Главная » Публикации » Аэрогеофизические методы при поисках месторождений углеводородов

Аэрогеофизические методы при поисках месторождений углеводородов

Автор(ы): Контарович Р.С., Цыганов В.А., Бабаянц П.С.

В последние годы в мировой практике отмечается увеличение доли аэрогеофизических методов в комплексе поисковых работ на нефть и газ. Данное обстоятельство обусловлено в первую очередь новым этапом развития аэрогеофизических технологий. Сегодня аэрогеофизики располагают современной высокоточной измерительной техникой и новейшими системами геофизической и геологической интерпретации получаемых данных. Существенно расширен сам комплекс аэрометодов с включением в него аэрогравиметрии. Полученные результаты позволяют оптимизировать технологию поисков и минимизировать затраты на дорогостоящие сейсмические и буровые работы.

Аэрогеофизические методы и технологии за последние десятилетия прочно вошли в мировую практику геолого-геофизической подготовки нефтегазоперспективных территорий к проведению поисковых работ. Аэрогеофизические съемки, среди которых основное место занимает аэромагнитометрия, в различные годы были выполнены в пределах всех главных осадочных бассейнов мира и их материалы послужили основой для планирования и организации поисков углеводородов сейсморазведочными и буровыми работами. Ведущие нефте-газодобывающие и газовые компании финансировали проведение аэрогеофизических работ, что принесло им снижение и оптимизацию затрат на поиски новых месторождений и существенное сокращение сроков реализации новых поисковых проектов. Все это оказалось возможным благодаря особой экспрессности аэрогеофизических технологий, их экономичности, унифицированной методологии и исключительно высокой статистической представительности получаемых данных при экологической чистоте и практической вседоступности.

В последние годы, не смотря на, казалось бы, достаточную изученность главных нефтегазоносных бассейнов мира аэрометодами (преимущественно магнитометрия, реже — гамма-спектрометрия), в большей степени за рубежом и в меньшей — в РФ, имеет место своего рода «бум» в использовании аэрометодов при решении нефтегазопоисковым задач. Он проявляется как в проведения новых комплексных аэрогеофизических съемок в традиционных районах добычи углеводородов, изученных аэрометодами несколько десятилетий назад, так и в значительных объемых съемок новых территориях, в пределах которых съемки были выполнены совсем недавно.

И это вполне объяснимо. При решении поисковых задач руководители нефтяных и газовых компаний стремятся расширить объемы аэрогеофизических съемок, поскольку аэрогеофизические технологии сегодня переживают новый, поистине революционный этап своего развития, характеризуемый:

  • принципиально иным качеством современной измерительной техники, внедрением высокоточной спутниковой системы навигации и привязки измерений;
  • расширением самого комплекса аэрогеофизических методов с включением в него аэрогравиметрии, тепловой инфракрасной съемки, газовой аэросъемки;
  • принципиально новыми системами геофизической и геологической интерпретации данных, базирующихся на использовании современной высокопроизводительной вычислительной техники и передовых физических и геологических теориях.

Современные аэрогеофизические методы и аппаратура.

Одним из базовых методов, обеспечивающих подготовку нефтегазоперспективных территорий к проведению наземных поисковых работ, является аэромагнитометрия. К концу 60-х годов прошлого века практически вся территория страны была покрыта Государственными аэромагнитными съемками. Тем не менее, аэросъемки этим методом в последние годы систематически осуществляются на ранее исследованных территориях. Ответ на вопрос о причинах проведения повторных съемок кроется в сопоставлении технико-метрологических характеристик аэромагнитометров предыдущего и нынешнего поколений, в качественном и количественном различии между извлекаемой ранее и в настоящее время информации.

Современные магнитометры характеризуются сверхвысокой чувствительностью (до 0.0005 нанотесла — нТл) и производительностью (от 10 измерений в секунду). Это позволяет уверенно выделять и анализировать метрически достоверные аномалии интенсивностью в единицы и доли нТл.

Особое влияние на качество выпоняемых аэрогеофизических съемок, в т.ч. и аэромагнитометрии, оказало внедрение спутниковых навигационных систем. Современные навигационные системы основаны на использовании приемников совмещенного созвездия GPS (США) + ГЛОНАСС (Россия). Это позволяет добиться точности определения координат точек наблюдений в реальном времени в 10-20 м, а с использованием дифференциальной коррекции навигационных данных в режиме постобработки — менее 1 метра. Это позволяет свести к минимуму искажения формы измеряемых аномалий, обусловленные ошибками в определении координат.

Отмеченные изменения, произошедшие менее чем за десятилетний период с качественными характеристиками проведения полевых аэромагнитных съемок, обусловили возможность изучения весьма и весьма малоконтрастных эффектов в аномальном магнитном поле, связанных с вертикальными и латеральными неоднородностями строения осадочного чехла, и в том числе, для глубин от сотен метров до первых километров.

Особым элементом геофизических исследований на территориях осадочных бассейнов всегда являлась гравиметрическая съемка. Гравиметрия по физическим основам формально может считаться аналогом сейсморазведки, поскольку между упругими свойствами среды и величинами плотности слагающих ее пород существует прямая корреляционная зависимость. Область ее применения ограничивается лишь большей неоднозначностью интерпретации результатов измерений, обусловленной особенностями физико-математической теории метода. Тем не менее, роль гравиметрии при исследовании плохо поддающихся изучением сейсморазведкой областей, включая шельф и, в первую очередь, транзитную зону, трудно переоценить.

Попытки создания аэрогравиметрического комплекса предпринимались начиная с 70-х годов как в нашей стране, так и за рубежом. Однако удовлетворительные результаты были получены лишь с внедрением в практику современных спутниковых навигационных систем. В настоящее время работоспособные комплексы, имеющие примерно одинаковые характеристики есть в распоряжении ряда зарубежных компаний (североамериканские компании CARLSON и FUGRO), и одной отечественной («Аэрогеофизика»).

По своим кондициям аэросъемки, выполняемые этими комплексами, отвечают требованиям масштаба 1:200 000, однако в отличие от аналогичных наземных съемок характеризуются равномерным покрытием территории. На рис.1 приводятся сравнительные результаты наземных и воздушных гравиметрических съемок в районе акватории Белого моря.

Рис.1. Карты аномалий гравитационного поля в редукции Фая (август 2000 г.; условный уровень). 
А — по данным аэросъемки; В — по данным наземной съемки масштаба 1:50 000

В последние годы в практику мировых лидеров нефтяного бизнеса прочно входит тенденция использования на ранних стадиях изучения нефтегазоперспективных территорий помимо аэромагнитной и гравиметрических съемок — аэрогамма-спектрометрии. Так, по данным J. G. Morse и др., в 1995 году Горное бюро США опубликовало информационный циркуляр об использовании гаммаспектрометрии при поисках углеводородов. Из 237 проанализированных случаев в 85% приведены примеры положительных результатов различной подтверждаемости. При этом в структуре поля радиации находят отражение как непосредственно залежи углеводородов, так и элементы разрывной тектоники, потенциально контролирующие распределение флюида. 
Весьма низкий уровень полезных аномалий на фоне помех, обусловленных естественным фоном радиоактивности поверхностных образований, предъявляет особые требования к характеристикам используемой аппаратуры. В настоящее время в России и за рубежом для проведения высококачественных съемок, как правило, используются цифровые 512-1024 канальные спектрометры с полисциновыми детекторами NaJ (Tl), общей емкостью до 52 литров с энергетическим разрешением по линии 0.662 мэВ не хуже 9%. Регистрация полного спектра гамма-излучения позволяет, помимо определения концентраций естественных радионуклидов, выявлять области техногенного загрязнения территорий, а также определять концентрации радона в приземном слое атмосферы, что в свою очередь открывает возможности картирования «живущих» разломов.
Первый опыт использования аэроэлектроразведки для поисков углеводородов относится к методическим работам с вертолетной модификацией метода переходных процессов (МПП) на ряде объектов Волго-Уральской провинции в 1985-93 гг. Полученные положительные результаты послужили основанием развертывания опытно-производственных работ, которые, к сожалению, были остановлены начавшимися в стране преобразованиями. Однако результаты работ на территории Удмуртии, Татарстана, Восточного Прикаспия послужили основанием для рекомендаций по включению аэроэлектроразведки в обязательный комплекс опережающих работ.
Для оценки возможностей картирования ореолов измененных пород над залежами углеводородов фирма Geoterrex (Канадское отделение компании CGG) провела опробование канадской системы GEOTEM для аэроэлектроразведки методом переходных процессов на известных месторождениях нефти в Неваде. Результаты были представлены в виде карты распределения постоянной времени затухания переходного процесса. Оказалось, что области положительных значений этого параметра хорошо увязываются с пространственным положением продуктивных скважин.
Возможности использования тепловых инфракрасных съемок для поисков месторождений углеводородов поразному воспринимаются различными компаниями. Одни из них, преимущественно зарубежные, основываясь на модели аномальной инверсии температур на участках развития углеводородных залежей, пытаются использовать этот метод в своей повседневной поисковой практике, другие рассматривают его как дополнительный, но необязательный метод при поисках, третие же, преимущественно отечественные, совершенно не учитывают данные метода в своих работах. 
Не останавливаясь на сути дискуссии, отметим лишь, что наиболее эффективным направлением использования метода, по нашему мнению, является контроль и диагностика систем транспорта углеводородов (нефте- и газопроводов), а также экологическое обследование территорий нефте- и газодобычи, включая области разлива нефтепродуктов на акваториях.
Подобным целям может служить также газовая аэросъемка. Этот вид дистанционных наблюдений позволяет определять концентрации двуокисей азота и серы, метана, бутана, ряда ароматических углеводородов и т.п. в приземных слоях атмосферы с помощью специальных трассовых газоанализаторов. Имеется положительный опыт использования подобных съемок для поисковых целей (ПГО «Красноярскгеология»).
Перечисленные методы исследования нефтегазоперспективных территорий в кротчайшие сроки, при минимальном финансировании и отсутствии каких-либо экологических последствий, позволяют получить уникальную по объему, комплексности и полноте базу данных по исследуемым территориям, дальнейшая геолого-геофизическая интерпретация которой и позволяет, в конечном счете, минимизировать затраты и сроки и оптимизировать технологию поисков в перспективных регионах.

Новые технологии геолого-геофизической интерпретации и прогнозирования месторождений углеводородов по результатам аэрометодов.

В основу геолого-геофизической интерпретации материалов комплексных аэрогеофизических съемок положены как фактически установленные и многократно подтвержденные, так и не вышедшие за рамки гипотез предположения о закономерностях локализации месторождений углеводородов в недрах (поисковые предпосылки), и формах отражения в геолого-геофизических полях самих скоплений углеводородов или явлений, обусловленных формированием, изменением и разрушением этих скоплений (поисковые признаки). 
Для выявления и картирования предпосылок поискового прогнозирования на основе материалов проведенных аэрогеофизических работ разработаны интерпретационные технологии, основанные преимущественно на использовании потенциальных методов: магнитометрии и гравиметрии. Как правило, они ориентированы на разделение вертикального разреза горных пород исследуемых территорий на отдельные субгоризонтальные компоненты — маркеры, отличающиеся друг от друга глубинами залегания и петромагнитными и петроплотностными характеристиками. В условиях древних осадочных бассейнов таким главным маркером обычно является складчатый фундамент платформы, или точнее его поверхность, менее контрастными маркерами — прослои слабомагнитных терригенных пород в разрезе карбонатных или глинистых практически не магнитных образований. Соответственно и основной задачей геофизической интерпретации магнитометрического поля является выделение поверхностей или слоев-маркеров и картирование их рельефа. С этих же позиций рассматривается технология интерпретации поля силы тяжести. 
Тогда структуры рельефа поверхности маркирующих горизонтов могут указывать на наличие разнообразных структурных ловушек для углеводородов, а анализ мощностей между отдельными горизонтами позволяет выделять некоторые ловушки неструктурного типа. 
Как показал анализ исследованных и используемых интерпретационных технологий, весьма важной составляющей при прогнозе углеводородов является геологическая структура самого складчатого фундамента древних осадочных бассейнов, картирование которой также может осуществляться на основе геологической интерпретации данных магнитометрии и гравиметрии. 
Проведенный анализ известных по опубликованным материалам интерпретационных технологий позволил наметить по отношению к указанному подходу минимум три группы решений. В первой из них (преимущественно зарубежные публикации) современные методы количественной интерпретации используются в минимальном объеме. Как правило, интерпретация ограничивается простейшими трансформациями с дальнейшим распознаванием полученных образов и попытками тектонического районирования территорий. Лишь иногда для оценки глубин источников привлекаются простейшие приемы анализа особых точек типа деконволюции Эйлера.
Вторая и третья группа решений при интерпретации потенциальных полей оказались реализуемы благодаря, с одной стороны, исключительно высокой точности проводимых полевых измерений, а, с другой стороны — применению современной методологии количественной интерпретации. Различия между ними сводятся фактически к тому, что во второй группе превалируют двумерные интерпретационные модели, а в третьей — интерпретация строится на базе трехмерных решений. Эти различия вызваны как возможностями применяемой вычислительной техники, так и наличием программных средств, реализующих современные достижения физики и математики для интерпретации при массовых производственных работах.

Рис.2. Результаты интерпретации магнитометрических и гравиметрических данных применительно к задаче картирования рельефа и геологической структуры складчатого фундамента. 1, 2- карт намагниченности и плотности пород, соответственно; 3 — классификация пород по петромагнитным характе-ристикам, 4 -карта петромагнитных разрезов; 5 — схема глубин залегания; 6 — геолого-тектоническая карта верхней части разреза фундамента; 7 — схема структур рельефа.
Рис.3. Результаты интерпретации магнитометрических данных применительно к задаче картирования структур рельефа маркирующих горизонтов осадочного чехла. 1,2 — структурные карты магнитоактивных горизонтов М-1 и М-2 в составе осадочного чехла; 3, 4 — карты изменчивости мощностей между горизонтом М-1 и фундаментом, между горизонтами М-1 и М2; 5 — эффективная намагниченность пород горизонта М-1; 6,7 — карта пликативных и дизъюнктивных структур опорных магнитоактивных горизонтов

Рассмотрим некоторые примеры интерпретационных решений по материалам аэрогеофизической съемки применительно к задаче трехмерного картирования структуры древних осадочных бассейнов. 
В такой технологии первым важным ее элементом обычно является определение глубины залегания складчатого, а иногда и метаморфизованного фундамента платформенных областей, геологическое картирование верхней части разреза фундамента. Для решения первой части этой задачи служит, в частности, разработанная в ГНПП «Аэрогеофизика» технология ROMGAS. Она основана на использовании спектральной формы представления потенциальных полей и позволяет выполнять оценку глубины залегания магнитоактивной (гравитирующей) поверхности, которая в большинстве случаев может ассоциироваться с глубиной залегания фундамента. 
Вторая часть задачи решается с использованием технологии REIST, которая основана на моделировании магнитного поля фундамента путем подбора эффективной намагниченности слагающих его пород. Этот подход используется так-же и при интерпретации гравитационного поля для получения модели распределения петроплотностных характеристик пород фундамента. 
На рис. 2 приведены результаты работ по картированию структур и поверхности складчатого основания древнего осадочного бассейна одного из нефтегазо-перспективных районов. Сопоставление получаемых оценок глубин залегания фундамента с имеющимися данными бурения позволяет обычно получать средние величины относительной погрешности около 5-10%. 
Для изучения особенностей строения осадочного чехла выполняется выделение остаточных гравитационного и магнитного полей, связанных с вертикальными и латеральными неоднородностями в составе осадочного чехла с дальнейшим анализом этих полей с целью выделения и картирования этих неоднородностей. 
Характер геологических задач здесь мало отличается от тех, которые приходится решать при геологическом изучении фундамента (расчленение, картирование и пр.). Однако методически и технологически это существенно более сложная проблема. В первую очередь это объясняется тем, что вклад в суммарное магнитное поле структур и образований в составе осадочного чехла существенно меньше, чем от аналогичных объектов фундамента. Так магнитная модель фундамента, полученная с использованием технологии REIST на приведенном выше примере, исчерпывает исходное поле до величины стандартного отклонения остатка в 12 нТл. С учетом того, что стандарт исходного поля составлял около 300 нТл, можно сделать вывод, что вклад от образований осадочного чехла составляет около 0.16% от суммарной энергии поля. 
Отмеченное обстоятельство в первую очередь предъявляет весьма жесткие требования к качеству исходных материалов и определяет невозможность использования для решения поставленной задачи материалов съемок прошлых лет. 
Наиболее корректным путем вычисления остаточных полей является редуцирование исходного поля с исключением из него поля модели фундамента, которое может быть получено с помощью технологий, подобных технологии REIST. 
Оценка рельефа поверхности опорных горизонтов в составе осадочного чехла может быть выполнена в благоприятных случаях с помощью технологии ROMGAS. При этом, как правило, удается картировать глубины залегания сравнительно маломощных пород (десятки метров) при их избыточной магнитной восприимчивости в десятки на 10-5 ед. СИ.

На рис. 3 приведены результаты таких оценок. При геологической интерпретации осуществляется литолого-стратиграфическая идентификация выделенных магнитоактивных горизонтов, построение карт пликативных и дизъюнктивных структур. Также важным элементом интерпретации является анализ мощностей между выделенными литолого-стратиграфическими подразделениями — маркерами. Он позволяет классифицировать выделяемые структуры по возрасту, условиям формирования. В ряде случаев — в карбонатных разрезах — удается фиксировать аномальное увеличение мощностей между терригенными маркерами, которые часто связываются с рифовыми постройками. 
Полученные в результате геолого-геофизической интерпретации карты фундамента, рельефа его поверхности, структур осадочного чехла позволяют построить модель геологического строения древнего осадочного бассейна и определить отдельные важные этапы его формирования. Все эти данные оказываются важными для выделения структурных и неструктурных ловушек для углеводородов (предпосылки поискового прогнозирования), на основании которых, далее, и осуществляется оптимизация проекта наземных геофизических и буровых поисковых работ. 
Поисковые признаки залежей углеводородов изучены недостаточно. Прямых признаков, однозначно указывающих на залежи углеводородов, применительно к полям, измеряемым аэрометодами, однозначно понимаемых и интерпретируемых, на сегодня не установлено. Под косвенными же признаками понимаются такие формы отражения в геолого-геофизических полях нефтяных и газовых залежей, а также сопутствующих им явлений, которые также могут отражать и иные геологические образования, не связанные с нефтегазонакоплением. И таких косвенных признаков сегодня выделяют достаточно много. 
В основе выделения косвенных поисковых признаков месторождений обычно рассматривается модель специфических эпигенетических процессов, протекающих над залежами нефти и газа в перекрывающих их породах в связи с миграцией углеводородов. По мнению одних исследователей, специфические аномальные формы отражения этих процессов примерно совпадают с границами залежей, по мнению других — с краевыми частями месторождений, по мнению третьих — с участками повышенной тектонической трещиноватости. 
Многие исследователи указывают на возможность изменения физических свойств у перекрывающих залежи толщ под воздействием фильтрующихся по вертикали жидких флюидов. Они указывают на возможность существенного снижения магнитных свойств вмещающих залежь пород под воздействием флюидов углеводородов и возможность выделения таких аномальных зон при помощи аэромагнитометрии. Это открывает возможности прогноза месторождений углеводородов по аэромагнитным данным на основе совместного анализа структурных карт осадочного чехла и данных о распределении намагниченности опорных горизонтов. На рис. 3.5 приведен пример аномалий такого типа, полученных из материалов аэромагнитной съемки. 
По отношению к радиогеохимическим методам предполагается, что формирование залежи сопровождается образованием наложенных ореолов рассеяния, сформированных за счет дальней миграции металлов, находящихся в подвижных формах. Подобные аномалии были изучены над известными месторождениями Западной Сибири, Белоруссии, Волго-Уральском районе. 
Несмотря на спорность и гипотетичность предположений, положенных в основу методики, подобная схема геохимических преобразований отчетливо проявлена при масштабных экспериментах по изучению последствий экологических катастроф, связанных с выбросами и разлитиями нефти, разливами сточных вод. В части касающейся дистанционных методов структура геохимических полей отражается в специфике проявления аномалий естественных радионуклидов (U, Th, K).

***

Приведенные в обзоре данные, многолетний опыт использования аэрогеофизических технологий в самой широкой геолого-исследовательской и производственной практике, в т.ч. и при решении нефтегазопоисковых задач, позволяют предполагать и дальнейший рост эффективности их применения в исследовании нефтегазоносности древних осадочных бассейнов.