Прогноз флюидодинамических параметров нефтегазоносный Бассейнов по сейсмическим данным

Краткое описание

Содержание
ВВЕДЕНИЕ...5

1. ДИСКРЕТНАЯ СТРУКТУРА ОСАДОЧНОГО

# БАССЕЙНА... 23

1.1. Общие особенности трещинной системы

в осадочном бассейне...26

1.2. Элементы механики разрушения слоистой среды с дефектной структурой... 49

1.3. Эффекты трения в дискретных моделях... 68

1.4. Выводы...87

2. ФЛЮИДОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОСАДОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ...88

2.1. О геодинамических процессах в

осадочных бассейнах... 89

2.2. Упругие модули и современная блоковая динамика

осадочного бассейна...111

. 2.3. Флюидные течения в активных

дискретных средах... 139

2.4. Выводы... 151

3. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН В МОДЕЛЯХ ДИСКРЕТНЫХ СРЕД...152

3.1. Общие особенности распространения упругих волн а, ~ в моделях с начальным напряженным состоянием... 152

2

3.2. Экспериментальные исследования упругих

волн в моделях дискретных сред...160

3.3. Анализ сейсмических изображений на основе концепции моделей дискретных сред

^ с неоднородными напряжениями... 177

3.4. Выводы... 193

4. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ФЛЮИДОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НЕДР ПО СЕЙСМИЧЕСКИМ ДАННЫМ (ДФМ - ТЕХНОЛОГИЯ)... 194

4.1. Трансформация атрибутов сигналов отраженных

волн в оценки давления...201

4.2. Учет масштабного эффекта параметров

дискретных сред...211

4.3. Общая методика прогноза параметров флюидодинамических процессов в интервалах осадочного чехла и фундамента...216

4.4. Выводы...225

5. ПРИМЕНЕНИЕ ДФМ - ТЕХНОЛОГИИ НА СТАДИЯХ РАЗВЕДКИ И РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТИ И ГАЗА...226

5.1. Прогноз параметров геодинамических процессов

в системе "осадочный чехол - фундамент"...226

5.2. Оценка флюидодинамических параметров нефтегазовых коллекторов на стадиях

разведки и разработки месторождений...232

5.3. Направления развития ДФМ-технологий

^ прогноза флюидодинамических параметров

нефтегазовых коллекторов...249

ВЫВОДЫ...250

ЛИТЕРАТУРА...251

ПРИЛОЖЕНИЕ №1 Method for Determining the Presence

of Fluids in a Subterranean Formation, US Patent, № 5,796, 678...275
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Levorsen A.I.,. /79/ размышляя о закономерностях размещения месторождений углеводородов, пришел к общему фундаментальному

*$ выводу: "... нефтяная геология, это геология флюида". В основе этого вывода лежит анализ многогранных проблем миграции и аккумуляции углеводородов. Здесь же, Levorsen A.I; остроумно замечает, что поскольку никто не видел процессов миграции и аккумуляции нафтидов, все многочисленные теории по этой проблеме навсегда останутся умозрительными. Неоспоримой принимается только общая схема образования нефтяной или газовой залежей: генерация — миграция — аккумуляция.

Щ{ Действительно, коллектором чаще всего является породный

комплекс, не имеющий никакого отношения к первичному источнику углеводорода. Соответственно, необходимо принять вероятность миграции флюидных смесей содержащих углеводороды по вертикальным или (и) по горизонтальным направлениям (дальняя миграция). Совсем уж неоспоримым является факт перемещения нефти в контуре ловушки в процессе разработки месторождения (ближняя миграция). Иначе говоря, при всех возможных вариантах механизмов

. генерации углеводородов, процессы миграции играют ключевую роль в образовании залежей нефти и газа.

Соколов Б.А., /134/ формулирует причинный механизм образования залежей углеводородов на основе флюидодинамической концепции, в которую он включает два основополагающих процесса: блоковую геодинамику и флюидные потоки. Совместно эти два процесса обеспечивают необходимый тепловой обмен между различными

интервалами осадочного бассейна в непрерывном режиме дефлюидизации системы "осадочный чехол - фундамент " и, таким образом, формируют цепочку: миграция нагретой флюидной смеси -генерация углеводородных растворов в нефтегазоматеринских ** интервалах - миграция углеводородных растворов — аккумуляция в зонах снижения температур и давлений. В такой постановке проблемы генезиса залежей углеводородов процессы миграции флюида выполняют главную роль. В этой же монографии автор утверждает, что залежи сдерживают только разность температур и давлений.

Очевидно, что отношение к проблеме миграции флюида определяется двумя основными вариантами формулировки исходной посылки:

^ - твердая и жидкая фазы среды несжимаемые и энергия миграционного потока флюида определяется исключительно гравитационными силами (гидростатическая система или модель идеального грунта),

- твердая и жидкая фазы среды деформируемы и энергия миграционного потока непрерывно изменяется в результате некоторого силового межфазового взаимодействия (флюидодинамическая система).

В самом деле, если считать резервуары нефти и газа статичной,

жесткой системой, то реальные параметры процессов извлечения

. флюида решительно опровергает это предположение (Щелкачев В.Н.,

/172/, Дияшев Р.Н., /46/, Дюнин В.И., /48/, Mouchet J-P:, /90/ и многие

др.) по следующим причинам:

- скважины в пределах одной или нескольких залежей на больших расстояниях активно взаимодействуют между собой,

- динамика взаимодействия скважин происходит в чрезвычайно разнообразной форме замедленных, нелинейных процессов, а этого не

должно быть в варианте несжимаемых твердых и жидких фаз коллекторов.

Большой фактический материал гидродинамических исследований скважин, в особенности накопленный в последнее время на истощающихся месторождениях, свидетельствует о том, что резервуар любого генезиса представляет собой активную деформируемую систему, в которой флюидное давление и компоненты напряжений в твердой фазе являются взаимозависимыми параметрами. Общий характер такой взаимозависимости не выявлен и не поддается экспериментальным исследованиям в естественных пластовых условиях, поскольку отсутствуют систематические и надежные методы прямых измерений компонент напряжений в твердой фазе горных пород на промысловых глубинах.

Ясно одно, диапазон изменчивости флюидных давлений в пределах одного и того же пласта может изменяться в широких пределах (от единиц до нескольких сотен процентов от гидростатического уровня) как на начальных стадиях разработки месторождения, так, в особенности, в период его эксплуатации. Судя по такой изменчивости флюидного давления, можно предположить, что и внешние силовые нагрузки на пласт в разных его точках ив разное время могут сильно изменяться в ту и другую сторону от нормального литостатического уровня. Достаточно вспомнить факты значительных по масштабу сейсмических процессов техногенного характера в окрестностях крупных месторождений нефти на первых стадиях их варварской разработки (Сидоров В.А.,/ 131/).

к В уравнении течения флюида (закон Дарси) V-—VP,., тензор

г* •*

абсолютной проницаемости к в общем случае может быть выражен через

тензор напряжений твердой фазы в предположении о каком либо формальном способе организации пустотного пространства (порового, трещинного или смешанного типов по Баренблатт Г.И., /8/). На основании известного факта замедленной реакции пласта на флюидное взаимодействие скважин, можно так же предположить непрерывность градиента флюидного давления Pj и градиента компонент тензора напряжений в твердой фазе и далее считать их взаимозависимыми (Biot, М.А., /14-16/, Zobac M.D.,/53,54/, Буевич Ю.А., /23/, Николаевский В.Н., /95/, Костерин А.В., /70/, Дияшев Р.Н.,/46/, Писецкий В.Б., /114/, Дюнин В.И., /48/ и многие др.). В таком случае, все параметры, входящие в уравнение Дарси, следует считать флюидодинамическими (функции пространства и времени) и оценку компонент напряжений в какой-либо точке пласта принимать за основную процедуру для решения задачи прогноза относительных или абсолютных значений к и VPf.

В такой постановке, модель вектора флюидного течения V (флюидодинамическая модель), по существу, определяется через геодинамическую модель пласта. При этом, в понятие геодинамической модели пласта должна входить некоторая структура пустотного пространства, общий объем и свойство проницаемости которого могут изменяться под воздействием естественных и вызванных процессов изменения флюидного давления и компонент напряжений в твердой фазе (динамические факторы).

Действительно, любая флюидодинамическая проблема базируется в первую очередь на концепции структуры пустотного пространства в слоистых толщах (концепции идеального грунта, фиктивного и т.п.). Известно, что матричная (поровая) проницаемость в независимости от способа ее определения в большинстве литологических типов пород

слагающих коллектор не соответствует значениям общей интегральной проницаемости найденной по факту эксплуатации месторождения или по данным гидродинамических исследований скважин. Эти расхождения могут колебаться в пределах нескольких порядков, что обусловлено, в основном, реальной трещиной системой. Кроме того, широко распространен и исключительно трещинный тип коллектора с нулевой пористостью матрицы породы. В таких коллекторах проницаемость сильно зависит от пространственной плотности трещин, степени их раскрытое™, протяженности и т.п. Например, широко известны эмпирически установленные зависимости типа:

-fib3 к = 8.5-10 — , где Ь - раскрытие трещины, a L — расстояние между

соседними трещинами в регулярной системе трещин (Ромм Е.С., /46/, Golf-Racht T.D., /33/ и многие другие близкие по структуре зависимости). Таким образом, при наличии трещин, проницаемость коллектора чрезвычайно чувствительна к величине раскрытости каждой из них (кубическая зависимость). В свою очередь, величина раскрытости трещин управляется напряженно - деформированным состоянием среды. В работе Дияшева Р.Н., /46/ приведен расчет проницаемости для трещины длиной в 2см с раскрытием 1 мкм, в результате чего получено увеличение проницаемости этой трещины в 8 раз при изменении давления смыкания ее берегов на 1 МПа.

Известно, что фильтрационно - емкостные свойства коллекторов (ФЕС) по данным многочисленных гидродинамических исследований скважин, теоретических и экспериментальных работ могут существенно изменяться в ту и другую сторону в процессах разработки месторождений и, особенно, с применением активных методов

воздействия на пласт. Результаты гидроразрыва пласта (ГРП) прежде всего, свидетельствуют о несовершенстве перфорационных методов вскрытия пласта в скважине и основной роли дальней зоны подвода флюида. Отсюда можно сделать принципиальный вывод о том, что флюидодинамический режим пласта в целом формируется в значительном объеме его пространства, измеряемом многими кубометрами породы.

Таким образом, отмеченные факты и особенности изменчивости реальных значений флюидодинамических параметров залежей углеводородов выдвигают на первый план две основных проблемы:

1. Геодинамический режим осадочного бассейна.

2. Дискретная структура осадочных комплексов, соответствующая истории разрушения в процессах седементационного и тектонического развития бассейна.

Модель среды с дискретной структурой естественным образом переходит в разряд активной подвижно-вязкой геодинамической системы с большим запасом диссипативной составляющей энергии трения. Поведение и флюидодинамические параметры такой системы в основном будут определяться текущим (современным) геодинамическим состоянием. Если в этой модели разрешить самостоятельно деформироваться каждому блоку за счет горизонтального "проскальзывания" их относительно друг друга, то величина проницаемости и упругие модули некоторого объема среды составленного из множества блоков будут определяться: - количеством блоков включенных в модель и их абсолютными размерами (масштабный фактор),

- знаком и величиной силовой нагрузки, приложенной с внешней стороны к этому дискретному объему (геодинамический фактор),

- коэффициентом трения по границам блоков (флюидный фактор или

фактор смазки).

В предложенной модели ключевой идеей является предсказуемая (измеряемая) структура разрушения слоистой системы, которая в сочетании со второй идеей проскальзывания блоков выводит на общую причинно - следственную цепочку функциональных связей между упругими модулями пород коллектора, параметрами его напряженно -деформированного состояния (НДС) и проницаемостью.

На основе названных принципиальных предположений представляется возможным сконструировать различные варианты связей между: упругими модулями и параметрами сейсмических волн, упругими модулями и градиентом общего горного давления, градиентом общего горного давления и проницаемостью и т.п.

Особым образом следует заметить, что проблема изучения напряженно - деформированного состояния земной коры более 100 лет разрабатывается в: сейсмологии, геотектоники, горной механики, гидрогеологии, инженерной геологии, поземной гидравлики и других науках о твердой земле (Петухов И.М., /108/, Сидоров В.А., /131/, Хаин В.Е.,/159/, Фадеев А.Б. /154/ и др.). Известны научно-практические разработки в нефтяной геологии, связанные в основном с оценкой напряженного состояния горных пород в скважинах (Zobac M.D., /52/, Карус Е.В. /61/, Кузнецов О.Л., /75/ и др.).

Но, несмотря на большой теоретический интерес многих ученых к этой проблеме, на практике до сих пор не востребована методика оценки НДС нефтегазовых коллекторов по ряду причин. Основная причина, на

И

наш взгляд, спровоцирована отсутствием надежных методов прямых измерений НДС в скважинах. Другими словами, компоненты напряженного состояния находятся в разряде не метрологических величин, что и является психологическим барьером включения этих параметров в схемы расчета гидродинамических моделей разработки месторождений углеводородов.

В настоящей работе предпринята попытка анализа ряда ключевых проблем изучения параметров флюидодинамических процессов по сейсмическим данным и обсуждаются результаты многолетних научно-методических и практических работ, направленных на выявление связей параметров напряженно — деформированного состояния с нефтегазонасыщенностью интервалов осадочных отложений. В процессе этой работы создана технология интерпретации сейсмических данных с целью прогноза параметров флюидодинамической модели интервалов осадочного чехла и фундамента (далее применяется сокращение: ДФМ -технология).

Опыт применения ДФМ-технологии в различных бассейнах мира позволил, в конечном счете, убедиться в перспективности предлагаемых подходов по следующим основным направлениям: 1. На стадиях поиска месторождения.

В тех нередких ситуациях, когда стратегия обнаружения искомого типа ловушки по некоторым ее характерным структурным, стратиграфическим или литологическим признакам исчерпана, или приводит к противоречивым выводам, стратегия оценки » параметров миграционного процесса течения флюида позволяет определиться с предыдущим логическим звеном в цепочке процессов образовании залежи. В самом деле, когда мы ищем

12

ловушку, то не задаемся вопросом, как попала туда нефть или газ, мы по опыту знаем, что в таком месте залежь можно обнаружить. Но логичнее рассуждать иначе — если мы увидели, что векторы течения флюида направлены внутрь некоторого контура, в котором к тому же прогнозируется и область пониженного общего горного давления, то искать ловушку нужно именно в этом контуре по двум причинам:

- наличие ловушки и обусловили такие параметры миграции флюида вокруг ее на значительном расстоянии,

- геодинамические процессы в прошлом и настоящем в сочетании со всеми петро - физическими параметрами сформировали в данном интервале благоприятную ситуацию по возникновению аномальной зоны пониженного давления.

Другими словами, обнаружение зон аномальных общих горных

давлений с большой степенью вероятности выводит нас и на

объективный прогноз ловушки и на общий механизм миграции и

аккумуляции флюида.

2. На стадиях разведки и разработки месторождений

углеводородов.

Карты флюидодинамических параметров по продуктивным интервалам осадочного чехла, восстановленные по сейсмическим данным, могут являться основой для уточнения контуров нефтегазонасыщенности коллектора, планирования оптимальных схем размещения эксплуатационных скважин и организации мониторинга флюидодинамических параметров в процессах разработки месторождения.

13

В целом, идея и содержание работы основаны на общей позиции автора, которая связывает модели седиментации, тектоногенеза и флюидных течений в активную флюидодинамическую модель системы "осадочный чехол - фундамент". В такой модели основные

^ флюидодинамические параметры нефтегазоносных коллекторов проницаемость и вектор течения флюида функционально связаны с компонентами современного напряженного состояния породного массива с дискретной (блоковой) структурой. В свою очередь, упругие модули породного массива с дискретной структурой в объеме, соизмеримом с длиной сейсмической волны, оказываются зависимыми от знака и величины компонент упругих напряжений (геодинамический фактор) и фазового состава флюида (фактор смазки). Таким образом,

-Л рассматриваемая модель упругих дискретных сред является вполне изучаемым объектом сейсмических исследований, данные которых могут быть положены в основу развития методик и технологий прогноза относительных значений проницаемости и направления флюидного потока в пределах разреза осадочного чехла и фундамента по параметрам сигналов отраженных волн.

Работа выполнялась в процессе научно-практической деятельности лаборатории геофизических систем Уральского

^ государственного горного университета по программам бюджетного (1980-1990 г.г.) и договорного (1990 -2004т.г.) финансирования.

Актуальность работы. Разработка теории, методов и технологий оценки флюидо динамических параметров разреза осадочного чехла и фундамента по сейсмическим данным открывают новые возможности в организации процессов поиска и разработки месторождений углеводородного сырья. Особую актуальность надежный прогноз

14

параметров флюидодинамического состояния недр приобретает в поисках ловушек неясного генезиса и в районах длительных, активных разработок месторождений, в которых произошли существенные процессы переформирования залежей.

rv Объектами исследований являлись: а) экспериментальные и

теоретические модели осадочных комплексов, учитывающие дискретную структуру и флюид одинамическое состояние горных массивов осадочного генезиса; б) сейсмические и флюидодинамические параметры осадочных отложений в различных условиях накопления углеводородного потенциала (бассейны терригенного, карбонатного и смешанного генезисов).

Цель исследований - развитие теоретических, экспериментальных и методических основ прогноза параметров флюидодинамической модели осадочного бассейна по сейсмическим данным с целью оценки относительных значений давления, проницаемости и векторов течения флюида в продуктивных интервалах осадочного чехла и фундамента.

Достижение этой цели потребовало решение следующих основных задач:

1. Разработать флюидодинамическую модель (ДФМ) осадочных

комплексов, которая включает в себя следующие ключевые

параметры:

- дискретность среды (модель разрушения),

- напряженно - деформированное состояние (модель геодинамики дискретных сред),

- флюидную компоненту как элемент управления динамическим состоянием твердой фазы среды (модель трения).

2. Исследовать особенности распространения упругих волн в моделях дискретных сред и выявить связи между атрибутами

, сигналов сейсмических волн и флюид одинамическими

параметрами осадочных комплексов.

3. Разработать методику и технологию прогноза флюидодинамических параметров по данным 2-3 D сейсморазведки (ДФМ - технология).

4. Выполнить анализ результатов применения ДФМ — технологии в осадочных бассейнах различного генезиса и определить ее роль в задачах поиска, разведки и разработки углеводородного сырья. Фактический материал и методы исследования. В основу

работы положены материалы более чем 20-ти летних теоретических и экспериментальных исследований:

- с 1980 по 1992 годы в целенаправленной бюджетной научной тематике отраслевой лаборатории геофизических систем при Уральском государственном горном университете,

с 1992 -1999 годы на договорной основе в научных центрах Institut Francais du Petrole (Paris), SHEVRON и UNOCAL (Los-Angeles), Stanford University, Michigan Technological University, Research Institute of geophysical prospecting for petroleum (Nanjing, P.R.China),

- с 1995-го года начаты научно-производственные работы по применению ДФМ - технологии в нефтегазоносных бассейнах, материалы которых изложены в более 60 отчетах методического или производственного характеров.

Собран фактический материал по геологическому строению нефтегазовых бассейнов различного генезиса, сейсмических и других

i

16

геофизических и тектонофизических данных, материалы гидродинамических исследований эксплуатационных и разведочных скважин и т.д.

В диссертационной работе автор защищает следующие основные л7 положения и научные результаты:

1. Схему системного механизма преобразования слоистой седиментационной среды в дискретную (блоковую) структуру, в которой установлены соотношения размеров блоков по формационному принципу и обоснован механизм трения по границам отдельных блоков и их ансамблей.

2. Флюидодинамическую модель блоковой структуры на основе функциональных связей между упругими модулями и

J& параметрами дискретности, давления и трения.

3. Теоретико-экспериментальные зависимости между параметрами упругих волн и флюидодинамическими параметрами коллекторов с дискретной структурой.

4. Методику и технологию оценки параметров флюидодинамики по атрибутам сейсмических сигналов отраженных волн.

5. Результаты практического прогноза флюидодинамических параметров по данным сейсморазведки на стадиях поиска,

,-. разведки и разработки месторождений углеводородного сырья.

Научная новизна, личный вклад:

1. Разработана флюидодинамическая модель осадочных отложений, которая учитывает:

• схему механизма трансформации сплошной слоистой среды в дискретную систему,

17

Список литературы