СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РУСЛОВЫХ ТЕЛ (палеоканалов)
METHOD FOR PREDICTING MORPHOMETRIC PARAMETERS OF CHANNEL BODIES (PALEOCHANNELS)

Изобретение относится к области геологической интерпретации сейсмических данных. Рекомендовано к использованию как способ углубленной геологической интерпретации русловых тел (палеоканалов). Возможные реализации способа - расчетно-аналитический и путем программирования в ПО.
Основной объект исследований - русла палеорек. По заключению многих исследователей русла древних рек и связанные с ними песчаные тела аллювиального генезиса представляют собой большой интерес при поисках залежей углеводородов, так как являются надежными литологическими ловушками. Условия их формирования предопределяют наличие и коллекторов, и покрышек. Коллекторами, в большинстве своем, являются русловые гравийно-песчаные образования, покрышками - глинистые отложения озер и пойм. Локальное распространение первых гарантирует достаточно ограниченное пространство, подготовленное для вмещения в себя углеводородного флюида. Поэтому основная задача комплексной интерпретации сейсмической и скважинной информации: диагностировать и закартировать именно русловые фации речных систем.
Изучение русловых объектов сейсморазведкой сталкивается с различными ограничениями, прежде всего, связанными с вертикальной (в усредненном варианте от 7 до 15 метров) и латеральной (в усредненном варианте от 100 до 200 м) разрешающими способностями дистанционного геофизического метода. Для речных систем характерно многообразие обстановок седиментации при незначительной мощности геологических тел (от первых метров до двух десятков метров). Аллювиальные системы отличаются крайней неоднородностью строения в силу того, что речные русла непрерывно трансформируются, претерпевая различные флуктуации. Изменения в вертикальной плоскости связаны с процессами глубинной эрозии и аккумуляции. Горизонтальные или латеральные - с воздействием боковой эрозии. Продольные - с формированием и передвижением наносов (перекаты, осередки).
По результатам сейсмической интерпретации можно добиться визуализации объекта, а зачастую только отдельных фрагментов. До настоящего времени не существует методики реконструкции среды осадконакопления (типа речной палеосистемы) по численным параметрам элементов его морфологии.
Одной из причин отсутствия подобного решения является необходимость комплексирования разных знаний: сейсмическая интерпретация в объектно-ориентированном варианте, седиментология, знание морфометрических закономерностей в современных речных системах (гидрология).
Известны примеры автоматизированного морфометрического анализа современных рек. Например, в работе Хромых В.В., Хромых О.В., Томский государственный университет, кафедра Географии, 4(47)/2008 «Морфометрический анализ долинных геосистем Нижнего Притомья» рассмотрен пример автоматизированного морфометрического анализа ландшафтов долины нижней Томи на основе цифровой модели рельефа. Предложена методика расчета средних уклонов геосистем с использованием ГИС-технологий, в том числе инструментов дополнительных модулей ArcGIS 3D Analyst и Spatial Analyst. По карте крутизны склонов рассчитывается зональная статистика для долинных геосистем ранга урочищ, определяется средний уклон каждого урочища, устанавливаются закономерности в распределении средних уклонов в зависимости от абсолютной высоты участков речной долины. То есть на основе измеряемых параметров, восстанавливаются параметры зависимые, характерные для долины речной системы.
К недостаткам указанного способа можно отнести невозможность осуществления качественного прогноза морфометрических параметров долины речной системы.
Аллювиальные отложения встречаются в разновозрастных геологических формациях по всему миру. Многообразие их современных аналогов позволяет активно использовать метод «актуализма» Чарлза Лайеля и проецировать наши знания об особенностях речного седиментогенеза, о морфологии рек, закономерностях их развития во времени и в пространстве на события, запечатленные в геологической истории.
Технической проблемой является прогноз по косвенным признакам, замеряемым на основе результатов объектно-ориентированной интерпретации, следующих параметров:
- морфологического типа палеореки;
- численных характеристик морфометрических параметров геологического объекта (палеоканала), представляющего потенциальную ловушку (коллектор).
Техническим результатом является обеспечение качественного прогноза морфометрических параметров предполагаемой залежи в пределах объекта, который проявляется в сейсмических данных фрагментарно в силу ограничения разрешающей способности геофизического метода.
Возможен выход на прогноз коллекторских свойств в совокупности с анализом обстановок седиментации и распространения фациальных зон.
Сущность изобретения заключается в комплексировании подходов по выявлению объекта средствами объектно-ориентированной интерпретации и оценке параметров русловых палеопроцессов через аналогичные факторы и параметры их проявления в современных речных системах.
Способ прогнозирования морфометрических параметров русловых тел характеризуется выявлением объекта средствами объектно-ориентированной интерпретации и оценке параметров русловых палеопроцессов через аналогичные факторы и параметры их проявления в современных речных системах. Способ включает картирование палеорусла (шнуркового объекта) посредством выполнения объектно-ориентированной интерпретации, анализ формы излучины по сейсмообразу путем фиксирования формы излучины в виде криволинейной линии, определение численных характеристик высоты излучины (А), длины излучины (С), ширины пояса руслоформирования (В), ширины русла (W). Далее путем математических вычислений рассчитывают коэффициент извилистости и устанавливают тип речной системы, определяют относительную ширину русла на основе установленного типа речной системы и ширины пояса меандрирования, определяют мощность аккреционного комплекса и мощность русловых отложений установленного типа речной системы, выбирают современные аналоги по типу руслового процесса и размеру реки, после чего формируют рекомендации по дальнейшему изучению палеорусла и прогнозу зон развития наилучших коллекторов.
Способ (изобретение) иллюстрируется рисунками (Фиг 2-7), где
Фиг. 2. Пример визуализации палеоканала на погоризонтном слайсе;
Фиг. 3. Пример объектно-ориентированной автокорреляции;
Фиг. 4. Пример объектно-ориентированного подхода - извлечение объектов по амплитудным характеристикам;
Фиг. 5. Пример численной оценки параметров по сейсмическому изображению;
Фиг. 6. Пример использования полученных по сейсмическому изображению параметров в объектном моделировании;
Фиг. 7. Типы излучин.
Основой подхода являются следующие положения:
1. Чтобы установить морфодинамический тип современного русла и размеры основных его морфологических элементов, необходимо знать независимые факторы (расчетный расход воды, уклон дна долины, ширину днища долины) и зависимые факторы (величину извилистости русла, гидравлические сопротивления и, при наличии поймы, ширину русловой части пойменно-руслового комплекса). Для палеорусел большинство этих параметров недоступны для непосредственных замеров и могут быть вычислены только по косвенным признакам.
2. Размеры речных русел - это зависимые величины с весьма устойчивыми значениями для конкретного типа руслового процесса, типа водного питания и размера реки.
3. Возможности использования морфометрических и гидроморфологических зависимостей и метода аналогии значительно возрастают благодаря представлениям о дискретности и структурности русловых форм. При использовании зависимостей для каждого типа русловых процессов в отдельности, точность определения характеристик повышается.
4. Каждому водотоку присущи определенный, зависящий от водоносности и быстроты течения предельный радиус кривизны излучин и ширина пояса меандрирования. В качестве ограничения применения зависимостей следует помнить, что реальная форма русла не имеет геометрического совершенства.
По результатам анализа обширного литературного материала были установлены следующие характеристики извилистости и особенностей морфометрии для различных морфологических типов речных систем:
Учитывая размер реки и тип руслового процесса, опираясь на установленные эмпирические зависимости, следует применять следующий пошаговый алгоритм, составляющий сущность патентуемого способа показана на схеме реализации алгоритма Фиг. 1.
Шаг 1. Картирование палеорусла (шнуркового объекта) посредством выполнения объектно-ориентированной интерпретации, направленной на максимально полное и корректное проявления палеоканала в сейсмических данных. Объектно-ориентированная интерпретация представляет собой набор специальных приемов корреляции сейсмических данных, на основании допущения, что каждый фрагмент сейсмического изображения несет в себе определенную геологическую информацию. Приемы объектно-ориентированной интерпретации можно разделить на два направления.
Первое направление включает приемы работы, направленные на выявление и локализацию объекта(ов) через идентификацию палеоизохронных поверхностей. Второе направление предполагает детальную интерпретацию уже установленного объекта, аномально проявленного в сейсмическом изображении.
В первом случае ключевая задача заключается в определении палеоизохронных поверхностей с последующей локализацией объекта.
Во втором случае, палеоизохронную поверхность восстанавливают экстраполяцией от объекта, для того, чтобы, по возможности, понять общую картину седиментации. И в том, и в другом случае задача сводится к корректному отождествлению условно одномоментных событий. Каждое действие требует контроля качества, координации информации по латерали и вертикали.
Объектно-ориентированный подход предполагает скрупулезную работу экстрагирования объекта из общего сейсмического изображения с многократными итерациями для достижения наилучшего результата.
Шаг 2. Фиксирование формы канала в виде криволинейной линии. Анализ формы излучины по сейсмообразу. В плане излучины могут иметь различную форму. У равнинных рек чаще всего сегментные излучины, образованные дугами круга (Фиг. 7, А). Значительно распространены синусоидальные (Фиг. 7, Б) (преимущественно на полугорных реках) и омеговидные (Фиг. 7, Г) излучины (на малых равнинных реках). У омеговидных излучин шпора пережата у основания крыльев, где образуется шейка излучины. Реже встречаются сундучные (Фиг. 7, В) и заваленные (Фиг. 7, Д) излучины. Нередки сложные излучины (Фиг. 7, Е), имеющие вторичные изгибы.
Шаг 3. Измерение численных характеристик, представленных в таблице 5 (Фиг. 5). Возможен вариант оцифровки кривой и автоматический расчет указанных параметров.
Шаг 4. Расчет параметров, характеризующих палеорусло через измеренные численные характеристики рекомендуется выполнять в следующей последовательности.
4а. Установить тип речной системы по коэффициенту извилистости с учетом формы меандр (таблица 4, фиг. 7). В качестве дополнительного параметра можно использовать отношение шага излучины D к ее амплитуде: русла с высотой излучины (А) равной 2-2.5 обычно классифицируются как извилистые, а не меандрирующие.
Рассчитываемые параметры
46. Рассчитать среднее значение ширины русла по значению ширины пояса руслоформирования, используя два варианта:
Первый вариант (Усачев В.Ф. и др., 1985) (Таблица 7).
W - ширина русла, В - ширина пояса руслоформирования.
Второй вариант (Б.Ф. Снищенко).
• При 0.03<W/B<0.09 формируются однорукавные меандрирующие русла,
• при 0.09<W/B<0.22 - русла с пойменной многорукавностью (т.е. реки с несколькими меандрирующими руслами),
• при 0.22<W/B<0.39 - разветвленно-извилистые русла (переходные между пойменной и русловой многорукавностью),
• при W/B>0.39 - русловая многорукавность (т.е. единое русло, разделенное на рукава островами и осередками).
4 с. Рассчитать мощности аккреционного комплекса и мощности русловых отложений, используя следующие зависимости.
Для объектов, охарактеризованных как незавершенное меандрирование используем следующие зависимости:
0.89
С=14,4 В, Здоровенко (2011)
B/W=10,39, Б.Ф. Снищенко (1982)
A=3…4W,
Для свободно меандрирующих рек рекомендованы следующие зависимости:
1.53
В=64.6h, Collinson (1978)
C/W=6…12, Гиндельман (1982)
1.1
C=6.5W, Л. Леопольд и М. Вольман* (1984)
0
98
C=4.7Rc, Л. Леопольд и М. Вольман (1984)
0,99
C=6.6*W, (Ц. Инглис)
1,54
W=6.8H, Лидер (1968)
0,56
h=0.085Rc, Л. Леопольд и М.Вольман (1960)
0,69
W=0.71Rc, Л. Леопольд и М.Вольман (1960)
B/W=18,3, Б.Ф. Снищенко (1982)
A=3…4W,
Из зависимостей, установленных Г. Хэем, следует, что колебания максимальных глубин на участке излучины более значительны, чем средних по сечению и составляет 18%.
Это может служить оценкой погрешности определения расчетной толщины русловых тел (Н).
Шаг 5
Обращение к библиотеке образов, соотносимых с рассчитанными параметрами для установленного типа русловой системы. Выбор современных аналогов по типу руслового процесса и размеру реки.
Шаг 6
Формирование выводов и рекомендаций по дальнейшему изучению палеорусла и прогнозу зон развития наилучших коллекторов.
Эффективность предлагаемого способа была проверена при исследовании палеоканалов в толще понт-плиоценовых отложений Паннонского бассейна (Фиг. 2, 3, 4, 5, 6).
В данном исследовании тестовая настройка с определением численных параметров меандрирования выполнялась с использованием данных по 5 сейсмическим съемкам, общей площадью около 2000 кв.км. В интервале понт-плиоценовых отложений были проинтерпретированы палеоизохронные поверхности и выбраны для изучения отдельные слайсы с наиболее четко выраженными меандрирующими палеоканалами. Всего - 11 объектов. Выполнение сейсмической интерпретации и сейсмофациального анализа в толще, сформированной в условиях озерно-аллювиальной равнины, обозначило целый ряд специфических проблем. Например, отсутствие опорных отражающих горизонтов вследствие значительной латеральной и вертикальной изменчивости разреза, что приводит к большой неопределенности в интерпретации горизонтов и идентификации палеоизохронных поверхностей. Для получения более четкого сейсмического изображения в подобных условиях были специально разработаны приемы объектно-ориентированной интерпретации. Иллюстрация фактического материала, подготовленного для данной работы, приводится на Фиг. 2.
По каждому из выбранных русловых объектов были выполнены замеры амплитуды, полупериода, периода, ширины пояса руслоформирования (меандрирования). Выборка составила 56 значений. На основании статистического анализа получены результаты, представленные в таблице №1. Погрешность измерений сопоставима с латеральной разрешающей способностью сейсмических исследований. Бимодальность отдельных распределений не коррелируется с особенностью объектов какой то конкретной площади.
Вторым важным источником информации для объектного моделирования являются морфологические зависимости, установленные для современных речных систем. Комплексирование сейсмофациального и литофациального анализа позволяет определиться с типом палеоречной системы и использовать современные данные для расчета недостающих параметров, таких как ширина и глубина русла (мощность руслового аллювия для палеорек).
Типичные параметры для современных изолированных поясов меандрирования сводятся к следующим значениям: мощность от 5.0 до 15-20 м; ширина - от 1.0 до 5 км. Статистика свидетельствует, что ширина современных русел варьируется от первых десятков до нескольких сотен метров, редко до 2 км. Следовательно, если в палеоварианте по сейсмическим данным интерпретируется объект «запредельной» ширины, то с высокой долей вероятности, мы имеем результат отображения в волновом поле мультигоризонтального причленения русел типа «лента».
Для тестовой выборки удалось по трендам изменения соотношения полупериода к амплитуде излучины сгруппировать объекты по принадлежности к определенным типам речных систем. Так, рост амплитуды с сокращением шага излучин свидетельствует о переходе от рек с блуждающими руслами к меандрирующим в результате падения скорости потока и уменьшения уклона.
Русла с отношением шага излучины к ее амплитуде в 2-2.5 обычно классифицируются как извилистые, а не меандрирующие. Процесс меандрирования русла есть увеличение этого начального изгиба по мере последовательного причленения к выпуклому берегу русла грядовых русловых форм, их зарастания, стабилизации и включения в пойменный массив.
Учитывая соотношение радиуса (в нашем допущении - амплитуды) излучины (А) к ширине русла (W) для данного типа рек как А=4…5W, расчетная ширина русла будет составлять 80…275 м, в среднем 165 м.
Ширина русел свободно меандрирующих рек характеризуется иным соотношением А=3…4W, и в тестовой выборке варьирует от 100 до 625 м, среднее значение - 320 м. Для рек данного типа характерно увеличение амплитуды с ростом длины меандры за счет возрастания водности.
При стабилизации рельефообразующих процессов и неизменной, либо слабо падающей скорости потока, будет наблюдаться увеличение амплитуды, а шаг меандр будет постоянен. Такие реки имеют промежуточное значение ширины русла в среднем 182 м, вариации в интервале 90-330 м.
Опираясь на закономерность, установленную Collinson (1978) для расчета ширины пояса меандрирования (В) по средней мощности меандровой отмели (аккреционного комплекса), можно решить обратную задачу - вычислить предполагаемую толщину песчаных тел.
1,53
B=64.6*h,
где h - средняя мощность меандровой отмели.
Расчеты показали, что толщина песчаных тел может варьировать в пределах 6.4-16.6 м, наиболее распространены 8.4-11.2 м. Следует учитывать, что мощность одиночных каналов даже очень крупных рек не превышает 30 м, в основном это величины до 10-15 метров. Поэтому любые аллювиальные отложения мощностью свыше 25 м, вероятно, будут представлять систему мультивертикального причленения русел типа «этажерки».
Парный коэффициент корреляции полупериода (шага) и периода равен 0,82, что свидетельствует о возможности использования симметричных (по оси х) синусоидальных меандр. Следует учитывать и тот факт, что малые реки имеют меньший радиус излучин при одинаковом уклоне в сравнении с большими реками.
Пример объектного моделирования русла синусоидальной формы на основе заданных параметров приводится на Фиг. 4. Нужно отметить, что само по себе воспроизведение формы русла не означает моделирование распределения коллектора. В пределах русел меандрирующих речных систем, характерных для относительно равнинных областей, с малым градиентом уклона местности и развитым растительным покровом, происходит накопление достаточно мелкозернистого материала. В старицах отмечается преимущественно глинистое осадконакопление. Хорошие коллектора, как правило, приурочены к песчаным косам (аккреционным комплексам), сформированным за счет бокового наращивания - меандровым отмелям или аккреционным комплексам. Для этих образований характерны высокая неоднородность и сложная сигмовидная морфология. Их изучение сейсмическими методами достаточно затруднительно, вследствие ограничений в латеральной и вертикальной разрешенности, так же как и параметров ширины и глубины меандрирующего русла. Тем не менее, общая модель расположения русла, может помочь специалисту провести анализ пространственной приуроченности к этому объекту участков с улучшенными коллекторскими свойствами и оценить их размеры.