Системный анализ условий нефтегазонакопления.

    Практикуемое в геологии комплексирование исследований природных объектов вовлекает в свою сферу деятельности массивы эмпирических данных. Обработка таких неоднородных сведений традиционными средствами — трудоемкая задача. Поэтому теперь все чаще используются математические методы и ЭВМ. Опыт показывает, что математика и ЭВМ позволяют представлять геологическую информацию в сжатом виде, способствуют повышению надежности и объективности выводов. Успех ощутим, когда задачи первоначально сформулированные в содержательных терминах, затем транслируются на формальный язык математики. В некоторых ситуациях эффективность исследований с помощью ЭВМ оказывается ниже ожидаемого уровня. Возможная причина — выбор однородных моделей там, где объектны неоднородны, игнорирование взаимосвязей геологических объектов.

    В практике поисково-разведочных работ на нефть и газ применяются методы “распознавания образов”.

    Эти методы решают классификационные задачи. Чаще всего применяется метод “распознавание образов с изучением”. Схема реализации метода состоит из следующих процедур: по данным предыдущих исследований формируются две эталонные выборки, каждая соответствует своему классу “продуктивный класс” и “непродуктивный класс”. На эталонных объектах измеряется комплекс технических, физических, химических и др. признаков. Которые несут информацию для правильного распознавания объектов по их продуктивности.

    Математическими приемами конструируется решающее правило (РП) — допустим линейная функция, ее аргументами являются формализованные и другие признаки объектов. Дискриминирующие свойства РП в начале проверяются на материале обучения, затем на объектах данного района не вошедших в обучающие выборки. Если распознавание выполняется с небольшой ошибкой, то РП рассматривается как формализованный аналог критерия продуктивности-нефтегазоносности, угленосности, выбросоопасности и др.

    Данный подход приемлем, если при отборе объектов обучения и признаков, исследователь учел существенные и общие из них, управляющие продуктивностью. В этом случае перенос действия РП на новые объекты достигает положительный эффект. Нередко геологическая обстановка ввиде аргументов дискриминантной функции бывает другой за пределами объектов обучения. Это снижает эффективность РП.

    Таким образом, ни многоаспектность исследований, ни математические методы обработки данных на ЭВМ не гарантируют безошибочности выводов. Причины ошибок в данной ситуации — абсолютизация формальной стороны процедур классификации. Значит, математическое решение геологических задач будет успешно лишь при постоянном контакте между формальным (и построение РП) и содержательным (отбор объектов и признаков) аспектами проблемы. Такой контакт обеспечивается переходом от комплексирования исследований к системному уровню.

    В настоящее время задачи, решаемые наукой и практикой, усложнились. Это касается тех отраслей знания, которые исследуют проблемы генезиса, развития и функционирования многокомпонентных и сложноустроенных объектов. Традиционные научные методы, ориентированные на членении исходных сложноорганизованных объектов на части с последующим их изучением (вне связи друг с другом), в подобных случаях малоэффективны.

    К одному из наиболее перспективных относится направление, опирающееся на концепцию целостности. С ее точки зрения необходимо сначала отыскать то, что объединяет эти объекты — тогда мы получаем возможность их более глубокого познания.

Группа объектов, в определенных условиях, ведущая себя как целостное образование — система, обнаруживает специальные свойства, не выводимые из свойств отдельных объектов — элементов, слагающих эту систему. Изучение таких свойств (их называют эмерджентными) позволяет получить новую, нетривиальную информацию о природе изучаемой системы и ее элементов.

    Информационная ценность эмерджентных свойств обусловлена тем, что они отражают отношение существующие и возникающие между элементами системы, системой и окружающей средой, элементами и средой в результате определенных взаимодействий. Исследования, направленные на выявление и изучение систем, называют — системно-ориентированными.

    Необходимость такого подхода вытекает из научной концепции, детерминизма — важнейшего принципа материалистической диалектики.

В основе современного понимания детерминизма лежит “связь всего”, трактуемая как “необходимая связь, объективная связь всех сторон, сил, тенденций etc, данной области явлений”. Игнорирование взаимосвязанности различных свойств, сторон природных объектов неизбежно ведет к появлению элемента метафизичности в естественнонаучном знании. В.И.Ленин писал: “Чтобы действительно знать предмет, надо охватить, изучить все его стороны, все связи и “опосредования”. Мы никогда не достигнем этого полностью, но требования всесторонности предостережет нас от ошибок и от омертвения”.

    Любое системное описание предполагает выполнение таких процедур, как дискредитация системы (идентификация системообразующих элементов) и выявление структуры системы (вскрытие связей, отношений между элементами системы).

    Перед определением понятий “элемент” и “структура системы”, уточним: “Система, являясь идеализацией, может быть вычленена из вещей только мысленным абстрагированием. Значит, на одном фактическом материале, описывающем заданное множество объектов, может быть сконструировано сколь угодно много систем. Различия между ними обусловлены тем, что каждая из систем моделирует тот или иной важный для исследователя аспект изучаемого набора объектов. Эта неоднозначность исчезает, если исследователь соответствующим образом конкретизирует преследуемую им цель. Определенность цели означает определенность свойств совокупности объектов — системы. Эти свойства должны быть учтены в конструируемой модели системы. Уточним понятие: элемент — это предел членения в рамках данного качества системы, он не состоит из компонентов и представляет собой нерасчленимый далее элементарный носитель именно этого качества. Элемент неделим не вообще, а только в рамках данного качества”. Характер связи элементов вытекает из определения: “структура — внутренняя организация системы, специфический способ взаимосвязи образующих ее элементов”. То есть для элементов системы допустимы не любые, а лишь конкретные взаимоотношения — “системообразующие связи”. Связи выбираются таким образом, чтобы обеспечить выделение системы с наперед заданным системным качеством, характер которого регулируется смыслом стоящей перед исследователем проблемы.

    Описание системы будет неполным без характеристики взаимодействия системы и среды. Среда — “то есть объекты, которые, будучи внешними по отношению к системе, участвуют в формировании ее интегрированных свойств опосредованно через отдельные элементы системы или системы в целом”.

    Задавая системные качества, мы конкретизируем внешние факторы, участвующие в диалоге “система —среда”.

Введем обозначения: Х — множество входных значений (значения внешних факторов, воздействующих на систему), С — множество состояний системы, У — множество выходных значений (параметры системы, реагирующие на изменения внешних факторов).

Большинство систем изучаемых естествоиспытателями, динамические, то есть развивающиеся во времени. Поэтому взаимоотношения удобнее исследовать на временной оси Т={t}.

    Характер взаимодействия системы и среды отражается следующими соотношениями между Х, С и У:

p _t : C_t x X_t -> Y_t (реакция системы)

j_t : C_t x X_t -> C_t’ (функция перехода состояний, t<=t*<t’)

    Значения p, j, а также величин С и Х позволяет точно предсказывать выходные значения У, то есть не только удовлетворительно описывать функционирование системы, но и прогнозировать ее поведение. Такие системы называются жестко детерминированными. Однако при изучении природных объектов исследователь обычно не располагает необходимой информацией о реакции системы, кроме того, сведения о входных воздействиях и состоянии системы могут оказаться неполными.    М.Месорович и Я.Такахаря предлагают такие системы называть открытыми. Неопределенность открытых систем можно в некоторой степени уменьшить, если от точных значений Х и У перейти к множеству подмножеств П(Х) и П(У):

П(Х) -> П(У).

    Последнее выражение расшифровывается так: некоторому классу входных воздействий соответствует вполне определенных класс входных значений. Дальнейшего прогресса в прогнозировании поведения таких систем можно добиться, если ввести дополнительную структуризацию П(Х) и П(У), то есть более строго определить характер взаимоотношений между классами входных и выходных параметров. Так, во многих случаях полезно обращение к идее о вероятностном воздействии среды (Х) и системы (С,У).[КВ1]

    Ю.Г.Антонов предлагает выделять два типа вероятностных взаимодействий системы и среды: слабое и сильное. При слабом взаимодействии система и среда относительно независимы.

Так, если среде присущ вполне определенный закон распределения ее состояний р^е, таким образом в системе этому закону может соответствовать некоторое множество законов распределения вероятностей ее состояний: {р^s, р^s ... р^s}. По этой причине исследования подобных систем мало что дает для решения генетических задач.

    Иная картина наблюдается при сильном вероятностном взаимодействии. Показатели организованности среды и системы достигают максимальной степени согласованности, а главное — адекватность между системой и средой устанавливается на уровне законов распределения р^s и р^е. Определенному закону р^е соответствует единственный закон распределения вероятностей р^s. Это обстоятельство предопределяет более глубокого познания природы внешних факторов даже в том случае, если они непосредственно ненаблюдаемы. Элементы, сильно взаимодействующие с одними и теми же факторами, тесно взаимосвязаны, а это в свою очередь, находит соответствующее отражение в структуре системы.

    Итак, существование особых механизмов (например, функции C_t x X_t -> Y_t или соотношения р^е -> р^s) фиксирующих в составе и структуре системы наиболее характерны особенности постоянно меняющейся среды, превращает системный анализ в высокоэффективный метод решения человеческий задач.

    Первое целенаправленное применение системных методов в геологии осуществил В.И.Вернадский. Он сформулировал основные методологические положения:

Организованность — всеобщее свойство любых естественных тел, являющихся продуктами и агентами природных процессов.

Принципиальная допустимость любой фрагментаризации природы.

Выделение естественных тел — систем — это логическая процедура. Для любой логической процедуры характерны элементы схематизации, идеализации, что и обеспечивает переход от оригинала естественного тела, обладающего бесконечным множеством самых различных свойств, к его модели, учитывающей лишь некоторые из них.

    Модели только тогда обладают познавательной ценностью, когда они построены с учетом и в соответствии с целями и задачами, возникающими в процессе научно-практической деятельности человека.

    В рамках одной методологии реализуются два различающихся подхода, один конструктивный (система конструируется), другой — декларативный (любой сложный объект трактуется как система). Что увидеть различие воспользуемся определением системы А.И.Цепова: S=def[R(m)]P, где S — символ системы, состоящий из элементов m; R — взаимоотношения между элементами системы; P — некоторое важное для нас свойство системы, определяющее выбор (конкретизацию) системообразующего отношения R.

    При конструировании системы в начале задают, исходя из некоторых содержательных соображений, свойство (или набор свойств) Р, определяющее специфику системы, затем отыскивают класс отношений R, согласующийся с этим свойство и, наконец формируют множество элементов {m}, на котором выполняется R. В этой ситуации в процедуру выполнения системы можно изобразить в виде последовательности P->R->S.

    Выбор свойства Р во многом определяется той конкретной целью, которая преследуется геологом при проведении научных исследований и поисково-разведочных работ, а также спецификой научно-технических средств, применяемых для достижения этой цели. Изменение цели ведет к смене, переформулированию системной концепции.

    Таким образом в основе конструктивного подхода лежат принципы, которые были зафиксированы в подходе В.И.Вернадского. Системность естественных тел как продуктов природных процессов (1), допустимость выделения множества геологических систем на одних и тех же природных объектов (2), модельный характер любого системного описания (3), целенаправленность системной фрагментаризации природы (4). Декларативный подход игнорирует все перечисленные выше принципы, кроме принципа (1) — который абсолютизируется. Любые продукты традиционной фрагментаризации природы (минералы, породы, осадочные бассейны, нефетегазоносные провинции и т.п.) объявляются системными объектами и лишь после этого предпринимаются поиски их эмерджентных свойств, а также их структурных характеристик. При таком подходе последовательность процедур системного анализа выглядит иначе, чем при конструировании систем S->P->R (задача структурирования) при S->R->P (задача выявления эмерджентности).

Методика системного решения задач нефтяной геологии.

Основные процедуры составляют взаимосвязанную последовательность операций, которые удобно разбить на четыре главных этапа:

I. Постановка задачи.

    Включает вопросы: выяснение условий формирования геологических объектов, закономерности размещения месторождений и т.п. Осмысливание проблемы с точки зрения ожидаемых конечных результатов (формулирование цели), а также в методолгическом плане (формирование системной концепции Р) позволяет исследователю составить представление о характере, об объеме необходимой геологической информации. Поэтому следующей операцией является сбор, систематизация и хранение сведение об изучаемых геологических объектах.

II. Этап описания.

    На этом этапе одна из основных процедур — конструирование геологических систем. В зависимости от стоящей перед исследователем задачи формируется система геологических признаков или система геологических тел. Этап включает три операции:

выбор объектов (признаков или тел) mЄM подлежащих системному исследованию;

выбор системообразующего решения R;

конструирование систем S₁, S₂,...,S_n, элементами которых являются mЄM.

    Операции этого этапа легко формализуемы, поэтому реализуются специальными программами на ЭВМ.

III. Этап объяснения.

    Основная задача этого этапа — содержательная интерпретация геологических систем, полученных на предыдущем шаге. Центральное место отводится нахождению общих факторов, под которыми в данном случае понимаются некоторые особенности среды, вызывающие вполне определенные взаимоотношение элементов, образующих систему. Задача состоит в выявлении и содержательной интерпретации факторов, управляющих корреляциями элементов, входящих в одну систему. Одним из основных методов решения этой задачи является специальный, то есть проводимы с геологических позиций анализ состава систем, сконструированных на основе фиксированных P и R.

    Другим путем, позволяющим обнаружить и идентифицировать искомые общие (для данной системы) факторы, является вычисление и последующий геологический анализ величин (J), отражающих в определенной степени направление и интенсивность действия системообразующих факторов. Это путь реализуем только в рамках специальных методов исследования структуры корреляционных матриц. Значения J могут быть нанесены на геологическую карту, что позволяет соотнести их с тектонической обстановкой, увязать с распространением тех или иных осадочных, вулканогенных и других пород.

    Следующим шагом этого этапа является построение генетической модели и проверка ее адекватности реальным объектом. Если на этих объектах не подтверждаются следствия, вытекающие из генетических построений, но вносятся поправки в процедуры:

выяснение общих факторов;

конструирование системы (изменение состава множества M, смена системообразующего отношения R, обращение к другому метода анализа корреляционной матрицы;

информационное обеспечение (проверка фактического материала, расширение и уточнение набора геологических признаков);

формулирование системной концепции Р (изменение или уточнение представлений о возможных взаимосвязях cреды и объекта).

IV. Этап прогноза.

    Генетическая модель дает исследователю лишь общие представление о “механизме” формирования тех или иных геологических объектов. В связи с этим, чтобы превратить генетическую модель в инструмент прогнозирования, необходимо выполнить действие, направленные на конкретизацию этого ретроспективного конструкта, нефтегазоносности и т.п. Критерии должны содержать четкие и не двусмысленные правила отнесения исследуемого тела, участка, района и т.д. и вполне определенному классу перспективности (“пустой” участок перспективный, весьма перспективный и т.п.) они формулируются с привлечением дополнительной информации — общетеоретических положений, конкретные сведения по прогнозируемой территории.