Зачем геофизикам компьютерное моделирование? Каким должно быть ПО для разведки шельфовых полезных ископаемых? Что является ключом к успеху работ на шельфе – в интервью с ведущим инженером лаборатории механики горных пород МФТИ Тамарой Журавлевой и представителем индустриального партнера Физтеха, заместителем начальника отдела морской сейсморазведки АО «МАГЭ» Михаилом Кашиком.
— Расскажите, пожалуйста, что такое групповой сейсмоисточник и зачем нужно моделировать его сигнал?
М.К: Основной объем морских сейсмических съемок выполняется с применением пневматических источников. Пневмоисточник - это генератор импульсов, как правило двухкамерной конструкции, который, находясь под водой на глубине порядка 6м, выбрасывает сжатый воздух под высоким давлением (порядка 136 атм.) в короткий временной интервал через направленное в водную толщу сопло. Пульсирующий воздушный пузырь, возникающий при этом, порождает акустические волны давления и плотности в окружающей морской воде. Волны распространяются в воде со скоростью звука, отражаются от водной поверхности, морского дна и далее от поверхностей напластования изучаемых отложений, интерферируют. Отраженные сигналы регистрируются приемным оборудованием, буксируемым за научно-исследовательским судном или размещенным на поверхности дна, и передаются специалистам судового вычислительного центра для первичной обработки полученных сейсмических данных По окончании полевых работ на объекте полученный массив данных передается в береговой вычислительный центр для камеральной обработки и интерпретации, по итогам которых строятся геолого-геофизические модели среды.
Для получения сигнала с требуемыми характеристиками, достижения требуемой мощности импульса и создания направленного сейсмического сигнала пневмоисточники разного объема объединяют в линии, а линии — в массивы до нескольких десятков одновременно срабатывающих источников с камерами разного объёма. Для усиления сигнала и уменьшения помех, вызванных пульсацией воздушного пузыря, в линиях устанавливают спаренные пневмоисточники.
Заданные свойства сигнала группового источника не должны изменяться более, чем на 10%, даже при аварийном отключении до трех любых источников. С этой целью в массиве имеются запасные пневмоисточники, которые включаются в работу только при аварийном отключении других пневмоисточников.
Моделирование свойств буксируемого массива пневмоисточника является ключевой частью проектирования морских сейсморазведочных работ. По его результатам выбирается оптимальная конфигурация массива пневмоисточника, которая используется на всей площади исследований.
Т.Ж.: Экспертная система моделирования группового пневмоисточника для морской сейсморазведки (ЭС ММС) — это мощный инструмент, необходимый компонент семейства программного обеспечения для нефтегазовой отрасли, применяемых при разведке месторождений на шельфе.
М.К: Основной объем морских сейсмических съемок выполняется с применением пневматических источников. Пневмоисточник - это генератор импульсов, как правило двухкамерной конструкции, который, находясь под водой на глубине порядка 6м, выбрасывает сжатый воздух под высоким давлением (порядка 136 атм.) в короткий временной интервал через направленное в водную толщу сопло. Пульсирующий воздушный пузырь, возникающий при этом, порождает акустические волны давления и плотности в окружающей морской воде. Волны распространяются в воде со скоростью звука, отражаются от водной поверхности, морского дна и далее от поверхностей напластования изучаемых отложений, интерферируют. Отраженные сигналы регистрируются приемным оборудованием, буксируемым за научно-исследовательским судном или размещенным на поверхности дна, и передаются специалистам судового вычислительного центра для первичной обработки полученных сейсмических данных По окончании полевых работ на объекте полученный массив данных передается в береговой вычислительный центр для камеральной обработки и интерпретации, по итогам которых строятся геолого-геофизические модели среды.
Для получения сигнала с требуемыми характеристиками, достижения требуемой мощности импульса и создания направленного сейсмического сигнала пневмоисточники разного объема объединяют в линии, а линии — в массивы до нескольких десятков одновременно срабатывающих источников с камерами разного объёма. Для усиления сигнала и уменьшения помех, вызванных пульсацией воздушного пузыря, в линиях устанавливают спаренные пневмоисточники.
Заданные свойства сигнала группового источника не должны изменяться более, чем на 10%, даже при аварийном отключении до трех любых источников. С этой целью в массиве имеются запасные пневмоисточники, которые включаются в работу только при аварийном отключении других пневмоисточников.
Моделирование свойств буксируемого массива пневмоисточника является ключевой частью проектирования морских сейсморазведочных работ. По его результатам выбирается оптимальная конфигурация массива пневмоисточника, которая используется на всей площади исследований.
Т.Ж.: Экспертная система моделирования группового пневмоисточника для морской сейсморазведки (ЭС ММС) — это мощный инструмент, необходимый компонент семейства программного обеспечения для нефтегазовой отрасли, применяемых при разведке месторождений на шельфе.
Работа по созданию системы выполнена Инжиниринговым центром по трудноизвлекаемым полезным ископаемым Центра компетенций НТИ на базе МФТИ по направлению “Искусственный интеллект" в рамках дорожной карты развития высокотехнологичного направления "Искусственный интеллект" на период до 2030 года при поддержке Фонда НТИ в консорциуме с АО "МАГЭ" и ООО "Страта Солюшенс".
— Да, это бесспорно, масштабная задача для компьютерного моделирования, но геологоразведочные работы на шельфе ведутся не первое десятилетие, какие средства использовались ранее?
Т.Ж: Моделирование морских пневмоисточников — эффективный инструмент подбора параметров сейсмического сигнала без необходимости проведения дорогостоящих опытно-методических работ с выходом в море, которые в прошлые десятилетия предшествовали сейсморазведке на шельфе. Такие работы увеличивали стоимость процесса, а также сроки получения результатов, что особенно критично для шельфа арктических морей, где работы имеют сезонную привязку.
Специализированное программное обеспечение моделирования морских сейсмических источников, широко используемое в нефтяной и газовой промышленности для сейсморазведки на шельфе – это: NUCLEUS+ (PGS, Норвегия) и GUNDALF (Oakwood Computing Associates Limited, Великобритания).Первая версия GUNDALF была анонсирована еще в 1997 году, а NUKLEUS+ - в 2004.
М.К: Добавлю, что в настоящее время ни один из этих инструментов не доступен для российских исследователей по причине санкций. Российский шельф имеет самую большую площадь в мире – свыше 6 млн. км2, его ресурсный потенциал сложно переоценить. Исходя из геополитических реалий, можно с уверенностью утверждать, что интерес к этим богатствам в ближайшие годы будет стремительно расти. Так что своевременность выхода на рынок нашего программного обеспечения очевидна.
Т.Ж: Моделирование морских пневмоисточников — эффективный инструмент подбора параметров сейсмического сигнала без необходимости проведения дорогостоящих опытно-методических работ с выходом в море, которые в прошлые десятилетия предшествовали сейсморазведке на шельфе. Такие работы увеличивали стоимость процесса, а также сроки получения результатов, что особенно критично для шельфа арктических морей, где работы имеют сезонную привязку.
Специализированное программное обеспечение моделирования морских сейсмических источников, широко используемое в нефтяной и газовой промышленности для сейсморазведки на шельфе – это: NUCLEUS+ (PGS, Норвегия) и GUNDALF (Oakwood Computing Associates Limited, Великобритания).Первая версия GUNDALF была анонсирована еще в 1997 году, а NUKLEUS+ - в 2004.
М.К: Добавлю, что в настоящее время ни один из этих инструментов не доступен для российских исследователей по причине санкций. Российский шельф имеет самую большую площадь в мире – свыше 6 млн. км2, его ресурсный потенциал сложно переоценить. Исходя из геополитических реалий, можно с уверенностью утверждать, что интерес к этим богатствам в ближайшие годы будет стремительно расти. Так что своевременность выхода на рынок нашего программного обеспечения очевидна.
— То есть российская система – это только копия подсанкционного продукта?
Т.Ж: Конечно, нет В основе программы - алгоритмы высокопроизводительных расчетов, разработанные учеными МФТИ. Расчет внешнего сигнала проводится для каждого источника на каждом временном шаге, алгоритм расчета имеет квадратичную сложность относительно количества источников, что приводит к значительному росту затрат временных ресурсов при расчете массивов с большим количеством источников. Реализация многопоточного расчета производится в рамках стандарта OpenMP. И поскольку каждый шаг по времени распараллеливается отдельно, в синхронизации потоков нет необходимости.
Кроме того, преимущества перед зарубежными аналогами достигаются за счет большей автоматизации и удобства процесса моделирования, возможности проработки огромного числа вариантов, высокой точности определения параметров группового источника, как следствие, надежного качества результатов морской сейсморазведки, что стало возможным благодаря применению технологий искусственного интеллекта.
Интерфейсная часть максимально эргономична, пользовательские сценарии учитывают требования специалистов-геофизиков.
В декабре 2024 были выполнены необходимые работы по защите результатов интеллектуальной деятельности, получены четыре свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Отдельные программные компоненты для работы с данными пневмоисточников были реализованы в виде открытой Библиотеки, зарегистрирован отдельный РИД, подготовлено описание в формате Github.
Т.Ж: Конечно, нет В основе программы - алгоритмы высокопроизводительных расчетов, разработанные учеными МФТИ. Расчет внешнего сигнала проводится для каждого источника на каждом временном шаге, алгоритм расчета имеет квадратичную сложность относительно количества источников, что приводит к значительному росту затрат временных ресурсов при расчете массивов с большим количеством источников. Реализация многопоточного расчета производится в рамках стандарта OpenMP. И поскольку каждый шаг по времени распараллеливается отдельно, в синхронизации потоков нет необходимости.
Кроме того, преимущества перед зарубежными аналогами достигаются за счет большей автоматизации и удобства процесса моделирования, возможности проработки огромного числа вариантов, высокой точности определения параметров группового источника, как следствие, надежного качества результатов морской сейсморазведки, что стало возможным благодаря применению технологий искусственного интеллекта.
Интерфейсная часть максимально эргономична, пользовательские сценарии учитывают требования специалистов-геофизиков.
В декабре 2024 были выполнены необходимые работы по защите результатов интеллектуальной деятельности, получены четыре свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Отдельные программные компоненты для работы с данными пневмоисточников были реализованы в виде открытой Библиотеки, зарегистрирован отдельный РИД, подготовлено описание в формате Github.
— Расскажите подробнее о структуре системы…
М.К.: Система предоставляет инженеру-сейсмику широкий спектр возможностей. Основной функционал включает блоки:
Дизайнер, где пользователь выполняет настройки масштаба для каждой из осей, определяет общую геометрию группы, выбирает научно-исследовательское судно, которое будет выполнять планируемые работы, и размещает источники, используя план группы (вид по осям х и у) и профили для каждой линии (вид по осям х и z);
Моделирование и расчеты, позволяющий установить параметры моделирования и фильтров, выполнить моделирование сигнатур и рассчитать основные параметры модели с учетом отражений от косы и от поверхности;
Анализ взаимозаменяемости единичных пневмопушек без ущерба суммарной производительности массива (drop-outs), позволяющий обосновать количество, размещение и свойства резервных источников в группе и предложить комбинации с разным статусом допустимости при отключении одного, двух или трех любых источников группе до 128 активных источников;
Оптимизатор, где решается обратная моделированию задача - система выполняет поиск массива с наилучшим соотношением первичной и вторичной волн, минимальными пульсациями в определённой полосе пропускания, с учетом ограничений, заданных пользователем и их значимости;
Сравнительный анализ, в составе которого возможно выполнить наложение кривых, полученных в результате нескольких расчетов, в том числе, импортированных из других проектов ЭС ММС или файлов записи кривых, полученных в ходе натурных исследований, и рассчитать расхождения по основным параметрам для любой пары;
Ведение справочников БД (таблиц условно-постоянной информации), позволяющий минимизировать ручной ввод и использовать лучшие идеи в виде сохраненных шаблонов;
И, конечно же, Генератор отчета, благодаря которому можно сформировать отчет, используя те результаты, которые важны для утверждения конфигурации группового источника .
М.К.: Система предоставляет инженеру-сейсмику широкий спектр возможностей. Основной функционал включает блоки:
Дизайнер, где пользователь выполняет настройки масштаба для каждой из осей, определяет общую геометрию группы, выбирает научно-исследовательское судно, которое будет выполнять планируемые работы, и размещает источники, используя план группы (вид по осям х и у) и профили для каждой линии (вид по осям х и z);
Моделирование и расчеты, позволяющий установить параметры моделирования и фильтров, выполнить моделирование сигнатур и рассчитать основные параметры модели с учетом отражений от косы и от поверхности;
Анализ взаимозаменяемости единичных пневмопушек без ущерба суммарной производительности массива (drop-outs), позволяющий обосновать количество, размещение и свойства резервных источников в группе и предложить комбинации с разным статусом допустимости при отключении одного, двух или трех любых источников группе до 128 активных источников;
Оптимизатор, где решается обратная моделированию задача - система выполняет поиск массива с наилучшим соотношением первичной и вторичной волн, минимальными пульсациями в определённой полосе пропускания, с учетом ограничений, заданных пользователем и их значимости;
Сравнительный анализ, в составе которого возможно выполнить наложение кривых, полученных в результате нескольких расчетов, в том числе, импортированных из других проектов ЭС ММС или файлов записи кривых, полученных в ходе натурных исследований, и рассчитать расхождения по основным параметрам для любой пары;
Ведение справочников БД (таблиц условно-постоянной информации), позволяющий минимизировать ручной ввод и использовать лучшие идеи в виде сохраненных шаблонов;
И, конечно же, Генератор отчета, благодаря которому можно сформировать отчет, используя те результаты, которые важны для утверждения конфигурации группового источника .
— Каким образом были подтверждены заявленные высокие показатели ЭС ММС?
М.К.: Для демонстрации корреляции к ПО-аналогу результатов моделирования массива пневмоисточников в ходе приемо-сдаточных испытаний работ первого этапа в декабре 2024 было выполнено моделирование в ЭС ММС и GUNDALF для расстановок, данные по которым были предоставлены МАГЭ, в составе 18 пневматических источников (14 из них - активные) типов 1900LLX и 1500LL. В ходе сравнительного анализа результатов моделирования выяснилось, что смоделированный сигнал не отличается от аналога по амплитудной составляющей более, чем на 5%.
Эффективность алгоритма распараллеливания расчета дифференциальной модели в рамках стандарта OpenMP подтверждена при выполнении расчетов на расстановке пневмоисточника, взятой из производственных данных МАГЭ.
Т.Ж.: Опытный образец экспертной системы будет соответствовать уровню готовности технологии УГТ6 (модель или прототип системы) и пройдет испытание в натурных условиях в ходе производственных сейсморазведочных работ в акватории Охотского моря НИС «Николай Трубятчинский» (АО «МАГЭ») с мая по июль 2025.
М.К.: Для демонстрации корреляции к ПО-аналогу результатов моделирования массива пневмоисточников в ходе приемо-сдаточных испытаний работ первого этапа в декабре 2024 было выполнено моделирование в ЭС ММС и GUNDALF для расстановок, данные по которым были предоставлены МАГЭ, в составе 18 пневматических источников (14 из них - активные) типов 1900LLX и 1500LL. В ходе сравнительного анализа результатов моделирования выяснилось, что смоделированный сигнал не отличается от аналога по амплитудной составляющей более, чем на 5%.
Эффективность алгоритма распараллеливания расчета дифференциальной модели в рамках стандарта OpenMP подтверждена при выполнении расчетов на расстановке пневмоисточника, взятой из производственных данных МАГЭ.
Т.Ж.: Опытный образец экспертной системы будет соответствовать уровню готовности технологии УГТ6 (модель или прототип системы) и пройдет испытание в натурных условиях в ходе производственных сейсморазведочных работ в акватории Охотского моря НИС «Николай Трубятчинский» (АО «МАГЭ») с мая по июль 2025.
