ОСОБЕННОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ ФЛЮВИАЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
О.В. Пинус (Шлюмберже DCS), К.В. Пайразян (ТНК-ВР)
Отложения, сформировавшиеся во флювиальных (речных) обстановках осадконакопления, широко распространены в разрезах нефтегазоносных бассейнов мира и являются важнейшими продуктивными объектами многих месторождений (в том числе и гигантских). Среди продуктивных объектов Российской Федерации, где флювиальные коллекторы играют важную (до первостепенной) роль, следует перечислить такие, как тюменская и шеркалинская свиты Западной Сибири, пласты АВ и АС Нижневартовского и Сургутского сводов, парфеновский горизонт Восточной Сибири и многие другие.
Флювиальные толщи часто содержат мощные песчаные пласты с высококачественными коллекторами, которые вместе с тем характеризуются значительной внутренней неоднородностью и сложностью геологического строения. В связи с этим, освоение таких пластов во многих случаях связано с такими проблемами, как выявление зон резких литологических переходов и глинизации, преждевременная обводненность, извлекаемость запасов ниже прогнозируемой и др. Снижение подобных рисков при освоении флювиальных объектов возможно за счет детального геологического изучения с последним применением современных технологийи методик геологического анализа и моделирования [3, 4].
Практика геологической интерпретации флювиальных толщ показывает, что в большинстве случаев значительные сложности возникают уже при корреляции и отбивке пластов. Это обычно связано с их неоднородностью и пространственной невыдержанностью. Не менее сложной задачей является построение геологических моделей, адекватно учитывающих все особенности геологического строения исследуемых объектов. Для построения моделей высокого качества принципиально важно проводить детальный фациальный анализ с целью получения углубленных представлений о процессах речной седиментации, сформировавших пласт. Такой анализ может включать корреляцию и интерпретацию каротажных кривых, седиментологическое изучение керна, анализ сейсмических атрибутов и изучение данных пластовых микроимиджеров. Проведение данных работ в конечном итоге дает возможность значительно лучше понять и оценить такие параметры пласта, как его размерность и геометрия, зональность, внутренняя неоднородность и гидродинамическая связность.
Реализация полученных представлений в 3-мерные модели требует применения специальных алгоритмов и методик моделирования, позволяющих корректно отразить сложность строения флювиального резервуара. В данной статье рассмотрены основные технологии моделирования с обсуждением их применимости для отложений различных типов речных отложений. По Ковыктинскому месторождению (Восточная Сибирь) приведен пример построения модели флювиального пласта сложного строения методом объектного моделирования.
Особенности флювиальной седиментации (типы рек)
Процессы седиментации в речных (флювиальных) обстановках осадконакопления достаточно хорошо изучены и детально описаны в многочисленных работах (Селли Р.Ч., 1989, [3, 4]). По классификации речные системы подразделяются на: разветвленные (Используются также термины заплетенные или с блуждающими руслами. В данной работе принят термин разветвленные (по Р.Ч.Селли, 1989).), меандрирующие, анастомотические и со спрямленным руслом (рис. 1 см. на цветной вкладке). Последние два типа редкие (экзотические), поэтому в данной статье не рассматриваются. Песчаные пласты, сформировавшиеся в системах разветвленного или меандрирующего типа, значительно различаются по геометрии, коллекторским свойствам и степени внутренней неоднородности. Таким образом, классификация речных отложений (отнесение к тому или иному типу) является первостепенной задачей фациального анализа, предшествующего построению геологической модели.
Разветвленные (braided) речные системы образуются в областях с относительно высоким градиентом уклона рельефа, где энергия водного потока достаточно высока. В результате системы характеризуются спрямленными руслами обычно с большим числом островов, положение и число которых сильно изменчивы (рис. 2, А см. на цветной вкладке). В разветвленных реках отлагается относительно крупнозернистый материал (от мелко- до крупнозернистых песков, гравелиты, гальки), и формирование песчаных тел происходит преимущественно в барах русловых отмелей за счет процессов продольного наращивания (downstream accretion).
Меандрирующие (meandering) речные системы формируются в условиях более низкого градиента рельефа и характеризуются сложной синусоидальной геометрией русел (см. рис. 2, Б на цветной вкладке). По сравнению с разветвленными системами, здесь происходит накопление более мелкозернистого материала. Формирование песчаных тел происходит преимущественно в барах песчаных кос за счет процессов бокового наращивания (lateral accretion). Положение активных русел сильно изменчиво, а в покинутых руслах (старицах) отмечается преимущественно глинистое осадконакопление.
Продуктивные пласты, сформированные в меандрирующих речных системах, обычно обладают высокими коллекторскими свойствами, но характеризуются сложной пространственной геометрией и неоднородным внутренним строением. Неоднородность обусловлена сложной морфологией песчаных тел, сформировавшихся в русловых барах, а также присутствием глинистых отложений стариц. Во многих случаях залежи меандрирующих рек могут состоять из гидродинамически изолированных блоков за счет литологических переходов и выклиниваний. Отложения разветвленных систем, по сравнению с меандрирующими, содержат существенно меньше мелкозернистого материала и обычно характеризуются большей пространственной связностью песчаных тел. В результате они образуют пласты с более высокими коллекторскими свойствами и более однородными по строению (Имеются в виду первичные коллекторские свойства до изменения пласта процессами диагенеза.).
Перечисленные принципиальные различия строения пластов меандрирующих и разветвленных речных систем предопределяют использование разных методик и алгоритмов для воспроизведения их строения в 3-мерных геологических моделях. В представленном ниже примере песчаники парфеновского горизонта Ковыктинского месторождения сформировались в русловой системе разветвленного типа. Для построения их модели был использован метод объектного моделирования, позволяющий адекватно воспроизводить объекты с высокосвязными коллекторами.
Методы моделирования
Процесс построения геологической модели заключается в оценке геологического строения пласта и его коллекторских свойств по данным скважин и сейсморазведки и перенесением их в межскважинное пространство с использованием математических алгоритмов (Petrel reference manual, 2005). Как было отмечено, для адекватной оценки размеров, внутреннего строения, неоднородности и гидродинамической связности флювиального пласта требуется проведение детального фациального анализа. Для корректного отражения данных параметров в 3-мерной модели применяются специальные методики.
Результаты анализа сейсмических атрибутов в определенных случаях позволяют с удовлетворительной степенью корректности выделить фациальные элементы флювиальных комплексов в межскважинном пространстве. Это дает возможность проводить фактически прямую трансформацию выбранных атрибутов в фациальную модель. К сожалению, во многих случаях такие факторы, как качество и разрешение исходных данных сейсморазведки, низкая мощность пластов (или их низкая акустическая контрастность по сравнению с вмещающими толщами) делают атрибуты слабо пригодными для моделирования. В результате число примеров успешного применения данной методики весьма ограничено.
При отсутствии информации о строении объекта по сейсмическим данным, моделирование межскважинного пространства целиком зависит от адекватности представлений о фациальном строении пласта и выборе корректной методики его моделирования. Задача подбора оптимальной методики сводится к выбору алгоритма и настройки его параметров таким образом, чтобы 3-мерная модель соответствовала текущим представлениям о геологическом строении объекта исследования и механизмах его формирования. Для моделирования флювиальных фаций обычно применяются стохастические методы, из которых наиболее часто используются алгоритмы пиксельного либо объектного моделирования (Petrel reference manual, 2005).
В пиксельных методах фациального моделирования конечный результат определяется заданной вариограммой и получаемые фациальные тела характеризуются неровной и изометричной геометрией, что может быть хорошим приближением для флювиальных фаций (рис. 3 см. на цветной вкладке). Алгоритм последовательного индикаторного моделирования (SIS) - наиболее часто применяемый из пиксельных методов. Возможности использования в нем вторичных трендов и вероятностных карт позволяют контролировать пространственное распределение фаций и получать адекватные результаты (в частности, для моделирования отложений меандрирующих рек).
Алгоритмы объектного моделирования позволяют моделировать синусоидальные объекты русловой морфологии в соответствии со скважинными данными и задаваемыми геометрическими параметрами русел (рис. 4 см. на цветной вкладке). Иными словами, они позволяют создавать тела, схожие по геометрии с конфигурацией активных русел рек.
Практика использования объектного моделирования, однако, показывает, что адекватные результаты могут быть получены только для случаев высокосвязных пластов с высоким коэффициентом песчанистости. Основная проблема использования данного алгоритма состоит в том, что формирующиеся в реках песчаные тела по морфологии могут сильно отличаться от конфигурации исходных русел, в которых они отлагались. Это относится, в первую очередь, к отложениям меандрирующих рек, где формирование основных объемов песчаного материала происходит в барах песчаных кос за счет процессов бокового наращивания (Селли Р.Ч., 1989; [4]). Песчаные тела здесь характеризуются сложной геометрией, зачастую весьма далекой от объектов синусоидальной формы (см. рис. 2, Б на цветной вкладке). Таким образом, алгоритм объектного моделирования хоть и создает внешне реалистичные имиджи конфигурации русел, но не всегда позволяет корректно воспроизводить геометрию формирующихся в этих руслах песчаных тел. Тем не менее для разветвленных систем, которые обычно характеризуются высоким коэффициентом песчанистости и хорошей связностью, использование данной методики может давать хорошие результаты. В данной статье это продемонстрировано на примере Ковыктинского месторождения.
Использование как объектных, так и пиксельных методов требует определения параметров моделируемых объектов в соответствии с представлениями о размерности, геометрии и других особенностях речной системы, где они сформировались. Однако при отсутствии высококачественных сейсмических атрибутов и ограниченности скважинных данных последнее может быть весьма затруднительным. В таких случаях необходимые предположения могут быть сделаны путем подбора и изучения аналогов, которые формировались в сходных условиях. Можно использовать либо данные по изучению флювиальных пород в обнажениях, либо современные реки, анализируемые по космо- либо аэрофотоснимкам. Выбор правильного аналога позволяет определиться с оптимальным алгоритмом моделирования и подбором его параметров (амплитуда меандров, длина волны, вариограммы и т.д.). Здесь, однако, может присутствовать значительный компонент неопределенности, поскольку данные по современным рекам или обнажениям могут содержать весьма ограниченную информацию о реальном 3-мерном строении русловых песчаников. Также следует иметь в виду, что определение правильного аналога может быть весьма неоднозначным и субъективным.
Моделирование Ковыктинского месторождения
Ковыктинское месторождение является крупнейшим в Восточной Сибири месторождением газа и газового конденсата, пока еще не введенным в промышленную эксплуатацию [1]. Оно расположено на юго-востоке Сибирской платформы, в северной части Иркутской области. Основные газонасыщенные коллекторы месторождения содержатся в песчаниках парфеновского горизонта венда (докембрий). Литологически данные отложения представлены песчаными разностями (от мелко- до крупнозернистых) с локальным присутствием гравелитов и многочисленными косослоистыми текстурами [1,2, 5].
При отсутствии материалов сейсморазведки 3D на большей части территории, понимание геологического строения продуктивного пласта полностью основывается на данных достаточно редкой сети разведочных скважин. При моделировании это приводит к значительным неопределенностям в оценках свойств пласта в межскважинном пространстве. Отсутствие продолжительной истории разработки также не позволяет откалибровать модели пласта по гидродинамическим данным. В такой ситуации высокое качество исходной геологической модели является первоочередным фактором, определяющим корректность последующих расчетов вариантов разработки и прогнозных уровней добычи. Качество же геологической модели напрямую зависит от глубины понимания геологических процессов, определивших особенности строения пласта и максимально адекватное их отражение в 3-мерной модели.
Детальные седиментологические изучения отложений парфеновского горизонта проводились в последние 20 лет по керну более 30 разведочных скважин. Результаты данных исследований позволили сделать вывод о том, что накопление песчаного материала в южной и центральной частях месторождения происходило в условиях обширной прибрежной равнины и было связано с системой речных русел разветвленного типа [5]. Об этом свидетельствуют прямые седиментологические признаки по керну [5], а также конфигурации каротажных кривых и их слабая коррелируемость (рис. 5 см. на цветной вкладке). Транспортировка основного объема осадков осуществлялась преимущественно с южного направления, а относительно крупнозернистый состав осадков и их низкая минеральная зрелость предполагают достаточно близкое (<100 км) положение источников сноса [2]. В северной части месторождения флювиальные фации предположительно сменяются на прибрежные, где главную роль вероятно играли приливно-отливные процессы (рис. 6 см. на цветной вкладке). Формирование основной доли (~ 90 %) продуктивных коллекторов связано с осадконакоплением в русловых комплексах. Основное отличие процессов седиментации, происходивших в данной обстановке, по сравнению с современными аналогами, заключается в полном отсутствии наземной растительности в докембрий. В результате этого, наряду с высокой энергией водных потоков, пространственное положение берегов и русловых баров было крайне нестабильным [2, 5]. Это привело к распространенности песчаных тел на большой территории и их хорошей площадной связности (по результатам изучения каротажных данных и гидродинамических исследований).
Таким образом, учитывая разветвленную природу русловых систем и высокую связность пластов, был сделан выбор о целесообразности использования алгоритма объектного моделирования флювиальных русел. Здесь, в первую очередь, возник вопрос о подборе адекватных параметров моделирования (см. рис. 4 на цветной вкладке). Диапазон изменений мощности отложений отдельно взятого русла (канала) оценивался напрямую по седиментологическим данным из описаний керна. Для остальных параметров, описывающих пространственную геометрию русел, существовали значительно большие неопределенности. При отсутствии данных сейсморазведки 3D и изученных аналогов в обнажениях, эти параметры могли быть получены только по современным речным системам со сходными условиями седиментации. Как отмечалось, специфические условия осадконакопления, существовавшие в докембрии, значительно осложнили поиск аналога. Были проанализированы современные речные системы разветвленного типа, формирующиеся в условиях мимнимального растительного покрова (аридные и субарктические зоны). В результате были выбраны два предполагаемых аналога (речные системы из центральной Австралии и Исландии), по которым были взяты параметры (таблица).
По оценкам предполагаемых направлений потока палеорусел существовали значительные неопределенности вследствие отсутствия данных исследований микроимиджерами FMI либо ориентированного керна. Первоначальные предположения об основных трендах палеорек на территории месторождения в направлении северо-северо- запад были основаны на данных изменчивости литологического состава (рис. 7, А см. на цветной вкладке). Альтернативная точка зрения основывалась на анализе общих мощностей парфеновского горизонта, которые демонстрируют значительное увеличение в северо-восточном направлении. При таком варианте направление палеорек могло быть ориентировано в сторону депоцентров, в зоны наибольшего прогибания (см. рис. 7, А на цветной вкладке). В конечном итоге для построения фациальной модели условно было взято северное направление как компромисс между двумя альтернативами. Для снижения неопределенности с направленностью палеорусел было рекомендовано проведение исследований пластовым микроимиджером (FMI или аналоги) на вновь пробуренных скважинах. Данный вид геофизических исследований позволяет определять азимуты и углы наклона косой слоистости флювиальных песчаников. Это, в свою очередь, дает возможность делать обоснованные предположения о преимущественных направлениях палеорусел, анализируя статистику косой слоистости (Donselaar М.Е., Schmidt J.M., 2005).
Для моделирования прибрежных фаций (отложений приливных платформ) использован алгоритм последовательного индикаторного моделирования (SIS), где овал анизотропии был ориентирован параллельно предполагаемой береговой линии. Для получения плавного перехода между флювиальными и прибрежными отложениями применялся алгоритм моделирования фациальных переходов (Facies Transitions Modeling, рис. 8 см. на цветной вкладке). Один из вариантов окончательной фациальной модели, в которой скомбинированы флювиальные, прибрежные фации и переходная зона (где флювиальные русла прорезают прибрежные песчаники), показан на рис. 9, А, вариант модели пористости - на рис. 9, Б (см. на цветной вкладке).
Geological modelling of fluvial reservoirs seems to be not trivial task requiring serious preliminary analysis and using specific procedures and algorithms. While selecting optimal procedure of modelling it is important to determine a type of fluvial system where a bed (branched, meandering etc.) was formed as well as to make adequate proposals concerning size and geometry of facial elements of sandy bodies. Most correct evaluations could be obtained by results of complex analysis of seismic attributes and high quality drilling data. In case of absence of high quality seismic survey, proposals about size and geometry could be obtained by results of studying analogs for which could be used recent fluvial systems (studied by space- and aerial photography ) or objects being well studied in outcrops.
Geological modelling of Kovyktinskoye field allowed to demonstrate practical significance of the mentioned methods. Highly coherent fluvial beds of Parfenov horizon were formed in fluvial system of branched type and using of algorithm of object modelling of fluvial channels was recognized as adequate procedure. Geometric parameters of channel bodies were determined by results of sedimentological core analysis and supposed analogs (recent fluvial systems of arid zones). To decrease uncertainty connected with such parameter of modelling as a trend of paleocurrents it was proposed to conduct studies by strata microimagers (FMI or analogs). FMI interpretation results by three wells allowed to arrive to a conclusion of the main trend of paleoflows towards increasing general thicknesses of Parfenov horizon and respectively to update geological model.
|
Параметр |
Минимальная |
Средняя |
Максимальная |
|
Мощность, м |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
|
Ширина, м |
500 |
1000 |
1500 |
|
Амплитуда, м |
1000 |
1500 |
2000 |
|
Длина волны, м |
10000 |
12000 |
14000 |
* Составлена специалистами компании Badley Ashton.
Рис. 1. Основные типы русловых систем (по Miall A.D., 1996)
А - разветвленные (braided), Б - меандрирующие (meandering), В - спрямленные русло, Г- анастомотические (anostomosing)
