Разведочная геофизика – подспорье геологии

Современная геология требует и совершенно особенных методов исследования.

В геологи идут романтики. Геолог-бородач, пробирающийся с геологическим молотком в малодоступных местах, давно стал хрестоматийным персонажем. И на вопрос о том, что такое геология, он шутя ответит, что это образ жизни. И затем уже для особо любознательных станет увлеченно рассказывать о сути своей профессии, но уже не без неизбежных в таких случаях определений, кажущихся рядовому обывателю немного скучными.

Соперница «дикой кошки»

Геология – это наука, изучающая недра земли главным образом для освоения ее минеральных ресурсов. Последовательность геологических исследований, нацеленных на выявление месторождений полезных ископаемых, включает геологическую съемку, поисковые работы, разведку и подсчет запасов.

Съемка состоит в картировании выходов на земную поверхность (так называемых обнажений) горных пород. Прогноз, данный геологом, проверяют при помощи горных выработок. Проходка таких выработок в приповерхностной зоне обходится дорого, но особенно дорогими оказываются глубокие скважины. Стоимость разведочного бурения в наземных условиях составляет десятки миллионов долларов, а в условиях глубокого моря она возрастает до сотен миллионов.

Не вскрывшая залежь, «сухая» буровая скважина, пробуренная с целью поисков углеводородов (нефти или газа) методом «дикой кошки», то есть без должного обоснования места бурения, приносит большие убытки. И здесь на помощь геологам приходит разведочная геофизика, которую с полным основанием считают наукой, родственной геологии.

Можно без преувеличения сказать, что с появлением разведочной геофизики у геологии появилось второе дыхание. Большие глубины, доступные разным геофизическим методам, позволили резко повысить достоверность геологических прогнозов, неоднозначность которых некогда ставила геологию едва ли не на первое место по числу выдвигаемых гипотез.

С появлением разведочной геофизики романтика геологической профессии несколько трансформировалась, поскольку в поиски и разведку месторождений стал вовлекаться обширный класс специалистов в области физико-математических наук, делающих свои открытия совместно с геологами не на неведомых тропах геологических маршрутов, а в тиши лабораторий перед мониторами компьютеров.

Всевидящая сейсмика

Разведочная геофизика сформировалась как наука к середине XIX века. Она опирается на различие физических свойств разных горных пород. В ней много разных методов, и каждый из них изучает определенный набор физических свойств. К основным методам можно отнести сейсморазведку, гравиразведку, электроразведку, магниторазведку, радиометрию. Полевая геофизика характеризуется наблюдениями в приповерхностной зоне, а геофизические исследования в скважинах – наблюдениями внутри изучаемой среды.

Получение экспериментальных данных предполагает непосредственное измерение (или регистрацию) характеристик, связанных с объектом исследования. Фото Reuters

Сейсморазведка исследует строение земли путем возбуждения и регистрации упругих волн. Скорости распространения продольных и поперечных волн различны в разных горных породах. Волны, распространяясь внутри среды, испытывают преломления и отражения в местах контактов разных горных пород.

В сейсморазведке используют в основном отраженные волны, которые, приходя к земной или морской поверхности, несут информацию о форме границ, разделяющих пласты горных пород между собой, а также о степени контрастности контактирующих горных пород. Нефть и газ, насыщающие пористые горные породы (ловушки углеводородов), вносят характерные изменения в структуру волновых сейсмических полей, регистрируемых в приповерхностной зоне при помощи сейсмоприемников.

Возбуждают же сейсмические волны при помощи взрывных и невзрывных сейсмических источников. В настоящее время более половины сейсморазведочных работ, проводимых в разных странах, выполняют при помощи вибрационных источников колебаний, способных осветить земную толщу на глубину в несколько километров. Обработка сигналов отраженных волн позволяет сформировать в памяти компьютера образ глубинных геологических объектов. Фрагменты этого образа изображаются на экране монитора и интерпретируются совместно геологами и геофизиками.

Как-то на одной из международных выставок геологической отрасли висел плакат, на котором геолог-бородач с легендарным геологическим молотком в руке, теперь явно ненужным, с восхищением наблюдает на экране монитора объемное цветное изображение геологического объекта, расположенного на глубине. Полвека назад это было бы фантастикой, а в последние десятилетия стало реальностью.

Изображения земных недр, расположенных на большой глубине под земной поверхностью или под дном моря, теперь получают, опираясь на современные технологии сбора и обработки геофизической информации. Авторитет сейсморазведки столь велик, что с конца 1980-х годов ведущие нефтяные компании приступают к освоению месторождений лишь после того, как они будут основательно изучены сейсморазведкой, причем желательно в ее объемной модификации. Более того, в настоящее время эти компании могут получить банковский кредит на бурение скважин лишь после обоснования своих проектов результатами сейсморазведки.

Недра в профиль

Убедиться в том, что к сейсмоприемникам приходят именно те волны, по которым формируют изображение глубинных объектов, позволяет вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП). Его суть – регистрация упругих колебаний в глубоких буровых скважинах. Метод ВСП впервые был предложен 55 лет назад в России, опередившей тогда в этой области на 15 лет все другие страны.

Этот метод позволил сейсморазведчикам детально прослеживать внутри среды весь процесс формирования волнового сейсмического поля, начиная от его излучения, последующих актов преломления и отражения сейсмических волн вплоть до регистрации волн наземными или морскими приемниками. Метод позволяет однозначно убедиться в справедливости физических основ сейсморазведки и справедливости ее девиза «Меньше бурить – больше добывать!». Возможность непосредственно наблюдать в скважинах отраженные волны реализует ключевой в науке принцип «презумпции доказанного».

По некоторым данным, на каждый доллар, вложенный в объемную сейсморазведку, проведенную на 10 месторождениях в Западной Сибири, получена прибыль 2,5 долл. Зарубежные компании приводят еще более убедительные примеры. Так, затраты компании АМОКО в среднем на каждый из 115 объектов составили 2,5 млн долл. при экономическом эффекте 9,5 млн долл. Помимо экономии затрат на непродуктивное бурение применение сейсморазведки позволяет добиться прироста запасов. В настоящее время это крайне актуально в России, где «проедание» нефти из промышленных месторождений, открытых еще в советское время, в значительной степени не компенсируется подготовкой к бурению новых месторождений.

Новейшее направление сейсморазведки – сейсмический мониторинг. Это метод, при котором исследования на месторождении проводят многократно с последующим сопоставлением результатов, полученных в разное время. Такие исследования помогают бережно и планомерно расходовать природные запасы, беречь окружающую среду от ущерба, обусловленного неоправданно высокой скоростью извлечения нефти. Такая ситуация при нынешнем подчас прямо-таки хищническом отношении к запасам является, к сожалению, нередкой.

Проверка на плотность

Гравиразведка изучает возмущения ускорения свободного падения, обусловленные изменениями (аномалиями) плотности горных пород. Измерения проводят высокоточными приборами (гравиметрами), которые позволяют выявлять аномалии, составляющие всего 10-8–10-9 значения силы тяжести. Гравиразведка находит применение для решения многих геологических задач с широким диапазоном глубин исследования – от нескольких метров до нескольких десятков километров.

В нефтегазовой отрасли ее применяют при региональных исследованиях с целью трассирования тектонических нарушений в фундаменте и оценки глубины его залегания. В благоприятных для нее условиях гравиразведку успешно применяют при поисках и разведке ловушек углеводородов. В труднодоступных районах и акваториях морей и океанов применяют аэрогравиметрическую разведку.

Новое направление в гравиразведке – изучение вариаций гравитационного поля с целью мониторинга эксплуатации искусственных газохранилищ, а также природных залежей углеводородов. При поисках других ископаемых, рудных и нерудных, также широко используют гравиразведку.

Еще один интересный метод георазведки – магниторазведка. Он основан на различиях магнитных свойств горных пород и состоит в измерении магнитного поля или его компонент (например, вертикальной компоненты). Возможность измерения направления и интенсивности магнитного поля позволяет локализовать скопления магнитных материалов, содержащих ферромагнитные минералы, картировать геологические структуры и определять глубину залегания фундамента, сложенного породами с различными магнитными свойствами.

В больших объемах магниторазведку проводят аэромагнитометрами в авиационном варианте. Измерения магнитометрами с применением автотранспорта имеют ограничения, поскольку привязаны к дорожной сети. Пешая магниторазведка отличается высокой детальностью, но низкой производительностью.

Теория, методика проведения работ, обработка и интерпретация данных магниторазведки сходны с таковыми в гравиразведке, поскольку оба метода основаны на изучении аномалий естественных полей, созданных горными породами, различающимися по плотности или намагниченности. Вместе с тем магнитные аномалии оказываются более сложными для интерпретации, чем аномалии силы тяжести.

Широко используется в рудной геофизике, а также для картирования положения геологических границ и фундамента, на котором залегают осадочные горные породы, электроразведка. Ее часто применяют при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях. Электроразведка проводится путем измерений на земной поверхности естественных или искусственно создаваемых электрических полей.

Она включает в себя значительно больше методов, чем любое другое направление разведочной геофизики. Объясняется это тем, что в ней используют как естественные, так и искусственные источники, а также тем, что электрические поля могут быть постоянными или переменными во времени.

В комплексе с другими геофизическими методами электроразведка находит применение для непосредственного выявления нефтегазовых залежей, при так называемых прямых поисках. Эта возможность обусловлена тем, что нефте- и газосодержащие породы обычно имеют значительно более высокое электрическое сопротивление по сравнению с водонасыщенными. (В сейсморазведке выявление таких пород опирается на тот факт, что скорость распространения продольных волн в газонасыщенных породах существенно ниже, чем в ненасыщенных. При этом скорость поперечных волн от газонасыщения практически не зависит.)

Набор для каротажа

Геофизические исследования скважин (ГИС) проводят с целью детального изучения их разреза и месторождения в целом. ГИС включают в себя множество методов, различающихся между собой в зависимости от типа изучаемых физических параметров горных пород.

Устаревшее, но широко используемое название каждого из методов – каротаж – имеет французское происхождение (от слова «морковь», поскольку извлекаемые из скважины после работ приборы, подвешиваемые на кабеле, напоминали выдернутую из почвы морковку). Чаще всего применяют следующие виды каротажа: электрический каротаж (объект его изучения – электрические свойства горных пород); ядерно-геофизические методы (основаны на изучении поведения ионизирующих излучений в скважине); акустический каротаж; газовый каротаж; термокаротаж (измерение температуры в скважине); инклинометрия (измерения пространственного положения ствола скважины); кавернометрия (измерение диаметра скважины в разных ее точках); пластовая наклонометрия (определяет пространственное положение наклонных слоев, пересеченных скважиной, и субвертикальных трещин). Наиболее широко методы ГИС используются в нефтегазовой отрасли.

Методы ГИС – наиболее детальные, они позволяют в геологических пластах выделять слои толщиной (мощностью) в несколько сантиметров. Однако при столь высокой разрешающей способности эти методы не позволяют прогнозировать физические свойства пород глубже забоя скважины, а глубина прогноза по нормали к стенке скважины не превышает десятка сантиметров.

Этих недостатков лишен метод ВСП. Это как бы звено между наземной сейсморазведкой и методами ГИС. Особенности графиков, полученных при проведении ГИС (так называемые промыслово-геофизические репера), увязываются с сейсмическими реперами, которыми являются сейсмические импульсы, регистрируемые в методе ВСП. Комплексное использование ГИС и ВСП с наземной сейсморазведкой обеспечивает наиболее надежную привязку отраженных волн, регистрируемых в наземной сейсморазведке, к детальным особенностям геологического разреза.

Прямая и обратная задачи

Месторождение представляет собой обычно уникальный объект со сложной структурой и особенностями, поэтому каждый геофизик-разведчик является исследователем. В контакте с геологами ему приходится по полученным данным определять модель изучаемого объекта и ее параметры, поэтому он всегда имеет дело с решением обратной задачи. В наиболее простых случаях модель изучаемого объекта считается известной, и тогда требуется по имеющимся данным оценить ее параметры, что и составляет суть обратной задачи.

Получение экспериментальных данных предполагает непосредственное измерение (или регистрацию) характеристик, связанных с объектом исследования. Модель – упрощенное представление объекта, а процесс получения модельных данных на основе такой модели называют прямой задачей. Прямые задачи опираются на математическое описание модели, позволяющее получать модельные данные путем вычислений. Процесс же перехода от данных к модели соответствует обратной задаче.

Модельные и экспериментальные данные могут существенно различаться. Результаты решения прямой и обратной задач могут не совпадать, хотя они и относятся к одному и тому же объекту исследований. Такое несовпадение по модельным и наблюденным данным происходит обычно при изучении сложных геофизических объектов. Описание модели в общих постановках обратных задач содержит как математические объекты, так и объекты из других наук о земле (петрофизики, структурной геологии, тектоники и др.).

Если при решении обратной задачи модельные и экспериментальные данные совпадают, то можно утверждать, что исследуемый объект может быть полностью изучен и что принятая для расчетов модель идеально с ним совпадает. При этом решение прямой задачи может быть использовано для точного прогноза получаемых данных, а решение обратной задачи используют для фиксирования искомых значений параметров модели объекта.

Обработка геофизических данных в настоящее время превратилась в интерпретационную обработку, для которой характерна ярко выраженная обратная связь между этапами обработки и интерпретации, которые еще сравнительно недавно проводились раздельно. Сейчас геологи и геофизики, исследующие какой-либо объект, говорят, по существу, на одном языке. Это позволяет оптимально устранять все противоречия, которые возникают из-за неправомерного упрощения исходной модели сложно построенного геологического объекта.