Основы теории анализа и геологической интерпретации данных гравиразведки и магниторазведки при поисках нефти и газа, включающие решение прямых задач, расчет трансформаций потенциальных полей, использование статистических методов, были разработаны во второй половине прошлого века – в «советский период» [Романюк Т.В., 2012; Супруненко и др., 2018].
Однако, долгое время несейсмические методы (гравиразведка, магниторазведка) были мало востребованы при решении задач нефтегазовой геологии, где в подавляющем большинстве случаев возможности сейсморазведки соответствовали сложности геологических задач. Практическое использование гравиразведки и магниторазведки при изучении осадочных разрезов с господством субгоризонтальных границ раздела ограничивалось трудоемкостью подготовки исходных данных и ограниченными возможностями графической визуализации при обработке и интерпретации материалов. На акваториях ситуация усложнялась относительно высокой погрешностью наблюдений.
Современные измерительные комплексы, системы спутниковой навигации, с одной стороны, и программные комплексы для обработки и интерпретации, с другой стороны, снимают эти ограничения и позволяют использовать потенциальные методы при создании и анализе сложных, часто трехмерных геологических моделей в комплексе с сейсморазведкой. В последние годы несейсмические методы все больше привлекаются для исследований перспектив нефтегазоносности на шельфе. Предположение о том, что относительно небольшие дополнительные затраты при проведении ГРР комплексом геофизических методов позволяет существенно уменьшить геологические риски нефтегазовых проектов, постепенно находит подтверждение на практике. Желтым контуром на рисунке 1 выделены участки, на которых проведены современные комплексные геофизические съемки, включающие высокоточные детальные сейсморазведочные, гравиразведочные и магниторазведочные работы [Лыгин и др., 2018; Lygin et al., 2016].
Среди несейсмических методов особенно заметными оказались успехи морской электроразведки (CSEM), геологической эффективности которых способствовал значительный контраст электрических свойств продуктивных и водонасыщенных структур. В случае гравиразведки и магниторазведки контраст плотностных и магнитных свойств в разрезе осадочного бассейна в большинстве случаев незначителен. Следовательно, и аномалии гравитационного и магнитного полей имеют небольшие амплитуды. Это требует аккуратного, последовательно строгого подхода на всех этапах работ – при проведении съемки, обработке и геологической интерпретации результатов наблюдений.
Материалы гравиразведки и магниторазведки совместно с данными сейсморазведки в настоящее время используются при решении традиционных геологических задач, к которым относится изучение структуры фундамента осадочного бассейна, разломно-блоковой тектоники, строения вулканогенно-осадочных комплексов. В качестве перспективных, развивающихся направлений использования материалов гравиразведки следует считать: уточнение глубинно-скоростной модели по результатам сейсмогравитационного моделирования, совместная «петрофизическая» интерпретация скоростных и плотностных моделей при анализе сейсморазведочных данных.
При этом современные возможности гравиразведки и магниторазведки, в первую очередь, благодаря высокой точности измерений, выходят за пределы перечисленных классических задач. На различных этапах геологоразведочных работ от проектирования съемок до эксплуатации месторождения существует ряд специфических задач, для которых возможности сейсморазведки ограничены. Примерами таких задач являются: уточнение местоположения (локализация) площадей сейсморазведочных работ, изучение строения верхней части разреза в области развития многолетнемерзлых пород или областях распространения магматических комплексов, проведение повторных гравиметрических наблюдений при мониторинге разработки месторождений (перемещение газо-водо-нефтяных контактов). Изучение вариаций гравитационного поля над известными месторождениями дает основания предполагать, что особенности современных геодинамических процессов в залежи позволят в будущем использовать результаты повторных гравиметрических наблюдений как прямой поисковый признак.
Несколько примеров, иллюстрирующих современные возможности гравиразведки при решении традиционных задач нефтегазовой геологии на шельфе, рассмотрены ниже.
Аппаратура и методика съемки
Для изучения гравитационного и магнитного поля на акваториях применяются в основном аэрогеофизическая или набортная съемка, когда оборудование устанавливается, соответственно, на борту самолета или на корабле, выполняющем сейсморазведочные работы. Основные технические сложности измерения ускорения силы тяжести в движении связаны с возмущающими ускорениями подвижного основания, которые на несколько порядков превышают гравитационный эффект геологических структур. Основная проблема изучения магнитного поля на акваториях (особенно в высоких широтах) связана с учетом геомагнитных вариаций.
Развитие цифровых технологий привело к созданию современных гравиметрических и магнитометрических комплексов, которые представляют собой сложные компьютеризированные системы, обрабатывающие в режиме реального времени большие объемы данных. Комплексный подход к решению технических и методических задач, использование спутниковой навигации и современных систем и алгоритмов обработки данных позволили на порядок повысить точность и детальность цифровых моделей гравитационного и магнитного поля по результатам набортной или аэрогеофизической съемки.
Современные методы проведения гравиметрических и магнитометрических съемок наблюдений позволяют достичь точности определения, соответственно, до ±0,1–0,3 мГал и ±1–3 нТл и детальности, которая отвечает минимальным пространственным размерам аномалий от 0,05 – 0,5 км. Иллюстрацией новых возможностей служат фрагменты карт изолиний ретроспективных и современных съемок (Рис. 2).
Обработка и интерпретация. Моделирование и расчет трансформаций
В процессе обработки из наблюденного поля исключаются эффекты, связанные с особенностями аппаратуры, методики и условий наблюдения, а также с известными свойствами поля. Это позволяет выделить и использовать для интерпретации аномалии, обусловленные геологическими причинами.
Структурные поверхности, полученные по результатам интерпретации данных сейсморазведки, являются отправной точкой для создания каркаса геолого-геофизической модели и последующего расчета геологических редукций и моделирования аномалий.
Геологическое редуцирование является простым и эффективным способом разделения аномального гравитационного эффекта известных источников и исследуемого остаточного поля. Для этого рассчитывается гравитационный эффект вмещающих комплексов, который вычитается из наблюденного поля. В результате остаточные локальные аномалии характеризуют плотностные неоднородности целевой части разреза (Рис. 3а). Геологическое истолкование аномалий позволяет создать структурно-тектоническую модель антиклинального поднятия (Рис. 3б) и оценить геологический риск проектной скважины в области положительной локальной аномалии как высокий.
а) Изогипсы кровли продуктивного горизонта и остаточные локальные аномалии поля силы тяжести (красной заливкой показаны максимумы, синей – минимумы), б) элементы тектонической схемы (красным цветом показаны положительные аномалии).
Моделирование аномалий гравитационного и магнитного поля (решение прямой задачи для заданного распределения плотности или намагниченности [Булычев и др., 2010]) позволяет в интерактивном режиме выполнить проверку нескольких геолого-геофизических моделей. Более достоверной является модель, для которой рассчитанное поле совпадает с наблюденным. Такой подход позволяет геологу (геофизику), использующему современное программное обеспечение, реализовать сложный итерационный алгоритм совместной интерпретации геолого-геофизических данных (Рис. 4) – использовать результаты структурной интерпретации данных сейсморазведки для создания каркаса плотностной (магнитной) модели, вносить необходимые изменения в модель, добиваясь наилучшего соответствия наблюденного и рассчитанного поля, и, при этом следить за тем, чтобы вносимые изменения не противоречили геологическим представлениям о строении исследуемой площади и сейсморазведочным данным.
Скважинные данные акустического и плотностного каротажа используются для изучения зависимости скорость-плотность (Рис. 5а) и пересчета 3D скоростной модели (куба скорости) (Рис. 5б) в исходную объемную плотностную модель (Рис. 5в).
а) Зависимость скорость-плотность, б) глубинно-скоростная модель, в) плотностная модель.
Уточнение объемной плотностной модели выполняется в процессе подбора, в настоящее время приемущественно трехмерного. Полученная плотностная модель, согласованная с наблюденными аномалиями гравитационного поля, используется для дополнения (уточнения) глубинной скоростной модели и результатов комплексной структурной интерпретации, а также для петрофизической интерпретации. Обратный пересчет плотностной модели в глубинно-скоростную модель выполняется на основе установленного соотношения скорость-плотность и в ряде случаев позволяет провести уточнение структурных построений по данным сейсморазведки. На практике изменение глубин отражающих горизонтов, при использовании новой скоростной модели может превышать 10-15% . Петрофизическая интерпретация результатов сейсмогравитационного моделирования использует совместный анализ объемных моделей скорости и плотности, выделение и анализ аномальных областей по комплексу признаков. Количественный анализ объемной модели акустического импеданса (Рис. 6а) при благоприятных условиях может быть использован для выделения областей с улучшенными коллекторскими свойствами (Рис. 6 б, в).
При недостатке сейсмических данных эффективным средством анализа и геологического истолкования потенциальных полей является вычисление трансформаций поля – пересчет поля в верхнее и нижнее полупространство, вычисление производных, разложение поля на частотные составляющие, пересчет магнитного поля к полюсу и др. Вычисление трансформаций позволяет подчеркнуть особенности поля, предположительно связанные с некоторыми элементами геологического строения.
Сейсморазведка с большой практической эффективностью использует идею расчета трансформаций волнового поля и последующего геологического истолкования «трансформант» или атрибутов волнового поля. При интерпретации данных потенциальных методов (гравиразведки и магниторазведки) анализ трансформаций поля широко используется для реконструкции разломно-блокового строения осадочного чехла и фундамента (Рис. 7). В частности, расчет высших производных позволяет «подчеркнуть» эффект латеральных изменений плотностных свойств разреза на контактах блоков.
В основе методики полного нормированного градиента [Березкин, 1973] лежит представление об особых точках поля (приближенный аналог точек дифракции для волнового поля). Аналитические методы продолжения производных поля в нижнее полупространство (т.е. ниже поверхности наблюдений) позволяют выделить области экстремальных значений градиента, которые соответствуют повышенным градиентам изменения плотности. В геологическом смысле особые точки могут свидетельствовать об изменении морфологии структурного горизонта, наличии разрывных нарушений и др. Это дает возможность восстановить элементы геологической модели в области отсутствия отражений на волновом поле (ниже акустического фундамента) (Рис. 8). В то же время метод не предполагает алгоритмических ограничений на местоположение особых точек замкнутым контуром, что позволяет создавать не блоковые, а градиентно-слоистые модели, которые, безусловно, ближе к геологическим условиям осадочных бассейнов.
Большим интересом со стороны специалистов-геофизиков и разработчиков программного обеспечения в области потенциальных полей пользуется задача конструирования трансформаций, которые позволяют выделить в аномальном поле эффект, обусловленный плотностными неоднородностями в некотором интервале разреза или некотором слое. Очевидно, что в случае успеха, это приводит к возможности автоматизированного расчета плотностной модели изучаемого объекта. Однако геологическая интерпретация такой модели всегда должна быть согласована с априорными геолого-геофизическими данными.
Одной из простых и эффективных трансформаций, которая позволяет подчеркнуть эффект плотностных неоднородностей в некотором интервале глубин (при благоприятных условиях!) является трансформация Сейксова-Нигарда. Метод основан на интерактивном подборе параметров трансформации, которые позволяют выделить компоненту аномального гравитационного поля, соответствующую продуктивному интервалу. При этом может наблюдаться устойчивая корреляция известных залежей и заданного атрибута гравитационного поля (Рис. 9).
Рассмотренные примеры лежат в области совместной геологической интерпретации данных сейсморазведки и потенциальных методов. Они свидетельствуют о том, что в настоящее время растет интерес к совместному решению обратной задачи сейсморазведки и гравиразведки, т.е. к задаче сейсмогравитационного моделирования. Практическое решение этой задачи зависит от создания эффективных алгоритмов решения прямой задачи расчета волнового поля для заданного распределения упругих свойств. Однако в настоящее время расчет волнового поля возможен только для относительно простых моделей геологической среды [Стогний и др., 2018].
Тем не менее, возрастающая сложность задач, которые решает нефтегазовая геофизика позволяет с оптимизмом смотреть в будущее несейсмических методов. При этом ключевым фактором геологической эффективности данных методов при создании геолого-геофизической модели месторождения остается интегрированная интерпретация материалов несейсмических методов и сейсморазведки и актуализированных геологических представлений.
Литература
1. Березкин В.М. Применение гравиразведки для поиска месторождений нефти и газа. Недра. Москва. 1973, 264 с.
2. Булычев А.А., Лыгин И.В., Мелихов В.Р. Численные методы решения задач грави- и магниторазведки. Москва. 2010, 164 с.
3. Лыгин И.В., Мясоедов Н.К., Твердохлебов Д.Н. Повышение информативности геологических моделей с привлечением данных гравиразведки и магниторазведки // Труды Международной геолого-геофизической конференции «ГеоЕвразия 2018. Современные методы изучения и освоения недр Евразии» [сборник]. Тверь: ООО «ПолиПРЕСС», 2018. 902 с.: ил., карты, схемы. ISBN 978-5-6040348-0-4.
4. Романюк Т.В. Изучение соотношений между скоростью сейсмических волн и плотностью в литосфере методом сейсмогравитационного моделирования // Академик В.Н. Страхов. Геофизик и математик. М.: Наука, 2012. С. 118–143.
5. Стогний П.В., Хохлов Н.И. Численное моделирование распространения сейсмических волн в присутствии газовых карманов в зоне Арктического шельфа // Neftegaz.ru. – 2018. - № 11. – С. 70 – 71.
6. Супруненко О.И. и др. Система информационно-аналитического обеспечения ГРР на Арктическом шельфе // Neftegaz.ru. – 2018. - № 11. – С. 18 – 23.
7. Lygin, I.V., Myasoedov, N.K., Gorbachev, S.V., and Radaev, I.N. (2016). Requirements for gravimetric survey in offshore geological explorations // Материалы симпозиума Международной ассоциации по геодезии (IAG) “Наземная, морская и аэрогравиметрия: измерения на неподвижных и подвижных основаниях”. Санкт-Петербург, ГНЦ РФ АО «ЦНИИ «Электроприбор». 2016. P. 68–70.
