УДК 378.147.88

Разработка программного обеспечения для изучения основ сейсморазведки

Мамарозиков Тимур Умаржонович – старший научный сотрудник Центра передовых технологий (Республика Узбекистан, Ташкент).

Юсупов Диёрбек Дониёрбекович – младший научный сотрудник Центра передовых технологий (Республика Узбекистан, Ташкент).

Отажонова Шахло Худойберган кизи – лаборант Центра передовых технологий (Республика Узбекистан, Ташкент).

Хикматиллаев Нодир Ботирбек угли – лаборант Центра передовых технологий (Республика Узбекистан, Ташкент).

Орипов Азизжон Аброржонович – лаборант Центра передовых технологий (Республика Узбекистан, Ташкент).

Аннотация: Статья посвящена разработке программного комплекса для изучения основ сейсморазведки. В работе описывается интерфейс программного обеспечения, предлагающего пользователям эффективный инструмент самостоятельного изучения основ сейсморазведки с использованием инновационных методов обучения. Особое внимание уделяется лабораторным работам с графическими изображениями, возможности многократного расчета заданий и автоматической проверки. Проведенный анализ отзывов пользователей подтверждает эффективность программы, способствующей более глубокому пониманию сейсмических процессов, анализу и интерпретации сейсмических данных, и развитию профессиональных навыков в области сейсморазведки.

Ключевые слова: цифровые лабораторные комплексы, цифровизация, физическое поле, волна, геофизика, модель, алгоритмы, программы.

Изучение и понимание сейсмических процессов являются актуальной проблемой, имеющей важное значение для решения различных научных и практических задач. Особенно важно это для специалистов, которые в начале своего знакомства с основами сейсморазведки могут столкнуться со сложностями в понимании распространения упругих волн в геологической среде [1, с. 25].

В данной статье рассматривается разработка программного комплекса с моделированием геофизических процессов в качестве средства электронного обучения пользователям основам сейсморазведки. Также представлены результаты экспериментальной работы по реализации и описаны основные возможности программ.

Электронное обучение в области геофизики становится все более популярным, поскольку онлайн-программы позволяют пользователям изучать эту область из любой точки мира и улучшают качество исследований. На платформах Coursera, edX и Udemy доступны курсы, охватывающие различные методы геофизических исследований и включающие лабораторные работы с использованием программного обеспечения. Например, “Seismology and Earthquake Engineering” на Coursera предоставляет пользователям возможность изучать основы сейсмологии и землетрясений с помощью программного геофизического комплекса, а курс “Applied Geophysics” на этой же платформе охватывает сейсморазведку и магниторазведку. Всё это позволяет пользователям изучать различные методы геофизических исследований на высоком уровне, не покидая своего дома или места работы. Таким образом, электронное обучение и онлайн-курсы являются важными инструментами для повышения уровня знаний и квалификации в области геофизики. Они позволяют получить доступ к современным методам исследования и обработки геофизических данных, что способствует улучшению качества научных исследований в этой области.

Материалы и методы исследования

Разработка программ заключалась в моделировании сейсмических процессов с целью облегчить понимание и представление материала пользователям.

Одной из первостепенных задач, с точки зрения изучения основ сейсморазведки, стоит исследовать процесс взаимосвязи напряжения и деформации. Распространение сейсмических волн – явление, которое можно объяснить, как процесс взаимодействия сил, которые были приложены к среде, и возникали благодаря смещению ее частиц [14, с. 479]. Связь между приложенными силами и силами, которые были вызваны смещением описывается законом Гука, исходя из которого деформация прямо-пропорциональна напряжению. Наиболее полно данный закон описывается в тензорном виде. В данном случае упругие модули являются составляющими матрицы коэффициентов пропорциональности Cij. Как правило при изучении реальную геологическую среду представляют однородной, изотропной, идеально-упругой. Такая аппроксимация необходима для изучения фундаментальных представлений и усложняется по мере приближения к более сложным геологическим моделям.

Для описания изотропной среды требуется лишь несколько упругих модулей – модуль Юнга и коэффициент Пуассона. Также данную модель возможно описать с помощью коэффициента всестороннего сжатия и модуля сдвига.

Реальная геологическая среда является весьма сложной, неоднородной физической системой. Сильные различия углов, формы, сплошности залегающих слоев не всегда позволяют полностью корректно воссоздать точную геологическую модель. Зачастую причиной тому является анизотропия – различие упругих свойств в разных направлениях [15, с. 224].

Как отмечалось выше, упругие свойства реальной геологической среды описываются с помощью модулей упругости, составных элементов тензора коэффициента пропорциональности закона Гука. Однако стоит отметить, что данная взаимосвязь справедлива лишь в случаях малых деформаций, когда тело, на которое производится напряжение, сохраняет свойство упругости [14, с. 257].

Для учета параметров деформации необходимо выполнить расчет упругих модулей. Также подразумевается, что в ходе выполнения программы упругие модули будут маркерами для проверки корректности выполнения работы пользователями. Ниже приведены основные упругие модули, рассматриваемые в реализации программы и моделирования.

Связь напряжений и деформаций в упругой среде характеризуется законом Гука, исходя из которого деформация прямо пропорциональны напряжению (1).

 image001

(1)
  1. Модуль Юнга описывает возможность сопротивления породы сжатию либо растяжению и определяется отношением напряжения к деформации сжатия/растяжения (2).
 image002

(2)
  1. Коэффициент Пуассона описывает отношение относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению. Значение данного модуля упругости изменяется в диапазоне 0-0,5 (3).
 image003

(3)
  1. Модуль сдвига характеризует упругие свойства породы и ее способность сопротивляться сдвиговым деформациям. (4)
 image004

(4)
  1. Коэффициент λ – это коэффициент при объемной деформации, выражающий связь между нормальными напряжениями и деформациями сжатия-растяжения.
  2. Коэффициент всестороннего сжатия характеризует способность тела изменять свой объем под воздействием всестороннего нормального напряжения, одинакового по всем направлениям [14, с. 479., 15, с. 224., 16, с. 551].

Связь между системами упругих коэффициентов описывается следующими формулами 5, 6, 7, 8.

 image005

(5)
 image006

(6)
 image007

(7)
 image008

(8)

 Для рассмотрения процессов взаимосвязи деформации и напряжения в программе рассматривается куб малого объема с фиксированной одной стороной. На него могут воздействовать как нормальное напряжение, так и касательное.

Исходя из типа напряжения на ту или иную грань единичного куба, происходит формируется тензор относительной деформации [14, с. 224]. Исходя из тензора относительной деформации производится построение полученной, деформированной фигуры.

Второй не менее важной частью, где необходима визуализация происходящих процессов при изучении основ сейсморазведки является геометрическая сейсмика. Это связано с тоем, что для дальнейшего изучения различных методик (МПВ, МОГТ, MASW) необходимо визуальное понимание распространения сейсмических волн в геологической среде. Процесс распространения сейсмических волн имеет свои особенности в связи с чем при моделировании возникли трудности в выборе подходящей математической модели, необходимости учета большого количества факторов и проверки результатов моделирования. Исходя из этого для простой визуализации кинематики распространения волн была взята однородно-изотропная, идеально-упругая среда, которая представлена в виде двумерного разреза. В такой модели можно было бы легче изучать процессы распространения сейсмических волн и получать представление об их особенностях [11, с. 174].

Таким образом, в программе “Кинематика распространения упругих волн в однородной изотропной, идеально-упругой среде” для каждого типа сейсмической волны были созданы два поля, в которых произведено моделирование их распространения в направлениях от фронта до тыла [9, с. 87]. Это было реализовано с помощью использования формулы окружности:

R2 = x2 + y2

(9)

Динамичность распространения контролируется скоростью упругих волн и временем:

R = V * t

(10)

Методика сейсморазведки основывается на рассмотрении кинематических особенностей волн или времени пробега волн от источников до сейсмоприемников, регистрирующих скорости смещения. В связи с этим наряду с распространением сейсмических волн были представлены годографы волн. Годограф сейсмической волны - это график, который показывает время прибытия волны в различные точки регистрации, в зависимости от их расстояния от источника. Кинематические характеристики сейсмических волн определяются поведением этих годографов.

В данной программе был использован только годограф прямых волн, который был предназначен для расчета кажущегося скоростей продольной и поперечной волн.

Сейсмические волны, распространяются в средах со скоростью, зависящей от литологических характеристик породы, а также от её механических и упругих свойств [8, с. 87]. При распространении внутри пород, попадая на отличающиеся по различным свойствам границы раздела сред, могут отражаться, преломляться и возвращаться на поверхность земли [18, с. 14].

Для лучшего понимания этого процесса в программе была создана модель двухслойной среды с горизонтальной границей. В модели предполагается, что она состоит из двух слоев с различными акустическими свойствами, которые являются простой аппроксимацией реальной среды.

После успешного моделирования процессов необходимо было учесть погрешности, связанные с измерением значений пользователей при решении обратной задачи. Прежде чем задавать проценты погрешностей стояла задача выбора максимального процента ошибки. Поэтому сначала была решена обратная задача как самими пользователями. Для этого были использованы годографы прямой и преломленной волн, которые позволяют рассчитать скорости в первом и втором слоях. Для решения обратной задачи, связанной с поиском значений скоростей в первом и во втором слоях, а также глубины залегания границы, были использованы данные годографов прямой и преломленных волн [10, с. 44]. По углу наклона годографа прямой волны можно рассчитать скорость в первом слое, аналогичным образом по годографу преломленной волны - скорость во втором слое. Глубину залегания границы, при условии её горизонтального положения, можно было рассчитать по двойному времени пробега волны, исходя из годографа отраженной волны [12, с. 32].

Результаты исследования

В рамках исследование были реализованы следующие программы:

Взаимосвязь деформации и напряжения

Для того, чтобы изучить связь между деформацией и напряжением, полезно рассмотреть небольшой куб с одной фиксированной стороной. Этот куб может быть подвергнут нормальному или касательному напряжению. Результирующий тензор относительной деформации определяется типом напряжения, приложенного к каждой грани куба. Этот тензор можно использовать для создания визуального представления деформированной фигуры (рисунок 1).

1

Рисунок 1. Практическая работа «Взаимосвязь деформации и напряжения».

Кинематика распространения упругих волн в однородной изотропной, идеально-упругой сред

Работа предполагает изучение пользователями кинематики распространения упругих волн в однородной изотропной среде. Они получают знания о том, как меняется форма упругих волн при их распространении, а также как изменяются их параметры, такие как амплитуда и частота. Основной задачей данной лабораторной работы является расчет основных параметров упругих модулей и скоростей продольной и поперечной волн, используя значения времени и удаления на годографах.

Для выполнения лабораторной работы студентам представляется изображение полупространства с распространяющейся волной и панель инструментов, которая позволяет провести эксперимент. Данная лабораторная работа позволяет отобразить распространение сейсмических волн в идеально упругой, однородной и изотропной среде.

Интерфейс лабораторной работы представлен изображением полупространства с распространяющейся волной и панелью инструментов. Вводимыми параметрами являются доминантная частота и положение приемника на поверхности. Значения физических величин генерируются автоматически исходя из индивидуального варианта пользователя, который связан с его персональными данными. Это позволяет пользователям проводить эксперименты, которые максимально точно соответствуют реальным условиям (рисунок 2).

2

Рисунок 2. Интерфейс программы «Распространение сейсмических волн в идеально-упругой однородной среде».

Кинематика распространения упругих волн в двухслойной однородной, изотропной, идеально-упругой среде

Данная работа посвящена изучению кинематики распространения упругих волн в двухслойной однородной, изотропной идеально-упругой среде. Главная задача пользователей, выполняющих данную работу, заключается в исследовании прохождения упругих волн через двухслойную среду, состоящую из двух однородных изотропных слоев.

В ходе выполнения лабораторной работы пользователи узнают, как изменяется форма упругих волн при их распространении через двухслойную среду, а также как изменяются параметры волн, такие как амплитуда и частота. Они также изучают образование и распространение сейсмических волн в идеально упругой, однородной среде с горизонтально-залегающей границей, а также строят сейсмограмму общего пункта возбуждения.

Интерфейс лабораторной работы представлен изображением идеально упругой, однородной среды с горизонтально-залегающей границей и сейсмограммой общего пункта возбуждения, а также панелью инструментов.

Входными параметрами для выполнения лабораторной работы являются значения частоты и выбор вида волн. При нажатии кнопки «Взрыв» происходит распространение продольной сейсмической волны в двухслойной среде с горизонтальной границей. Данная лабораторная работа позволяет пользователям изучить кинематику распространения упругих волн в двухслойной среде и получить практические навыки в области сейсмологии.

На нижнем окне отображается схема образования и распространения отраженной и преломленной волн в виде фронтов. На верхнем же окне наблюдается получение сейсмограммы ОПВ, на которой выделяются прямая, отраженная и преломленная волны (рисунок 3).

3

Рисунок 3. Интерфейс программы «Распространение сейсмических волн в идеально-упругой однородной среде».

Анализ результатов исследования

В ходе тестирования программного обеспечения было выявлено, что оно соответствует современным требованиям и обладает широкими возможностями для выполнения лабораторных работ по геофизике. Особенно ценным оказалось наличие функции многократного расчета задания, что дает пользователям больше возможностей для более точного понимания цели работы и успешной сдачи. Интерфейс программного обеспечения оценен как удобный и интуитивно понятный, с графическими изображениями, которые упрощают понимание физических процессов. Наличие кнопки "Помощь" в каждом окне обеспечивает быстрый и легкий доступ к необходимой информации. Доступ к оценкам после выполнения работы уменьшает уровень неопределенности и страха перед неизвестностью, что способствует мотивации студентов. Общие отзывы пользователей были положительными, а проведенное тестирование подтвердило высокое качество и удобство использования данного программного обеспечения для выполнения лабораторных работ по геофизике.

Выводы

В результате исследования можно сделать следующие выводы:

  • Разработанная программа является эффективным инструментом для проведения лабораторных работ по геофизике, она соответствует всем необходимым требованиям и имеет интуитивно понятный интерфейс.
  • Программа обладает удобной функцией многократного расчета задания, что позволяет пользователям лучше понимать цель работы и успешно ее выполнить.
  • База данных программы упрощает процесс проверки и оценки работ преподавателями.
  • Группа студентов, тестирующая программу, дала положительные отзывы и предложения по ее улучшению. Анализ этих отзывов позволил разработчикам учесть некоторые недостатки и предложить улучшения программы.

В целом, данная программа может быть использована в качестве эффективного инструмента для проведения лабораторных работ по геофизике в учебных заведениях, а также в нефтегазовой промышленности и других отраслях, связанных с исследованием Земли.

Список литературы

  1. Разумова А.Б., Рыцкова Т.И., Синицын И.С. Цифровая трансформация высшего образования: новый взгляд на конфигурацию образовательного процесса и взаимодействия // Ярославский педагогический вестник. 2020. № 6 (117). С. 56-63.
  2. Jean F.S., Benjamin R., Cedric G. Seismology to Earthquake Engineering; Портал онлайн-образования Coursera – https://www.coursera.org/learn/seismology-to-earthquakes/ – 2023. – 25 мая.
  3. Applied Geophysics; Интернет-ресурс по производству образовательных продуктов и услуг Careers360 – https://www.careers360.com/courses/applied-geophysics-course/ – 2023. – 20 мая.
  4. Geophysics Courses; Бесплатная интернет-платформа онлайн-курсов со свободным кодом Open edX – https://www.edx.org/learn/geophysics/ – 2023. – 18 мая.
  5. Adeolu Aderoju, Geophysical Surveying Methods: An Introduction; Онлайн-платформу для обучения и преподавания Udemy – https://www.udemy.com/course/geophysical-surveying-methods-an-introduction/ – 2023. – 27 апреля.
  6. Richard Vuduc, Computing for Data Analysis; Бесплатная интернет-платформа онлайн-курсов со свободным кодом Open edX –https://www.edx.org/course/computing-for-data-analysis/ – 2023. – 20 апреля.
  7. 1-Component Seismogram: Building responds to P, S, surface waves; Платформа сейсмологического центра развития наук о Земле (SAGE) – https://www.iris.edu/hq/inclass/animation/1component_seismogram_building_responds_to_p_s_surface_waves/ – 2023. – 17 апреля.
  8. Сато Харуо, Майкл С. Фейлер и Такуто Маэда. Распространение и рассеяние сейсмических волн в неоднородной Земле. 2-е изд., Springer Heidelberg Dordrecht London New York, 2012. С. 63-123.
  9. Славинский М. Волны и лучи в упругих средах. Elsevier Science, 2003. С. 61-68.
  10. Буфорн Элиса и др. Принципы сейсмологии. Индия, Cambridge University Press, 2018. С. 14-58.
  11. Шериф Роберт И. Энциклопедический словарь прикладной геофизики. Соединенные Штаты Америки, Society of Exploration Geophysicists, 2002. С. 123-255.
  12. Воскресенский Ю.Н. Полевая геофизика // Издательство «Недра». Москва. 2010. С. 479.
  13. Воскресенский Ю.Н., Рыжков В.И. Геофизика в изучении недр Земли // РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. 2015. С. 224.
  14. Гурвич И.И., Боганик Г.Н. Сейсморазведка // издание Недра. 1980. №3. Москва. С. 551.
  15. Карапетов Г.А., Белоусов А.В. Рабочая тетрадь по геометрической сейсморазведке // Учебник. Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. 2015. Москва. С. 190.
  16. Карапетов Г.А. Линейные преобразования в геофизике // 2021. С. 148.
  17. Сердобольский Л.А. Распространение сейсмических волн // 2012. С.
  18. Белоусов А.В. Сборник задач по курсу “Сейсморазведка” // РГГРУ. Москва. 2008. С. 13-15.

Интересная статья? Поделись ей с другими: