позволяет предположить, что данная точка – одна из «ответственных» за образование трещины ГРП. Стоит отметить, что предварительно сейсмограммы могут пройти также дополнительную обработку (например, частотно-временную фильтрацию).

В результате обработки исходных данных будет получен набор точек, на основании которых имеет смысл проводить пространственную фильтрацию – выделение кластеров и построение модели трещины ГРП. Каждая из таких точек будет иметь следующие характеристики:

•координата X относительно некоторого центра координат внутри пласта;

•координата Y;

•координата Z (в данном случае – глубина, на которой расположена точка,

H);

• максимальная амплитуда A, определенная по сейсмограмме данной

точки;

• момент времени T, в который было зафиксировано данное значение амплитуды.

Таким образом, в качестве исходного материала для непосредственного выполнения пространственной фильтрации служит совокупность точек рассматриваемого пласта, имеющих характеристики (X, Y, H, A, T).

48

Важно отметить, что наиболее сложным представляется определение геометрии трещин вокруг ствола скважины в непосредственной близости забоя, т.к. именно здесь располагается центр разлома. В связи с этим решено не учитывать точки, находящиеся в данной области, в ходе пространственной фильтрации.

Итак, пространственная фильтрация будет проведена на основе набора точек, представленных координатами (X,Y,Z), а также имеющих характеристики в виде амплитуды А, зафиксированной на сейсмограмме, и момента времени T, в который данная амплитуда зафиксирована.

На основании анализа характеристик точек принято решение производить кластеризацию точек на основании параметров (X,Y,Z), а параметр A использовать для определения толщины трещин ГРП как энергетическую характеристику. Параметр T при проведении пространственной фильтрации решено не использовать.

4. Разработка алгоритма пространственной фильтрации сейсмических событий

4.1. Общее описание разрабатываемого алгоритма

Ключевым моментом разрабатываемого алгоритма является выделение групп точек пласта, представляющих собой образованные в процессе ГРП трещины. Для реализации данной задачи было решено использовать методы иерархического кластерного анализа. Теперь необходимо определить условия, в которых следует применять описанные методы.

Наиболее очевидным вариантом представляется выделение кластеров среди всей области точек ГРП, т.е. среди всей выборки исходных данных. Однако этот подход имеет несколько серьезных недостатков. Самым главным из них является тот факт, что при больших объемах исходных данных, когда рассматривается довольно большая область вокруг забоя скважины и точки прилегают друг к другу достаточно плотно, выделить четкие кластеры среди них будет нелегко.

При этом возникает сопутствующий вопрос, заключающийся в трудности визуализации подобных кластеров в виде трещин нефтеносного пласта. Причина тому

– слишком большое число точек внутри кластеров. В нашем случае результат пространственной фильтрации должен дать четкое представление о геометрии трещины, о ее форме, поэтому визуализация результатов должна быть наглядной.

На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы. Во-первых, разрабатываемый алгоритм должен принимать во внимание все точки при разбиении области на кластеры. Во-вторых, для визуализации модели трещины число точек в кластерах требуется уменьшить, оставив только «ключевые».

49

Начало

Ввод исходных данных:

1) Точки рассматриваемой области (X,Y,Z, амплитуда, время); 2) Параметры параллелепипедов (длина, ширина, высота);

3) Шаг между параллелепипедами по осям X и Y;

4) Координаты X, Y забоя;

5) Нерассчитываемая область вокруг забоя (длина, ширина)

Определение количества параллелепипедов внутри рассматриваемой области

Пока не просмотрены все параллелепипеды

Формирование границ очередного параллелепипеда и определение набора точек внутри него

Выделение кластеров на основе набора точек

Пока не просмотрены все кластеры

Вычисление координат центра масс очередного кластера

нет		Центр масс кластера вне
		призабойной области?
			да
		Сохранение координат центра масс в массив «ключевых» точек

Выделение кластеров на основе найденных «ключевых» точек

Построение модели трещины

Конец

Рисунок 4.1 – Блок-схема алгоритма пространственной фильтрации

50