ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА СЕЙСМИЧЕСКОЙ ИНВЕРСИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ ПЛАСТОВ

ВВЕДЕНИЕ

В геофизике применяется несколько методов изучения структуры Земли, поиска месторождений полезных ископаемых и оценки запасов углеводородов. Рассмотрим использование этих методов для оценки физических параметров нефтегазоносных пластов, включая их проницаемость, пористость и насыщение флюидами с помощью математических алгоритмов обращения сейсмических данных, полученных в результате проведения сейсморазведочных работ и моделирования. Сейсмическая инверсия – это процесс обращения сейсмических данных для получения информации о структуре и свойствах геологической среды. Плотностной каротаж – это метод изучения геологических разрезов скважин, основанный на измерении плотности горных пород, он позволяет определить литологии пород, их коллекторские свойства и другие характеристики, необходимые для оценки запасов углеводородов и выбора методов их разработки [1–4].

Применение метода сейсмической инверсии включает следующие этапы:

• запись и обработка сейсмических данных, на этом этапе проводится сбор и обработка информации при помощи специализированного оборудования;
• создание моделей пласта, на основе сейсмических данных строится трехмерная модель пласта, которая включает информацию о его структуре, свойствах и насыщенности флюидами;
• применение метода инверсии, математический алгоритм используют для получения оценок физических параметров модели пласта;
• валидация результатов, полученные оценки физических параметров проверяются на соответствие геологическим и геофизическим данным испытаний скважин;
• корректировка модели и повторение процесса, на основе валидации результатов могут быть внесены корректировки в модель пласта и процесс инверсии.

Добыча нефти, газа и других полезных ископаемых из земных недр является сложным технологическим процессом, в который входят процесс определения местоположения углеводородов и привязка скважины. Результаты бурения последних лет говорят о необходимости детализации геологического строения залежей пластов неокомской группы. С целью решения данной задачи планируется выполнить оценку физических параметров пластов неокомской группы и уточнить корреляцию отражающих горизонтов, относящихся к данным пластам, методом сейсмической инверсии данных общей глубинной точки. Заложение скважины – это процесс выбора места для бурения скважины. Он включает в себя определение координат места скважины, глубины, угла наклона и других параметров, необходимых для успешного бурения. Рекомендации по заложению скважин включают информацию о геологических особенностях района, наличии полезных ископаемых и других факторах, которые могут повлиять на процесс бурения [5–8].

Определимся с терминологией метода сейсмической инверсии. Синтетическая привязка – это метод создания виртуальных точек наблюдения в трехмерном пространстве на основе имеющихся данных. Низкочастотная фоновая модель необходима для описания распределения акустического импеданса на низких частотах и учета влияния окружающей среды на распространение звука. Акустический каротаж – метод изучения свойств пород путем измерения скорости распространения и затухания акустических волн. Акустический импеданс характеризует способность материала отражать или проводить звук. Для этого метода используются данные о скорости звука в материале и его плотности. Куб акустического импеданса – это трехмерная модель, которая показывает распределение акустического импеданса в пространстве [9–12].

Результатом статьи является создание сейсмогеологической модели пластов неокомской группы и определение объектов для бурения новых скважин, уточнение модели строения пластов с применением данных сейсмической инверсии. Для визуализации модели нефтегазового месторождения применялся программный комплекс Petrel [13].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Математические алгоритмы, которые оптимизируют параметры модели среды, позволяют проверить и достигнуть наилучшего соответствия между моделированными и измеренными акустическими данными. Детерминистическая акустическая инверсия – метод, используемый в геофизике для анализа акустических данных, определения структуры и свойств земных слоев. Она основана на решении обратной задачи, где измеренные акустические данные используются для определения параметров среды, через которую распространяется звуковая волна. Этот метод позволяет получить наиболее точные сведения о среде, соответствующие зарегистрированным данным с помощью сопоставления модельных и измеренных акустических параметров и последующей оптимизации модели.

Детерминистическая инверсия представляет собой инструмент исследования подземных структур и широко применяется в нефтегазовой промышленности, геологии, геофизике и других областях, где важно понимание геологической среды. Она обеспечивает детальную информацию о слоях Земли и позволяет прогнозировать структурный и литологический состав подземных областей. Анализ прослеженных отражающих горизонтов, динамических атрибутов на основе куба акустического импеданса позволит узнать о наличии углеводородов в интервале неокома и дать рекомендацию на заложение бурения скважин.

Главная цель инверсии – определение этих параметров среды на основе акустических параметров, полученных в результате сейсмического исследования. В детерминистической акустической инверсии важным аспектом является использование различных источников акустических волн, таких как взрывы, геофоны или звуковые источники на поверхности земли и морском дне. Каждый источник имеет свои особенности и применяется в зависимости от требуемого разрешения и глубины исследования. Также детерминистическая инверсия может быть комбинирована с другими методами исследования, такими как электромагнитные методы или гравиметрия, с целью получения более полной информации о геологической среде.

В работе использовался метод обобщенной линейной инверсии для оптимизации значений акустических импедансов (I_p) в горизонтальных пластах с фиксированными границами раздела. Это достигалось путем минимизации функционала, который контролировал расхождение между модельной (m (t)) и реальной (s (t)) трассами, а также удаление от заданного начального приближения. Основное внимание уделялось линеаризации разности модельных трасс (Δm (t)) относительно небольших вариаций (ΔI_p) акустических параметров модели. Однако недостатком этого метода пластовой инверсии было точное задание априорной информации о свойствах разреза, включая фиксацию значений I_p отдельных пластов, что ограничивало его применимость в реальных условиях.

Дальнейшее развитие метода акустической пластовой инверсии включало следующие аспекты: ввод оптимизации положения границ пластов на оси; гибкий подход к учету априорной информации, позволяющий задавать диапазоны I_p в реперных пластах и в промежутках между ними без выхода за пределы линейной оптимизации; попытка создания метода многоканальной инверсии, в котором в оптимизации участвуют группы трасс временного разреза для получения участка сейсмоакустической модели с кусочно-линейными границами слоев.

В алгоритме упругой пластовой инверсии используется модель, в которой плоская продольная волна под углом φ падает на пачку однородных пластов с плоскопараллельными границами.

Параметры модели описываются вектором , который содержит значения объема, плотности и давления для каждого пласта модели. Целью решения задачи является поиск вектора , который минимизирует функционал Ф₁, описываемый следующим образом:

(1)

Функция sⁱ (t) представляет собой i-ю трассу реальной сейсмограммы, а mⁱ (t) – i-ю трассу синтетической сейсмограммы. Для расчета синтетической трассы mⁱ (t) необходимо использовать кинематическую модель среды, чтобы определить углы падения плоской волны на поверхность первого слоя (φ_i). Затем используется эффективный алгоритм решения прямой задачи.

При оптимизации функционала Ф₁ задается начальное приближение вектора искомых параметров ⁰, для линеаризации сейсмического волнового поля относительно искомых параметров используется разложение mⁱ (t_j, ) в ряд Тейлора, в котором оставляются только первые два слагаемых, а остальные отбрасываются:

(2)

где Δа_k = а_k – а ⁰_k – разность k-х значений векторов и ⁰.

При подстановке mⁱ (t_j, ) в формулу функционала Ф₁ получаем функционал Ф₂, в который добавляется слагаемое, ограничивающие энергию корректирующего вектора Δ:

(3)

Решение задачи минимизации Ф₂ приводит к системе линейных уравнений, которая позволяет найти значения Δа_k. Коэффициенты этой системы зависят от разностей между дифференциальными трассами типа δmⁱ (t_j, ⁰)/δа_k. Для практической реализации алгоритма трассы вычисляются с использованием метода конечных разностей:

(4)

Алгоритм был протестирован на простых моделях среды, содержащих до пяти слоев между двумя полупространствами, и показал высокую эффективность в определении акустических и геометрических параметров модели. Но у него имеется недостаток, связанный с упрощенным способом регуляризации, который не позволяет задавать диапазоны изменения акустических параметров в различных блоках модели. Исправить этот недостаток позволяет акустический каротаж – метод измерения времени распространения упругих волн в горных породах, которые расположены в скважине. Информацию, полученную при помощи метода, можно применять для определения пористости коллектора – горной породы, обладающей способностью вмещать нефть, газ и воду и отдавать их при разработке и предоставлении информации для сейсморазведки.

Использование акустического каротажа вместе с другими методами, такими как полевая сейсморазведка, помогает получить дополнительную информацию о геологической структуре и свойствах горных пород. Большая разрешающая способность приборов акустического каротажа на высоких частотах обеспечивает детальную информацию о породах внутри скважины. Скважинный прибор акустического каротажа работает путем испускания импульсов упругих волн частотой 25 кГц, которые распространяются во всех направлениях от источника. При воздействии источника упругих колебаний соседние частицы горной породы начинают колебаться относительно положения равновесия.

В акустическом каротаже практический интерес представляет время, затраченное упругой волной на преодоление расстояния от источника до приемника. Обычно данные акустического каротажа не представляются в виде простых временных значений, так как во время измерений могут быть разные расстояния между источником и приемником, что делает результаты несопоставимыми. Вместо этого данные обычно представлены величиной, обратной скорости, измеряемой в единицах времени на единицу расстояния, что позволяет сравнивать данные, полученные приборами с разными расстояниями между источником и приемником.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Подготовка материала к сейсмической инверсии, анализ качества данных и корректировка показаний

В географическом положении изучаемый участок находится в центральной части Западно-Сибирской равнины (рис. 1). Исследуемая территория расположена на участке двух крупных геоблоков: Фроловской мегавпадины и Среднеобского геоблока [14].

Были проанализированы кривые каротажа потенциала самополяризации и гамма-каротажа. Видно, что в районе неокома есть предпосылки к коллекторам с углеводородами. Запись геофизических методов выполнялась различными приборами. С целью исключения аппаратурного влияния на показания выполнена стандартизация данных с помощью методики Ш. А. Губермана, основанной на постоянстве физических свойств разреза по площади, что позволяет использовать статистические характеристики геологических разрезов [15].

В качестве эталона выбрана скважина, вскрывшая доюрское основание и наиболее полно характеризующая породы осадочного чехла. Привязка скважинных данных была выполнена к сейсмическому кубу, полученному по результатам обработки в 16 скважинах исследуемой площади. Коэффициент корреляции сейсмических параметров и результатов синтетического моделирования имеет значение от 0,55 до 0,88, представленных на планшетах привязки скважин (рис. 2).

Для определения возможностей локализации интервалов коллекторов в поле упругих параметров был выполнен анализ кросс-плотов (графиков). В качестве этих параметров использованы следующие упругие характеристики: плотность (ρ_П), скорость продольных волн (υ_p) и акустический продольный импеданс (AI).

Акустический импеданс был предварительно рассчитан для всех скважин по формуле:

(5)

На рис. 2 показаны графики параметров по всем скважинам для неокомских пластов, участвующих в работе. Они имеют характерное поведение, соответствующее эмпирическим моделям Гарднера для песчаников (красная линия тренда) и глин (синяя линия тренда), что указывает на приемлемое качество замеров и корректную подготовку данных [17].

Уравнение Гарднера связывает скорость сейсмической продольной волны с объемной плотностью литологии, в которой распространяется волна:

(6)

Отметим следующие этапы применяемой технологии сейсмической инверсии:

• предварительная подготовка данных сейсмики и географических информационных систем, извлечение импульсов;
• петрофизическое обоснование проведения сейсмической инверсии;
• построение низкочастотной модели;
• анализ параметров инверсии в скважинах и проведение инверсии по 3D-кубу исследуемой площади.

Для проведения акустической инверсии применяли 14 основных скважин, остальные скважины были использованы в качестве контрольных. После привязки скважин проведено извлечение уточненных импульсов для каждой из них. Важным этапом при проведении сейсмической инверсии является процедура построения низкочастотной модели, с помощью которой начинает работать алгоритм решения обратной задачи. Для создания фоновой модели в качестве исходной информации использовались кривые акустических импедансов в 14 скважинах и сейсмические горизонты. К полученному результату применялся фильтр низких частот с граничным значением 10 Гц во временной области.

На рис. 4 показан процесс подбора дистанции и весовых коэффициентов, с которыми каждая скважина оказывает влияние на конечный результат расчетов.

Далее выполнен расчет куба акустического импеданса с использованием среднего значения импульса. Одной из задач куба акустического импеданса является улучшение качества прослеживаемости отражающих горизонтов. На основе куба были прослежены отражающие горизонты в районе неокома в интервале 1975–2175 мс. Основным контролем качества выполненной акустической инверсии являлся анализ зависимостей между восстановленным и акустическим импедансом, рассчитанным по скважинным данным.

Импедансы сравнивали в сейсмическом диапазоне частот, для этого кривые акустического импеданса скважин были отфильтрованы с частотой 60 Гц, с применением обратного расчета синтетического сейсмического куба на основе сейсмического импульса. На рис. 5 последовательно показаны карта атрибута среднеквадратичных амплитуд и спектральная декомпозиция. Справа на рисунке имеются значения амплитуд: чем ниже амплитуды, тем темнее цвет (синий, фиолетовый), а высокие значения соответствуют зеленому, желтому и красному цветам.

Сейсмическая инверсия выполнялась в программном модуле Quantitative interpretation на основе метода детерминистической инверсии данных. Выполнена стандартизация кривых ГИС – геофизические исследования скважин, они были определены в интервале меловые-юрские отложения для устранения аномалий.

После проверки динамики получена спектральная декомпозиция на основе куба акустического импеданса, которая визуально подтверждает динамический анализ исследования. Высокие значения амплитуд могут говорить о наличии в изучаемой породе углеводородов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С помощью программного модуля построен куб акустического импеданса, по которому были прослежены отражающие горизонты в районе неокомских отложений. Произведена проверка правильности куба акустического импеданса, в работе сравнивали исходный и синтетический кубы. По кубу разности видно, что в неокомском интервале остался условно только шум, в то время как в юрских отложениях амплитуды растут, т. к. инверсия узконаправленная. Результаты инверсии могут быть использованы для принятия важных решений, связанных с разработкой ресурсов, строительством производственной инфраструктуры, оценкой геологической стабильности, проведения геолого-разведочных и гео­физических работ по добыче нефти и газа.

Проведя анализ динамических атрибутов, на основе отражающих горизонтов по кубу акустического импеданса можно заключить, что высокие значения амплитуд позволяют сделать вывод о наличии в породе углеводородов для последующей рекомендации на заложение скважин добычи нефти и газа.