Научная статья на тему 'Сейсморазведка: вчера, сегодня, завтра'

Сейсморазведка: вчера, сегодня, завтра Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
279
50
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПОЛЕ ПРОДОЛЬНЫХ И ПОПЕРЕЧНЫХ ВОЛН / ИЕРАРХИЧЕСКАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ / НЕЛИНЕЙНОСТЬ АКТИВНОСТЬ РЕАЛЬНЫХ СРЕД / ФЛУКТУАЦИИ АМПЛИТУД И ФАЗ / FIELD OF LONGITUDINAL AND TRANSVERSE WAVES / HIERARCHICAL HETEROGENEITY / NON-LINEARITY OF REAL MEDIA ACTIVITY / FLUCTUATIONS IN THE AMPLITUDE AND PHASE

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Николаев А.В.

Сейсмология и сейсморазведка в течение 100 лет развиваются параллельно. Сейсмология ориентирована больше на решение физических основ метода, сейсморазведка на решение практических задач, связанных с поиском и разведкой полезных ископаемых. В середине прошлого века в Институте физики Земли был организован Отдел физических основ сейсморазведки, внедривший новые физические принципы, развитые в сейсмологии, в сейсмическую разведку. В настоящее время многие физические и методические результаты прошлого, оказались невостребованными промышленной сейсморазведкой. В ближайшем будущем достижения прошлого будут восстановлены, а отдаленное будущее связано с развитием новых физических основ, внедрением достижений физики, коренным изменением методики исследований, задач и приоритетов, экономики и политики поиска и разведки, государственных отношений. Материалы и методы Экспериментальные данные исследования волновых полей и связей между геофизическими полями, эффекты нелинейности, активности и временной изменчивости реальных сред. Итоги Количественные характеристики нелинейности, активности, временной изменчивости среды. Выводы Продолжение исследований реальных физических свойств геологических сред и процессов их эволюции.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Seismic exploration: yesterday, today and tomorrow

The seismology and seismic prospecting within 100 years develop in parallel course. The seismology is more focused on making decisions of physical bases of a method, seismic prospecting on the solution of the practical tasks connected with survey and investigation of minerals. In the middle of the last century at Institute of physics ofthe Earth the Department of physical bases of the seismic prospecting was found, introduced the new physical principles developed in seismology, into seismic investigation. Nowadays many physical and methodical results of the past were forgotten by industrial seismic prospecting. In thenearest future achievements of the past will be restored, and the long-term future will be connected with development of new physical backgrounds, introduction of achievements of physics, a basic change of a technique ofresearches, tasks and priorities, economy and politics of survey and investigation, and the state relations. Materials and methods Experimental data from a study of thewave fields and the relationships between geophysical fields, the effects of nonlinearity, activity and temporal variability of real-world environments. Results Quantitative characteristicsof nonlinearity, activity, temporal variability of the environment. Сonclusions Continued studies of real physical properties of geological environments and processes of their evolution.

Текст научной работы на тему «Сейсморазведка: вчера, сегодня, завтра»

36 ГЕОФИЗИКА

УДК 550.3:550.8.05

Применение метода сейсмической энтропии для решения технологических задач в нефтегазовой отрасли

С.Ц. Акопян

д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник1 sakopian@vandex.ru

'Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, Москва, Россия

Метод сейсмической энтропии в настоящее время применяется для решения динамических задач подготовки и прогноза землетрясений. Он позволяет выявить иерархию сейсмоактивных объемов геологической среды, ответственных за сильные землетрясения, за образование разрывов в среде разного энергетического уровня. В работе описываются возможности применения этого метода, для контроля микроземлетрясений (естественного и техногенного) происхождения, для разработки системы контроля возникновения техногенных деформаций, разрывов, смещений, связанных с нефтегазовыми разработками. Метод может быть использован для решения технологических задач контроля динамики развития гидроразрыва пласта на месторождениях углеводородов.

Материалы и методы

Мониторинг и прогноз землетрясений на основе сейсмической энтропии.

Ключевые слова

плотность состояния, энтропия, элементарное микроземлетрясение

Метод мониторинга и прогноза землетрясений на основе сейсмической энтропии практически применяется для разных регионов мира с 2007 года. В 1993 году для количественного описания сейсмических процессов в реальных средах были введены физические параметры плотность состояния и энтропия, а в качестве кванта — элементарное микро землетрясение [2, 9]. Было показано, что подготовка землетрясений происходит в пределах конкретных объемов литосферы, названных сейсмическими системами (СС). Для выявления СС рассчитываются интеграл от суммарной сейсмической энергии, выделившейся в объеме геологической среды, и ее логарифм — энтропия. Введение элементарного микро землетрясения — кванта и новых параметров позволило перевести описание реальных процессов в математическую плоскость, которая выражается в построении энергетических и трековых диаграмм. В настоящее время выявлено более 130 СС и подсистем размерами от 20 до 3000 км с пороговыми магнитудами от 5,0 до 8,5. Развитие метода сейсмической энтропии от больших систем к малым и снижение пороговых магнитуд землетрясений [10] до микроскопических (нано- магнитуды от -3 до 0, размеры десятки, сотни метров), позволит применять метод сейсмической энтропии для решения технологических задач в нефтегазовой отрасли. Мониторинг микросейсмичности и прогноз опасных толчков в иерархии геологических структур, позволит контролировать негативные сейсмические воздействия на важнейшие объекты (гидротехнические сооружения, атомные станции, топливно-энергетические, газонефтяные комплексы). Модификация программного обеспечения позволит контролировать слабые толчки, которые могут вызвать опасные повреждения и перебои в функционировании хозяйственно-индустриальных, топливно-энергетических объектов, коммуникаций (тоннели, мосты, горные выработки, плотины, газо- и нефтепроводы, скоростные транспортные коммуникации и т.д.). Система позволит предупредить зарождение малых деформаций на ранней стадии, предпринять соответствующие меры

укрепления объекта и предотвращения нежелательных эффектов.

Применение метода для контроля индуцированной и триггерной сейсмичности естественного и техногенного характера в нефтегазовой области

Традиционная энергия, определяемая по записям сейсмических волн, может содержать влияние флюидов, искусственных и техногенных факторов в геологической среде, которые могут усилить или наоборот ослабить силу землетрясения. Сравнение энергии микросейсмичности по методу сейсмической энтропии с традиционными параметрами, регистрируемыми сейсмологическими сетями наблюдений, позволяет выявлять флюидную, техногенную составляющую в подготовке землетрясения. Приведем примеры применения метода сейсмической энтропии для решения задач триггерной и индуцированной сейсмичности естественного и искусственного происхождения.

Было показано [11], что катастрофическое Спитакское землетрясение 1988 г. в Армении могло являться триггерным. Очаговая зона Спитакского землетрясения была ослаблена Ахурянским водохранилищем, которое было введено в эксплуатацию в 1983 г., что совпадает с сейсмическим циклом накопления напряжений на Армянском нагорье [8]. В малых водохранилищах, в отличие от больших, в течении сезона происходят большие колебания уровня воды, вариации порового давления, что в неблагоприятных сейсмотектонических условиях на севере Армении мог сыграть роковую роль. На основе метода был выявлен естественный триггерный механизм землетрясения в Нижней Калифорнии от 4 апреля 2010 г., М = 7,2. Землетрясение-индикатор от 30 декабря 2009 г., М = 5,8 вблизи Мехи-калли приподняло трек подготовки сильного землетрясения, он попал в зону неустойчивости разлома Лагуна Салада, где и произошло спустя три месяца сильное землетрясение [11]. Метод был тестирован в Центре региональных геолого-геофизических исследований «ГЕОН» в 1997 году [1]. Был проведен совместный

Рис. 1 — Влияние нефтегазовых разработок на шельфе (САХАЛИН I-V) на землетрясения Рис. 2 — Схема наблюдения наземного

СС Сахалин. а) Энергетическая диаграмма: (1) до 2000 г. и (2) после. Затемненные области микросейсмического мониторинга

обозначают разброс магнитуд. b) Землетрясения индикаторы с M>5,0 и конфигурация L системы Сахалин. с) Очаговые области A, B, C and D пяти сильных землетрясений (М>6,2)

и платформы нефтедобычи

анализ сейсмичности и сейсмоопасных зон для объектов топливно-энергетического комплекса Каспийского бассейна. В результате были представлены карты сейсмической опасности в разных диапазонах частот для скоростей и ускорений ожидаемого сейсмического воздействия с оценкой наиболее вероятностных временных интервалов их проявления. В отчете были даны прогнозы землетрясений с М>6,2 на 1998-2005 гг. для акватории Каспийского бассейна и прилегающих стран. Землетрясения на СЗ Ирана (1998.07.09, М = 6,2) и в западной Туркмении (2000.12.06, М = 7,5) там были предсказаны (имеется письмо за подписями Солодилова Л. Н., Федорова Д. Л., Кондорской Н.В).

В качестве примера, на рис. 1 приведена энергетическая диаграмма СС Сахалин, включающая разработки в шельфовой зоне САХАЛИН [2, 6, 10].

Показаны линейные уравнения регрессии, до и после Углегорского землетрясения 2000 г., линии (1) и (2) на рис. 1 а. магнитуды Нефтегорского, 1995 г., и Углегорского, 2000 г., в сейсмической системе Сахалин имелся некоторый разброс (рис. 1 а). Видно, что нижние значения магнитуд этих землетрясений лучше соответствуют уравнениям (1, 2). Это означает, что в сейсмических циклах этих землетрясений в системе Сахалин происходило некоторое усиление силы естественных тектонических землетрясений. Это могло произойти за счет вариации содержания естественных углеводородных флюидов [11]. Нефтегазодобыча на шельфе северного Сахалина начиналась с 1971 года и совпала с началом цикла подготовки Нефтегорского землетрясения. Она могла повлиять на естественные процессы и усилить магнитуду Нефтегорского землетрясения. Несмотря на то, что Углегорское землетрясение находится в центральной части Сахалина, за ее подготовку также отвечает вся система. Техногенные изменения в объеме системы могли нарушить естественный ход сейсмических процессов и ускорить подготовку Углегорского землетрясения 2000 г. Если б она произошла на несколько лет позже, то ее магнитуда лучше согласовалась бы на энергетической диаграмме. Метод сейсмической энтропии может дать весьма надежные результаты при включении в единую системы государственного мониторинга сахалинского шельфа (Красный и др., 1998 г., Красный, Храмушин, 2001 г.).

Энтропийно-энергетический контроль динамики развития гидроразрывов пласта

на основе микросейсмического облака

Гидроразрыв пласта (ГРП) является одним из наиболее распространенных методов стимуляции скважин на месторождениях углеводородов, который существенно увеличивает прирост добычи нефти [7]. Для контроля ГРП применяется технология микросейсмического мониторинга. Обычно рассматривается задача определения направления простирания и размеров трещинной зоны, образующейся при ГРП. В работе [3] акцент делается на другой особенности этой технологии, а именно на ее применении для контроля технологических рисков и качества операций ГРП.

Для повышения эффективности нефтеотдачи и снижения риска негативных эффектов предлагается применять технологию динамического контроля над процессом трещинообразования на основе энтропийно-энергетического метода. Это позволит визуализировать динамику процесса, управлять процессом закачки с целью образования требуемого разрыва и приостановить процесс при негативном развитии. Технология основана на предварительном тестировании (с учетом расположения сейсмической системы наблюдений и скважин на месторождении) с последующим осуществлением энтропийно-энергетического контроля роя (облака) микросейсмических источников активности и выявления динамики развития разрывов определенного энергетического уровня. Источники сейсмической эмиссии («микросейсмических тресков») в зоне воздействия на пласт вызваны изменением энергетического баланса вследствие изменения напряженно-деформированного состояния некоторого объема пород при образовании разрыва. Метод позволяет оценить размеры этого информационного объема, контролировать его и предотвращать технологические риски (аварийные остановки, обводнение пластов, отсутствие увеличения притоков пластовых флюидов и т.д.). На примере системы мониторинга ГРП приведенного на рис. 2 [7] покажем применение метода сейсмической энтропии.

Традиционный мониторинг, заключается в визуализации картины развития области микросейсмической активности во времени. Энтропийно-энергетический метод позволяет по ходу времени прогнозировать развитие процесса и эффективнее управлять интенсивностью закачки флюида в скважину, добиваясь нужного развития трещины разрыва. На рис. 3 представлена гистограмма

зарегистрированных микросейсмических событий (зеленый цвет), совмещенная с графиком давления на устье скважины (красный цвет) и графиком концентрации проппанта во время основного ГРП (синий цвет). Левая шкала показывает количество зарегистрированных событий, правая — давление в атм. и концентрацию в кг/м3. Время образования источников микросейсмической эмиссии отчасти согласуется с графиком закачки при производстве основного ГРП. Максимальная плотность событий наблюдается вначале ГРП, в процессе раскрытия трещины на начальном этапе закачки, на стадии закачки проппанта и во время подачи проппанта на последней стадии закачки.

На рис. 4 приведена трековая диаграмма динамики развития этого процесса по методу энтропии. Начало закачки, первая и вторая сильная активизация микросейсмичности, позволяют построить тестовую линию поведения среды и динамики развития микросейсмичности между этими событиями. На начальной стадии закачки проппанта, облако микросейсмичности приходит в равновесие со средой и микросейсмичность начинает спадать. Дальнейшее развитие динамики процесса отображает развитие траектории. По местонахождению траектории можно предсказать, когда она зайдет в опасный кружок. За тридцать - сорок минут можно предсказать и управлять процессом, чтобы она сблизилась максимально к точке IV. В данном примере процесс развивался и управлялся правильно.

Итоги

Метод сейсмической энтропии основан на расчете устойчивых интегральных и кумулятивных параметров, которые могут существенно поднять надежность результатов при совместном использовании с традиционными методами сейсмического мониторинга при разработке нефтегазовых месторождений.

Выводы

Предлагаем внедрить метод сейсмической энтропии, который не имеет аналога в мире, для контроля зарождения слабых толчков с М = 4,0-5,0 естественного и техногенного происхождения в нефтегазовой отрасли. Система позволит предупредить зарождение таких деформаций на ранней стадии и предпринять соответствующие меры укрепления объекта и предотвращать экологические катастрофы.

Рис. 3 — Гистограмма микросейсмических событий во время ГРП. Стрелками и кружком показаны наиболее информативные энтропийно-энергетические участки

Рис. 4 — Энергетическо-трековая диаграмма процесса ГРП. Показаны соответствующие стадии на гистограмме

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.