Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Эффективные сейсмоакустические характеристики трещиноватых коллекторов и их прогноз по данным многоволновой сейсморазведки МОВ-ОГТ

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Эффективные сейсмоакустические характеристики трещиноватых коллекторов и их прогноз по данным многоволновой сейсморазведки МОВ-ОГТ"

На правах рукописи 0050143ьи

Глубоковских Станислав Михайлович

ЭФФЕКТИВНЫЕ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРЕЩИНОВАТЫХ КОЛЛЕКТОРОВ И ИХ ПРОГНОЗ ПО ДАННЫМ МНОГОВОЛНОВОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ МОВ-ОГТ

25.00.10 Геофизика, геофизические методы поисков полезных

ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

15 шр ті

Москва-2012

005014360

Работа выполнена в ФГУП ГНЦ РФ Всероссийский научно-исследовательский институт геологических, геофизических и геохимических систем (ВНИИгеосистем) в лаборатории разработки теоретических основ моделирования геологических процессов.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Рок Владимир Ефимович

Официальные оппоненты: Ампилов Юрий Петрович,

доктор физико-математических наук, профессор, Представительство PGS (Petroleum Geo Services) в России, глава представительства

Баюк Ирина Олеговна, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИФЗ имени О.Ю. Шмидта РАН

Ведущая организация: Российский государственный

геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе (РГГРУ)

Защита состоится 21 марта 2012 года в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.64 при Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, ГЗ МГУ, зона «А», геологический факультет, аудитория 308.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (ГЗ МГУ, зона «А», 6 этаж).

Автореферат разослан «20» февраля 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета:

%

Никулин Борис Александрович

Актуальность

Физические свойства горных пород, слагающих коллектора нефти и газа, в значительной степени определяются структурой пустотного пространства, заполненного флюидом. Для некоторых типов коллекторов характерно особенно сложное внутреннее строение: кроме системы пор (первичной пористости), они содержат трещины и каверны (вторичную пористость). Как правило, именно вторичная пористость определяет фильтрационные характеристики горной породы, поэтому информация о ее структуре необходима для оптимизации разработки коллектора.

Сейсмические исследования являются важнейшим дистанционным источником информации о внутренней структуре продуктивного объекта, распределении ее параметров в пространстве. Одной из наиболее актуальных проблем, стоящих перед сейсморазведкой, является локализация в разрезе и прогноз характеристик трещинно-поровых коллекторов. Преимущественно они приурочены к относительно плотным карбонатным породам с высокими значениями скоростей распространения сейсмических волн. На территории РФ такие коллектора типичны для месторождений Восточной Сибири.

Наиболее распространенные подходы к решению этой задачи те же, что и для обычных гранулярных коллекторов. Они основаны либо на использовании корреляционно-регрессионных зависимостей между сейсмическими скоростями и импедансами и искомыми свойствами среды (пористостью, насыщенностью, глинистостью и т. д.), либо предполагают для этой же цели проводить совместный анализ исходных атрибутов сейсмической записи (амплитуды, частоты, фазы и т. п.). Несмотря на большое количество работ, посвященных этому вопросу, на практике нередко оказывается, что достоверность полученных прогнозов невысока.

Проведение теоретического анализа физических механизмов распространения сейсмических волн в неоднородных геологических средах, характерных для изучаемого региона, может существенно повысить надежность сейсмического прогноза коллекторских свойств. В результате такого анализа может быть

определен набор характеристик изучаемого геологического объекта, доступных по данным сейсморазведки. На этом основании определяются оптимальная система наблюдений и граф обработки полученных материалов.

Распространение когерентной части сейсмического импульса в порово-трещиноватых горных породах можно описывать так же, как в однородных средах с «эффективными» (ос-редненными на масштабах длины волны) значениями сейсмических свойств. Такой вывод следует из соотношений между характерными пространственными и временными масштабами сейсмических сигналов и элементов структуры изучаемых геологических сред. Большой вклад в развитие методов осреднения физических свойств неоднородных материалов внесли исследования композитов, выполненные такими учеными как: Т.Д. Шермергор, И.А. Кунин, JIM. Качанов, Дж.Д. Эшелби (Eshelby), Т. Мура (Мига), А. Норрис (Norris), Дж. Уиллис (Willis). Методы расчета эффективных сейсмоакустических свойств микронеоднородных (по сравнению с длиной волны) геологических сред были развиты в работах В.М. Левина, С.К. Канауна, JI.A. Молоткова, М. Качанова, И.Я. Френкеля, М. Био (Biot), Дж.Дж. Берримана (Berryman), М. Шенберга (Schoenberg), Л.Дж. Пирак-Нолт (Pyrak-Nolte), Дж.А. Хадсона (Hudson) и многих других.

Ввиду сложности строения реальных горных пород в основу всех методов осреднения закладываются определенные упрощающие гипотезы: идеализация формы трещин и пор, физический механизм их деформирования и пр. Эти базовые допущения должны соответствовать параметрам рассматриваемой среды и сейсмического поля в ней. Другой критерий применимости выбранного метода - согласие между теоретически вычисленными оценками эффективных сейсмоакустических параметров и данными экспериментов. Важный практический момент - удобство использования конкретного теоретического подхода для решения задач нефтегазовой сейсморазведки.

С помощью метода осреднения, отвечающего указанным выше критериям, и априорной геолого-геофизической информации можем сформировать сейсмоакустическую модель трещиновато-порового коллектора, адекватную реальной

геологической среде. На ее основе разработать процедуры обработки и интерпретации сейсмических наблюдений, оптимальных для исследуемого целевого объекта. Такой последовательный подход дает возможность получать обоснованный сейсмический прогноз коллекторских свойств трещиновато-поровых резервуаров нефти и газа.

Цель диссертационной работы

Целью настоящей работы являлась разработка методов теоретического описания и определения по данным наземной сейсморазведки эффективных сейсмоакустических характеристик трещиноватых нефтегазовых коллекторов. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Сравнительный анализ существующих методов вычисления эффективных сейсмоакустических параметров трещиноватых горных пород. Исследование влияния параметров микроструктуры порово-трещиновато-кавернозной горной породы на ее эффективные сейсмоакустические характеристики.

2. Сравнение результатов лабораторных экспериментов по распространению ультразвуковых импульсов в физических моделях порово-трещиноватых горных пород с теоретическими оценками.

3. Формирование набора эффективных сейсмоакустических моделей порово-трещиновато-кавернозного коллектора в венд-рифейских карбонатных отложениях Юрубчено-Тохомской Зоны (ЮТЗ) для компьютерного ЗБ моделирования полного сейсмического поля в среде. Обоснование доступных для прогноза по данным сейсморазведки макроскопических характеристик коллектора.

Научная новизна

1. Предложен способ вычисления параметров, характеризующих анизотропию горной породы, содержащей параллельные вертикальные трещины, в рамках модели поверхности с линейным проскальзыванием, на основании метода дифференциальной эффективной среды.

2. На основе анализа результатов физического моделирования установлена применимость модели поверхности с линей-

ным проскальзыванием к описанию сред с шероховатыми трещинами, и показана возможность прогноза в рамках этого подхода эффективной апертуры трещин.

3. Для повышения вычислительной устойчивости определения параметров, характеризующих эффективную сейсмическую анизотропию горной породы, содержащей параллельные вертикальные трещины, и коэффициента Пуассона матрицы породы, предложено дополнительно использовать данные по коэффициентам отражения продольной волны при нормальном падении.

Практическая значимость

1. Предложенный подход к осреднению сейсмоакустиче-ских параметров горных пород со сложным внутренним строением позволяет оценить влияние на эффективные сейсмические параметры мелкомасштабных неоднородностей всех типов: пор, трещин, каверн.

2. Синтезирован набор эффективных моделей порово-трещиноватого коллектора, соответствующего условиям Юруб-чено-Тохомской Зоны на основе априорных представлений о его внутренней структуре, использованный в ЗО полноволновом сейсмическом моделировании.

3. Предложен критерий локализации нефтегазоперспек-тивных объектов в условиях, соответствующих Юрубчено-Тохомской зоне, на основании анализа синтетических сейсмограмм, полученных в результате компьютерного ЗБ моделирования распространения сейсмических волн в сформированной цифровой модели.

4. На основании предложенного критерия выделены на реальных материалах два перспективных объекта в пределах Нижнемодашенского участка, рекомендовано их дальнейшее изучение.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Научная конференция молодых ученых и специалистов "Молодые в геологии нефти и газа", ФГУП «ВНИГНИ», февраль 2009 г.

2. XV Научная конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов. Дубна, март 2009г.

3. XVI Научная конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов. Дубна, март 2010г.

4. New Discoveries through Integration of Geosciences, the 4th International Conference & Exhibition EAGE/EAGO/SEG Saint Petersburg, 2010.

5. Международная научно-практическая конференция «Геомодель», Геленджик. 2010.

6. Всероссийское рабочее совещание: «Геологическая интерпретация данных сейсморазведки при региональных и поисковых работах на нефть и газ». ФГУП «ВНИГНИ», март 2011.

7. Всероссийское рабочее совещание «Приоритетные направления геологоразведочных работ на нефть и газ в свете новых задач по воспроизводству сырьевой базы углеводородов», ФГУП «ВНИГНИ», октябрь 2011.

Публикации и личный вклад автора в решение проблемы

Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях выполненных автором лично, либо при его активном участии во ФГУП ГНЦ РФ ВНИИге-осистем, г. Москва.

По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем работы составляют 124 страницы, 17 рисунков и 120 наименований литературы.

Благодарности

Автор признателен Року В.Е., без чуткого и требовательного руководства которого эта работа не могла бы быть выполнена; коллегам из ФГУП ГНЦ РФ ВНИИгеосистем, ИПМ РАН

им. Келдыша за ценные дискуссии и поддержку, особенно, Ка-плану С.А., Манучарянц Э.О., Левченко В.Д. и Иванову А.В; сотрудникам кафедры сейсмометрии и геоакустики геологического факультета МГУ, особенно, Гайнанову В.Г., Владову М.Л. и Калинину В.В. за ценные замечания по структуре и содержанию работы.

Основное содержание работы

Во Введенин обосновываются актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель и задачи исследования, приведены объем и структура диссертации.

В Первой главе представлен сравнительный анализ существующих подходов к вычислению эффективных сейсмоаку-стических параметров трещиноватых горных пород, на основе которого разработан метод, используемый далее в работе; исследовано влияния параметров микроструктуры трещиновато-кавернозно-поровой горной породы на ее эффективные сейс-моакустические характеристики.

Распространение сейсмических волн в горных породах, исследуемых в данной работе, определяется следующими масштабными параметрами: 51 - среднее расстояние между неодно-родностями, характерные поперечные (потому что простирание трещин или длина поровых каналов может быть больше 5) размеры пор и трещин и ёт, длина волны А; Г - характерный период колебаний частиц в волне, г - период релаксации давления флюида в поровом пространстве. Для используемых на практике сейсмических источников и изучаемых геологических объектов выполняются следующие условия:

Л» Б >с1т >с!п ^

Т»т. ' (2)

Согласно условию (1), мелкомасштабные характеристики горной породы дифракционно усредняются на расстояниях, соответствующих характерным длинам волн. Это позволяет описывать распространение когерентной части сейсмического импульса в порово-трещиноватых горных породах как в однородных средах с осредненными в указанных масштабах значениями

сейсмических параметров. Такую модель среды назовем «эффективной», а ее параметры будем определять из условия максимального совпадения по определенному критерию сейсмического отклика реальной среды и ее модели.

К настоящему моменту разработано большое количество методов осреднения сейсмоакустических свойств, построенных на разном уровне феноменологического описания и идеализации среды. Широко известная теория Био-Френкеля для исследуемых объектов не применима. Условие (2) означает, что флюид в породе идеально подвижный, то есть поровое давление можно считать одинаковым внутри представительного объема, значит, процессы фильтрации флюида практически не влияют на характеристики среды в модели Био. Анализ порядка величин, описывающих распространение длинных сейсмических волн в горной породе, показывает, что и остальные типы поглощения и рассеяния энергии сейсмических волн в изучаемых средах пренебрежимо малы.

Можем выделить два различных подхода к вычислению эффективных сейсмических свойств в средах, удовлетворяющих условиям (1) и (2):

1. методы, основанные на решении задачи рассеяния длинных сейсмических волн на неоднородности с последующим переходом к бесконечной длине волны;

2. квазистатическое приближение, в рамках которого пренебрегают инерциальными членами в волновом уравнении и решают задачу о статическом деформировании неоднородного материала.

В этой работе мы следовали последнему подходу. Это позволило опереться на большое количество методов осреднения, развитых в механике композитных материалов. Некоторые из них не применимы для описания порово-трещиноватых горных пород, например, теории осреднения периодических и полимерных композитов. Другие уже имеют «историю» успешного применения для сейсмических исследований: Аппроксимация Невзаимодействующих Включений (АНВ), самосогласованные методы и пр.

Деформации и напряжения в неоднородной среде можно рассматривать как случайные функции пространственных коор-

динат. Если считать включения распределенными статистически равномерно, то, на основании эргодической гипотезы, осреднение по ансамблю реализаций структуры горной породы можно заменить осреднением по представительному объему конкретной реализации. Можно определить эффективные параметры как величины, связывающие между собой по закону Гука средние величины деформаций и напряжений.

Очевидно, что нахождение эффективных параметров требует знания значений деформаций (или напряжений) в упругой матрице и внутри включений.

Для произвольной формы включения задача не имеет точного решения. В этом случае вычисления основываются на различных приближенных методах вычисления тензора By. В данной работе использована Модель Поверхностей с Линейным Проскальзыванием (МПЛП) (linear slip model), удобная для описания сейсмоакустических параметров трещиноватых горных пород. Другие распространенные подходы не применялись в настоящем исследовании, однако перечислим основные из них:

1. Теорема об арифметическом среднем тензора By. Использование такого подхода в теориях осреднения не позволяет получить удовлетворительный результат.

2. Теорема Хилла (НШ)позволяет оценить эффективные упругие параметры среды при помощи эллипсоидов, вписанных и описанных в реальную неоднородность.

3. Компьютерные расчеты для численной модели реальной горной породы с последующей обработкой результатов, включающей в себя вычисление средних значений деформаций и напряжений.

Основная гипотеза МПЛП следующая: эффект контактирующих шероховатостей и материала-заполнителя пустотного пространства можно непрерывно распределить по объему трещины так, что ее поведение в сейсмическом поле будет аналогично тонкому податливому слою. Формально это приводит к поверхности раздела в среде, на которой выполняются следующие граничные условия: напряжения при переходе через трещину передаются непрерывным образом; упругие смещения терпят разрыв, величина которого является линейной функцией вектора напряжения на поверхности трещины.

[м] = 1Ч-а-й0,

[а] = 0. (3>

где N - удельная податливость трещины (тензор 2-го ранга), ее размерность в системе СИ [дг / Па]; п° - нормаль к границе раздела; а - тензор упругих напряжений (2-го ранга); и - вектор смещений; [1] - обозначают скачок величины f на поверхности трещины.

Сейсмическая анизотропия среды с параллельными трещинами в МПЛП описывается величинами Ал, и Аг - нормальной и тангенциальной ослабленностями. Эти безразмерные величины представляют собой долю деформации, обусловленную «раскрытием-схлопыванием» трещин при одноосном сжатии-растяжении вдоль и поперек оси симметрии соответственно. На практике значения двух данных параметров определяются экспериментально. Чем больше значение ослабленности, тем больше избыточная податливость среды, вызванная наличием трещин.

Эшелби (ЕвЬеШу) показал, что деформации внутри эллипсоидального включения El(x) = const при постоянном напряжении на бесконечности. Учитывая линейность задачи, существует тензор концентрации деформаций (тензор Ву (\Уи)) - Р, такой, что:

г^Р:«:0, (4)

где х - вектор положения точки в пространстве; е(х) - тензор

малых деформаций Коши-Грина (2-го ранга); г° - постоянные деформации на бесконечном удалении от неоднородности.

Если материал матрицы и неоднородности Трансверсаль-но-Изотропный (ТИ) (в частном случае изотропный), и направление осей симметрии совпадает, то тензор Р можно найти в явном виде.

С помощью идеализированной сфероидальной формы включений можно описать достаточно широкий класс объектов, варьируя отношения большей полуоси к меньшей {у): сферические и продолговатые эллипсоиды моделируют изолированные и связанные поровыми каналами поры и каверны; сплющенные

- трещины; сфероиды с двумя равными бесконечными полуосями в пределе представляют собой протяженные разломы.

В случае небольшой объемной концентрации неоднород-ностей можно пренебречь их взаимовлиянием друг на друга и воспользоваться Аппроксимацией Невзаимодействующих Включений (AHB). Процедура осреднения AHB сводится к простому суммированию эффектов от каждого включения.

В случае больших концентраций неоднородностей р предположения AHB не выполняются. Для учета взаимовлияния неоднородностей используют методы, основанные на гипотезе самосогласованности. На ней основаны два подхода: метод эффективного поля и метод эффективной среды. В данной работе использованы различные вариации последнего. Предположения, лежащие в основе данного метода, следующие:

1. каждое включение в неоднородной среде ведет себя как

изолированное;

2. параметры вмещающей включение среды равны эффективным параметрам.

Результаты численных и натурных экспериментов хорошо согласуются с теоретическими оценками, полученными по методу Дифференциальной Эффективной Среды (ДЭС). Основная идея метода заключается в следующем - включения последовательно добавляются в матрицу малыми порциями. На каждом шаге вычисляются эффективные характеристики среды, которые на следующем этапе рассматриваются как параметры новой однородной вмещающей матрицы. В этом случае на каждом этапе расчет эффективных параметров ведется для малой концентрации включений, и мы можем пользоваться AHB, рассмотренной выше.

Важное преимущество этого подхода заключается в том, что значения эффективных упругих модулей не зависят от того, какую граничную задачу мы решаем: с фиксированными на границе объема осреднения напряжениями или деформациями.

Сравнение эффективных упругих модулей Л, полученных по методу ДЭС и AHB, от концентрации р представлено на рис. 1. Для иллюстрации результатов использования различных теорий осреднения рассматриваются водонасыщенные тре-

щиноватые доломиты, характерные для коллекторов Юрубчено-Тохомской Зоны (ЮТЗ). Параметры скелета: скорость продольных волн V° =6600 м/с, поперечных F5°=3880 м/с; плотность р =2750 кг/м3. Для вычисления эффективных упругих модулей по методу ДЭС необходимо численно решить систему из пяти нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений с начальными условиями. Интегрирование системы уравнений ДЭС было реализовано с помощью модуля NDSoIve[ ] Wolfram Mathematica 7.0. Как правило, процедура интегрирования быстро и с хорошей точностью сходилась к искомому результату.

Результаты для обоих методов AHB и ДЭС очень близки при малой концентрации. Далее AHB с фиксированными деформациями значительно ниже и предсказывает предел жесткости (разрушение материала) при р -1,5%, хотя на практике эта величина оказывается значительно выше.

Ef.Elast

концентрации трещин р (/ -> 100 )'■ ДЭС (штрихи) и AHB для динамических (сплошные линии) и кинематических (точки) граничных условий.

Видим, что один из упругих модулей среды Л66 практически не меняется для среды с параллельными трещинами, причем не только для AHB, но и для ДЭС. Если положить эту величину постоянной, то можем описывать эффективные сейсмоакустиче-ские параметры подобных сред при помощи 4-х, а не 5 параметров: двух упругих модулей вмещающей матрицы и двух ослаб-ленностей. Возможность выделить конкретные параметры «эффекта» трещин является большим преимуществом такого подхода с точки зрения анализа и интерпретации данных сейсморазведки.

Такой подход аналогичен МПЛП, но при этом значения ослабленностей вычисляются с учетом взаимовлияния неодно-родностей друг на друга. Результаты, полученные для случая сфероидов, могут быть использованы при качественной интерпретации сейсмических исследований горных пород с шероховатыми трещинами сложной формы.

Существенное влияние на эффективные сейсмические скорости оказывает распределение ориентаций неоднородно-стей в среде и их форма (для эллипсоидов - их аспектное отношение). Для унимодального распределения трещин по ориента-циям получим эффективную ТИ среду. В случае однородного по всем ориентациям случайного распределения неоднородностей эффективные сейсмические свойства изотропны.

Была исследована зависимость скоростей сейсмических волн от пористости в среде со случайным распределением сфероидальных неоднородностей с разными аспектными отношениями (х=100, 50, 1, 0,1). Наименьшие скорости наблюдаются в среде с дисковидными трещинами. Они возрастают со снижением у, достигая максимума для вытянутых сфероидов. Это объясняет значительное влияние трещиноватости на наблюдаемые сейсмические скорости, несмотря на малую трещинную пористость. Поры и каверны оказывают гораздо менее заметный эффект.

Эффективные сейсмические скорости в горной породе, содержащей популяцию трещин с унимодальным распределением ориентаций сфероидальных трещин, представлены на рис. 2. В качестве функции распределения по ориентациям использова-

лась суперпозиция двух противоположных распределения Фишера:

F(ff) = (д/4я sinh(¿))[£x/>(¿cos(í9)) + Ехр{8 cos(;r - в))} ^ 0<в<я12

Где в - полярный угол, S - параметр концентрации распределения, который определяет остроту пика функции распределения.

Использовались значения: <?-><»- параллельные трещины; 7,5 - 50% нормалей к трещинам лежит в пределах 25°; 2,3 -в пределах 60°; р = 0,7%, у = 100 . Вычисление упругих модулей производилось при помощи модуля NIntegrate[ ] Wolfram Mathematica 7.0.

о.

0.95

Рис. 3. Угловая зависимость эффективных сейсмических скоростей, вычисленная по АНВ в среде с дисковидными трещинами (см. комментарии в тексте): А - скорость ^Ж-волны; Б - скорость дЗТ-волны; В -скорость дР-волны.

0.95

0.9

те

Поскольку трещинная пористость исследуемых горных пород невысока, то можем использовать для расчетов AHB. Все значения нормированы на соответствующие скорости в матрице породы. По оси абсцисс отложен угол между поверхностью трещин и направлением распространения волны. Видим, что в

анизотропной среде существует две различных моды поперечных волн: квази-ЗУ и квази-Ш ( дЯН). Они по-разному зависят от направления распространения (расщепление поперечных волн).

Во Второй главе представлены результаты сравнения теоретических оценок эффективных сейсмоакустических параметров трещиновато-поровых горных пород с результатами физического моделирования

Ультразвуковые исследования пластинчатых плексигласовых физических моделей порово-трещиноватых горных пород были проведены Н.А. Караевым во ФГУНПП «Геологоразведка». Полученные данные использовались для проверки применимости МПЛП. В экспериментах изучалось влияние на итоговое волновое поле в среде как протяженных шероховатых трещин с заданной апертурой, так и гладких сфероидальных трещин, используя два типа моделей:

1. Ориентированные микротрещины. Между цельными пластинами (матричная пористость отсутствует) вставлялся лист фольги {кг »0,15 мкм), в котором вырезались круглые отверстия (0 = 4 мм; 8 мм) - модели с дисковыми трещинами Бд4 и Бд8.

2. Шероховатые протяженные трещины. На поверхности пластин с матричной пористостью ф - 2% лазером создавались наплывы 0-5 мм, высотой /г,. « 40 мкм (Б40) и 100 мкм (Б 100). Пористый блок с незашлифованными поверхностями после высверливания пор характеризовался небольшой анизотропией свойств, обусловленной шероховатостью на контактах пластине 1ц « 10мкм (Б 10).

Наблюдения проводились «на просвет»: источник располагался на нижней грани модели, приемники - на линейных (с шагом между приемниками 5 мм) и конических профилях (с шагом проекции образующей конуса 5°). Данные регистрировались для разных сочетаний поляризации источника и приемников (XX, УУ и т.д.). Коэффициент подобия по длине волны экспериментальных и реальных сейсмических данных 1:4000.

Кроме того, представлен анализ исследований физических моделей трещиноватых горных пород, опубликованных в зарубежных периодических изданиях. Особенное внимание уделено экспериментальной работе Хсу и Шенберга, в которой получены любопытные результаты на пластинчатых моделях, в которых шероховатые контакты были заполнены воздухом или медом.

В эксперименте регистрировалось время прихода фронта волны, образованного цугом сейсмических волн, который распространяется с групповой скоростью Ут с углом подхода к поверхности наблюдения + отличающимся от фазового угла. Поскольку фазовая и групповая скорости для дЯН и дР волн мало отличаются от - групповой, а годограф имеет

сложную структуру (рис. 3), процедура анализа данных была следующей:

1. На сейсмограммах ЪЪ, УУ для Б10 четко проявились волны типов цЯН и цР. Это позволило получить скорости в пористом плексигласе и параметры анизотропии А1" =0,14, =0 (рис. 4 А, Б).

2. Далее для блоков Б40, Б100 по сейсмограммам ЪЪ, УУ определялись параметры анизотропии: Л'?00 =0,67, А1°°=0; Д?=0,51, Д£=0.

3. Для эффективных параметров моделей, полученных в результате анализа, проведенного в пп. 1 и 2, рассчитывались теоретические годографы дБУ.

Из рис. 3 видим, что на сейсмограммах XX для Б40 и Б100 должны наблюдаться сложные годографы интенсивность каждой из трех частей определяется диаграммой направленности источника и величиной составляющей смещения в волне на поляризацию приемника в зависимости от направления распространения. Удовлетворительное согласие между всеми теоретическими и экспериментальными кривыми наблюдается на сейсмограммах гх, что, скорее всего, вызвано слишком сильной чувствительностью Х-источника к условиям возбуждения.

V, m/c 24Q0t

2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000

_ OOP)

8 4 8 2

Рис. 3. Зависимость фазовых (штриховая линии) и групповых (сплошные линии) сейсмических скоростей от направления распространения. <П>

Б

№пк

Рис. 4. Теоретические (сплошные линии) и экспериментальные (точки) запаздывания по годографу: (А); дР (Б) в Б10. По оси абсцисс отложен номер регистрирующего канала.

При неизменной структуре шероховатых поверхностей их удельная податливость (величина, характеризующая поведение трещины при деформации) должна быть линейно пропорциональна к,.. Этот факт подтвержден экспериментально. Кроме того, для трещин всех типов и размеров получено Ат ф 0 и А,, -> 0, что ожидалось из теоретического анализа для данных соотношений свойств плексигласа и масляного заполнителя. Это

явилось еще одним важным подтверждением адекватности результатов наблюдений предсказаниям МГТЛП.

В Бд8 и Бд4 ожидалось, на основании МПЛП, что, независимо от диаметра выреза, скорости будут определяться суммарной площадью вырезов на листе. Эти предсказания были подтверждены экспериментами. Скорость qSH волны одинакова, в то время как плотность трещин почти в два раза больше для Бд8, в нем должны наблюдаться более заметные снижения скоростей по теории Хадсона (Hudson).

Таким образом, анализ результатов физического моделирования подтвердил корректность использования МПЛП для оценки эффективных сейсмических скоростей в продуктивных породах, содержащих параллельные трещины.

В Третьей главе выполнен расчет параметров набора эффективных сейсмоакустических моделей трещиновато-кавер-нозно-порового коллектора ЮТЗ и метод их вычисления на основе априорных геолого-геофизических данных; обоснованы доступные для сейсмического прогноза характеристики коллектора.

Результаты теоретического и экспериментального исследований были использованы для синтеза набора компьютерных эффективных сейсмоакустических моделей коллекторов, соответствующих условиям ЮТЗ.

Имеющиеся данные петрофизических исследований дают основания считать, что основная часть пустотного пространства продуктивных пород представлена кавернами, развитыми в протяженных, частично залеченных кальцитом трещинах разрыва. Тектонические микротрещины также могут иметь достаточно значительную объемную концентрацию, как правило, пути фильтрации флюидов состоят из них. Первичные же поры характеризуются субкапиллярными размерами, их объемная концентрация пренебрежимо мала. Отличие эффективных сейсмических свойств продуктивных доломитов от непродуктивных обусловлено степенью трещиноватости.

Как указывалось выше, подобные породы могут характеризоваться эффективной сейсмической анизотропией, обусловленной как микротрещиноватостью, так и протяженными тре-

щинами разрыва. Действительно, признаки азимутальной зависимости сейсмических свойств наблюдались в некоторых имеющихся данных сейсмоакустических исследований в изучаемом регионе. На основе априорной геолого-геофизической информации (ГИС, ГДИ и наземной сейсморазведки) было принято решение описывать объект как ТИ, с осью симметрии, направленной на Северо-Северо-Восток. Эффективная сейсмическая анизотропия описывалась на основании МПЛП. Наиболее детально исследован случай параллельных вертикальных трещин, так как в этом случае анизотропия сейсмических скоростей максимальна (см. рис. 2). Это незначительное упрощение. Снижение «выраженности» выделенной ориентации трещин соответствует снижениям скоростей в скелете породы и величин ос-лабленностей.

Форма коллектора аппроксимировалась эллипсоидом вращения в трех разных вариантах: с малой полуосью = 25, 50 и 100 м.

Ввиду небольшой мощности и слабой скоростной и плот-ностной контрастности величина эффектов, обусловленных наличием продуктивного объекта в разрезе мала. Для решения задач сейсмического прогноза трещинно-поровых коллекторов необходима обработка данных, направленная на подавление помех с минимально возможными искажениями полезного сигнала. Наиболее важными этапами являлись подавление разнообразных волн-помех, поляризационная фильтрация, восстановление глубинно-скоростной модели среды в интервальных скоростях распространения продольных и поперечных волн, установление диапазона времён (глубин), в котором возможно проявление сигнала целевого объекта.

Обработка данных трёхкомпонентных наблюдений выполняется последовательно: сначала для продольных волн, а затем для обменных и, если удавалось выделить, поперечных.

Локализация и прогноз свойств порово-трещиноватого коллектора были основана на анализе его отражающих характеристик, их азимутальной зависимости, предложенных Рюгером (Ид^ег) и Жилеком (Л1ек). По структуре эти выражения подобны общеизвестным формулам для стандартного АУО-анализа и имеют следующий общий вид:

Кр = ЖА.х) + [B0(AN,Ar) + BA(A„,Ar)cos2 ^]sin2 /

PP-gradient ^^

RPS = [fi ( An , AT) + ClA (AN, AT) eos2 <j> + C\ (A „, ДT) sin2 ф] sin i

v --'

PS-gradienl

где Rpp, Rps - коэффициенты отражения и обмена; гиф- соответственно углы падения волны и азимут профиля наблюдений, определяющий ориентацию плоскости падения волны относительно оси симметрии, А - коэффициент отражения продольной волны при нормальном падении, эта величина определяется контрастом плотностей и «вертикальных» скоростей продольных волн, поэтому зависит только от АЛ,; ВА, С\ и С2 - определяют зависимость коэффициентов отражения и обмена от азимута профиля наблюдений.

Было получено удовлетворительное согласие между теоретическими оценками, полученными из выражений (6), с данными синтетических сейсмограмм. На рис. 5 представлены теоретические оценки и снятые с синтетических сейсмограмм амплитуды сейсмических сигналов по профилям вдоль оси симметрии (I) и поперек (II). Rpp,Rps

Рис. 5. Теоретические оценки коэффициентов отражения и обмена Ярх и Ярр (сплошные линии) и амплитуд, наблюденных на синтетических сейсмограммах (точки).

Видим, что для профилей, ориентированных достаточно близко к оси симметрии, интенсивность РР-ъопя ниже, чем Р8-волн. В случае сейсмических границ, обусловленных литологи-ческой разностью пород, наблюдается обратная ситуация. Также величина данного эффекта снижается вместе с понижением «остроты» максимума функции распределения трещин по ори-ентациям. Для коллектора ЮТЗ данный критерий применим только в случае параллельных трещин.

Для прогноза свойств порово-трещинного объекта необходимо иметь радиально-концентрическую систему наблюдения, по полученным данным оценить АУО-атрибуты в пределах существования объекта по каждому из разрезов.

Выражения ослабленностей через коэффициенты отражения и обмена:

Вл-(с\-сЖ+4)

(7)

г

где

"р

Анализ выражений (7) показывает, что устойчивость оценок Дг больше, чем Ад,. Критичным является точность определения параметра погрешность 10% приводит к изменению Ан на 50%. Для повышения надежности значения Аы предложено использовать коэффициент отражения продольной волны при нормальном падении (А) на слабоконтрастную границу изотропной и трансверсально-изотропной сред (с плотностями р, и

р2, соответственно):

( \2Гл л2 п /14-/4

1-

г \2 А

.Рг

1 -А

0-2ГГ ■

Наличие уравнения (8) обеспечивает возможность совместного определения ослабленностей и параметра £ как решения оптимизационной задачи. При этом данные о плотностях в вы-

ражении (8) не оказывают критического влияния на значения Ад,. Ограничения на допустимые значения величины £ определяются результатами петрофизических исследований для конкретного региона.

Предложенный критерий локализации на динамических разрезах слабоконтрастных трещиноватых объектов с сильно выраженной ориентацией трещин был опробован на реальных материалах. В результате обработки данных по профилю 1607101 Нижнемодашенского участка (рис. 6 А, Б) были определены два нефтегазоперспективных объекта с отношением амплитуд Р8 к РР больше единицы (рис. 6 В).

Рис. 6. Глубинные динамические разрезы по профилю 1607101 в продольных (А) и обменных (Б) волнах. (В) - Отношение амплитуд обменных и отраженных волн.

В Заключении сформулированы основные результаты работы и научные положения, выносимые на защиту.

Основные защищаемые положения

1. Предложена методика вычисления на основе петрофи-зических данных оценок эффективных сейсмоакустических параметров горной породы с однонаправленными трещинами в рамках модели с линейным проскальзыванием, обеспечивающая адекватное отображение изучаемого объекта в полном сейсмическом волновом поле.

2. Предложен способ устойчивого определения параметров, характеризующих эффективную сейсмическую анизотропию горной породы, содержащей параллельные вертикальные трещины, и коэффициента Пуассона матрицы породы при наличии данных по отраженным и обменным волнам типа РБ по профилям вдоль и поперек оси симметрии коллектора.

3. Получен критерий локализации коллектора, содержащего вертикальные (почти) параллельные трещины, соответствующего условиям Юрубчено-Тохомской зоны, является превышение интенсивности обменных волн типа по сравнению с монотипными отраженными продольными волнами РР на профиле, параллельном оси симметрии среды.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

в журналах из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ для публикации результатов диссертации:

1. Каплан С.А., Левченко В.Д., Рок В.Е., Глубоковских С.М., Титова Ю.А. «Оценка информативности данных сейсморазведки МВС на основе ЗБ моделирования полного волнового поля», Геоинформатика, 1, 49-55,2011.

2. Глубоковских С.М., Рок В.Е., Каплан С.А. «Формирование эффективной сейсмической модели продуктивных поро-во-трещиноватых пород Восточной Сибири», Геоинформатика, 1,43-48,2011.

3. Глубоковских С.М., Каплан С.А., Рок В.Е., Титова Ю.А. Теоретическое и экспериментальное исследования влияния ориентированной вертикальной трещиноватости на эффективные сейсмоакустические свойства горных пород. Технологии сейсморазведки, 2011, 4, с. 60-67.

в прочих научных изданиях:

4. Глубоковских С.М. Использование эффективных упругих моделей трещиноватых геологических сред для решения задач математического моделирования сейсмических волновых полей. Материалы всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Молодые в геологии нефти и газа», ФГУП «ВНИГНИ», Москва 2009.

5. Глубоковских С.М. Вычисление эффективных сейс-моакустических свойств трещиноватых горных пород для математического моделирования поля упругих волн, Материалы 16-й научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов, Дубна, 2010.

6. Rok V.E., Karaev N.A., Glubokovskikh S.M., Manutcharyants E.O. Comparison of Physical Modeling of Elastic Wave Propagation in Porous Fractured Médium with Theoretical Models, the 4-th International Conférence & Exhibition EAGE/EAGO/SEG Saint Petersburg 2010, B45.

7. С.М. Глубоковских, B.E. Рок, H.A. Караев, Сравнение результатов физического моделирования распространения сейсмических волн в Порово-Трещиноватых геологических средах с эффективными сейсмоакустическими моделями, «Геомодель-2010» - 12-ая международная научно-практическая конференция. Россия, г. Геленджик, 13-17 сентября 2010 г.

Подписано в печать 15.02.2012 г. Заказ 5. Тираж 100 экз. 117105, Москва, Варшавское шоссе, 8, ВНИИгеосистем

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Глубоковских, Станислав Михайлович, Москва

61 12-1/561

ФГУП ГНЦ РФ Всероссийский научно-исследовательский институт геологических, геофизических и геохимических систем (ВНИИгеосистем)

На правах рукописи

Глубоковских Станислав Михайлович

ЭФФЕКТИВНЫЕ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРЕЩИНОВАТЫХ КОЛЛЕКТОРОВ И ИХ ПРОГНОЗ ПО ДАННЫМ МНОГОВОЛНОВОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ МОВ-ОГТ

25.00.10 Геофизика, геофизические методы поисков полезных

ископаемых

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Рок Владимир Ефимович

Москва-2012

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. Анализ существующих методов оценки эффективных сейсмоакустических свойств порово-трещиноватых горных пород. 10

1.1. Квазистатический подход к вычислению эффективных сейсмоакустических параметров. 10

1.2. Решение задачи Эшелби о поле деформаций внутри эллипсоидального включения 15

1.3. Неоднородность в форме плоского слоя сплющенной дисковидной трещины ( у —» со ) 19

1.4. Модель поверхностей с линейным проскальзыванием и некоторые другие методы описания неэллипсоидальных неоднородностей 21

1.5. Методы вычисления эффективных упругих параметров сред, развитые в рамках механики композитов. 26

1.6. Эффективные сейсмические скорости для разных распределений трещин 32

Обсуждение результатов 37

Глава 2. Сравнение результатов лабораторных ультразвуковых экспериментов на физических моделях порово-трещиноватых горных пород с теоретическими оценками МПЛП. 39

2.1. Описание экспериментальной установки и структуры плексигласовых пластинчатых моделей. 42

2.2. Фазовые и групповые скорости в физических моделях 45

2.3. Шероховатые трещины с контролируемым раскрытием 47

2.4. Шероховатые трещины, насыщенные медом. 54

Обсуждение результатов 57

Глава 3. Синтез модели порово-трещиновато-кавернозного коллектора ЮТЗ для компьютерного ЗЭ сейсмического моделирования. Анализ синтетических сейсмограмм. Обоснование доступных для прогноза характеристик коллектора. 59

3.1. Анализ априорной геолого-геофизической информации. 59

3.2. Описание компьютерного эксперимента 63

3.3. Обработка и интерпретация синтетических сейсмограмм 65

3.4. Анализ коэффициентов отражения и обмена на кровле целевого объекта. Прогноз трещиноватого коллектора в разрезе. 70

3.5. Апробация предложенного подхода к прогнозу трещиноватого коллектора на реальных материалах 76

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 79

ЛИТЕРАТУРА. 82

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ 92

ВВЕДЕНИЕ

Физические свойства горных пород, слагающих коллектора нефти и газа, в значительной степени определяются структурой пустотного пространства, заполненного флюидом. Для некоторых типов коллекторов характерно особенно сложное внутреннее строение: кроме системы пор (первичной пористости), они содержат трещины и каверны (вторичную пористость). Как правило, именно вторичная пористость определяет фильтрационные характеристики горной породы, поэтому информация о ее структуре необходима для оптимизации разработки коллектора. [Rock fractures and fluid flow ... ]. На территории РФ такие коллектора типичны для Восточной Сибири. Преимущественно они приурочены к относительно плотным карбонатным породам с высокими значениями скоростей распространения сейсмических волн.

Изучение микроструктуры подобных продуктивных объектов со сложным внутренним строением является трудоемкой и нестандартной задачей Сейсмические исследования являются важнейшим источником косвенной информации о микроструктуре продуктивного объекта, распределении ее параметров в пространстве. Поэтому одной из наиболее актуальных проблем, стоящих перед сейсморазведкой является локализация в разрезе и прогноз характеристик трещинно-поровых коллекторов.

Наиболее распространенные подходы к решению этой задачи те же, что и для обычных гранулярных коллекторов. Они основаны либо на использовании корреляционно-регрессионных зависимостей между сейсмическими скоростями и импедансами и искомыми свойствами среды (пористостью, насыщенностью, глинистостью и т. д.), либо предполагают для этой же цели проводить совместный анализ исходных атрибутов сейсмической записи (амплитуды, частоты, фазы и т. п.) [Ампилов, 2004]. На практике нередко оказывается, что достоверность полученных прогнозов невысока. Одной из причин является недостаточный уровень понимания конкретных физических механизмов распространения сейсмических волн в неоднородных геологических средах, характерных для изучаемого региона.

Вследствие этого используется неадекватный решаемым задачам набор сейсмических атрибутов или неправильное их применение.

Теоретический анализ может существенно повысить надежность сейсмического прогноза коллекторских свойств, в результате этого могут быть определены характеристики изучаемого геологического объекта, доступные по данным сейсморазведки. На этом основании определяются оптимальная система наблюдений и граф обработки полученных материалов. Распространение когерентной части сейсмического импульса в порово-трещиноватых горных породах можно описывать так же, как в однородных средах, с «эффективными» (осредненными на масштабах длины волны) значениями сейсмических свойств. Такой вывод следует из соотношений между характерными пространственными и временными масштабами сейсмических сигналов и элементов структуры изучаемых геологических сред.

■р KJ 1 V»

Ъолыпои вклад в развитие методов осреднения физических свойств неоднородных материалов внесли исследования композитов, выполненные такими учеными как: Т.Д. Шермергор, И. А. Кунин, Л.М. Качанов, Дж.Д. Эшелби (Eshelby), Т. Мура (Мига), А. Норрис (Norris), Дж. Уиллис (Willis). Методы расчета эффективных сейсмоакустических свойств микронеоднородных (по сравнению с длиной волны) геологических сред были развиты в работах В.М. Левина, С.К. Канауна, Л.А. Молоткова, М. Качанова, И.Я. Френкеля, М. Био (Biot), Дж.Дж. Берримана (Berryman), М. Шенберга (Schoenberg), Л.Дж. Пирак-Нолт (Pyrak-Nolte), Дж.А. Хадсона (Hudson) и многих других.

Возможность использования сейсморазведки для решения задач прогноза трещинно-поровых горных пород рассматривалась в большом количество опубликованных в отечественных и зарубежных изданиях работ. Одна из ключевых идей в этой области - использование «эффективной» сейсмической анизотропии [Helbig, Thomsen, 2005]. Частным подтверждением этого является тот факт, что работа Томсена [Thomsen, 198б\ посвященная приближенному описанию скоростей распространения сейсмических волн трансверсально-изотропных средах, является самой цитируемой статьей журнала "Geophysics" общества геофизиков разведчиков (SEG).

Все методы оценки параметров эффективной модели горных пород являются приближенными, за исключением вариационного метода [Hashin, Shtrikman, 1963,

Willis, 1977, 1978]. В рамках этого подхода вычисляются верхнее и нижнее предельные значения эффективных характеристик. В случае пористого материала интервал возможных значений настолько велик, что, практически, не информативен.

Ввиду сложности строения реальных горных пород в основу всех методов осреднения закладываются определенные упрощающие гипотезы: идеализация формы трещин и пор, физический механизм их деформирования и пр. Эти базовые допущения должны соответствовать параметрам рассматриваемой среды и сейсмического поля в ней. Другие два критерия оптимальности используемого подхода: во-первых, согласие теоретически предсказанных значений с результатами экспериментов; во-вторых, удобство использования метода для решения задач нефтегазовой сейсморазведки.

С помощью метода осреднения, отвечающего указанным выше критериям, на основании априорной геолого-геофизической информации можем сформировать сейсмоакустическую модель трещиновато-порового коллектора, адекватную реальной геологической среде. На ее основе разработать процедуры обработки и интерпретации сейсмических наблюдений, оптимальных для исследуемого целевого объекта. Такой последовательный подход дает возможность получать обоснованный сейсмический прогноз коллекторских свойств трещиновато-поровых резервуаров нефти и газа.

Цель диссертационной работы

Целью настоящей работы являлась разработка методов теоретического описания и определения по данным наземной сейсморазведки эффективных сейсмоакустических характеристик трещиноватых нефтегазовых коллекторов. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Сравнительный анализ существующих методов вычисления эффективных сейсмоакустических параметров трещиноватых горных пород. Исследование влияния параметров микроструктуры порово-трещиновато-кавернозной горной породы на ее эффективные сейсмоакустические характеристики.

2. Сравнение результатов лабораторных экспериментов по распространению ультразвуковых импульсов в физических моделях порово-трещиноватых горных пород с теоретическими оценками.

3. Формирование набора эффективных сейсмоакустических моделей порово-трещиновато-кавернозного коллектора в венд-рифейских карбонатных отложениях Юрубчено-Тохомской Зоны (ЮТЗ) для компьютерного ЗЭ моделирования полного сейсмического поля в среде. Обоснование доступных для прогноза по данным сейсморазведки макроскопических характеристик коллектора.

Научная новизна

1. Предложен способ вычисления параметров, характеризующих анизотропию горной породы, содержащей параллельные вертикальные трещины, в рамках модели поверхности с линейным проскальзыванием, на основании метода дифференциальной эффективной среды.

2. На основе анализа результатов физического моделирования установлена применимость модели поверхности с линейным проскальзыванием к описанию сред с шероховатыми трещинами, и показана возможность прогноза в рамках этого подхода эффективной апертуры трещин.

3. Для повышения вычислительной устойчивости определения параметров, характеризующих эффективную сейсмическую анизотропию горной породы, содержащей параллельные вертикальные трещины, и коэффициента Пуассона матрицы породы, предложено дополнительно использовать данные по коэффициентам отражения продольной волны при нормальном падении.

Практическая значимость

1. Предложенный подход к осреднению сейсмоакустических параметров горных пород со сложным внутренним строением позволяет оценить влияние на эффективные сейсмические параметры мелкомасштабных неоднородностей всех типов: пор, трещин, каверн.

2. Синтезирован набор эффективных моделей порово-трещиноватого коллектора, соответствующего условиям Юрубчено-Тохомской Зоны на основе априорных представлений о его внутренней структуре, использованный в ЗЭ полноволновом сейсмическом моделировании.

3. Предложен критерий локализации нефтегазоперспективных объектов в условиях, соответствующих Юрубчено-Тохомской зоне, на основании анализа синтетических сейсмограмм, полученных в результате компьютерного ЗБ

моделирования распространения сейсмических волн в сформированной цифровой модели.

4. На основании предложенного критерия выделены на реальных материалах два перспективных объекта в пределах Нижнемодашенского участка, рекомендовано их дальнейшее изучение.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Научная конференция молодых ученых и специалистов "Молодые в геологии нефти и газа", ФГУП «ВНИГНИ», февраль 2009 г.

2. XV Научная конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов. Дубна, март 2009г.

3. XVI Научная конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов. Дубна, март 2010г.

4. New Discoveries through Integration of Geosciences, the 4-th International Conference & Exhibition EAGE/EAGO/SEG Saint Petersburg, 2010.

5. Международная научно-практическая конференция «Геомодель», Геленджик.

2010.

6. Всероссийское рабочее совещание: «Геологическая интерпретация данных сейсморазведки при региональных и поисковых работах на нефть и газ». ФГУП «ВНИГНИ», март 2011.

7. Всероссийское рабочее совещание «Приоритетные направления геологоразведочных работ на нефть и газ в свете новых задач по воспроизводству сырьевой базы углеводородов», ФГУП «ВНИГНИ», октябрь 2011.

Личный вклад автора

Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях выполненных автором лично, либо при его активном участии во ФГУП ГНЦ РФ ВНИИгеосистем.

По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Благодарности

Автор признателен Року В.Е., без чуткого и требовательного руководства которого эта работа не могла бы быть выполнена; коллегам из ФГУП ГНЦ РФ ВНИИгеосистем, ИПМ РАН им. Келдыша за ценные дискуссии и поддержку, особенно, Каплану С.А., Манучарянц Э.О., Левченко В.Д. и Иванову А.В; сотрудникам кафедры сейсмометрии и геоакустики геологического факультета МГУ, особенно, Гайнанову В.Г., Владову М.Л. и Калинину В.В. за ценные замечания по структуре и содержанию работы.

Глава 1.Анализ существующих методов оценки эффективных сейсмоакустических свойств порово-трещиноватых горных пород.

1.1. Квазистатический подход к вычислению эффективных сейсмоакустических параметров.

Распространение сейсмических волн в горных породах, исследуемых в данной работе, определяется следующими масштабными параметрами: & - среднее расстояние между неоднородностями, характерные поперечные (потому что простирание трещин или длина поровых каналов может быть больше $) размеры пор и трещин йп и с1.г; длина волны Я; Т - характерный период колебаний частиц в волне, х - период релаксации давления флюида в поровом пространстве. Для используемых на практике сейсмических источников и изучаемых геологических объектов выполняются следующие условия:

(1.1.1) (1.1.2)

Согласно условию (1.1.1), мелкомасштабные характеристики горной породы дифракционно усредняются на расстояниях, соответствующих характерным длинам волн. Это позволяет описывать распространение когерентной части сейсмического импульса в порово-трещиноватых горных породах как в однородных средах, с осредненными в указанных масштабах значениями сейсмических параметров. Такую модель среды назовем «эффективной», а ее параметры, будем определять из условия максимального совпадения по определенному критерию (чтобы конкретизировать каким образом ищем совпадение) сейсмического отклика реальной среды и ее модели.

Я » Л' >ат >с11 Т»т.

К настоящему моменту разработано большое количество методов осреднения сейсмоакустических свойств, построенных на разном уровне феноменологического (эвристичности) описания и идеализации среды [Mavko и др., 2003]. Широко известная теория Био-Френкеля [Biol, 1956а,Ъ, Френкель, 1947] для исследуемых объектов не применима. Условие (1.1.2) означает, что флюид в породе идеально подвижный (perfect fluid mobility) - поровое давление можем считать одинаковым внутри представительного объема, значит, процессы фильтрации флюида практически не влияют на характеристики среды Био [Batzle и др., 2006]. Анализ порядка величин, описывающих распространение длинных сейсмических волн в горной породе, показывает, что и остальные типы поглощения и рассеяния энергии сейсмических волн в изучаемых средах пренебрежимо малы [Johnsion и др., 1979].

Покажем, к чему формально приводят вышеизложенные соображения. Вектор упругих смещений в монохроматической волне, распространяющейся в горной породе, матрица и неоднородные включения которой являются линейно-упругими, починяется следующему уравнению:

V • А(х) : (V ® й(х)) + co2p(x)ii(x) = 0, (1.1.3)

<т(х) = Л(х):е(х), (1.1.4)

s (x) = l(V®ü(x) + ü(x)®V). (1.1.5)

Уравнение (1.1.4) - обобщенный закон Гука [Ландау и Лифшиц, 2003]; (1.1.5) -выражение тензора малых деформаций 2 ранга [Зубов и Карякин, 2006], через вектор упругих смещений.

Можем выделить два различных подхода к вычислению эффективных сейсмических свойств в неоднородных средах, удовлетворяющих условиям (1.1.1) и (1.1.2):

- методы, основанные на решении задачи рассеяния длинных сейсмических волн на неоднородности с последующим переходом к бесконечной длине волны [Веггутап, 1980 а,Ъ, Hudson, 1980, 1981, Küster и Toksoz, 1974];

квазистатическое приближение, в рамках которого пренебрегают инерциальными членами в волновом уравнении (второе слагаемое в уравнении

(1.1.3)) и решают задачу о статическом деформировании неоднородного материала; обзор методик осреднения и их применения, развитых в механике композитов [Levin и Капаип, 2008]:

В этой работе мы следовали последнему подходу, в рамках которого большое количество методов осреднения было развито в применении к задачам механики композитных материалов. Некоторые из них не применимы для описания порово-трещиноватых горных пород, например, теории осреднения периодических и полимерных композитов. Другие уже имеют «историю» успешного применения для сейсмических исследований: Аппроксимация Невзаимодействующих Включений (АНВ), самосогласованные метод