Цель и задачи фундаментального исследования
Целью исследований является теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение методов извлечения информации об электрофизических свойствах, вещественном составе и структуре геологической среды по измерениям в скважине и исследованиям керна. Основные решаемые задачи связаны на развитием методико-алгоритмической базы для выявления связей сигналов электрокаротажных зондирований со свойствами флюидосодержащих горных пород с привлечением результатов литолого-стратиграфических исследований керна применительно к изучению коллекторов юрских и доюрских комплексов юго-востока Западной Сибири.
Предлагаемые методы и подходы
В настоящем проекте предлагается разработка методико-алгоритмической базы обработки и интерпретации данных электрокаротажных зондирований с целью эффективной доразведки уникальных нефтеносных палеозойских и юрских отложений Малоичского и Верх-Тарского месторождений.
Разработка новых программно-алгоритмических средств выполняется с использованием современных методов вычислительной и прикладной математики. Для решения прямых задач скважинной геоэлектрики применяются методы конечных разностей и конечных элементов, демонстрирующих высокую точность расчетов в моделях сред с высоким контрастом электрофизических параметров. Необходимость новых решений обусловлена как сложной геометрической неоднородностью изучаемых геологических объектов, так и различной природой физических процессов в среде. Предлагается использовать вычислительные схемы высоких порядков, так как схемы первого порядка требуют использования значительных вычислительных ресурсов, особенно для решения трехмерных задач. Поскольку не существует универсальных алгоритмов решения задач оптимизации, требуется разработка новых методов, которые наиболее точно подходили бы к рассматриваемому классу обратных задач. Такие алгоритмы и их реализация, обеспечивающие решение реальных задач каротажа, на практике не используются.
Естественным шагом повышения точности построения интерпретационных моделей при обработке данных каротажа является повышение размерности геометрии до трехмерной. Это в свою очередь требует разработки высокоэффективных методов решения прямых и обратных задач, так как при увеличении размерности резко повышаются требования к вычислительным ресурсам. В связи с этим в работе используются высокопроизводительные вычисления на многопроцессорных системах на основе кластеров. Наряду с этим впервые при реализации подобного проекта применяются графические ускорители персональных компьютеров, позволяющих увеличить производительность вычислений в десятки раз.
Одним из путей повышения достоверности результатов интерпретации каротажных данных является привлечение реалистичных интерпретационных моделей геологической среды, учитывающих как ее структуру, так и вещественный состав. Проектом предусмотрено привлечение методов и подходов для решения широкого круга геолого-геофизических задач, включая литологическое и стратиграфическое расчленение и корреляцию разрезов изучаемых скважин, выделение коллекторов и разделение их по типу флюидонасыщения, направленных на повышение достоверности результатов изучения коллекторских свойств терригенных и карбонатных отложений. По результатам численной инверсии данных комплекса методов геофизических исследований в скважинах (ГИС) могут быть даны рекомендации по выбору режимов оптимального бурения и проводки стволов скважин для повышения надежности выделения пластов-коллекторов. Применение используемых в проекте алгоритмов и комплексных подходов к интерпретации данных ГИС и керна в отечественной практике отсутствует, что обуславливает их принципиальную новизну.
Актуальность фундаментальной научной проблемы исследования
В юго-восточной части Западно-Сибирской плиты и, в частности, на территории Новосибирской области наиболее перспективный ресурсный потенциал традиционно связывается с высококачественными углеводородами юрских отложений, где открыт ряд месторождений, наиболее значимое из которых Верх-Тарское. Последовавшее падение добычи углеводородов и сокращение ресурсной базы требует неотложных мер по воспроизводству минерально-сырьевой базы, в частности, организации новых поисковых и научно-исследовательских работ как для доизучения уже открытых продуктивных объектов, так и выделения и обоснования новых перспективных зон и уровней.
Специфические свойства нефтей Верх-Тарского месторождения и зональная приуроченность залежей говорят о возможном генетическом единстве углеводородов с более древними - палеозойскими нефтями, что косвенно подтверждается наличием открытых залежей и нефтепроявлений в доюрских комплексах в этом районе. В этой связи, наряду с изучением традиционных юрских комплексов (как с доказанной нефтеносностью в юрских частях разреза, так и потенциально перспективных на среднеюрских уровнях) становится актуальным более детальные комплексные исследования доюрских комплексов в северных районах Новосибирской области.
Доюрские комплексы Западно-Сибирской плиты, выделенные в качестве самостоятельного нефтегазоносного этажа академиком А.А. Трофимуком в 1963 году [Гурари и др., 1963], к настоящему времени представляются перспективными, но все еще недостаточно изученным объектом. Промышленная нефтегазоносность этажа (около 60 залежей углеводородов и еще столько же нефтепроявлений) доказана в разных районах, в том числе на севере Новосибирской области, где в доюрском комплексе открыты залежи нефти, газа и газоконденсата [Сурков и др ., 1978, 1983; Вышемирский, Запивалов, 1981; Конторович и др., 1991; Конторович и др., 2006].
В настоящее время детальные исследования палеозойских отложений Западной Сибири направлены на выявление новых нефтегазоперспективных объектов и создание достоверных геологических моделей продуктивных пластов как во «внутреннем» палеозое, так и в нефтегазоносном горизонте зоны контакта (НГГЗК) – в зонах эрозионно-тектонических выступов. Эти два типа объектов доюрского нефтегазоносного комплекса принципиально различаются по геологическому строению, вещественному составу и условиям образования, поэтому это требует развития соответствующих методик их выявления и прогноза. В отличие от вышезалегающих отложений мезозойского возраста, литолого-стратиграфическое расчленение и геологическая корреляция разрезов скважин, вскрывших отложения доюрского основания, достаточно затруднительны, что связано с их значительной вертикальной и латеральной неоднородностью, а также более слабой охарактеризованностью керновым материалом.
С целью доизучения доюрских потенциально перспективных объектов нужен пересмотр большого объема накопленного фактического материала, что приводит к необходимости переинтерпретации данных ГИС. Для значительного продвижения в изучении отложений доюрского комплекса требуется развитие новых подходов и способов к обработке и интерпретации данных ГИС, основанных на современной теоретико-методической базе с учетом передовых достижений в области вычислительной геофизики.
При подсчете запасов оценка характера насыщения коллекторов (нефть, газ или вода) проводится по данным электрического или электромагнитного каротажа на основе анализа удельного электрического сопротивления (УЭС). Однако при изучении сложнопостроенных объектов использование существующих традиционных подходов к интерпретации данных этих методов в большинстве случаев приводит к существенным погрешностям в определении УЭС и, соответственно, к недостоверным оценкам флюидонасыщения, что является недопустимым.
Представленная работа направлена на повсеместное вовлечение многомерной численной инверсии данных электрокаротажных зондирований для изучения коллекторов доюрских и юрских отложений, применение которой демонстрируется на примерах переинтерпретации материалов ГИС Малоичского и Верх-Тарского месторождений (Новосибирская область).
Актуальность и значимость темы научного исследования для региона
Годовая добыча нефти в Новосибирской области в 2016 году упала на 25% и составила не более 350 тысяч тонн. Для предотвращения падения объемов добычи нефти требуется вовлечение в изучение и разработку новых объектов, что приводит к необходимости увеличения объема геологоразведочных работ.
В Новосибирской области самым крупным месторождением нефти является Верх-Тарское месторождение, первая скважина на котором была пробурена в 1969 году, но оно нуждается в доразведке. В ближайшее время компанией ОАО «Новосибирскнефтегаз» запланировано бурение разведочных скважин для дополнительного изучения этого месторождения.
Кроме того, в Новосибирской области находится уникальное Малоичское месторождение в палеозойских отложениях, открытое в 1974 году и разрабатываемое за счет фонда разведочных скважин. Его строение достаточно сложное и неоднородное, что предполагает использование специфических методик и более детальных исследований для прогноза локальной нефтегазоносности пластов как в традиционной приповерхностной зоне – НГГЗК, так и во «внутренних» глубинных зонах палеозоя. Исследования показали, что при широком развитии доломитизации и вторичных процессов в карбонатных отложениях основным типом коллектора на месторождении является не кавернозно-карстовый, а трещинный тип глубинного
происхождения. При этом флюидонасыщенные трещинные системы месторождения имеют пятнистое локализованное развитие, что обусловлено очаговым характером генерации углеводородов на глубине. Поэтому задача увеличения потенциала Малоичского месторождения состоит в точном локальном прогнозе высокодебитных трещинных резервуаров в пределах рифовой системы палеозоя и соответствующей рациональной оптимизации размещения сети добывающих скважин.
Бурение новых скважин, а также боковых стволов на Верх-Тарском, Малоичском и других месторождениях в Новосибирской области в рамках мероприятий по их доразведке необходимо выполнять с применением новых технологий как бурения, так и каротажа. При этом все геолого -геофизические работы по изучению таких сложных природных объектов, в том числе по обработке и интерпретации полученных данных ГИС и керна, должны проводиться на высоком научном уровне, что обеспечит в конечном счете достоверные оценки запасов углеводородов.
Это обуславливает актуальность и значимость темы научного исследования для Новосибирской области и региона в целом.
Общий план работ на весь срок выполнения проекта
Общий план научно-исследовательских работ по проекту включает:
В результате исследований по 1 этапу будет проведен анализ, обобщение и систематизация литературы и фондовых материалов, включая сбор каротажных и керновых данных; проведен комплексный анализ данных ГИС и результатов лабораторных литолого-стратиграфических и петрографических исследований керна; будут получены численные решения прямых задач электродинамики в многомерных постановках применительно к изучаемым объектам; для повышения эффективности решения прямых задач при дискретизации дифференциальных уравнений будут использоваться вычислительные схемы высоких порядков; будет выполнена разработка вычислительных алгоритмов и компьютерных программ, их тестирование и апробация на экспериментальных данных.
В последующем это позволит провести масштабное математическое моделирование каротажных данных в рамках пространственно-неоднородных моделей сред; разработать эффективные алгоритмы для решения обратной задачи электрического каротажа в электропроводящих средах с учетом особенностей зондов разного типа на основе оптимизационных методов; построить реалистичные модели юрских и доюрских пластов-коллекторов Верх-Тарского и Малоичского месторождений по имеющимся каротажным и керновым данным; в заключение исследований создать методику обработки и интерпретации каротажных данных применительно к изучаемым объектам с целью проектирования скважин в интервалах с улучшенными коллекторскими свойствами.
Ожидаемые научные результаты, их сравнение с мировым уровнем
Применительно к изучению пластов-коллекторов доюрского комплекса на юго-востоке Западной Сибири будет разработано оригинальное методико-алгоритмическое обеспечение для обработки и интерпретации каротажных данных с использованием результатов литолого-стратиграфических и петрографических исследований керна. Предусматривается переинтерпретация литологических и петрофизических керновых материалов с последующим построением моделей рифовой седиментации на основе выделения генетических типов пород, меняющихся седиментационных обстановок и связи с ними коллекторских свойств резервуаров.
Разработанный инструментарий позволит создать реалистичные литолого-геоэлектрические интерпретационные модели коллекторов юрского и доюрского комплексов, что значительно повысит достоверность результатов обработки данных. Результаты научных исследований по проекту будут направлены на эффективную доразведку уникальных нефтеносных доюрских и юрских отложений Малоичского и Верх-Тарского месторождений.
Одними из основных ожидаемыми результатами первого года исследований являются численные решения задач электродинамики в рамках реалистичных пространственно-неоднородных моделей сред, разработка на их основе алгоритмов численного анализа каротажных сигналов, последующая программная реализация, тестирование и масштабное математическое моделирование в типичных геоэлектрических моделях коллекторов в изучаемых юрских и доюрских отложениях. Также будет проведен анализ фондовых материалов и проведен комплексный анализ каротажных данных и результатов лабораторных литолого-стратиграфических исследований керна.
Потенциальные возможности использования результатов исследования при решении прикладных задач в регионе
В ближайшие годы в Новосибирской области планируется бурение разведочных скважин для дополнительного изучения месторождений нефти. Так, запланировано бурение новых скважин на Ракитинском месторождении и боковых стволов на Верх-Тарском месторождении, а также на Заречном нефтегазоносном участке. Основное применение результатов исследований по проекту направлено на обеспечение эффективности доразведки уникальных нефтеносных доюрских отложений месторождений Новосибирской области. Геологоразведочные работы при изучении таких сложных природных объектов как доюрские коллекторы могут проводиться при научном сопровождении для высокого уровня и достоверных результатов.
В целом применение новых научных решений, полученных при выполнении проекта, совме стнос высокотехнологичными геофизическими комплексами также позволят достичь значительного экономического эффекта, обусловленного существенным сокращением времени на строительство скважины и проведение геофизических работ.
Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту У коллектива участников проекта накоплен большой опыт и получены значительные теоретические и прикладные результаты в области геофизических исследований в скважинах и литого-стратиграфических и петрографических исследований крена. В основе предлагаемого проекта лежат основные научные результаты, полученные исполнителями, связанные с развитием теоретико-алгоритмической и интерпретационной базы электрокаротажных зондирований и направленные на изучение электрофизических свойств флюидосодержащих горных пород.
Основные результаты составляют программно-алгоритмические комплексы численного моделирования и инверсии данных электрокаротажных зондирований. Они обеспечивают всесторонний численный анализ и количественную интерпретацию в сложнопостроенных геологических средах, вскрытых нефтегазовыми скважинами. Разработанные в ИНГГ СО РАН промышленные программные комплексы обработки и интерпретации данных геофизических исследований в скважинах базируются на вычислительных алгоритмах решений прямых и обратных задач электродинамики, авторами которых являются исполнители проекта.
Исполнителями накоплен опыт лабораторных литолого-стратиграфических, петрографических и петрофизических исследований керна. В соседнем с Новосибирской областью регионе (Томская область и Красноярский край) во вновь открытом Предъенисейском венд-палеозойском осадочном бассейне на юго-востоке Западно-Сибирской плиты на основе детального седиментологического изучения керна с построением по скважинам разрезов генетических типов отложений и палеогеографических схем установлены перспективы регионального развития коллекторов как седиментационного типа, так и связанных с постседиментационным преобразованием карбонатных толщ (влияние тектоники, процессов регрессивного катагенеза).
Эти новаторские работы опубликованы и получили широкое научное признание. Перечисленные работы, составляющие базу предлагаемого проекта, выполнены на высоком научном уровне, многие из них не уступают мировым аналогам, а по некоторым позициям превосходят мировой уровень, являясь, во многом, пионерскими.
Глинских В.Н., Горбатенко В.А. Инверсия данных электромагнитного каротажа на графических ускорителях // Вычислительные технологии. - 2015. - Т. 20. - № 1. - С. 25-37.
Эпов М.И., Глинских В.Н., Сухорукова К.В., Никитенко М.Н., Еремин В.Н. Численное моделирование и инверсия данных электромагнитного каротажа в процессе бурения и шаблонирования нефтегазовых скважин // Геология и геофизика. - 2015. - Т. 56. - № 8. - С. 1520-1529.
Глинских В.Н., Нестерова Г.В., Эпов М.И. Моделирование и инверсия данных электромагнитного каротажа с использованием петрофизических моделей электропроводности // Геология и геофизика. - 2014. - Т. 55. - № 5-6. - С. 1001-1010.
Филиппов Ю.Ф. Перспективы нефтегазоносности Предъенисейского осадочного бассейна // Геология нефти и газа. - №6. - 2016. - С.35-45.
Филиппов Ю.Ф., Конторович В.А., Сенников Н.В. Новый взгляд на схему стратиграфии палеозоя юго-востока Западной Сибири // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2014. - № 2C. - С. 7-21.
Филиппов Ю.Ф., Сараев С.В., Коровников И.В. Стратиграфия и корреляция кембрийских отложений Предъенисейского осадочного бассейна Западной Сибири // Геология и геофизика. - 2014. - Т. 55. - № 5-6. - С. 891-905.
Конторович В.А., … Филиппов Ю.Ф. Численные модели формирования структур соляной тектоники, выявленных сейсморазведкой в кембрийских отложениях Предъенисейского осадочного бассейна (юго-восток Западной Сибири) // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2014. - № 2C. - С. 105-115.
Конторович А.Э., … Сараев С.В., Филиппов Ю.Ф. и др. Разрез кембрия в восточной части Западно-Сибирской геосинеклизы (по результатам бурения параметрической скважины Восток-4) // Геология и геофизика. - 2012. - Т. 53. - № 10. - С. 1273-1284.
Сараев С.В., Батурина Т.П., Медведев А.Я., Травин А.В. Каменноугольные отложения в фундаменте юго-запада Западно-Сибирской геосинеклизы (Курганская область) // Геология и геофизика. - 2016. - Т. 57. - № 8. - С. 1455-1476.
Сараев С.В. Литолого-фациальная характеристика усольской свиты (нижний кембрий) и ее возрастных аналогов Предъенисейского осадочного бассейна Западной Сибири // Геология и геофизика. - 2015. - Т. 56. - № 6. - С. 1173-1188.
Опыт руководителя проекта в выполнении других проектов и грантов, список основных публикаций
Руководитель проекта В.Н. Глинских является специалистом в области геофизики, автор и соавтор более 140 научных работ, 6 патентов на изобретения и 3 программ для ЭВМ. Основные научные результаты связаны с развитием методов численного решения прямых и обратных задач электродинамики, разработкой программно-алгоритмических средств численного моделирования и инверсии электрокаротажных зондирований в скважинах, а также ком плексной интерпретации геолого-геофизических данных.
В.Н. Глинских являлся руководителем базового бюджетного проекта ИНГГ СО РАН (2012-2016 гг.); государственных контрактов в рамках реализации Федеральный целевых программ (2010-2012 гг., 2014-2015 гг.); грантов Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых (2005-2006, 2010-2011 гг.); гранта Фонда содействия отечественной науке для молодых кандидатов наук РАН (2004-2005 гг.); молодежного Лаврентьевского гранта СО РАН (2003-2004, 2006-2007 гг.); гранта компании BP (2016 г.); являлся ответственным исполнителем более трех десятков проектов НИР, ОКР и хозяйственных договоров, в том числе по теме предлагаемого проекта.
Глинских В.Н., Буланцева Ю.О. Математическое моделирование данных электромагнитного каротажа с использованием высокопроизводительного сопроцессора INTEL XEON PHI // Вестник НГУ. Серия: Математика, механика, информатика. - 2014. - Т. 14. - № 4. - С. 11-21.
Глинских В.Н., Никитенко М.Н., Эпов М.И. Линеаризованные решения прямых и обратных двумерных задач высокочастотного электромагнитного каротажа в проводящих средах с учетом токов смещения // Геология и геофизика. - 2013. - Т. 54. - № 12. - С. 1942-1951.
Глинских В.Н., Никитенко М.Н., Эпов М.И. Моделирование и инверсия данных электромагнитного каротажа в пластах конечной мощности, вскрытых на биополимерных и нефтяных буровых растворах // Геология и геофизика. - 2013. - Т. 54. - № 11. - С. 1803-1813.
Шумскайте М.Й., Глинских В.Н. Экспериментальное исследование зависимости ЯМР-характеристик от удельной поверхности и удельного электрического сопротивления песчано-алевритоглинистых образцов // Геология и геофизика. - 2016. - Т. 57. - № 10. - С. 1911-1918.
Эпов М.И., Никитенко М.Н., Глинских В.Н., Еремин В.Н. зучение электрической макроанизотропии интервалов наклонно-горизонтальных скважин по данным высокочастотного индукционного каротажа в процессе бурения // Каротажник. – 2016. - № 11 (269). - С. 94-109.
Эпов М.И., Глинских В.Н., Сухорукова К.В., Суродина И.В. Прорыв» в индукционном каротаже не состоялся // Каротажник. - 2013. - № 1. - С. 99-120.
Эпов М.И., Глинских В.Н., Сухорукова К.В., Павлова М.А. Интерпретация данных электрокаротажных зондирований в неокомских пластах-коллекторах Широтного Приобья // Геология нефти и газа. - 2013. - № 3. - С. 21-28.
Эпов М.И., Еремин В.Н., Петров А.Н., Глинских В.Н. Электромагнитный зонд для каротажа в нефтегазовых скважинах // Пат. док. 2583867; RU; МКИ G01V3/28; № 2015105877/28, заявл. 20.02.2015, опубл. 10.05.2016.