Способ формирования трехмерной геологической модели грунта на основе данных инженерно-геологических скважин
Владельцы патента RU 2589457:
Общество с ограниченной ответственностью "Симмэйкерс" (RU)
Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано в процессе обработки и анализа данных инженерно-геологических скважин. Заявлен способ формирования геологической модели грунта на основе данных инженерно-геологических скважин. Согласно предложенному способу получают набор данных о скважинах, геологических разрезах и инженерно-строительных элементах. Затем формируют набор вершин и структурных ребер по данным, полученным на предыдущем шаге. После чего выполняют триангуляцию Делоне по сформированным вершинам и ребрам на предыдущем шаге. Далее формируют приближенные слои материалов. В итоге для каждого приближенного слоя материалов, сформированного на предыдущем шаге, создают геометрии, корректно описывающие инженерно-строительные элементы. Технический результат - повышение точности формирования трехмерной геологической модели грунта за счет создания геометрий, которые позволяют корректно моделировать естественные слои в совокупности с техногенными. 9 з.п. ф-лы, 14 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к способам обработки, интерпретации и анализа данных инженерно-геологических скважин с целью формирования трехмерной геологической модели грунта.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время для планирования и выполнения работ по застройке территорий, проведения экологической экспертизы загрязнений почвогрунтовых сред, оценки залежей полезных ископаемых и др., актуальной является задача формирования трехмерной геологической модели. Многие известные продукты выполняют построение геологической модели грунта, не позволяя точно учитывать техногенную деятельность человека, в результате чего не всегда обеспечивается правдоподобное моделирование грунтов.
Из уровня техники техники известен способ, реализованный в программном пакете Groundwater Modeling System (GMS). Способ формирования трехмерной геологической модели грунта по данным скважин представлен в "GMS Tutorials. Stratigraphy Modeling". Для решения этой задачи проводится распределение геологических горизонтов по скважинам в ручном либо автоматическом режиме. Затем создаются поверхности с помощью интерполяции горизонтов в определенных автоматически либо заданных пользователем областях. Недостатком данного способа заключается в невозможности автоматического создания точной модели грунтов, на которые оказано техногенное воздействие. Пример такой модели приведен на Фиг. 1. Для корректного формирования искусственно созданного слоя термоизоляционных материалов (1) необходима линейная интерполяция, в то время как для моделирования природных слоев грунта (2) необходимо применение нелинейной интерполяции. При моделировании в GMS не учитывается, что определенный слой материалов является техногенным и произойдет сглаживание поверхностей в тех местах, где на самом деле имеет место резкий перелом.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение направлено на устранение недостатков, присущих существующим решениям.
Техническим результатом данного изобретения является повышение точности формирования трехмерной геологической модели грунта за счет создания геометрий, которые позволяют корректно моделировать естественные слои в совокупности с техногенными.
Данный технический результат достигается благодаря способу формирования геологической модели грунта на основе данных инженерно-геологических скважин, который реализуется, согласно изобретению, следующим образом: получают информацию о скважинах, геологических разрезах и инженерно-строительных элементах; затем формируют набор вершин и структурных ребер по данным, полученным на предыдущем шаге; после чего выполняют триангуляцию Делоне по сформированным вершинам и ребрам на предыдущем шаге; далее, основываясь на данных, полученных на предыдущих шагах, формируют приближенные слои материалов, описывающие общую структуру грунта, и в итоге для каждого приближенного слоя материалов, сформированного на предыдущем шаге, создают геометрические объекты, представляющие детальные модели слоев материалов, а также корректно описывающие инженерно-строительные элементы.
Данные о скважине содержат координаты ее устья и каротажные данные в поинтервальной форме: список глубин, мощностей и материалов, послойно заполняющих исследуемый вертикальный отрезок грунта.
Данные о геологическом разрезе содержат порядковые номера пары скважин, а также описание расположения материалов в пространстве между упомянутой парой скважин.
Некоторые материалы могут быть отмечены как техногенные, что означает то, что они предназначены для моделирования инженерно-строительных элементов (искусственно созданных слоев).
При формировании набора вершин каждой скважине ставится в соответствие вершина, координата которой совпадает с координатой устья скважины.
При формировании набора структурных ребер, в том и только том случае, если между скважинами задан разрез, формируется структурное ребро, соединяющее, вершины, соответствующие этим скважинам.
Для формирования приближенных слоев материалов решается задача оптимизации, в которой минимизируется функционал, характеризующий правдоподобность расположения геологических слоев.
При формировании геометрий точных слоев на основе приближенных слоев материалов, состоящих из материалов, отмеченных как техногенные, применяется линейная интерполяция.
При формировании геометрий точных слоев на основе приближенных слоев материалов, состоящих из материалов, не отмеченных как техногенные, применяется нелинейная интерполяция.
Полученные геометрии точных слоев не должны пересекаться, они должны находиться внутри области исследования и между ними не может быть пустот.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из приводимого ниже подробного описания изобретения, примера реализации и прилагаемых чертежей, на которых:
Фиг. 1 - пример модели грунта с техногенным воздействием (вид сбоку);
Фиг. 2 - эскиз скважины;
Фиг. 3 - эскиз разреза;
Фиг. 4 - эскиз грубого слоя;
Фиг. 5 - пример расположения шести инженерно-геологических скважин на исследуемом участке;
Фиг. 6 - распределение материалов в участке, исследуемом каждой скважиной;
Фиг. 7 - распределение материалов в разрезе между скважинами 1 и 2;
Фиг. 8 - расположение вершин в устьях скважин (вид сверху);
Фиг. 9 - триангуляция Делоне;
Фиг. 10 - пронумерованные сегменты в скважинах, где описывает i-ый сегмент j-ой скважины;
Фиг. 11 - пример сформированного грубого слоя 1;
Фиг. 12 - пример сформированного грубого слоя 2;
Фиг. 13 - линейная интерполяция грубого слоя 1;
Фиг. 14 - нелинейная интерполяция грубого слоя 2.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже будут описаны понятия и определения, необходимые для подробного раскрытия осуществляемого изобретения.
Скважина - горная выработка круглого сечения, пробуренная с поверхности земли или с подземной выработки без доступа человека к забою под прямым углом к горизонту, диаметр которой намного меньше ее глубины. Данные, полученные при исследовании скважины, представлены списком интервалов, описывающих слои однородных материалов. В дальнейшем такие интервалы называются сегментами скважины.
Устье скважины - место пересечения скважиной земной поверхности (начало ее проходки).
Геологический разрез - графическая модель вертикального сечения верхней части литосферы, отображающая условия залегания и соотношение горных материалов различного состава и возраста, формы геологических тел, характер складчатых и разрывных нарушений.
Инженерно-строительный элемент - объект геологической модели грунта, возникший в результате техногенного воздействия на грунт. Например, фундамент, насыпь или теплоизолятор.
Триангуляция Делоне - триангуляция для заданного множества точек S на плоскости, при которой для любого треугольника все точки из S за исключением точек, являющихся его вершинами, лежат вне окружности, описанной вокруг треугольника.
Грубый слой - условное название трехмерного объекта, описывающего приближенное расположение слоя материалов. Представляется в виде многогранника с треугольными гранями и вершинами, лежащими в точках сочленения сегментов скважин. Грани такого многогранника можно отнести к верхней и нижней поверхности, проекции которых на горизонтальную плоскость совпадают. Кроме того грубый слой можно представить, в виде структуры данных, хранящей информацию о сегментах скважин, которые лежат внутри грубого слоя, а также сегментах, которые касаются грубого слоя одной своей точкой. Такое представление используется при решении задачи оптимизации для вычисления наиболее правдоподобного набора грубых слоев, описывающего общую структуру грунта.
Геометрия - трехмерный объект, описанный с помощью триангулированной поверхности, ограничивающей его.
Данный способ в различных своих вариантах осуществления может быть реализуем на компьютере, в виде системы или машиночитаемого носителя, содержащего инструкции для выполнения вышеупомянутого способа.
В данном изобретении под системой подразумевается компьютерная система, ЭВМ (электронно-вычислительная машина), ЧПУ (числовое программное управление), ПЛК (программируемый логический контроллер), компьютеризированные системы управления и любые другие устройства, способные выполнять заданную, четко определенную последовательность операций (действий, инструкций).
Под устройством обработки команд подразумевается электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (программы).
Устройство обработки команд считывает и выполняет машинные инструкции (программы) с одного или более устройства хранения данных. В роли устройства хранения данных могут выступать, но, не ограничиваясь, жесткие диски (HDD), флеш-память, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), твердотельные накопители (SSD), оптические приводы.
Программа - последовательность инструкций, предназначенных для исполнения устройством управления вычислительной машины или устройством обработки команд.
Согласно изобретению, способ формирования трехмерной геологической модели грунта на основе данных инженерно-геологических скважин включает следующие шаги:
получают набор данных о скважинах, геологических разрезах и инженерно-строительных элементах;
Данные о скважине содержат информацию, о глубине скважины и ее координатах, мощностях и типах материалов в исследуемой области (Фиг. 2). Данные о геологическом разрезе содержат порядковые номера пары скважин, между которыми определяется расположение материалов. Расположение материалов в разрезе задается с помощью разграничительных линий (Фиг. 3). Некоторые материалы могут быть определены как техногенные, что обозначает то, что они составляют инженерно-строительные элементы (искусственно созданные слои).
формируют набор вершин и структурных ребер по данным, полученным на предыдущем шаге;
Для каждой скважины создается вершина, координаты которой соответствуют координатам центра устья скважины на горизонтальной плоскости. Если между скважинами задан разрез, формируется ребро между соответствующими вершинами. Если разрез между скважинами отсутствует, ребро не формируется. Сформированные данные представляют проекцию скважин и разрезов на горизонтальную плоскость.
выполняют триангуляцию Делоне по сформированным вершинам и ребрам на предыдущем шаге;
основываясь на данных, полученных на предыдущих шагах, формируют приближенные слои материалов, описывающие общую структуру грунта;
Грубый слой (или приближенный слой материалов) приближенно описывает расположение слоя материалов, составляющих геологическую модель грунта с помощью ограничивающей его верхней и нижней поверхности (Фиг. 4). Вершины, составляющие эти поверхности, находятся в точках состыковки сегментов скважин (слои материалов в скважине). Проекции треугольников, составляющие поверхности на горизонтальную плоскость соответствуют треугольникам триангуляции, построенной на предыдущем этапе (см. чертеж 4). Сегменты скважин, лежащие в грубом слое должны иметь одинаковый тип материала, таким образом, для грубого слоя можно однозначно определить, каким материалом он заполнен. Грубый слой представляется в виде структуры данных, хранящей набор пар 
, где описывает i-ый сегмент j-ой скважины, 
принимает значения {0, 1}, так что (
, 1) обозначает, что сегмент 
находится внутри грубого слоя, (
, 0) обозначает, что грубый слой соприкасается лишь с точкой начала сегмента 
. Для формирования грубых слоев находится такое множество S наборов Sk, для которого минимизируется функционал, характеризующий правдоподобность расположения геологических слоев.
f должна быть задана таким образом, чтобы уменьшение наклона грубых слоев и увеличение числа сегментов, содержащихся в Sk вело к уменьшению значения f. В качестве f можно взять:
Где
n - число скважин,
k - число скважин, сегменты которых, соприкасается с грубым слоем,
m - число скважин, сегменты которых, лежит внутри грубого слоя,
Im - множество индексов скважин, сегменты которых, лежит внутри грубого слоя,
q - коэффициент наклона, заданный пользователем,
L - глубины, сегментов, лежащих внутри грубого слоя,
W - мощности, сегментов, лежащих внутри грубого слоя.
Данный функционал можно представить в рекуррентной форме:
gi - число сегментов в i-ой скважине.
F(g0, …, gn-1) - решение подзадачи со скважинами, составленными из первых gi сегментов.
Оптимизация указанного функционала приводит к формированию грубых слоев, составляющих модель.
для каждого приближенного слоя материалов, сформированного на предыдущем шаге, создают геометрические объекты, представляющие детальные модели слоев материалов, а также корректно описывающие инженерно-строительные элементы;
Верхняя и нижняя плоскости грубого слоя детализируются с помощью интерполяции. Для грубых слоев с материалами, отмеченными как техногенные, применяется линейная интерполяция, для остальных нелинейная. Затем происходит расширение геометрий, чтобы заполнить пустое пространство между ними, а также устраняется пересечение геометрий. Техногенные элементы при этом процессе не изменяются.
ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ
Приведем пример реализации, позволяющий проиллюстрировать сущность заявляемого изобретения.
Согласно способу,
получают набор данных о скважинах, геологических разрезах и инженерно-строительных элементах;
В исследуемом участке расположены шесть инженерно-геологических скважин (Фиг. 5). За начало координат принимают месторасположение устья самой юго-западной скважины. Оси координатной плоскости располагаются параллельно параллелям (ось абсцисс) и меридианам (ось ординат). Также определяют координаты всех скважин в этой системе координат (под координатой скважины будем понимать координаты его устья в описанной системе координат).
Скважина 1: 0 метров по оси абсцисс, 0 метров по оси ординат.
Скважина 2: 10 метров по оси абсцисс, 0 метров по оси ординат.
Скважина 3: 20 метров по оси абсцисс, 0 метров по оси ординат.
Скважина 4: 0 метров по оси абсцисс, 10 метров по оси ординат.
Скважина 5:10 метров по оси абсцисс, 10 метров по оси ординат.
Скважина 6: 20 метров по оси абсцисс, 10 метров по оси ординат.
Высота устья всех скважин 200 метров над уровнем моря.
Известно распределение материалов в участке, исследуемом каждой скважиной (Фиг. 6):
Скважина 1: (сверху вниз) слой теплоизоляции мощностью 3 метра, слой песка мощностью 5 метров, слой известняка мощностью 5 метров.
Скважина 2: теплоизоляция (3 метра), песок (6 метров), известняк (4 метра).
Скважина 3: песок (7 метров), глина (6 метров).
Скважина 4: распределение материалов совпадает со скважиной 1.
Скважина 5: распределение материалов совпадает со скважиной 2.
Скважина 6: распределение материалов совпадает со скважиной 3.
Пусть также известно расположение материалов в разрезе между скважинами 1 и 2 (Фиг. 7). Обозначают теплоизолятор как материал 1, песок - материал 2, известняк - материал 3, глина - материал 4. Данные скважины 1: Координаты (0, 0). Высшая точка: 200. Материалы 1, 2, 3. Мощности 3, 5, 5.
Данные скважины 2: Координаты (0, 10). Высшая точка: 200. Материалы 1, 2, 3. Мощности 3, 6, 4.
Данные скважины 3: Координаты (0, 20). Высшая точка: 200. Материалы 2, 4. Мощности 7, 6.
Данные скважины 4: Координаты (10, 0). Высшая точка: 200. Материалы 1, 2, 3. Мощности 3, 5, 5.
Данные скважины 5: Координаты (10, 10). Высшая точка: 200. Материалы 1, 2, 3. Мощности 3, 6, 4.
Данные скважины 6: Координаты (10, 20). Высшая точка: 200. Материалы 2, 4. Мощности 7, 6.
Данные разреза 1: Находится между скважинами 1 и 2.
формируют набор вершин и структурных ребер по данным, полученным на предыдущем шаге;
Для каждой скважины создается вершина, координаты которой соответствуют координатам центра устья скважины на горизонтальной плоскости. Получают вершины 1-6 с координатами (0, 0) (0, 10) (0, 20) (10, 0) (10, 10) (10, 20) и ребро между вершинами 1 и 2 (Фиг. 8), так как было показано ранее, что между скважинами с порядковыми номерами 1 и 2 существует разрез.
выполняют триангуляцию Делоне по сформированным вершинам и ребрам на предыдущем шаге (Фиг. 9);
Триангуляция Делоне может быть определена как такая триангуляция заданного множества точек на плоскости, для которой минимальное значение всех углов всех треугольников максимально [М. de Berg, М. van Kreveld, M. Overmars, O. Schwarzkoft. Computational Geometry. Algorithms and Applications. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1997, p. 189].
формируют приближенные слои материалов, описывающие общую структуру грунта;
Как было описано в подробном описании, грубый слой описывается набором из (
, 
), несущих информацию, о том что сегмент лежит внутри слоя при 
или соприкасается 
. 
описывает i-ый сегмент j-ой скважины.
Сегменты нумеруются, как показано на Фиг. 10. Далее происходит формирование грубых слоев.
Грубый слой 1 задается следующим образом (Фиг. 11):
Грубый слой 2 задается следующим образом (Фиг. 12):
для каждого приближенного слоя материалов, сформированного на предыдущем шаге, создают геометрические объекты, представляющие детальные модели слоев материалов, а также корректно описывающие инженерно-строительные элементы.
Рассмотрим грубый слой 1. Верхняя и нижняя плоскости грубого слоя измельчаются с помощью интерполяции. Для данного грубого слоя применяется линейная интерполяция, и он правдоподобно корректно моделирует техногенный слой (Фиг. 13).
Для грубого слоя 2 применяется нелинейная интерполяция, которая позволяет корректно моделировать природный слой грунта (Фиг. 14). Затем происходит расширение слоев, чтобы заполнить пустое пространство между ними, а также устраняется пересечение геометрий.
В результате получается набор геометрий, описывающий моделируемые слои.
Выше приведено описание изобретения на примерах вариантов осуществления изобретения, считающихся в настоящее время предпочтительными, однако специалистам в данной области техники очевидно, что в него могут быть внесены многочисленные изменения и дополнения. В соответствии с этим предполагается, что изобретение не ограничено конкретным вариантом его осуществления и должно интерпретироваться в пределах существа и объема, определенных прилагаемой формулой изобретения.
1. Способ формирования геологической модели грунта на основе данных инженерно-геологических скважин, включающий следующие шаги:
- получают набор данных о скважинах, геологических разрезах и инженерно-строительных элементах;
- формируют набор вершин и структурных ребер по данным, полученным на предыдущем шаге;
- выполняют триангуляцию Делоне по сформированным вершинам и ребрам на предыдущем шаге;
- основываясь на данных, полученных на предыдущих шагах, формируют приближенные слои материалов, описывающие общую структуру грунта;
- для каждого приближенного слоя материалов, сформированного на предыдущем шаге, создают геометрии, представляющие детальные модели слоев материалов, а также корректно описывающие инженерно-строительные элементы.
2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что данные о скважине содержат координаты ее устья и каротажные данные в поинтервальной форме: список глубин, мощностей и материалов, послойно заполняющих исследуемый вертикальный отрезок грунта.
3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что данные о геологическом разрезе содержат порядковые номера пары скважин, а также описание расположения материалов в пространстве между упомянутой парой скважин.
4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что некоторые материалы могут быть отмечены как техногенные, что означает то, что они предназначены для моделирования инженерно-строительных элементов.
5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что при формировании набора вершин для каждой скважины создается вершина, координата которой совпадает с координатой устья скважины.
6. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что при формировании набора структурных ребер, в том и только том случае, если между скважинами задан разрез, формируется структурное ребро, соединяющее вершины, соответствующие этим скважинам.
7. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что для формирования приближенных слоев материалов решается задача оптимизации, в которой минимизируется функционал, характеризующий правдоподобность расположения геологических слоев.
8. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что при формировании геометрий точных слоев на основе приближенных слоев материалов, состоящих из материалов, отмеченных как техногенные, применяется линейная интерполяция.
9. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что при формировании геометрий точных слоев на основе приближенных слоев материалов, состоящих из материалов, не отмеченных как техногенные, применяется нелинейная интерполяция.
10. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что полученные геометрии точных слоев не должны пересекаться, они должны находиться внутри области исследования и между ними не может быть пустот.
