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+( ρ 2-Vр2)Vр2Vs2kр2ks1+ ρ1ρ2 Vs1Vр2ks2])-1. Из нее в общем виде трудно получить зависимость коэффициента отражения А_Р = А_РР от угла падения а= а_p1 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 (\А_Р\ < 0,2), типичных отношениях скорос­тей поперечных и продольных волн (V_s/V_р =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, А_р), которая при sin²а =а=0 отходит от оси ординат в точке А, имея наклон В=ΔА_Р/Δsin²а. Поэтому параметры А и В называют, соответственно, «пересечением» и «градиентом» фун­кции А_Р(а). [1]

При малых углах авеличина Ар определяется своей «нормаль­ной» составляющей, зависящей от относительного изменения акус­тической жесткости Z _p = рV_p, т. е. практически - от изменения скоро­сти V р.

A= А_Р(0) =1/2*Δ Z_p / Z_p =1/2(Δ V_p / V_p + Δ ρ/ρ)= 1/2Δ V_p / V_p (2)

где символ Δ означает разность соответствующих параметров двух сред, а черта сверху их среднее значение. С возрастанием угла паде­ния ана величине А_Р 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 V _p / Vp -Δ V_s/V_s (3)

где Аs(0)= 1/2Δ V_s/V_s -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 А_Р(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 А_р(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 А_Р(а) для отражений от кровли газонасыщенных песчаников, относящихся к различным классам -I, II, III и IV. [1]

Рис.9.Теоретические зависимости А_Р(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 R_P для нормального падения. Отметим, что коэффициенты Пу­ассона и различие плотностей на границе глинистый сланец - газовый песок могут не быть постоянными для этого диапазона значений R_P, 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 R_P. 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 R_P, а также от контраста коэффициентов Пуассона с обеих сторон границы. Характер этой зависимости - при уменьшении R_P 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)- gA_s(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 V_cp (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 l _а(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 Δ а = 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 А_р, образуют последовательность точек в координатах (sin²а, А_р), которые изображе­ны на рис.9 в. Осреднение точек прямой линией sin²аА_р дает оценки искомых параметров А и В: А = А_Р(0), В = Δ А_Р/ Δ sin²а. Изме­няя на сейсмограмме значения t₀ с шагом дискретизации Δ t₀ 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 А_Р(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 А В (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]