• Nenhum resultado encontrado

Статистический анализ режима эксплуатационных скважин верхнемелового водоносного горизонта Ессентукского месторождения

УДК 550.341.5

Statistical Analysis of the Monitoring Data of Production Upper Cretaceous

Визуальный анализ данных мониторинга позволяет выявить некоторые тенденции и взаимозависимости ключевых параметров режима. Поэтому ниже приведено статистическое исследование структур временных рядов исследованного массива данных и рассчитаны прогнозные значения параметров, на примере одной из скважин.

Исходные данные

Рассматриваемый ряд из скважин ориентирован практически по направлению погружения пласта с промежуточными расстояниями от 2.8 до 7.9 км глубина залегания кровли в самой южной скважине 70 – 40.4 м, в самой северной 71 – 679 м. По результатам предыдущих исследований, взаимовлияния скважин не выявлены.

Рисунок 1 – Геологический разрез Ессентукского месторождения ПВ (масштабы:

горизонтальный – 1:150 000; вертикальный – 1:20 000) Цветом символов показан химический состав вод: белый – воды различного состава, красный – хлоридного, желтый – сульфатного,

голубой – гидрокарбонатного

Используемая база данных охватывает период с 1972 по 2017 год, она собрана из наблюдений за уровнями и химическим составом в эксплуатационных и наблюдательных скважинах в разное время. Временные ряды некоторых показателей имеют продолжительные пропуски, большинство – имеет меняющиеся интервалы измерений.

При анализе временных рядов, как и для большинства других методов статистики, ряд не должен содержать пропуски, а также быть представительным. Это приводит к тому, что для статистического анализа из всего многообразия гидрогеодинамических и гидрогеохимических параметров для большинства исследуемых скважин оказываются пригодными лишь дебиты, статические и динамические уровни, содержания макрокомпонентов и минерализация и температура.

Методика исследования

Для статистических исследований необходимо идентифицировать модель, описывающую исследуемый ряд. В общем случае можно предположить, что временной ряд складывается из трех компонентов: тренд, гармонические колебания и случайный шум.

Монотонные тренды описываются линейной функцией если необходимо, выполняется линеаризация исходного ряда (например, логарифмированием). Для выделения гармонических составляющих используется метод анализа автокоррелограмм.

После выделения тренда и гармоник (системных компонент) оставшаяся компонента принимается равной сумме несистемных компонент: влияния случайного процесса (белый шум) и коррелированной ошибки (случайные блуждания). Вклад каждого компонента в формирование значения ряда определяется по его доле в дисперсии исходного ряда.

Для анализа и прогнозирования нестационарных временных рядов используется модель – ARIMA (autoregressive integrated moving average modelинтегрированная модель

авторегрессии – скользящего среднего) (Бокс, Дженкинс, 1974.). Это метод одномерной статистики, в котором для расчета прогноза используются предыдущие значений ряда.

Сезонная модель ARIMA(p, d, q)(P, D, Q) определяется параметрами порядка авторегрессии – p, порядка скользящего среднего – q, порядка разности – d и их сезонными аналогами P, Q, D соответственно. Учет тренда выделяется при последовательном вычитании компонентов ряда. Параметры p, q, P, Q определяются на основе литературных рекомендаций (Панкатц, 1983).

Чем выше значимость несистемных компонент, определяющих значения элементов временного ряда, тем выше скорость роста доверительного интервала, и ниже способность модели прогнозировать исследуемую величину, это минус всех одномерных методов.

Одним из путей повышения точности прогнозов таких величин является учет изменений других параметров системы. В контексте данной работы, например, на изменения минерализации должны влиять изменения дебитов и уровней в скважинах, а при условии протяженности процесса во времени может потребоваться учет значений параметров (предикторов) еще и на предыдущих временных периодах. Для определения набора предикторов использован метод кросс-корреляции исследуемого временного ряда с временными рядами предикторов, в том числе, с учетом временных лагов. В случае линейной модели расчет значений осуществляется простым суммированием взвешенных значений предикторов.

Оба метода реализованы в программном комплексе Statistica 10 (StatSoft Inc., 2011).

Результаты и выводы

Для каждого параметра каждой скважины проведено исследование структуры ряда, результаты приведены ниже (

Таблица 1). При схожести режима эксплуатации практически полностью отсутствует какие-либо закономерности в долевом распределении дисперсии по компонентам по мере погружения пласта (по возрастанию номера скважины).

Анализ структуры временных рядов этих параметров показал большой вклад несистемных компонентов (коррелированная и некоррелированная ошибка), за исключением минерализации некоторых скважин, где системные компоненты (в основном, линейные тренды) играют значительную роль (около 65% дисперсии). От 85%

до 99% дисперсии дебитов определяется случайными процессами, фактически дебиты добычи определяются текущей производственной потребностью.

Общей чертой практически всех скважин (за исключением скв. 3) нижнемелового водоносного горизонта является обратная зависимость минерализации и дебита и прямая зависимость между статическими уровнями и дебитами. То есть, при повышении дебитов происходит понижение уровня как статического, так и динамического, что активизирует приток более минерализованных вод, а в случае со скв. 3 менее минерализованных. Скв. 3 находится в относительном центре Ессентукско-Ново-Благодарненской ветви Эльбрус- Минераловодской зона левосдвиговых деформаций северо-восточного (антикавказского) простирания. Из всего этого можно сделать вывод о том, что, возможно, в районе скв. 3 находится центр геолого-гидрогеологической структуры с наивысшими значениями минерализации, предположительно связанный с внедрением углекислого газа эндогенного происхождения и, как следствие более интенсивным растворением вмещающих преимущественно карбонатных отложений. В будущих работах этот вопрос будет рассмотрен более детально.

Исходя из соотношений системных и несистемных компонент временных рядов скв. 5 прогноз изменений минерализации рационально проводить на базе ARIMA модели, в то время как прогноз статических уровней (динамические уровни коррелируют со статическими с коэффициентом корреляции R=0.94) рациональней производить по модели многомерной регрессии.

Таблица 1. Результат анализа соотношений компонентов временных рядов Параметр Доля в дисперсии, % Скв. 1

(Qср=52 м3/сут)

Скв. 2 (Qср=83

м3/сут)

Скв. 3 (Qср=35

м3/сут)

Скв. 4 (Qср=39

м3/сут)

Скв. 5 (Qср=97

м3/сут)

Статический уровень, м

Линейный тренд (b) 4.38

(-0.037) 0 81.56

(0.001) 0 0.03 (-0.007)

Сезонность 0.75 67.81 0 0 0

Ошибка Коррелированная 64.98 30.91 15.93 0 35.58

Шум 29.88 1.28 4.31 0 64.4

Динамический уровень, м

Линейный тренд (b) 11.9

(-0.064) 90.31

(-0.001) 35.4 (0.16)

Сезонность 7.2 0 13.31

Ошибка Коррелированная 54.64 4.76 45.35

Шум 26.26 4.93 5.78

Дебит, м3/сут

Линейный тренд (b) 6.01

(-0.204) 15.74

(-0.02) 15.48

(0.002) 81.56

(0.001) 0.64 (0.065)

Сезонность 0 0 0 0 0

Ошибка Коррелированная 46.4 70.33 43.55 48.82 46.25

Шум 47.59 13.95 40.91 37.8 53.04

Минерализация, г/л

Линейный тренд (b) 0 67.22

(-0.005) 64.9

(-0.001) 13.34

(0.002) 63.96 (0.007)

Сезонность 0 5.4 0 0 17.91

Ошибка Коррелированная 0 19.04 0 0 8.88

Шум 100 8.34 35.1 86.65 9.24

Подбор предикторов выполнялся на основе кросс-корреляций параметров системы, как в текущий момент времени, так и с задержкой. Статистически значимые R имеют:

значение уровня в предыдущее время, дебит скважины в текущее и в предыдущее время, дебит соседней скважины в предыдущее время. Если принять за критерий корректности прогноза соотношение ширины доверительного интервала к разбросу исходного ряда в 100%, то горизонт прогнозирования составит (Рисунок): для минерализации (ARIMA) – 19 месяцев, статический уровень (ARIMA) – 3-4 месяца, статический уровень (многомерная регрессия, оценка ширины доверительного интервала методом Монте-Карло 200 итераций) – 12-18 месяцев.

Рисунок 2 – Рост ширины доверительного интервала для статического уровня и минерализации (в процентах от дисперсии исходного ряда)

Список литературы

1. Абрамов В. Ю. Формирование химического состава подземных вод в экстремальных термодинамических условиях: дис. д. г.-м. н. М., 2015.

2. Канторович Г. Г. Лекции: Анализ временных рядов. ВШЭ. М., 2002-2003

3. Лаврушин В.Ю. Формирование подземных флюидов Большого Кавказа и его обрамления в связи с процессами литогенеза и магматизма: дис. д. г.-м. н. М., 2015.

4. Box G. E. P and Jenkins G.M., (1976). ―Time series analysis: „Forecasting and control,‖ Holden-Day, San Francisco. 1976.

5. Pankratz A., Forecasting with Univariate Box-Jenkins Models, 1983 УДК 251.233.556.3

Influence of Anthropogenic Factor on the Operation of a Geothermal Object

Outline

Documentos relacionados