Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Теоретическое и экспериментальное обоснование новых сейсмоакустических технологий, использующих волновые эффекты в зонах открытой трещиноватости горных пород в нефтегазоносных бассейнах

ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Теоретическое и экспериментальное обоснование новых сейсмоакустических технологий, использующих волновые эффекты в зонах открытой трещиноватости горных пород в нефтегазоносных бассейнах"

На правах рукописи

КУРЬЯНОВ ЮРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ НОВЫХ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ВОЛНОВЫЕ ЭФФЕКТЫ В ЗОНАХ ОТКРЫТОЙ ТРЕЩИНОВАТОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД В НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ

Специальность 25.00.16 Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степен] доктора технических наук

БАССЕЙНАХ

Москва 2004 г.

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации - Всероссийском научно-исследовательском институте геологических и геохимических систем (ВНИИгеосистем), г. Москва и Международном университете природы, общества и человека «Дубна».

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор O.JI. Кузнецов.

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук,

академик РАН, профессор А.Н. Дмитриевский;

доктор технических наук, профессор О.А. Потапов;

доктор геолого-минералогических наук Г.Г. Яценко.

Ведущая организация:

ОАО «ВНИИнефть» им. А.П. Крылова

Защита состоится 27 января 2005 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 216.011.01 при ВНИИгеосистем по адресу: 117105, Москва, Варшавское шоссе, д. 8, конференц-зал.

Тел.: (095) 954-53-50, факс: (095) 958-37-11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИгеосистем. Автореферат разослан 23 декабря 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор геолого-минералогических наук, профессор

гоов-4 2103

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Поиск, разведка и разработка месторождений углеводородов, как правило, сопровождается возникновением новых научных и технологических проблем.

Для России это тем более актуально, поскольку ухудшение горногеологических условий, истощение запасов месторождений, находящихся в поздней стадии освоения, возрастание объемов работ по капитальному ремонту, реконструкции скважин и промыслового оборудования делают необходимыми форсированную разработку и внедрение новых научных идей и подходов, создание принципиально новых методов поисков и разработки нефтегазовых месторождений.

Вовлечение в разработку трудноизвлекаемых запасов нефти требует серьезных усилий в отношении научного и технологического обоснования этого процесса, объединяющего целый ряд разноплановых задач поиска и эксплуатации месторождений.

Существующие проблемы, стоящие перед отраслью, можно подразделить на несколько групп. Ряд особенностей отражают усложнение горногеологических условий. Здесь уместно выделить следующие проблемы:

- поиск месторождений с тектонически и литологически экранированными залежами, не имеющими четкого структурного плана;

- поиск месторождений в условиях интенсивных проявлений разломной тектоники и тектонических дислокаций в разрезе;

- поиск месторождений в зонах открытой трещиноватости горных пород осадочного чехла.

Другой круг задач связан с более сложным строением эксплуатируемых резервуаров, что приводит к необходимости проведения постоянного мониторинга залежи для непрерывного управления процессом добычи с целью повышения коэффициента извлечения нефти.

При этом мы сталкиваемся со следующими трудностями:

- непостоянство коллекторских свойств пород при наличии зон неравномерной трещиноватости;

- возникновение нерегулярных фронтов заводнения и образование блокированных зон неравномерной выработки запасов;

- неэффективный выбор схем размещения добывающих и нагнетательных скважин, обусловленный существованием зон с различными свойствами (прежде всего наличием зон трещиноватости);

- усложнение процедур интенсификации работы пласта посредством техногенных воздействий, т.к. проведение таких операций в условиях сильно неоднородной среды требует их тщательного мониторинга. Вовлечение в разработку постседиментационных коллекторов (ПСК)

происходит во всех без исключения нефтегазоносных бассейнах (НГБ). По генезису их делят на две большие группы: природные и техногенные. И те, и другие нередко обладают весьма высокими фильтрационно-емкостными

1_И>С НАЦИОНАЛЬНА* | ЬИМИОТЕКА |

. ¿гэьУ 1

———^ывтшЛ

свойствами (ФЕС). Чаще всего резервуары с природными постседимента-ционными коллекторами являются сопутствующими, дополнительными по отношению к резервуарам с гранулярными (первичными) коллекторами. В то же время известны крупные и даже гигантские скопления углеводородов (УВ), связанные исключительно с постседиментационными коллекторами. Достаточно упомянуть гигантскую нефтегазоносную Юрубчено-Тахомскую зону в Восточной Сибири - резервуар, который представлен трещинно-кавернозными рифейскими карбонатными породами; гигантскую залежь нефти месторождения Белый Тиф во Вьетнаме, приуроченную к трещиноватым гранитам. Гигантская залежь нефти месторождения Хасси-Месауд в Северной Африке (Алжир) связана с кембрийскими трещиноватыми кварцитами. Ярким примером эффективного использования техногенных ИСК является разработка ачимовской толщи гигантской Приобской нефтеносной зоны Западной Сибири. Несмотря на низкие ФЕС гранулярных коллекторов использование массовых операций гидроразрыва залежи позволило увеличить дебиты нефти в отдельных скважинах до 500 т/сут. Аналогичные результаты (увеличение притока нефти на порядок) были получены после ГРП в зонах интенсивной трещиноватости тер-ригенных коллекторов на других месторождениях Западной Сибири.

В свете последних результатов, очевидной становится целесообразность изучения обеих групп ИСК как в теоретическом, так и практическом плане.

Кроме того, имеются убедительные свидетельства того, что трещино-ватость горных пород крайне неравномерно развита в осадочном чехле и, в частности, на площадях отдельных месторождений, образуя субвертикальные зоны трещиноватости, имеющие корни в фундаменте и захватывающие породы всего комплекса осадочной толщи, которые сейчас принято относить к зоне промышленного недропользования.

Трещиноватые зоны чередуются с зонами консолидированных пород и могут перекрываться пластами плохопроницаемых пород, образуя потенциальные ловушки для углеводородов и создавая условия либо для возникновения своеобразных по генезису месторождений нефти и газа, либо условия повышенной фильтрации в продуктивных пластах.

И та, и другая форма существования зон повышенной проницаемости представляет значительный интерес в отношении поиска новых месторождений, а также для разработки и оптимизации процесса добычи на уже разрабатываемых месторождений. Применение схем разработки, учитывающих наличие зон повышенной пьезопроводности, может привести к увеличению коэффициента конечной нефтеотдачи пласта, т.е. к достижению одной из главных целей оптимизации разработки месторождений.

Реализация этих задач сопряжена с главной проблемой - отсутствием информации о распределении открытой трещиноватости в пределах месторождения до начала его разбуривания. Данная проблема обусловлена от-

сутствием специальных методов сейсморазведки, обеспечивающих целенаправленное изучение трещиноватых зон. В силу сложности физических процессов, протекающих в этих зонах, и специфики взаимодействия полей при наличии открытой трещиноватости необходимо совершенствование существующих методов, а для некоторых задач этого направления необходима разработка теоретического обоснования новых способов исследования зон открытой трещиноватости.

Успешность разработки основ новых сейсмоакустических технологий зависит в значительной степени от качества модели верхних слоев земной оболочки и понимания физики процессов, протекающих в этих слоях. Традиционно в сейсмоакустике и сейсморазведке общепринятой является модель слоистой среды, а основное внимание уделяется изучению продольных и поперечных отраженных волн, распространяющихся в этих средах в соответствии с законами геометрической сейсмики.

По мере выхода сейсмоакустических методов в более сложные сейс-могеологические условия, накопления опыта работ и данных при решении более сложных задач, стало очевидным, что существует целый класс волн, возникающих при импульсном возбуждении трещиноватых сред. Характер распространения указанных волн не отвечает законам, успешно применяемых в случае зеркально-отраженных волн.

Упругие волны в зонах открытой трещиноватости, образующие поле рассеянных переотражений, обладают информативностью о новых (для сейсмики) параметрах среды (параметрах трещиноватости), что крайне важно для разработки теоретического, экспериментального и технологического обоснования способов их исследования.

Разработка теоретических и экспериментальных моделей, способов и средств изучения горных сред с открытой трещиноватостью и интерпретационных моделей не может быть успешной, если не основывается на анализе более общих процессов, протекающих в мантийной и коровой зонах. Исследования взаимосвязи этих процессов с процессами в верхней коре должны существенно повысить качество работ и достоверность интерпретации полученных данных.

Таким образом, необходимость решения вопросов, связанных с комплексом взаимозависимых проблем теоретико-методического и технического плана, возникающих при постоянно расширяющихся исследованиях зон открытой трещиноватости осадочного чехла определяет актуальность данной работы.

Цель работы состоит в разработке теоретических, научно-методических и экспериментально-технологических основ сейсмоакустических методов, обеспечивающих решение принципиально новых геологических задач, связанных с поисками и разведкой месторождений углеводородов в условиях сред с открытой трещиноватостью.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи диссертационных исследований:

1. Изучить процессы трещинообразования, протекающие в верхних слоях земной оболочки и в зонах, доступных для недропользования, на основе чего исследовать возможные пути миграции углеводородов и условия формирования залежей в трещинно-поровых средах.

2. Разработать способы построения эффективных математических и геолого-геофизических моделей волновых процессов в пористых и трещинных средах.

3. Разработать научно и экспериментально обоснованные требования к созданию более совершенных технологий сейсмоакустических исследований зон открытой трещиноватости.

4. Разработать научно-методические и технологически обоснованные принципы сейсмоакустического сопровождения методов разрушающего и упругого воздействия на геологические объекты эксплуатации.

5. Разработать основы применения сейсмоакустики для повышения качества решения геологических задач и предотвращения аварий при бурении скважин, а также системы контроля за эксплуатацией нефтяных месторождений

Научная новизна

1. Обоснована связь динамики волноводов, флюидного режима верхней коры и техногенной сейсмичности в рамках системного подхода к анализу зон трещиноватости.

2. Сформулировано условие устойчивости динамических систем юрных сред, которая поддерживается за счет отрицательных обратных связей полей деформаций и напряжений, а так же автоколебательных процессов в нелинейной пластовой среде.

3. Дано научное обоснование и сформулированы технологические требования, обеспечивающие адекватность измерительных сейсмоакустических систем физическим процессам, протекающим в особых динамических зонах (разломы, трещиноватые блоки, волноводы).

4. Дано научное обоснование и определены основные параметры, обеспечивающие эффективность модели рассеивания волн в технологии СЛБО.

5. Сформулированы принципы организации сейсмоакустических систем в активном режиме волнового воздействия на среды и в режиме мониторинга при техногенных воздействиях.

6. Разработаны модели пространственно-временной осцилляции зон напряженно-деформированного состояния горных пород при техногенных воздействиях.

7. Дано научно-методическое обоснование сейсмоакустических технологий и сформулированы требования к практической организации работ

при системном подходе ко всему процессу разведки и разработки геологических объектов от выбора точек заложения скважин до мониторинга разработки месторождения.

Практическая значимость работы

Практическая значимость работы определяется результатами, полученными при решении задач общего характера, а так же при практическом использовании этих результатов.

Наиболее важными практически значимыми результатами работ можно считать следующее:

1. Предложена новая геосейсмическая модель коры выветривания в осадочном чехле Западно-Сибирского региона.

2. Разработаны общие принципы применения сейсмоакустической технологии, включающие весь цикл работ - от поисков до эксплуатации месторождений.

3. Разработаны усовершенствованные схемы применения сейсмоакусти-ческих технологий, позволяющие повысить точность и геологическую достоверность информации.

4. Исследованы взаимодействия полей напряжений и деформаций при наложении внешних природных и техногенных факторов.

5. Установлена приуроченность участков продуктивных пластов с высоким дебитом к зонам повышенной энергии рассеянных волн.

6. Представлены рекомендации по выделению зон аномально высокой трещиноватости на Северо-Демьянском месторождении, при реализации которых получены:

- максимальные дебиты нефти - до 300 т/сут. во вновь пробуренных скважинах;

- максимальное увеличение дебита нефти в действующей скважине -с 2 т/сут. до 80 т/сут. за счет проведения в ней ГРП в зону максимальной трещиноватости коллектора.

7. Применены схемы сейсмоакустического сопровождения методов разработки месторождений, позволившие определить направление развития трещиноватости при ГРП и направление продвижения фронта заводнения на основе анализа интенсивности развития трещиноватости при циклическом заводнении залежи.

Внедрение результатов работ

Результаты работ внедрены в практику исследований нефтедобывающих и геофизических организаций Российской Федерации - «Тюменской нефтяной компании», ОАО «Лукойл», ОАО «Сургутнефть» на площадях нефтегазоносных регионов Западной и Восточной Сибири, а также Бортовой зоны Прикаспия в Оренбургской области.

Фактический материал и личный вклад автора

Работа выполнена на основе фактического материала, полученного в процессе натурных исследований на объектах «Тюменской нефтяной компании» с участием специалистов «Тюменнефтегеофизики» и при комплексных исследованиях совместно с ГНЦ РФ ВНИИгеосистем, Международным университетом природы, общества и человека «Дубна» и Институтом новых нефтегазовых технологий РАЕН. Все результаты исследований получены лично автором или при его непосредственном участии.

Апробация работы

Результаты работ докладывались на конференциях и семинарах: «Многоволновая сейсморазведка» (Новосибирск, 1985 г.); «Новые идеи в поиске, разведке и разработке нефтяных месторождений» (Казань, 2000 г.); «Научно-практическая конференция» (Тюмень, 2000 г.); на международных конференциях: 10-ый симпозиум по повышению нефтеотдачи EAGE (Брайтон, Великобритания 1999 г.); 63-я конференция EAGE (Амстердам, Нидерланды, 2001 г.); 64-ая конференция EAGE (Флоренция, Италия, 2002 г.), 65-ая конференция EAGE (Ставангер, Норвегия, 2003 г.), Московская международная геофизическая конференция SEG, EAGE, ЕАГО и РАЕН (Москва, Россия, 2003 г.), 66-ая конференция EAGE (Париж, Франция, 2004 г.).

Публикации

Основные положения диссертации отражены в 26 работах, в том числе 5 монографиях, 1 аналитическом обзоре, 14 научных статьях и 6 докладах на международных геофизических конференциях. В рекомендованный ВАКом список входят 2 статьи в журнале «Геоинформатика».

Основные защищаемые положения

1. Выполнение оценки взаимосвязи тектонофизических, волновых и флюидных процессов в глобальных и локальных элементах особых динамических зон коры обеспечивает обоснованный выбор сейсмоа-кустических технологий исследования геологической среды.

2. Разработанные математические и физические модели волновых процессов, протекающих в зонах открытой трещиноватости горных пород, обеспечивают оценку условий образования рассеянных волн и обоснование применения в этих условиях сейсмической технологии СЛБО

3. Разработанные принципы системного подхода к применению сейсмо-разведочных технологий обеспечивают обоснованный их выбор на этапах поиска, разведки и разработки месторождений.

4. Разработанные основы сопровождения техногенных воздействий дают возможность обоснованного выбора сейсмоакустических технологий для мониторинга изучаемых геологических объектов.

Объем и структура работы

Работа состоит из введения, 4 глав с 42 разделами и заключения. Общий объем работы включает 248 страниц текста, с 51 рисунком, 4 таблицами и списком литературы из 118 наименований.

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту д.т.н., профессору O.JI. Кузнецову за чуткое внимание и неизменную поддержку в процессе работы над диссертацией.

Автор искренне благодарит И.А. Чиркина, В.Е. Рока, A.B. Каракина, Г.В. Рогоцкого, Ю.Н. Карагодина, С.И. Шленкина, Н.М. Белкина, В.З. Кокшарова и многих других за плодотворное творческое сотрудничество.

Содержание работы

Во введении, в несколько расширенной форме, определяемой важностью и многосторонностью проблемы, а так же с целью придания большей компактности следующим разделам, дается обоснование необходимости развития специальных методов и новых технологий исследования трещиноватых зон осадочного чехла. Кроме теоретических и чисто технических вопросов, эта задача рассматривается в контексте общих проблем, стоящих перед нефтегазовой наукой и практикой.

В силу исторически сложившихся обстоятельств, на рубеже XXI века приоритет России по многим технологическим направлениям либо ослаблен, либо утерян на данном этапе. К сожалению, это касается также геологоразведочной и добывающей отраслей, которые одновременно являются и наукоемкими и высокозатратными. Слабая интегрированность российской экономики в мировую финансово-промышленную систему при недостатке собственных инвестиционных возможностей неблагоприятно сказались на финансовой обеспеченности новых технологических разработок. Тем не менее, высокий научно-технический потенциал, который был достигнут к 90-м годам прошлого века, по мнению автора, является базой для нового прорыва на мировом рынке нефтегазовых и, прежде всего, геофизических технологий.

Успех здесь возможен только как результат тщательного изучения и сегментации мирового рынка технологий топливно-энергетического комплекса. Необходимо определить те направления и технологические «ниши», для занятия которых в стране имеется достаточный потенциал.

Анализ состояния внутреннего рынка показывает, что такой нишей могут быть активно развивающиеся в России технологии разведки и добычи углеводородного сырья в зонах открытой трещи новатости горных пород осадочного чехла. Серьезной научной основой для постановки такого рода научно-исследовательских работ послужило открытие парагенезиса геофи-

зических, геохимических и биогеохимических полей, контролируемых зонами разуплотнения осадочного чехла (O.JT. Кузнецов, A.B. Петухов, И.А. Чиркин, Г.В. Рогоцкий и др., 1981 г.).

Задача состоит в создании и промышленной реализации новых технологий, поскольку с учетом сложности физических процессов, протекающих в этих зонах, использование традиционных методов невозможно. Решение такой задачи осуществимо только путем постановки комплекса работ, включающих физическое и математическое моделирование, экспериментальные наблюдения в скважинах и на наземных профилях, а так же анализ новых эффектов взаимодействия полей в этих зонах.

Особое место занимают способы построения моделей целевых объектов. Возникновение концепции особых трещиноватых зон, интенсивное развитие технологий по их изучению и необходимость обоснования практического применения таких технологий требуют разработки и усовершенствования моделей процессов, протекающих в поротрещиноватых средах.

Потребности пересмотра сложившихся представлений о моделях геологических сред стали остро ощущаться не только у геологов-поисковиков, но и среди специалистов по эксплуатации нефтяных и газовых месторождений. Уже первые результаты применения интерференционного метода сейсморазведки на рассеянных волнах (СЛБО), созданного в ГНЦ ВНИИ-геосистем, показали наличие субвертикальных чередующихся зон консолидированных и разуплотненных пород в пределах латеральных зон, ограниченных размерами месторождений. Это привело к отказу от исключительному применению данных о структурном строении сред только в рамках слоистых моделей и переходу к использованию совместно с ними вновь получаемых сведений о напряженно-деформированном состоянии среды.

Такие подходы позволили перейти к решению ряда принципиально новых задач сейсмоакустики, сама постановка которых казалась невозможной даже в недавнем прошлом. К числу таких новых возможностей относятся вопросы оптимизации проектирования сетки добывающих и нагнетательных скважин, оптимизация процессов разработки месторождений и добычи нефти, прогнозирование условий бурения и зон возможных осложнений при проводке скважин.

Несколько иной подход должен применяться при теоретическом и экспериментальном обосновании сейсмоакустических методов, связанных с сопровождением технологий неупругого дизъюнктивного воздействия на горную среду, осуществляемого, например, при гидроразрыве пласта. В данном случае модели должны строиться с учетом характера и направления разрушения среды, изменений в объеме, включающем поверхность магистрального разрыва, а также с использованием методов и технических средств наблюдения и измерения разрушений во внутреннем объеме среды.

Рассмотрение особенностей геолого-тектонического строения зон трещиноватости показывает, что эти структуры образуют единую систему со сложным флюидным режимом, определяемым комплексом различных природных явлений, корни которых находятся в более глубоких структурах коры и мантии. Это обуславливает необходимость комплексного изучения трещиноватых зон, строение и свойства которых определяют требования к сейсмоакусгическим технологиям, применяемым для их изучения.

Исходя из сформулированных задач, данная работа включает результаты исследований по нескольким основным направлениям: разработка моделей важнейших элементов особых динамических зон осадочного чехла; теоретических моделей в сейсмоакустике поротрещиноватых упругих сред; анализ особенностей распространения упругих волн в трещиноватых и пористых средах; разработка технологий сейсмоакустических исследований, используемых для контроля разрушающего воздействия на горную среду.

Проведен также анализ свойств пороупругих и поровязких сред с учетом их особенностей при изменении временного и пространственного масштабов.

В рамках решения более широких задач, связанных с обоснованием новых технологий, рассмотрены концепции возникновения структур разрушения в верхней коре, особенности флюидного режима в ней, проведена типизация элементов, образующих особые динамические зоны осадочного чехла.

В разделах 3-4 рассматриваются вопросы и результаты фактического промышленного применения новых сейсмоакустических технологий.

Глава 1. Типизация элементов особых динамических зон осадочного чехла

В первой главе рассматриваются вопросы строения и морфологии, а так же физико-механические свойства характерных элементов земной оболочки, выделяемых в особые динамические зоны. Анализируются важные вопросы взаимосвязей элементов этих зон, находящихся на разных уровнях - от мантии до приповерхностных зон промышленного недропользования.

В связи с этим, особое значение приобретает изучение различных геологических структур разрушения верхней коры (разломы и трещиноватые зоны), а далее, по значимости, волноводов - слоев с особыми свойствами, присутствующих в коре, литосфере и астеносфере.

Эти элементы, а также реологически ослабленные слои и пачки чередующихся пластов повышенных и пониженных скоростей и электропроводности образуют в осадочном чехле особые динамические зоны с весьма характерными свойствами.

Различные по происхождению элементы строения верхней коры являются взаимосвязанными компонентами единой динамической системы.

В частности, насыщенные слои при определенных условиях приобретают особые волноводные свойства, присущие сейсмоакустическим элементам. В свою очередь, с волноводами тесно связаны разломы и трещиноватые зоны, расположенные, как правило, в вышележащем массиве. Характерными структурами, отражающими эти связи, являются листрические разломы.

С учетом этих обстоятельств, приводимая ниже характеристика каждого из составных элементов указанных динамических зон, производится во взаимосвязи с остальными элементами и с учетом их ранжирования:

- разломы и волноводы - мега-уровень;

- субвертикальные геологические зоны интенсивной трещиноватости -мезо-уровни;

- приповерхностные естественные и техногенные локальные зоны аномальной трещиноватости - микро-уровни.

Раздел 1.1 первой главы посвящен анализу трещиноватых структур разрушения и динамических зон разломов.

Влияние разломной тектоники проявляется не только в образовании зоны непосредственного разрушения горных пород при разрыве сплошности массива и разрывном смещении одной части целого массива относительно другой его части. Разломные явления всегда сопровождаются изменениями во вмещающей горной среде, прежде всего перераспределением напряжений в блоках земной коры, которые охватывают как нарушенные, так и ненарушенные участки.

Важным и достаточно обоснованным является предположение, что трещиноватая структура наследуется с момента своего возникновения. Раз возникнув, нарушение уже практически никогда не залечивается полностью. В результате, подвижки в процессе нагружения происходят, в основном, по системе старых трещин. Очевидно, позднее могут возникнуть новые тектонические трещины. Однако появление новых трещин представляет собой вспомогательный механизм образования трещин. Основной механизм состоит в возобновлении первичных нарушений.

Отмеченные особенности образования и жизни трещин весьма важны для задач проектирования режимов сейсмоакустического воздействия на продуктивные пласты с целью повышения их нефтеотдачи.

Наличие в массиве пород большого числа залеченных трещин приводит к их активации под действием периодических упругих импульсов в пласте, по мере того как уровень сконцентрировавшихся в вершинах трещин наведенных напряжений начинает превосходить предел прочности породы. На втором этапе воздействия, после завершения цикла реанимации старых трещин, волновое воздействие должно быть направлено на создание непрерывных подвижек стенок трещинных каналов, препятствующих их смыканию.

Второе предположение состоит в том, что трещиноватая структура сохраняет следы напряженного состояния пород, созданного в момент их литификации. В слабо сцементированных породах при небольшом всестороннем сжатии, трещины ориентированы вдоль оси наибольшего главного напряжения.

В тех случаях, когда из результатов измерения другими методами известен характер поля палеонапряжений, эти данные должны быть использованы при проектировании параметров воздействия на пласты (соотношение вектора создаваемого поля и направления преимущественной трещи-новатости, тип возбуждаемых волн и др.)

Анализ напряжений в верхней коре показывает, что горизонтальное напряжение имеет тот же порядок, что и вертикальное. Это позволяет сделать принципиально важный вывод в отношении механизма движения флюидов. Градиент порового давления, обусловленный динамикой трещиноватых зон, может достигать очень больших величин, соизмеримых с градиентом геостатического давления.

Анализ и моделирование процессов в верхней коре (осадочной толще) с точки зрения различных аспектов применения сейсмоакустических технологий в зонах разрушения коры не возможны без рассмотрения ее флюидного режима.

Верхняя кора является более проницаемой. Миграционные процессы фильтрации тесно связаны с трещиноватыми зонами коры. Сам факт существования ослабленных трещиноватых зон в верхней коре во многом обусловлен наличием водных флюидов в этих зонах. Флюиды могут непрерывно поступать из мантии. Скорость миграции флюидов зависит от давления, температуры и проницаемости коры. По последнему показателю кора весьма неоднородна. Верхняя кора сейсмически прозрачная и жесткая, нижняя - расслоена и пластична. Возможно, что в верхней коре поры локализованы, а в нижней - соединены между собой, что создает условия для миграции флюидов и обеспечивает высокую электропроводность нижней коры, на величину которой особое влияние оказывает структура порового пространства. Лишь сквозные каналы дают вклад в электропроводность. Тупиковые ответвления и изолированные поры поглощают большую часть растворов и увеличивая пористость, но не влияют на электропроводность. Данное обстоятельство может служить причиной несовпадения глубин волноводов и проводящих слоев, т.к. высокая пористость, приводящая к значительному снижению скорости сейсмической волны, может иметь несущественное значение при оценке электропроводности.

Применительно к нефти эта проблема имеет свои характерные особенности. Учитывая невозможность концентрации углеводородов в изолированных системах, следует отнести таковые к открытым системам с определенным механизмом концентрации, имеющим высокую энергию. В глобальном смысле такими источниками энергии являются региональные тек-

тонические движения. Известно, что их влияние проявляется и на локальном уровне как отклик на землетрясения, в частности, в форме повышения производительности добывающих скважин. В связи с этим, важной задачей применения сейсмоакустических технологий следует считать выявление на площади месторождения или вблизи него тектонических зон (микроразломов) или предельно напряженных динамических участков. Инициация этих зон путем сейсмоакустического воздействия, приводящего к высвобождению накопившейся упругой энергии, образует мощный внешний источник энергии, изменяющий характер фильтрации в пласте.

Весьма важным свойством структур разрушения, оказывающим прямое влияние на условия применения и основные характеристики сейсмоакустических технологий в разломных (и вмещающих разломы) трещиноватых зонах, является свойство фрактальности.

Фрактальность является общим свойством горных пород и геологических структур.

Фрактальный характер литосферы в связи с особенностями рассеяния в ней сейсмических волн, рассмотрен в работе И.С. Файзуллина, С. А. Шапиро.

В работах Райса (1982), так же как и в других работах аналогичного направления, механика разрушения разлома фактически отождествляется с механикой разрушения трещины. При распространении трещины в упругой среде происходит разуплотнение последней. Процесс развития трещины характеризуется статическим и динамическим коэффициентами трения. Область разрушения, в которой происходит переход коэффициента трения от своего статического до динамического значения, соответствует процессу разупрочнения при скольжении.

Плотность энергии разрушения на единицу площади трещины зависит от характера среды, причем в процессе нарушения могут возникнуть либо трещина, либо трещиноватый слой с особыми ослабленными свойствами. Последний случай предпочтителен при проведении работ по I идроразрыву пласта, но здесь следует учитывать, что трещина может развиваться только тогда, когда приращение поверхностной энергии компенсируется высвобождением упругой энергии.

Типизация и разработка моделей среды с открытой трещиноватостью показывает весьма сложное строение особых динамических зон осадочного чехла, образованных взаимосвязанными тектоническими элементами различного происхождения. При разработке сейсмоакустических технологий следует учитывать целый ряд особенностей этих зон.

Раздел 1.2. первой главы посвящен анализу слоистых структур и волноводов в земной коре и мантии, цель которого, заключается, в конечном счете, в поиске взаимосвязи и аналогий между процессами в верхней коре и в глубинных зонах.

Основным отличительным признаком волноводов является инверсия -понижение скоростей распространения сейсмических волн, не соответствующее, вообще говоря, долго существовавшим представлениям о характере изменения скоростной характеристики в коре Земли. При этом для интервалов коры, содержащих волноводы, часто отмечается не просто плавное уменьшение скорости с глубиной, а существование резкой сейсмической границы, подстилающей зону инверсии и создающей интенсивное отражение. В целом, результаты глубинных сейсмических исследований (A.B. Каракин, Ю.А. Курьянов, Н.И. Павленкова, 2003 г.) показывают, что кора и литосфера обладают слоистой структурой, образованной чередующимися жесткими, сейсмически прозрачными и непрозрачными слоями - волноводами. Волноводы верхней коры листрическими разломами тесно связаны с разломными и трещиноватыми зонами, расположенными в вышележащих массивах горных пород.

Особенности движения флюидов в этих зонах имеют большое практическое значение для оценки степени регенерации углеводородов. Кроме того, наличие воды в породах меняет их прочностные свойства. Поэтому движение флюидов по разломам влияет на режим сейсмической активности верхней части коры.

В глобальном плане движение флюидов в разломы и обратно приводит к нарушению динамического равновесия в коре и сейсмическим подвижкам. В процессах микроуровня, связанных в частности, с применением методов сейсмоакустических технологий, провоцируемое упругими волнами изменение флюидного режима месторождения так же сопровождается изменением их сейсмического режима (микроподвижки, акустическая эмиссия, микроудары и др.).

Изучение волноводов, разработка и оптимизация моделей волновод-ных зон имеет большое практическое значение в проблемах контроля нефтегазоносное™ и флюидного режима регионов. Кроме того, строение, глубина залегания, мощность волноводов характеризуют особенности сейсмо-геологической обстановки регионов, которая, в свою очередь, определяет методику решения прикладных поисково-разведочных задач.

Разнообразие сейсмоакустических условий проведения работ, принципиальные их отличия для условий платформ и тектонически активных зон связаны с характером слоистых структур в коре и мантии. Поэтому в разделе 1.2 работы определенное внимание уделено рассмотрению волноводов как части динамических систем этих зон.

На основе анализа экспериментальных данных по различным регионам приведены обобщенные сведения по моделям и свойствам коровых волноводов, необходимые для анализа условий применения сейсмоакустических технологий.

В разделе 1.3 первой главы рассматриваются структуры разрушения в самой верхней части коры, которые в соответствии с новейшей классификацией, относят к зонам недропользования.

Исследование структур разрушения в зонах недропользования, в отличие от структур литосферы и мантии доступное непосредственному измерению и наблюдению, в ряде случаев осуществлено достаточно детально. Приуроченность к этим структурам нефтегазовых месторождений делает изучение их еще более важным, причем, именно в этих зонах наиболее продуктивным является комплексирование методов литолого-стратиграфического анализа с технологиями исследования динамического состояния среды.

Разработка новых методов сейсмоакустических исследований позволила впервые в практике нефтепромыслового дела изучить пространственно-временные изменения динамических характеристик среды и, прежде всего, развитие и деградацию трещиноватых зон. Эти методы позволили также исследовать процессы перераспределения трещин и флюидных потоков, возникающих вследствие техногенных воздействий на среду.

Образование трещиноватости в горных породах возможно как на стадии упругих, так и пластических деформаций. В первом случае трещинова-тость образуется до достижения предела текучести (характерной точки графика напряженно-деформированного состояния пород), а во втором - за ее пределами. В соответствие с этим, образование трещиноватости разделяют на связанное либо с хрупкостью, либо с вязкостью пород. Поэтому, одним из важных физико-механических свойств является хрупкость, определяющая свойство образования в горной породе трещиноватости при небольшой (преимущественно упругой) деформации под действием напряжений, средний уровень которых ниже предела текучести. Совершенно очевидно, что при относительно равных термобарических условиях породы, обладающие свойством более высокой хрупкости, будут иметь более высокую трещиноватость. При длительном нагружении породы (в геологическом масштабе времени) кривая зависимости «напряжение - деформация» имеет более короткий участок упругой деформации, и трещиноватость развивается в области пластической деформации (за точкой предела текучести). В этом случае развитие вязкой трещиноватости характерно для геосреды в целом. Зоны трещиноватости, образующиеся при пластической деформации геосреды, могут транзитно проходить через весь осадочный чехол, представленный породами различного литологического состава с неодинаковыми физико-механическими свойствами. Основными векторами напряжения в геосреде являются нормальные сжимающие усилия, действующие в вертикальном и горизонтальном направлениях. Если представить вертикальный разрез изотропной геосреды, то в зависимости от величин векторов вертикального и горизонтального напряжений, система трещиноватости может развиваться в вертикальном, субверти-

кальном, субгоризонтальном и горизонтальном направлениях. При этом направление развития трещиноватости в изотропной среде всегда соответствует суммарному вектору сжатия.

Наличие разно-ориентированной трещиноватости указывает также на наличие различных систем напряжений, действующих на геосреду в одно и то же время, из которых, можно выделить две основные: локальную и региональную. Локальная система напряжений связана с особенностями деформации на конкретных участках площади.

Начиная с некоторого момента длительного нагружения, наблюдается процесс разгрузки напряженного состояния геосреды (дилатансии), характеризующийся увеличением деформируемого объема горной породы за счет увеличения объема вновь образуемых трещин. Увеличение объема происходит в направлении вектора наименьшего сжимающего усилия. Для условий осадочного чехла это направление будет субгоризонтальным. В этом случае в сопряженном с зоной трещиноватости объеме геосреды происходит некоторое увеличение, что приводит к дополнительному уплотнению сопряженного объема за счет частичного «схлопывания» имеющихся субвертикальных трещин.

Таким образом, учитывая явление дилатансии можно прогнозировать, что в геосреде относительно интенсивные зоны трещиноватости сопряжены с относительно интенсивными зонами уплотнения.

Исследования структур разрушения в зонах недропользования иллюстрируется примерами, полученными при сейсмоакустических исследованиях в различных районах России. В частности, для условий Рогожников-ской площади (Западная Сибирь) установлена закономерность изменения трещиноватости с глубиной, состоящая в увеличении трещиноватости с глубиной в интервале осадочных пород и уменьшении трещиноватости с глубиной в фундаменте.

Анализ изменения скоростных характеристик на площади показывает, что пласты с повышенной трещиноватостью (разуплотненные горизонтально-слоистые структуры) характеризуются пониженными значениями скорости и подстилаются высокоскоростными породами фундамента, т.е. имеют свойства, присущие коровым волноводам. Но аналогии не могут быть особенно близкими из-за влияния вторичных процессов в приповерхностных осадочных породах.

Глава 2. Анализ теоретических и экспериментальных методов изучения распространения волн в трещиноватых пористых средах

Общая и прикладная геофизика и, в особенности, один из главных ее разделов - сейсмоакустика, переживает в настоящее время трудности, которые могут быть обозначены как кризис теоретико-информационного обеспечения.

Постоянно расширяющийся круг принципиальных задач, интенсивный, можно сказать, интервенционный прорыв новых сейсмоакустических методов в области традиционных технологий поисков, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений не всегда обеспечен соответствующими базовыми теоретическими разработками. Сложилось такое положение, когда теория не успевает за практикой, а развитие технологий для решения все новых, часто необычных прикладных задач, инициируемое производственными фирмами в борьбе за рынок геофизических технологий, основывается на эвристическом и феноменологическом подходах.

Теоретическое и экспериментальное обоснование новых нетрадиционных задач сейсмоакустической технологии требует, естественно, привлечения нетрадиционных для классической сейсморазведки методов анализа и соответствующего математического аппарата.

Корректная физическая и математическая формулировка задач, анализ возможностей и области применения новых методов являются весьма важной проблемой, от успешного решения которой зависит эффективность применения сейсмоакустических технологий и их дальнейшее развитие.

Раздел 2.1 посвящен вопросам научно-методического обоснования новых подходов к изучению зон разуплотненного состояния горных пород.

Практическим результатом теоретического анализа моделей трещиноватых сред должно быть получение зависимостей сейсмоакустических параметров (скоростей распространения, дисперсии и затухания упругих волн) от характеристик трещиноватости среды (концентрации, размеров, пространственного положения и ориентации трещин, характера их заполнения и др.), позволяющих решать различные задачи динамики трещиноватых упругих сред. В связи с невозможностью точного решения таких задач, возникает необходимость применения приближенных подходов и разработки методов повышения их точности.

Приближенные расчеты широко применяются в теории волновых полей и могут быть использованы для практических целей.

Задачи второго типа требуют разработки новых подходов к анализу волновых полей, среди которых на первое место выходят в последнее время методы, развитые в квантовой теории поля и статистической физике и позволяющие преодолеть многие принципиальные трудности классической сейсмологии (соотношение частот и размеров дифрагирующих элементов и

др)-

Применение этих подходов предполагает установление некоторых общих свойств моделей, важнейшими из которых являются фрактальность распределения случайных включений и эргодичность развивающихся в среде процессов.

Среди достаточно широкого класса задач моделирования, в рамках данной работы наиболее важны задачи, непосредственно связанные с развитием новых сейсмоакустических технологий (СЛБО и др.), в рамках ко-

торых отклик трещиноватой упругой и пороупругой среды обусловлен рассеянием волны на случайных неоднородностях.

Наибольший интерес для изучения статистической структуры порот-рещиноватой среды представляет информация, содержащаяся в парной корреляционной функции поля деформаций.

Bu(t,x,i;t\x\i') = (ü%x,i)ú'(t',x',i')}, (1)

где

ü'(t,x,i) = ü(t,x,i)-(u(t,x,i)^

флуктуация поля смещений.

Выполненные расчеты позволили показать, что полная энергия отраженных и рассеянных волн, излученных квазистиционарным точечным источником, приходящаяся на единичный интервал частот, пропорциональна величине

В"2 (со, х,, ц; х2,.i2) = ^ 2 , г,; 5с0, i[ ;x2,i2)- G,s (со, х,, г, ;x0,i¡)x

АА (3)

х G2 (со, х2 , г2; х0, i2 х0, i[ )f(w, х0, í2 \

где G^ и G2 - одночастичные функция Грина; Gi2 - двухчастичная функция Грина; со- заданная частота источника колебаний.

t

Целью сейсмической локации бокового обзора (СЛБО) является в общем случае определение корреляционной функции (3), описывающей корреляцию амплитуд и фаз рассеянных волн в точках x¡ и х2 с поляризацией /| и i2. Для этого в точки х, и х2 помещают приемники, измеряющие рассеянное поле ú'(co,x,i) с заданными поляризациями. В частном случае, когда х, = х2 = х , /| = ¡2 — i, достаточно ограничиться одним приемником, он измеряет энергию рассеянной волны в точке х с поляризацией i.

Одночастичная функция Грина несет в себе всю информацию о регулярно неоднородной среде. В частности, она «отвечает» за рефракцию сейсмических и акустических волн, обусловленную малыми изменениями параметров среды на расстояниях порядка длины волны и за их отражение и преломление на резких изменениях модулей упругости и плотности среды (например, обусловленных их слоистой структурой) на расстояниях порядка длины волны. Интересующая нас в этой главе основная задача -сейсмическая локация бокового обзора при правильной постановке эксперимента позволяет избавиться от отраженных и преломленных волн, поэтому мы их не будем учитывать.

В статистически однородной среде одночастнчный корреляционный оператор суммирует все многократные взаимодействия упругой волны с хаотическими неоднородностями, приводящие в результате к рассеянию вперед, то есть к сохранению волнового вектора к падающей плоской волны.

Двухчастичный корреляционный оператор суммирует все многократные взаимодействия упругой волны с хаотическими неоднородностями среды, приводящие в результате к боковому рассеянию, то есть к преобразованию волнового вектора к падающей плоской волны к волновому вектору к' рассеянной волны. Именно поэтому двухчастичный корреляционный оператор является носителем основной информации в СЛБО.

Раздел 2.2 содержит методику и результаты экспериментальных исследований упругих волн в поротрещиноватых средах.

Основными параметрами трещиноватости, которые используют для ее оценки количественными способами, являются: густота и раскрытость трещин, а также направление их преимущественного простирания (ориентировка).

Значительная густота и раскрытость трещин приводят к существенному затуханию сейсмической энергии и возникновению рассеянных волн на ансамблях трещин. Направленная трещиноватость приводит к анизотропии параметров горной породы, что для сейсмических волн выражается в различии скоростей распространения по разным направлениям. При распространении поперечной волны вдоль системы трещин она расщепляется в зависимости от поляризации на две волны - быструю и медленную. Волна с вектором смещений, параллельным плоскостям трещин, имеет максимальную скорость. Волна с вектором смещений, перпендикулярным плоскостям трещин имеет минимальную скорость.

Экспериментальное изучение трещиноватости проводилось различными методами, включая работы по физическому моделированию на образцах и работы, связанные с анализом процессов возникновения и развития трещиноватости при натурных исследованиях. Такое сочетание различных видов экспериментальных работ представляется особенно важным, так как дает возможность сопоставления лабораторных и натурных измерений при изучении трещиноватости горных пород.

Изучение трещиноватости на образцах горных пород. На параметры, характеризующие распределение упругих волн в трещинных горных породах, оказывают влияние все факторы, которые являются значимыми как для пористых, так и сплошных сред.

Трещиноватость, как правило, приводит к уменьшению скорости волн. Скорости продольных и поперечных волн в трещиноватой среде зависят в основном от общей пористости и незначительно от геометрических факторов. Вопрос о влиянии состава флюида на скорости продольных и попе-

речных волн изучен достаточно полно. Наиболее значимые изменения скорости происходят при замене жидкого флюида на газ. При этом следует учитывать, что даже 5-10% содержание газа в порах дает изменение скорости фактически такое же, как и 100% содержание газа.

Наиболее чувствительными к трещиноватости оказываются динамические параметры сейсмической волны - амплитуда, энергия, коэффициент затухания. По результатам экспериментальных исследований на образцах керна выяснилось, что даже незначительный объем газовой фазы в поро-вом пространстве коллекторов приводит к значительному (до 200% и более) увеличению амплитуды продольной волны.

В работе приведена типичная зависимость скоростей Ур, V, и параметров затухания Ор, а, от всестороннего давления в сухом образце песчаника1. Для сравнения приведены результаты определения скоростей и затухания на образце дюралюминия. Сильное возрастание скоростей и уменьшение затухания в песчанике при нагружении вызвано закрытием трещин и тонких каналов на контактах зерен, что приводит к увеличению общей прочности породы. Если трещины в породе распределены случайно и напряжение в породах одинаково во всех направлениях, возрастание скоростей изотропно. Породы с неслучайным распределением трещин обладают анизотропией распространения упругих волн. Преобладающее направление в распределении трещин, как правило, связано с воздействием на породу несимметричного тензора напряжений.

Приведена также типичная зависимость скоростей Ур, и параметров затухания ар, а3 от внутрипорового давления в водонасыщенном образце песчаника. Заполнение пор жидким флюидом приводит к возрастанию скорости продольных волн. Существенно увеличивается затухание поперечных волн и уменьшается затухание продольных волн.

При изучении трещиноватости геосреды особое внимание следует обращать на значение коэффициента Пуассона (а). В работе представлен ряд примеров зависимости ст от всестороннего или дифференциального давления (разность между всесторонним и внутрипоровым давлениями). Наблюдается четкое различие между водонасыщенными и газонасыщенными породами. Можно считать, что при значении а> 0,22-0,24 порода является водонасыщенной. При меньших значениях порода, как правило, содержит газ. Чем больше пористость и раскрытость трещин, тем больше разница между водонасыщенным и газонасыщенным образцами. При высокой степени трещиноватости мы можем наблюдать (для сухих образцов) даже отрицательные значения коэффициента Пуассона. Увеличение всестороннего давления приводит к уменьшению ст водонасыщенных, увеличению коэф-

' Данные петрофизических измерений были получены в лаборатории геоакустики Института геофизики СО РАН Франчуком А.А.

фициента о для газонасыщенных пород и уменьшению разницы между ними.

Изучение трещиноватости в разрезе скважин. Эффективным методом выявления трещиноватых зон в разрезе скважин является акустический каротаж в широкополосной модификации (АКШ). Это связано с тем, что акустическое поле очень чувствительно к изменению сплошности и геометрии пустотного пространства среды.

В работе приводятся примеры выделения трещиноватых интервалов в глинистых породах с аномально низкими величинами коэффициента и (до 0,24).

Ультразвуковое моделирование распространения сейсмических волн. Оценка энергии рассеянных волн, образующихся при распространении упругой сейсмической волны в геосреде была выполнена И.С. Файзуллиным (1980 г., 1981 г.) по экспериментальным данным, полученным при ультразвуковом моделировании. Эти экспериментальные исследования проводились в условиях «in situ», их методика основывалась на межскважинном прозвучивании (МП) геосреды.

Проведенные экспериментальные исследования по ультразвуковому моделированию показали, что при распространении упругих сейсмических волн в геосреде отмечается достаточно существенное влияние энергетики рассеянных волн на затухание регистрируемого волнового поля. В связи с этим представляется возможным выделение рассеянных волн из общего волнового поля и по результатам анализа их кинематических и динамических параметров изучить распределение неоднородностей в геосреде, т.е. решить обратную задачу сейсморазведки.

Сейсмическая эмиссия (СЭ) во взаимосвязи с трещиноватостью горных пород изучалась при выполнении натурных наблюдений (Ю.А. Курьянов и др., 2001 г.). Результаты измерений охватывали как фоновые значения СЭ на месторождениях, так и величину эмиссии при техногенных воздействиях. Сопоставление этих данных позволяет оценить характер изменения среды по свойству трещиноватости. В частности, при проведении гидроразрыва пласта (ГРП) в зоне воздействия возникает сложная структура трещиноватости, которая находится в состоянии неустойчивого равновесия. Неустойчивость напряженно-деформированного состояния и его перераспределение в геосреде приводит к образованию и резкому закрытию отдельных трещин, что влечет за собой высвобождение упругой энергии - возникновению сейсмической эмиссии (СЭ).

В результате этих работ показана также тесная взаимосвязь давления нагнетаемой жидкости с уровнем СЭ, а также между формой кривой изменения пластового давления и сейсмической эмиссии.

В разделе 2.3 рассмотрены и определены направления модернизации сейсмоакустических технологий с целью повышения их геологической информативности.

В отличие от обычной сейсморазведки в технологии СЛБО существенное значение имеют не только вопросы точности и разрешающей способности, но и вопросы пространственных и позиционных характеристик СЛБО как системы, оперирующей с четырехмерным пространственно-временным распределением характеристик объекта.

В связи с изложенным, необходима определенная систематизация условий применения сейсмоакустических технологий во избежание неоправданной специализации технологий по задачам и методам их решения. Иначе говоря, должны выполняться некоторые системные требования, определяющие развитие методов и модификаций сейсмоакустических технологий в плане их общих физических основ.

Поскольку система СЛБО оперирует с рассеянными волнами, для которых к настоящему времени не исследовались основные условия практической их регистрации, в работе осуществлена оценка параметров системы наблюдения кинематических и динамических характеристик рассеянных волн. В результате определены минимальные размеры апертуры приема

Д™« (25/1)0-5, (4)

где - расстояние от центра апертуры до центральной точки области рассеяния, Л - длина волны, а так же число независимых измерений, обеспечивающее необходимый энергетический уровень при синфазном суммировании рассеянного отражения и составляющее п> 104.

Наконец, учитывая пространственно-временной режим (режим мониторинга) сейсмоакустических технологий, определены цикличность проведения наблюдений и характер позиционирования апертур при решении различных задач.

Глава 3. Результаты изучения разломов, волноводов и трещинных зон на региональном уровне в осадочном чехле Западной Сибири на стадии поиска, локального прогноза и разведки

В главе 3 рассмотрены результаты практического применения СЛБО для изучения особых динамических зон в осадочном чехле ЗападноСибирского нефтегазового региона.

3.1. Горно-геологическое обоснование полевых работ и интерпретационных моделей

Изучение открытой трещиноватости геосреды на основе использования зеркально-отраженных волн не является эффективным из-за неоднозначности получаемых результатов. По нашему мнению, для решения данной задачи необходимо использовать другие типы сейсмических волн, параметры которых более однозначно определяются открытой трещиновато-стью по сравнению с зеркально-отраженными волнами. Теоретический анализ и физическое моделирование позволяют утверждать, что таковыми

являются рассеянные сейсмические волны, образующиеся на ансамблях открытых трещин, а не на отдельных трещинах. В динамическом отношении эти волны визуально не выделяются на сейсмограммах, так как их энергия в 10-100 раз ниже, чем у отраженных волн, и для их выделения необходимо использовать специальные системы наблюдений и обработки, основанные на динамических и кинематических параметрах этих волн.

В последующих разделах главы рассмотрены технологические вопросы, связанные с проведениями исследований СЛБО.

3.1.1. Особенности сейсмических исследований методом СЛБО

Кинематические и динамические особенности рассеянных волн определяют основные методические требования при выполнении полевых наблюдений. Наиболее важными из них являются:

- возможность выделения энергетически слабых рассеянных волн в общем сейсмическом волновом поле за счет высокой кратности накопления (суммирования) сейсмических сигналов рассеянных волн;

- максимально возможное кинематическое разделение зеркально-отраженных и рассеянных волн с целью наиболее эффективного подавления отраженных волн и выделения рассеянных.

Полевые наблюдения СЛБО отличаются от стандартных сейсмических исследований и имеют следующие особенностями:

- на земной поверхности создается схема двухпозиционного локатора (с несовмещенными излучающей и приемной антеннами), состоящая из площадных систем излучения и приема, которые называются апертурами излучения (АИ) и приема (АП);

- для эффективного выделения рассеянных волн (на основе накопления сейсмических сигналов) число независимых наблюдений (сейсмических трасс) доводят до -104, для чего число элементов наблюдения (излучения или приема) в каждой апертуре составляет -100, а точки наблюдений располагают в пределах апертур относительно равномерно;

- для исключения влияния зеркально отраженных волн на результаты изучения трещиноватости апертуры АП и АИ располагают за пределами площади исследования, реализуя принцип бокового обзора геосреды;

- для исключения других волн-помех (звуковых, низкоскоростных) создают такое взаимное расположение АИ и АП, при котором помехи либо не регистрируются в интересующем нас интервале времени, либо интенсивно подавляются в процессе обработки за счет большого кинематического расхождения.

3.1.2. Разрешающая способность метода СЛБО

Разрешенность метода СЛБО определяется размерами элементарного объема, в котором рассеянное отражение от каждой трещины формирует общий сейсмический сигнал рассеянной волны.

Объем, где формируется сейсмический сигнал, соответствует 1-й зоне Френеля, имеющей форму диска с радиусом (Ь А)0'5 и толщиной 0,5 Л, Центр элементарного объема (диска) располагается в точке фокусирования АП. При этом большая ось диска направлена перпендикулярно к оси фокусирования, а малая - вдоль оси фокусирования.

Для повышения разрешенное™ необходимо увеличение частоты регистрируемого сигнала рассеянной волны в процессе полевых наблюдений. Однако, при этом снижаются глубинность исследования и дальность обзора. Поэтому увеличение частоты осуществляется при обработке материалов с помощью процедуры деконволюции и высокочастотной фильтрации полевых сейсмических записей.

Для более эффективного повышения разрешенности используется выполнение полевых наблюдений не одной, а двумя системами наблюдения СЛБО, позволяющими осуществлять ортогональный обзор площади исследования. В этом случае после совместной обработки двух систем СЛБО с использованием когерентного суммирования разрешенность становится относительно равномерной.

Использование двух систем СЛБО на одной площади повышает объем работ более чем в 2 раза, но при этом улучшается разрешенность выделения зон трещиноватости и повышается надежность результатов исследований за счет коррекции скоростной характеристики.

3.1.3. Точность определения местоположения зон трещиноватости

методом сейсмолокации бокового обзора

Точность определения местоположения зон трещиноватости методом СЛБО в изучаемом объеме геосреды можно оценить по формуле 5 = 0,5/Г, продифференцировав ее

А 5" = 0,5 (Д^+ДГС), (5)

где А - предельная абсолютная погрешность,

Если перейти к предельным относительным ошибкам (<5), то выражение (5) можно записать как

(6)

Учитывая, что 81« ЗУ, т.к. 51 ~ 0,4%, а д'У = 5%, то окончательно имеем:

дБ ~дУ. (7)

Таким образом, точность структурных построений определяется в основном достоверностью используемых скоростных параметров.

3.2. Исследование трещиноватых и разломных зон в Западной Сибири сейсмическими методами

Зоны трещиноватости исследовались на достаточно большом числе площадей и месторождений Западной Сибири. Важность полученных здесь результатов, помимо традиционно геологической значимости, определяет-

ся и соображениями концептуального характера: подтверждаются ли натурными наблюдениями факты существования субвертикальных трещинных зон, проходящих через всю осадочную толщу в соответствии с разрабатываемой в диссертации моделью.

Анализ результатов обработки сейсмических материалов СЛБО на Мансингъяхском месторождении позволил констатировать следующее.

При сопоставлении результатов испытаний с распределением трещи-новатости можно отметить, что высокопродуктивные скважины располагаются в поле высоких значений трещиноватости, скважины с низкой продуктивностью находятся на границах зон высокой и низкой трещиноватости, непродуктивные скважины находятся в зоне низкой трещиноватости (скв. 10477) и на границе зоны аномально высокой трещиноватости (скв. 10602). В целом по результатам сопоставления можно констатировать, что зоны интенсивной трещиноватости характеризуются более высокой продуктивностью (возможно, за счет более высокой проницаемости).

Анализ результатов обработки сейсмических материалов СЛБО на Се-веро-Демьяновском месторождении

По вертикальным разрезам широтного направления видно, что в интервале осадочного чехла система распределения трещиноватости в подавляющем большинстве случаев соответствует тектонофизической модели складки (антиклинальной и синклинальной), образованной при поперечном сжатии слоистой среды. Для модели поперечного сжатия (когда антиклинальная складка в осадочном чехле образуется за счет подъема глубинного штампа, например, блока фундамента) характерны, во-первых, субвертикальные зоны трещиноватости на крыльях складки в местах концентрации касательных напряжений и, во-вторых, чередующиеся локальные зоны трещиноватости и уплотнения в купольной части складки за счет растягивающих усилий в верхней части пласта и сжимающих - в нижней его части.

Проводилось также сопоставление результатов обработки данных СЛБО с данными испытаний скважин для подтверждения достоверности полученных результатов и оценки их соответствия данным по пефтеизвле-чению, что имеет важное практическое значение.

Для сопоставления использовались материалы испытаний скв. 1, 6 и 9. Результаты сопоставления данных СЛБО с результатами испытания пластов Юо (скв. 6 и 9) и Ю2-5 (скв. 1 и 6) сводятся к следующему. 1. По продуктивному пласту Ю0 в скв. 9 получен хороший приток жидкости 5,2 м3/сут. с 4% содержанием воды в одном из интервалов опробования и 1,2 м3/сут. - в другом, а в скв. 6 при испытании получена пленка нефти. На структурном срезе ПЭРВ для данного горизонта скв. 9 находится в поле высокой трещиноватости, а скв. 6 - низкой. Интенсивность трещиноватости в месте расположения скв. 9 на 40% выше, чем в скв. 6.

2. По продуктивному пласту Ю2„5 в скважинах 1 и 6 получены низкие притоки. Сами скважины находятся в поле низких значений трещино-ватости. Относительные различия интенсивности трещиноватости не превышают 4-5%.

Таким образом, результаты сопоставления не противоречат высказанному ранее положению о более высокой продуктивности скважин, находящихся в зонах с более интенсивной трещиноватостью коллекторов.

Изучение тектонически активных зон на Холодной площади показывает, что исследованная территория имеет блоковое строение и характеризуется наличием большого количества дизъюнктивных нарушений

Волновое поле отображает, прежде всего, степень дислоцированности пород, которая связана с активизацией тектонических процессов, в результате которых, возможно, происходит воздымание структур, обуславливающее образование деструктивных зон и повышенной трещиноватости пород доюрского комплекса. Такие зоны нашли отображение на сейсмических разрезах в виде субвертикальных зон деструкций, закартированных как предполагаемые зоны развития трещиноватых коллекторов в прифун-даментной части разреза.

Анализ результатов испытаний скважин в пределах исследуемой площади показал, что работающие интервалы выделяются на контакте абалак-ской и тутлеймской свит. По многочисленным образцам керна в этом интервале выделяется глинисто-карбонатный прослой со сферосидеритовыми конкрециями, разбитыми внутри трещинами.

3.3. Исследование квазиполноводных реологически ослабленных зон коры выветривания

Особое значение волноводов как одного из важнейших элементов особых динамических зон осадочного чехла и мантии рассмотрены в разделе 1.2 настоящей работы, где преимущественно обсуждались вопросы строения коровых волноводов и взаимосвязь их с верхней корой через листриче-ские разломы.

Но значение волноводов не ограничивается только их участием в глобальных тектонических процессах. В разделе 1.3 показана возможность образования специфических волноводных структур в самой верхней части коры. Такие структуры с особыми сейсмоакустическими и реологическими характеристиками доступны изучению средствами разведочной геофизики, поскольку они непосредственно входят уже в зону промышленного недро-использования.

На основании результатов динамического анализа сейсмической записи волны А на Лигиярской площади в приконтактной зоне фундамента выделены зоны развития трещинных коллекторов в образованиях коры выветривания или отождествляемых с последними, которые соответствуют областям пониженных значений интервальных псевдоакустических скоро-

стей. На временных разрезах они выражаются в виде ослабления амплитуд отражающего горизонта А. Участки трещиноватости коры выветривания приурочены к склонам структур и зонам, связанным с разрывными нарушениями. В случае, если породы в этих зонах представлены глинистыми, глинисто-кремнистыми и слюдистыми сланцами, отличающимися хрупкостью и способностью к дроблению при тектонических напряжениях, то выделенные зоны являются перспективными на обнаружение коллекторов трещинного типа.

Прогноз коллекторских свойств коры выветривания на Северо-Даншовском месторождении по зеркально-отраженным волнам связан с рядом трудностей. В силу значительной разрушенности пород, большая часть энергии падающих волн рассеивается. Из-за этого не удается получить протяженных устойчивых изображений отражающих границ в зоне коры выветривания для последующего динамического анализа. В данной ситуации для прогноза коллекторских свойств эффективным является применение фокусирующих преобразований (ФП) СЛБО.

В результате применения ФП были получены сфокусированные изображения энергии рассеянных волн, характеризующие распределение трещиноватости в среде. Эти распределения на разрезах показывают, что уверенно выделяются зоны с повышенной трещиноватостью (индекс трещиноватости порядка 550-600), приуроченные к коре выветривания доюрского основания. Характерные размеры указанных аномалий составляют порядка одного километра в диаметре по латерали и около 200 метров по вертикали. Полученные оценки степени трещиноватости косвенно подтверждаются результатами испытания скважин в интервале коры выветривания.

Скважины, в которых не было получено притока (10146 и 10160), находятся в зонах с пониженными значениями индекса трещиноватости. Большинство скважин, в которых получен приток нефти из коры выветривания (6115, 6550, 6319, 6309 и 10173, 6034), находятся в зонах с повышенными значениями индекса трещиноватости. Из рассмотренных продуктивных скважин только две (6208 и 6142) попали в область с низкими значениями индекса трещиноватости.

Приведенные результаты работ подтверждают значение зон открытой трещиноватости осадочного чехла в вопросах миграции флюидов, образования и жизни месторождений.

Глава 4. Сейсмоакустические исследования процессов техногенного воздействия на среды с открытой трещиноватостью

Традиционно сложившееся разделение сейсмоакустических методов по областям их применения - разведочная и промысловая геофизика, и решаемым задачам - изучение структуры нижнего полупространства и исследование свойств разреза в скважинах, всс более утрачивает свои грани-

цы в процессе развития физико-теоретических основ и разработки новых ветвей сейсмоакустических технологий. Одним из таких принципиально новых направлений является сейсмоакустическое сопровождение процессов техногенного воздействия на флюидонасыщенные среды.

4.1. Сопровождение технологии гидроразрыва пластов

Искусственный гидравлический разрыв пласта (ГРП) является одним из наиболее действенных мероприятий, которые проводятся на разрабатываемых нефтяных месторождениях для увеличения темпов отбора нефти и более полной выработки месторождения.

Однако, результаты применения ГРП не всегда предсказуемы, так как прогнозирование развития техногенной трещиноватости основывается на данных физического и математического моделирования процесса трещи-нообразования в геосреде, физико-механические параметры и термодинамические условия которой не всегда соответствуют реальным в районе конкретной скважины.

Нами сделана первая попытка постановки и решения другой проблемной задачи - изучение зоны техногенной трещиноватости (ЗТТ), образованной после ГРП: ее местоположения, размеров, структуры поля трещиноватости, динамики релаксации и т.д.

Постановка этой задачи связана с тем, что после выполнения ГРП, в продуктивной толще месторождения образуется зона с аномальными фильтрационными свойствами, состоящая из достаточно протяженных магистральных трещин и многочисленных трещин-сателлитов, имеющих различные размеры, раскрытость, разнообразную ориентацию и т.п.

В связи с этим было предусмотрено решение следующих задач:

- изучение динамики формирования техногенной трещиноватости от

ГРП,

- определение основных направлений ее пространственного развития,

- оценка изменений вновь образованной трещиноватости в течение длительного периода времени (до месяца и более) и т.д.

Для решения перечисленных задач использовались, в качестве основных, комплексные полевые сейсмоакустические наблюдения в режиме мониторинга (до, в процессе и после ГРП), включающие:

1. Геофизические измерения в скважинах методами:

- широкополосного акустического каротажа (АКШ) до и после ГРП,

- регистрации сейсмической эмиссии скважинным прибором ВСП в процессе ГРП;

2. Геофизические измерения на дневной поверхности методом сейсмической локации бокового обзора (СЛБО) до и после ГРП.

Применение АКШ по указанной схеме позволило установить, что по кинематическим и динамическим параметрам выделяется зона субверти-

кального направления, связанная с интенсивным разрушением породы, отмечавшимся по увеличению поглощения энергии волны, и свидетельствующая о качественном проведении операции ГРП.

В процессе гидроразрыва развитие магистральной и оперяющих трещин сопровождается интенсивной сейсмоакустической эмиссией (СЭ). Причина возникновения СЭ заключается в существенном перераспределении напряжений и деформаций в пласте при изменении пластового давления при гидроразрыве.

В этом отношении характер изменения сейсмической эмиссии отражает динамику процесса трещинообразования в пласте.

Наблюдения сейсмической эмиссии, имеющей вид шумового процесса, осуществлялось во внутренних точках геосреды (в скважинах) с помощью трехкомпонентного сейсмоприемника, помещенного в специальный зонд. Регистрация СЭ осуществлялась в течение 43 мин. от начала технологического процесса ГРП.

На основе полученных данных может быть сделан вывод об эффективности использования параметров сейсмической эмиссии для контроля и усовершенствования технологии гидроразрыва.

В качестве средства контроля процессов развития зон техногенной трещиноватости осуществлялось изучение одной из характеристик физико-химических свойств жидкости - коэффициента светопоглощения нефти (КСП).

Реализация данного метода осуществлялась совместно с Ю.И. Хренниковым) на основе отбора проб нефти на устьях скважин на площади 2,2x1,3 км. Пространственные изменения КСП отражались путем построения карт изокол. Обобщенный анализ данных КСП нефти позволяет заключить, что изменение окисленности нефти определяется, в основном, перераспределением трещиноватости.

Гидроразрыв пласта сопровождается двумя главными физико-механическими процессами: образованием дополнительной трещиноватости среды и возникновением интенсивных полей сейсмоакустической эмиссии. Это естественным образом предопределяет применение методов изучения среды, которые могут фиксировать изменение указанных характеристик горных пород и волнового поля. С физической точки зрения это означает исследование поля упругих рассеянных волн, а поскольку все известные методы сейсморазведки основаны на изучении зеркально-отраженных волн, они не могут быть применены для решения задач такого рода.

Исследование процессов, сопровождающих гидроразрыв пласта, стало возможным лишь после разработки метода СЛБО, использующего рассеянные волны.

При выполнении исследований методом СЛБО был учтен опыт изучения техногенных воздействий на геосреду, предусматривающий необходимость использования режимных наблюдений, т.к обнаружение эффекта

воздействия возможно только при наличии, как минимум, двух наблюдений - до и после воздействия. Это обстоятельство связано с тем, что тре-щиноватость, образованная при техногенном воздействии, интерферирует с существующей естественной трещиноватостью в геосреде. А поскольку интенсивность зоны техногенной трещиноватости (ЗТТ) (по данным СЛБО) значительно ниже естественной геологической трещиноватости, то вклад первой в общее поле трещиноватости геосреды незначительный, и ЗТТ визуально может не выделяться в общем поле как локальная аномалия.

При проведении полевых работ выполнялось одно из основных условий мониторинга - система наблюдения в течение всего периода оставалась неизменной и перед проведением повторных наблюдений контролировалась ее идентичность. Наблюдения проводились по схеме: две апертуры приема (АП) и одна апертура излучения (АИ).

В результате обработки полевых материалов для изучения техногенной трещиноватости получены объемные матрицы (3-D) значений ЭРВ по каждому наблюдению и разности значений по принципу вычитания поля фонового наблюдения из каждого поля, полученного после ГРП. По объемным матрицам разности наблюдений получены вертикальные и горизонтальные срезы.

Геологическая интерпретация результатов основывается на концепции, заключающейся в том, что объемное поле ЭРВ соответствует объемному распределению открытой трещиноватости в геосреде.

В мониторинговой системе применения СЛБО при вычитании фоновых наблюдений, полученных до ГРП, из текущих наблюдений часто удается выделить зону техногенной трещиноватости как самостоятельный объект в поле разностных значений энергии рассеянного излучения (ЭРВ). Выделяя пространственно-временное изменения ЭРВ, можно оценить структуру зоны техногенной трещиноватости, изменение ее интенсивности под влиянием техногенных факторов, динамику развития и релаксационные процессы.

В качестве примера такого контроля можно привести динамику развития трещиноватости при ГРП на одном из месторождений Западной Сибири.

Через 16-18 часов после проведения ГРП сформировалась зона техногенной трещиноватости овальной формы с большой горизонтальной осью порядка 400 м и перпендикулярной ей малой осью порядка 200 м. Далее в течение 9 дней зона увеличилась до 550 м по длинной оси при сохранении ее направления. Через 45 дней после ГРП зона техногенной трещиноватости трансформировалась в локальный объект, имеющий размер по большой оси около 1 км.

Соответственно изменилась интенсивность ее трещиноватости в эпицентре (относительно фоновой трещиноватости): на 20% (через 24 часа), 22% (через 9 дней), и на 50% (через 45 дней).

Таким образом, эффект от проведения гидроразрыва пласта проявляется в виде локального увеличения трещиноватости и в форме перераспределения полей деформаций и напряжений во вмещающем массиве. Это определяет одну из новых возможностей технологии СЛБО - прогнозирование внутрисистемной перестройки НДС геосреды.

В качестве механизма управления напряженно-деформированным состоянием геосреды могут использоваться геолого-промысловые мероприятия, выполняемые с целью повышения нефтеотдачи и основанные на закачке флюида и упругой энергии в продуктивные пласты: гидроразрыв пласта, циклическое заводнение, режимные остановки добывающих скважин, сейсмоакустическое и вибросейсмическое воздействия и др.

Для эффективного управления процессом трещинообразования, по нашему мнению, необходимо в первую очередь организовать систему оперативного контроля пространственно-временного изменения трещиноватости на одном из опытных участков эксплуатируемого месторождения. Оперативная информация об изменении трещиноватости позволит принимать оперативные решения по управлению процессом формирования трещиноватости и контролировать эффективность этих решений.

4.2. Сопровождение технологии циклического заводнения залежей

Режимные наблюдения на Ромашкинском и Бавлинском месторождениях (в Республике Татарстан) методом СЛБО в комплексе с изучением коэффициента светопоглощения (КСП) нефти по пробам, периодически (1-5 дней) отбираемым на устьях добывающих скважин, экспериментально подтвердили изложенные выше положения.

Во-первых, распространение волн давления, образующихся при циклическом нагнетании, приводит к латеральному перераспределению трещиноватости.

Во-вторых, участки площади, на которых отмечается минимальная дисперсия трещиноватости во времени, характеризуются притоками нефти с минимальными значениями КСП, а на участках с минимальной дисперсией трещиноватости наблюдаются притоки нефти с максимальной окис-ленностью (максимальными значениями КСП).

В заключение можно констатировать, что опыт использование 4-0 СЛБО при циклическом заводнении на нефтяных месторождениях позволил изучить характер пространственно-временного изменения трещиноватости.

По нашему мнению, это новое направление исследований является весьма перспективным с точки зрения повышения эффективности разработки нефтяных месторождений в процессе циклического заводнения.

4.3. Геотехнические приложения сейсмоакустических технологий

Как правило, основной причиной осложнений при бурении является

вскрытие зон интенсивной трещиноватости, где происходит либо стреми*

тельное поглощение бурового раствора при аномально низком пластовом давлении (АНПД), либо выброс пластового флюида и газа при АВПД, либо обвалообразование. Прогноз наличия интервалов открытой трещиноватости в разрезе скважины возможен до начала ее бурения на основе изучения пространственного распределения трещиноватости в геосреде методом СЛБО.

Изучение трехмерного поля открытой трещиноватости этим методом на участке планируемого бурения скважин позволяет оценить изменение интенсивности открытой трещиноватости вдоль проектируемого ствола скважины и выделить интервалы максимальной трещиноватости, с которыми может быть связано либо поглощение бурового раствора, либо его резкое разгазирование.

Примером целенаправленного прогноза зоны осложнения бурения являются результаты работ, выполненные в районе бурения сверхглубокой скважины 20009-Ново-Елховская в Татарстане. Здесь в процессе бурения на глубинах порядка ~5,2 км началось интенсивное поглощение бурового раствора, сопровождающееся прихватом инструмента. Выполненные работы СЛБО показали, что скважиной вскрыта локальная зона с максимальной трещиноватостью. Поскольку данная зона имела относительно малую мощность по глубине (-100 м), то было принято решение не отклонять ствол для обхода аномальной зоны, а продолжить вертикальную проводку скважины по специальной технологии бурения.

Оптимальное размещение добывающих скважин с учетом информации о трещиноватости коллекторов позволяет на разрабатываемом месторождении значительно повысить приток нефти к скважине.

Это достигается за счет сокращения бурения непродуктивных и нерентабельных скважин в зонах уплотнения и целенаправленного разбури-вания участков с интенсивной трещиноватостью, где могут быть получены высокие или максимальные дебиты нефти.

На основе обобщения данных СЛБО и сопоставления их с данными о работе добывающих скважин установлено, что скважины, находящиеся в зонах высокой трещиноватости коллектора (по данным СЛБО), имеют в среднем накопленную добычу в 2,5 раза более высокую, чем на участках обычной трещиноватости; при этом скважины с максимальной добычей приурочены к центральным частям зон максимальной трещиноватости.

Данная закономерность отмечалась нами практически повсеместно по результатам работ СЛБО на месторождениях в России, что позволяет рекомендовать зоны максимальной трещиноватости, находящиеся в сводовой части ловушки, как наиболее перспективные участки месторождений для получения высоких и максимальных притоков. В настоящее время этой стратегии придерживается ряд нефтяных компаний в России.

Убедительным примером эффективности этой стратегии является выбор места бурения скв. 30 на Северо-Демьянском месторождении, где было учтено наличие субвертикальной аномалии интенсивной трещиноватости в

РОС НАЦИОНАЛЬНА! игёнЮТЕКА С Петербург № ЭДО акт 1

своде антиклинальной структуры по кровле баженовских отложений, при вскрытии которых в скважине был получен приток нефти -300 т/сут. -максимальный из баженовских отложений для данного нефтедобывающего района.

Выбор эксплуатационных скважин для проведения ГРП и других мероприятий. Гидроразрыв пласта (ГРП), бурение боковых и радиальных стволов, гидроволновое и сейсмоакустическое воздействие, искусственное заводнение и другие мероприятия, проводимые из добывающих или вспомогательных скважин, являются эффективным средством для повышения нефтеотдачи, особенно на поздних стадиях разработки месторождений. Данные СЛБО могут способствовать повышению их эффективности за счет учета распределения трещиноватости и выбора на этой основе тех эксплуатационных скважин, где проводимые мероприятия будут иметь высокую результативность.

Например, на Северо-Демьянском месторождении после завершения исследований СЛБО было отмечено, что в непосредственной близости от скв. 560, имеющей низкий дебит (-2 т/сут.), находится зона интенсивной трещиноватости. В связи с этим был проведен ГРП, после которого дебит скважины увеличился до -80 т/сут., что можно объяснить образованием высокопроницаемого канала флюидопотока от зоны трещиноватости к скважине.

Завершая этот раздел, отражающий весьма важные практические задачи, относящиеся по существу, ко всему циклу работ - от выбора точек заложения скважин и технологии бурения до режимов работы добывающих скважин, следует сказать, что специфика решения этих задач методами сейсмоакустики выводит указанные методы за рамки общепринятой классификации методов в некоторый самостоятельный раздел геофизических методов, которые еще ждут приложения сил исследователей и промысловиков, достойного их практической значимости.

Заключение

Выполненные в рамках диссертации исследования, направленные на разработку современных технологий, обеспечивающих решение задачи поисков и разведки углеводородных месторождений нового типа, обусловленных наличием зон с открытой трещиноватостью, позволили получить следующие результаты.

1. На основе изучения процессов трещинообразования, протекающих в верхних слоях оболочки Земли и зонах доступных для недропользования, исследованы возможные пути миграции углеводородов и условия формирования залежей в трещинно-поровых средах. При этом обосновано существование субвертикальных транзитных зон в осадочном чехле, охватывающих как терригенные, так и карбонатные породы и показано, что при дилатансионном расширении среды вместе с зонами

разуплотнения образуются и сопряженные с ними зоны консолидации (уплотнения) пород. Установлено существование в верхней части земной коры реологически ослабленных трещиноватых субгоризонтальных зон пониженной скорости сейсмоакустических волн, относящихся к квазиволноводам, и сформулированы признаки их выделения. Установлено высокое флюидонасыщение зон аномально высокой трещиновато-сти в осадочной толще.

2. Разработаны способы построения эффективных математических и геолого-геофизических моделей волновых процессов в пористых и трещинных средах, что позволило провести моделирования физических процессов трещинообразования и расчет математических моделей волновых явлений при одновременном рассеянии вперед и боковом рассеянии в средах с открытой трещиноватостью и флюидном заполнением трещин. Разработки легли в основу проведенного системного анализа волновых и флюидных процессов в структурах разрушения и обоснования взаимосвязи процессов в верхней коре и зонах промышленного недропользования, что дает основание для существенного уточнения геодинамических моделей при анализе сейсмоакустических наблюдений.

3. Разработаны теоретически и экспериментально обоснованные требования к созданию более совершенных технологий сейсмоакустических исследований зон открытой трещиноватости. При этом:

- определены требования к структуре, параметрам и позиционированию систем приема и возбуждения упругих волн при работах по технологии СЛБО;

- разработано обоснование способов повышения точности и разрешающей способности технологии СЛБО посредством применения 2-х и более кратного обзора геосреды с разных азимутальных направлений;

- определены требования к минимальным размерам апертур приема и излучения с целью выполнения условия расформирования отраженных волн;

- определено минимальное число накоплений на приеме для получения достаточного энергетического уровня рассеянных волн.

4. Разработаны научно-методические и технологически обоснованные принципы сейсмоакустического сопровождения методов разрушающего и упругого воздействия на геологические объекты эксплуатации, на основе чего:

- разработаны общие требования и принципы совместной технологии СЛБО и ГРП;

- показано, что для получения максимальных и высоких притоков нефти необходимо вскрытие продуктивных отложений в центрах зон аномально высокой трещиноватости в сводовых участках ловушки.

5. Разработаны основы применения сейсмоакустики для повышения качества решения геологических задач и предотвращения аварий при буре-

нии глубоких скважин, а также системы контроля за эксплуатацией нефтегазовых месторождений. При этом:

- исследовано пространственно-временное распределение зон трещино-ватости, образующиеся при ГРП;

- изучена динамика развития, релаксации и изменения во времени зон техногенной трещиноватости;

- сформулированы направления развития технологии СЛБО в сфере управления ГРП;

- установлены явления постразрывной осцилляции зон трещиноватости, образующихся при ГРП, связанной с перестройкой внутренней структуры и рекомбинацией разуплотненных и консолидированных блоков;

- получены результаты, подтверждающие обоснованность выдачи рекомендаций по выбору оптимального направления бурения горизонтальных стволов скважин;

- сформулированы принципы мониторинга техногенных воздействий и определены пространственно-временные требования к организации систем сейсмоакустического мониторинга.

Таким образом, задачи, поставленные перед диссертационными исследованиями решены полностью.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Опыт широкополосного акустического каротажа на Самотлорском месторождении // ДНТС сер. «Нефтегазовая геология и геофизика», 1979, №11 (соавторы Бикбулатов Б.М., Кузнецов О.Л., Мавлю-тов А.К.).

2. Акустические характеристики пород осадочного чехла нефтегазовых отложений Среднего Приобья // Многоволновая сейсморазведка: Тезисы докл. Всесоюзного совещания / АН ССС, Новосибирск: изд-во ИгиГ СО АН СССР, 1985 (соавторы Завьялец А.Н., Терехин Ю.В.).

3. Построение одномерных детальных геоакустических моделей на ЭВМ // В сб. «Исследования по многоволновому каротажу и сейсморазведке». Новосибирск, 1990 (соавторы Терехин Ю.В., Томозова Г.М., Тис-сен О.В.).

4. Анализ полного акустического сигнала с целью оценки информативности параметров волнового акустического каротажа // В сб. «Исследования по многоволновому каротажу и сейсморазведке». Новосибирск, 1997 (соавторы Годовых O.A., Терехин Ю.В., Тарасюк Я.Ф.).

5. Технология цифровой регистрации и обработка акустического каротажа на нефтегазовых месторождениях Сургутского свода // В сб. «Геоакустические исследования по многоволновой сейсморазведке». Новосибирск, 1987 (соавторы Завьялец А.Н. и др.).

6. Основные направления и результаты сейсморазведочных работ ОАО «Тюменнефтегеофизика» в Западной Сибири // В сб. «Пути реализа-

ции нефтегазового комплекса ХМАО». Ханты-Мансийск, 1999 (соавтор Белкин Н.М.).

7. Возможность управления процессом развития трещиноватости в геосреде на нефтяных месторождениях // Новые идеи в поиске, разведке и разработке нефтяных месторождений. Казань, 2000 (соавторы Кузнецов О.Л., Муслимов Р.Х., Сулейманов Э.И., Файзуллин И.С., Хисамов P.C., Чиркин И.А.).

8. Пространственно-временое изменение трещиноватости в геосреде по наблюдениям методом 4-D СЛБО // Геоинформатика, 2000, № 3 (соавторы Кузнецов О.Л., Муслимов Р.Х., Файзуллин И.С., Хисамов P.C., Чиркин И.А.).

9. Геоло1 ическая эффективность изучения трещиноватости продуктивных толщ методом СЛБО // Геоинформатика, 2001, № 3 (соавторы Кузнецов О.Л., Чиркин И.А., Файзуллин И.С., Муслимов Р.Х., Шлен-кин С.И., Каширин Г.В.).

10. Акустика трещиноватых геологических сред. Обзор теоретических работ // М., ВНИИгеосистем, 2001 (соавтор Рок В.Е.).

11. Акустический каротаж в Западной Сибири // М. BHHHi еосистем, 2001 (соавторы Кузнецова Л.В., Кокшаров В.З.).

12. Исследование техногенной трещиноватости, возникающей после гидроразрыва пласта // М., ВНИИгеосистем, 2001. (соавторы Кузнецов О.Л., Чиркин И.А., Джафаров И.С.).

13. Сейсмоакустика пористых и трещиноватых геологических сред. Том

1. Теоретические модели в сейсмоакустике поротрещиноватых упругих сред // М., ВНИИгеосистем, 2002 (соавторы Кухаренко Ю.А., Рок В.Е.).

14. Сейсмоакустика пористых и трещиноватых геологических сред. Том

2. Экспериментальные исследования//М., ВНИИгеосистем, 2004 (соавторы Кузнецов О.Л., Чиркин И.А, Рогоцкий Г.В., Дыбленко В.П.).

15. Разломы, трещиноватые зоны и волноводы в верхних слоях земной оболочки // М., ВНИИгеосистем, 2003 (соавторы Каракин A.B., Пав-ленкова Н.И.).

16. Трещиноватость горной среды и ее изучение сейсмоакустическими методами // Геофизика, 2004, спец. выпуск (соавторы Кокшаров В.З., Чиркин И.А., Смирнов М.Ю.).

17. Сейсмический локатор бокового обзора // Геофизика, 2004, спец. выпуск (соавторы Кузнецов О.Л., Чиркин И.А., Шленкин С.И.).

18. Использование частотного акустического зондирования для изучения трещинных коллекторов // Геофизика, 2004, спец. выпуск (соавторы Кокшаров В.З., Нефедкин Ю.А.).

19. Опыт изучения трещиноватости геосреды методом «Сейсмический локатор бокового обзора - СЛБО» // Тезисы доклада. Междунар. гео-физ. конф. и выставка SEG, EAGE, ЕАГО. М., 1-4 сентября 2004 г (со-

авторы Кузнецов О.Л., Файзуллин И.С., Чиркин И.А., Мельчук Б.Ю. и ДР-)-

20. Возможность контроля процесса трещинообразования в реальном времени (на примере ГРП) // Тезисы доклада. Междунар. геофиз. конф. и выставка SEG, EAGE, ЕАГО. М., 1-4 сентября 2004 г (соавторы Файзуллин И.С., Чиркин И.А., Куценко Н.В. и др.).

21. Seismic and rheochemical technologies for improving productive oil capacity of pay zones and monitoring of these technologies // Abstracts of the 10th IOR Symposium, EAGE - 1999, Brighton U.K. (coauthors: Kouznet-sov O.L., Mirzadjanzade A.Kh., Shakhverdiev A.Kh., Simkin E.M., Chirkine I.A., Brezitsky S.V.).

22. Study of 3D-distribution of Geomedium Fracturing by Side-View Seismic Location (SVSL)//Abstracts of EAGE 63th Conference, Amsterdam, 11-15 June, 2001 (coauthors: Kouznetsov O.L., Chirkine I.A., Faizulline I.S. et al.).

23. Improving the Efficiency of Seismic Exploration by Applying 3D Mapping of Open Fracturing by the SVSL Method // Abstracts of EAGE 64th Conf. & Exh., Florence, 27-30 May, 2002 (coauthors: Kouznetsov O.L., Chirkine I.A., Faizulline I.S. et al.).

24. Predicting Drilling Complications from Data on Near-Borehole Fracturing Acquired by SVSL // Abstracts of EAGE 65th Conf. & Exh. - Stavanger, 2-5 June, 2003 (coauthors: Kouznetsov O.L., Tchirkine I.A., Faizulline I.S. et al.).

25. Optimization of Production in Fractured Reservoirs Using the SVSL // Abstracts of EAGE 66th Conference - Paris, 7-10 June, 2004 (co-authors Kouznetsov O.L., Tchirkine I.A., Faizulline I.S. et al.).

26. Regularities of Time-spatial Variation of Fracturing in Petroleum Basins from SVSL Data // Abstracts of EAGE 66th Conference, Paris, June 7-10, 2004 (coauthors; Kouznetsov O.L., Tchirkine I.A., Faizulline I.S. et al).

Подписано в печать 14.12.2004 г. Заказ 20. Тираж 100 экз. 117105, Москва, Варшавское шоссе, д. 8, ВНИИгеосистем

РНБ Русский фонд

2006-4 2103 •• 1Ï

Содержание диссертации, доктора технических наук, Курьянов, Юрий Алексеевич

Введение.

Глава 1 Типизация элементов особых динамических зон осадочного чехла.15.

1.1. Трещиноватые структуры разрушения и динамические зоны разломов. : 1.2. Слоистые структуры.и волноводы.

1.3. Структуры разрушения осадочного чехла в зонах практического недропользования-. 1.3.1. Тектонофизические модели структур разрушения.

1.3.2. Зоны трещиноватости осадочного чехла и фундамента по данным сейсмической локации бокового обзора (СЛБО).

Глава 2 Анализ теоретических и экспериментальных методов изучения распространения волн в трещиноватых и пористых средах. Пути совершенствования сейсмоакустических технологий. —^

2.1. Теоретические модели в сейсмоакустике трещиноватых сред.

2.2. Экспериментальные исследования полей упругих волн в р. ; поротрещиноватых средах. г. 2.2.1. Изучение трещиноватости на образцах горных пород.

2.2.2. Изучение трещиноватости в разрезе скважин. !;::! : 2.2.3. Ультразвуковое моделирование распространения

-'Ф сейсмических волн.

2.2.4. Изучение динамики трещинообразования по данным ^ измерения сейсмической эмиссии.

2.2.5. Численное моделирование рассеянных волн, образующихся на трещинах.

2.3. Направления модернизации сейсмоакустических технологий с целью повышения их геологической информативности при изучении открытой трещиноватости геосреды.

2.3.1. Выявленные закономерности пространственно-временного

•!■ распределения трещиноватости геосреды.

I^ • 2.3.2. Оценка параметров системы наблюдения на основе кинематических характеристик рассеянных волн.

П:;# 2.3.3. Оценка параметров системы наблюдения на основе к:-: динамических характеристик рассеянных волн.

2.3.4.

Глава

3.1.1.

3.1.2.

3.1.3.

3.2.1.

3.2.2.

3.2.3.

3.2.4. о о J.J.

J.J.I.

3.3.2.

3.3.3.

Глава

4.1.1.

4.1.2.

4.1.3.

4.1.4.

4.1.5.

Оценка временных параметров мониторинга поля трещиноватости геосреды.

Результаты сейсмического изучения разломов, волноводов и трещинных зон на региональном уровне в осадочном чехле Западной Сибири на стадии поиска, локального прогноза и разведки. —U

Горно-геологическое обоснование и технологическое обеспечение натурных наблюдений.

Особенности сейсмических исследований методом СЛБО.

Разрешающая способность метода СЛБО.

Точность определения местоположения зон трещиноватости методом сейсмолокации бокового обзора. 129 Исследование трещиноватых и разломных зон в Западной

Сибири сейсмическими методами.

Изучение трещиноватости методом СЛБО на

Мансингьяхском месторождении.

Изучение трещиноватости и зон нарушения на Северо

Демьянском месторождении.

Изучение трещиноватости на Айпимском месторождении. 149 Изучение тектонически активных зон на Холодной площади.

Исследование квазиволноводных реологически ослабленных зон коры выветривания.

Лигиярская площадь.

Куньякская площадь.

Северо-Даниловское месторождение.

Сейсмоакустические исследования процессов техногенного воздействия на среды с открытой трещиноватостью.

Сопровождение технологии гидроразрыва пластов.

Результаты изучения методом АКШ.

Результаты изучения сейсмической эмиссии.

Изучение техногенной трещиноватости ГРП методом СЛБО.

Результаты КСП для качественной оценки пространственно-временного изменения трещиноватости.

Комплексная интерпретация материалов изучения ГРП.

Сопровождение технологии циклического заводнения залежей.

Геотехнические приложения сейсмоакустических технологий.

4.3.1. Прогноз возможных осложнений при бурении на основе информации о трещиноватости прискважинной зоны по данным СЛБО.

4.3.2. Принципы оптимального размещения добывающих скважин.

4.3.3. Выбор оптимального азимутального направления бурения горизонтальных скважин.

4.3.4. Выбор эксплуатационных скважин для проведения ГРП и других мероприятий.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Теоретическое и экспериментальное обоснование новых сейсмоакустических технологий, использующих волновые эффекты в зонах открытой трещиноватости горных пород в нефтегазоносных бассейнах"

Новые технологии, превосходящие по тем или иным показателям, а в идеале - по большинству параметров достигнутый уровень, всегда были основой успешного развития предприятия, отрасли, государства.

В силу исторически сложившихся обстоятельств, на рубеже XXI века приоритет России по многим технологическим направлениям либо ослаблен, либо утерян на данном этапе. К сожалению, это касается также геологоразведочной и добывающей отраслей, которые одновременно являются и наукоемкими, и высокозатратными. Слабая интегрированность российской экономики в мировую финансово-промышленную систему при недостатке собственных инвестиционных возможностей неблагоприятно сказались на финансовой обеспеченности новых технологических разработок.

Тем не менее, высокий научно-технический потенциал, который был достигнут к 90-м годам прошлого века, по мнению автора, является базой для нового прорыва на мировом рынке нефтегазовых технологий. Россия в ближайшие годы должна стать страной, идущей по пути инновационного развития, обеспечиваемого экономикой, основанной на знаниях, активно оперирующей на мировом рынке за счет конкурентоспособности научно-технической продукции.

Актуальность проблемы. Поиск, разведка и разработка месторождений углеводородов, как правило, сопровождается возникновением новых научных и технологических проблем. В России это связано с истощением запасов месторождений, находящихся в поздней стадии освоения. Эти трудности характерны даже для относительно простых горно-геологических условий при небольших глубинах залегания продуктивных горизонтов, однородных пластах с хорошей пьезопроводностью, при относительно простой геологической моделью залежи месторождений, преимущественно структурного типа.

Вовлечение в разработку трудноизвлекаемых запасов нефти требует серьезных усилий в отношении научного и технологического обоснования этого процесса, объединяющего целый ряд разноплановых задач поиска и эксплуатации месторождений.

Новые проблемы разработки месторождений, связанные с их более сложным строением, которое, к сожалению, определяется только на этапе разработки, состоят, на наш взгляд, в следующем: непостоянство коллекторских свойств пород, образующих нефтяные и газовые резервуары в сложных горно-геологических условиях с зонами неравномерной трещиноватости, • что приводит к неравномерной выработке запасов, нерегулярному фронту заводнения и образованию блокированных зон;

- трудности с выбором оптимальных схем добывающих и нагнетательных скважин, обусловленные существованием зон с разными фильтрационно-емкостными свойствами (ФЕС), за счет прежде всего, трещиноватости;

- усложнение задач интенсификации работы пласта посредством техногенных воздействий, т.к. проведение таких операций в условиях сильно неоднородной среды требует тщательного их мониторинга. Постседиментационные коллекторы (ИСК) играют важную роль как при поисках, разведке, так и особенно эксплуатации залежей нефти и газа всех без исключения нефтегазоносных бассейнов (НРБ). По генезису они делятся на две большие группы: природные и техногенные. И те, и другие нередко обладают весьма высокими фильтрационно-емкостными свойствами (ФЕС), а природные еще и запасами (вплоть до крупных и гигантских). Чаще всего резервуары с природными постседиментационными коллекторами являются сопутствующими, дополнительными по отношению к резервуарам с гранулярными (первичными) коллекторами. В то лее время известны крупные и даже гигантские скопления углеводородов (УВ), связанные исключительно с постседиментационными коллекторами. Достаточно привести следующие наиболее яркие примеры. Юрубчено-Тахомская гигантская нефтегазоносная зона Восточной Сибири, резервуар который представлен трещинно-кавернозными рифейскими карбонатными породами. Здесь при среднем дебите, составляющем первые десятки т/сут., в отдельных скважинах, целенаправленно пробуренных в зоны интенсивной трещиноватости коллектора, например на Куюмбинском месторождении, были получены притоки нефти, на порядок и более превышающие средний дебит скважин. Гигантская залежь нефти месторождения Белый Тигр Вьетнама приурочен к трещиноватым гранитам. Гигантское месторождение нефти Хасси-Месауд северной Африки (Алжир) связана с кембрийскими трещиноватыми кварцитами-. Ярким примером высокой значимости техногенных ПСК является ачимовская толща гигантской Приобской нефтеносной зоны Западной Сибири с низкой емкостью гранулярных коллекторов. После гидроразрыва дебиты нефти достигают здесь 500 т/сут. и более. Аналогичные результаты (увеличение притока нефти на порядок) были получены после ГРП в зонах интенсивной трещиноватости терригенных коллекторов на других месторождениях Западной Сибири. В свете последних результатов, очевидной становится целесообразность изучения обеих групп ПСК как в теоретическом, так и особенно практическом отношениях.

Более того, были п-олучены убедительные свидетельства, что трещиноватость горных пород развита в осадочном чехле вообще и на площадях отдельных месторождений в частности, крайне неравномерно, образуя субвертикальные зоны трещиноватости, имеющие корни в фундаменте и захватывающие породы всего комплекса, которые сейчас принято относить к зоне промышленного недропользования.

Эти зоны чередуются с зонами консолидированных пород и могут перекрываться пластами плохопроницаемых пород, образуя потенциальные ловушки для углеводородов и создавая условия либо для возникновения своеобразных по генезису месторождений нефти и газа, либо условия повышенной фильтрации в продуктивных пластах.

И та, и другая форма существования зон повышенной проницаемости представляет значительный интерес в отношении поисков новых месторождений, их разработки и оптимизации процесса добычи на уже разрабатываемых месторождений. Применение схем разработки, учитывающих наличие зон повышенной пьезопроводности, может привести к увеличению коэффициента конечной нефтеотдачи пласта, т.е. к достижению одной из главных целей оптимизации разработки месторождений.

Реализация этих задач сопряжена с главной проблемой - отсутствие информации о распределении открытой трещиноватости в пределах месторождения до начала его разбуривания. Данная проблема обусловлена, в свою очередь, отсутствием специальных методов сейсморазведки для достоверного изучения трещиноватых зон. В силу сложности физических процессов, протекающих в этих зонах, и специфики взаимодействия полей при наличии открытой трещиноватости необходимо совершенствование, а для некоторых задач этого направления и разработка теоретического обоснования новых способов исследования таких зон.

Успешность разработки основ новых сейсмоакустических технологий зависит в большой степени от качества модели верхних слоев земной оболочки и понимания физики процессов, протекающих в этих слоях. Традиционно в сейсмоакустике (сейсморазведке) подходящей моделью считается слоистая среда, а основное внимание уделяется изучению продольных и поперечных отраженных волн, распространяющихся в этих средах в соответствии с законами геометрической сейсмики.

По мере выхода сейсмоакустических методов в более сложные сейсмогеологические условия, накопления опыта работ и данных при решении более тонких задач, стало очевидным, что существует целый класс волн, возникающих при импульсном возбуждении трещиноватых сред, характер распространения которых не отвечает законам, успешно применяемых в случае зеркально-отраженных волн.

Упругие волны в зонах открытой трещиноватости, образующие поле рассеянных переотражений, обладают информативностью о новых (для сейсмики) параметров среды - трещиноватости, что достаточно важно для концентрации усилий по разработке теоретического, экспериментального и технологического обоснования способов их исследования.

Разработка теоретических и экспериментальных моделей, способов и средств изучения горных сред с открытой трещиноватостью и интерпретационных моделей не может быть успешной, если не основывается на анализе более общих процессов, протекающих в мантийной и коровой зонах. Исследование взаимосвязи этих процессов с процессами в верхней коре должно серьезно повысить качество работ и достоверность интерпретации полученных данных.

Таким образом, необходимость решения вопросов, связанных с комплексом взаимозависимых проблем теоретико-методического и технического плана, возникающих при постоянно расширяющихся исследованиях зон открытой трещиноватости осадочного чехла определяет актуальность данной работы.

Цель работы состоит в разработке теоретических, научно-методических и экспериментально-технологических основ сейсмоакустических методов, обеспечивающих решение принципиально новых геологических задач, связанных с поисками и разведкой месторождений углеводородов в условиях сред с открытой трещиноватостью.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи диссертационных исследований.

1. Изучить процессы трещинообразования, протекающие в верхних слоях земной оболочки и в зонах, доступных для недропользования, на основе чего исследовать возможные пути миграции углеводородов и условия формирования залежей в трещинно-поровых средах.

2. Разработать способы построения эффективных математических и геолого-геофизических моделей волновых процессов в пористых и трещинных средах.

3. Разработать научно и экспериментально обоснованные требования к созданию более совершенных технологий сейсмоакустических исследований зон открытой трещиноватости.

4. Разработать научно-методические и технологически обоснованные принципы сейсмоакустического сопровождения методов разрушающего и упругого воздействия на геологические объекты эксплуатации.

5. Разработать основы применения сейсмоакустики для повышения качества решения геологических задач и предотвращения аварий при бурении скважин, а также системы контроля за эксплуатацией нефтяных месторождений

Научная новизна

1. Обоснована связь динамиюг волноводов, флюидного режима верхней коры и техногенной сейсмичности в рамках системного подхода к анализу зон трещиноватости

2. Сформулировано условие устойчивости динамических систем горных сред, которое поддерживается за счет отрицательных обратных связей полей деформаций и напряжений, а так же автоколебательных процессов в нелинейной пластовой среде.

3. Дано научное обоснование и сформулированы технологические требования, обеспечивающие адекватность измерительных сейсмоакустических систем физическим процессам, протекающим в особых динамических зонах (разломы, трещиноватые блоки, волноводы).

4. Дано научное обоснование и определены основные параметры, обеспечивающие эффективность модели рассеивания волн в технологии СЛБО.

5. Сформулированы принципы организации сейсмоакустических систем в активном режиме волнового воздействия на среды и в режиме мониторинга при техногенных воздействиях.

6. Разработаны модели пространственно-временной осцилляции зон напряженно-деформированного состояния горных пород при техногенных воздействиях.

7. Дано научно-методическое обоснование сейсмоакустических технологий и сформулированы требования к практической организации работ при системном подходе ко всему процессу разведки и разработки геологических объектов от выбора точек заложения скважины до мониторинга разработки месторождения.

Практическая значимость работы

Практическая значимость работы определяется результатами, полученными при решении задач общего характера, а так же при практическом использовании этих результатов.

Наиболее важными практически значимыми результатами работ можно считать следующее.

1. Предложена новая геосейсмическая модель коры выветривания в осадочном чехле Западно-Сибирского региона.

2. Разработаны общие принципы применения сейсмоакустической технологии, включающие весь цикл работ - от поисков до эксплуатации месторождений.

3. Разработаны усовершенствованные схемы применения сейсмоакустических технологий, позволяющие повысить точность и геологическую достоверность информации.

4. Исследованы взаимодействия полей напряжений и деформаций при наложении внешних природных и техногенных факторов.

5. Установлена приуроченность участков продуктивных пластов с высоким дебитом к зонам повышенной энергии рассеянных волн.

6. Представлены рекомендации на основе выделения зон аномально высокой трещиноватости на Северо-Демьянском месторождении, при реализации которых получены: максимальные дебиты нефти - до 300 т/сут. во вновь пробуренных скважинах,

- максимальное увеличение дебита нефти в скважине - с 2 т/сут. до 80 т/сут. за счет проведения в ней ГРП в зону максимальной трещиноватости коллектора.

7. Применены схемы сейсмоакустического сопровождения, методов разработки месторождений, позволившие определить направление развития трещиноватости при ГРП и направление продвижения фронта заводнения на основе анализа интенсивности развития трещиноватости при циклическом заводнении залежи.

Внедрение результатов работ

Результаты работ внедрены в практику исследований нефтедобывающих и геофизических организаций Российской Федерации -"Тюменской нефтяной компанией", ОАО "Лукойл", ОАО "Сургутнефть", на площадях в нефтегазоносных регионов Западной и Восточной Сибири, а также Бортовой зоны Прикаспия в Оренбургской области.

Фактический материал и личный вклад автора

Работа выполнена на основе фактического материала, полученного в процессе натурных исследований на объектах "Тюменской нефтяной компании" с участием специалистов "Тюменнефтегеофизики" и при комплексных исследованиях совместно с ГНЦ "ВНИИгеосистем", "Институтом новых нефтегазовых технологий" РАЕН. Все результаты исследований получены лично автором или при его непосредственном участии.

Апробация работы

Результаты работ докладывались на конференциях и семинарах: "Многоволновая сейсморазведка" (Новосибирск, 1985 г.); "Новые идеи в поиске, разведке и разработке нефтяных месторождений" (Казань, 2000 г.); "Научно-практическая конференция" (Тюмень, 2000 г.); на международных конференциях: 10-ый симпозиум по повышению нефтеотдачи ЕАвЕ (Брайтон, Великобритания 1999 г.); 63-я конференция ЕАвЕ (Амстердам, Нидерланды 2001 г.); 64-ая конференция ЕАвЕ (Флоренция, Италия, 2002 г.), 65-ая конференция ЕАвЕ (Ставангер, Норвегия, 2003 г.), Московская международная геофизическая конференция БЕв, ЕАвЕ, ЕАГО и РАЕН (Москва, Россия, 2003 г.), 66-ая конференция ЕАвЕ (Париж, Франция, 2004 г.).

Публикации

Основные положения диссертационной работы отражены в 5 монографиях, аналитическом обзоре, 26 научных статьях, 6 докладах на международных геофизических конференциях, патентах.

Основные защищаемые положения

1. Выполнение оценки взаимосвязи тектоно-физических, волновых и флюидных процессов в глобальных и локальных элементах особых динамических зон коры обеспечивает обоснованный выбор сейсмоакустических технологий исследования геологической среды.

2. Разработанные математические и физические модели волновых процессов, протекающих в зонах открытой трещиноватости горных пород, обеспечивают оценку условий образования рассеянных волн и обоснование применения в этих условиях сейсмической технологии СЛБО.

3. Разработанные принципы системного подхода к применению сейсморазведочных технологий обеспечивают обоснованный их выбор на этапах поиска, разведки и разработки месторождений.

4. Разработанные основы сопровождения техногенных воздействий дают возможность обоснованного выбора сейсмоакустических технологий для мониторинга изучаемых геологических объектов.

Объем и структура работы

Работа состоит из введения, 4 глав с 42 разделами и заключения. Общий объем работы включает 248 страниц текста с 51 рисунком, 4 таблицами и списком литературы из 118 наименований. Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту д.т.н., профессору О.Л. Кузнецову за чуткое внимание и неизменную поддержку в процессе работы над диссертацией.

Автор искренне благодарит И.А. Чиркина, В.Е. Рока, A.B. Каракина, Г.В. Рогоцкого, Ю.Н. Карагодина, С.И. Шленкина, Н.М. Белкина, В.З. Кокшарова и многих других за плодотворное творческое сотрудничество.

Заключение Диссертация по теме "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр", Курьянов, Юрий Алексеевич

Основные выводы по результатам изучения зон техногенной трещиноватости (от ГРП) сводятся к следующему:

1. Исследованы особенности формирования зоны трещиноватости в про-цессе ГРП. Показано, что развитие субгоризонтальной трещиноватости происходит в пласте при условии снятия горного давления. При этом возможно прогнозирование азимутального направления развития техногенной трещиноватости, если учитывать распределение фоновой трещиноватости в районе скважины проектируемого ГРП и расположение нагнетательных скважин. Впервые получены данные, показывающие, что в процессе гидроразрыва наряду с трещинообразованием имеет место схлопывание субгоризонтальных трещин, полости которых искусственно не закреплены. При изменениях давления в нагнетательной системе происходит переориентация плоскостей трещиноватости "субвертикальная <-> субгоризонтальная". Впервые отмечена тесная зависимость между градиентом давления в нагнетательной системе ГРП и интенсивностью трещинообразования, которая может быть использована для повышения эффективности гидроразрыва.

2. Определены направление, размеры и внутренняя структура техногенной зоны трещиноватости от ГРП. Достоверность этих определений подтверждается независимыми измерениями, выполненными различными методами. Данные результаты получены впервые и не имеют аналогов в мировой практике. Показано, что зоны трещиноватости сформировались в юго-восточном направлении от скважин, где проводились ГРП, их размеры по длинной оси - 300-^-400 м, максимальное изменение трещиноватости (относительно фоновой) в зоне воздействия ГРП достигает 20% на единицу объема, равную 0,01 км3.

3. Изучена динамика изменения зоны техногенной трещиноватости в течение длительного периода времени после ГРП (до 45 дней). Впервые получены результаты, показывающие, что при закрепленной трещиноватости, образованной от ГРП, возможно значительное увеличение размеров зоны техногенного воздействия и интенсивности трещиноватости в ней. По данным последнего наблюдения СЛБО это увеличение может быть двукратным. При этом отмечается нелинейность динамических процессов как в самой техногенной зоне, так и за ее пределами.

4. Получены оценки влияния ГРП на окружающую геосреду и нефтяную залежь. Показано, что в результате ГРП в разрезе скважин во всем интервале его проведения произошло разрушение коллектора, в основном, по субвертикальным плоскостям, что существенно повысило проницаемость коллектора. При этом отмечается изменение (перераспределение) интервалов трещиноватости выше глубины проведения ГРП до 150 м. После проведения ГРП в продуктивном пласте образованы зоны техногенной трещиноватости, в которых полости трещин закреплены, что стабилизировало их положение в пространственно-временном измерении. Удачный, по нашему мнению, подбор закрепляющего материала (пропанта) не позволил в течение наблюдаемого времени (45 суток) ухудшить трещиноватость в техногенной зоне и создал условия для ее увеличения. В результате проведенного ГРП в скв. 3526 были "вскрыты" области (возможно, целики, останцы или линзы) слабого дренирования нефти, что способствует повышению нефтеизвлечения.

4.2. Сопровождение технологии циклического заводнения залежей

В процессе проведения работ по циклическому заводнению залежи происходит достаточно сильное взаимодействие вытесняющего агента с поротрещиноватыми средами. Как отмечалось выше, закачка флюида, равно как и любого другого энергоносителя, приводит геосистему в неустойчивое состояние, сопровождающееся перераспределение нормальных и касательных напряжений, а также изменением поля трещиноватости.

Результаты изучения пространственно-временных изменений трещиноватости на нефтяных месторождениях в процессе техногенных воздействий неоднократно подтвердили, что закачка энергии (сейсмоакустической, вибросейсмической и др.) и флюида (циклическое заводнение, гидроразрыв) в пласт приводят, в первую очередь, к перераспределению трещиноватости в геосреде и, в частности, продуктивном пласте. При этом меняется не только пространственная структура трещиноватости, но и доминирующее направление трещин.

Направление трещин в геосреде определяется, в основном, вертикальным и горизонтальными векторами сжимающих усилий. В зависимости от их соотношения определяется доминирующее направление полостей трещин в горизонтальной и вертикальных проекциях (в плоскостях X, Y, Z). Схематическое изменение направления трещиноватости в зависимости от соотношения векторов напряжения показано на рис. 1.1а. При техногенном воздействии соотношение скалярных величин векторов напряжения можно изменить, что позволяет перераспределить трещиноватость (ее макроструктуру и доминирующее направление). Перераспределение или управление трещиноватостью в геосреде возможно через изменение пластового давления. Роль пластового давления заключается в том, что оно влияет на величину вертикального вектора напряжения, компенсируя действие горного давления на скелет породы. Изменение вертикального вектора приводит к перераспределению поля напряжения и, как следствие, к изменению поля трещиноватости.

Поэтому одним из способов перераспределения трещиноватости является использование технологии циклического заводнения нефтяной залежи, предусматривающей периодическое включение и отключение добывающих и нагнетательных скважин, что приводит к периодическому изменению пластового давления на первые десятки атмосфер. Отключение нагнетательных скважин при работающих добывающих скважинах приводит к падению пластового давления и увеличению субвертикальной трещиноватости. Последнее способствует более интенсивному перетоку ф нефти из слабопроницаемых низкопоровых пропластков с относительно высокой остаточной нефтенасыщенностью (из-за плохого вытеснения нефти водой) в высокопроницаемые «промытые» пропластки. В следующем цикле, когда включаются нагнетательные скважины, происходит повышение пластового давления и, как следствие, уменьшение вертикального вектора напряжения в пласте, что приводит к частичному схлопыванию субвертикальной трещиноватости и снижению темпов вертикального перетока нефти в промываемые пропластки. Это ухудшает извлечение нефти из, так называемых, останцов. Однако, основной задачей данного цикла ^ является вытеснение нефти, попавшей в промываемые пропластки, к добывающим скважинам. Таким образом, циклическое заводнение нефтяного пласта, имеющего тонкослоистую, разнородную по проницаемости структуру, действует подобно поршневому насосу, способствующему более полной вертикальной выработке пласта.

Основные особенности пространственно-временного изменения трещиноватости вблизи нагнетательной скважины достаточно наглядно и • подробно показаны выше по КСП на Ермаковском месторождении в Западной Сибири (раздел 4.1.4, рис. 4.10). Можно отметить повторяемость картины распределения трещиноватости (по данным КСП), например, на даты 28-30.07 и 10-13.08 или 01-02.08 и 30-31.08.

Одновременно с указанным явлением выполнение циклического заводнения вызывает распространение волн давления в пласте, что приводит к квазипериодическому изменению площадной макроструктуры трещиноватости, т.е. инициируется латеральное перераспределение трещиноватости в пласте. В этой ситуации создаются условия для более полной латеральной выработки пласта, т.к. появление дополнительной трещиноватости в слабодренируемых частях залежи способствует более интенсивному перетоку нефти в зоны с активным движением флюида, ф Кроме того, в большом объеме были выполнены режимные наблюдения на Ромашкинском и Бавлинском месторождениях (в Республике Татарстан) методом СЛБО в комплексе с изучением коэффициента светопоглощения (КСП) нефти по пробам, периодически (1-5 дней) отбираемым на устьях добывающих скважин (И. А. Чиркин, Ю.А. Тренчиков). Все полученные материалы экспериментально подтвердили изложенные выше положения.

Во-первых, распространение волн давления, образующихся при циклическом нагнетании, приводит к латеральному перераспределению ^ трещиноватости (рис. 4.10, 4.12).

Во-вторых, участки площади, на которых отмечается минимальная дисперсия трещиноватости во времени, характеризуются притоками нефти с минимальными значениями КСП, а на участках с максимальной дисперсией трещиноватости наблюдаются притоки нефти с максимальной окисленностью (рис. 4.13).

Эффективность латерального перераспределения трещиноватости # увеличивается при использовании циклического заводнения с изменением фронта нагнетания, когда периодически включаются различные группы нагнетательных скважин. Именно эта технология заводнения в настоящее время дает положительные результаты по более полному извлечению нефти на месторождениях АО «Татнефть», находящихся в поздней стадии эксплуатации.

Однако необходимо отметить, что система заводнения с фиксированной сеткой нагнетательных скважин имеет ограничения. При длительном ее использовании сценарии изменения структуры трещиноватости часто повторяются, что приводит к более полной выработке

24 июля 1997

3000 4000 sooo sooo

27 июля 1997

10000

30 и юл я 1997

Рис. 4.12. Республика Татарстан. Ромашкинское месторождение. Алькеевская площадь. КНС 28-107. Изменение поля открытой трещиноватости при циклическом заводнении продуктивной толщи пашийских отложений (тсрригенный коллектор) отдельных участков залежи. Поэтому дополнением технологии циклического заводнения могут служить другие методы, основанные на "закачке" упругой и тепловой энергии в пласт и провоцирующие новое перераспределение трещиноватости. Одним из таких оптимальных методов, дополняющих циклическое заводнение, является сейсмоакустическое (СА) воздействие на пласт, длительно проводимое из скважин.

0,5 л

Щ а Р-» ЕС х § I 4 я 2 ас со

1 Я °'3 э 1 о 5

0 & 5 л о

1 §

I е н л о в

8 I я 5 2 Н

Сг" и § & о

277

23

341 638

307

•

310

338 • ф 308

364 * 340

362

• 298

• 286

311

10

15

20

25

30

I—

35

40

Среднее значение коэффициента светопоглощения нефта по пробам из скважин, усл. ед

Рис. 4.13. Республика Татарстан, Бавлинское м-ние, пашийский горизонт. Зависимость между изменением трещиноватости и окислснностью нефти (КСП)

В заключение можно констатировать, что опыт использование 4-И СЛБО на нефтяных месторождениях позволил изучить характер пространственно-временного изменения трещиноватости и установить тот факт, что влияние техногенных воздействий на продуктивные пласты связано, прежде всего, с перераспределением трещиноватости в нем. Поскольку трещиноватость существенно влияет на проницаемость нефтенасыщенных коллекторов, то ее перераспределение способствует более полной выработке запасов. В связи с этим актуальной становится задача по искусственному формированию трещиноватости в геосреде и управлению этим процессом с целью повышения коэффициента нефтеизвлечения для залежи. По нашему мнению, это новое направление исследований является весьма перспективным с точки зрения повышения эффективности разработки нефтяных месторождений.

4.3. Геотехнические приложения сейсмоакустических технологий

Специфика и многообразие геологических сред с открытой трещиноватостью ставят перед профессионалами целый ряд технических проблем широкого спектра - от аварийности бурения в трещиноватых интервалах до эффективности разработки трещиноватых коллекторов. Решение этих проблем всегда было прерогативой самих разработчиков и буровиков, не имевших, к сожалению, средств прогноза и контроля успешности применяемых технологий. Однако, с разработкой новых сейсмоакустических технологий для сред с открытой трещиноватостью решение целого ряда задач из практики нефтегазопромысловых работ становится реальным.

4.3.1. Прогноз возможных осложнений при бурении на основе информации о трещиноватости прискважинной зоны по данным СЛБО

В процессе бурения нефтегазовых скважин зачастую возникают аварийные ситуации, связанные с поглощением бурового раствора, последующим прихватом бурового инструментария и возможным его обрывом или с резким разгазированием бурового раствора и последующим неуправляемым фонтанированием скважины, которое приводит к экологическому ущербу и другим негативным последствиям. Как правило, основной причиной подобных осложнений бурения является вскрытие зон интенсивной трещиноватости, где происходит либо стремительное поглощение бурового раствора при аномально низком пластовом давлении (АНПД), либо выброс пластового флюида и газа при АВПД. Прогноз наличия интервалов открытой трещиноватости в разрезе скважины возможен до начала ее бурения на основе изучения пространственного распределения трещиноватости в геосреде методом СЛБО [80,108].

Используемая в СЛБО технология полевых наблюдений и алгоритмы обработки сейсмического волнового поля позволяют получить информацию об объемном распределении открытой трещиноватости в геосреде. Как отмечалось ранее, одной из особенностей СЛБО является размещение излучающей и приемной апертур за пределами площади наблюдения, где рассеянные волны можно выделить, используя синфазное накопление с кратностью порядка 104. Таким образом, изучение 3-мерного поля открытой трещиноватости методом СЛБО на участке планируемого бурения скважин позволяет оценить изменение интенсивности открытой трещиноватости вдоль проектируемого ствола скважины и выделить интервалы максимальной трещиноватости, с которыми может быть связано либо поглощение бурового раствора, либо его резкое разгазирование.

Выполненный анализ данных СЛБО на многочисленных участках, где наблюдались указанные осложнения в процессе бурения, показал, что их возникновение связано именно с зонами аномально высокой трещиноватости.

1. Примером открытого фонтанирования скважины в процессе бурения является скв. 30 на Северо-Демьянском нефтяном месторождении в Западной Сибири (Тюменская область, Россия). Здесь при вскрытии продуктивных отложений баженовской свиты в зоне аномально-высокой трещиноватости (по данным СЛБО), имеющей субвертикальное развитие из толщи фундамента, произошло открытое фонтанирование скважины с дебитом более 300 т. нефти в сутки - максимальным притоком для данного месторождения (рис. 4.14).

Рис 4 14. Западная Сибирь, Ссвсро-Демьянскос месторождение. Совмещенный глубинный сейсмический разрез по отраженным волнам методом ОРТ (черно-белый фон) и рассеянными волнами методом СЛБО (цветной фон)

2. Другим примером аварийной ситуации, связанной с резким поглощением бурового раствора в процессе бурения является скв. 20000 — Миннибаевская на Ромашкинском месторождении в Татарстане. Здесь на глубине около 5000 м в толще фундамента произошло резкое поглощение бурового раствора, далее последовал прихват бурового инструмента и затем его обрыв при попытке извлечения. Дальнейшее углубление скважины было прекращено. После анализа данных СЛБО, выполненных позже на этой площади, было отмечено, что аварийная ситуация возникла из-за вскрытия скважиной локальной зоны аномально высокой трещи но ватости, что вызвало резкое поглощение бурового раствора (рис. 4.15),

3. Примером целенаправленного прогноза зоны осложнения бурения являются результаты работ, выполненные в районе бурения сверхглубокой скважины 20009-Ново-Елховская в Татарстане (И.А. Чиркин, А.К. Назипов). Здесь в процессе бурения на глубинах порядка -5,2 км началось интенсивное поглощение бурового раствора, сопровождающееся прихватом инструмента. Выполненные работы СЛБО показали, что скважиной вскрыта локальная зона с максимальной трешиноватостыо (рис.4.16а). Поскольку данная зона

Скважина 20000 Мнпнбаевская

Юг л Север

Участок повышенной трещи но ватости (по СЛБ01 Отмечен но данным бурения. ГИС и керну

Участок интенсивной трещиноватости (по СЛБО), в котором в процессе бурения произошел обвал порол, поглощение бурового раствора. прихват инструмента н его обрыв, что явились причиной прекращения бу рения.

ТрендаИОЫ1 ость усл. «А.

И— III I—гтткня « АО за а » « » М 1»

Рис 4.15. Республика Татарстан. Ромашкинское месторождение, Минибаевская площадь.

Вертикальный разрез поля открытой трещиноватости по данным СЛБО имела относительно малую мощность по глубине (-100 м), то было принято решение не отклонять ствол для обхода аномальной зоны, а продолжить вертикальную проводку скважины по специальной технологии бурения. С целью прогноза возможного осложнения бурения (при дальнейшем углублении скважины) был построен изменения трещиноватости вдоль пробуренного и проектируемого ствола скважины от 1,6 км до 10,2 км (рис.4.166). Данный график, названный "Псевдокаротаж трещиноватости", использовался при последующем бурении скважины 20009 для проведения предупредительных мероприятий, предотвращающих возможные осложнения.

Псевдокаротаж трещиноватости является синтетической кривой, получаемой по данным СЛБО с использованием процедуры усреднения сейсмических данных в окрестностях ствола скважины (±50 м). Поскольку

Рис. 4.16. Республика Татарстан, Ново-Елховское месторождение, скважина №20009.

Корреляция между распределением открытой трещиноватосги по данным СЛБО (а) и показаниями пссвдокаротажа по трещиноватости FracPseduLog (б).

При прогнозе осложнения бурения по данным СЛБО возможно разделение предполагаемых зон АВПД и АНПД. Опыт наших исследований позволяет считать, что для субвертикальных зон аномально высокой трещи новатости, имеющих корни глубокого заложения, характерна ситуация АВПД, а для локальных "бескориевых" зон интенсивной трещи новатости -АНПД.

Сравнение данных СЛБО и соответствующих кривых псевдокаротажа по трещиноватосги с данными, полученными при бурении, подтверждает каротажная кривая получена по сейсмическим данным, ее разрешение определяется разрешением исходных данных и ограничено величиной порядка 50-100 м, что достаточно для выделения массивных трещиноватых зон, которые обычно и являются причиной серьезных осложнений при бурении. МАХ

1 ■

§ о х

1 ■ .и. о

Скв.20(Ю9 Чнергня рассеянных воли высокую корреляцию и эффективность прогноза возможных осложнений при бурении по данным СЛБО.

В настоящее время данная технология прогноза возможных осложнений бурения используется для скважин, заложение которых планируется на площадях месторождений, где были выполнены исследования СЛБО.

4.3.2. Принципы оптимального размещения добывающих скважин.

Информация о пространственном распределении зон открытой трещиноватости имеет важное значение, прежде всего, для карбонатных, низкопоровых и залегающих на больших глубинах (свыше —3,5 км) коллекторов. Она является своеобразным ключом к обеспечению высоких дебитов скважин, проектируемых к бурению. Размещение эксплуатационных скважин с учетом информации о распределении поля трещиноватости коллекторов на этапе проектирования разработки месторождения позволяет значительно повысить средний приток нефти на скважину [107]. Это достигается за счет сокращения бурения непродуктивных и нерентабельных скважин в зонах уплотнения и целенаправленного разбуривания участков с интенсивной трещиноватостью, где могут быть получены высокие и максимальные дебиты нефти.

Экспериментальным обоснованием такого подхода являются результаты исследований, выполненные в Республике Татарстан (19941995 гг), Западной Сибири (1998-2004 гг) и других регионах РФ, где на месторождениях проводилось изучение трещиноватости коллекторов и геосреды в целом методом СЛБО.

Например, в компании "Татнефть" был выполнен сопоставительный анализ промысловых характеристик добывающих скважин, стабильно работающих в течение 10-15 лет, и значений трещиноватости по данным СЛБО. Всего для сопоставления было отобрано 127 скважин, характеризующиеся непрерывной эксплуатацией, на 4-х участках с общей площадью -70 кв. км на 1рех месторождениях: Бавлинское, Новоелховское и Соколкино-Сарапалинское. Отобранные скважины были разделены на три группы, характеризующиеся по данным СЛБО расположением в зонах высокой, средней и низкой трещиноватости. Осредненные промысловые характеристики скважин по этим группам представлены на рис. 4.17. На графике вытеснения нефти (рис. 4.17а) видно, что скважины с высокой трещиноватостью коллектора имеют в среднем накопленную добычу нефти в -2,5 раза выше, чем скважины, находящиеся в поле низкой трещиноватости.

На ко I и гсинам добыча нефти на 1 скн., т

О 0,2 0,4 0.6 0,8 1

Относительная накопленная добыча нефш

- плотная зона, - средняя трещине ватость, высокая трещиневатость

Рис 4 17. Сравнение изменении накопленной добычи нефти и обводненности продукции для коллекторов с малой, срсднсй и высокой трещиноватостью по осредненным графикам вытеснения нефти (а) и обводненности (б).

При этом скважины с максимальной добычей нефти приурочены к центральным частям зон максимальной трещиноватости.

Другой пример соответствия, характерный для Западной Сибири, получен на Северо-Даниловском месторождении, упомянутом выше в разделе 3.3.3. Здесь по результатам испытания на приток коллекторов, приуроченных к коре выветривания (КВ), были получены дебиты флюида, представленные ниже в таблице 4.1.

Заключение

По мере развития наук о Земле, как в общем плане, так и в плане совершенствования практических методов поиска, разведки и разработки месторождений углеводородов все более пристальное внимание привлекают трещиноватые структуры осадочного чехла. Занимая подчиненное положение в период доминирования литолого-стратиграфических концепций, они выходят на первый план в вопросах, определяющих стратегию и методы поиска новых месторождений.

Выполненные в рамках диссертации исследования, направленные на разработку современных технологий, обеспечивающих решение задачи поисков и разведки углеводородных месторождений нового типа, обусловленных наличием зон с открытой трещиноватостью, позволили получить следующие результаты.

1. На основе изучения процессов трещинообразования, протекающих в верхних слоях оболочки Земли и зонах доступных для недропользования, исследованы возможные пути миграции углеводородов и условия формирования залежей в трещинно-поровых средах. При этом обосновано существование субвертикальных транзитных зон в осадочном чехле, охватывающих как терригенные, так и карбонатные породы и показано, что при дилатансионном расширении среды вместе с зонами разуплотнения образуются и сопряженные с ними зоны консолидации (уплотнения) пород. Установлено существование в верхней части земной коры реологически ослабленных трещиноватых субгоризонтальных зон пониженной скорости сейсмоакустических волн, относящихся к квазиволноводам, и сформулированы признаки их выделения. Установлено высокое флюидонасыщение зон аномально высокой трещиноватости в осадочной толще.

2. Разработаны способы построения эффективных математических и геолого-геофизических моделей волновых процессов в пористых и трещинных средах, что позволило провести моделирования физических процессов трещинообразования и расчет математических моделей волновых явлений при одновременном рассеянии вперед и боковом рассеянии в средах с открытой трещиноватостью и флюидном заполнением трещин. Разработки легли в основу проведенного системного анализа волновых и флюидных процессов в структурах разрушения и обоснования взаимосвязи процессов в верхней коре и зонах промышленного недропользования, что дает основание для существенного уточнения геодинамических моделей при анализе сейсмоакустических наблюдений.

3. Разработаны теоретически и экспериментально обоснованные требования к созданию более совершенных технологий сейсмоакустических исследований зон открытой трещиноватости. При этом:

- определены требования к структуре, параметрам и позиционированию систем приема и возбуждения упругих волн при работах по технологии СЛБО;

- разработано обоснование способов повышения точности и разрешающей способности технологии СЛБО посредством применения 2-х и более кратного обзора геосреды с разных азимутальных направлений;

- определены требования к минимальным размерам апертур приема и излучения с целью выполнения условия расформирования отраженных волн;

- определено минимальное число накоплений на приеме для получения достаточного энергетического уровня рассеянных волн.

4. Разработаны научно-методические и технологически обоснованные принципы сейсмоакустического сопровождения методов разрушающего и упругого воздействия на геологические объекты эксплуатации, на основе чего:

- разработаны общие требования и принципы совместной технологии СЛБОиГРП;

- показано, что для получения максимальных и высоких притоков нефти необходимо вскрытие продуктивных отложений в центрах зон аномально высокой трещиноватости в сводовых участках ловушки.

5. Разработаны основы применения сейсмоакустики для повышения качества решения геологических задач и предотвращения аварий при бурении глубоких скважин, а также системы контроля за эксплуатацией нефтегазовых месторождений. При этом:

- исследовано пространственно-временное распределение зон трещиноватости, образующиеся при ГРП;

- изучена динамика развития, релаксации и изменения во времени зон техногенной трещиноватости;

- сформулированы направления развития технологии СЛБО в сфере управления ГРП;

- установлены явления постразрывной осцилляции зон трещиноватости, образующихся при ГРП, связанной с перестройкой внутренней структуры и рекомбинацией разуплотненных и консолидированных блоков;

- получены результаты, подтверждающие обоснованность выдачи рекомендаций по выбору оптимального направления бурения горизонтальных стволов скважин;

- сформулированы принципы мониторинга техногенных воздействий и определены пространственно-временные требования к организации систем сейсмоакустического мониторинга.

Таким образом, задачи, поставленные перед диссертационными исследованиями решены полностью.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Курьянов, Юрий Алексеевич, Б.м.

1. Альпийская геосинклиналь Кавказа. / Баранов Е.П. и др. Сейсмические модели литосферы основных геоструктур территории СССР: - М.: Наука, 1980.

2. Анпенов C.B., Курьянов Ю.А. Применение акустического каротажа при выделении и изучении нефтяных залежей в полимиктовых отложениях Западной Сибири // Новые геоакустические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. М.,ВНИИЯГГ. 1982.

3. Бердичевский М.П. Магнитотеллурическое зондирование поровых проводящих зон. //Физика Земли. 1984. № 9.

4. Валле-Пуссен Ш. Курс анализа бесконечно малых. Т.2. Л.-М.: Гостехиздат, 1932.

5. Ваньян Л.Л. О природе электропроводимости активизированной земной коры. // Физика Земли. 1996. № 6.

6. Верхняя мантия Сибири / Егоркин А.В и др. Геофизика 27-ой МГК. М.: Наука, 1984.

7. Возбужденная сейсмичность в районе водохранилища Нурекской ГЭС / Мерзоев K.M., Негматуллаев С.Х. Симпсон Д., Соболева О.В. Душанбе, М.: Даниш, 1987.

8. Возможность контроля процесса трещинообразования в реальном времени (на примере ГРП) / Файзуллин И.С., Чиркин И.А., Куценко Н.В., Курьянов Ю.А. и др.Тезисы доклада. Междунар. геофиз. конф. и выставка SEG, EAGE, ЕАГО. М., 1-4 сентября 2004.

9. Возможность управления процессом развития трещиноватости в геосреде на нефтяных месторождениях // Кузнецов О.Л., Муслимов Р.Х., Чиркин И.А., Курьянов Ю.А. и др. Новые идеи в поиске, разведке и разработке нефтяных месторождений. Казань, 2000.

10. Гейликман М.Б., Писаренко В .Д. О самоподобии и геофизических явлениях. Дискретные свойства геофизической среды. М.: Наука, 1989.

11. Геологическая эффективность изучения трещиноватости продуктивных толщ методом СЛБО // Кузнецов О.Л., Чиркин И.А., Файзуллин И.С., Курьянов Ю.А. и др. Геоинформатика, 2001, № 3.

12. Геотраверс "Гранит". Восточно-Европейская платформа, Урал, Западная Сибирь. -Екатеринбург. 2002.

13. Гзовский М.В. Основы тектонофизики. М.: Наука, 1976.

14. Гик Л.Д. Физическое моделирование при оценке прогнозов нефтегазоносности по данным акустического каротажа // Геофизика. 1997 № 1.

15. Гутаров Ю.А. Геофизическое информационное обеспечение технологии гидроразрыва пластов в нефтяных и газовых скважинах. Октябрьский: ВНИИГИС, 1996.

16. Делимость земной коры и палеонапряжения в сейсмоактивных и нефтегазоносных регионах Земли / Белоусов Т.П. и др. М.:ОИФЗ РАН, 1997.

17. Дзебань И.П., Карус Е.В., Кузнецов О.Л. Методические рекомендации по выделению в разрезах скважин зон трещиноватости и кавернозности методом акустического каротажа и оценке их параметров. М.: МинГео СССР, ВНИИЯГГ, 1981.

18. Добрынин В.М. Деформации и изменения физических свойств коллекторов нефти и газа. -М.: Недра. 1970.

19. Дорофеева T.B. Тектоническая трещиноватость горных пород и условия формирования трещинных коллекторов нефти и газа. Л. Недра, 1986.

20. Дьяконов Б.П., Троянов А.К. Сейсмоакустические шумы на больших глубинах // Сб. "Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов". Т 2. М.: Новый мир, 1988.

21. Желтов Ю.П. Гидравлический разрыв пласта. /Обзор зарубежной практики. М.: Гостоптехиздат, 1957.

22. Желтов Ю.П. Деформация горных пород. М.:Недра, 1966.

23. Желтов Ю.П. О моделировании образования трещин в горных породах// Изв. АН СССР, ОТН, "Механ. и машиностр.". 1959. № 4.

24. Жиров А.И., Монахов А.К. Особенности радиолокационного изображения песчаных массивов и солончаков в связи с проблемой нефтегазоносности// Разведка и охрана недр. 2000. № 6.

25. Завьялец А.Н., Курьянов Ю.А. Технология цифровой регистрации и обработка акустического каротажа на нефтегазовых месторождениях Сургутского свода // В сб. "Геоакустические исследования по многоволновой сейсморазведке". Новосибирск, 1987.

26. Завьялец А.Н., Курьянов Ю.А., Токменин В.Т. Возможности использования параметров волны Лэмба при выделении коллекторов. // Сб. "Исследования по многоволновой сейсморазведке в геоакустическом диапазоне частот" -Новосибирск: 1987.

27. Ивакин Б.Н., Карус Е.В., Кузнецов О.Л. Акустический метод исследования скважин. -М.: Недра, 1978.

28. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. -М.: Мир, 1981. Т.1, 2.

29. Исследование техногенной трещиноватости, возникающей после гидроразрыва пласта / Курьянов Ю.А., Кузнецов О.Л., Чиркин И.А., Джафаров И.С. М.: ВНИИгеосистем, 2001.

30. Каракин A.B., Курьянов Ю.А., Павленкова Н.И. Разломы, трещиноватые зоны и волноводы в верхних слоях земной оболочки./ Научный редактор проф. Кузнецов О.Л.-М., 2003.

31. Карман Т. Опыты на всестороннее сжатие. Новые идеи в технике // Сб. №1 Изд. Образование, 1915.

32. Касимов Р.Ш, Желтов Ю.П. Моделирование процесса гидравлического разрыва в пластах с трещинными коллекторами: НТС по добыче нефти. 1964. Вып. 22

33. Козловский Е.А. Кольская сверхглубокая. -М.: Недра, 1984.

34. Кокшаров В.З., Курьянов Ю.А., Нефедкин Ю.А. Использование частотного акустического зондирования для изучения трещинных коллекторов // Геофизика, 2004, спец. выпуск.

35. Критерии выделения зон повышенной трещиноватости пород с помощью широкополосного акустического каротажа / Андреев А.Ф., Дзебань И.П., Карус Е.В., Кузнецов О.Л. и др. //Изв. ВУЗов. Сер. "Геология и разведка". 1977. № I.

36. Крылов C.B. Детальные глубинные сейсмические исследования в Верхнеангарском районе Байкальской рифтовой зоны. // Геология и геофизика. 1990. № 7.

37. Кузнецов O.JL, Симкин Э.М. Преобразование и взаимодействие геофизических полей в литосфере. М.: Недра, 1990.

38. Курьянов Ю.А., Белкин Н.М. Основные направления и результаты сейсморазведочных работ ОАО "Тюменнефтегеофизика" в Западной Сибири // Сб. "Пути реализации нефтегазового комплекса ХМАО". Ханты-Мансийск, 1999.

39. Курьянов Ю.А., Кузнецова Л.В., Кокшаров В.З. Акустический каротаж в Западной Сибири // М. ВНИИгеосистем, 2001

40. Курьянов Ю.А., Кухаренко Ю.А., Рок В.Е. Сейсмоакустика пористых и трещиноватых геологических сред. Т. 1 /Теоретические модели в сейсмоакустика поротрещиноватых сред: / Научный редактор Кузнецов О.Л. М.,2002.

41. Курьянов Ю.А., Рок В.Е. Акустика трещиноватых геологических сред. Обзор теоретических работ // М., ВНИИгеосистем, 2001.

42. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. М.: Физматгиз, 1963.

43. Лебединец Н.П. Изучение и разработка нефтяных месторождений с трещиноватыми коллекторами. -М.: Наука, 1997.

44. Логинов В.Г. Блажевич В.А. Гидравлический разрыв. М.: Гостоптехиздат, 1958.

45. Магнитотеллурические исследования строения коры и мантии восточной части Балтийского щита / Ковтун A.A. и др. // Физика Земли. 1994. №3.

46. Максимович Г.К. Гидравлический разрыв нефтяных пластов. М.: Гостоптехиздат, 1957.

47. Маслов В.П. Асимптотические методы и теория возмущений. М.: Наука, 1988.

48. Маслов В.П. Метод ВКБ в многомерном случае./ Дополнение к книге: Дж. Хединг. Введение в метод фазовых интегралов (метод ВКБ). М.: Мир, 1965.

49. Меликбеков A.C. Теория и практика гидравлического разрыва пласта. М.:Недра, 1967.

50. Методические рекомендации по интерпретации материалов широкополосного акустического каротажа АКН-1./ Под ред. Кузнецова О.Л М.: ВНИИЯГГ, 1980.

51. Методы обработки и результаты интерпретации данных о трещиноватости горных пород / Белоусов Т.П. и др. М.ЮИФЗ РАН, 1994.

52. Мячкин В.И. Процессы подготовки землетрясений. М.: Наука, 1978.

53. Новые геоакустические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых: Сб. научных трудов / Гл. ред. О.Л. Кузнецов. - М.: ВНИИЯГГ, 1982.

54. Опыт широкополосного акустического каротажа на Самотлорском месторождении // Бикбулатов Б.М., Кузнецов О.Л., Курьянов Ю.А., Мавлютов А.К. ДНТС сер. "Нефтегазовая геология и геофизика", 1979, №11.

55. Павленкова Н.И. Волновые поля и модели земной коры (континентального типа). — Киев: Наукова дума, 1973.

56. Павленкова Н.И. О региональной сейсмической границе в самых верхах мантии // Физика Земли. 1995. № 12.62