Содержание к диссертации
Введение
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 в моделях с начальным напряженным состоянием
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
- Общие особенности трещинной системы в осадочном бассейне
- О геодинамических процессах в осадочных бассейнах
- Экспериментальные исследования упругих волн в моделях дискретных сред
Введение к работе
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.
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/).
В уравнении течения флюида (закон Дарси) V — —VP,., тензор 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 Р/ 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 раскрытости, протяженности и т.п. Например, широко известны эмпирически установленные зависимости типа:
-л Ь3 А: = 8.5-10 °— , где Ь - раскрытие трещины, а Ь — 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 флюид одинамический 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 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 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.
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, 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 флюидодинамических 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 параметров флюидодинамического состояния недр приобретает в поисках ловушек неясного генезиса и в районах длительных, активных разработок месторождений, в которых произошли существенные процессы переформирования залежей.
Объектами исследований являлись: а) экспериментальные и теоретические модели осадочных комплексов, учитывающие дискретную структуру и флюидо динамическое состояние горных массивов осадочного генезиса; б) сейсмические и флюид одинамические 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 геофизических и тектонофизических данных, материалы гидродинамических исследований эксплуатационных и разведочных скважин и т.д.
В диссертационной работе автор защищает следующие основные 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 і 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,
1» • связь упругих модулей с масштабным фактором дискретности осадочных отложений, давлением и трением,
• регулярную структуру блоковой реакции дискретных сред на изменение параметров современных геодинамических процессов в системе "осадочный чехол - фундамент".
2. Исследованы особенности распространения упругих волн в дискретных флюидонасыщенных средах с переменными силовыми нагрузками и обоснован функциональный подход к оценке относительного уровня напряженного состояния среды в точке отражения сейсмической волны.
3. Разработаны методические принципы и технологии прогноза геодинамических и флюидодинамических параметров осадочного чехла -% по атрибутам сейсмических сигналов отраженных волн (ДФМ технология).
4. Рассмотрены и исследованы возможности ДФМ-технологии прогноза флюидодинамических параметров по данным сейсморазведки на стадиях поиска, разведки и разработки месторождений нефти и газа в различных сейсмогеологических обстановках.
Достоверность научных выводов и заключений определяется:
1. Сопоставительным анализом известных результатов [\ исследований в различных приложениях наук о твердой земле: механики упругих сред, геодинамики, гидродинамики, горной геомеханики, сейсмологии и др.
2. Теоретическими и экспериментальными исследованиями упругих модулей и параметров распространения упругих волн в моделях неоднородно-напряженных сред с дискретной структурой.
3. Опытом практического применения разработанной технологии интерпретации сейсмических данных в разнообразных геологических условиях и тектоно физических обстановках накопления и разработки "V углеводородного сырья.
Теоретическая и практическая значимость: 2. Разработаны методические основы и ДФМ - технология интерпретации сейсмических данных с целью прогноза флюидодинамических параметров в интервалах осадочного чехла и фундамента.
2. Сформировано научно-методическое направление в сейсморазведке ориентированное на изучение геодинамических и флюидодинамических А процессов в осадочных бассейнах.
3. Обоснованы принципиально новые возможности и эффективность прогноза параметров флюидо динамики в задачах разведки и разработки месторождений нефти и газа, что существенным образом расширяет рынок геолого-геофизических услуг.
Реализация работы в производстве. За 10 летний период (с 1995 года) ДФМ - технология применена в различных бассейнах мира:
Западная Сибирь (27 месторождений, нефть и газ), Волгоуральский бассейн (16, нефть), Каспийский бассейн (4, нефть и газ), Восточно -Сибирский бассейн (3, нефть и газ), Балтийский бассейн (5, нефть), Парижский бассейн (2, нефть), Северо - и Южно - Американские бассейны (17, нефть и газ), бассейны Китая (4, нефть), бассейн Вьетнама ("Белый Тигр", нефть), бассейны Юго - Восточной Азии (4, нефть), бассейн Северного моря (2, нефть и газ). Контракты выполнялись с добывающими и сервисными кампаниями: ЛУКОЙЛ, СЛАВНЕФТЬ, ЮКОС, СУРГУТГАЗПРОМ, БАШНЕФТЬ, Региональными и территориальными департаментами министерства природных ресурсов РФ, ГЕОПЕТРОЦЕНТР, ХАНТЫ МАНСИЙСКГЕОФИЗИКА, ТАТНЕФТЕГЕОФИЗИКА, ТЮМЕНЬПРОМГЕОФИЗИКА, БАШНЕФТЕГЕОФИЗИКА, IFP, CGG, SHEVRON, AMOCO, UNOCAL, D.O.E. USA, Tri-Vallev и другими.
Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации, представлялись на международных конференциях: 1) 35-ый международный геофизический симпозиум стран-членов СЭВ г. Варна в 1990 т., 2) Ежегодная конференция Общества разведочной геофизики США (SEG): г.Лос-Анжелес в 1994Т., г. Хьюстон 1995 г., г. Денвер в 44) 1996 г., г. Даллас в 1997 г., г. Нью Орлеан в 1998 г., г. Хьюстон в 1999 г., г. Калгари в 2000 г., г. Сан Антонио в 2001 г., г. Солт Лэйк Сити в 2002, 3) 2-ая международная конференция по шельфу и Мировому океану г. Геленджик 2001 г. 4) Ежегодная конференция Европейского общества разведочной геофизики (EAEG) г. Флоренция, 2002 г., 5) конференция AAPG г. Барселона 2003 т., 6) международная конференция и выставка нефтяного общества Индии г. Дели 2003 г., 7) технический семинар РЕМЕХ, Poza Rica (Мексика) в 2004 г. и др.
1 На методику и технологию прогноза флюид одинамических параметров нефтегазовых коллекторов по сейсмическим данным зарегистрированы два патента США № 5,796,678 август 1998 г. и № 6,498,989 декабрь 2002 г.
По теме диссертации опубликовано 45 работ, в том числе: 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 14 статей в центральных зарубежных i и отечественных журналах, 27 работ в материалах международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации составляет 220 страниц, \( содержит ПО рисунков и 12 таблиц. Список литературы включает 180 наименований.
Автор благодарит своих коллег по многолетней работе в лаборатории геофизических систем и кафедры геоинформатики Уральского государственного горного университета научных сотрудников Самсонова В.И., Патрушева Ю.В., Зудилина А.Э., Воронина О.М., Крылаткова СМ., Полоцкого М.И., Полоцкого Л.И., Шилину Г.В., Зудилину Л.И., Шарова СИ., Саплина В.А., и др. Без их участия в \) различных направлениях экспериментальных и научно-методических исследований эта работа не могла состояться.
Автор так же благодарен ученым и руководителям геофизических организаций, с которыми в течение долгого времени обсуждались результаты этой работы и развитие тех или иных идей по физическим и геологическим основам моделей упругих сред: сотрудникам ВНИИГЕОФИЗИКА профессорам Козлову Е.А., Шехтману F.A. и Мушину И.А., ген. директору ГЕОПЕТРОЦЕНТРА Милашину В.А., ген. директору ТЮМЕНЬПРОМГЕОФИЗИКА Козаку В.Г., директору департамента геофизических работ IFP Dr. J.-P. Fai, главному геофизику CGG Dr. D. Michon, профессорам Stanford University A.M. Nur, M. Zobak и D. Dvorkin, профессору Colorado School of Mines J.E. White, профессору научного центра Schlumberger M.A. Shoenberg, профессору Michigan Technological University W.D. Pennington, главным геофизикам кампаний SHEVRON и UNOCAL Dr. D. Wainterstain и Dr. F. і Aminzade. Особую признательность автор испытывает к старейшему геофизику Bruce C.Wentner, Fred Hilterman и академику грузинской академии наук Г.И. Абашидзе, который в 1980 году увлек автора общей идеей фундаментального значения современных геодинамических процессов в земной коре.
Автор благодарит профессора, доктора геолого-минералогических наук, члена-корреспондента РАН Нестерова И.И. и профессора, доктора геолого-минералогических наук Бондарева В.И. за помощь, оказанную при написании этой работы и за многие годы интересного и тесного общения в научной и практической деятельности.
Общие особенности трещинной системы в осадочном бассейне
Анализ трещинных систем в глубоких шахтах угольных бассейнов позволяет уверенно предполагать, что преимущественное развитие получил литогенетическии тип трещиноватости, который является следствием одновременной реализации напряжений в процессах диагенеза осадков и сингенетической тектоники /33,89,121,138 и др. /.
Stearns D.W., /136/ различает два класса трещин: трещины, генетически связанные со складкообразованием и трещины, связанные с образованием локальных структур (региональные трещины).
В своем фундаментальном труде Golf-Racht T.D., /33/ анализирует многочисленные работы по генезису и описанию трещин. Так, на основе полевого анализа трещин на обнажениях в штатах Аризона и Юта, делается вывод о том, что нет генетической связи между трещинами межпластового сочленения и процессов последующей складчатости. Другими словами, межпластовые трещины образовались в доскладчатый период бассейна на ранней стадии седементогенеза. Кроме того, фиксируется тесная корреляция между плотностью трещин внутри пластов и мощностью пластов.
Приводится, метод блокового описания трещинных систем с помощью набора простейших геометрических фигур: колонны, параллелепипеды, кубы, плиты, пластины, доски и т.п. Соотношение сторон при этом увязывается с характером разрушающих напряжений - параллельно или перпендикулярно напластованию, или равных по величине. Считается, что если максимальное напряжение вертикально (пласт сжимается), то критическое горизонтальное напряжение составляет 0.3-0.5 от него, а если пласт сокращается по длине, то максимально горизонтальное напряжение и оно в 2-3 раза больше вертикального. Здесь же описано множество примеров высокопродуктивных залежей нефти в карбонатных и терригенных бассейнах обусловленных только наличием трещинных коллекторов при чрезвычайно низких значениях пористости и проницаемости матрицы (менее 2-3%). При этом подчеркивается, насколько различными могут быть дебиты скважин расположенных всего в нескольких десятках метров друг от друга. Например, месторождение Айн-Зала (Ирак) расположено в пределах толщи с абсолютно непроницаемой матрицей (мергелистые известняки). Плотность трещин в пределах продуктивных интервалов по данным керна колеблется в диапазоне 18-36 штук на 1 метр, а раскрытость в пределах 0.1-1.8 мм. Месторождение Киркук (Ирак) представлено продуктивным пластом толщиной порядка 300 м., который сложен известняками, конгломератами, рифовыми известняковыми фациями и тонкослоистыми фациями бассейна. Здесь выделяют трещины разломов, трещины в зонах растяжений, каверны вертикального и горизонтального положения, трещины нарушения сплошности матрицы (средний блок матрицы - 8x4x1 см.). Отмечается чрезвычайно высокая гидродинамическая зависимость по всем продуктивным интервалам (иногда разделенных между собой толщей в 600 м.). При изменении отбора флюида в одной скважине, давление по всем скважинам меняется разнообразным образом. Зона Спраберри в Техасе сложена алевролитами и песчаниками и на 87% коллектора состоят из сланцевых глин. Никаких структурных условий нет, притоки объясняют исключительно естественной трещиноватостью.
О геодинамических процессах в осадочных бассейнах
На каком бы масштабном уровне не рассматривались проблемы геодинамики, во всех случаях в пространстве земной коры выделяются самостоятельные тектонические объекты в виде изолированных блоков с вертикальными или наклонными боковыми плоскостями. Направления перемещения этих блоков или их множества зависят от совокупности общих гипотез о природе силовых возмущений, параметров термодинамики, геометрии и свойствах различных этажей нашей планеты. Подавляющее большинство разломов возникает в обстановке дифференциальных вертикальных движений блоков земной коры и, соответственно, имеют вертикальное падение (Штиле Г., 1964, Косыгин Ю.А.,1988, Белоусов В.В.,1962, Ярошевский В.,1981, Рамберг Х.,1974, Гласко М.П., Ранцман Е.Я., 1991, Ramsay J.G.,1967, Песковский И.Д.,1992, Курбанаев Г.М.,1985). Существование наклонных разломов требуют специальных объяснений и обычно связываются с вторичными, по отношению к вертикальным движениям, механизмами скалывания. Важно подчеркнуть, что система разломов должна быть в пределе замкнутой системой, которая и определяет, в конечном счете, схему общей блоковой динамики земной коры. Поэтому, говоря об одном разломе, мы должны отождествлять его с определенной стороной блока соответствующего иерархического уровня.
Таким образом, по общему мнению, блоковый принцип динамики земной коры предопределяет системную дискретность всех ее структурно - вещественных комплексов, как по вертикали, так и по горизонтали. Здесь сразу следует заметить, что такое общее видение проблемы геодинамики с позиций механики часто не совпадает с геологической точкой зрения при прогнозе реальных тектонических схем. На практике геологические разрезы и структурные карты изобилуют локальными разломами с самыми различными углами падения и, далеко не всегда, выделенная по каким - либо критериям система разломов имеет замкнутую (блоковую) конструкцию. Очевидно, что в таком случае геологами принимаются во внимание исключительно геометрические критерии - разломом считается только такая плоскость, вдоль которой произошло значимое (для глаза!) смещение породных масс.
Рассматривая в предыдущей главе проблему разрушения осадочной толщи, мы упоминали известные предположения о формировании трещиной системы в доскладчатые периоды развития бассейна. Другими словами, предлагается механизм разрушения, который предопределяет полный переход сплошной среды в дискретную на стадиях диагенеза осадков. Следовательно, возникает вопрос, а каким образом будет реагировать уже разрушенная, дискретная среда на силовые возмущения со стороны фундамента?
Экспериментальные исследования упругих волн в моделях дискретных сред
Перед экспериментальными исследованиями особенностей распространения упругих волн в моделях дискретных упругих сред стоят достаточно сложно решаемые проблемы адекватности искусственных параметров реальным параметрам осадочных толщ на достаточно больших глубинах, на которых эти параметры невозможно измерить. К ним относятся:
1. Абсолютные деформации отдельных блоков среды при давлениях более 50 Мпа.
2. Соотношения компонент напряжений в блоке.
В истории физического моделирования всегда определялся масштабный коэффициент, который выравнивал измеряемые кинематические динамические параметры по их относительным соотношениям. В дискретных моделях упругих сред необходимо принципиально изменить тактику аналогий, т.к. здесь имеет значение только величина абсолютной деформации каждого элементарного блока, входящего в модель.
Идея обсуждаемых далее экспериментов построена на достижении соответствия между моделью и реальной средой по абсолютным деформациям на мягких материалах. В этом случае можно ограничиться малыми напряжениями на кромки модели и, что более важно, применять оптически активные материалы с целью фиксирования изображения пространственного распределения напряжений в плоскости модели.
На рис.3.4 показана схема установки сейсмического моделирования в физических моделях дискретных сред. Основной объем экспериментов выполнен на плоских моделях, изготовленных из оргстекла толщиной 3 мм и с размерами 300x300 мм. Ряд основных экспериментов дублировался на моделях, изготовленных из жесткого оптически активного каучука в тех же геометрических размерах.
Источник S и приемник R упругих колебаний сконструированы на основе пъезокерамики с симметричной характеристикой направленности, что позволило возбуждать и принимать как продольные так и поперечные волны. На фрагменте "с" рис.3.4 приведены сигнал источника и его спектр после стробирования из диапазона 10 000 Гц в диапазон 100 Гц.
