На третьем этапе в 2021 году с использованием вычислительных ресурсов ССКЦ СО РАН выполнены реализация и апробирование высокопроизводительных комплексов программ обработки и интерпретации данных нового метода импульсного каротажного зондирования и межскважинного просвечивания, разработано методическое обеспечение новой технологии для детального изучения и картирования латерально неоднородной баженовской свиты из наклонно-горизонтальных скважин.
На базе разработанной ранее параллельной вычислительной схемы, для проведения трехмерного моделирования импульсных электромагнитных зондирований в сложных по геофизическим и геометрическим свойствам средах, разработана программа, позволяющая проводить масштабные вычисления на базе Сибирского суперкомпьютерного центра СО РАН.
Программа позволяет задавать базовую геофизическую модель, состоящую из множества пластов, обладающих сложной геометрией, в том числе латеральными неоднородностями и набора скважин, имеющих сложные траектории, вдоль которых перемещаются зонды. Способ параметризации геометрических и электрофизических свойств модели выбран с учетом удобства их использования при решении обратных задач. Траектории для генераторной и измерительной катушек задаются раздельно и независимо друг от друга. Это позволяет в едином программном комплексе моделировать различные типы зондирований: каротажное и межскважинное просвечивание. При этом, для одного положения генераторной катушки можно проводить измерения ЭДС, наведенной в измерительных катушках, расположенных в различных координатах геофизической модели, что позволяет существенно экономить вычислительные ресурсы. При помощи разработанного программного комплекса проведено моделирование процесса импульсного зондирования в различных сложных геофизических средах, для разного типа зондов. Моделирование подтвердило возможность идентификации вертикальных, наклонных и горизонтальных границ, а также УЭС отложений баженовской свиты. Вычислительными экспериментами показано, что, несмотря на использование высокопроизводительных вычислительных ресурсов, трехмерное моделирование для решения обратных задач импульсного электромагнитного зондирования (определение границ пластов и их удельной электропроводности на практически значимой части траектории скважины или скважин, в зависимости от типа зондирования) является затратной по времени процедурой и требует, в зависимости от сложности модели, значительного времени: от нескольких дней до нескольких недель. Сделан вывод, что в качестве основного инструмента для определения параметров баженовской свиты следует использовать численно-аналитический метод, исходя из предположения, что в некоторой окрестности зондового комплекса пласты обладают плоскопараллельной структурой, с некоторым углом наклона относительно локального участка скважины. Из таких локальных моделей строится реалистичная модель во всей рассматриваемой области.
Проведен всесторонний анализ импульсных электромагнитных зондирований на примере разрабатываемых месторождений Широтного Приобья Западной Сибири как основы методического обеспечения разрабатываемой технологии.
Разработан вычислительный алгоритм на основе искусственных нейронных сетей для литологической интерпретации каротажных данных применительно к изучению вещественного состава баженовской свиты. С использованием алгоритма построены реалистичные геоэлектрические модели баженовской свиты и окружающих ее отложений по данным стандартного комплекса геофизических исследований в скважинах с учетом результатов лабораторных анализов керна в центральных и юго-восточных районах Западно-Сибирского осадочного бассейна. Определены основные литологические типы пород баженовской свиты по каротажным данным в изученных разрезах скважин, согласно классификации литотипов, основанной на современном представлении распределения породообразующих минеральных и минералоидных компонентов. Установлено различие строения баженовской свиты для разных районов Западно-Сибирского осадочного бассейна: для центрального района отмечается ярко выраженное трехчленное строение ее разрезов, в районе Сургутского свода наблюдается очень небольшая толщина переходной пачки в кровле свиты, а для юго-восточных районов отмечается существенное уменьшение количества биогенного материала и увеличение содержания терригенного материала, представленного глинистыми минералами. Из анализа результатов трехмерного численного моделирования сигналов импульсного каротажного зондирования и межскважинного просвечивания в реалистичных геоэлектрических моделях, с привлечением систем наклонно-горизонтальных и вертикальных скважин с реальными траекториями, следует, что электромагнитные сигналы имеют высокий уровень и чувствительность к геометрическим и электрофизическим параметрам баженовской свиты. Это обеспечивает картирование и пространственную локализацию латеральных неоднородностей баженовской свиты на основе импульсного каротажного зондирования, а также ее межскважинное просвечивание на значительном расстоянии между скважинами с источниками и приемниками электромагнитных сигналов. Выполненное исследование значительно расширяет возможности электромагнитного зондирования методом переходных процессов применительно к задачам нефтепромысловой геофизики в новых постановках. Результаты исследований составили основу методического обеспечения разрабатываемой технологии импульсных электромагнитных зондирований.
Разработаны вычислительные алгоритмы для трансформации электромагнитных сигналов в кажущиеся характеристики с использованием асимптотических и численно-аналитических формул. Выполнена программная реализация алгоритмов.
Разработана автоматизированная численная инверсия в рамках слоисто-однородной модели среды для определения УЭС пластов, положений границ и угла наклона скважины относительно нормали к напластованию на основе разработанного на предыдущем этапе модифицированного многостартового алгоритма для поиска глобального минимума многоэкстремальной функции и алгоритма последовательной оконной инверсии. Выполнена программная реализация алгоритмов. Для созданных вычислительных алгоритмов и программ проведено тестирование в слоистых моделях сред, описывающих баженовскую свиту, а также коллекторы, находящиеся вблизи нее. Выполнена апробация численной инверсии на зашумленных синтетических данных, рассчитанных в вертикальной и наклонно-горизонтальной скважине. Построены трансформации сигналов в кажущиеся УЭС при пересечении вертикальной скважиной баженовской свиты и проведена инверсия данных из горизонтального участка скважины, проходящей под баженовской свитой с целью определения положения ее границ. Получено хорошее качественное совпадение кажущихся УЭС с истинной моделью неоднородной баженовской свиты для всего диапазона времен регистрации. На ранних временах кажущееся УЭС хорошо воспроизводит истинную модель. Для инверсии использована упрощенная модель среды, где баженовская свита описывается одним пластом. Определение положения кровли и подошвы баженовской свиты произведено поинтервально, при этом подобрано также эффективное УЭС баженовской свиты. Результаты инверсии показали, что положение подошвы и угол наклона границ относительно скважины подбираются с высокой точностью не более 1%, положение удаленной на 40 м кровли определяется с погрешностью около 10 % относительно толщины баженовской свиты. При этом эффективное УЭС определено как величина, равная обратной суммарной интегральной проводимости баженовской свиты, деленной на ее толщину. Показано, что импульсные электромагнитные зондирования при профилировании вертикальных и горизонтальных скважин позволяют строить трансформанты поля, описывающие изменение УЭС среды и прослеживать положение границ баженовской свиты с помощью инверсии данных.
Изучены возможности импульсных электромагнитных зондирований с использованием сверхширокополосного токового импульса в источнике.
Для упрощения технических требований к практической реализации источника токового импульса с одной стороны, и обеспечения гибкости в интерпретации реальных измеренных сигналов с другой, предложено в качестве универсальной формы тока, протекающего в генераторной катушке реального зондового комплекса, выбрать функцию Хевисайда (или ее аппроксимацию достаточно длинным прямоугольным импульсом). Обеспечено соответствие ЭДС, измеренной в приемной катушке, фундаментальному решению уравнения, описывающему поведение электрического поля в рассматриваемой геофизической среде. Получена наведенная в измерительной катушке ЭДС, порожденная токовым импульсом заданной формы, путем свертки с производной по времени от функции, задающей желаемую форму импульса тока в генераторной катушке. Предложен способ выбора оптимальной формы токового импульса, после процесса реальных измерений, для рассматриваемых скважинного зонда и геологической среды. Предложен алгоритм выделения наиболее значимых участков спектра в измеренном сигнале, в зависимости от конкретной ситуации. Исследованы идеализированные сверхширокополосные импульсы, определяемые дельта-функцией, в спектре которой присутствуют все частоты, определяющие зависимость измеренных сигналов от значительно удаленных объектов, например, границ баженовской свиты при межскважинном просвечивании. Дельта-функция в реальных измерениях аппроксимирует короткие наносекундные импульсы со значительной амплитудой силы тока (эквивалентное напряжение в генераторной катушке достигает десяти тысяч вольт). Результатами проведенного численного моделирования сигналов и спектрального состава используемых импульсов показано, что оптимальными для обеспечения максимальной глубинности метода импульсных электромагнитных зондирований являются импульсы и их серии длительностью в десятки-сотни наносекунд, что соответствует реальным возможностям при генерации сигнала. Построены функции чувствительности сигналов и ошибки определения параметров модели баженовской свиты с учетом реальной модели погрешностей измерения при импульсных электромагнитных зондированиях. Проведен сравнительный анализ функций чувствительности и ошибок с соответствующими характеристиками, построенными для стандартного ступенчатого выключения тока в источнике. Показано, что сигнал от сверхширокополосного импульса обладает значительно большей амплитудой: от 2-3 порядков на ранних временах регистрации до одного порядка на поздних временах. Такие же закономерности отмечены для чувствительностей и ошибок определения параметров. Сделан вывод, что, в среднем, чувствительность к УЭС пластов и границам баженовской свиты для сверхширокополосного импульса выше на 1-2 порядка, а ошибки определения указанных параметров меньше в среднем в 10 раз. Установлено, что возможности глубинного зондирования значительно повышаются при использовании сверхширокополосных импульсов. Расстояния между скважинами могут быть увеличены в 2-3 раза при межскважинном просвечивании. Выявленными ограничениями являются реально достижимое значение амплитуды силы тока и конечная длительность импульса. В зависимости от этих параметров, предоставляемых производителем аппаратуры электромагнитного импульсного зондирования, оценки чувствительности сигналов к электрофизическим и геометрическим параметрам баженовской свиты, должны быть скорректированы.
Выработаны методологические основы новой технологии импульсных электромагнитных зондирований для детального изучения и картирования латерально неоднородной баженовской свиты из наклонно-горизонтальных скважин, включая эксплуатационные скважины, бурящиеся на целевые нижнемеловые и верхнеюрские объекты.
Определены геоэлектрические характеристики отложений баженовской свиты по результатам численной инверсии практических данных промысловой геофизики, включая высокоточные данные современных комплексов. По результатам численной инверсии данных электрокаротажа установлено, что значения электрофизических параметров основных литологических типов пород баженовской свиты следующие: для карбонатов значения УЭС составляют 900-1400 Ом∙м, а относительной диэлектрической проницаемости 20-70; для микститов карбонатно-кремнистых – 500-1000 Ом∙м и 30-100; для силицитов – 300-600 Ом∙м и 40-150; для микститов карбонатно-глинистых – 200-500 Ом∙м и 60-200; для микститов глинисто-кремнистых – 100-250 Ом∙м и 100-300; для аргиллитов – 10-50 Ом∙м и 200-500 соответственно. Установленные геоэлектрические параметры составили модельную базу выполненных и дальнейших численных экспериментов. Результатами расчетов показано, что импульсное каротажное зондирование и межскважинное просвечивание баженовской свиты реализуемы на различных территориях ее распространения. Перспективными с точки зрения чувствительности к пространственному расположению неоднородностей в среде являются реальные импульсы «включение-выключение», в том числе импульсы с переходом через ноль и импульсы с выключением тока по сложному закону. Установлено, что возможности глубинного зондирования значительно повышаются при использовании сверхширокополосных импульсов. По результатам масштабного численного моделирования сигналов электромагнитных зондирований продемонстрировано, что определение пространственного расположения границ пластов возможно, как при каротаже скважин с длинами зондов от первых метров до нескольких десятков метров, так и при межскважинном просвечивании, когда источник и приемник электромагнитного поля находятся на расстоянии нескольких десятков-сотен метров. При проведении каротажа скважин предпочтительно использовать средние длины зондов (2 – 20 м) и диагональные компоненты поля в системе координат прибора (скважины), которые обеспечивают хорошую чувствительность к границам баженовской свиты при достаточном уровне сигнала на расстоянии до 20 – 30 м. В межскважинном просвечивании также необходимо использовать диагональные компоненты поля и по возможности располагать источники и приемники таким образом, чтобы соединяющая их линия была параллельна границам свиты. Для определения внутренних неоднородностей свиты целесообразно использовать каротажные измерения со средними длинами зондов (2 – 20 м) и перекрестные компоненты поля. Созданы вычислительные алгоритмы для трансформации и численной инверсии данных импульсного каротажного зондирования и межскважинного просвечивания с заданными токовыми импульсами в источнике и выбранными конфигурациями зондирующих установок. С практической точки зрения трехмерное моделирование можно использовать для финальной верификации моделей баженовской свиты и ее возможного уточнения (2-5 параметров для одной обратной задачи). В качестве основного инструмента, для определения параметров и построения моделей баженовской свиты, следует использовать численно-аналитический метод, исходя из предположения, что в некоторой окрестности относительно положения зондового комплекса пласты обладают плоскопараллельной структурой с некоторым углом наклона относительно локального участка скважины. Из таких локальных моделей составляется более сложная реалистичная модель всей рассматриваемой области.
Дополнительные исследования по проекту в 2021 году.
Выполнены дополнительные исследования по практической реализации результатов фундаментальных исследований по проекту. В этом году спроектирована, изготовлена и протестирована в полевых условиях телеметрическая система для управления излучающей и приемной антеннами прототипа георадара. Проведены успешные физические эксперименты на научно-испытательном полигоне в Новосибирской области с использованием разработанной телеметрической системы и заглубленными в заложенных шурфах излучающей и приемной антеннами.
По результатам исследований опубликовано и приняты к печати 6 статей в ведущих периодических научных изданиях (Geosciences, Russian Geology and Geophysics, Geodynamics & Tectonophysics, Нефтяное хозяйство, Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири) и 6 материалов международных и всероссийских конференций, входящих в базы цитирования WoS, Scopus и РИНЦ (23-я конференция по вопросам геологоразведки и разработки месторождений нефти и газа «EAGE Геомодель 2021», 19th International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics, XVII международная научная конференция «Интерэкспо ГЕО-Сибирь», всероссийская научная конференция с участием иностранных ученых «Новые вызовы фундаментальной и прикладной геологии нефти и газа – XXI век», всероссийская молодежная научная конференция с участием иностранных ученых «Трофимуковские чтения – 2021»).