Специальная часть: Процедура AVO и ее использование для решения геологических задач
4.1.Введение
В конце 1960-х годов было замечено, что в средах с молодыми терриген-ными отложениями резкое изменение амплитуд отраженных волн на сейсмических разрезах (в предположении нормального падения волны на границу покрышка-коллектор) может быть связано с проявлениями углеводородов и, особенно, газовых песков. Этот метод, связывающий отражающую способность с залежами УВ, был назван методом «яркого пятна» (bright spot). Однако дальнейшая реализация метода показала, что резкие изменения амплитуд на сейсмических разрезах не всегда ассоциируются с резервуарами УВ. Оказалось, что амплитудные аномалии на разрезах могут быть вызваны также литологическими изменениями и другими причинами. [1]
В связи с такой неоднозначностью качественного метода «яркого пятна» на смену ему и, как дальнейшее его развитие, со средины 1980-х годов за рубежом начал развиваться новый подход, основанный на количественном изучении амплитуд отражений не по разрезам, а по сейсмограммам. Он получил название АVО (Amplitude Variation with offset) - изучение изменений амплитуд с удалением, т.е. с расстоянием между источником и приемником. Этот подход в настоящее время применяют, в основном, для поисков и разведки газовых резервуаров в молодых терригенных породах, а также для обнаружения новых залежей на уже разрабатываемых месторождениях.
AVO-анализ базируется на изучении зависимости коэффициентов отражения от угла подхода луча. Коэффициент отражения является функцией скоростей распространения продольных и поперечных волн, которые, в свою очередь, ведут себя в зависимости от газо/флюидонасыщения пород по-разному. Поэтому AVO-анализ может нести дополнительную информацию при решении задач прямого прогнозирования залежи. [1]
4.2.Амплитудные вариации отражений
Методы амплитудной инверсии отраженных волн используют в качестве исходных данных разрез ОГТ, что ограничивает их эффективность. Во-первых, коэффициенты отражения вычисляются по амплитудам для случая нормального падения, хотя в образовании суммарных трасс разреза участвуют волны, зарегистрированные при различных углах падения. Во-вторых, снижение акустической жесткости коллектора при его нефтегазонасыщении относительно невелико, и коэффициент нормального отражения изменяется мало. Эти обстоятельства побудили изучить влияние флюидного состава коллектора на отражающее свойство его границы при различных углах падения, т. е. различных дистанциях наблюдений. Коэффициент отражения монотипной продольной волны от контакта твердых сред выражается весьма громоздкой формулой:
Арр=(2D-1kр1[m2p2ks1kр2ks2+(ρ2-Vр2)Vр2Vs2kр2ks1+ρ1ρ2Vs1Vр2ks2])-1. Из нее в общем виде трудно получить зависимость коэффициента отражения АР = АРР от угла падения а= аp1 поэтому рядом исследователей решалась задача аппроксимации этой формулы с тем, что чтобы ценой некоторых ограничений величин исходных параметров максимально упростить зависимость коэффициента отражения от угла падения. Первые успехи в этом направлении были достигнуты К.Аки и П.Ричардсом. В результате упрощения полученных ими соотношений предложена (Р. Шуэ,Ф.Хилтерман) элементарная зависимость Ар(а), которая оказалась вполне приемлемой для практического применения. При характерных для терригенных коллекторов небольших коэффициентах отражения (\АР\ < 0,2), типичных отношениях скоростей поперечных и продольных волн (Vs/Vр =0,5) и умеренных углах падения-отражения (а < 30°) имеет место следующая приближенная формула: Ар(а)=А+В sin2а (1)- двучленная аппроксимация Шуэ
где А - «нормальная» составляющая коэффициента отражения, равная его значению при нулевом угле падения (а=0); В - «пуассоновская» составляющая коэффициента отражения, зависящая от изменения на границе коэффициента Пуассона σ, который определяет отношение скоростей продольной и поперечной волн. Согласно (1), коэффициент отражения практически есть линейная функция от квадрата синуса угла падения. Ее графиком является прямая линия в координатах (sin2а, Ар), которая при sin2а=а=0 отходит от оси ординат в точке А, имея наклон В=ΔАР/Δsin2а. Поэтому параметры А и В называют, соответственно, «пересечением» и «градиентом» функции АР(а). [1]
При малых углах авеличина Ар определяется своей «нормальной» составляющей, зависящей от относительного изменения акустической жесткости Zp = рVp, т. е. практически - от изменения скорости V р.
A= АР(0) =1/2*Δ Zp / Zp =1/2(Δ Vp / Vp + Δ ρ/ρ)= 1/2Δ Vp / Vp (2)
где символ Δ означает разность соответствующих параметров двух сред, а черта сверху их среднее значение. С возрастанием угла падения ана величине АР все значительнее сказывается «пуассоновская» составляющая, которую можно выразить через относительные изменения на границе скоростей продольных и поперечных волн: В=Δ σ/ (1- σ)2= Ар(0)- 2Аs(0)=1/2Δ Vp / Vp -Δ Vs/Vs (3)
где Аs(0)=1/2ΔVs/Vs-коэффициент нормального отражения монотипной поперечной волны, подобный аналогичному коэффициенту монотипной продольной волны. Из (2) и (3) следует, что определяя по наблюдениям продольной отраженной волны параметры А и В соотношения (1), можно вычислить величину коэффициента нормального отражения поперечной волны от этой же границы: Аs(0)=1/2(A-B)
Поскольку «пуассоновская» составляющая коэффициента отражения, по сравнению с «нормальной», более чувствительна к изменению флюидного состава коллектора, анализ зависимости АР(а) увеличивает возможности сейсморазведки при поисках промышленных скоплений углеводородов. Практически это относится к газовым залежам в песчанистых отложениях, которые нередко проявляются достаточно интенсивными амплитудными аномалиями. В отношении нефтяных залежей, а также карбонатных коллекторов результативность анализа оказывается обычно недостаточной из-за малости амплитудных эффектов. [1]
4.3. AVO- классификация газовых песков
Изучение по экспериментальным данным зависимости Ар(а) составляет основу метода амплитудных вариаций отражений (АVО). Применительно к АVО предложена классификация газонасыщенных песчаников, подразделяющая их на 4 класса - в зависимости от характера функции Ар(а), который определяется сочетанием величин и знаков параметров «пересечения» (А) и «градиента» (В). На рис.1 показаны графики АР(а) для отражений от кровли газонасыщенных песчаников, относящихся к различным классам -I, II, III и IV. [1]
Рис.9.Теоретические зависимости АР(а) для отражений,образуемых различными классами газонасыщенных песков, перекрытых глинистой покрышкой
На рис.9 показаны положенные в основу классификации кривые коэффициентов отражения в зависимости от углов падения от поверхности коллектора, вычисленные в некотором диапазоне небольших коэффициентов RP для нормального падения. Отметим, что коэффициенты Пуассона и различие плотностей на границе глинистый сланец - газовый песок могут не быть постоянными для этого диапазона значений RP, однако, если контраст коэффициентов Пуассона достаточен, то представленный качественный анализ будет не чувствителен к точным значениям коэффициентов Пуассона и контрасту плотностей. [1]
Пески, согласно характеристикам AVO, могут быть разделены на три класса, как показано на рис.9: класс 1-высокоимпедансные пески, класс 2 - пески с импедансами близкими к глинистым сланцам и класс 3 - низкоим-педансные пески. Отметим, что резких границ между этими классами AVO характеристик не существует. [2]
Класс 1 - высокоимпедансные пески. Этот класс песков имеет импеданс (акустическую жесткость) выше покрывающей среды, обычно глинистого сланца. Поверхность глинистый сланец - песок (песчаник) характеризуется относительно большим положительным значением RP. Верхняя кривая на рис.9 соответствует пескам класса 1,характерных для сухопутных разведочных площадей и сильно уплотненных пород. Коэффициент отражения высокоимпедансного песка положителен для нулевого удаления и уменьшается с удалением. Cтепень изменения амплитуды от удаления, называемая часто градиентом AVO, для песков 1-го класса обычно больше, чем для песков классов 2 и 3. Градиент зависит от RP, а также от контраста коэффициентов Пуассона с обеих сторон границы. Характер этой зависимости - при уменьшении RP и с уменьшением коэффициентов Пуассона градиент также уменьшается.Отражающая способность песков 1-го класса, первоначально уменьшаясь с удалением, может изменять полярность, если существует соответствующий диапазон углов/удалений. Следовательно, синтетические сейсмические разрезы, рассчитанные только для нормального падения, не могут точно предсказать амплитуду отражающего отклика на разрезах ОСТ для песков 1-го класса. Если изменение полярности выражено резко (например, при большой длине расстановки), то амплитуда отражения на разрезе от этих песков может быть близка к нулю (т.е. появится тусклое пятно) или изменить полярность на противоположную по сравнению с получаемой при моделировании для нормального падения. Фактически, эффект тусклого пятна может определяться случайной комбинацией глубин отражающих границ и геометрии регистрирующей расстановки. Поэтому для повышения однозначности определения этих песков вместо обычных разрезов ОСТ целесообразно использовать разрезы с ограниченными диапазонами удалений или углов. [1]
Класс 2 - пески с разницей импедансов, близкой к нулю. Это значит, что эти пески имеют импедансы близкие с покрывающими породами. Такие пески обычно умеренно уплотнены и консолидированы. На рис. 1 диапазон характеристик AVO для песков 2-го класса ограничивают две средние кривые. Градиенты для песков 2-го класса достаточно велики, но меньше градиентов для песков 1-го класса. Отражающая способность песков 2-го класса при малых удалениях близка к нулю и ее трудно оценить при наличии помех. Отражения могут проявляться только на больших удалениях, если их амплитуда превышает уровень помех. Синтетические разрезы для нормального падения в принципе не пригодны для описания поведения амплитуд на разрезах ОСТ для песков 2-го класса. Cейсмическая инверсия (типа ПАК) по разрезам ОСТ при наличии этих песков также не имеет смысла. [1]
Класс 3 - низкоимпедансные пески. Пески 3-го класса имеют более низкий импеданс, чем покрывающая среда. Такие пески обычно слабо уплотнены и не консолидированы. Этот класс песков проявляется отрицательными амплитудными аномалиями на разрезах ОСТ (яркие пятна), так как имеет большую отрицательную отражательную способность при всех удалениях. Градиенты таких характеристик меньше градиентов для песков 1 и 2 классов. Отражения от этих песков лучше, чем других, поддаются AVO анализу, поскольку эти пески в виде ярких пятен наиболее легко найти по разрезам ОСТ, а большое соотношение сигнал-помеха для отражений от этих песков способствует AVO анализу. Поскольку изменений полярности для этих песков не наблюдается, то накапливание ОСТ не дает сложных эффектов и синтетические разрезы для нормального падения, в общем, будут близки с накопленными данными. Обнаружение песков класса 3 на разрезах ОСТ мало чувствительно к геометрии регистрирующей установки, однако, результаты накапливания все равно не соответствуют точным амплитудам при нулевом удалении и не могут быть использованы для количественной сейсмической инверсии, хотя эти отклонения не так велики, как для классов 1 и 2. [1]
В последующем, был выделен еще один 4-ый класс газовых песков, который проявляется, если пористый песок перекрывается высокоскоростной толщей представленной глинистыми сланцами(окремненными или извесковистыми), плотными сцементированными песчаниками или карбонатами. Эти пески дают даже больший отрицательный коэффициент отражения для нормального падения, чем класс 3, однако с увеличением угла падения их градиент положителен. Оказывается, различие поведения коэффициентов отражения для 3 и 4 классов песков зависит только от знака контраста скоростей ∆VS . Если ∆VS положителен (глинистые сланцы над газовым песком), то вклад S-волны становится более отрицательным c увеличением удаления, тем самым, увеличивая общее отрицательное значение коэффициента отражения с увеличением удаления. Если же ∆VS отрицателен (плотная, непроницаемая толща над газовым песком), то вклад S-волны более положителен с увеличением удаления. В итоге, наблюдается маленькое уменьшение общего коэффициента отражения с увеличением удаления и тем самым это отражение относится к классу 4 песков. Следовательно, один и тот же газовый песок характеризуется совершенно разным поведением AVO, зависящим от покрывающих пород. Это показывает, что при классификации отражений нельзя основываться только на свойствах самого газового песка, как это сделано в первоначальной классификации Резерфорда и Уильямса.Исходя из приведенной выше классификации, качественный анализ AVO можно представить следующим образом. В целевом временном окне на сейсмограммах с высоким отношением сигнал/помеха осуществляют поиск аномально ведущих осей синфазности. Эти отражения классифицируют по поведению характеристик AVO для выделения по профилям или на площади перспективных зон с ожидаемым классом песков. К такому анализу также целесообразно привлекать так называемые "частичные разрезы" ОСТ ("partial stack") для различных диапазонов удалений (обычно, ближних и дальних) с целью последующего их сравнения. В случае больших контрастов скоростей в покрывающей толще, вместо частичных разрезов лучше использовать "угловые разрезы" или накапливания ("angle stack"), формирующиеся для узких диапазонов углов падения на границы в пределах временного окна, в которое входит исследуемый объект. [1]
Ясно, что наиболее легко AVO анализу поддаются пески 3-го класса, т.к. поведение осей синфазности для них резко аномально - отрицательная амплитуда увеличивается с удалением t
4.4.Определение и анализ параметров Шуэ-основная технология AVO
Одной из основных технологий AVO является получение и использование параметров А иВ двучленной аппроксимации Шуэ. Обычно для этого используют сейсмограммы ОСТ, в которые предварительно вводятся нормальные кинематические поправки, а, при необходимости, и поправки за наклон (DMO). Пример такой сейсмограммы дан на рис. 2а, где на времени 1,15 с хорошо видна представляющая интерес ось, амплитуда которой возрастает с удалением. Чтобы рассматривать изменение амплитуд как функцию угла падения, сейсмограмму ОГТ следует, зная скорости, преобразовать в сейсмограмму АVА - изменения амплитуд в зависимости от угла падения. Для пересчета удалений в углы падения в предположении о горизонтальности границы и среднескоростной модели можно воспользоваться, например, выражением А.Н. Лёвина: sinа=l/t
Знак параметра А определяется соотношением акустических жесткостей глинистой покрышки и песчанистого коллектора. Знак параметра В зависит от того, увеличивается или уменьшается коэффициент отражения при возрастании угла падения. На основании указанных графиков для коллектора известного класса можно выбрать такую комбинацию параметров А и В, которая в случае его газонасыщенности дает наибольший аномальный эффект по сравнению с фоновым значением при водонасыщенности того же пласта. Поэтому для индикации аномалий АVО, наряду с раздельными оценками параметров А и В, используют производные от них варианты: А+В, А*В, (sgn В)*А, аА+ bВ, Ар(0)- gAs(0) и др. Последняя комбинация носит название флюид-фактор, поскольку может быть особенно чувствительной к характеру флюида. В перечисленных вариантах символ sgn означает знак соответствующего параметра, а коэффициенты a, b, g - эмпирически определяемые величины, зависящие от петрофизических свойств исследуемых отложений. В качестве индикаторов присутствия в коллекторе углеводородов используют также постоянные Ламэ λ и μ, которые входят в дифференциальное уравнение упругих колебаний и вместе с плотностью среды р определяют скорости распространения продольных и поперечных волн. По оценкам А и В можно вычислить произведения параметров μρ и λρ, отношение которых λρ / μρ нередко оказывается наиболее чувствительным к газонасыщенности коллектора. [1]
В АVО-преобразовании исходными данными служат динамически обработанные сейсмограммы (СГ) ОСТ с введенными кинематическими поправками, на которых оси синфазности однократных отражений горизонтальны. В случае существенных наклонов сейсмических границ следует использовать СГ ОТО, получаемые после введения дифферентных кинематических поправок. На всех этих сейсмограммах каждая трасса соответствует фиксированной дистанции наблюдений l, поэтому их можно назвать сейсмограммами дистанционными (СГД). Но для АVО-анализа нужны сейсмограммы угловые (СГУ), в которых каждая трасса соответствует фиксированному углу падения а. Пересчет СГД в СГУ несложно выполнить способом средних скоростей, поскольку sin а = l/t Vcp (t0). При необходимости в пересчетах можно учесть эффект преломления лучей на промежуточных границах, если известно распределение в разрезе пластовых скоростей. Определив при заданной величине а зависимость lа(t0), с исходной СГД для последовательных значений t0 снимают соответствующие отсчеты амплитуд, которые образуют одну трассу СГУ. Рис.10, а показывает исходную СГД с наложенными на нее линиями равных углов а. На рис.2 б изображена производная СГУ, на которой трассы следуют с интервалом Δа = 4° до максимального угла 28°. На обеих сейсмограммах хорошо видно отражение на времени t0= 1,15 с, амплитуда которого значительно возрастает с увеличением l или а. При фиксированном значении t0 снятые с СГУ амплитудные отсчеты, пропорциональные коэффициентам отражения Ар, образуют последовательность точек в координатах (sin2а,Ар), которые изображены на рис.9 в. Осреднение точек прямой линией sin2аАр дает оценки искомых параметров А и В: А = АР(0), В =ΔАР/Δsin2а. Изменяя на сейсмограмме значения t0 с шагом дискретизации Δt0 и вычисляя каждый раз величины А и В, получаем их последовательности в виде двух трасс атрибутов А (t0) и В (t0).Посейсмическому профилю такие трассы А (t0 ,х) и В (t0 ,х), или аналогичные трассы производных от них показателей, образуют специфический временной разрез АVО атрибутов,на котором тем или иным способом изображаются их аномальные значения. Для удобства визуального анализа такой разрез в цветном изображении накладывают на обычный черно-белый временной разрез, что облегчает обнаружение перспективных участков отражающих горизонтов. [1]
а) б) в)
Рис.10. Пример АВО-анализа по реальной сейсмограмме ОГТ:
а-дистанционная сейсмограмма с веденными кинематическими поправками;
б-угловая сейсмограмма;в- эмпирическая зависимость АР(sin2а)
Рис.10 показывает материалы АВО-анализа при поисках на акватории континентального шельфа газовых залежей в терригенных отложениях неогенового возраста. [2]
Сейсмограмма ОГТ на рис.10 а, относящаяся к точке М профиля х, демонстрирует эффект возрастания с увеличением дистанции амплитуды волны, отраженной от кровли газонасыщенных песчаников. С обычным временным разрезом (рис.10 б) сопоставлен разрез АVО-атрибута (рис.10) в виде произведения параметров АВ (t0 ,х). Своими аномально высокими значениями этот атрибут четко выявляет искомый объект на времени 1,25 с. Наряду с продольными волнами, для АVО-анализа используют обменные отраженные волны, амплитуда которых весьма чувствительна к изменению величины коэффициента Пуассона пласта-коллектора при его насыщении газом.
Рис.11.Обнаружение газонасыщенных песчаных коллекторов по разрезу АВО-атрибутов:а - сейсмограмма ОГТ (с введенными поправками); б - временной разрез ОГТ; в- временной разрез атрибута АВ
4.5. СЛОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ AVO
Вся вышеизложенная концепция AVO справедлива только для простейшей модели среды - одиночной, близкой к горизонтальной отражающей границе и однородной (среднескоростной) или горизонтально-слоистой покрывающей границу среды. В этом случае основой для AVO анализа могут служить сейсмограммы ОСТ. Даже в этом простейшем случае мы сталкиваемся со многими осложняющими факторами, которые необходимо учитывать. Это:
направленность источников и приемников, а также групп источников и приемников;
необходимость корректности обрабатывающих процедур, обеспечивающих отражение не от одиночных границ, а от пачек тонких слоев, что приводит к гиперболическому схождению отражений с удалением, их интерференции и, как следствие, к изменению формы и амплитуды отраженного импульса; точность учета расхождения, потерь за прохождение и поглощение волн, коррекции кинематики, а также высокую помехоустойчивость к регулярным (прежде всего, кратным) и нерегулярным помехам, несмотря на отсутствие процедуры накапливания. Стабильность сейсмического импульса и помехоустойчивость сейсмограмм должны обеспечиваться такими процедурами, как скоростной и когерентной фильтрациями, поверхностно-согласованной деконволюцией и амплитудной коррекцией (компенсацией горизонтальной изменчивости частотно-зависимого поглощения в верхней части разреза), тщательной коррекцией статики, детальным скоростным анализом. [1]
Процесс распространения волн приводит к уменьшению амплитуд с увеличением удаления. Игнорирование влияния покрывающей толщи, особенно если эта толща неоднородна, например, имеется «жесткое» дно моря или поверхность соли, может даже привести к исчезновению реальных AVO аномалий или возникновению ложных. В этих случаях, если параметры покрывающей среды известны, применяются такие подходы, как, например, замещение слоев. Другой способ - коррекция амплитуд статистическими способами, когда полное знание модели среды невозможно. Если целевая отражающая граница заранее известна, то влияние покрывающей толщи можно исключить путем нормировки целевых амплитуд, относительно амплитуд контрольных осей синфазности, находящихся выше целевой, в толще, где залежей УВ заведомо нет. При отсутствии сильных скоростных контрастов влияние покрывающей толщи иногда можно вообще не учитывать. [1]
Важным моментом для идентификации и калибровки AVO аномалий является построение сейсмических моделей на основе известных по скважинам параметров залежи и вмещающих её слоев. Результаты моделирования в сопоставлении с реальными данными также дают возможность оценки влияния таких факторов, как потери на прохождение, тонкослоистость разреза и др. [1]
На отмеченные выше осложняющие факторы, даже если они учтены, накладывается еще одна главная особенность - неадекватность рассмотренных выше для AVO- анализа простых моделей реальной среде с ее структурными сложностями: являющимися объектами анализа наклонными и криволинейными границами и покрывающей эти границы сложно построенной средой. Ясно, что в случае таких сред обычные сейсмограммы ОСТ не могут быть использованы для целей AVO. Это должны быть сейсмограммы AVA, которые характеризуют общую точку отражения на интересующей границе, а все амплитуды должны изучаться относительно нормали к границе в этой точке, а не относительно вертикали. [3]