Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Реконструкция трещиноватости карбонатных коллекторов по рассеянной составляющей сейсмического волнового поля

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Реконструкция трещиноватости карбонатных коллекторов по рассеянной составляющей сейсмического волнового поля"

На правах рукописи

МЕРЗЛИКИНА Анастасия Сергеевна

РЕКОНСТРУКЦИЯ ТРЕЩИНОВАТОСТИ КАРБОНАТНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ ПО РАССЕЯННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЛНОВОГО ПОЛЯ

25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Новосибирск - 2014

005550605

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук (ИНГГ СО РАН) Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Чеверда Владимир Альбертович Официальные оппоненты:

Троян Владимир Николаевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики Земли физического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет», г. Санкт-Петербург; Смирнов Максим Юрьевич, кандидат геолого-минералогических наук, первый заместитель генерального директора по научной работе в области геофизики Федерального государственного унитарного предприятия "Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья", г. Новосибирск.

Ведущая организация:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Министерства образования и науки РФ «Сибирский федеральный университет» (СФУ, г. Красноярск). Защита состоится 15 мая 2014 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 003.068.03, созданного при ИНГГ СО РАН, в конференц- зале.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу:

630090, Новосибирск, пр-т Акад. Коптюга, 3, ИНГГ СО РАН; Факс: (383) 333-25-13, 330-28-07; e-mail: NevedrovaNNffiipgg.nsc.ru С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНГГ СО РАН. Автореферат разослан 9 апреля 2014 г.

Ученый секретарь , , ;

диссертационного совета, к.г.-м.н., доцент

H.H. Неведрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования - рассеянная составляющая волнового поля как критерий определения трещиноватости карбонатных коллекторов,

Аш-уальность. В последние годы как в России, так и за рубежом растёт интерес к исследованиям рассеянной компоненты волнового поля как важного критерия при поисках ловушек углеводородов в породах с повышенной трещиноватостью. На сегодня многие сервисные компании при обработке геофизических данных рассчитывают рассеянную компоненту, но способы ее применения не развиты.

Из публикаций известно, что рассеянную компоненту получают двумя способами: первый - это полевым методом СЛБО (сейсмическим локатором бокового обзора), второй - с использованием специальных процедур обработки данных сейсморазведки. Первый - экономически не выгоден, второй способ - в каждой компании является коммерческой тайной. В большинстве случаев при определении рассеянной компоненты не в полной мере используются достижения в прикладной математике, например полномасштабное численное моделирование, позволяющее с высокой точностью описывать тонкую структуру трещиноватого карбонатного коллектора.

Этим определяется актуальность разработки методики определения трещиноватости карбонатных коллекторов по рассеянной составляющей сейсмического волнового поля для дальнейшего использования при обосновании оптимального освоения месторождений углеводородов.

Цель исследования - развитие способов выделения и анализа рассеянной составляющей волнового поля для реконструкции трещиноватости карбонатных коллекторов с использованием:

- полномасштабного численного моделирования;

- объектно-ориентированных миграционных преобразований

волнового поля;

- интегральных операторов продолжения волнового поля.

Научная задача - разработать и верифицировать на

синтетических и реальных данных методику реконструкции распределения трещиноватости в карбонатных коллекторах по рассеянной составляющей сейсмического волнового поля с использованием объектно-ориентированных миграционных преобразований волнового поля, операторов продолжения волновых полей и полномасштабного численного моделирования.

Методы исследования. Фа1сгические данные.

Основной метод исследования - теоретический анализ численных методов исследования, а именно:

- анализ полномасштабного численного моделирования полного

волнового поля (программно-алгоритмические средства разработаны совместно ИНГГ и «РН-КрасноярскНИПИнефть»);

- метода объектно-ориентированных миграционных преобразований волнового поля;

- метода интегральных операторов продолжения волнового поля.

Использовались как синтетические данные полномасштабного

численного моделирования для реалистичных сейсмогеологических моделей, так и данные сейсморазведки ЗО, полученные в полевой сезон 2009-2011гг. в пределах Юрубчено-Тохомского месторождения (данные компании ОАО «НК «Роснефть»).

В основе решения поставленной задачи лежат современные достижения в области геометрической сейсмики, теории дифракции, теории рассеянных волновых полей, теории миграционных преобразований сейсмических волновых полей. На начальной стадии исследование базировалось на полномасштабном численном моделировании полного волнового поля трещиноватых коллекторов.

Применение методов верифицировано на синтетических и реальных данных путем сравнительного анализа с обработкой сейсмических данных традиционными методами и интерпретацией результатов.

Защищаемые результаты:

1. Методика реконструкции трещиноватости карбонатных коллекторов по рассеянной составляюшей сейсмического волнового поля.

2. Прогнозные карты трещиноватости (на примере карбонатных отложений Юрубчено-Тохомского месторождения).

Новизна решения. Личный вклад.

1. Разработана новая методика реконструкции трещиноватости карбонатных коллекторов по рассеянной составляющей сейсмического волнового поля, которая включает в себя:

- создание реалистичной сейсмогеологической модели карбонатного коллектора с использованием скважинной информации (ГИС, керн), сейсмических и геологических данных;

- проведение полномасштабного численного моделирования процессов образования и распространения волновых полей на предмет исследования рассеянной составляющей;

- разделение рассеянной регулярной составляющей поля методом объектно-ориентированных миграционных преобразований волнового поля для определения зон повышенной трещиноватости на синтетических и реальных данных;

- определение азимутальной изменчивости энергии рассеянных волн методом интегральных операторов продолжения волновых полей на синтетических и реальных данных;

2. По результатам применения методики на реальных данных построены карты:

- прогнозная карта трещиноватости карбонатного коллектора Юрубчено-Тохомского месторождения, реконструированной методом объектно-ориентированных миграционных преобразований волнового поля;

- карта азимутальной изменчивости энергии рассеянных волн, определенной методом интегральных операторов, в интервале карбонатного коллектора Юрубчено-Тохомского месторождения;

- комплексная карта, полученная суперпозицией двух вышеупомянутых прогнозных карт карбонатного коллектора.

Практическая значимость результатов.

Разработанная на основе эффективных математических методов методика является вкладом в развитие методического обеспечения сейсморазведки, направлена на повышение ее информативности, достоверности, разрешающей способности, позволяет с высокой степенью надежности реконструировать трещиноватость карбонатных коллекторов по рассеянной составляющей волнового поля, используя ее в качестве важного критерия в определении флюидонасыщенности при оптимальном освоении месторождений углеводородов.

Использование методики и прогнозных карт трещиноватости карбонатного коллектора Юрубчено-Тохомского месторождения существенно повышает оценки коллекторских свойств, снижает риски бурения дорогостоящих глубоких скважин, а значит экономически выгодно.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы известны научной общественности. Они докладывались и получили одобрение специалистов на следующих конференциях: II Научно-практической конференции «Математическое моделирование и компьютерные технологии в разработке месторождений» (Уфа, 2009), XVIII Губкинские чтения «Инновационное развитие нефтяной и газовой промышленности России - наука и образование» (Москва, 2009), Международной

конференции и выставке EAGE «Санкт-Петербург - 2010» (Санкт-Петербург, 2010), XII Международной научно-практической конференции «Геомодель» (Геленджик, 2010), I Международной научно-практической конференции для геологов и геофизиков «Сочи - 2011» (Сочи, 2011), XIII Международной научно-практической конференции «Геомодель» (Геленджик, 2011), Международной конференции и выставке EAGE «Санкт-Петербург - 2012» (Санкт-Петербург, 2012), совместном семинаре EAGE/SPE «Геолого-геофизический мониторинг процесса разработки» (Москва, 2013), Международной конференции «Инновационные сейсмические технологии и подсчёт запасов углеводородного сырья» (Москва, 2013).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано шесть статей в ведущих научных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ («Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета» - 3 статьи; «Нефтяное хозяйство» - 1 статья; «Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies» - 1 статья; «Научно-технический вестник ОАО «НК Роснефть»» - 1 статья), а также 9 публикаций в виде тезисов и материалов российских и международных конференций.

Структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка использованных источников из 110 наименований. Общий объем диссертации 127 страниц, в том числе 51 рисунок.

Благодарности.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю д.ф.-м.н., профессору В.А. Чеверде, а также д.т.н., профессору В.А. Позднякову за ценные консультации при подготовке работы.

Автор благодарен д.ф.-м.н. Г.В. Решетовой и к.ф.-м.н. В.В. Лисице за расчет синтетических данных, использованных при создании методики.

Автор признателен своим коллегам В.В. Шиликову, к.ф.-м.н. A.A. Тузовскому, А.И. Ледяеву и В.Н. Москвичу за терпение и неоценимую помощь в научной работе. Автор благодарен В.И. Самойловой за методические рекомендации и поддержку при подготовке диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, поставлены цель и задачи исследования, представлены основные научные результаты, отмечена практическая ценность работы, ее объём и структура.

Первая глава посвящена анализу известных из публикаций методов изучения и получения рассеянной составляющей волнового поля. Проведен обзор основных методов, направленных на выделение рассеянных волн из полного волнового поля. Проанализированы их достоинства и недостатки и выбран путь для решения поставленной задачи.

Интерес к построению изображений рассеивающих объектов геофизики проявляют примерно в последние 10-15 лет. Причём в последнее время этот интерес постоянно возрастает, о чём говорит, в частности, организация специальных сессий на ведущих ежегодных конференциях европейского (EAGE) и американского (SEG) общества геофизиков, а также выпус двух ведущих геофизических журналов -Geophysical Prospecting (EAGE) и Geophysics (SEG), посвящённых взаимодействию сейсмических рассеянных волн с микроструктурой, в том числе и флюидонасыщенной.

Важность изучения и использования рассеянных волн в сейсморазведке признана давно. Начало применения этих волн при интерпретации результатов обработки сейсмических данных можно отнести к работе К.Д.Клем-Мусатова (1980), которая дала толчок развитию теории с асимптотического описания их распространения в сложно-построенных средах.

Представленная в диссертации методика реконструкции распределения трещиноватости в карбонатных коллекторах по рассеянной составляющей сейсмического волнового поля включает:

- полномасщтабное численное моделирование полного волнового поля, позволяющее получить наиболее полную информацию о взаимодействии сейсмических волн с типичными моделями трещиноватых резервуаров;

- метод объектно-ориентированных миграционных преобразований волнового поля, ориентированный на выделение рассеянной составляющей волнового поля путём асимметричного суммирования данных многократного перекрытия, параметры которого оптимизируются с использованием тестового набора синтетических данных;

- метод интегральных операторов продолжения волнового поля, ориентированный на восстановление геометрии волновых фронтов и прогноза преимущественной азимутальной ориентации трещиноватости.

Во второй главе пошагово представлена методика реконструкции тонкой структуры трещиноватости карбонатных коллекторов по рассеянной составляющей волнового поля.

На первом этапе с использованием геолого-геофизических данных разрабатывается цифровая сеточная сейсмогеологическая модель карбонатного коллектора на примере данных Юрубчено-Тохомского месторождения (ЮТМ) Восточной Сибири, отличительной особенностью которого является приуроченность залежей нефти и газа к древнейшим отложениям рифея (рис. 1) [6]. Именно такая модель используется в дальнейшем для проведения полномасштабного численного моделирования волновых процессов, которое учитывает и взаимодействие сейсмических волн с тонкой структурой кавернозно-трещиноватых коллекторов [13].

Затем в исходную модель вмещающей среды были добавлены случайным образом распределённые микронеоднородности в виде заполненных водой параллелепипедов с размерами 2.5 х 0.5 х 2.5 м и концентрацией 5%.

3000 1000 2000 3000 4000

Распределение трещин в горизонтальном сечении

Рисунок 1 - Трёхмерно-неоднородная сейсмогеологическая модель карбонатного коллектора Юрубчено-Тохомского месторождения

На синтетических данных опробован метод объектно-ориентированных миграционных преобразований для выделения

рассеянных волн из полного волнового поля [1-5]. На рисунке 2 показаны фрагменты кубов энергии рассеянных волн, проходящих через устойчиво выделенный коридор трещиноватости, совмещенный с гладкой компонентой [7, 9-10]. Этот подход позволяет качественно выделять рассеянную энергию и на реальных сейсмических полях.

Для определения азимутальной изменчивости энергии рассеянных волн синтетические 30 данные обработаны с использованием метода операторов продолжения волнового поля в обрабатывающем комплексе РгоМАХ [11-12]. Анализ распределения энергии рассеянных волн в зоне трещиноватости по азимутам (рис. 3) показал, что интенсивность рассеянных волн вдоль направления, совпадающего с ориентацией трещиноватости, существенно выше, чем в ортогональном к нему направлении: на рисунке чётко выделяются максимумы по направлению 90-270° (вдоль трещиноватости) и 0-180° (ортогонально). Это подтверждает способность метода определять преимущественную ориентацию трещиноватости.

Энергетически выраженные объекты с аномальными сейсмоакустическими свойствами выделены методом объектно-ориентированных миграционных преобразований. Полученные на модельном примере результаты верифицировались на реальных данных. Для апробации взята часть Юрубченского ЛУ.

Рисунок 2 - Фрагменты кубов энергии рассеянных волн, проходящих через коридор трещиноватости, совмещенный с разрезом гладкой

компоненты

Рисунок 3 - Распределение энергии рассеянных волн по азимутам

В результате специальной обработки с использованием метода объектно-ориентированных миграционных преобразований на реальных данных был получен куб энергии рассеянных волн (рис. 4), который

использовался при апробации методики реконструкции на реальных данных [8,14].

В пределах сейсмической съёмки ЗЭ пробурено 22 скважины. Из всего набора скважинных данных, характеризующих фильтрационно-емкостные свойства, был выбран параметр проницаемости, при этом коэффициент корреляции Я между энергией рассеянных волн и значением логарифма проницаемости составляет 0,71, что позволяет построить прогнозную карту проницаемости (рис. 5).

Рисунок 4 - Куб энергии рассеянных Рисунок 5 - Прогнозная карта волн проницаемости по рассеянным

волнам в продуктивном пласте

Проведенное исследование на реальных данных показало, что на сегодня применение объектно-ориентированных миграционных преобразований к данным MOFT3D позволяет выделять на качественно новом уровне зоны с улучшенными ФЕС в карбонатных отложениях рифея.

С целью настройки алгоритма определения азимутальной изменчивости энергии рассеянных волн известного объекта и оценки достоверности полученных результатов выполнен тестовый расчёт на участке, на котором ранее были проведены исследования по технологии FMI (пластовый микросканер FMI) с получением данных об азимутальной направленности трещин (рис. 6).

азимутальное распределение энергии рассеянных волн

азимутальное распределение количества трещин (FMI)

у = 0.1859х + 0.3622 R= = 0.6094

S

1 t 0.00

'___--- 1

1 : з 4 s в 7 Количество трещин по FMI ь « 10

Рисунок 6 - Диаграммы направленности по технологии FMI и азимутальной направленности энергии рассеянных волн и график зависимости энергии рассеянных волн от количества трещин

При анализе диаграмм видна хорошая сходимость приведенных данных, что свидетельствует о работоспособности алгоритма.

Для анализа азимутальных различий в направленности энергии рассеянных волн были взяты две пары центрально симметричных 90 -градусных секторов, просуммированы отдельно, каждой паре секторов присвоили свой цвет (рис. 7). Синий цвет - распределение азимута от 0 до 20°, 110-200°, 290-360°. Красный цвет: 20-110°, 200-290°. Была получена суперпозиция данных, в которой энергия рассеянных волн разделена на составляющие и, в соответствии с численными исследованиями на модельных данных, определяется направленностью трещин.

Далее суперпозицией двух карт, приведённых на рисунках 5 и 7, была получена комплексная прогнозная карта трещиноватости. Результаты свидетельствуют о возможности использования рассеянных волн, полученных двумя различными методами, для реконструкции трещиноватости карбонатных коллекторов.

Рисунок 7 - Горизонтальный срез Рисунок 8 - Прогнозная карта куба азимутальной изменчивости трещиноватости карбонатного энергии рассеянных коллектора по рассеянной

составляющей волнового поля

В третьей главе определена связь структуры рассеянной компоненты с флюидонасыщением коллектора путём выполнения полномасштабного численного моделирования для модернизованной синтетической модели. Здесь уже были введены два типа микронеоднородностей в целевом пласте - флюидонасыщенные и минерализованные, причём эти скопления разделены однородной областью, то есть областью, не содержащей никаких микровключений. Геометрия флюидонасыщенных и минерализованных микронеоднородностей абсолютно одинакова: каждая из них является параллелепипедом 1,0 х 0,25 х 1,0 м, и концентрация их тоже одинакова. Таким образом, единственное различие этих двух систем микронеоднородностей - их флюидонасыщение или минерализация.

Применение объектно-ориентированных миграционных преобразований к синтетическим волновым полям (рис. 9) позволяет отчётливо выделить слой, содержащий область повышенной трещиноватости. Одновременно с этим заметна повышенная интенсивность энергии рассеянных волн ниже флюидонасыщенных трещин (слева),

Распределение по азимутам

миаши^!!....... I ни Ш*т

■и

ниже минерализованных трещин (справа) такого эффекта не наблюдается.

На этом основании можно сделать вывод, что наличие многократного рассеяния может служить одним из признаков флюидонасыщенности микронеоднородностей [15].

Однократно рассеянные волны

го * ..........ГГТ"Т..... и в» 1 ШЩМЩ ее 120 —пег

ив н .......;...................-

.....г .1 М

щ Ш 1;

, Г ГГ. :Е ±.....№ х:

Однократно рассеянные волны

Многократно рассеянные волны

Многократно рассеянные волны

Исходная модель

Трещины с жидкостью Минерализованные

трещины

Рисунок 9 - Суперпозиция отраженных и рассеянных волн по синтетическим данным Надо отметить, что многократно рассеянные волны для определения внутреннего строения целевых областей использовались и ранее, например, для мониторинга изменчивости параметров среды во времени (Роиртег е1 а1., 1984; Бтеёег ег а!., 2002). Итак, поля многократно рассеянных сейсмических волн являются интерференционными, обусловленными эффектами многократного рассеяния на флюидонасыщенных микронеоднородностях. Следовательно, включение в обработку данных многократно рассеянных волн может трактоваться как применение методов сейсмической интерферометрии - нового направления сейсмических исследований,

основанного на использовании явлений многократного отражения/рассеяния для повышения разрешающей способности сейсмических изображений. Её преимущество заключается в вовлечении в обработку всех волновых полей, а не только первых вступлений отражённых/рассеянных волн (G.Schuster "Seismic interferometry", Cambridge University Press, 2009, 260 p.).

Необходимо подчеркнуть, что традиционные методы разделения волнового поля на отдельные составляющие (пространственно-временное преобразование Фурье, wavelet-декомпозиция сигналов и др.), не могут быть напрямую использованы в этих целях. Действительно, они ориентированы на сигналы, являющиеся линейной суперпозицией некоторых заранее заданных базисных функций, в то время как поле многократно рассеянных волн имеет весьма сложную, как правило хаотическую, структуру.

Наиболее подходящим аппаратом, видимо, здесь является интенсивно развиваемый в последние годы метод декомпозиции сложных сигналов на эмпирические моды - Empirical Mode Decomposition (в английской аббревиатуре - EMD) (см. Wang Tong, et al., "Comparing the applications of EMD and EEMD on time-frequency analysis of seismic signal", Journal of Applied Geophysics, v.83, 29 - 34, и цитируемые в ней публикации). Отличительной особенностью этого метода является его способность самостоятельного обнаружения «базовых мод» сигнала и их последующее использование для декомпозиции. На этой основе в диссертации предложен и опробован метод пространственно-временной локализации многократно рассеянных волн и оценки их интенсивности, впоследствии реализованный в виде дополнительной процедуры обработки.

Типичная картина распределения энергии многократно рассеянных волн в области расположения флюидонасыщенного коллектора приведена на рисунке 9. Её характерной формой являются протяжённые в сторону возрастания времён/глубин хвосты локализованных квазипериодических «ярких пятен».

Интересно сопоставить суперпозицию суммированного разреза OFT с результатом объектно-ориентированных миграционных преобразований для реальных данных Юрубчено-Тохомского ЛУ в районе высокопродуктивной скважины Юр-80. Как и для синтетических данных, здесь наблюдается специфическая форма пространственного распределения энергии многократно рассеянных волн в каплевидной форме, что даёт основание ожидать довольно высокого флюидонасыщения коллектора в этой области, следовательно, её

использование для построения изображений позволит существенно повысить их информативность и разрешённость.

На основе полученных результатов было предложено использовать «каплевидную» форму распределения энергии, характерную для многократно рассеянных волн, в качестве дополнительного прогнозного параметра [12]. В результате применения процедуры Е1УГО был получен куб многократно рассеянных волн (рис. 10). На рисунке 11 приведена итоговая прогнозная карта трещиноватости по рассеянной составляющей волнового поля, на которую нанесены упомянутые зоны и проницаемость глубоких скважин по данным промысловых испытаний. Полученное весьма удовлетворительное совпадение показывает перспективность применения на практике данного признака флюидонасыщения.

Распределение по азимутам

Рисунок 10 - Проявления Рисунок 11 - Итоговая прогнозная

многократно рассеянных волн, карта трещиноватости карбонатногс выделенных методом ЕМБ коллектора по рассеянной

составляющей волнового поля

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе предложна новая методика реконструкции трещиноватости по рассеянной составляющей волнового поля, проведено детальное исследование процессов взаимодействия

сейсмических волн со скоплениями субсейсмических неоднородностей в трёхмерных неоднородных средах. Численными экспериментами показано, что, помимо хорошо известных отражённых, преломленных, дифрагированных и однократно рассеянных волн, формируются и достоверно выделяются устойчивые образования как результат многократного взаимодействия волновых полей с тонкой структурой целевых объектов. Они несут чрезвычайно богатую информацию о строении изучаемого резервуара на микроуровне, то есть на размерах, существенно меньших доминирующей длины волны. Таким образом, численное моделирование процессов формирования и распространения волн, многократно взаимодействующих с микроструктурой, а также проявление в них особенностей тонкого строения целевых геологических объектов может стать основой качественно новой технологии обработки сейсмических данных.

К сожалению, обнаружение и выделение такого типа волн на реальных записях без учета их ключевых особенностей вряд ли возможно. В то же время, технология полномасштабного численного моделирования сейсмических волновых полей для реалистичных трёхмерных цифровых сейсмогеологических моделей позволяет выделить такие волны в чистом виде, «препарировать» их и обнаружить на этой основе влияние типичных субсейсмических структур. Именно на этой основе видится путь дальнейшего развития метода объектно-ориентированных миграционных преобразований волнового поля в направлении повышения его информативности и разрешающей способности. При этом требуется соблюдать два правила:

- проводить трёхмерное моделирование, так как динамические особенности рассеянных/дифрагированных волн существенно различаются в двумерном и трёхмерном случаях, а следовательно, проявления микронеоднородностей в них будут различаться весьма существенно;

- соблюдать соотношение доминирующей длины волны и типичных размеров микронеоднородностей, так как основные характеристики рассеянных/дифрагированных волн, как правило, заметно изменяются при увеличении/уменьшении размеров микрообъектов.

В этом случае синтетические сейсмические поля практически неотличимы от реальных и, следовательно, могут быть использованы для изучения in situ особенностей проявления в них микроструктуры для различных геометрических и физических характеристик изучаемых геологических объектов.

Таким образом, проведенные исследования подтвердили, что в технологической цепочке изучения динамических признаков волнового поля полномасштабное численное моделирование является необходимым звеном, которое не только позволяет тестировать алгоритмы и методики, но и даёт возможность изучать различные волны, которые невозможно самостоятельно извлекать из сейсмической записи. По моему глубокому убеждению, успехи сейсморазведки в ближайшие годы будут связаны как раз с изучением такого типа «нетрадиционных» волн.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи:

1. Дагаев, ИЛ. Использование рассеянных сейсмических волн для прогноза коллекторских свойств / ИЛ. Дагаев, А.С. Мерзликина // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета. - 2009. - №4 (21).-С. 19-24.

2. Дагаев, И.Л. Изображение рассеивающих объектов методом фокусирующих преобразований волновых полей / ИЛ. Дагаев, А.С. Мерзликина // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета. - 2010. - № 1 (22). - С. 27-31.

3. Дагаев, ИЛ. Использование рассеянных волн - новое направление сейсмической разведки / И.Л. Дагаев, А.С. Мерзликина [и др.] // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета. - 2010. - №2 (23).-С. 16-21.

4. Поздняков, В.А. Выделение деструктурных зон в карбонатных венд-рифейских отложениях Восточной Сибири / В.А. Поздняков, А.С. Мерзликина // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. - 2011. - T 4. - № 4. - C. 410-418.

5. Поздняков, В.А. Выделение зон повышенной трещиноватости в карбонатных отложениях Восточной Сибири / В.А. Поздняков, В.В. Шиликов, А.С. Мерзликина // Нефтяное хозяйство. - 2011. - № 7 — С. 86-88.

6. Якупова, Е.М. Построение геологической модели карбонатного резервуара с использованием сейсмических атрибутов на примере Юрубчено-Тохомского месторождения / Е.М. Якупова, А. А. Антоненко, А.С. Мерзликина [и др.] // Научно - технический вестник ОАО «НК РОСНЕФТЬ». - 2012. - №4 (29).- С. 4-7.

Тезисы научных докладов:

7. Мерецкий A.A., Использование рассеянных сейсмических волн для прогноза коллекторских свойств / A.A. Мерецкий, A.C. Мерзликина // II научно-практическая конференция «Математическое моделирование и компьютерные технологии в разработке месторождений» (Уфа, 15-17 апреля 2009 г.). - Уфа, 2009.

8. Поздняков, В.А. Изображение рассеивающих объектов методом фокусирующих преобразований волновых полей / В.А. Поздняков, A.A. Мерецкий, A.C. Мерзликина // XVIII Губкинские чтения «Инновационное развитие нефтяной и газовой промышленности России - наука и образование» (Москва, 23-25 ноября 2009 г.). - М„ 2009.

9. Поздняков, В.А. Расчет и интерпретация рассеянных волн с цепью прогноза фильтрационно-ёмкостных свойств / В.А. Поздняков, В.В. Шиликов, A.C. Мерзликина [и др.] // V Международная конф. и выставка «Санкт-Петербург - 2010» (Санкт-Петербург, 5 - 8 апреля 2010 г.). - СПб., 2010

10. Поздняков, В.А. Прогноз коллекторских свойств по рассеянным волнам / В.А. Поздняков, В.В. Шиликов, A.C. Мерзликина // 12- Международная науч,-практ. конф. «Геомодель - 2010» (Гелецджик, 13 - 17 сентября 2010). -Геленджик, 2010.

П.Поздняков, В.А. Исследование азимутальной направленности трещин по данным сейсморазведки волнам / В.А. Поздняков, В.В. Шиликов, A.C. Мерзликина // I Международная науч.-практ. конф. для геологов и геофизиков «Сочи - 2011»(Сочи, 13 -17 мая 2011 г.). - Сочи, 2011.

12.Тузовский, A.A. Проявление преимущественной ориентации микронеоднородностей в азимутальном распределении энергии рассеянных волн / A.A. Тузовский, В.В. Шиликов, A.C. Мерзликина [и др.] // XIII междун. науч.-практ. конф. «Геомодель-2011» (Геленджик, 12-15 сен. 2011 г.). - Геленджик, 2011.

13.Поздняков, В.А. Методика оценки флюидонасыщенности трещинных резервуаров на основе численных методов трехмерного моделирования волновых полей / В.А. Поздняков, В.В. Шиликов, A.C. Мерзликина [и др.] // V Международная конф. и выставка «Санкт-Петербург - 2012» (Санкт-Петербург, 2-6 апреля 2012 г.). - СПб., 2012.

14. Мерзликина, A.C. Прогнозирование флюидонасыщенности пласта-коллектора на основе анализа рассеянной компоненты / A.C. Мерзликина [и. др.] // Совместный семинар EAGE/SPE геолого-геофизический мониторинг процесса разработки (Москва, 4 -6 марта 2013 г.). - М., 2013.

15. Мерзликина, A.C. Повышение информативности и разрешённости волновых сейсмических изображений на основе полномасштабного численного

моделирования в трёхмерно-неоднородных средах с кавернозно-трещиновато-пористыми резервуарами применительно к геологическим условиям Восточной Сибири / А.С. Мерзликина [и. др.] // Междунар. конф. «Инновационные сейсмические технологии и подсчёт запасов углеводородного сырья» (Москва, 15-16 апреля 2013 г.). -М., 2013.

_Технический редактор Т.С. Курганова_

Подписано в печать 27.02.2014 Формат 60x84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура Тайме _Печ.л. 0,9. Тираж 100. Зак. № 110_

ИНГГ СО РАН, ОИТ 630090, Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Мерзликина, Анастасия Сергеевна, Новосибирск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ НЕФТЕГАЗОВОЙ ГЕОЛОГИИ И ГЕОФИЗИКИ

ИМ. А.А.ТРОФИМУКА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201459293

МЕРЗЛИКИНА Анастасия Сергеевна

РЕКОНСТРУКЦИЯ ТРЕЩИНОВАТОСТИ КАРБОНАТНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ ПО РАССЕЯННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЛНОВОГО ПОЛЯ

25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель: д-р физ.-мат. наук, профессор Чеверда Владимир Альбертович

НОВОСИБИРСК - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 4

Глава 1 ИЗВЕСТНЫЕ МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ВЫДЕЛЕНИЯ И

ИЗУЧЕНИЯ РАССЕЯННЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН ДЛЯ

ВЫЯВЛЕНИЯ ТРЕЩИНОВАТЫХ КОЛЛЕКТОРОВ....................... 10

1.1. Сейсмический локатор бокового обзора.............................. 14

1.2. Метод общей рассеивающей точки (Common - Scattering Point).................................................................................................. 19

1.3. Метод фокусирующих преобразований.............................. 23

1.4. Метод объектно-ориентированных миграционных преобразований волновых полей.................................................. 26

1.5. Построение волновых изображений методом интегральных операторов продолжения волнового поля..................................... 42

1.6. Конечно-разностное моделирование волновых полей............. 47

1.7. Сравнительный анализ использования методов для выделения рассеянных волн.................................................................. 60

Глава 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РЕКОНСТРУКЦИИ ТРЕЩИНОВА-

ТОСТИ КАРБОНАТНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ ПО РАССЕЯННОЙ

СОСТАВЛЯЮЩЕЙ............................................................ 61

2.1. Создание реалистичной модели карбонатного коллектора........ 61

2.2. Полномасштабное численное моделирование.......................

2.3. Разделение волнового поля на регулярную и рассеянную составляющую на синтетических данных........................... 73

2.4. Определение азимутальной изменчивости энергии рассеянных волн на синтетических данных............................. 79

2.5. Выделение энергетически выраженных объектов с аномальными сейсмоакустическими свойствами................... 83

2.6. Расчет азимутальной направленности энергии рассеянных волн........................................................................... 91

Глава 3 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ФЛЮИДОНАСЫЩЕНИЯ ТРЕЩИНОВАТЫХ КОЛЛЕКТОРОВ..................................................................................................97

3.1. Численные эксперименты по изучению проявлений

флюидонасыщенности......................................................................................................97

3.2.Верификация признаков флюидонасыщенности на

синтетических и реальных данных........................................................................107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................................................................П4

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................................................ц6

ВВЕДЕНИЕ

Объект исследования - рассеянная составляющая волнового поля как критерий определения трещиноватости карбонатных коллекторов.

Актуальность. В последние годы как в России, так и за рубежом растет интерес к исследованиям рассеянной компоненты волнового поля для поиска ловушек углеводородов в породах с повышенной трещиноватостью. На сегодня многие сервисные компании при обработке геофизических данных рассчитывают рассеянную компоненту, но способы ее применения не развиты.

Из публикаций известно, что рассеянную компоненту получают двумя способами: первый - это полевой метод СЛБО (сейсмический локатор бокового обзора), второй - с использованием специальных процедур обработки данных сейсморазведки. Первый - экономически не выгоден, второй способ - в каждой компании является коммерческой тайной. В большинстве случаев при исследованиях рассеянной компоненты не в полной мере используются достижения в прикладной математике, например полномасштабное численное моделирование, позволяющее с высокой точностью описывать тонкую структуру трещиноватого карбонатного коллектора.

Этим определяется актуальность разработки методики определения трещиноватости карбонатных коллекторов по рассеянной составляющей сейсмического волнового поля для дальнейшего использования при обосновании оптимального освоения месторождений углеводородов.

Цель исследования - развитие способов выделения и анализа рассеянной составляющей волнового поля для реконструкции трещиноватости карбонатных коллекторов с использованием:

- полномасштабного численного моделирования;

- объектно-ориентированных миграционных преобразований волнового поля;

- интегральных операторов продолжения волнового поля.

Научная задача - разработать и верифицировать на синтетических и реальных данных методику реконструкции распределения трещиноватости в карбонатных коллекторах по рассеянной составляющей сейсмического волнового поля с использованием методов объектно-ориентированных миграционных преобразований волнового поля, операторов продолжения волновых полей и полномасштабного численного моделирования.

Методы исследования, фактические данные

Основной метод исследования - теоретический анализ численных методов исследования, а именно:

- полномасштабного численного моделирования полного волнового поля (программно-алгоритмические средства разработаны совместно ИНГГ и «РН-КрасноярскНИПИнефть»);

- метода объектно-ориентированных миграционных преобразований волнового поля;

- метода интегральных операторов продолжения волнового поля.

Использовались как синтетические данные полномасштабного

численного моделирования для реалистичных сейсмогеологических моделей, так и данные сейсморазведки ЗО, полученные в полевой сезон 2009-2011гг. в пределах Юрубчено-Тохомского месторождения (данные компании ОАО «НК «Роснефть»).

В основе решения поставленной задачи лежат современные достижения в области геометрической сейсмики, теории дифракции, теории рассеянных волновых полей и миграционных преобразований сейсмических волновых полей. На начальной стадии исследование базировалось на полномасштабном численном моделировании полного волнового поля трещиноватых коллекторов.

Применение методов верифицировано на синтетических и реальных данных путем сравнительного анализа с обработкой сейсмических данных традиционными методами и интерпретацией результатов.

Защищаемые результаты:

1. Методика реконструкции трещиноватости карбонатных коллекторов по рассеянной составляющей сейсмического волнового поля.

2. Прогнозные карты трещиноватости (на примере карбонатных отложений Юрубчено-Тохомского месторождения).

Новизна решения. Личный вклад

1. Разработана новая методика реконструкции трещиноватости карбонатных коллекторов по рассеянной составляющей сейсмического волнового поля, которая включает в себя:

- создание реалистичной сейсмогеологической модели карбонатного коллектора с использованием скважинных данных (ГИС, керн), сейсмических и геологических данных;

- детальный анализ формирования и распространения рассеянной компоненты волнового поля с использованием полномасштабного численного моделирования процессов распространения волновых полей;

- разделение рассеянной и регулярной составляющей (отраженные волны) поля методом объектно-ориентированных миграционных преобразований волнового поля для определения зон повышенной трещиноватости на синтетических и реальных данных;

- определение азимутальной изменчивости энергии рассеянных волн методом интегральных операторов продолжения волновых полей на синтетических и реальных данных.

2. По реальным данным построены:

- прогнозная карта трещиноватости карбонатного коллектора Юрубчено-Тохомского месторождения, реконструированной методом объектно-ориентированных миграционных преобразований волнового поля;

- карта азимутальной изменчивости энергии рассеянных волн, определенной методом интегральных операторов, в интервале карбонатного коллектора Юрубчено-Тохомского месторождения;

- комплексная прогнозная карта, полученная путем наложения двух прогнозных карт карбонатного коллектора.

Практическая значимость результатов. Разработанная на основе эффективных математических методов методика позволяет с высокой степенью надежности реконструировать трещиноватость карбонатных коллекторов по рассеянной составляющей волнового поля, используя ее в качестве важного критерия определения флюидонасыщености при оптимальном освоении месторождений углеводородов.

Разработка является вкладом в развитие методического обеспечения сейсморазведки, которая направлена на повышение ее информативности, достоверности, разрешающей способности.

Прогнозные кары трещиноватости карбонатного коллектора Юрубчено-Тохомского месторождения позволяют проводить оценку коллекторских свойств на качественно новом уровне, снижают риски бурения глубоких скважин, а значит использование разработанной методики экономически выгодно.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы известны научной общественности. Они докладывались и получили одобрение специалистов на следующих конференциях: II Научно-практической конференции «Математическое моделирование и компьютерные технологии в разработке месторождений» (Уфа, 2009), XVIII Губкинские чтения «Инновационное развитие нефтяной и газовой промышленности России - наука и образование» (Москва, 2009), Международной конференции и выставке ЕАОЕ «Санкт-Петербург - 2010» (Санкт-Петербург, 2010), XII Международной научно-практической конференции «Геомодель» (Геленджик, 2010), I Международной научно-практической конференции для геологов и геофизиков

«Сочи - 2011» (Сочи, 2011), XIII Международной научно-практической конференции «Геомодель» (Геленджик, 2011), Международной конференции и выставке EAGE «Санкт-Петербург - 2012» (Санкт-Петербург, 2012), совместном семинаре EAGE/SPE «Гео лого-геофизический мониторинг процесса разработки» (Москва, 2013), Международной конференции «Инновационные сейсмические технологии и подсчет запасов углеводородного сырья» (Москва, 2013).

Публикации

По теме диссертации опубликовано шесть статей в ведущих научных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ:

- «Вестник Северо-Кавказского государственного технического

университета» - 3 статьи;

- «Нефтяное хозяйство» - 1 статья;

- «Журнал Сибирского федерального университета. Техника и

технологии Journal of Siberian Federal University. Engineering &

Technologies» - 1 статья;

- «Научно-технический вестник ОАО «НК Роснефть»» - 1 статья.

Структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка использованных источников из 110 наименований. Общий объем диссертации 127 страниц, в том числе 51 рисунок.

Благодарности.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю д.ф.-м.н. профессору В.А. Чеверде, а также д.т.н. профессору В.А. Позднякову за ценные консультации при подготовке работы.

Автор благодарен д.ф.-м.н. Г.В. Решетовой и к.ф.-м.н. В.В. Лисице за расчет синтетических данных, использованных при создании методики.

Автор признателен своим коллегам В.В. Шиликову, к.ф.-м.н. A.A. Тузовскому, А.И. Ледяеву и В.Н. Москвичу за терпение и неоценимую помощь в

научной работе. Автор благодарен В.И. Самойловой за методические рекомендации и поддержку при подготовке диссертации.

Глава 1 ИЗВЕСТНЫЕ МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ВЫДЕЛЕНИЯ И ИЗУЧЕНИЯ РАССЕЯННЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ

ТРЕЩИНОВАТЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

Известные на сегодня технологии сейсморазведки, в основном ориентированные на ловушки с поровыми коллекторами, мало приспособлены для поиска углеводородов в резервуарах трещинно-кавернозного типа, так как в этих породах нефть распределяется по каналам миграции флюидов, контролируемым зонами трещиноватости, кавернозности и карстования. Поиски таких резервуаров требуют новых подходов, использования новых эффективных методов обработки и интерпретации сейсмических данных, в частности математических.

В настоящее время в практике сейсморазведки при интерпретации данных и прогнозе в основном используется отражённая компонента сейсмического волнового поля, формируемая на резких границах геологической среды (метод общей глубинной точки - МОГТ) [3,15]. Такой традиционный способ обеспечивает приемлемое качество прогноза залежей углеводородов для порового коллектора, расположенного на небольших глубинах верхней части осадочного чехла. Однако для поисков глубокозалегающих коллекторов трещинно-порового и трещинно-кавернозного типов, приуроченных, как правило, к кровле фундамента, методы, использующие отражённые волны, неэффективны. Это объясняется тем, что зоны трещиноватости, формирование которых контролируется преимущественно дизъюнктивной тектоникой и процессами выщелачивания, не образуют регулярных сейсмических отражённых волн, но являются источником образования рассеянных (дифрагированных) волн.

Интерес к построению изображений рассеивающих объектов геофизики проявляют примерно в последние пять лет. Причём он устойчиво возрастает, о чём говорит, в частности, выход тематических выпусков двух ведущих

и

геофизических журналов - Geophysical Prospecting (2009) и Geophysics (2009), посвященных взаимодействию сейсмических рассеянных волн с микроструктурой, в том числе и флюидонасыщенной, а также организация специальных сессий на ежегодной конференции EAGE в Барселоне (2010), Вене (2011) и Копенгагене (2012).

Важность изучения и использования рассеянных волн в сейсморазведке признана давно [74, 83, 104]. Применение этих волн при интерпретации начинается с работ К. Д. Клем-Мусатова, который дал толчок развитию теории с ассимптотического описания их распространения в сложно-построенных средах [16]. Несколько попыток использования рассеянных волн для обнаружения малоамплитудных сбросов было сделано советским геофизиком Г. JI. Ковалевским [17]. В своей работе он теоретически обосновал и подтвердил экспериментально наличие сейсмических аномалий в виде малоамплитудных нарушений в среде, на эмпирическом уровне успешно объяснил их происхождение интерференцией рассеянных волн. Е. Ланда предложил оценивать параметры малоамплитудных сбросов путем минимизации расхождения между наблюдёнными данными и расчётными, представленными на сейсмограммах [23]. Фактически, это была одна из первых попыток решить обратную динамическую задачу методом оптимизации, известным сегодня как метод обращения полных волновых полей или Full Waveform Inversion, в котором рассеянные волны играют главную роль. Е. Ланда и А. Максимов опубликовали результаты физического моделирования распространения сейсмических волн в среде, содержащей рассеивающие объекты. На синтетических сейсмических данных они показали возможность идентификации дифрагированных волн и их последующего использования для обнаружения мелкомасштабных структурных элементов среды [24].

В 80-90-е годы прошлого столетия публикации по использованию сейсмической дифракции были редки и скорее экзотичны. Landa, Gelchinsky, Shtivelman [86], а также Kanasewich и Phadke [78] предложили строить так

называемый дифракционный временной разрез путем когерентного суммирования вдоль "дифракционной" гиперболы вместо обычной гиперболы ОГТ. Е. Lande и S. Keydar было предложено использовать рассеянные волны для мониторинга при прокладке туннелей [84, 87-89].

В последнее десятилетие публикаций об использовании рассеянных волн было очень много. Так в работе Khaidukov с соавторами рассеивающее изображение рассматривается как дополнение к традиционному, построенному на основе отражённых волн. Предложенный здесь способ построения рассеянного изображения основан на разделении отражённой и рассеянной компонент волнового поля [79]. Существенным моментом здесь является фокусировка отраженных волн в мнимые источники и их последующее вычитание из полного волнового поля [110]. C.B. Гольдин с соавторами предложил разделять рассеянные и отраженные волны путем продолжения волнового поля вниз с использованием Гауссовских пучков [9]. R. Bansai и М. Inhof разработан комплекс способов для усиления рассеянной компоненты и ослабления зеркальных отражений, который позволяет эффективно использовать информацию о рассеянных волнах [55]. S. Fomel, Е. Landa и Т. Tañer разработали способ разделения волнового поля и построения рассеянного изображения на основе так называемого "plane-wave destructor" фильтра ("разрушителя плоских волн") [67-68, 107]. Этот способ применим к временным разрезам или сейсмограммам общего удаления и позволяет рассчитывать мигрированные разрезы по оптимально сфокусированной рассеянной компоненте волнового поля. Авторы показали, что рассеянные волны могут успешно применяться также для скоростного анализа и построения скоростной модели интервальных скоростей [69]. P. Sava с соавторами предложил использовать дефокусировку рассеянных волн в качестве критерия при скоростн�