Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка основных задач 9
1.1 Метод ВСП: назначение, основные задачи и модификации метода 9
1.2 Определение параметров скоростной модели среды по данным ВСП 12
1.3 Увязка отражений на сейсмограммах ОГТ и временных разрезах ВСП 19
Глава 2. Метод DIPSCAN для оценки углов залегания пластов 21
2.1 Описание модели среды, системы наблюдений и исходных параметров 22
2.2 Оптимизационная постановка задачи нахождения углов залегания пластов 24
2.3 Алгоритм решения задачи 25
2.4 Свойства метода DIPSCAN 34
Глава 3. Развитие метода DIPSCAN 49
3.1 DIPSCAN на обменных и поперечных волнах 49
3.2 Определение углов и азимутов залегания пластов 55
3.3 Технология определения углов и азимутов залегания пластов 61
Глава 4. Тестирование и практическое применение методики 64
Глава 5. Увязка данных ВСП и наземной сейсморазведки в условиях наклонных стволов скважин
5.1 Тестовый пример 81
5.2 Практическое применение 84
Заключение 89
Библиографический список 90
- Определение параметров скоростной модели среды по данным ВСП
- Увязка отражений на сейсмограммах ОГТ и временных разрезах ВСП
- Оптимизационная постановка задачи нахождения углов залегания пластов
- Технология определения углов и азимутов залегания пластов
Введение к работе
При разведке и мониторинге нефтяных и газовых месторождений основными геофизическими методами являются наземная сейсморазведка на поверхности (2D и 3D) и ГИС. При этом разрешенность наземной сейсморазведки составляет порядка первых десятков метров, в то время как ГИС обеспечивает разрешенность порядка сантиметров. Для увязки результатов этих двух методов применяется метод вертикального сейсмического профилирования (ВСП).
Метод ВСП, предложенный Е.И. Гальпериным и развитый им с участием большой группы исследователей (Г.А. Шехтман, Л.Л. Худзинский, А.А. Табаков, В.А. Теплицкий, Г.Е. Руденко и др.), будучи одновременно сейсмическим и скважинным методом, находится на стыке наземной сейсморазведки и ГИС. Стандартная модификация ВСП - продольное ВСП (удалением пункта возбуждения по сравнению с глубиной пункта приема можно пренебречь) применяется в основном для определения средних, пластовых и интервальных скоростей вдоль ствола скважины и стратигрфической привязки сейсмических волн. При достаточном удалении пункта взрыва от скважины система наблюдений ВСП (непродольное ВСП) перестает быть одномерной и обеспечивает изучение геологического разреза в окрестности скважины. Таким образом, ВСП позволяет, с одной стороны, достичь высокой разрешенности при изучении разреза вдоль ствола скважины и, с другой стороны, распространить результаты на окрестности скважины.
Основными направлениями применения ВСП в настоящее время являются:
1) изучение упруго-плотностных характеристик среды на сейсмических частотах;
2) динамическая привязка отражений, регистрируемых на поверхности к литологическому разрезу;
3) прогнозирование геологического разреза ниже забоя скважины;
4) детальное изучение околоскважинного пространства с использованием более широкого спектра частот, чем при сейсморазведке с поверхности.
Для выполнения комплексной увязки данных ГИС, ВСП и наземной сейсморазведки требуется построить временное и глубинное представление сейсмического поля ВСП - трассу однократных отражений (ТОО). Стандартным подходом к получению трассы однократных отражений является суммирование поля выделенных волн, выведенных на вертикаль в некоторой окрестности от вступлений, что является оправданным лишь в случае параллельно-слоистой модели среды. В случае сложнопостроенной среды, данная процедура не является корректной.
Сейсмическое изображение околоскважинного пространства - один из основных результатов обработки ВСП из дальних пунктов возбуждения. Для построения изображения околоскважинного пространства используется процедура миграции, требующая в качестве входного параметра информацию о скоростной модели среды. Результат миграции тем достовернее отражает реальную среду, чем точнее задана априорная модель. Скоростная модель с плоскими границами описывается распределением скоростей, и значениями глубин и параметров залегания пластов - углов и азимутов, задающих вектор нормали к границе. Значения скоростей обычно известны из наблюдений ГИС или определяются путем решения обратной кинематической задачи по данным ВСП. Для определения углов залегания пластов могут быть использованы данные наклонометрии в скважине. Однако результаты таких наблюдений не всегда доступны, а измерения проводятся далеко не на всех исследуемых скважинах. В случае пространственной системы наблюдений геометрию границ можно определить с помощью сейсмической томографии [31,42,43], однако подобные исследования также проводятся далеко не на всех исследуемых скважинах.
Для оценки углов наклона пластов только по данным ВСП может быть использовано сканирование трассы однократных отражений при различных углах падения пластов и выбор истинных параметров залегания в соответствии с наиболее динамически выраженными отражениями [34]. Существенным преимуществом метода является то, что при оценке параметров залегания границ и построении трассы однократных отражений не учитывается информация о строении среды на больших удалениях от скважины.
Эта методика (получившая название DIPSCAN) имеет свои ограничения, а именно: использование не всей имеющейся в наличии информации - построение трасс однократных отражений осуществляется только для продольных отраженных волн, и использование двумерной модели среды - определение только угла нормали к границе с вертикалью.
В настоящей работе производится исследование и развитие метода DIPSCAN. Представляется актуальным расширение метода на случай трехмерной модели среды (с плоскими границами слоев), а также привлечение дополнительной информации об обменных волнах.
Преимущества предлагаемого метода можно сформулировать следующим образом:
1) возможность оценки углов наклона и азимутов простирания пластов в случае трехмерной разнонаклонной модели среды, что позволяет сделать более обоснованное предположение о строении геологической модели околоскважинного пространства;
2) возможность получения трассы однократных отражений в условиях разнонаклонной модели среды без привлечения процедуры коридорного суммирования.
Полученная трасса однократных отражений может быть использована для увязки данных ВСП, ГИС и сейсморазведки на поверхности. При этом использование трассы однократных отражений является корректным лишь при увязке результатов ВСП с данными ГИС, в то время как адекватное сопоставление с данными ОГТ возможно только в случае субвертикальной скважины и горизонтально-слоистой модели среды. При наличии существенной кривизны ствола скважины, под которой понимается отклонения скважины на расстояние, большее шага наблюдений ОГТ, возникает трудность отождествления трассы однократных отражений и трассы профиля ОГТ для их последующей взаимной корреляции. Эта проблема усугубляется в условиях сложнопостроенных структур, характеризующихся значительными углами падения пластов. На сегодняшний день не существует описанной технологии учета инклинометрии скважины и не горизонтально-слоистой модели среды при сопоставлении трассы однократных отражений ВСП и данных сейсморазведки с поверхности. Выходом из сложившейся ситуации могло бы служить использование для привязки не одиночной трассы, а изображения околоскважинного пространства, построенного по данным ВСП ближнего пункта взрыва.
Целью данной работы является исследование, развитие метода и разработка программно-алгоритмического комплекса для определения параметров трехмерной модели среды и ее отражательных характеристик монотипных и обменных волн по данным ВСП, а также создание методики и алгоритмов увязки данных ВСП и наземной сейсморазведки с использованием сейсмического изображения ВСП-ОГТ. Основными задачами данной работы являются:
1. Исследование возможностей и ограничений существующей методики DIPSCAN определения углов залегания пластов.
2. Разработка методики DIPSCAN3D для определения углов и азимутов залегания пластов с привлечением обменных типов волн.
3. Разработка алгоритмов и программ расчета трассы однократных отражений в случае разнонаклонной модели среды.
4. Разработка алгоритмов и программ увязки изображений ВСП-ОГТ и ОГТ.
5. Оценка эффективности разработанных алгоритмов и программ на модельных данных.
6. Опробование предложенной методики и комплекса разработанных программ на реальных скважинных наблюдениях.
Научная и практическая новизна:
1. Решены задачи определения углов и азимутов простирания пластов опорной модели среды околоскважинного пространства по данным трехкомпонентного ВСП.
2. Получено решение задачи построения трассы однократных отражений ВСП в случае трехмерной разнонаклонной модели среды с плоскими границами.
3. Разработан программно-алгоритмический комплекс оценки элементов залегания пластов в трехмерном пространстве и отражательной характеристики среды по данным вертикального сейсмического профилирования.
Защищаемые положения:
1. Метод DIPSCAN3D позволяет эффективно определять углы и азимуты залегания пластов по данным ВСП.
2. Разработанная методика расчета трассы однократных отражений в условиях трехмерной разнонаклонной пластовой модели повышает точность определения отражательных характеристик среды.
3. Предложенная методика и технология оценки параметров залегания пластов в трехмерном пространстве повышает достоверность результатов НВСП в окрестности глубокой скважины за счет использования адекватной опорной модели для миграции волновых полей.
4. Использование изображения ВСП-ОГТ вместо трассы однократных отражений повышает надежность увязки данных наземной сейсморазведки и ВСП в случае невертикальной скважины и в условиях сложнопостроенной среды.
Личный вклад автора:
1. Исследование и развитие двумерного варианта алгоритма DIPSCAN.
2. Реализация усовершенствованного программно-алгоритмического комплекса оценки элементов залегания пластов с использованием информации об обменных отраженных и проходящих типах волн для трехмерного пространства.
3. Разработка и реализация методики и программно-алгоритмического комплекса для увязки данных ВСП и наземной сейсморазведки на поверхности с использованием изображения ВСП-ОГТ по ближнему пункту возбуждения.
4. Оценка эффективности разработанных алгоритмов и программ на модельных данных.
5. Опробование предложенных методик и комплекса разработанных программ на реальных скважинных наблюдениях.
Таким образом, в представленной работе решается задача получения более корректного результата обработки данных ВСП и последующей его увязки с данными ГИС и наземной сейсморазведки, в условиях разнонаклонной модели среды и невертикальной скважины.
Определение параметров скоростной модели среды по данным ВСП
Специфической особенностью системы обработки данных ВСП является интенсивное использование априорной модели среды. Это связано с расчетом в рамках этой модели траекторий сейсмических лучей, положений точек отражения и времен пробега сейсмических волн. На основании выполненных расчетов осуществляется преобразование сейсмических записей во временные и глубинные разрезы. Таким образом, результат обработки данных ВСП напрямую зависит от того, насколько заданная априорная модель среды адекватна реальным сейсмогеологическим условиям.
Следует сразу отметить принципиальные различия роли скоростной модели при наземных и скважинных сейсмических наблюдениях. Малые ошибки в скоростях не приводят к изменению времен отражений на разрезе ОГТ, так как суммирование производится вблизи вершины параболы. Кроме того, методами подбора можно найти параметры параболы, не задаваясь определением детальной пластовой моделью. В методе ВСП и его модификациях при таких же ошибках скоростей из-за несимметричности лучей происходит существенное смещение времен отражений, причем только правильная скоростная модель обеспечивает получение неискаженного изображения среды (Рис.1). Поэтому одним из основных вопросов при обработке данных ВСП и построении околоскважинного пространства является подбор априорной модели среды. Ситуация усложняется еще и тем, что при обработке данных ВСП не могут применяться многие упрощения, присущие наземной сейсморазведке (близкий к вертикальному угол выхода луча на поверхность, симметричность лучей падающих и отраженных волн и т.д.). В связи с этим в методе ВСП особое место занимает вопрос подбора параметров скоростной модели среды.
Реальные среды в нефтяной геологии и геофизике чаще всего описываются слоистыми моделями. Предполагается, что внутри слоев скорости и плотности изменяются непрерывно или постоянны, а на границах слоев терпят разрыв. Границы слоев модели задаются в виде гладких кривых (в трехмерных моделях - поверхностей).
Модели реальных сред также делятся на толстослоистые и тонкослоистые. В толстослоистых моделях мощности слоев составляют от одной до нескольких длин волн - порядка сотен метров. В таких моделях основной интерес представляют времена пробега волн, отраженных или преломленных на границах слоев. Эти времена несут информацию о скоростях и геометрии границ слоев. В тонкослоистых моделях мощности слоев составляют десятые доли длины волны (порядка нескольких метров). В таких моделях основной интерес представляет связь характера слоистости с динамическими особенностями волнового поля.
Для описания слоистой модели среды с плоскими границами необходимо задать набор скоростей, коэффициентов анизотропии, глубин кровлей пластов для одномерной модели, углов наклона границ - для двумерной и азимутов простирания - для трехмерной модели.
Нахождение пластовых скоростной вдоль ствола скважины (ID модель) может быть обеспечено из наблюдений ГИС или путем решения обратной кинематической задачи по данным ВСП с ближнего пункта возбуждения. Существует два основных подхода к решению обратной кинематической задачи по годографам ВСП.
В первом подходе пластовые сейсмические скорости определяются при помощи процедуры приведения к вертикали непродольного вертикального годографа. Процедура опирается на предположение об однородности среды между приемником и источником колебаний. Затем годограф аппроксимируется ломаной линией, углы наклона каждого отрезка которой определяют скорость в пласте [4,8].
Для расчета приведенного годографа принимается допущение, что луч из источника в приемник проходит по прямой линии. Истинная траектория луча неизвестна, так как неизвестны пластовые скорости и, следовательно, углы преломления на границе пластов. Приведенный годограф получается из исходного путем умножения времен на cos(a), где a - угол между вертикалью и прямой, соединяющей точку приема и пункт возбуждения [14]. Иногда для приведения годографа используют более сложные формулы [27 ,15].
Увязка отражений на сейсмограммах ОГТ и временных разрезах ВСП
В последние годы требования к точности стратиграфической привязки волн возросли в связи с переходом сейсморазведки к поиску неструктурных ловушек нефти и газа. Если при разведке многопластовых структурных залежей ошибка в глубине привязки горизонта практически не влияла на конфигурацию ловушки, то при разведке неструктурных залежей точная привязка отражений к пласту имеет принципиальное значение.
Полученная по данным ВСП трасса однократных отражений может быть использована для увязки с ГИС и данными сейсморазведки на поверхности. При этом использование трассы однократных отражений является корректным лишь при увязке результатов ВСП с данными ГИС, в то время как адекватное сопоставление с данными ОГТ возможно только в случае субвертикальной скважины. При наличии существенной кривизны ствола скважины, под которой понимается отклонения скважины на расстояние, большее шага наблюдений ОГТ, возникает трудность отождествления трассы однократных отражений и трассы профиля ОГТ для W их последующей взаимной корреляции. Эта проблема усугубляется в условиях сложнопостроенных структур, характеризующихся значительными углами падения пластов. В случае наклонного залегания пластов применяют сопоставление временного разреза ОГТ (без миграции) и временного разреза ВСП, полученного по ближнему пункту возбуждения [13]. Эти разрезы хорошо согласуются между собой, так как в обоих случаях времена отраженных волн соответствуют общим лучам, ориентированным по нормали к отражающим границам.
На сегодняшний день не существует описанной технологии учета {ф инклинометрии скважины при сопоставлении трассы однократных отражений ВСП и данных сейсморазведки на поверхности в условиях сложнопостроенной среды, а увязка осуществляется «на глаз», без количественной оценки.
В связи с этим в настоящей работе предложена методика увязки данных ВСП и ОГТ с использованием сейсмического изображения ВСП # ОГТ, построенного по ближнему пункту возбуждения. 1#) 1$ Одним из важнейших этапов обработки данных ВСП является подбор скоростной модели среды, так как от точности модели в большей степени зависит итоговый результат.
Во второй главе диссертации описан алгоритм определения углов наклона пластов при известном распределении скоростей на скважине. Данный алгоритм, названный DIPSCAN не использует трассировку луча из пункта возбуждения в пункт приема при решении обратной кинематической задачи, а опирается на фронт прямой волны, экстраполированный в ближайшую окрестность скважины. Рассмотрим задачу нахождения углов наклона границ при известных скоростях вдоль ствола скважины (например по данным ГИС) в рамках двумерной модели среды. Среда предполагается наклонно-слоистой с плоскими границами раздела и описывается следующим набором параметров: скорости V (в пределах каждого слоя скорость считается постоянной), глубины кровлей h и углы падения пластов (р (рис. 2).
Оптимизационная постановка задачи нахождения углов залегания пластов
Под фронтом волны понимается поверхность, в каждой точке которой значение времени прихода колебаний волны одинаково [21]. Если в некоторой области среды распространяется упругая волна, то в каждой точке M{x,z) может быть определено время прихода в эту точку фронта волны.
Найдем фронт прямой волны, опираясь на скоростную модель, заданную вдоль ствола скважины, и годограф первых вступлений наблюденного волнового поля, для чего воспользуемся правилами геометрической оптики [10].
Сначала рассмотрим точку М, принадлежащую области Q? ={[w(z),w(z) + 5], ze[0,tf]. Время прихода волны в точку М будем искать в соответствии с принципом Ферма, утверждающего, что время пробега волны между двумя точками А и В среды является наименьшим вдоль луча, соединяющего точки А и В. Определим времена прохождения лучом путей из точки S в точку Ы как t(S,M), из точки М в точку М (h) (M,M (h)) и из точки 5 в точку М - ґ(5,М (й)), где М\И) - точка на скважине, a t(S,M,(h)) есть наблюденное время прихода в точку M\h) прямой волны (рис. 4а). Согласно принципу Ферма имеем t(S?M) + t(M,M (h)) t{S,M (h)) , откуда следует, что t(S,M) t(S,M (h))(M,M,(h)). Таким образом, решение задачи на нахождение максимального времени пробега t(S,M) = max{t(S,M Щ) - t(M,M Щ)}, (2.3) где параметр h обозначает координату вдоль скважины, дает время прихода прямой волны в точку М без трассировки луча от источника к приемнику, с использованием только наблюденного годографа первых вступлений и скоростной модели на скважине. Трассировка осуществляется только в ближайшей окрестности скважины для расчета времени t(M ,М (h)).
Аналогично, для точки L (рис. 46), принадлежащей области Q- ={[w(z)Mz)-$], 2Є[0,Я]}, получаем: t(S,L)&t(S,M (h)) + t(L,M (h)), откуда следует, что t(S,L) = m\n{t(S,M (h)) + t(L,M (h))} (2.4) -50 о 50 Удаление от скважины, м
Фрагмент поля времен прямой волны, рассчитанного в окрестности скважины. В ближайшей окрестности скважины, виден шум. Заметим, что описание волнового поля в рамках лучевого метода справедливо, когда поле времен, определяющее фронт волны, является гладкой функцией. Там, где это условие нарушается, происходит либо разрыв волновых фронтов, либо разрыв на фронте амплитуды волны, определяемой лучевым методом. Вблизи таких особенностей значительная часть энергии будет переноситься в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны. В этих направлениях законы лучевого распространения теряют силу.
Описанный выше метод экстраполяции фронта прямой волны обеспечивает гладкость поля времен в случае наличия непрерывного бесконечного наблюденного годографа первых вступлений и непрерывной среды. На практике же регистрация в скважине осуществляется в фиксированных точках с шагом наблюдения А/г, то есть наблюдения дискретны и ограничены, что приводит к ошибкам при экстраполяции. Наибольшее искажение продолженного поля времен наблюдается в верхней части разреза, где не представляется возможным осуществление представительного перебора по h (в силу ограниченности профиля) при решении задачи минимизации (2.3) и (2.4). Кроме того, возможны возмущения при продолжении волнового фронта с профиля наблюдений связанные с аппроксимацией реальной среды дискретной сеткой параметров.
Таким образом, возникает необходимость сглаживания полученного поля времен (рис. 5). В простейшем случае это можно сделать при помощи линейного сглаживания в скользящем окне: для каждого положения окна рассчитанное поле времен умножается на весовую функцию / = \-l/d, где d— радиус окна сглаживания, а /— расстояние от точки внутри окна до центра окна сглаживания.
Технология определения углов и азимутов залегания пластов
В основе технологии определения углов и азимутов залегания пластов лежит анализ трасс однократных отражений, рассчитанных при различных наклонах и поворотах пластовой параллельнослоистой модели среды. Такой анализ осуществляется в заданном диапазоне углов и азимутов с заданным шагом перебора.
Входными данными для процедуры определения параметров залегания пластов служит следующая информация: векторное поле выделенных волн после деконволюции; скоростная одномерная модель среды; годограф первых вступлений прямой волны.
Предполагается, что предварительная обработка (редактирование, учет поглощения и геометрического расхождения [19,41]) и селекция исходного волнового поля проведены корректно и входное поле содержит волны только одного из перечисленных типов: отраженные продольные, отраженные обменные или падающие обменные [23]. Определение параметров среды может проводиться с использованием данных как ближнего, так и удаленного пункта возбуждения. При использовании данных ближнего пункта возбуждения следует помнить, что геометрия наблюдений должна обеспечивать условие того, чтобы освещаемая область была достаточно большой для устойчивого определения параметров залегания нижележащих пластов.
Деконволюция по форме падающей волны необходима по нескольким причинам, среди которых повышение разрешающей способности записи [24] и приведение сигнала к нульфазовой форме, что обеспечивает соответствие экстремумов амплитуд временам прихода отражений от границ раздела пластов.
Скоростная модель вдоль ствола скважины может быть получена как по данным ГИС, так и путем решения обратной кинематической задачи по данным с ближнего пункта возбуждения.
Как отмечалось выше, на годограф первых вступлений накладывается ограничение, связанное с возможным наличием головных волн. В этом случае годограф должен быть проведен строго по прямой волне.
В качестве параметров процедуры выступают следующие величины: диапазон и шаг сканирования по углам наклона, диапазон и шаг сканирования по углам азимута, величина окрестности скважины, в которой производится оценка.
Далее приведена последовательность процедур, применяемых для построения трассы однократных отражений при заданном наклоне пластовой модели:
1. Преобразование координат пункта возбуждения, пунктов приема и векторного поля смещений.
2. Расчет поля времен t(x) на основе априорной модели среды вдоль скважины и годографа первых вступлений прямой волны. Поле времен получается как результат решения оптимизационной задачи.
3. Расчет поляризации прямой волны рф(х,г) осуществляется путем вычисления градиента поля времен.
4. Получение параметров поляризации исследуемой волны (Dp/Up, Dp/Us, Dp/Ds) по закону Снеллиуса.
5. Преобразование в следящую компоненту и суммирование наблюденного поля вдоль модельных годографов. Для этого для каждой Л суммируемой точки исследуемого пространства рассчитывается время и координата прихода на скважину.
6. Обратное преобразование координат h - Н . В результате, для каждого угла наклона и поворота модели, будет рассчитана трасса однократных отражений. При этом отражение от той или иной границы на ней будет тем сильнее, чем ближе соответствующие ей углы наклона к истинным.
Следующим этапом является интерпретация полученного результата. Необходимо для каждой границы модели отметить угол наклона ср и ; поворота 0, соответствующие наиболее интенсивному отражению. При выборе маркирующего отражения границы следует руководствоваться не только амплитудой, но и формой этого сигнала. Это связано с тем, что при достаточно большом значении 8 вклад в трассу однократных отражений могут вносить волны, которые соответствуют другим границам, но при этом даже при несинфазном суммировании дают значимые амплитуды.
Затем все отмеченные трассы суммируются (с каждой трассы берется окрестность указанного экстремума) для получения результирующей трассы однократных отражений, характеризующей уже разнонаклонную модель среды.
