Моделирование карстообразования - RU2565357C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области моделирования геологических процессов для изучения подземных недр. Интерес, в частности, фокусируется на процессах карстообразования в карстовой области.

Карстообразование горных пород представляет собой процесс, в соответствии с которым горные породы приобретают определенный вид в результате растворения карбонатов в воде. Вода просачивается через пустоты в горной породе, например, через поры или трещины, и такое просачивание увеличивает размер этих пустот в результате растворения карбонатов горных пород просачивающейся водой. Таким образом, могут формироваться трещины и полости.

Вода обычно может представлять собой дождевую воду, которая становится кислотной из-за атмосферной или наземной двуокиси углерода. Вода, помимо прочего, может поступать, например, из-за гидротермальных подъемов.

Горная порода может, например, содержать известняк.

Известна практика статического моделирования карстовой области, используя наблюдения, в частности, геологические и сейсмические наблюдения. В ходе бурения скважины данные, измеряемые через скважину, называемые характеристиками скважины, могут использоваться для выполнения апостериорной коррекции модели в карстовой области. Однако такой традиционный подход ограничен в том, что он не воспроизводит динамические, геологические и гидрологические процессы, приводящие к формированию карста, и том, что коррекция модели, используя характеристики скважины, может быть относительно сложной и иногда нестабильной.

В статье авторов О. Jaquet et al., "Stochastic discrete model of karstic networks", Advances in Water Resources 27 (2004), 751-760, описан способ моделирования процесса карстообразования, на основе стохастического подхода. Карстовую область моделируют, как сеть труб, соответствующих трещинам, которые являются в большей или меньшей степени широкими в зависимости от диаметра трубы. Вводят частицы, соответствующие каплям воды, и их смещение через сеть подвергают законам "случайного блуждания".

Существует потребность в улучшении качества моделирования.

В соответствии с первым аспектом, предмет изобретения представляет собой способ моделирования процессов карстообразования в карстовой области, содержащий следующие этапы:

а/ определяют решетчатую геологическую модель карстовой области для моделирования множества сред, содержащих первую среду, описанную значениями по меньшей мере одного параметра геологической решетки, и вторую среду, описанную значениями параметров кромки между двумя узлами решетки,

b/ моделируют стохастические смещения частиц в решетке геологической модели, при этом вероятность каждого смещения частиц рассчитывают, учитывая значения, описывающие среду, в которой происходит смещение, и

с/ модифицируют значения, описывающие первую и/или вторую среду, в соответствии с курсами, взятыми частицами.

Частицы могут соответствовать просачиванию воды через пустоты в горных породах.

Используя такой подход газа через сеть, принятый тип геологической модели частично определяет качество моделирования.

Геологическая модель представляет по меньшей мере две среды, одна, соответствующая потоку воды в самой горной породе через поры, и другая, соответствующая потоку воды через разрывы непрерывностей, которые могут быть моделированы, например, трубами. Геологическая модель содержит как гидравлические, так и геологические механические нагрузки, таким образом, что моделирование основано на моделировании, которое имеет лучшее качество и является более реалистичным, чем в предшествующем уровне техники.

Кроме того, такое моделирование может учитывать на этапе с/, что просачивание воды увеличивает размер пустот.

Очевидно, что третья среда или больше могут быть предусмотрены и описаны другими параметрами.

Предпочтительно, на этапе b/ также учитывают заранее установленный гидравлический градиент, который представляет собой функцию области, в которой происходит смещение. Например, если рассматриваемое смещение происходит в области гидротермальных подъемов, гидравлический градиент может быть направлен в сторону неба.

Изобретение никоим образом не ограничено тем фактом, что учитывается гидравлический градиент.

Предпочтительно, на этапе b/ по меньшей мере для одного смещения в первой среде выполняют оценку значения эквивалентного параметра по значениям геологических параметров решеток, содержащих кромку, соответствующую этому смещению, например, путем усреднения этих значений.

Таким образом возможно переключаться с описания, направленного на объем в первой среде, на характеризацию рассматриваемых смещений.

Очевидно, что изобретение не ограничено этим свойством. Возможно, например, предоставить выбор эквивалентного параметра, который равен геологическому параметру одной из решеток, содержащих кромку, соответствующую этому смещению.

Предпочтительно, на этапе b/ по меньшей мере для одного смещения во второй среде, выполняют оценку эквивалентного значения параметра по значению параметра кромки, соответствующему этому смещению.

Значение эквивалентного параметра позволяет оценить вероятность смещения.

Таким образом, хотя описания первой и второй сред являются относительно различными, вероятности смещения в первой и второй средах могут подчиняться относительно аналогичным законам, в той мере, как эти вероятности в обоих случаях зависят от эквивалентных параметров.

Очевидно, что изобретение не ограничено оценкой значений эквивалентного параметра. Могут быть предоставлены вероятности смещения в первой и во второй средах, которые подчиняются относительно разным законам.

Моделируемое смещение может быть выполнено адвективным и/или дисперсивным, даже при том, что изобретение, очевидно, не ограничено типом рассматриваемых смещений.

Также на этапе b/ может быть предусмотрена возможность учета значений, описывающих только одну из первой и второй сред, что позволяет лучше количественно измерять чувствительность к исходным условиям (например, количество введенных трещин).

В частности, пользователю может быть предложено учитывать во время моделирования только значения, описывающие первую среду.

Изобретение, очевидно, не ограничено этим вариантом выбора. Предпочтительно, выполняют наблюдения за карстовой областью, и эти наблюдения используют, в частности, для определения на этапе а/ решетчатой геологической модели карстовой области.

Например, в различных местах в карстовой области получают образцы керна. Эти образцы керна позволяют предоставить информацию о фактической карстовой области, в частности приблизительное размещение различных слоев, формирующих карстовую область, и для каждого слоя, фации этого слоя. Такая информация может использоваться для определения решетчатой геологической модели. Таким образом, начальная точка представляет собой геологическую модель, которая относительно близка к реальной карстовой области, что позволяет повысить надежность результатов моделирования.

Очевидно, что изобретение не ограничивается этими наблюдениями за карстовой областью. Возможно, например, применять способ, в соответствии с одним аспектом изобретения, с целью изучения процессов карстообразования, начиная от произвольных воображаемых геологических моделей.

Предпочтительно, первая среда описана значениями проницаемости решетки. Проницаемость фактически представляет параметр, вовлеченный в смещение частиц воды в горных породах.

Первая среда может быть описана другими параметрами, такими как, например, пористость.

Изобретение не ограничено решетками, формирующими решетку типа сахарного пакета. Более сложные структуры решетки, например, могут быть предусмотрены.

В соответствии с другим аспектом, предмет изобретения состоит в компьютерном программном продукте для моделирования процессов карстообразования в карстовой области, компьютерная программа предназначена для сохранения в запоминающем устройстве центрального процессорного устройства, и/или может быть сохранена на носителе информации, предназначенном для взаимодействия с приводом центрального процессорного устройства, и/или может быть загружена через сеть передачи данных, отличающаяся тем, что она содержит инструкции для выполнения этапов описанного выше способа.

В соответствии с еще одним аспектом, предмет изобретения направлен на устройство для моделирования процессов карстообразования в карстовой области. Это устройство содержит запоминающее устройство для сохранения решетчатой геологической модели карстовой области, модель, содержащая описание первой среды, описанной значениями по меньшей мере одного параметра геологической решетки, и второй среды, описанной значениями параметров кромки между двумя узлами решетки. Средство обработки, например процессор, позволяет моделировать стохастические смещения частиц в решетке геологической модели, при этом вероятность каждого смещения частиц рассчитывают, учитывая описание среды, в которой происходит смещение. Средство обработки также позволяет модифицировать значения описаний, в соответствии с курсами, взятыми частицами.

Данное устройство может, например, содержать компьютер, центральное процессорное устройство компьютера, процессор или даже компьютер, специально предназначенный для моделирования процессов карстообразования.

Другие свойства и преимущества настоящего изобретения будут понятны из следующего описания.

На фиг.1 показан пример карстовой области.

На фиг.2 схематично представлен пример решетчатой геологической модели в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг.3 показан график вероятности адвективного смещения частицы, как функция эквивалентной проницаемости, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг.4 показана простая блок-схема последовательности операций способа, которая может быть выполнена устройством моделирования в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг.5 представлено примерное устройство для моделирования процессов карстообразования в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг.1 показана примерная карстовая область 1. Эта область 1 содержит трещины 2, 6 и полости 3, 5 в горной породе. Поскольку область 1 частично затоплена, например, из-за непосредственной близости уровня 4 грунтовых вод, трещины 6 и полости 5 могут быть заполнены водой.

Горная порода, например, может содержать известняк.

Дождевая вода или даже вода грунтовых вод, или от гидротермальных подъемов, может просачиваться через пустоты, например, поры горной породы, трещины 2, 6 и/или полости 3, 5. Такое просачивание увеличивает размер этих пустот в результате растворения карбонатов горных пород просачивающейся водой, что может привести к формированию полостей.

На фиг.2 схематично показана примерная решетчатая геологическая модель, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Эта модель может использоваться для моделирования процессов карстообразования, в соответствии с подходом "газ через сеть". Моделируют стохастическое смещение частиц по сети. Частицы представляют воду, просачивающуюся в горную породу. Каждая частица может, например, соответствовать капле воды, молекуле воды или тому подобное.

Решетчатая геологическая модель может быть двумерной, как в примере, показанном на фиг.2, для большей ясности, или, предпочтительно, трехмерной.

Эта модель содержит решетки M₁₁, M₁₂, M₂₁, …, M₄₆, …

В данном варианте осуществления предусматривается назначение по умолчанию для каждой решетки M_ij значения параметра геологической решетки, здесь значения K_ij проницаемости. Переменные i и j используются для индексации положения решеток.

Таким образом, каждая решетка М₁₁, M₁₂… имеет соответствующее значение К₁₁, К₁₂ проницаемости, … Такие значения проницаемости используют для описания первой среды.

Вероятность стохастического смещения частицы в первой среде рассчитывают, учитывая эти значения проницаемости, для моделирования потока пористой горной породы, также называемой матрицей.

Вторую среду описывают значениями параметра кромки, например, диаметрами труб d_24v … между двумя узлами N₂₄, N₃₄, ….

Вероятность стохастического смещения частицы во второй среде рассчитывают, учитывая эти значения d_24v …, диаметра трубы, для имитации притока воды через трещины.

Пример моделирования стохастических смещений через сеть описан ниже.

Частицы могут быть введены в заданном узле, например N₁₁, или в другом случае, во множестве узлов. Частицы могут быть введены с определенной периодичностью.

С целью упрощения, может быть предусмотрено отсутствие взаимодействие частиц друг с другом, то есть смещение частицы становится независимым от местоположений других частиц.

В данном варианте осуществления рассматривается, что частицы подвергаются двум типам смещений: адвективному или систематическому смещению, и дисперсивному смещению.

Для заданной решетки адвективное смещение, вероятно, происходит вдоль линии и в направлении, заданном гидравлическим градиентом, соответствующим моделируемой области, в соответствии с этим фактом, эта область является насыщенной или нет, или учитывается некоторый другой фактор. Например, для решеток, представленных на фиг.2, адвективное смещение, вероятно, происходит вдоль линии и в направлении вектора силы тяжести. Для насыщенной полости адвективное смещение, вероятно, происходит вдоль линии и в направлении потока. Для решеток, соответствующих области гидротермальных подъемов, адвективное смещение может иметь компонент, противоположный силе тяжести.

К такому возможному адвективному смещению добавляют дисперсивное смещение, которое, вероятно, происходит вдоль множества линий.

Во время моделирования смещения частицы, расположенной на решетке, оценивают вероятность адвективного смещения. Затем выполняют случайное перемещение, взвешенное на эту оценку вероятности, и адвективное смещение происходит или не происходит, в соответствии с результатом случайного смещения.

Эту вероятность оценивают, как функцию параметра K_eq эквивалентной проницаемости.

Для смещения между двумя узлами в первой среде может быть предусмотрен расчет эквивалентной проницаемости K_eq по значениям проницаемости решеток, содержащих эти два узла. Например, для смещения от узла N₁₄ до узла N₂₄, рассчитывают эквивалентную проницаемость по значениям К₁₃, К₁₄. В случае трехмерной сети, эквивалентная проницаемость была бы рассчитана по четырем значениям проницаемости. Таким образом, происходит переход от модели, ориентированной на объем, к решетчатой модели ("voxcet").

Эквивалентная проницаемость для заданного смещения в первой среде, в частности, может представлять собой среднее значение, например, среднее арифметическое или среднее геометрическое значение проницаемостей решеток, составляющих кромку, соответствующую этому смещению. Для смещения во второй среде, то есть смещения вдоль трубы, например, от узла N₂₄ до узла N₃₄, может быть выведено значение K_eq эквивалентной проницаемости по диаметру d трубы, соответствующему этому смещению, например, в соответствии с:

r представляет собой относительную неровность, обычно равную 0,2, и g представляет собой ускорение силы тяжести.

Вероятность адвективного смещения Prob_Adv, также называемую "модулем скорости", оценивают по значениям эквивалентной проницаемости, в соответствии с:

Prob_Adv(K_eq)=0 если K_eq меньше чем K_min,

Prob_Adv(K_eq)=1 если K_eq больше чем K_max, больше чем K_min

и

На фиг.3 показан график вероятности адвективного смещения, как функция эквивалентной проницаемости для первой среды.

Значения K_max и K_min отличаются друг от друга, в зависимости от того, является ли данное местоположение первой средой или второй средой, насыщена ли среда водой или нет, или некоторого другого фактора.

В частности, возможно, обеспечить, чтобы пороговые значения K_min и K_max, для первой среды были менее близки друг к другу, чем пороговые значения K_min и K_max для второй среды. График вероятности Prob_Adv, как функции логарифма К для второй среды, таким образом, может выглядеть так же, как и график на фиг.3, за исключением того факта, что наклон мог бы быть более крутым.

Затем выполняют случайное перемещение, взвешенное с использованием такой вероятности Prob_Adv, и адвективное смещение происходит или не происходит, в зависимости от результата случайного перемещения.

К этому возможному адвективному смещению добавляют дисперсивное смещение, которое, вероятно, происходит вдоль множества линий.

Например, возвращаясь к фиг.2, если допустить адвективное смещение между узлами N₁₄ и N₂₄, существует три возможности дисперсивного смещения, доступного для частиц: в направлении узла N₂₃, в направлении узла N₃₄ или в направлении узла N₂₅. Возможность адвективного смещения в направлении, противоположном гидравлическому градиенту, исключается.

Для каждой из этих возможностей в направлении узла N_ij, выполняют оценку вероятности Prob_Disp_ij, в соответствии с:

в котором

В случае точки, значения

Затем выполняют случайное перемещение, взвешенное с использованием этих вероятностей, Prob_Disp_ij, и дисперсивное смещение происходит вдоль линии и в направлении, заданном по результату случайного перемещения. Учитывая обычную проницаемость и значения диаметра трубы, смещение имеет относительно высокие возможности выполнения во второй среде (в трещине), то есть от узла N₂₄ до узла N₃₄.

Таким образом, для каждой частицы рассчитывают адвективное смещение (возможно нулевое) и дисперсивное смещение, и это выполняют многократно с относительно большим количеством циклов.

Частица, таким образом, может проходить из матрицы в трещину. В противоположном направлении следует отметить, что, учитывая обычную проницаемость и значения диаметра трубы, частица имеет относительно мало шансов прохода через разрыв непрерывности в матрицу. Такие расчеты стохастического смещения выполняют для каждой частицы и повторяют циклически.

Например, для каждого цикла (или "временного этапа") в сеть вводят 10⁹ частиц. Количество циклов может составлять порядка миллиона. Количество решеток в сети может составлять, например, порядка сотен тысяч или миллион.

Значения описаний первой и второй сред модифицируют в соответствии с курсами, взятыми частицами.

В частности, может быть предусмотрено назначение каждой решетке значения индекса IK карстообразования, который обозначает потенциал растворения горных пород. Этот индекс может быть аналогичным или иметь равные значения для решеток в заданной области.

Кроме того, возможно обеспечить назначение каждой частице значения индекса IA агрессивности частицы. Как правило, этот индекс имеет одно и то же значение для всех частиц, но также возможно предусмотреть разные значения, например, для учета периода выпадения кислотных дождей.

Таким образом, проход частицы между двумя узлами в первой среде модифицирует значения проницаемости решеток, которые имеют кромку, соответствующую этому узлу.

Проход частицы по трубе во второй среде увеличивает диаметр этой трубы, возможно, в пределах максимального диаметра. Например, такой максимальный диаметр может быть равен размеру стороны решетки. Полость с размером больше, чем размер решетки, может быть, таким образом, смоделирована трубами с диаметром, равным максимальному диаметру. Например, решетки М₄₆, М₄₇ на фиг.2 могут соответствовать такой полости.

В этих двух случаях объем материала, извлекаемого в результате прохода частиц, представляет собой функцию произведения IK×IA.

На фиг.4 иллюстрируется примерный способ моделирования карстообразования, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Решетку определяют на этапе 400. Размеры, связанные с каждой решеткой, могут быть определены, например, 100×100×5 м, и определенные свойства решетки, такие как фации горной породы, соответствующие каждой решетке, пористость, проницаемость, индекс IK карстообразования, или другие, также могут быть определены.

Возможно использовать результаты наблюдений, полученные на этапе 401. Эти результаты наблюдений могут, например, содержать образцы керна, или даже данные формирования изображения, предоставляющие информацию о фактической карстовой области, например, приблизительные размещения геологических слоев, линии неточностей, трещины, водонепроницаемые барьеры или другие.

Размеры, соответствующие решетке, могут изменяться, например, от нескольких кубических миллиметров для лабораторного применения или даже до несколько тысяч кубических километров.

Субдискретизацию (или "изменение шкалы масштаба") выполняют на этапе 402, для уменьшения количества решеток, например, с коэффициентом 5³=125 или 10³=1000, для ограничения времени моделирования.

На этапе 403, разрывы непрерывностей типа трещин вводят случайным образом, используя, например. Булев механизм фрактуризации. Такой механизм может иметь возможность учета фации горной породы и генерирования множества семейств трещин, эти семейства характеризуются, например, плотностями расположения трещин, структурой трещин, ориентациями трещин или другими.

На этапе 404 вводят разрывы непрерывностей типа соединения напластования или стратификации. При этом возможно учитывать наблюдения, полученные на этапе 401.

Этапы, которые не представлены вводом других разрывов непрерывностей, могут быть предусмотрены, где это соответствует.

Исходный диаметр трубы назначают для кромок решетки, соответствующей этим разрывам непрерывностей, на этапе, который не представлен.

На этапе 405 определяют различные фазы карстообразования. Например, фаза может соответствовать периоду, в течение которого горная порода остается выше воды с определенным гидравлическим градиентом, затем другая фаза, наступающая после другого периода, характеризуется другим гидравлическим градиентом и т.д. Каждая фаза имеет соответствующий набор разрывов непрерывностей, среди разрывов непрерывностей, уже определенных, в частности, на этапах 403 и 404.

Например, разрывы непрерывностей с ориентацией с севера на юг, и разрывы непрерывностей с ориентацией с востока на запад, могут быть определены на этапе 403. Половина таких разрывов непрерывностей с ориентацией с севера на юг и ни один из разрывов непрерывностей с ориентацией с востока запад, не могут соответствовать первой фазе, тогда как все разрывы непрерывностей соответствуют второй фазе.

Для каждой фазы, возможно определить индекс IA агрессивности частиц, гидравлический градиент, уровень области, насыщенной водой, области просачивания и насыщенные области, ориентацию горных пород, вектор скорости, количество циклов, назначенных для этой фазы, значения K_min и K_max для каждой среды, количество частиц, введенных в каждом цикле, узлы ввода частиц, или другие.

Для каждого надлежащим образом определенного цикла и для каждой частицы выполняют моделирование стохастических смещений (этап 408). В частности, рассчитывают вероятности, Prob_Adv и Prob_Disp (этап 406), и выполняют случайное перемещение, взвешенное на эти вероятности (этап 407). Моделируемое смещение частицы представляет собой функцию результатов случайного перемещения.

Для каждого цикла описание модифицируют на этапе 409, в соответствии со смещениями, моделируемыми на этапе 408.

Этапы 406, 407 и 411 выполняют для каждой частицы и для каждого цикла. При этом возможно, в частности, обеспечить петли, которые охватывают частицы и циклы.

Этап 409 выполняют для каждого цикла. Может быть предусмотрено выполнение этого этапа 409 после каждого расчета стохастического смещения для частицы, или, в качестве альтернативы, для расчета стохастических смещений для всех частиц, перед выполнением этого этапа 409.

Этапы тестирований, представленные тестом 411, обеспечивают выход из цикла. Эти этапы теста могут состоять в проверке того, что все циклы, определенные на этапе 405, были выполнены, и что для каждого цикла было выполнено моделирование смещения для каждой из частиц.

В конечном итоге, на этапе 410 передискретизации или укрупнения выполняют оценку модели решетки того же типа, как определено на этапе 400, по описанию, полученному на выходе петли.

При этом возможно, например, использовать решатель давления для оценки значения параметра, например, проницаемости, областей, которые включают в себя разрывы непрерывностей и матрицу.

На фиг.5 показано примерное устройство 502 моделирования. В этом варианте осуществления устройство содержит компьютер 502, содержащий запоминающее устройство 500 для сохранения решетчатой геологической модели, и средство обработки, например, процессор 501 для выполнения моделирования и модификации модели.

Реферат

Изобретение относится к области геологии и может быть использовано при исследовании процессов карстообразования. Предложен способ моделирования процессов карстообразования в карстовой области, в котором задают решетчатую геологическую модель карстовой области для моделирования множества сред, содержащих первую среду, описываемую значениями по меньшей мере одного параметра геологической решетки, и вторую среду, описываемую значениями параметров кромки между двумя узлами решетки. Далее моделируют стохастические смещения частиц в решетке геологической модели, при этом вероятность каждого смещения частиц рассчитывают, учитывая значения, описывающие среду, в которой происходит смещение. Модифицируют значения, описывающие первую и/или вторую среду, в соответствии с направлениями смещения частиц. Технический результат - повышение точности и достоверности данных исследований. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула