В последние годы было осуществлено качественное перевооружение сейсмического метода. Повсеместный переход к методике многократных перекрытий с накоплением сигналов по общей глубинной точке (ОГТ), внедрение цифровой регистрации и обработки сейсмических данных позволили во многих нефтегазоносных провинциях обеспечить существенно более высокое качество сейсмических материалов. Для многих регионов можно выделить толщу мощностью от 2 до 6 км, сейсмические сигналы от которой регистрируются практически без помех, и преобладающая часть изменений формы, интенсивности, прослеживаемости и других характеристик сейсмических сигналов отражает изменения в строении геологических толщ.

С учетом новых потенциальных возможностей сейсмической разведки на современном этапе ее технического развития было сформировано новое направление исследовательских работ, заключающееся в создании комплекса методов и приемов извлечения из сейсмической записи информации о вещественном составе, нефтегазонасыщенности, физическом состоянии и детальном строении изучаемой среды.

Разработка этой проблемы, названной проблемой прогнозирования геологического разреза (ПГР) должна обеспечить в благоприятных условиях решение следующих задач повышения эффективности геолого-поисковых работ:

1. предсказание литологии и условий образования осадочных пород до проведения разведочного бурения;
2. выявление коллекторов, структурной ловушки, состава флюидов в ней;
3. выявление неантиклинальных ловушек, перспективных на нефть и газ;
4. построение прогнозных геологических колонок в точках заложения разведочных скважин с оценкой величин АВПД и буримости пород как основы для выбора конструкции скважины и режимов проходки;
5. детальное расчленение и картирование продуктивных пачек на основе совместного анализа сейсмических и промыслово-геофизических данных по разведочным скважинам.

Направление ПГР не возникло внезапно, оно было подготовлено многочисленными отечественными и зарубежными исследованиями в области теории сейсмического метода разведки, петрофизики упругих свойств горных пород, развития методики и технических средств полевых наблюдений и обработки. Даже краткое перечисление основных работ в этой области потребовало бы специальной статьи, поэтому упомянем только вклад Института физики Земли АН СССР в создание основ изучения физических свойств пород по сейсмическим данным, а также цикл исследований ИГиРГИ и ВНИИГеофизики по разработке методов прямых поисков УВ (Новые возможности и результаты применения сейсморазведки для прогноза нефтегазоносности и пластовых давлений ранее уже рассматривались и на страницах нашего журнала, в частности в № 7 и 11за 1977 г. (Прим. ред.)).

В настоящей статье рассчитанной прежде всего на геологов, использующих сейсмические данные, от понимания которыми потенциальных возможностей нового направления во многом зависят темпы внедрения его результатов в практику, кратко остановимся на основных физических предпосылках постановки работ ПГР, изложим некоторые результаты, полученные при решении перечисленных задач, охарактеризуем основные трудности развития работ и пути их преодоления.

Форма и параметры регистрируемой в поле сейсмической записи зависят как от свойств и строения глубинного разреза, так и от характеристик системы наблюдения, источников возбуждения, строения самой верхней части разреза, наложения различного рода волн-помех. Поэтому по первичным сейсмограммам чрезвычайно сложно, а порой и невозможно картировать тонкие особенности геологического разреза. Только после введения современной цифровой обработки сейсмических данных стало возможным ослабить или полностью исключить мешающие эффекты и высветить, проявить полное геологическое содержание сейсмозаписи. Так, частотными фильтрами и накоплением многих сигналов удается подавить значительную часть регулярных и нерегулярных помех; коррекцией статических поправок и деконволюцией устраняется влияние верхней части разреза на времена прохода и форму отраженных волн; коррекцией амплитуд записи исключаются эффекты сферического расхождения и поглощения упругой энергии; дифракционное преобразование убирает дифрагированные волны и компенсирует сейсмический снос отражений. В результате в благоприятных условиях сейсмический разрез можно описать очень простой моделью ( рис. 1 ): на систему геологических пластов, переведенных из масштаба глубин в масштаб времен пробега упругих волн(Этот перевод элементарно прост: пласт мощностью Н, м, характеризующийся скоростью распространения упругих волн, v, м/с, будет иметь временную мощность Н/v, с.), падает вертикально некоторый упругий сигнал, отражается от каждого элементарного контраста акустической жесткости (произведения скорости распространения упругих волн на объемную плотность), наложение друг на друга отдельных отражений дает сейсмический временной разрез. Изменение формы, амплитуд, прослеживаемости волн вдоль профиля вызвано изменением взаимного положения геологических границ, а также изменением акустической жесткости отдельных пластов, что, в свою очередь, является следствием смены либо литологии, либо пористости, либо состава насыщающего флюида. Важно, что в этой модели изучению и интерпретации подвергаются не отдельные опорные отражения, связанные с наиболее резкими и выдержанными границами, а все волновое поле, поскольку реальные осадочные разрезы состоят из непрерывно чередующихся тонких (Тонких в сейсмическом отношении, т.е. временная мощность их меньше длины возбуждающего упругого сигнала.) пластов, генерирующих непрерывную последовательность отраженных волн различной интенсивности и формы.

Кроме информации, извлекаемой непосредственно из сейсмического временного разреза, значительный интерес представляют дополнительные данные о среде, получаемые в процессе обработки сейсмограмм. К их числу прежде всего следует отнести информацию о пластовых или интервальных скоростях распространения сейсмических волн в достаточно мощных толщах пород, получаемую из формы годографов отраженных волн [2]. Скорость распространения волн тесно связана с литологией отложений, их возрастом, глубиной залегания. В пределах литологически однородной толщи, залегающей на одинаковой глубине, изменение скорости отражает вариации пористости, состава флюида, трещиноватости. В реальных средах, где кроме чистых литологических разностей существуют плавные переходы, можно наблюдать непрерывный спектр значений скорости, который тем не менее при наличии даже ограниченной априорной информации о разрезе может быть с успехом использован для прогноза литологии и других характеристик среды.

Другим интегральным параметром, получаемым для достаточно мощных толщ разреза при обработке сейсмических данных, является коэффициент неупругого поглощения энергии. Этот параметр, так же как и скорость распространения волн, является физической константой среды, отражая степень ее уплотненности и вязкости. Заметное повышение коэффициента поглощения наблюдается в продуктивных нефте- и особенно газонасыщенных пластах. В отличие от пластовых скоростей, которые определяются с точностью 5-20 % в зависимости от мощности пласта и качества сейсмического материала, оценки коэффициента поглощения имеют более значительную погрешность, поэтому на практике анализу подвергаются только относительные вариации поглощающих свойств. Зоны повышенного поглощения рассматриваются как наиболее перспективные для обнаружения УВ.

Важную дополнительную информацию о вещественном составе среды дают измерения на поперечных волнах. Скорость распространения поперечных волн - основной параметр, определяющий особенности сейсмической записи на поперечных волнах, - по-другому реагирует на аномалии вещественного состава разреза по сравнению со скоростью продольных волн. Так, если наличие даже малого количества свободного газа в порах породы приводит к резкому (до 30%) уменьшению скорости продольных волн, то на скорости поперечных волн, реагирующих только на свойства скелета породы, наличие газа не отразится [5]. Совместный анализ сейсмических разрезов, полученных на продольных и поперечных волнах, позволит точнее прогнозировать петрофизические характеристики разреза.

Совокупность качественных и количественных оценок кинематических и динамических параметров сейсмической записи позволяет прогнозировать свойства и характеристики пластов геологического разреза. В таблице показаны взаимосвязи параметров сейсмической записи и геологических характеристик. Предшествующая “стандартная” сейсморазведка базировалась только на первой строчке этой таблицы. Вовлечение остальных зависимостей в интерпретацию - задача ПГР. Трудность ее решения обусловлена тем, что перечисленные сейсмические параметры кроме указанных геологических характеристик зависят также от целого ряда физических и технических параметров, описывающих среду и систему сейсмических наблюдений и обработки, учесть влияние которых далеко не во всех случаях удается успешно. Далее, сами приведенные зависимости неоднозначны, поэтому достоверная геологическая интерпретация сейсмической записи возможна только при наличии некоторых априорных знаний о среде. Например, для суждения о газонасыщенности по амплитудам сейсмических волн нужно знать литологию, а для оценки литологии по скоростям распространения волн необходимо знать возраст пород и т.д.

Таким образом, успешное применение новых методик требует для интерпретации сейсмических материалов всего объема накопленных геологических знаний по изучаемой площади и соседним регионам, постановки специальных параметрических измерений в скважинах и на поверхности, тщательного изучения петрофизических характеристик слагающих разрез пород. Проведение таких работ требует подготовки высококвалифицированного персонала, обладающего глубокими знаниями в области как сейсморазведки, так и нефтяной геологии и петрофизики. Поскольку качество сейсмических материалов далеко не везде достаточно высокое, то очевидно, что сегодня нельзя еще говорить о повсеместном применении новых методик. Однако тенденция постоянного повышения качества сейсмической информации, расширения объема скважинных измерений методами акустического и плотностного каротажа, рост квалификации специалистов позволяют рассчитывать, что сфера применения методов ПГР будет постоянно расширяться и включать все большее число регионов и площадей нефтегазопоисковых работ. Активная позиция объединений и геофизических трестов, целенаправленное техническое перевооружение и четкая координация всех исследовательских работ позволят осуществить внедрение новых методов в короткие сроки.

На первом этапе исследований по ПГР наряду с изучением физических основ внимание было сосредоточено на создании методов количественной оценки динамических и кинематических параметров сейсмической записи, на их опробовании и внедрении в практику. Так, были созданы программные комплексы определения пластовых скоростей по годографам сейсмических волн, восстановления истинных амплитуд сейсмической записи, оценки поглощения, погоризонтного определения набора динамических параметров отражений, детального расчленения разреза по сейсмическим данным, комплекс программ моделирования сейсмических временных разрезов.

Наряду с этими специальными программами получило дальнейшее развитие математическое обеспечение выполнения стандартных процедур обработки, обеспечивающее высокое соотношение сигнал/помеха на сейсмических временных разрезах.

На втором этапе основные усилия были сосредоточены на получении материалов, иллюстрирующих эффективность разработанных методов. Ниже рассмотрим некоторые примеры решения вышеперечисленных задач ( Другие примеры, касающиеся задач детального расчленения разреза и подготовки геологической основы под выбор конструкции и режимов бурения разведочных скважин, будут представлены в следующей статье.).

Возможности прогноза литологического состава пород иллюстрируют рис. 2 и рис. 3 . На рис. 2 представлен сейсмический профиль Восточного Предкавказья, где проблемой было выявление карбонатно-терригенных осадков верхнего мела, перекрытых песчано-глинистой толщей майкопских отложений, и отождествление их через зону разлома. Качество материалов позволило использовать для этой цели значения пластовых скоростей, определенных вдоль профиля по данным МОГТ. Вычисленные значения пластовых скоростей нанесены на временной разрез, а с обеих сторон разреза приведены усредненные графики измерения пластовых скоростей по глубине в сопоставлении с эталонной зависимостью изменения скоростей в песчано-глинистой толще кайнозойских отложений, полученной на основании обработки десятков скважин этого региона. Четкая граница в значениях скоростей 4300-4900 м/с может быть истолкована как граница между меловыми и майкопскими комплексами. Ее трассирование через разлом позволило установить правильную корреляцию. Последующее бурение подтвердило достоверность прогноза. Другой пример касается Южной Калмыкии (см. рис. 3 ). Сейсморазведкой на большой глубине выявлена крупная антиклинальная структура. Данных бурения здесь нет. Необходимо охарактеризовать породы ниже известной толщи юрских отложений на времени 2,5 с. В качестве исходной информации для прогноза будем анализировать измерения пластовых скоростей и относительные амплитуды отражений. Обработка первичных материалов ОГТ по настоящему профилю позволила получить оценку скоростей распространения волн в двух толщах ниже этой границы. Одна в интервале времен (Времена относятся к центральной части профиля, в краевых частях они меняются в соответствий с временами прихода коррелируемых волн.) 2,5-3 с, другая 3-3,3 с.

Анализ пластовых скоростей показывает, что толща ниже границы несогласия на времени 2,5 с, характеризующаяся скоростью 4250-4800 м/с, сложена, по-видимому, уплотненными песчано-глинистыми отложениями. Об этом свидетельствуют значения скоростей и отсутствие резких акустических контрастов внутри ее, выражающееся в отсутствии здесь сильных отражений.

Значение скорости также показывает, что в этой толще не следует ожидать больших величин АВПД (методика прогноза АВПД приведена в работе [1]).

Ниже эта толща сменяется переслаивающимися карбонатно-терригенными отложениями. Об этом говорят наличие сильных отражений от акустических контрастов и значение скоростей 6200-6600 м/с, отвечающее карбонатам (В настоящее время бурением вскрыта верхняя толща. Прогноз состава по данным сейсморазведки подтвердился.).

Прогноз генезиса отложений базируется на совокупном анализе поведения осей синфазности регистрируемых волн. Каждой модели образования осадочного тела будет отвечать свой рисунок осей синфазности на сейсмическом разрезе. Эти закономерности в настоящее время изучены далеко не достаточно, но ряд публикаций на эту тему уже есть. К числу наиболее освещающих проблему следует отнести сборник [6]. В нашей стране широкое распространение получил анализ конфигурации осей синфазности с целью выявления рифогенных построек. Специалистами трестов Волгограднефтегеофизика, Башнефтегеофизика, Пермнефтегеофизика. Саратовнефтегеофизика и др. методика выявления рифовых тел доведена до стадии массового производственного применения. На рис. 4 приведен один из примеров наиболее отчетливого выявления рифогенного тела на сейсмическом разрезе, полученном на востоке Русской платформы. Биогермная постройка в интервале времен 1,6-1,8 с выделяется по структурам облекания в районе пикетов 75-115.

Очевидно, что проблема изучения условий образования осадочных толщ и прогноза неантиклинальных ловушек далеко не исчерпывается выявлением рифовых тел. Воссоздание палеотектоники, картирование региональных и локальных колебаний уровня моря позволят приступить к поискам скоплений УВ в палеоструктурах, расформированных последующими тектоническими движениями, но с запечатанными в них залежами, а также в зонах палеоэрозии и палеокарста, сопровождавших выходы карбонатов из-под уровня моря. В этих направлениях основные исследования еще впереди.

Определенные результаты получены в области прямого выявления нефтегазоносности и прогноза коллекторов на больших глубинах. Предсказание продуктивности отложений базируется на том, что изменение флюида в пласте вызывает изменение скорости распространения волн и объемной плотности. В результате меняются коэффициенты отражения от границ пласта, а следовательно, интенсивность отраженных волн. Наличие залежи по-разному влияет на характеристики записи в зависимости от состава и свойств осадков. Глубокий анализ показывает, что наиболее резкие амплитудные аномалии могут быть получены при замене пластовой воды газом на глубине 1,5-2,5 км в молодых терригенных отложениях. Здесь водонасыщенные пески и слабосцементированные песчаники имеют близкую акустическую жесткость с глинами, т.е. малые коэффициенты отражения. В этих условиях замена воды газом вызывает значительное (в 2-3 раза) увеличение коэффициента отражения и соответственно амплитуд отраженных волн. Столь сильная аномалия интенсивности отражения относительно отчетливо выделяется на сейсмическом разрезе. Пример - выявление залежи газа в толще Майкопа на площади Русский Хутор ( рис. 5 ).

Здесь в интервале 1,4-1,7 с зарегистрирована зона аномального увеличения амплитуд отражений, сопровождаемая повышенным затуханием сейсмической энергии, увеличением видимого периода колебаний и характерной аномалией эффективных скоростей по нижележащим горизонтам, подтверждающей наличие низкоскоростного локального включения в покрывающей толще. Комплекс признаков позволил утверждать, что аномалия обусловлена газонасыщенностью серии песчаных пластов. Рекомендованная скважина подтвердила промышленную газоносность шести пластов в этом интервале. Полученные результаты позволили приступить к опытно-производственному применению методики прямых поисков газовых залежей в толще майкопских отложений Предкавказья. Проведенные в Ставропольском крае работы выявили еще ряд аналогичных аномалий на известных структурах, интерпретируемых как газовые залежи. Аномалии рекомендованы для проверки бурением (На трех рекомендованных объектах газоносность уже подтверждена.).

Условия майкопских отложений Северного Предкавказья и Закавказья максимально благоприятны, и здесь эта методика уже пригодна для широкого производственного применения. В других условиях аномальные эффекты также есть, но они существенно меньше. Так, только весьма тщательная обработка позволила выявить эффект газоконденсатных залежей на площадях Русский Хутор Центральный и Русский Хутор Северный в толще нижнего мела на глубине 3400 м (на рис. 5 слабые амплитудные аномалии, отвечающие этим залежам, видны в интервале времен 2,5- 2,6 с). Также относительно слабые аномалии амплитуд и других параметров получены при экспериментальных работах на месторождении Федоровское Западной Сибири, где мощность газовой шапки невелика и аномалии следует связывать с нефтенасыщенностью. В таких условиях необходимо продолжить эксперименты на известных объектах, прежде чем приступить к производственному применению методики прямого прогноза нефтенасыщенности.

Возможности предсказания наличия коллекторов, как поровых, так и трещинных, базируются на физической закономерности снижения скорости распространения волн при увеличении объема порового или трещинного пространства. В тех случаях, когда такие изменения имеют значительную величину, превосходящую точность определения скоростей, их можно фиксировать и использовать при интерпретации.

В условиях Краснодарского края, где в разведку вовлечены толщи, залегающие на больших глубинах, проблема прогноза наличия коллекторов является одной из наиболее актуальных, так как на глубинах более 4-4,5 км в нормальных условиях песчано-глинистые осадки уплотняются практически до полной потери коллекторских свойств. Такие отложения характеризуются скоростью распространения упругих волн выше некоторого предела (Для описываемых условий, как показал А.М. Бедчер, этот предел равен 4200 м/с.). Если вследствие определенных седиментационных процессов на этих глубинах оказываются высокопористые разности, то скорости в них должны быть ниже этого предела. В настоящее время трест Краснодарнефтегеофизика выдал уже несколько карт скоростей по площадям, где зоны пониженных значений перспективны и должны учитываться вместе со структурной информацией при выборе места заложения разведочных скважин [4]. При картировании неантиклинальных ловушек прогрессивным моментом явился переход на методику ОГТ и цифровую обработку. Благодаря обеспечиваемому при этом повышению соотношения сигнал/помеха появилась возможность выделять на сейсмических разрезах и интерпретировать не только опорные отражения, но и особенности записи в промежутках между ними, анализировать локальные изменения динамики отражения. При тщательном сопоставлении с данными бурения эти приемы позволили башкирским геофизикам в широком производственном масштабе картировать ловушки примыкания к микрогорстам и микрограбенам в девонских отложениях [4].

Завершив краткий обзор части задач, решаемых методиками ПГР, следует особо подчеркнуть, что далеко не на каждом объекте они могут обеспечить успешное решение стоящих проблем. Важнейшими ограничивающими факторами являются следующие.

1. Качество сейсмических материалов. Очевидно, что решение задач оценки вещественного состава возможно только там, где качество сейсмических материалов или другими словами, соотношение сигнал/помеха достаточно велико. В зависимости от характера решаемой задачи требуется обеспечить соотношение сигнал/помеха от 5 до 50. Поэтому в районах со сложными поверхностными условиями, где сильный статический разброс, или на очень больших глубинах, где не удается освободиться от фона многократных волн и задача структурного картирования еще не решается успешно, постановка работ ПГР неоправдана.
2. Сложность геологического объекта. Даже при высоком качестве сейсмического материала в особо сложных тектонических условиях (под сильно дислоцированными соляными телами и диапирами, в зоне множественных разломов, в районах, где корреляция сейсмических отражений вызывает трудности) мала вероятность успешного прогноза вещественного состава.
3. Величина аномального эффекта, т.е. отношение ожидаемой полезной аномалии некоторого параметра к погрешности его определения. Попытка прогноза будет оправданной только в том случае, если ожидаемая аномалия будет заметно выше погрешности.

Таким образом, только после тщательного анализа всех имеющихся сейсмических и петрографических материалов, проведения модельных расчетов, обоснованно показывающих возможность решения поставленной геологической задачи, следует приступать к проектированию и выполнению полевых измерений. Причем во всех случаях нужно использовать максимальный арсенал технических средств, обеспечивающих повышение качества сейсмических данных. Естественно, что затраты на проведение работ, обработку и интерпретацию сейсмических данных с целью решения задач ПГР заметно превышают стоимость стандартной сейсморазведки. Однако и объем извлекаемой геологической информации может также быть больше обычного.

Развитие работ ПГР требует наряду с повышением качества стандартных сейсмических наблюдений значительного расширения скважинных измерений, прежде всего акустического каротажа по всему стволу скважин и плотностного гамма-гамма-каротажа. Без данных этих методов невозможно оценить перспективы применения ПГР, получить опорные данные для калибровки, правильно проинтерпретировать сейсмические наблюдения. Дальнейшего развития требуют наблюдения, производимые с помощью поперечных и обменных волн, с целью получения данных о скоростях поперечных волн и их поглощениях как о дополнительных параметрах, характеризующих вещественный состав. Весьма перспективны скважинные модификации сейсмических наблюдений, прежде всего вертикальное сейсмическое профилирование, для изучения аномальных объектов в околоскважинном пространстве.

В настоящее время методы ПГР находятся в стадии разработки и опытно-производственного опробования. По мере дальнейшего развития и накопления опыта все большая часть сейсмических отрядов будет переводиться на решение задач не только структурной, но и вещественной интерпретации. Широкое внедрение ПГР в практику приведет к повышению эффективности всего комплекса геолого-поисковых работ.

1. Вопросы применения сейсморазведки для прогноза нефтегазонасыщенности, литологии, аномально высоких давлений и буримости горных пород / А.Г. Авербух, Э.М. Буцневий, В.А. Гельфанд, Г.Н. Гогоненков и др. М., ВНИИОЭНГ, 1976, с. 1-76.
2. Мешбей В.И., Лозинский З.Н. Определение скоростной модели среды по данным МОГТ. М., ВНИИОЭНГ, 1978, с. 1 -56.
3. Прогнозирование коллекторов и неантиклинальных ловушек в Западном Предкавказье по данным сейсморазведки /В.И. Корнеев, В.Л. Крипеневич, Б.С. Гамов, Б.М. Карасик. - Геология нефти и газа,1979, № 3 , с. 45-49.
4. Современное состояние и перспективы подготовки сейсморазведкой объектов для поисково-разведочных работ на нефть и газ на восточной окраине Русской платформы / Ю.Н. Кухаренко, Ф.И. Хатьянов, Н.К. Юнусов, В.В. Куряева. М.,ВНИИОЭНГ, 1977, с. 1-51.
5. Gregory A.R. Fluid saturation effect on dynamic elastic properties of sedimentary rocks.- Geophysics, v. 41, N 5, 1976, p. 895-921.
6. Seismic Stratigraphy - application to hydrocarbon exploration. Edited by Payton C. E. -AAPG, 1977, N5, p. 1-518.

Таблица

Рис. 1. Модель сейсмической записи

Рис. 2. Пример использования пластовых скоростей для уточнения корреляции толщ различного литологического состава через зону разлома (Восточное Предкавказье).

а - усредненные графики пластовых скоростей по разные стороны от нарушенной зоны с наложенной эталонной зависимостью скорости от глубины для пород кайнозоя, б - фрагмент сейсмограммы

Рис. 3. Пример прогноза литологии отложений по данным пластовых скоростей (Южная Калмыкия)

Рис. 4. Пример картирования рифогенных отложений на сейсмическом разрезе (восточная часть Русской платформы)

Рис. 5. Выявление газовой залежи по аномалии амплитуд сейсмической записи, сопровождаемой увеличением затухания энергии, снижением частоты колебаний и аномалией эффективных скоростей (Северный Дагестан).

Залежи: 1 - ранее известные, 2 - вновь открытые, 3 - изолинии v_ОГТ, 4 - аномалии затухания