Современные информационные технологии и системы в горном деле и на производстве

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Газовый каротаж

 

ГАЗОВЫЙ КАРОТАЖ — метод исследования скважин, основанный на определении содержания и состава углеводородных газов и битумов в промывочной жидкости. Впервые предложен советскими учёными В. А. Соколовым и М. В. Абрамовичем в 1933 и опробован Соколовым и М. Н. Бальзамовым в районе г. Грозный в 1934. Промышленное применение в CCCP и за рубежом газовый каротаж получил с начала 40-х гг.  
 
Газовый каротаж применяется для оперативного выделения перспективных на нефть и газ участков в разрезе скважины и прогнозной оценки характера их насыщения; интервалов притока пластового флюида в скважину или поглощения фильтрата промывочной жидкости в пласт с целью предотвращения аварийных ситуаций; измерения параметров режимабурения. Значительно реже газовый каротаж используется при бурении разведочных скважин на уголь, где используется в основном для определения содержания метана в единице горючей массы. При газовом каротаже изучаются суммарный объем и состав углеводородных газов, попадающих в промывочную жидкость в процессе бурения пластов и перемещаемых потоком от забоя к устью скважины. На устье скважины промывочная жидкость дегазируется с извлечением из неё газовоздушной смеси. Затем эта смесь анализируется, в результате чего определяют суммарное объёмное содержание углеводородных газов и состав по содержанию компонентов углеводородных газов. Одновременно измеряются параметры, характеризующие режим бурения, — продолжительность бурения 1 м скважины, расход промывочной жидкости на устье, коэффициент разбавления раствора. Все параметры регистрируются в цифровой или аналоговой форме с учётом углубления забоя за время перемещения жидкости от забоя к устью скважины.

Газовый каротаж проводится с помощью автоматических газокаротажных станций, включающих датчики на устье скважины (дегазатор, датчик глубин, датчик объёмов промывочной жидкости), и комплекса аналитической (суммарный газоанализатор, хроматограф), измерительной и регистрирующей аппаратуры, блока питания и вспомогательного оборудования, смонтированных в автомобиле.  
 
Перспектива развития газового каротажа связана с переходом к комплексным исследованиям за счёт создания автоматизированных геолого-геохимических информационных систем с бортовой мини-ЭВМ, позволяющей изучать геологический разрез, оптимизировать процесс бурения, прогнозировать нефтегазоносные пласты и зоны аномально высоких пластовых давлений до их вскрытия скважиной и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 Геометризация месторождения

 

ГЕОМЕТРИЗАЦИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЯ  — совокупность полевых наблюдений, измерений, вычислений и графических  построений, проводимых с целью геометрического  изображения форм залежей месторождений полезных ископаемых, условий их залегания, пространственного распределения свойств полезных ископаемых и процессов, происходящих в недрах.

Геометризация месторождения  осуществляется по данным бурения, геофизических исследований, опробования, геолого-маркшейдерской документации, изучения обнажений вгорных выработках и т.п. на каждой стадии разведки и разработки месторождения, отражая процесс его непрерывного изучения. Графическая документация геометризации месторождения включает структурные и качественные горно-геометрические графики. Структурные графики состоят из системы вертикальных и горизонтальных разрезов, гипсометрических планов, планов изомощностей и изоглубин, объёмных графиков и моделей. Разрезы характеризуют структуру месторождения в данном сечении (вертикальном или горизонтальном); гипсометрические планы — поверхность залежи, условия залегания водоносных и водоупорных горизонтов, тектонические нарушения и т.д. Планы изомощностей дают представление об изменении мощности, а планы изоглубин — о глубине залегания залежи в любой точке. Объёмные графики и модели используют для характеристики наиболее сложных геологических структур и составляются по вертикальным и горизонтальным разрезам. Количественная характеристика свойств полезных ископаемых даётся с помощью качественных горно-геометрических графиков главным образом в виде планов изолиний содержания полезных (вредных) компонентов в рудах, производительности залежи, линейных запасов полезных ископаемых и др.

Применение ЭВМ для  геометризации месторождения вызвало  необходимость разработки новых  математических методов моделирования (аналитические и цифровые модели). Математические модели позволяют хранить  в ЭВМ обширную информацию, накапливаемую  в процессе разведки и разработки месторождений. Данные геометризации  месторождений используются при  разведке, подсчёте запасов, проектировании, строительстве горных предприятий, разработке месторождений и способствуют повышению эффективности использования недр.

 

 

8 Геометрический анализ

 

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ карьерного поля — графическое или графо-аналитическое исследование развития горных работ в карьере.

Цель геометрического  анализа — определение зависимости  извлекаемых объёмов горной массы, вскрышных пород, полезных ископаемых, а также текущий коэффициент вскрышиот положений рабочей зоны карьера и времени. Установленные закономерности позволяют оценить изменение затрат, прибыли и других технико-экономических показателей в процессе разработки месторождения при различных вариантах проектируемого развития горных работ. С помощью геометрического анализа решаются вопросы проектирования: установление границ карьера и его конфигурации, выбора направления развития горных работ, схемы вскрытия, производственные мощности карьера, календарного плана горных работ.

В CCCP разработан метод геометрического анализа, основанный на теории векторных приращений сложных топографических поверхностей (В. В. Ржевский, 1953). Сущность метода заключается в построении и анализе графиков режима горных работ, соответствующих исследуемым вариантам развития рабочей зоны карьера. По оси абсцисс графика режима откладываются этапы горных работ, а по оси ординат — приращения объёмов при единичном перемещении рабочей зоны карьера. Вычисление объёмов сводится к измерению площадей и длин отрезков. С помощью графиков режима оценивается возможная по горнотехническим условиям производительность карьера, объёмы горно-капитальных работ, производится регулирование текущего коэффициента вскрыши, составляется календарный график горных работ (рис.). В 1956 разработан метод, позволяющий устанавливать пределы регулирования текущих коэффициентов вскрыши и усреднять текущие объёмы вскрышных работ (А. И. Арсентьев).  
 
Метод заключается в построении графиков нарастающих объёмов вскрыши как функции нарастающих по мере углубления карьера объёмов полезных ископаемых (для минимальных и максимальных углов откоса бортов карьера). С помощью этих графиков можно усреднять по периодам разработки текущий коэффициент вскрыши и устанавливать необходимые объёмы горно-капитальных работ.  
 
Упрощённый метод геометрического анализа заключается в нанесении положений бровок уступов (соответствующих последовательным положениям горных работ) на погоризонтные и гипсометрические планы или геологические профили. Эти положения, ограничивающие этапы горных работ, обычно выбираются кратными углублению горных работ на один уступ, подвиганию фронта на ширину экскаваторной заходки или соответствуют некоторым временным периодам. С помощью планиметра или палеток измеряются площади и вертикальные мощности, вычисляются объёмы и показатели качества полезных ископаемых, вскрышных пород, горной массы, извлекаемых на каждом этапе.  
 
Для геометрического анализа используются ЭВМ. В этом случае можно в несколько раз снизить трудоёмкость горно-геометрических расчётов при проведении геометрического анализа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9  Вычислительный эксперимент

 

Научное исследование реального  процесса можно проводить теоретически или экспериментально, которые проводятся независимо друг от друга. Такой путь познания истины носит односторонний характер. В современных условиях развития науки и техники стараются проводить комплексное исследование объекта. Этого можно добиться на основе новой, удовлетворяющей требованиям времени, методологии и технологии научных исследований.

Широкое применение ЭВМ в  математическом моделировании, достаточно мощная теоретическая и экспериментальная  база позволяют говорить о вычислительном эксперименте как о новой технологии и методологии в научных и  прикладных исследованиях.

Вычислительный эксперимент - это эксперимент над математической моделью объекта на ЭВМ, который состоит в том, что по одним параметрам модели вычисляются другие её параметры и на этой основе делаются выводы о свойствах явления, описываемого математической моделью.

В проведении вычислительного  эксперимента участвует коллектив  исследователей - специалисты с конкретной предметной области, математики теоретики, вычислители, прикладники, программисты. Это связано с тем, что моделирование  реальных объектов на ЭВМ включает в себя большой объём работ  по исследованию их физической и математической моделей, вычислительных алгоритмов, программированию и обработке результатов. Здесь  можно заметить аналогию с работами по проведению натурных экспериментов: составление программы экспериментов, создание экспериментальной установки, выполнение контрольных экспериментов, проведение серийных опытов, обработки  экспериментальных данных и их интерпретация  и т.д. Таким образом, проведение крупных комплексных расчётов следует  рассматривать как эксперимент, проводимый на ЭВМ или вычислительный эксперимент.

Вычислительный эксперимент  играет ту же роль, что и обыкновенный эксперимент при исследованиях  новых гипотез. Современная гипотеза почти всегда имеет математическое описание, над которым можно выполнять  эксперименты.

При введении этого понятия  следует особо выделить способность  компьютера выполнять большой объем  вычислений, реализующих математические исследования. Иначе говоря, компьютер  позволяет произвести замену физического, химического и т. д. эксперимента экспериментом вычислительным.

При проведении вычислительного  эксперимента можно убедиться в  необходимости и полезности последнего, особенно в случаях, когда провести натуральный эксперимент затруднительно или невозможно. Вычислительный эксперимент, по сравнению с натурным, значительно дешевле и доступнее, его подготовка и проведение требует меньшего времени, его легко переделывать, он даёт более подробную информацию. Кроме того, в ходе вычислительного эксперимента выявляются границы применимости математической модели, которые позволяют прогнозировать эксперимент в естественных условиях. Поэтому использование вычислительного эксперимента ограничивается теми математическими моделями, которые участвуют в проведении исследования. По этой причине вычислительный эксперимент не может заменить полностью эксперимент натурный и выход из этого положения состоит в их разумном сочетании. В это случае в проведении сложного эксперимента используется широкий спектр математических моделей: прямые задачи, обратные задачи, оптимизированные задачи, задачи идентификации.

Использование вычислительного  эксперимента как средства решения  сложных прикладных проблем имеет  в случае каждой конкретной задачи и каждого конкретного научного коллектива свои специфические особенности. И тем не менее всегда чётко просматриваются общие характерные основные черты, позволяющие говорить о единой структуре этого процесса. В настоящее время технологический цикл вычислительного эксперимента принято подразделять на ряд технологических этапов. И хотя такое деление в значительной степени условно, тем не менее оно позволяет лучше понять существо этого метода проведения теоретических исследований. Теперь давайте рассмотрим основные этапы вычислительного эксперимента.

 

9.1 Основные этапы вычислительного эксперимента

 

В общем случае, основные этапы решения задачи с применением  ЭВМ можно рассматривать как  один технологический цикл вычислительного  эксперимента. А вообще, вычислительный эксперимент как новая методика исследования "состоялся" после  того, как удалось на каждом из этапов традиционной цепочки эффективно использовать вычислительную машину.

Все этапы технологического цикла вычислительного эксперимента тесно связаны между собой  и служат единой цели - получению  с заданной точностью за короткое время адекватного количественного  описания поведения изучаемого реального  объекта в тех или иных условиях. Поэтому все этапы технологического цикла должны быть одинаково прочными. Слабость в одном звене влечёт за собой слабость в остальных звеньях технологии.

Теперь основные этапы  вычислительного эксперимента:

- проведение натурного эксперимента;

- построение математической модели;

- выбор и применение численного метода для нахождения решения;

- обработка результатов вычислений;

- сравнение с результатами натурного эксперимента;

- принятие решения о продолжении натурных экспериментов;

- продолжение натурного эксперимента для получения данных, необходимых для уточнения модели;

- накопление экспериментальных данных;

- построение математической модели;

- автоматическое построение программной реализации математической модели;

- автоматизированное нахождение численного решения;

- автоматизированное преобразования результатов вычислительных в форму, удобную для анализа;

- принятие решения о продолжении натурных экспериментов;

- видоизмененная цепочка реализованная в виде единого программного комплекса и составляет "технологию" вычислительного эксперимента.