Способ трехмерного структурного картирования разломных зон и полей напряжений осадочного чехла земной коры для месторождений углеводородов
METHOD FOR THREE-DIMENSIONAL STRUCTURAL MAPPING OF FAULT ZONES AND STRESS FIELDS OF THE SEDIMENTARY COVER OF THE EARTH'S CRUST FOR HYDROCARBON DEPOSITS

Изобретение относится к нефтегазовой геологии и сейсморазведке и может быть использовано для выявления и картирования разломных зон и связанных с ними полей тектонических напряжений в пределах месторождений углеводородов со сложным строением осадочного чехла. Актуальность подобных исследований обусловлена тем, что наличие разломов и тектонических напряжений является контролирующим фактором в процессе накопления и распределения залежей углеводородов, а также служит осложняющим фактором при бурении разведочных и эксплуатационных скважин. Изучение разрывной структуры и напряженно-деформированного состояния месторождений позволяет выявить местоположение и морфогенетический тип разломных зон, косвенно оценить проницаемость породного массива, а также определить места возможных осложнений при бурении, связанных с повышенными напряжениями и дислоцированностью пород.
Эффективность методов исследования закономерностей структурообразования в регионах, характеризующихся высокой интенсивностью деструкции, а также активной миграцией флюидов и газов, зависит от распространенности в породном массиве исходных для анализа структурных элементов (разломов, складок, трещин со штрихами скольжения и др.). Для подобных исследований наиболее перспективной является тектоническая трещиноватость.
Известны парагенетические способы реконструкции осей напряжений, основанные на анализе совокупностей закономерным образом разноориентированных плоскостей тектонических разрывных структур в горных породах верхней части земной коры [Гзовский, М.В. Основы тектонофизики / М.В. Гзовский. - М., «Наука», 1975. - 536 с.; Расцветаев, Л.М. Парагенетический метод структурного анализа дизъюнктивных тектонических нарушений / Л.М. Расцветаев. - В кн. Проблемы структурной геологии и физики тектонических процессов. Ч. 2. М., ГИН АН СССР, 1987. - С. 173-235; Николаев, П.Н. Методика тектонодинамического анализа / П.Н. Николаев. - М., Недра, 1992. - 295 с.; и др.]. Ограничением данных способов, обычно используемых при обработке трещиноватости, является недостаточная результативность для выявления закономерностей формирования разломно-блоковой структуры земной коры. Необходимые для их реализации рисунки трещиноватости встречаются редко (пирамиды, конусы, пояса вращения), а использование других (система отрывов или две системы сколов) ограничивается известными трудностями установления морфогенезиса или сопряженности систем, что необходимо для восстановления осей палеонапряжений.
Известен способ, отличающийся от множества иных способов парагенетического анализа, прежде всего, особым типом разломно-трещинного парагенезиса (аналог заявляемого способа). Способ спецкартирования разломных зон земной коры [Семинский, К.Ж. Принципы и этапы спецкартирования разломно-блоковой структуры на основе изучения трещиноватости / К.Ж. Семинский // Геология и геофизика. - 1994. - Т. 35, №9. - С. 112-130; Бурзунова Ю.П. Углы между сопряженными системами приразломных трещин в идеализированных и природных парагенезисах, формирующихся в различных динамических обстановках // Литосфера. - 2011. - №2. - С. 94-110; Семинский К.Ж. Спецкартирование разломных зон земной коры. Статья 1: Теоретические основы и принципы // Геодинамика и тектонофизика. - 2014. - Т. 5. - №2. - С. 445-467; Семинский К.Ж. Спецкартирование разломных зон земной коры. Статья 2: Основные этапы и перспективы // Геодинамика и тектонофизика. - 2015. - Т. 6. - №1. - С. 1-43] расширяет возможности парагенетического анализа повсеместно распространенной «немой» (т.е. без кинематических маркеров) трещиноватости. Метод назван спецкартированием, во-первых, вследствие его специальной структурной направленности в отличие от традиционного геологического картирования природных регионов, и, во-вторых, из-за специфичности подхода с использованием трещин в качестве исходного звена для расшифровки разломно-блоковой структуры земной коры. Парагенезисы, принимаемые в качестве исходных для выявления разломных зон, представляют результат постадийного разрывообразования (как показано на фиг. 1), в процессе которого в зоне скалывания происходит закономерная смена полей напряжений 2-го порядка.
Обобщение экспериментальных и природных данных показало, что полный парагенезис разрывов зоны скалывания разломного типа состоит из магистрального сместителя (разлом 1-го порядка) Y-типа и семи направлений разломов 2-го порядка: R, R', n, n', t, t' и Т-типа. Каждому из этих направлений на трещинном уровне соответствует парагенезис из трех примерно перпендикулярных систем опережающих разрывов, основу которого составляют два классических направления сопряженных трещин, одно из которых совпадает с положением разломного сместителя. Поскольку сдвиги, взбросы и сбросы в механическом отношении подобны (формируются при скалывании), эталонные наборы разрывных систем для зон их влияния являются членами представленного выше обобщенного парагенезиса разломов и трещин, ориентированного в пространстве так, чтобы его положение и характер подвижек по Y-сколам соответствовали правому или левому сдвигам, а также сбросам или взбросам с разными углами падения.
Подобный подход позволил составить эталонные круговые диаграммы (трафареты), каждая из которых представляет полный набор разрывных систем для всех основных типов разломных зон. Эти трафареты используются в спецкартировании для сопоставления со стандартными для структурной геологии диаграммами плотности трещиноватости, соответствующими массовым замерам трещин в точках структурных наблюдений на изучаемом участке земной коры. Полученные в результате данной операции локальные решения о присутствии в пункте наблюдения разломной зоны определенного типа и пространственной ориентировки выносятся в соответствующем месте на схему территории, после чего по точкам с однотипными парагенезисами отстраиваются границы разломных зон.
Кроме составленной таким способом схемы разломной структуры, спецкартирование дает возможность установить типы полей напряжений, в которых на отдельных этапах формировались или активизировались ее отдельные элементы. Для этого проводится поранговый анализ выделенных разломных зон, на первом этапе которого все первоначально полученные локальные решения сопоставляются по типу и ориентации с членами идеализированного парагенезиса разломов 2-го порядка, соответствующего сдвигу, взбросу (надвигу) или сбросу. Выявленные в итоге данной процедуры решения о наличии разнотипных разломных зон более крупного ранга соответствуют региональному уровню поля напряжений, существовавшему в истории развития изучаемого участка земной коры. Эти региональные решения используются в качестве основы для следующей итерации с идеализированными парагенезисами разломов, пока не будет исчерпана возможность объединения разломных зон в рамках сети какого-либо определенного типа. Несколько (обычно 3-4) оставшихся решений об ориентировке разломной зоны и динамической обстановке ее формирования отражают самый низкий (региональный или геоструктурный) уровень процесса деструкции в регионе. Они не могут развиваться в одно время и, таким образом, соответствуют разным этапам разломообразования, проявившимся на изучаемой территории. Эти этапы располагаются в эволюционной последовательности, согласно возрастным оценкам, сделанным по косвенным (статистическая информация о частоте встречаемости и угловых соотношениях разрывных систем) или прямым (априорная информация) признакам. В заключении спецкартирования обратным ходом осуществляется составление схем разломных зон для каждого из главных этапов формирования структуры. Для этого из общей сети выделяются те дизъюнктивы, которые возникли или активизировались в соответствующем поле напряжений.
Парагенетический принцип, применяющийся для выделения на местности разломных зон, и эволюционный принцип, используемый для определения этапности формирования структуры, дополняются при спецкартировании статистическим подходом к сбору и обработке информации, формализованностью и единообразием основных операций способа. Это позволяет успешно решать проблемы, связанные с изучением «немых» сетей разрывов (внешняя хаотичность, локализованность первичных наблюдений, неопределенность возрастных взаимоотношений, влияние структурно-вещественных неоднородностей, времеемкость сбора и обработки статистической информации), что вывело спецкартирование в разряд наиболее эффективных методов исследования разломной структуры земной коры. Таким образом, реализация способа-аналога позволяет откартировать локальные и региональные разломные зоны, установить их типы и разновозрастные поля напряжений, в которых происходило разломообразование. Главным итогом спецкартирования являются схемы разломных зон, активных на отдельных этапах формирования структуры.
Данный способ имеет ограничения в получении непосредственного доступа к исходным структурно-геологическим данным для площадной и особенно трехмерной съемки. Ограничением в применении способа может стать недостаточное (для построения детальной равномерной сети пунктов наблюдений) количество обнажений коренных пород, что может быть обусловлено заболоченностью, задернованностью или залесенностью территории исследования, а также другими обстоятельствами. Принципиальным недостатком способа в свете исследований месторождений углеводородов в осадочной толще является то, что полевые геолого-структурные данные (массовые замеры элементов залегания трещин, структурные особенности, характеристика сетей трещин) представляют результаты деструкции горных пород, зафиксированные на земной поверхности, то есть на современном уровне эрозионного среза верхней части земной коры (за исключением наблюдений в шахтных выработках или карьерах) и не позволяют в реальном времени получить данные по всей глубине осадочного чехла до фундамента и ниже. Восстановленный срез разнотипных полей напряжений, действующих в изучаемом слое в разные этапы геологического развития массива, можно распространить на более низкие абсолютные отметки, но с меньшей степенью достоверности, так же как можно экстраполировать на глубину разломные зоны с известными на поверхности местоположением и элементами залегания. Однако при необходимости достоверно проследить напряженно-деформированное состояние до глубинных отметок продуктивных залежей углеводородов, которые могут достигать 3-5 км, поверхностных исследований недостаточно, особенно для детальной оценки влияния разломов и тектонических напряжений на условия бурения скважин, а также на прогноз продуктивности отдельных частей месторождений.
Наиболее близким по технической сущности способом (прототипом) является способ спецкартирования разломных зон и полей напряжений по данным сейсморазведки, разработанный в рамках тектонофизического подхода к анализу разнотипной геолого-геофизической информации на газоконденсатном месторождении со сложным строением осадочного чехла [Семинский К.Ж., Саньков В.А., Огибенин В.В., Бурзунова Ю.П., Мирошниченко А.И., Горбунова Е.А., Горлов И.В., Смирнов А.С., Вахромеев А.Г., Буддо И.В. Тектонофизический подход к анализу геолого-геофизических данных на газоконденсатных месторождениях со сложным строением платформенного чехла // Геодинамика и тектонофизика. 2018. Т. 9. №3. С. 587-627]. Данный способ является комплексным и включает выделение разломных зон (по материалам морфотектонических, сейсмо- и электроразведочных исследований) и парагенетический анализ их сетей. Возможность использовать сейсмические данные для парагенетического анализа позволяет в сложных или физически недоступных для исследований условиях выделять разломные зоны, определять динамические особенности их формирования и ключевые особенности внутреннего строения. Способ-прототип представляет результат первого этапа адаптации принципов спецкартирования для изучения месторождений углеводородов с применением в качестве исходных данных материалов 3D сейсморазведки вместо полевых статистических массовых замеров трещин, получаемых в процессе прямых геолого-структурных наблюдений.
Способ эффективен для реконструкции напряженно-деформированного состояния месторождений углеводородов со сложным строением, так как для его применения достаточно иметь данные лишь об ориентировке разрывов (азимут и угол падения), которые могут быть получены путем атрибутивного анализа куба сейсмической информации. При обработке данных рассчитываются три атрибута сейсмической записи: «неупорядоченность», «кривизна» и «дисперсия» [Aarre V., Astratti D., Dayyni T.N.A.A., Mahmoud S.L., Clark A.B.S., Stellas M.J., Stringer J.W., Toelle В., Vejtmk О. V., White G. Seismic Detection of Subtle Faults // Oilfield Review. - 2012. V. 24, №2, P. 28-43], затем три куба объединяются в совокупный атрибут, полученный через нейронные сети. Затем куб совокупного атрибута обрабатывается при помощи структурного атрибута сейсмической записи «Ant Tracking». Это позволяет получить на выходе куб совокупности плоскостей в виде полигонов с известными элементами залегания, отражающих положение границ разнотипных нарушений волнового поля, которые в первом приближении можно рассматривать в качестве небольших разрывов сплошности. Далее для куба в целом и отдельных локальных объемов в его пределах (ячеек) строятся круговые структурные диаграммы, отражающие строение разрывной сети. Размер квадратной в плане ячейки (со стороной 8-10 км) обусловлен средним количеством разрывов в ней, приемлемым для построения диаграмм и их анализа в рамках метода спецкартирования, высота ячейки равна мощности изучаемой осадочной толщи, как правило, это величина порядка первых километров. Сопоставление диаграмм с эталонными трафаретами-парагенезисами обеспечивает возможность получить для каждой из локальных ячеек частные решения и тем самым изучить пространственную структуру поля напряжений. Выявленные особенности строения разрывной сети и реконструированные стресс-тензоры позволяют по данным сейсморазведки установить стиль дислоцированности комплексов осадочного чехла. Данный способ анализа сейсмических данных вносит значительный вклад в построение сети разломных зон и комплексную оценку региональных полей напряжений в составе тектонофизического подхода. Например, для северо-востока лицензионного участка месторождения [Семинский К.Ж., Саньков В.А., Огибенин В.В., Бурзунова Ю.П., Мирошниченко А.И., Горбунова Е.А., Горлов И.В., Смирнов А.С., Вахромеев А.Г., Буддо И.В. Тектонофизический подход к анализу геолого-геофизических данных на газоконденсатных месторождениях со сложным строением платформенного чехла // Геодинамика и тектонофизика. 2018. Т. 9. №3. С. 587-627] с его помощью выявлено два поля из четырех, полученных разными методами, что помогло установить особенности зонно-блокового строения месторождения, степень нарушенности и типы напряженно-деформированного состояния пород.
Недостатками данного способа являются, в первую очередь, использование куба совокупного атрибута, на основе которого, как правило, выделяются только немногочисленные крупные разрывы, и как следствие - низкая детальность исследований и невозможность применения порангового анализа для выявления структур и напряжений более низкого ранга. В то время как в целях повышения достоверности результатов парагенетический анализ в рамках структурного картирования требует наличия существенного количества второстепенных более мелких разрывов для выделения их в составе трещинно-разломных парагенезисов. Данный недостаток приводит к незначительному количеству локальных решений парагенетического анализа, что делает затруднительным в способе-прототипе поранговый анализ в его классическом виде при статистическом подходе с выделением всех возможных этапов региональных полей напряжений без привлечения других методов. Так, согласно способу-прототипу по данным сейсморазведки получено только два региональных поля (остальные два - по другим методам). Получены разные этапы (четыре поля напряжений) для надсолевого, солевого, подсолевого комплексов осадочного чехла разными методами (геолого-структурные методы, парагенетический анализ данных электро- и сейсморазведки). Поранговый анализ на данных сейсморазведки в способе-прототипе (2018 г.) не проводился, поскольку для этого было недостаточно исходных данных. При этом в более раннем способе-аналоге (2014 г.) поранговый анализ проводился, но по результатам натурных наблюдений трещин, и в плоскости, а не по отдельным слоям осадочного чехла.
Также недостатком способа-прототипа является то, что он предполагает двумерное спецкартирование с итоговым построением карты, отражающей всю мощность нижней части осадочного слоя (около 2,8 км - солевой и подсолевой комплексы). Детализация напряженного состояния обусловлена размером ячейки равном 8*8 км. Выделенные ячейки расположены в одном слое, который хоть и отражает особенности напряженно-деформированного состояния всей изучаемой мощности осадочного чехла, но в виде двумерной карты напряжений и разломов.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа структурного картирования разломных зон и полей напряжений, позволяющего на основе обработки данных 3D сейсморазведки методом общей глубинной точки (3D МОГТ) без привлечения других методов сбора геолого-геофизических материалов осуществлять эффективный прогноз участков в пределах месторождений углеводородов со сложным напряженно-деформированным состоянием пород, неблагоприятным для проходки разведочных и эксплуатационных скважин, причем способ должен позволять определять параметры структуры разрывных сетей и напряженно-деформированного состояния пород не только в плоскости, но и по всей глубине осадочного чехла.
Техническим результатом способа является повышение точности и информативности структурного картирования разломных зон и полей напряжений в пределах месторождений углеводородов со сложным строением, следовательно, повышение точности и детальности оценки влияния разломов и тектонических напряжений на условия бурения скважин, а также на прогноз продуктивности отдельных частей месторождений.
Сущность предлагаемого изобретения: вначале осуществляют сбор исходных геофизических данных методом сейсморазведки 3D МОГТ и формирование глубинного куба сейсмической информации; далее выполняют атрибутивный анализ данных сейсморазведки (3D МОГТ), при этом применяют один структурный атрибут, служащий для отображения неоднородностей и несогласий; куб данного сейсмического атрибута на заключительном этапе анализа подвергают обработке при помощи сейсмического структурного атрибута для обнаружения разломов и трещин внутри сейсмического куба с выделением массива разрывов; затем осуществляют оценку вертикальной нарушенности массива по расчетным значениям плотности разрывов, при этом осадочный чехол делят на слои (комплексы) по подобию структурного стиля дислоцированности с учетом известных вещественных комплексов на участке, и далее осуществляют статистическую обработку массива разрывов для каждого выделенного осадочного слоя-комплекса, выполняют построение карт зонно-блокового строения участка, затем осуществляют структурно-парагенетический анализ локальных разрывных сетей с применением эталонных парагенезисов и выделение частных полей напряжений и разломных зон, для чего каждый выделенный ранее глубинный слой осадочного чехла в плане делят на локальные расчетные ячейки с высотой, равной мощности не всего осадочного чехла, а отдельных его комплексов, далее выполняют поранговый анализ локальных решений в каждом глубинном слое-комплексе с выходом на региональный уровень к решениям более низкого порядка, выделяют региональные этапы развития каждого слоя-комплекса и осадочной толщи в целом в пределах месторождения, затем проводят построение трехмерной тектонофизической модели месторождения углеводородов как итогового результата проведенных работ.
Получаемая при осуществлении способа трехмерная тектонофизическая модель осадочного чехла в пределах месторождения содержит: массив разрывов, послойные карты плотности и сложности разрывных сетей, схемы зонно-блокового строения осадочной толщи и схемы разломных зон по отдельным глубинным интервалам, послойные карты частных полей напряжений и ориентировок мелких разломов для локальных объемов участка, послойные схемы детального распределения региональных полей напряжений в пределах исследуемого участка, а также реконструкцию последовательности их воздействия в процессе тектонического развития.
Способ предполагает последовательность действий для изучения месторождений углеводородов со сложным строением осадочного чехла с применением в качестве исходного для анализа материала данных 3D сейсморазведки.
В настоящее время не существует универсальной технологии обработки куба сейсмической информации на предмет выделения разрывных нарушений. Разновидности анализа определяются совокупностью значений руководящих параметров, которые зависят от объекта исследований, качества полевых материалов и других характеристик. Авторы предлагаемого способа провели исследования в этой области, последовательно приближаясь к более полному отражению картины природных деформаций осадочной толщи. Сопоставление результатов обработки сейсмокуба различными способами показало, что рациональным является использование не трех атрибутов сейсмической записи, как в наиболее близком способе (прототипе), а одного структурного атрибута, служащего для отображения неоднородностей и несогласий. Поскольку каждый атрибут рассчитывается по своему алгоритму, позволяющему выделять и подчеркивать нужную (соответствующую его смыслу, логике и расчетам) информацию, а также сглаживать или скрывать незначимую информацию в кубе сейсмических данных, в процессе атрибутивного анализа происходит определенная сортировка и выборка данных. Применение совокупного атрибута (состоящего из трех) производит больше таких сортировок, в результате куб становится в большей степени вычищенным от мелких неоднородностей, и в нем остаются, как правило, только крупные дизъюнктивы. Это оправдано в случае решения задач, связанных с выявлением и анализом главных деформационных структур на участке. В отличие от применения трех атрибутов, выделяющих крупные разрывы, один структурный атрибут, служащий для отображения неоднородностей и несогласий, не затушевывает мелкие нарушения, что является наиболее важным для парагенетического анализа разрывных сетей в процессе структурного картирования, имеющего статистический характер. Полученный на выходе атрибут на заключительном этапе анализа подвергается обработке при помощи структурного атрибута для обнаружения разломов и трещин внутри сейсмического куба в двух видах обработки (режимы «Passive» и «Aggressive»), который обнаруживает плоскости разрывов и подавляет другие, неструктурные особенности осадочной толщи. Затем выделенные разрывы отображаются как полигоны или проекции на плоскость.
Следующим этапом работ является анализ структуры разрывных сетей для отдельных отражающих сейсмических горизонтов с использованием срезов куба AVO-атрибута и куба структурного атрибута для обнаружения разломов и трещин внутри сейсмического куба, а также сейсмических структурных карт. По расчетным значениям плотности разрывов (количество разрывов на участке по глубине, подсчитанное с нескользящим окном, равным 50 м) проводится оценка вертикальной нарушенности массива. Осадочный чехол делится на слои по подобию структурного стиля дислоцированности с учетом известных вещественных комплексов на участке, что обеспечивает в дальнейшем вертикальную детальность исследования. Проводится анализ распределения разрывов на картах их проекций, построенных с применением опций «Passive» и «Aggressive», строятся схемы разрывной структуры для каждого выделенного осадочного слоя-комплекса, где отображаются разломные зоны стадии полного разрушения (наличие единого магистрального сместителя) и более ранних стадий развития (зоны сгущения разрывов 2-го и более высоких порядков). Таким образом, составляется итоговая схема крупных разломных зон, нарушающих осадочную толщу месторождения, устанавливается состояние их внутренней структуры на разных глубинных уровнях, а также детализируется строение разрывных сетей для разных комплексов осадочного чехла.
Далее проводится реконструкция напряженно-деформированного состояния изучаемого породного массива с использованием основных принципов структурного картирования на основе результатов атрибутивного анализа. В первую очередь устанавливаются локальные поля напряжений с помощью парагенетического анализа совокупности разрывов для небольших объемов изучаемого породного массива, для чего каждый выделенный ранее глубинный слой осадочного чехла в плане делится на локальные расчетные ячейки. Величина расчетной ячейки выбирается исполнителем в зависимости от среднего количества разрывов в ней, приемлемого для построения информативных диаграмм и их анализа в рамках способа структурного картирования. Исходя из известных рекомендаций по сбору и обработке структурно-геологической информации, а также многолетнего практического опыта структурного картирования, для построения круговой диаграммы трещинной сети, как правило, используется массовый замер разрывных нарушений в количестве 100 штук. Слишком большое их число (более 150-200 шт.) приводит к перегруженности и усложнению рисунка диаграммы или к объединению систем разрывов (в зависимости от размера окна), а малое количество (менее 50 шт.) - к «потере» систем с малой плотностью и уменьшению значимости оставшихся, что в обоих случаях существенно затрудняет парагенетический анализ разрывных сетей и получение достоверных результатов. На основе трехмерных данных о разрывах, полученных с помощью структурного атрибута для обнаружения разломов и трещин внутри сейсмического куба, для каждой ячейки строятся круговые структурные диаграммы разрывных сетей в изолиниях относительной плотности полюсов разрывов (стереографическая проекция Вульфа, верхняя полусфера, величина окна осреднения - 10°, шаг между уровнями изолиний - 1%). Сети разрывов сравниваются с эталонными разломно-трещинными сетями. По наиболее подходящему для диаграммы эталону по совокупности совпадающих систем разрывов определяют решение, т.е. напряженное состояние, послужившее причиной их формирования, а также элементы строения и морфогенетический тип локальной разломной зоны. Для каждой ячейки, как правило, определяется несколько вариантов локальных решений разного уровня достоверности, величины интенсивности и относительного возраста, что свидетельствует о разновозрастных напряженных состояниях, имевших место в процессе тектонического развития изучаемого участка земной коры.
На следующем этапе работ по исследованию напряженного состояния осадочной толщи производится поранговый анализ - последовательная трансформация парагенезисов к более крупному рангу с выделением разломных зон, а также типа и ориентировки соответствующих полей напряжений, для чего проводят группировку локальных решений по принципу генетической соподчиненности и пошаговый переход на региональный уровень к полям напряжений более низкого порядка. В итоге выделяются обстановки, отражающие самый низкий (региональный) уровень процесса деструкции в районе работ, они не могут развиваться в одно время и, таким образом, соответствуют разным этапам структурообразования, проявившимся на изучаемой территории. Результатом порангового анализа является реконструкция нескольких главных динамических обстановок регионального уровня, в которых дислоцирован осадочный чехол месторождения. Поранговый анализ проводится отдельно в каждом глубинном слое, затем результаты - региональные поля - сравниваются и выносятся в многослойную трехмерную модель.
Затем осуществляется районирование месторождения с выделением участков осадочного чехла, характеризующихся сходной историей тектонического развития для каждого из главных этапов формирования структуры. С этой целью из общей совокупности локальных стресс-тензоров выделяются те решения, которые соответствуют (были активны) в рассматриваемом региональном поле напряжений, и выносятся на карты соответствующих слоев - комплексов. Схемы полей напряжений и разломных зон, активных на отдельных этапах формирования структуры, являются главным итогом предлагаемого способа структурного картирования и могут использоваться для решения различных фундаментальных и прикладных задач.
Предлагаемый способ позволяет произвести трехмерную визуализацию результатов структурного картирования в виде тектонофизической модели месторождения - объемного изображения напряженно-деформированного состояния. Модель содержит описание и серию графических представлений о состоянии структуры и полей напряжений на разных масштабных уровнях и отдельных этапах, характеризующих иерархичное строение осадочного чехла с акцентом на специфике напряженного состояния и механизмах ее формирования в разные периоды тектонического развития региона. Главными компонентами модели являются поле напряжений на локальном и региональном масштабных уровнях и отдельных этапах, а также сеть разрывов, выделенных при атрибутивном анализе куба сейсмической информации и послуживших основой для реконструкции локального поля напряжений в ячейках и представленных в пространственных координатах. Разрывы формируют разломные зоны, для которых, кроме геометрических параметров (длина, мощность, пространственное положение), по окружающему полю напряжений может быть определена такая важная характеристика как тип перемещений (сдвиг, сброс, взброс и др.). Тектонофизическая модель позволяет в реальных координатах спрогнозировать условия проходки разведочных и эксплуатационных скважин, т.е. предопределить наличие особенностей напряженно-деформированного состояния породного массива.
Способ отличается тем, что выделение разрывов из сейсмического куба данных проводят с применением только одного структурного атрибута, служащего для отображения неоднородностей и несогласий, и последующей обработкой с помощью атрибута для обнаружения разломов и трещин внутри сейсмического куба, что обеспечивает высокую детальность исследований. Это с одной стороны увеличивает трудозатраты, а с другой - значительно повышает качество полученных результатов. Более детальный массив разрывов содержит не только крупные, но и значительное количество второстепенных более мелких разрывов. Это повышает достоверность результатов парагенетического анализа разрывных сетей и позволяет уменьшить размер расчетной ячейки, который зависит от среднего количества разрывов в ней, приемлемого для построения информативных диаграмм и их анализа в рамках способа структурного картирования.
В сравнении с наиболее близким способом (прототипом), здесь применяется размер квадратной в плане ячейки со стороной приблизительно в два раза меньшей и равной величине порядка первых километров, и с высотой, равной мощности не всего осадочного чехла, а отдельных его комплексов. Это обеспечивает, во-первых, высокую детальность исследований и, как следствие, возможность применения порангового анализа, а во-вторых - трехмерность полученных данных, позволяющую оценивать результаты по глубине. Что касается порангового анализа локальных полей напряжений и разломных зон, он успешно используется в способе-аналоге (картирование по натурным разрывам), но не применяется в способе-прототипе (картирование по данным геофизики) из-за недостаточного количества исходных данных. Способ отличается от наиболее близкого тем, что включает поранговый анализ локальных полей напряжений и разломных зон - пошаговый переход на региональный уровень по принципу генетической связи с выделением всех возможных региональных полей напряжений разного возраста, отраженных в сейсмотрещиноватости, и построением поэтапных схем развития структуры осадочной толщи месторождения. При этом поранговый анализ проводится отдельно в каждом глубинном слое, в отличие от способа-аналога, который предполагает проведение подобного анализа для оценки региональных тектонических напряжений только в близповерхностном слое. Затем, после проведения порангового анализа отдельно в каждом слое осадочного чехла, результаты (региональные поля) сравниваются и выносятся в многослойную трехмерную модель.
Региональные этапы развития в способе-аналоге выделялись, но не по сейсмическим данным, а по натурным трещинам, и не по всей глубине осадочного чехла, а на поверхности участка. В способе-прототипе региональные этапы развития также выделялись, но с привлечением разных методов исследования, а в предлагаемом способе - только с использованием структурного картирования, что уменьшает трудозатраты.
В отличие от наиболее близкого способа, применение которого позволяло оценить особенности напряженно-деформированного состояния всей мощности осадочного чехла в виде итоговой двумерной карты напряжений и разломов, предлагаемый способ позволяет разделить осадочную толщу на несколько слоев с более мелкими ячейками и построить трехмерную тектонофизическую модель (которую также можно представить как набор послойных карт) с изменением параметров не только по площади, но и по глубине.
Вместе с тем преимуществом способа также является визуализация результатов в виде цифровой объемной модели напряженно-деформированного состояния осадочного чехла, обеспечивающей наглядность и удобство практического применения. Полученная модель может быть использована как основа для решения ключевых вопросов эндо- и экзогеодинамики, а также структурного контроля месторождений, связанных с разломами. Так, применение данного способа для реконструкции напряженно-деформированного состояния породного массива на месторождениях углеводородного сырья позволяет решать прикладные вопросы, связанные с их разведкой, в частности, выявлять места для бурения скважин, не осложненные аномальным пластовым давлением.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг. 1. Принципиальная схема формирования внутренней структуры разломной зоны (на примере правого сдвига), где главные стадии разрывообразования соответствуют трем характерным отрезкам на кривой «нагрузка (а) - деформация (е)». Латинскими буквами на схемах показаны разнотипные разрывы 2-го порядка, опережающие (R', R, n', n, t', t, Р) и оперяющие (на участках сжатия - С, С и растяжения - Е', Е) магистральный сместитель 1-го порядка (Y).
1 - участки с различным количеством разрывов в единице площади; 2 - магистральный сместитель (разрыв 1-го порядка); 3-5 - сдвиги (3), сбросы (4) и надвиги (5) 2-го порядка.
Фиг. 2. Парагенетический анализ разрывов на примере ячейки №79 (слой II), где: А - Массив разрывов осадочного чехла, полученный с помощью структурного атрибута для обнаружения разломов и трещин внутри сейсмического куба; Б - Расчетная ячейка (в плане); В - Круговая диаграмма в изолиниях плотности разрывов (94 шт.); Г-Е - Результат сравнения диаграммы (Г) с эталонными парагенезисами (Д) в виде двух решений для правосдвиговой разломной зоны (залегание 160°/80°) (вверху) и сбросовой зоны (залегание 160°/50°) (внизу) и соответствующих стресс-тензоров сдвига и растяжения (Е).
Условные обозначения: 1 - полюсы плоскостей правосдвигового (а) и сбросового (б) разломных сместителей 1-го порядка; 2 - полюсы плоскостей правосдвигового (а), левосдвигового (б), сбросового (в) и взбросового (г) разлома 2-го порядка; 3 - полюсы взбросо-сдвиговых (а, б) и сдвиго-сбросовых (в) разломов 2-го порядка; 4 - полюсы второстепенной или дополнительной системы мелких разрывов 3-го порядка; 5 - направление действия осей главных нормальных напряжений сжатия (а) и растяжения (б).
Фиг. 3. Напряженно-деформированное состояние пород подсолевого комплекса для этапа растяжения осадочного чехла месторождения в направлении С3-ЮВ.
1-7 - динамические обстановки локального ранга растяжения в направлении С3-ЮВ (1), растяжения в направлении СВ-ЮЗ (2), правого сдвига (3), левого сдвига (4), наложения растяжения и правого сдвига (5), наложения растяжения в направлении С3-ЮВ и растяжения в направлении СВ-ЮЗ (6), наложения растяжения в направлении С3-ЮВ, левого и правого сдвигов (7): а - области проявления данной обстановки в пределах лицензионного участка; 6 - соответствующий ей тензор напряжений (показаны стрелками - ось сжатия, ось растяжения, пунктиром - усредненное положение оси разломной зоны); 8 - элементы залегания разломной зоны локального ранга, показанные в центре области проявления динамической обстановки.
Черными тонкими линиями показаны разрывы в подсолевом комплексе. Черными толстыми линиями обозначены разломы магистрального типа, а штрих-пунктирами - оси разломных зон.
Фиг. 4. Объемное изображение напряженно-деформированного состояния солевого и подсолевого комплексов осадочного чехла на месторождении.
А-Г - региональные разновозрастные поля напряжений, реконструированные по результатам парагенетического анализа разрывных сетей, выделенных из куба сейсмической информации: А - поле сжатия в направлении С3-ЮВ; Б - поле сдвига с ориентацией оси сжатия в субмеридиональном и оси растяжения в субширотном направлении; В - поле сжатия в субширотном направлении; Г - поле растяжения в направлении С3-ЮВ.
IV - верхний солевой комплекс, III - нижний солевой комплекс, II - подсолевой комплекс.
Условные обозначения: 1 - разрывы, полученные с помощью структурного атрибута для обнаружения разломов и трещин внутри сейсмического куба для соответствующего осадочного комплекса, 2-6 - типы локальных полей напряжений 1-го и 2-го порядка, реконструированных в расчетных ячейках: 2 - сжатие, 3 - сжатие со сдвигом (транспрессия), 4 - сдвиг, 5 - растяжение со сдвигом (транстенсия), 6 - растяжение.
ПРИМЕР
Заявленный способ был опробован на одном из газоконденсатных месторождений Восточной Сибири, осадочный чехол которого характеризуется сложным строением: наличием солевого комплекса в средней части разреза, послойных срывов и надвигов, валообразных структур и пр. Исследуемая площадь участка около 5000 кв. км. Исходным для анализа материалом послужил глубинный куб сейсмической информации для участка размером 90*70 км и мощностью более 3 км, полученный при интерпретации материалов МОГТ 3D на месторождении и обработанный посредством расчета структурных атрибутов сейсмической записи: структурного атрибута, служащего для отображения неоднородностей и несогласий и структурного атрибута для обнаружения разломов и трещин внутри сейсмического куба. Применение этих атрибутов обеспечило возможность выделения в осадочной толще разрывов, анализ пространственного распределения которых привел к оконтуриванию в породном массиве зон повышенной трещиноватости, представляющих, согласно тектонофизическому подходу, ранние стадии развития разломов. Так, было установлено, что дизъюнктивная структура месторождения является зонно-блоковой, т.е. представляет иерархию блоков, которые контактируют друг с другом по широким зонам сгущения сравнительно непротяженных разрывов. Их существование в совокупности с реологической расслоенностью определяет неоднородность напряженного состояния осадочной толщи, а также степень ее нарушенности и проницаемости для флюидов и газа.
Кроме выделенной таким образом дизъюнктивной структуры месторождения, структурное картирование позволило осуществить реконструкцию полей тектонических напряжений, в которых эта структура формировалась. Базовым материалом в данном случае являлся массив разрывов (около 90 тыс. шт.), выделенных описанным выше способом из куба сейсмической информации, причем пространственная ориентировка каждого из них характеризовалась азимутом и углом падения. Далее осадочная толща в пределах территории исследования была разделена на локальные ячейки размером 5*5 км (206 ячеек), а по подобию структуры и вещественного состава - на три глубинных слоя-комплекса разной мощности. Всего, таким образом, в анализе участвовало 618 ячеек, в каждой из которых в среднем имелось 176 разрывов (от 16 до 641 шт.). Для них были построены круговые диаграммы в изолиниях относительной плотности полюсов разрывов, т.е. получен исходный материал (аналог упомянутых в способе-прототипе круговых диаграмм трещиноватости) для проведения парагенетического анализа. В итоге его применения посредством сопоставления диаграмм разрывов с эталонными трафаретами для каждой ячейки были получены локальные решения для разломных зон (пример показан на фиг. 2). Всего выделено 1278 локальных решений, в числе которых 276 правых и 310 левых сдвигов, 361 сброс и 331 взброс и соответствующие им локальные сдвиговые поля, поля растяжения и сжатия.
Затем в соответствии с предлагаемым способом структурного картирования проведен поранговый анализ локальных решений, результатом которого стала реконструкция четырех главных динамических обстановок регионального уровня, в которых был дислоцирован осадочный чехол в пределах месторождения: сжатие в направлении С3-ЮВ; сжатие в субширотном направлении; сдвиг с ориентацией оси сжатия в субмеридиональном и оси растяжения в субширотном направлении; растяжение в направлении С3-ЮВ. Далее обратным ходом осуществлялось составление карт районирования месторождения с выделением участков осадочного чехла, характеризующихся сходной историей тектонического развития для каждого из 4 главных этапов формирования структуры. С этой целью из общей совокупности локальных стресс-тензоров выделены решения, которые были активны в рассматриваемом региональном поле напряжений. Они вынесены на карты главных слоев осадочного чехла (в качестве примера на фиг. 1 показан один из слоев - подсолевой комплекс). Эти карты полей напряжений с нанесенными на них осями разломных зон, активных на отдельных этапах формирования структуры, как основной итог структурного картирования, визуализированы в трехмерной тектонофизической модели месторождения (пример визуализации показан на фиг. 4).
Таким образом, на данном примере показано, что реализация способа структурного картирования на месторождениях углеводородного сырья, для которых имеются данные детальной 3D сейсморазведки, позволяет установить строение разрывной сети, сформировавшейся в ходе тектонического развития территории, детализировать тип напряженного состояния (как для отдельных комплексов, так и для всего осадочного чехла), а также провести районирование по интенсивности и характеру нарушенности пород разрывами. Подобные материалы представляют достоверную основу для построения тектонофизических моделей дислоцированности лицензионных площадей, которые наряду с имеющейся производственной информацией должны быть базовыми при прогнозе условий проходки разведочных и эксплуатационных скважин.