Способ реконструкции тонкой структуры геологических объектов и их дифференциации на трещиноватые и кавернозные
METHOD FOR RECONSTRUCTION OF FINE STRUCTURE OF GEOLOGICAL FEATURES AND DIFFERENTIATION THEREOF INTO FRACTURED AND CAVERNOUS

Изобретение относится к области сейсмической разведки и может быть использовано при поиске нефтяных и газовых месторождений со сложно построенными карбонатными трещиновато-кавернозными коллекторами.
В настоящее время при интерпретации данных сейсморазведочных работ используются в основном только регулярные отраженные волны, обеспечивающих построение как скоростной модели, так и геометрии границ раздела и реконструкции свойств, связанных с ними слоев горных пород. Однако фундаментальные физические свойства сейсмических волновых полей накладывают весьма жесткие ограничения на разрешающую способность методов, опирающихся на использование отраженных волн. В то же время, уже само по себе присутствие рассеянных волн несет информацию о наличии в среде микроструктуры, характерные размеры которой существенно меньше доминирующей длины волны. Следовательно, использование таких волн открывает возможность значительного повышения информативности и разрешающей способности сейсмических методов изучения внутреннего строения среды.
Известен способ исследования вертикальных зон трещиноватости, состоящий в возбуждении и последующей регистрации сейсмических колебаний в горных породах исследуемой зоны с целью выделения из них дуплексных волн и использование их амплитуды для вынесения суждения о присутствии вертикальной границы, разделяющей среды с различными свойствами с использованием дополнительных сейсмических измерений с помощью установки, содержащей, по меньшей мере, две пары «источник -приемник», размещенные на одинаковом расстоянии с противоположных сторон выявленной вертикальной границы, измерение расстояния от каждого источника и каждого приемника до выявленной вертикальной границы, выделение дуплексных волн, отраженных от точек, расположенных на выявленной вертикальной границе, определение их скорости и амплитуды, выявление зоны, ограниченной двумя вертикальными границами, определение конфигурации указанной зоны с последующим ее картированием, отнесение выделенной зоны к зоне трещиноватости при расстоянии между двумя вертикальными границами, ее ограничивающими, меньшем длины дуплексной волны, оценку степени трещиноватости в выявленной зоне путем сравнения амплитуд дуплексных волн, зарегистрированных при дополнительных сейсмических измерениях, с их эталонными значениями. Регистрацию дуплексных волн при основных и дополнительных сейсмических измерениях проводят послойно и раздельно для слоев, характеризующихся различными интенсивностью и преобладающими направлениями трещиноватости. Шаг послойного измерения дуплексных волн не менее их длины. RU 2415448 C1, опубл. 27.03.2011.
Недостаток способа состоит в чрезвычайно узком спектре применения, ограниченном весьма частными случаями протяженной вертикальной трещиноватости. Кроме того, при этом требуется регулярность таких трещин в вертикальном направлении, то есть отсутствие шероховатости берегов трещин. Дело в том, что только в этом случае возникает дуплексная волна, то есть волна, распространяющаяся вдоль вертикальной или субвертикальной трещины. К сожалению, вертикальной трещиноватости, как правило, не присуща выдержанность по вертикали. Длина регулярных трещин составляет, как правило, первые метры, другими словами редко превышает десятые доли доминирующей длины волны. Таким образом, область применения метода дуплексных волн ограничена геологическими средами с протяженными вертикальными системами трещин и неприменим к изучению мелкомасштабных неоднородностей карбонатных резервуаров.
Известен способ прямого прогноза залежей углеводородов, который основан на выделении аномалий микросейсмической активности и концентраций химических соединений ароматического ряда углеводородов по одним и тем же профилям. Проводится сравнение аномальных распределений между собой и по участкам совпадения аномалий микросейсмической эмиссии и концентраций ароматических соединений со структурными особенностями на сейсмических временных разрезах, производится прогноз пространственного положения залежи. Для прогноза проводится дообработка данных сейсморазведки путем формирования поля случайных волн не только до вступления регулярных волн, но и в последующих частях сейсмограмм, полученных по технологии общей глубинной точки, где время регистрации превышает появление отраженных волн от глубинных частей разреза, путем создания совокупности трасс равных удалений от пунктов возбуждения и сводных временных полей, объединенных единым пунктом приема, выделяют участки аномальных значений энергии сейсмической эмиссии, нормированной на энергию общего поля случайных колебаний. Согласно изобретению, волновое поле случайных волн формируют на основе сейсмограмм, полученных при профильных и площадных наблюдениях отраженных волн, путем создания серии временных полей, составленных из совокупности трасс равных удалений от пункта взрыва по участкам, свободным от записи регулярных волн, и сводных временных полей, составленных из сейсмограмм многократных перекрытий, объединенных единым пунктом приема. Выделяют участки аномальных значений энергии низкочастотной составляющей, определяют ее долю в общем поле микросейсм, рассчитывают амплитудно-частотные спектры и их градиенты в низкочастотной области. Далее строят карты распределения аномальных концентраций ароматических соединений по площади. Наносят на эти карты распределение аномалий микросейсмической активности и по результатам совпадения аномалий прогнозируют наличие залежи и дают экспертную оценку. RU 2454687 C1, опубл. 27.06.2012.
Недостатком этого решения является необходимость проведения геохимических наблюдений.
Известен способ комплексной обработки геофизических данных, который включает последовательное накопление измерительной информации от измерителей параметров геофизических полей, обработку измеренных данных, а также анализ и интерпретацию данных, причем измеренные данные обрабатывают последовательно в несколько этапов. Накопление информации осуществляют в базе данных (БД) априорной геологической информации, в БД акустического каротажа (АК) опорных скважин и в БД сейсмограмм общей глубинной точки (ОГТ) 2D/3D в окрестности опорных скважин. Данные обрабатывают последовательно в семь основных этапов: на первом этапе обрабатывают данные АК и метода ОГТ и формируют априорные скорости ОГТ, на втором этапе формируют горизонты отражающих границ, поля скоростей ОГТ и временные поля сейсмограмм метода ОГТ, на третьем этапе формируют детальное поле скоростей ОГТ с увеличенной латеральной разрешенностью, на четвертом этапе формируют среднеслоистую модель скоростей упругих волн, на пятом этапе формируют тонкослоистую модель скоростей упругих волн, на шестом этапе формируют тонкослоистую модель упругих параметров, на седьмом этапе формируют тонкослоистые модели фильтрационно-емкостных свойств и тип флюидонасыщения в межскважинном и околоскважинном пространстве. По данным обработки измерений на первом - седьмом этапах проводят анализ и комплексную интерпретацию совокупности данных с вынесением суждения о наличии объектов углеводородов малой мощности (менее 15-20 м), целесообразности их разработки, мониторинга и оптимизации размещения эксплуатационных скважин на исследованной площади. Отличием способа также является то, что БД априорной геологической информации и БД акустического каротажа АК опорных скважин формируют в виде баз данных, которые содержат данные геофизического исследования скважин (ГИС), причем БД априорной геологической информации содержит данные литографических колонок опорных скважин, стратиграфические разбивки и данные лабораторного анализа керна, а БД АК опорных скважин содержит данные измерений акустического каротажа АК, данные гамма-гамма плотностного каротажа и данные кавернометрии, причем проводят корректировку данных ГИС с возможностью статистического формирования поправок с использованием петрофизических зависимостей. RU 2490677 C2, опубл. 20.08.2013.
К недостаткам способа следует отнести привлечение стандартных методов повышения информативности и разрешающей способности сейсмических данных на основе изучения корреляционных зависимостей, которые не гарантируют корректную локализацию объектов.
Наиболее близким к изобретению относится способ реконструкции тонкой структуры геологического объекта и прогноза его флюидонасыщения, основанный на использовании численного моделирования трехмерных волновых полей с целью калибровки результатов выделения рассеянной составляющей. Само выделение производится путем асимметричного суммирования данных многократного перекрытия в пределах апертур источников и приемников. Принцип асимметричного суммирования данных является общей чертой прототипа и предлагаемого способа. RU 2563323 C1, опубл. 20.09.2015.
Главными недостатками прототипа является недостаточная разрешающая способность и отсутствие четкого алгоритма для определения апертур источников и приемников, обеспечивающих максимально возможную разрешающую способность способа.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа реконструкции тонкой структуры геологических объектов и их дифференциации на трещиноватые и кавернозные, позволяющего прогнозирование коллекторских свойств геологического разреза трещиновато-кавернозных карбонатных месторождений по данным сейсморазведки.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении точности и детальности реконструкции структуры карбонатных коллекторов при выявлении и локализации зон трещиноватости и кавернозности, а также в возможности дифференцирования этих объектов, различая скопления трещин и каверн.
Технический результат достигается способом реконструкции тонкой структуры геологических объектов и их дифференциации на трещиноватые и кавернозные, согласно которому, по стандартным сейсмическим изображениям среды, полученным с использованием отраженных волн, проводят анализ поведения отражающих горизонтов на временных разрезах, определяют углы наклона границ целевых горизонтов, по которым рассчитывают оптимальные параметры асимметричного суммирования сейсмических данных - угол и азимут трассирования Гауссовых пучков, которые определяют весовые множители и апертуру, обеспечивающие максимально надежное построение поля энергии рассеянных волн, с полученными параметрами проводят асимметричное суммирование сейсмограмм после сигнальной обработки и куба средних скоростей, получают селективные изображения в области углов наклона и азимутов трассирования, которые суммируют и из полученного полно азимутального поля энергии рассеянных волн проводят расчет атрибутов рассеяния, основанных на анализе селективных изображений в зависимости от азимута и типа дифракции/рассеяния, затем на основании имеющейся на площади фактической геолого-геофизической информации, осуществляют реконструкцию тонкой структуры геологических объектов и их дифференциацию на зоны кавернозности и трещиноватости.
Указанные признаки изобретения существенны.
Изобретение основано на специальной обработке данных трехмерной сейсморазведки для построения изображений в рассеянных волнах, на основе которых выполняется реконструкция тонкой структуры геологических объектов месторождения и дифференциация на трещиноватые и кавернозные объекты.
Возможность реконструкции тонкой структуры геологических объектов месторождения за счет глубокого использования рассеянных волн, дифференциация объектов на зоны кавернозности и трещиноватости, существенно отличает заявленный способ от прототипа.
Предлагаемый способ свободен от недостатков, которые присутствуют у описанных выше способов: он не ограничен геологическими средами с протяженными вертикальными системами трещин, для него отсутствует необходимость привлечения геохимических методов, не использует корреляционные зависимости, он гарантирует корректную локализацию и дифференциацию трещиноватых и кавернозных объектов, при этом обеспечивается более высокая разрешающая способность.
Основой изобретения является применение способа обработки данных трехмерной сейсморазведки в целях построения изображений в рассеянных/дифрагированных волнах. В ее основе лежит асимметричное суммирование данных многократного перекрытия с использованием специальным образом вычисляемых весовых множителей. Именно использование таких весов и позволяет обеспечить высокую разрешающую способность построенных изображений и сохранение на них истинной амплитуды отражения/рассеяния. Такие свойства определяют за счет разложения полного волнового поля по Гауссовым пучкам - наиболее остронаправленным специально построенным сейсмическим волнам. Из этого можно получать изображения заранее выбранных геологических объектов, от протяженных регулярных границ до зон скопления микронеоднородностей, таких как, зоны повышенной трещиноватости и кавернозности горных пород.
Таким образом, ключевыми шагами реализации данного изобретения являются:
1. Выделение поля энергии рассеянных волн за счет разложения полного волнового поля по Гауссовым пучкам, получение сейсмических атрибутов, основанных на анализе изображений в зависимости от азимута и типа дифракции/рассеяния.
2. Реконструкция тонкой структуры геологических объектов и их дифференциация на трещиноватые и кавернозные.
Способ иллюстрирован следующими фигурами:
На фиг. 1 представлены принципы формирования апертур асимметричного суммирования предлагаемого способа (а) и прототипа (б).
На фиг. 2 представлены изображения разрезов поля рассеянных волн, полученных предлагаемым способом (а), способом прототипа (б) и графики их спектров (в).
На фиг. 3 представлены изображения каркаса цифровой модели-двойника реального месторождения (а) и результирующий синтетический трехмерный куб (б).
На фиг. 4 приведено сравнение горизонтального сечения модели резервуара месторождения (а) и его реконструкция тонкой структуры геологических объектов в поле рассеянных волн (б).
На фиг. 5 показана дифференциация объектов резервуара модели месторождения на зоны трещиноватости и кавернозности, при помощи атрибутов дифракции/рассеяния. Способ реализуют последовательным выполнением следующих приемов:
1. Привлекают стандартные сейсмические изображения среды, полученные одним из методов обработки сейсмических данных, ориентированным на использование отраженных волн (например, реализации миграции до или после суммирования). Проводят анализ поведения отражающих горизонтов на временных разрезах, рассчитывают утлы наклона границ. Полученные оценки используют для определения оптимальных параметров асимметричного суммирования сейсмических данных: угла и азимута трассирования Гауссовых пучков, которые определяют весовые множители и апертуру, обеспечивающие максимально надежное построение поля энергии рассеянных волн.
2. С полученными параметрами проводят асимметричное суммирование сейсмограмм после сигнальной обработки и куба средних скоростей, с использованием программного обеспечения. В результате получают селективные изображения в области углов наклона и азимутов.
3. Селективные изображения суммируют по всем углам и азимутам трассирования, получают полноазимутальное поле рассеянных волн.
4. Из полноазимутального поля энергии рассеянных волн с использованием программного обеспечения выполняют расчет сейсмических атрибутов, основанных на анализе изображений в зависимости от азимута и типа дифракции/рассеяния.
5. На заключительном этапе по полноазимутальному полю рассеянных волн проводят пространственную локализацию областей с повышенным уровнем энергии рассеянных волн и ее оценку на основании имеющейся на площади фактической геолого-геофизической информации (материалы геофизических исследований скважин (ГИС) и данных лабораторного анализа керна), проводят реконструкцию тонкой структуры геологических объектов. Атрибуты дифракции (рассеяния) используют для дифференциации трещиноватых и кавернозных геологических объектов по типу, на основании фактических данных по скважинам.
С точки зрения теории и физики процесса предлагаемый способ заключается в следующем.
Сейсмические волны несут информацию как о строении регулярных протяженных границ раздела (отраженные волны), так и о распределении в среде скоплений мелкомасштабных неоднородностей (дифрагированные-рассеянные волны), что особенно важно для изучения тонкой структуры кавернозно-трещиноватых коллекторов. Построение трехмерных дифракционных изображений неоднородностей в упругих средах обусловлено тем, что рассеяние и отражение волн учитывается корректно именно в трехмерном пространстве, то есть там, где происходят реальные физические процессы. Предложенный способ во многом опирается на ранее выполненные исследования по изучению дифракции и рассеяния сейсмических волн в упругих средах. На которых, в том числе основан способ прототипа - фокусирующие преобразования. Основное отличие заключается в использовании для фокусировки сейсмической энергии специальных асимптотических решений динамической теории упругости - Гауссовых пучков.
Результат достигается за счет инновационного способа построения изображений путем выполнения асимметричного суммирования данных сейсморазведки с использованием специальным образом вычисляемых весовых множителей на основе использования возможности представления полного волнового поля в виде суперпозиции Гауссовых пучков. Благодаря выполняемому асимметричному суммированию со специальным образом построенными весами, удается подавить регулярную часть волнового поля, задаваемую падающими-отраженными-преломленными Гауссовыми пучками и, тем самым, подчеркнуть его рассеянную компоненту. При этом, применяемое подавление регулярной составляющей является наиболее полным как раз из-за того, что Гауссовы пучки определяют наиболее остро направленные волновые поля, чем достигается повышение разрешающей способности. В расчете апертур заключается основное различие между прототипом и предлагаемом способом. Апертура в предложенном способе формируется за счет трассирования Гауссовых пучков к конкретным пунктам возбуждения и приема. Апертура прототипа формируется за счет суммирования пунктов возбуждения и приема на фиксированных базах, которые остаются постоянными для любых точек, в которых строится изображение. Данные различия принципов формирования апертур для предложенного способа, и способа прототипа проиллюстрированы на фиг. 1. Этим, прежде всего, достигается высокая разрешенность способа, что на практике приводит к получению более детальных изображений, с широким спектром, наглядно продемонстрированных на фиг. 2.
Одним из преимуществ изображений в дифрагированных (рассеянных) волнах является возможность подчеркивать на разрезе такие важные с геологической точки зрения объекты, как разломы (дифракция), зоны повышенной трещиноватости (рассеяние) и другие структурные нарушения. Пространственная структура сингулярных объектов находит свое отражение в пространственном распределении порождаемых ими рассеянных/дифрагированных волн. Приведем классическую классификацию сингулярных объектов и соответствующие им типы рассеянных-дифрагированных волн:
• Локальное возмущение параметров среды, все размеры которого меньше длины волны, так называемый точечный дифрагирующий/рассеивающий объект (каверна) порождает дифрагированную/рассеянную волну, распространяющуюся равномерно по всем направлениям и на изображениях в рассеянных волнах, представляется в виде локального разрастания энергии;
• Локальные возмущения, протяженные в пространстве, такие как скопления трещин, геологические разломы. Порождают рассеянные/дифрагированные волны, распространяющиеся в двух направлениях: наиболее интенсивная энергия по нормали к направлению протяженности объекта, а вторичный максимум вдоль сингулярности.
В результате выделения рассеянной компоненты из полного волнового поля, появляются возможности построения локальных объектов акустических неоднородностей в разных комбинациях азимутальности:
• построение изображения полноазимутального поля рассеянных волн (сумма изображений, полученных по всему набору азимутов) для оценки интенсивности рассеяния;
• построение изображений азимутальных сумм рассеянного поля в заданных азимутальных секторах;
• получение сейсмических атрибутов:
- атрибут «структурной дифракции» есть амплитуда полного поля рассеянных волн, умноженная на амплитуду «структурного» рассеяния. Этот атрибут указывает на присутствие дифрагирующих объектов с определенной структурой, прежде всего это ориентированная трещиноватость и разломы.
- атрибут - «азимут структурной дифракции» являющийся азимутальным направлением, перпендикулярным азимутальному направлению, в котором амплитуда рассеяния является максимальной. Этот атрибут указывает на азимутальное направление объектов «структурной дифракции», прежде всего направление трещин.
- атрибут «точечной дифракции» - амплитуда полного поля рассеянных волн, умноженная на амплитуду «точечного» рассеяния. Атрибут указывает на присутствие точечных дифрагирующих объектов без азимутальной ориентации, это могут быть вариации плотности трещин, каверны, изломы разломов.
Заявляемый способ апробирован на различных участках с карбонатным типом коллектора. Для практической реализации способа и в качестве примера была создана модель - сейсмогеологический цифровой двойник одного из характерных месторождений Восточной Сибири характеризующегося сложным геологическим строением. Наибольший интерес на месторождении представляют залежи, приуроченные к сложным по своему геологическому строению рифейскому карбонатному коллектору, с которыми связаны основные объемы запасов нефти и газа. Пустотность коллектора представлена каверново-трещинным типом. При построении сеточной цифровой модели месторождения, каркас был описан множеством границ раздела слоев, полученных по данным сейсморазведки и скважинных наблюдений. Слои были заполнены упругой средой на основе данных ГИС в скважинах. В модели преобладает субгоризонтальное залегание слоев при наличии структурных нарушений - разломов. По данным исследований в скважинах, были учтены неоднородности строения разломов и приразломных зон, осложненными участками высоких деформаций. Помимо того в рефейский резервуар модели включает элементы тонкой структуры, такие трещиноватость, длинной от 5 до 300 м, образующих реалистичные коридоры трещиноватости, и кавернозность, с пустотностью до 20% и толщинами в 1-10 м, подтвержденные результатами ГИС и лабораторного анализа керна, в пределах месторождения. Все описанные особенности модели наглядно проиллюстрированы на фиг. 3а.
Полномасштабное численное моделирование системы многократного перекрытия проводилось для фиксированной системы трехкомпонентных приемников, расположенных на всей апертуре 8 на 10 км с равномерным шагом 25 на 25 м. Источники типа центра расширения (взрыв) располагались на линиях с шагом 50 м, сами линии отстояли друг от друга на 300 м. В качестве сигнала в источнике использовали импульс Рикера с доминирующей частотой 40 Гц. В результате, была сформирована реальная полевая система, обеспечивающая полноазимутальную запись. По сейсмогеологическому двойнику месторождения были рассчитаны полные синтетические сейсмические данные, достоверно отображающие как регулярные, так и рассеянные волновые поля, вызванные наличием мелкомасштабных неоднородностей, полностью идентичные реальным данным. В результате расчетов получен синтетический куб, который представлен на фиг. 3б.
Для практической реализации способа было создано программное обеспечение для ЭВМ «Построение трехмерных изображений рассеянных волн во временной области на основе Гауссовых пучков» (свидетельство о государственной регистрации №2019613485). Оно использует следующие входные данные: сейсмограммы и скоростная модель среды в сейсмическом формате SEG-Y. В результате расчета программы строится трехмерное изображение геологической среды в рассеянных волнах в сейсмическом формате SEG-Y.
Этап 1. По суммарным временным разрезам, полученным после миграции по синтетическим данным, проведен анализ поведения отражающих горизонтов на временных разрезах для выбора параметров асимметричного суммирования - углы и азимуты для трассирования Гауссовых пучков в направлении источников и приемников, обеспечивающих отсутствие регулярных границ раздела в области частичного восстановления. Поскольку залегание границ - субгоризонтальное, был выбран угол подхода, достаточный для разрушения плоских волн, в интервале от 20 до 30°, с шагом 5°, для статистического накопления.
Этап 2. Используя полученные параметры, с помощью программного обеспечения «Построение трехмерных изображений рассеянных волн во временной области на основе Гауссовых пучков», используя в качестве входных данных сейсмограммы и скоростную модель синтетических данных, были вычислены селективные изображения рассеянных волн в области углов и азимутов трассирования.
Этап 3. Селективные изображения были просуммированы по всем углам и азимутам трассирования, в результате чего получено общее полноазимутальное поле рассеянных волн.
Этап 4. Из общего полноазимутального поля рассеянных волн с помощью программного обеспечения «Построение трехмерных изображений рассеянных волн во временной области на основе Гауссовых пучков» рассчитаны атрибуты дифракции/рассеяния: атрибут «структурной дифракции», «азимут структурной дифракции» и «точечной дифракции».
Этап 5. На заключительном этапе, по полноазимутальному полю энергии рассеянных волн проведена пространственная локализация областей с повышенным уровнем энергии и на основании имеющейся на месторождении априорной скважинной информации, была проведена реконструкция структуры целевого рифейского резервуара. Сопоставив горизонтальные срезы цифровой модели резервуара и ее изображение в рассеянных волнах, полученного в результате работы способа, отмечается схожесть между моделью и изображением - существует почти однозначное соответствие: местоположение всех дифрагирующих объектов, включая разломы, трещиноватость, кавернозность и их относительная амплитуда реконструированы корректно, что наглядно продемонстрировано на фиг. 4.
Затем на основе атрибутов дифракции/рассеяния была произведена дифференциация геологических объектов целевого резервуара по типу дифракции. Зоны развития направленной трещиноватости на площади, подтвержденные микросканерами ГИС в скважинах №1 и №2, уверенно локализуются на изображении рассеянных волн атрибута «структурной дифракции», а азимут простирания трещиноватости, соответствует азимуту атрибута «азимут структурной дифракции». Имеющаяся на площади зона интенсивной кавернозности, фиксируется на изображении атрибута «точечной дифракции», что соответствует данным ГИС и исследования керна в скважине №3, где выявлено интенсивное выщелачивание карбонатов. Вышеописанные результаты проиллюстрированы на фиг. 5.
Как видно из приведенного примера, заявленный способ позволяет четко локализовать мелкомасштабные неоднородности карбонатного рифейского коллектора и дифференцировать их по типу дифракции, а именно, на зоны трещиноватости и кавернозности.