Разработка способов экспериментального изучения анизотропии осадочных отложений методами многоволновой сейсморазведки

Объекты исследований. Тема настоящей диссертационной работы возникла в связи с проведением многолетних исследований сейсмической анизотропии осадочных пород, в которых автор принимал непосредственное участие с 1975 г. Полевые эксперименты проводились в рамках тематического плана по разработке физико-геологических основ и внедрению методов многоволновой сейсморазведки (МВС) Института геологии и геофизики СО АН СССР и Сибирской геофизической экспедиции Миннефтепрома в 1972;1987гг. В качестве первого объекта полевых экспериментальных исследований послужили надсолевые осадочные отложения Прикаспийской впадины до среднеюрского возраста включительно. Участки исследований выбирались вблизи сводов и в пределах крыльев соляных куполов, глубинность исследований (на отраженных волнах) не превышала, в основном, 1 км.

Несмотря на то, что еще в середине 1960;х годов было положено начало изучению поляризации поперечных и обменных волн в Прикас-пии, выявленные аномальные ее особенности исследователи были склонны объяснять в рамках модели поперечно-изотропной среды с осью анизотропии, нормальной к напластованиям, обычно мало отклонявшейся от вертикали. Далеко не все эффекты, обнаруженные в результате этих экспериментов, могли быть объяснены в рамках этой модели. Для обоснования более сложной анизотропной модели осадочных отложений в этом районе, используемый комплекс методических приемов и применяемые способы обработки данных оказались недостаточным.

Второй объект исследований составил галогенно-карбонатный комплекс Юрубчено-Тохомской зоны нефтегазонакопления (ЮТЗ) на Сибирской платформе, в пределах которой проводились работы МВС (в том числе МВС ВСП — при участии автора) силами Института геологии и геофизики СО АН СССР и ПО «Енисейгеофизика» в 1987;1993гг. в ЮТЗ основные перспективы нефтегазоносности связывают с ри-фейскими отложениями, представленными карбонатными породами. Проницаемость этих пород определяется системой субвертикальных трещин, которые, при наличии преимущественной направленности, должны приводить к появлению анизотропных свойств данного коллектора. Отсутствие многоволновых исследований, направленных на изучение анизотропии рифейских отложений, не позволяло экспериментально подтвердить это предположение и получить информацию о модели среды, что, в свою очередь, не давало возможности разработать эффективные способы изучения данного коллектора.

Актуальность темы

определяется необходимостью разработки новых методических приемов для обоснования более сложных моделей анизотропных свойств осадочных отложений, по сравнению с широко используемой моделью поперечно-изотропной среды, и созданием способов обработки данных многоволновой сейсморазведки в рамках моделей многослойной анизотропной среды с изменяющимися по глубине элементами симметрии.

Цель исследований — разработка способов экспериментального изучения анизотропии осадочных горных пород методами многоволновой сейсморазведки для обоснования их типов симметрии и определения упругих параметров, связанных с особенностями геологического строения.

Основные задачи исследований:

1. Выявление типов симметрии анизотропных горных пород надсо-левого комплекса Прикаспийской впадины и разработка способов поляризационной и кинематической обработки сейсмических волновых полей для определения эффективных упругих постоянных этих пород в модели однородной анизотропной среды произвольной симметрии.

2. Экспериментальное обнаружение признаков анизотропии в слоистом разрезе Юрубчено-Тохомской зоны нефтегазонакопления в связи с наличием трещиноватых коллекторов.

3. Разработка способов послойной компенсации влияния вышележащих анизотропных слоев при обработке данных поперечных отраженных волн для определения изменений направлений симметрии и параметров анизотропных слоев с глубиной.

Фактический материал и методы исследований.

Основу фактического материала, использованного в диссертации, составили записи сейсмического волнового поля, зарегистрированные в процессе проведения полевого эксперимента, как на дневной поверхности, так и во внутренних точках среды. Главным методом экспериментальных исследований была многоволновая сейсморазведка — совместное использование продольных, поперечных и обменных волн. Применялись разнообразные системы наблюдений, позволяющие получить детальную характеристику волновых полей в условиях азимутально-анизотропной среды, с использованием комплекса проходящих, головных и отраженных волн. В процессе экспериментов использовалось современные технические средства и аппаратура. Для возбуждения поперечных волн применялись направленные взрывные, невзрывные ударные и вибрационные источники («Вибролокатор»). Применялась многокомпонентная цифровая регистрация волновых полей, причем все скважин-ные наблюдения проводились с ориентируемыми зондами, которые позволяют существенно повысить надежность определяемых поляризационных характеристик упругих волн.

В исследовательской работе широко использовались методы математического моделирования волновых полей. Все предлагаемые автором способы обработки тестировались на синтетических сейсмограммах, что позволило убедиться в их применимости и точности.

Основные защищаемые результаты.

1. Создан способ определения эффективных упругих постоянных по лучевым скоростям в рамках однородной анизотропной среды произвольной симметрии и способ послойного определения пяти эффективных упругих постоянных поперечно-изотропной среды с разноориентиро-ванными в различных слоях горизонтальными осями симметрии по годографам отраженных волн, полученным в нескольких азимутах.

2 Разработаны способы поляризационной обработки, позволяющие: а) производить разделение интерферирующих поперечных волн, распространяющихся в произвольном направлении в однородной анизотропной среде, и определять их поляризацию, б) определять изменения поляризации и связанные с ними изменения направлений симметрии с глубиной и производить разделение интерферирующих падающих и отраженных волн вблизи вертикали в модели горизонтально слоистой анизотропной среды.

3. Установлено наличие азимутальной анизотропии в породах различного возраста и литологического состава в надсолевом комплексе Прикаспийской впадины, выяснен их различный вклад в формирование «аномальной» поляризации поперечных и обменных волн. Экспериментально обнаружена и обоснована моноклинная симметрия упругих свойств осадочных пород альбского возраста.

4. Экспериментально обнаружено проявление азимутальной анизотропии и изменение ее параметров с глубиной в венд-рифейском интервале разреза Юрубчено-Тохомской зоны нефтегазонакопления.

Научная новизна и личный вклад.

1. На основании критерия максимума функции взаимной корреляции создан алгоритм разделения интерферирующих поперечных волн в однородной анизотропной среде.

2. На основании решения прямой задачи и минимизации разницы теоретических и экспериментальных скоростей разработан алгоритм определения упругих постоянных по скоростям трех типов волн в анизотропной среде произвольной симметрии.

3. Разработаны способы, позволяющие изучать изменения направлений симметрии среды с глубиной и получать послойные характеристики анизотропии в горизонтальнослоистой модели по отраженным волнам.

4. Используемая соискателем методика полевого эксперимента и разработанные способы обработки этих данных позволили впервые обосновать моноклинный тип симметрии упругих свойств осадочных пород на примере альбских отложений северо-западного крыла соляного купола Доссор в Прикаспийской впадине, а также обнаружить азимутальную анизотропию венд-рифейского комплекса Сибирской платформы.

Личный вклад автора заключался в определении методики и постановке всех полевых экспериментов, обработке экспериментальных материалов и их интерпретации. Алгоритм разделения интерферирующих волн в анизотропной среде независимо и одновременно разработан с И. Р. Оболенцевой, а алгоритм компенсации влияния вышележащих анизотропных слоев — совместно с В. В. Карстеном. По разработанным алгоритмам автором диссертации были написаны соответствующие программы обработки.

Практическое значение работы заключается в том, что предлагаемые в работе методические приемы проведения экспериментальных исследований и разработанные способы обработки данных, которые прошли тестирование, как на теоретических, так и на экспериментальных материалах, могут использоваться другими исследователями при изучении анизотропных свойств геологического разреза. Экспериментальное обоснование того, что осадочные породы могут обладать упругими свойствами анизотропной среды с моноклинной симметрией, ставит перед исследователями задачу расширения класса сейсмогеологиче-ских моделей реальных сред и разработку способов их изучения и геологического истолкования. Обнаружение азимутальной анизотропии в венд-рифейском интервале разреза ЮТЗ подтвердило предположение о том, что трещиноватость рифейского коллектора в этом районе может быть направленной и показало возможность с помощью многоволновых исследований изучать ее параметры, которые являются крайне важными для оптимизации систем эксплуатации месторождения.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях: Всесоюзном совещании «Совместное использование продольных и поперечных волн в сейсморазведке», Коканд 1979 г.- Международном рабочем совещании «Сейсмическая анизотропия», г. Суздаль, 1982грабочем Всесоюзном совещании «Методика изучения сейсмической анизотропии литосферы Земли», Ялта, 1984 г.- Всесоюзном совещании «Многоволновая сейсморазведка», Новосибирск, 1985 г.- II Международном рабочем совещании «Сейсмическая анизотропия», г. Москва, 1986 г.- Международной геофизической конференции 8ЕО/Москва'92- Международной геофизической конференции 8ЕО/Москва'93- Международной геофизической конференции ЕАЕО 57 Глазго 1995 г.- Международной геофизической конференции, Санкт-Петербург'95- Международной геофизической конференции ЕАЕО 58, Амстердам 1996 г.

По теме диссертации опубликовано 16 работ, две из которых в международных журналах.

Работа выполнена в Институте геофизики СО РАН и проведена в соответствии с планом НИР лаборатории Многоволновой сейсморазведки.

Автор выражает искреннюю признательность академику РАН H.H. Пузыреву, благодаря усилиям которого стало возможным проведение широкомасштабных экспериментов в Прикаспии, и всем сотрудникам «Сибнефтегеофизики» за тщательную подготовку и проведение этих экспериментов. Также автор благодарит за полезные обсуждения и консультации д.г.-м.н. A.B. Тригубова, д.г.-м.н. И. Р. Оболенцеву, д.ф.-м.н. Б. П. Сибирякова, к.т.н. К. А. Лебедева, м.н.с. В. В. Карстена, а за помощь в оформлении работы В. В. Карстена и О. Ю. Зюзину.

Диссертация содержит 147 стр. текста, 42 рисунка и 5 таблиц.

Глава 4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МНОГОВОЛНОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АНИЗОТРОПИИ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД.

Значительная часть исследований, представленных в диссертации, была посвящена изучению анизотропии осадочных пород надсолевого комплекса на ряде соляных куполов Прикаспийской впадины. Проведено детальное изучение анизотропных свойств пород различного возраста и литологического состава. Наиболее полный комплекс исследований поставлен на соляном куполе Доссор, где показано, что осадочные породы могут проявлять различную степень анизотропии и обладать различными типами симметрии. До проведения данных работ считалось, что модель поперечно-изотропной среды является достаточной для описания анизотропных свойств, а эффекты азимутальной анизотропии объясняются либо наклонным, либо горизонтальным положением оси симметрии. Более сложные модели анизотропии рассматривались только как теоретически возможные. В связи с этим многими исследователями интерпретация экспериментальных данных проводилась, как правило, в рамках простейшей модели. В результате проведенных экспериментов показано, что наряду с классической поперечно-изотропной средой, ярким примером которой являются отложения сенон-турона, могут существовать более сложные типы симметрии осадочных пород. Впервые экспериментально обнаружена и обоснована моноклинная симметрия пород альбского возраста.

Причинами, вызывающими столь сложный тип анизотропии альбских пород, являются: периодическая тонкая слоистость и напряженное состояние массива, вызванное внедрением соляного ядра в осадочный чехол, которое приводит к возникновению, как радиальных разломов, так и по-видимому направленной микротрещиноватости. Прямых данных о существовании направленной микротрещиноватости нет, однако твердо установлено, что вертикальная плоскость симметрии среды направлена на соляной купол. Прямое доказательство этому получено на соляном куполе Пекине, где направление падения надсолевых горизонтов и поверхности соли не совпадают.

Сложный характер экспериментальных данных потребовал от автора создания и применения новых методов обработки. Если для поперечно-изотропной среды с вертикальной осью симметрии не стояла проблема разделения интерферирующих поперечных волн, так как одна из них (8Н) была поляризована всегда горизонтально, а другая (8У) имела вектор смещения в вертикальной лучевой плоскости, то для более сложных моделей анизотропии, где обе квази-поперечные волны вне плоскостей симметрии имеют сугубо пространственную поляризацию, она стала актуальной. В 1982 г. автором диссертации совместно с И. Р. Оболенцевой был разработан и опробован на экспериментальных данных метод разделения интерферирующих поперечных волн для однородной анизотропной среды. В 1986 г. вышла соответствующая публикация. В этом же 1986 г. аналогичный метод независимо предложил СЬ. NavШe, что подтверждает правильность выбранного критерия для разделения интерферирующих волн в анизотропной среде. Применение данного метода позволило получать данные о скоростях квази-поперечных волн и определять зависимость этих скоростей от направления распространения.

Дальнейшим шагом в изучении анизотропных сред стало определение эффективных упругих постоянных. Если для поперечно-изотропной среды такие методы были разработаны, то для более сложных типов симметрии в сейсморазведке такая задача не считалась актуальной. В области кристаллофизики задача определения упругих постоянных по скоростям трех типов волн, измеренных на образцах, была решена (К.С.Александров, В. В. Альчиков, 1975) для различных типов симметрии, включая и моноклинную. Однако применение такого метода в / сейсморазведке было невозможньш, так как необходимы были измерения скоростей плоских волн (нормальные скорости) в фиксированных направлениях, связанных с элементами симметрии кристалла. По той же причине не подходил метод, предложенный Г. Т. Продайводой для ультразвуковых исследований образцов горных пород. В 1983 г. автором диссертации был предложен способ определения упругих постоянных по лучевым скоростям, измеренным в плоскостях симметрии орторомби-ческой среды, и показана однозначность решения при условии использования всех трех типов волн. В дальнейшем область применимости этого метода была расширена на случай произвольной однородной анизотропной среды. С помощью этого метода по экспериментальным скоростям были определены 13 эффективных упругих постоянных, свойственных моноклинной системе симметрии, для альбских отложений на куполе Доссор.

Другая часть работы посвящена изучению анизотропии горных пород Юрубчено-Тохомской зоны нефтегазонакопления. Автором диссертации впервые обнаружена азимутальная анизотропия горных пород в разрезе ЮТЗ. В процессе первых же экспериментов с применением многоволнового ВСП в скважине ЮР-55 была обнаружена азимутальная анизотропия венд-рифейских отложений. В результате обработки полученного экспериментального материала были определены направления векторов смещения в быстрой и медленной поперечных волнах, которые оказались различными в венде и рифее. Поскольку рифейский коллектор представлен трещиноватыми карбонатными породами, можно с уверенностью говорить о существовании в нем направления преимущественной трещиноватости, которое совпадает с поляризацией быстрой поперечной волны. Таким образом, показана возможность определения направления максимальной проницаемости рифейского коллектора при многоволновых исследованиях в ЮТЗ. Однако, изменение параметров анизотропии в слоистом разрезе с глубиной серьезно усложняет определение анизотропных свойств рифейского коллектора, так как при несовпадающих элементах симметрии анизотропных слоев в каждом акте отражения-преломления происходит удвоение числа интерферирующих волн и способы разделения волн, разработанные для однородной средыЛста-новятся неприменимы. Решение этой проблемы требует усложнения методики наблюдений и применения специальных способов обработки.

Для случая слоистой анизотропной среды с несовпадающими элементами симметрии существуют способы обработки волновых полей нисходящих S-волн, при наличии двух разнонаправленных горизонтальных воздействий в источнике и многокомпонентном приеме (Winterstein D.F. & Meadows М.А. 1991, Бродов Л. Ю. 1992, 1995). Эти методы не могли применяться для отраженных волн. Автором диссертации в соавторстве с В. В. Карстеном в 1995 г. были разработаны способы послойной компенсации, позволяющие производить поляризационную обработку данных многокомпонентных наблюдений и определение параметров анизотропии в слоистой среде с различающимися элементами симметрии по отраженным поперечным волнам, наблюденным как во внутренних точках среды, так и на дневной поверхности.

Метод компенсации влияния анизотропных слоев не мог применяться для отраженных волн и был модифицирован для систем наблюде-V ния ВСП. Суть модификации заключалась в независимых вращениях источника и приемников при выделении отраженной волны. Модифицированный метод компенсации позволял в слоистой анизотропной среде с несовпадающими элементами симметрии построить алгоритм выделения отраженной волны произвольного кода по данным ВСП, который затем применялся к данным наблюдений на дневной поверхности в районе изучаемой скважины.

Дальнейшие исследования в этом направлении позволили разработать метод послойной компенсации, который применялся непосредственно к данным наблюденным на дневной поверхности и не требовал наблюдений ВСП для определения изменений поляризации поперечных волн с глубиной. Для его реализации наряду с компенсацией на падающем луче (за источник) потребовалось введение новой процедурыкомпенсации на восходящем луче (за приемник). Несмотря на то, что этот метод послойной компенсации строго справедлив для вертикального луча, его применение к суммарным трассам ОГТ дало положительный результат при тестировании на синтетических сейсмограммах. После определения параметров алгоритма по суммарным трассам он был применен к сейсмограммам ОТВ. Уверенное разделение отраженных волн было получено до удалений, равных половине глубины до отражающей, границы.

Это обстоятельство позволило автору в соавторстве с В. В. Карстеном в 1996 г. предложить способ послойного определения пяти эффективных упругих постоянных поперечно-изотропной среды с разноо-риентированными горизонтальными осями симметрии по годографам отраженных волн, полученным в нескольких азимутах. Преимущество данного метода заключается в том, что он может применяться при отсутствии данных ВСП и не требует предварительного знания глубин отражающих горизонтов. Вертикальные скорости поперечных волн, а следовательно и глубины, определяются путем нахождения параметров эллипсоида чисто поперечной волны.

В заключение авторудрчется сказать несколько слов о перспективах развития многоволновых исследований анизотропии горных пород. Определение типа симметрии среды и эффективных упругих постоянных является необходимым этапом в изучении анизотропных сред, но конечным результатом такого изучения должны стать характеристики микроструктуры изучаемого объекта, в частности параметры трещиноватости, которые являются крайне важными для оценки коллекторских свойств и правильного построения системы эксплуатации месторождений.

Существующие подходы к решению данной задачи, в подавляющем большинстве связаны с использованием моделей трещиноватых сред Хадсона или Эшелби, в которых трещины представлены плоскими о иЛеальнЛ сориентированными эллипсоидами. Остается открытым вопрос о соответствии данной модели реальным трещиноватым средам, где трудно себе представить идеальную ориентацию трещин.

Результаты изучения керна рифейских отложений ЮТЗ говорят о наличии в нем, как правило двух вертикальных ортогональных систем трещин. Об этом же свидетельствуют геологические данные по многим месторождениям Западной Сибири. В этом случае мы вправе ожидать орторомбической симметрии среды и проводить интерпретацию данных в рамках этой модели. Однако теоретические модели для нескольких систем трещин разработаны недостаточно и требуются усилия в этом направлении.

Таким образом, автору диссертации видятся два основных направления развития способов изучения анизотропных сред:

1. Расширение класса моделей анизотропных сред до моноклинной включительно, разработка способов идентификации этих моделей и определения в них эффективных упругих постоянных в рамках многослойных анизотропных сред.

2. Создание математических моделей описывающих связь между эффективными упругими постоянными и параметрами микроструктуры среды и на их основе решать задачу определения этих параметров (также в более широком классе сред).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных экспериментов и обработки полученных данных установлено, что многим породам надсолевого комплекса Прикаспийской впадины свойственны анизотропные свойства. При этом разнообразие тектонической обстановки на участках соляных куполов обуславливает разнообразие форм проявления анизотропии, ее изменчивости с глубиной и по латерали. Применяемая методика проведения полевого эксперимента и разработанные способы разделения интерферирующих волн и определения упругих постоянных по скоростям трех типов волн в анизотропной среде позволили установить, что на исследова-ных автором участках куполов Танатар и Доссор породы апта и сенон-турона имеют свойства поперечно-изотропной среды с осью симметрии перпендикулярной напластованиям. Отложения средней юры, неокома и альба обладают свойствами азимутальной анизотропии, причем альбские отложения характеризуются наиболее сложным моноклинным типом симметрии и вносят решающий вклад в формирование аномальной поляризации поперечных и обменных отраженных волн. Полученные результаты позволяют пересмотреть традиционные представления о возможных типах симметрии осадочных отложений и говорят о необходимости расширения класса моделей анизотропных сред при их изучении до моноклинной включительно.

В результате проведенных экспериментов МВС ВСП впервые удалось обнаружить азимутальную анизотропию в низах усольской свиты, в вендских и верхней части рифейских отложений центрального блока ЮТЗ. Установлено, что направления преимущественной трещинова-тости в изучавшемся интервале меняются с глубиной. Данный результат позволил обосновать необходимость усложнения методики проведения полевого эксперимента с использованием поперечных волн в этом районе за счет обязательного использования двух ортогональных горизон.

139 тальных воздействий в источнике, что позволит получать более достоверную информацию о трещиноватости рифейского коллектора.

Для таких моделей анизотропных сред разработан и опробован на синтетических сейсмограммах метод послойной компенсации анизотропных слоев, который применим для анализа анизотропии к данным ВСП как на проходящих, так и на отраженных 8-волнах. Дальнейшие исследования в этом направлении позволили разработать метод послойной компенсации, который применялся непосредственно к данным наблюденным на дневной поверхности, и не требовал наблюдений ВСП для определения изменений поляризации поперечных волн с глубиной. Показана возможность использования суммарных разрезов ОГТ для поляризационного анализа, что существенно повышает его помехоустойчивость.

Для горизонтально слоистых моделей, состоящих из поперечно изотропных слоев с горизонтальными разноориентированными осями симметрии, разработан способ послойного определения упругих постоянных по годографам отраженных Ри 8-волн без привлечения данных ВСП.

Полученные результаты имеют значение для выработки методики поиска и изучения свойств трещиноватых коллекторов нефти и газа в слоистом разрезе методами МВС.