Внутреннее строение продуктивного клиноформного пласта по данным сейсморазведки

А.В. Буторин, Научно-Технический Центр «Газпром нефти» (ООО «Газпромнефть НТЦ»)

Источник: Журнал «Нефтяное хозяйство»

Представления геологов и разработчиков о внутреннем строении продуктивного пласта на ранних стадиях разработки месторождения в значительной степени зависит от сейсмических данных. Этот этап характеризуется относительно малым количеством скважинной информации, что приводит к высокой неопределенности в геологической модели. Уменьшение неопределенности возможно при использовании детального анализа сейсмической информации, которая позволяет оценить свойства геологической среды и сделать предположения о фациальных обстановках седиментации.

Полнота геологической информации, получаемой из волнового поля, зависит от алгоритмов анализа динамических характеристик сейсмических данных. Развитие технологий анализа волнового поля позволяет получить больше информации, тем самым уменьшить неопределенности, обусловленные геологической моделью и снять геологические риски при бурении эксплуатационных скважин.

Технологии анализа сейсмических данных активно развиваются последние 50 лет — с начала цифровой регистрации волнового поля. В настоящий момент многообразие алгоритмов анализа позволяет детально изучить волновое поле и связать вариации его динамических характеристик с изменением свойств геологической среды.

Несмотря на развитие алгоритмов динамической интерпретации, существуют естественные ограничения метода, которые уменьшают возможную детальность исследования. К наиболее значимым относится предельная разрешающая способность волнового поля, ввиду ограниченности частотного спектра записи. Сейсмический импульс имеет конечную длительность по времени и значительно отличается от единичного, следовательно, и наблюдаемое волновое поле будет ограничено по частоте. К этому ограничению также относится и частичная потеря высоких частот с увеличением глубины, за счет больших коэффициентов затухания. Таким образом, наблюденное волновое поле всегда характеризуется некоторыми пределами разрешающей способности, как по вертикали, так и по горизонтали, которое пропорционально доминантной длине волны.

Проблема ограниченности разрешающей способности становится наиболее актуальной при изучении сложно построенных коллекторов, накопление которых происходило в условиях активной гидродинамики. К такому типу пластов, можно отнести залежи фондаформенных частей клиноформ, где развиваются отложения мутьевых потоков. В этом случае наблюдается отложение относительно маломощных коллекторов связанных с конусами выноса и питающими каналами. Зачастую их мощность незначительна с точки зрения сейсморазведки, поэтому индивидуальных отражений от кровли и подошвы не образуется. В этом случае перспективное тело будет приурочено к зоне интерференции отраженных волн от кровли и подошвы, что накладывает ограничения на информативность результатов анализа волнового поля.

В рамках данной статьи будет показано изменение геологических представлений о строении сложно построенной клиноформы в зависимости от выбранной технологии анализа сейсмической информации. В качестве примера рассмотрено одно из месторождений Ноябрьского региона Западно-Сибирского осадочного бассейна, которое в настоящий момент не введено в промышленную эксплуатацию. В рамках исследуемой территории пробурена 21 скважина, 12 из которых характеризуются безводным притоком нефти из интервала целевого пласта. Одной из причин не позволяющих начать промышленную добычу нефти является неопределенность геологического строения, обуславливающая высокие экономические риски эксплуатации.

Геологическое строение.

Изучаемая продуктивная толща представлена отдельной клиноформой — характерным геологическим телом неокомского разреза Западно-Сибирского осадочного бассейна. Клиноформная теория строения неокомского чехла Западной Сибири была предложена Наумовым А.Л. в конце 70х гг и явилась настоящей революцией в понимании стратиграфии и строения чехла. [2]

В настоящее время при описании клиноформ устоялась терминология, предложенная Д. Ричем, согласно которой в каждой клиноформе выделяется: ундаформа (шельфовая часть), ортоформа (склоновая часть) и фондоформа (дерессионная, наиболее глубоководная часть). Формирование каждой из частей происходило в различных пелеогеографических условиях: от континентальной до абиссальной. [1]

Рис. 1. Принципиальная схема формирования неокомских отложений Западной Сибири (А.А, Нежданов) (1 — река; 2 — дельта реки; 3 — суша; 4 — приморские озера; 5 — береговая линия; 6 — шельф; 7 — бары открытого моря; 8 — бровка шельфа; 9 — плоскостной смыв; 10 — оползни; 11 — каналы мутьевых потоков; 12 — песчано-алевритовые конусы выносов мутьевых потоков (турбидиты); 13 — дистальные гемипелагические илы; 14 — песчаные волны (рифели); 15 — ачимовская толща; 16 — глубоководные глинисто-битуминозные отложения (баженовская свита))

Исходя из различий в условиях седиментации, каждая зона характеризуется определенными геологическими объектами, которые могут выступать в качестве коллекторов. Ундаформенные пласты характеризуются наличием песчаных баров и валов, а для фондоформенных характерно наличие конусов выноса и питающей сети палеоканалов, по которым происходила транспортировка осадочного материала. При этом канальные фации характеризуются улучшенными фильтрационно-емкостными параметрами, по сравнению с конусами выноса, что делает их приоритетными для поисков залежей УВ.

В рамках изучаемого месторождения наблюдается развитие целевого пласта от ундаформенной к фондаформенной части, что дает основание ожидать наличие, как шельфовых песчаных тел, так и относительно глубоководных конусов выноса. Породы пласта представлены переслаиванием песчаников, алевролитов и аргиллитов, что является характерным для терригенного чехла Западно-Сибирского осадочного бассейна.

Анализ скважинной информации.

Изучаемое месторождение находится на начальной стадии разработки, поэтому характеризуется недостаточным количеством скважинной информации. В рамках исследуемой площади пробурена 21 вертикальная скважина, в каждой из которых выполнен стандартный комплекс геофизических исследований — ГК, БК, АК, ГЗ и НК. Также по некоторым скважинам имеются фотографии кернового материала.

На начальном этапе выполнена классификация всего набора имеющихся каротажных кривых с использованием сеток Кохонена. Наиболее устойчивое разделение выборки наблюдается при использовании пяти классов, которые были ассоциированы с определенным литологическим составом: плотные карбонатизированные песчаники, песчаники, алевролиты, глины и глины тонкодисперсные кавернозные. Полученная классификация использовалась для определения средней гидродинамической активности за время формирования пласта с помощью треугольных диаграмм Шепарда. Содержание каждой фракции определялось как отношение суммарной толщины класса к общей мощности пласта.

Комплексное использование полученной классификации, треугольных диаграмм и фотографий керна позволило выделить на площади несколько характерных фациальных обстановок:

1. Промоины разрывных течений и каналы;

2. Вдольбереговые валы;

3. Межваловые лагуны;

4. Оползневые склоны;

5. Глубоководные обстановки.

Рис. 2. Результат классификации геолого-геофизической информации по скважинам: 1) Промоины и каналы; 2) Вдольбереговые валы; 3) Межваловые лагуны; 4) Оползневые склоны; 5) Глубоководные обстановки. Для каждого класса показана кривая гамма-каротажа, колонка литологии и фото керна (10 см)

Исходя из результатов интерпретации скважинной информации, целевыми для дальнейшего картирования являются фации каналов и вдольбереговых валов, ввиду того, что они характеризуются наилучшими фильтрационно-емкостными свойствами. Важно отметить, что канальные фации характеризуются на порядок более высокими значениями проницаемости, что делает их наиболее приоритетными для дальнейшего эксплуатационного бурения.

Площадной анализ распределения фаций по скважинам позволяет предположить наличие нескольких песчаных валов в восточной части месторождения ориентированных в северо-восточном направлении, которые промываются серией каналов, выносящих материал в западную более глубокую часть бассейна.

Полученная информация позволяет сделать предположение о возможных целевых объектах для их дальнейшего изучения, однако плотность бурения не позволяет локализовать вскрываемые геологические тела на площади. Поэтому для картирования песчаных фаций каналов и валов необходимо использование площадной сейсморазведки.

Анализ волнового поля.

Для анализа динамических характеристик использовалась сейсмическая съемка МОГТ 3D площадью 800 км2, выполненная в 2005 г. Имеющиеся сейсмические данные характеризуются высоким соотношением сигнал/помеха, что позволяет ожидать удовлетворительную динамическую разрешающую способность волнового поля. Спектр сейсмической записи имеет информативный интервал в диапазоне 10-60 Гц, с доминантным значением 20Гц, что позволяет оценить вертикальную разрешающую способность поля в районе 30 м. Подобное значение разрешающей способности является недостаточной для решения задачи изучения глубоководных отложений, так как характерные мощности конусов выноса и каналов в среднем составляют 10-20 м. Таким образом, геологические тела фондаформенной части будут выступать объектами интерференции отраженных волн при существующих параметрах поля, что затрудняет их прямое выделение на волновой картине.

Для изучения общих закономерностей седиментации целевого пласта на начальном этапе выполнен палеогеографический анализ по карте изопахит. Полученная карта отражает временную мощность рассматриваемой клиноформы. Как видно из временного разреза, приведенного на рис. 3, развитие комплекса происходило с востока на запад. Западная часть характеризуется минимальными мощностями, что характерно для шельфовых фаций — на волновом поле наблюдаются субгоризонтальные отражения, связанные с накоплением ундаформенных пластов. Восточная область минимальных толщин фиксирует положение бровки палеошельфа на момент начала накопления изучаемой клиноформы. Западная зона минимальных толщин отражает выклинивание целевого пласта и ассоциирована с наиболее глубоководными условиями седиментации в рамках рассматриваемого комплекса. Данная область локализует положение бровки палеошельфа на момент окончания формирования изучаемой клиноформы. Центральная часть характеризуется максимальными толщинами пласта и связана с основным телом клиноцикла — на волновом поле в этой области наблюдаются наклонные отражения, связанные с проградацией палеошельфа и интенсивным выносом осадочного материала с шельфовой части. Данная область максимальных толщин является целевой для изучения, т.к. в подобных фациальных обстановках существует высокая вероятность накопления изолированных песчаных тел, связанных с системой транспортировки и аккумуляции осадочного материала.

Основываясь на анализе неокомского комплекса осадочного чехла можно установить проградацию кромки палеошельфовых террас в западном направлении, что является характерным для изучаемого района Западно-Сибирского бассейна.

Рис. 3. а) Карта изопахит целевой клиноформы (фиолетовый цвет — уменьшение толщин, красный — увеличение); б) Временной разрез по линии I-II, спрямленный на кровлю Баженовской свиты

Проведение палеогеографического анализа позволяет сформировать общие представления об условиях формирования пласта, что, безусловно, является недостаточным с точки зрения планирования дальнейшего бурения. Для получения детальной информации о внутреннем строении геологической среды используют алгоритмы динамической интерпретации волнового поля, которая заключается в анализе таких параметров поля как амплитуда, форма отражения и частотные характеристики. Далее будет рассмотрена информативность указанных динамических параметров поля в случае изучения внутреннего строения клиноформного тела.

Анализ распределения амплитуд.

Амплитуда рефлектора связана в первую очередь с изменением импеданса на границе раздела двух акустически различных сред. Акустическая жесткость в свою очередь является многокомпонентным параметром, который определяется широким спектром петрофизических и геологических факторов. Данная зависимость значительно усложняется в присутствии тонкослоистой геологической среды, так как в этом случае наблюдаемое отражение является сложным интерференционным сигналом, который обуславливается суперпозицией отражений от нескольких границ с различными акустическими перепадами.

Таким образом, амплитуда отражения в сложнопостроенной тонкослоистой геологической среде несет информацию не об акустической границе, а о некотором объеме отложений. Изменения в каждой компоненте интерференционного суммирования влечет изменение амплитуды суммарного сигнала. Таким образом, это позволяет геофизику оценить внутреннее строение изучаемого комплекса и сделать предположения о его фациальной принадлежности.

На первом этапе целевой интервал был разделен на несколько пропорциональных интервалов для изучения пласта на различных стратиграфических уровнях. Оценка распределения амплитуд внутри пласта позволила установить наличие сложной гидродинамической обстановки, в которой происходила транспортировка и аккумуляция осадочного материала.

Характерной особенностью распределения амплитуд внутри целевого комплекса является ярко выраженная граница палеошельфа на начало (справа) и конец (слева) формирования клиноцикла. В центральной части пласта наблюдается область активной гидродинамики, что выражается в наличии следов палеоканалов, а также в хаотичном распределении коэффициентов отражения (рис. 4).

Рис. 4. Стратиграфические срезы амплитуд кровельной (слева) и центральной (справа) части пласта

Полученные амплитудные срезы позволяют определить сложное строение изучаемого комплекса, однако не дают возможности детального восстановления положения геологических тел в фондоформенной части пласта, которая занимает большую часть площади месторождения.

Для ундаформенной части и зоны проградации, где наблюдаются более выдержанные условия седиментации, можно выделить области аномальных отражений, вытянутые вдоль палеошельфа. Для восстановления их геометрических параметров целесообразно использовать интервальные атрибуты. В связи с тем, что аномалия выражена в отрицательных амплитудах, то наиболее полным выделением будет характеризоваться атрибут минимальное значение амплитуды внутри изучаемого комплекса (рис. 5).

Рис. 5. Карта минимального значения амплитуды с наложенным результатом интерпретации скважин

Изучение карты минимального значения амплитуды позволяет выделить несколько тел, ориентированных вдоль кромки палеошельфовой террасы и характеризующимися минимальными значениями амплитуды (фиолетовый цветокод). Наиболее интенсивная аномалия приурочена к самому «древнему» баровому телу, находящемуся на востоке, что может быть связано с его накоплением в более спокойных шельфовых обстановках. Западные баровые тела накапливались в зоне действия интенсивного сноса, что выражается в наличии следов «прорывов» в структуре аномалий, которые отвечают областям частичного размыва баров.

Недостатком «амплитудного» анализа является низкая информативность в областях с интенсивной гидродинамикой или резкими сменами фациальных обстановок. В этом случае не происходит накопления площадных мощных тел, что приводит к интерференционному характеру волнового поля и слабой динамической расчлененности. Так гидродинамически интенсивная область развития канальных фаций не выделяется на картах распределения амплитуд.

Таким образом, стандартный подход к анализу динамических характеристик волнового поля, в данном случае, не позволил получить детальную модель строения целевого пласта. Сравнение карты амплитуд с результатом интерпретации скважинных данных позволяет оценить полученную карту как малоинформативную с точки зрения детального прогноза для заложения эксплуатационных скважин. Возможной областью применения полученной информации является оконтуривание вдольбереговых валов, при этом, чем дальше тело находится от источника сноса, тем менее уверенно оно выделяется в волновом поле. Данный факт, вероятно, связан с меньшей мощностью и более тонким гранулометрическим составом валов в относительно более глубоководных обстановках.

Изучение формы отражения.

Изучение формы отражения является сферой сеймофациального анализа. Сейсмофация объединяет группу отражений, характеризующихся схожим набором параметров, таких как конфигурация, непрерывность, амплитуда, частота и т.п. [3]. Одним из главных предположений сейсмофациального анализа является связь характера отражения с условиями седиментации пласта.

В основе сейсмофациального анализа лежит кластерный анализ волнового поля. При этом данный тип анализа реализуется различными алгоритмами, среди которых наиболее распространены сети Кохонена и метод К-среднего. Несмотря на различия в алгоритмах, общая цель кластерного анализа заключается в классификации поля — выделении нескольких классов, характеризующихся схожими параметрами.

В рамках данного исследования для кластеризации был использован алгоритм, основанный на применении нейронных сетей. При этом кластеризация выполнялась на основании различий в форме волнового пакета — классификация по «форме волны». Необходимое условие выделения тел в ходе сейсмофациального анализа с применением нейронных сетей — различная форма волнового пакета анализируемого интервала. Исходя из этого условия, можно сделать вывод, что границы применения сейсмофациального анализа контролируются разрешающей способностью волнового поля. Форма сигнала отражения от тонкого пласта соответствует первой производной от зондирующего импульса и при мощности пласта менее четверти длины волны характер отражения остается примерно постоянным, изменяется лишь его амплитуда, поэтому разделение зон интерференции является трудновыполнимой задачей для данного алгоритма. [4]

Результаты применения сейсмофациальной классификации целевой клиноформы позволяют выполнить общее районирование изучаемого пласта и выделить основные фациальные зоны. На востоке уверенно выделяется область ундаформы, граница которой протягивается в северо-восточном направлении через всю площадь. Однако разрешающая способность методики не позволяет выделить отдельные валовые тела в ундаформенной части пласта, в отличие от карты амплитуд. Центральная часть представляет собой область постепенной проградации бровки шельфовой террассы с образованием вдольбереговых валов. Западная часть изучаемой площади относится к фондоформенной обстановке осадконакопления. В этой области наблюдается разгрузка наиболее устойчивых каналов с образованием площадных конусов выноса, которые выделяются в отдельный сейсмокласс (красный цветокод). Отличительной особенностью является выделение протяженного канала в обособленную сейсмофацию.

Сравнение полученной карты сейсмических классов с результатами интерпретации скважинной информации позволяют подтвердить развитие конусов выноса в западной части площади. Данная зона вскрыта тремя скважинами, отнесенными к фациям каналов и промоин. Ундаформенная часть пласта характеризуется менее детальным распределением сейсмоклассов, уверенная интерпретация подобной карты затруднительна.

Недостатком метода является его малая детальность, так как в отдельные сейсмофации выделяются только выраженные структуры поля, на которых происходит изменение формы волнового пакета. Данные сейсмофациального анализа позволяют провести районирование целевого пласта, однако, результат не может расцениваться как высокодетальный.

Рис. 6. Карта сейсмических классов в окне 20мс с наложенным результатом интерпретации скважин

Спектральный анализ

Спектральный анализ направлен на изучение отдельных спектральных характеристик волнового поля. Согласно теории Фурье временная функция может быть представлена как совокупность гармонических колебаний, характеризующихся собственной амплитудой и фазой. Изучение локального спектра сейсмической трассы позволяет судить об акустических особенностях геологической среды. Требование локального окна возникает из сверточной модели сейсмической трассы — при рассмотрении трассы в длительном временном диапазоне трасса коэффициентов отражения является случайной функцией и ее спектр можно принять постоянным. Исходя из этого, спектр трассы в широком окне в обобщенном случае отражает частотную характеристику зондирующего сигнала. При переходе к узкому окну, спектр трассы коэффициентов отражения не может расцениваться как случайная величина, поэтому он значительно влияет на спектр локальной трассы. Изучение локального спектра позволяет судить о внутренней структуре геологической среды, что позволяет получить дополнительную информацию в ходе динамической интерпретации. [5]

Изучение отдельных частотных характеристик стало возможным благодаря появлению метода спектральной декомпозиции. Данный метод позволяет получить кубы амплитудных характеристик для заданного количества частот, тем самым делая возможным анализ волнового поля на разных масштабах, за счет изменения анализируемой гармоники.

Согласно теории спектральной декомпозиции частотные аномалии возникают в областях интерференции волнового поля и зависят от временной мощности интерферирующего объекта. [5]

Одной из особенностей метода является применение специального алгоритма визуализации — RGB-смешивание. На вход алгоритма подается три спектральные карты (куба), каждой из которых присваивается свой цвет — красный, зеленый или синий. Изменение амплитуды гармоники выражается насыщенностью соответствующего цвета. Результатом действия алгоритма выступает единая карта, каждая точка которой описывается тремя значениями амплитуды, а цвет пикселя определяется в рамках трехмерной палетки RGB. Подобная схема визуализации позволяет одновременно учитывать несколько спектральных характеристик, изучая пласт на разных масштабных уровнях.

Применение спектральной декомпозиции с последующей специализированной визуализацией позволило во много раз повысить информативность получаемых данных. По спектральным картам-RGB изучаемая площадь уверенно разделяется на ундаформенную и фондоформенную части. Для шельфовой области характерно образование выдержанных вдольбереговых баров, характеризующихся преобладанием высокой частоты (синий оттенок спектральной аномалии). В центральной части месторождения наблюдается зона проградации кромки шельфовой террасы. При этом происходит образование маломощных вдольбереговых валов, которые частично размываются временными потоками, что не удавалось проследить по результатам стандартного подхода к динамической интерпретации. Благодаря спектральному анализу волнового поля появляется возможность определить морфологию этих каналов. В западной части наблюдается развитие площадных конусов выноса, в которых аккумулируются осадки с шельфовой части. Спектральная декомпозиция позволяет оценить сложную внутреннюю структуру конусов выноса и выделить несколько доминантных направлений транспортировки осадка.

Сопоставление спектральных карт с результатами интерпретации скважинных данных показывает высокую степень достоверности интерпретации спектральных аномалий. Все скважины, вскрывающие в своем разрезе фации каналов и промоин, на спектральных картах попадают в линейные вытянутые аномалии.

Рис. 7. Стратиграфический RGB-срез для гармоник 15, 25 и 35 Гц с наложенным результатом интерпретации скважин

Результаты

В рамках рассматриваемого месторождения наиболее информативный результат интерпретации сейсмических данных удалось получить с использованием спектрального подхода, что связано с фациальными особенностями рассматриваемого комплекса. Внутри клиноформного тела характерно образование относительно тонких песчаных тел, соответствующих валам, каналам и конусам выноса. При этом геометрические параметры таких продуктивных объектов недостаточно велики для их отображения в волновом поле, поэтому отражения от границ таких тел интерферируют, тем самым затрудняя их выделение в ходе стандартного анализа волнового поля. В рамках спектральной декомпозиции эффект интерференции, в отличие от стандартных подходов, является благоприятным фактором, обуславливающим возникновение спектральных аномалий. Направленность метода на разрешение областей интерференции позволяет получить дополнительную информацию из волнового поля, что является важным фактом при дальнейшем планировании разработки.

Рис. 8. Сравнение разрешающей способности изучаемых методов динамического анализа для центральной части месторождения. Вверху — карта распределения амплитуд волнового поля; в центре — карта сейсмофаций; снизу — карта RGB-смешивания гармоник 15, 25 и 35 Гц

Рис. 9. Сравнение разрешающей способности изучаемых методов динамического анализа для северной части месторождения. Вверху — карта распределения амплитуд волнового поля; в центре — карта сейсмофаций; снизу — карта RGB-смешивания гармоник 15, 25 и 35 Гц

В результате сравнения полученных данных можно установить, что стандартный метод анализа волнового поля, основанный на изучении распределения амплитуд суммарного куба вдоль рефлектора, не позволяет детально изучить сложно построенный клиноформный комплекс, особенно в областях развития тонких геологических объектов (маломощных валов, каналов).

Сейсмофациальный подход на основе анализа формы сейсмического сигнала также характеризуется малой детальностью восстановления внутренней структуры пласта, ввиду того, что относительно мелкие объекты не оказывают значительного влияния на форму волнового пакета, тем самым не разделяются в поле сейсмоклассов.

Метод спектральной декомпозиции с применением технологии RGB-смешивания позволил максимально информативно разрешить тонкие геологические объекты внутри изучаемого комплекса. Полученный результат позволяет в деталях восстановить условия седиментации пласта на различных этапах его формирования, проследив положения отдельных каналов, а также песчаных вдольбереговых валов. При этом результат интерпретации спектральных аномалий полностью соответствует скважинным данным, что позволяет оценить его как достоверный.

Наличие детальной информации о внутреннем строении пласта позволяет решать ряд стратегических вопросов связанных с дальнейшей разработкой месторождения. Все представления о перспективности месторождения зависят от степени понимания его внутреннего строения. Таким образом, использование более совершенных, в рамках конкретной задачи, алгоритмов анализа волнового поля, позволило лучше понять внутреннее строение пласта и построить фациальную карту, отражающую распространение по площади выделенных по скважинам обстановок седиментации. Подобная информация в условиях малой разбуренности пласта позволяет оценить вероятные перспективы разработки и спланировать дальнейшую стратегию изучения и освоения- месторождения. Кроме того, наличие разнофациальных геологических тел позволяет сделать предположение о наличии анизотропии свойств разреза, что необходимо учитывать при планировании разработки.

Построенная оценка распространения фаций внутри целевого пласта может использоваться в дальнейшем в качестве тренда распределения фаций в геологической и гидродинамической модели, что значительно повышает достоверность моделей.

Рис. 10. Итоговая модель фациальной зональности целевого пласта, полученная по результатам интерпретации спектральных аномалий

Выводы

В рамках проведенного исследования было показано преимущество спектрального анализа волнового поля, с применением технологии RGB-смешивания, при изучении сложнопостроенных клиноформенных комплексов. За счет разрешения областей интерференции метод спектральной декомпозиции позволяет получить более детальное отображение геологической среды по сравнению со стандартными подходами анализа волнового поля, что, в конечном счете, позволяет более корректно оценить внутреннее геологическое строение, обстановки осадконакопления, а также перспективность продуктивного интервала.

Возврат к списку