Статья посвящена применению современных программных комплексов для решения задач моделирования геологической среды сложнопостроенной территории Верхнепечорской впадины, в частности Вуктыльской площади, по комплексу геолого-геофизических данных.
Цель исследования: в пределах Вуктыльской площади при помощи геоплотностного моделирования на основе комплексного подхода к интерпретации данных гравиразведки и сейсморазведки выделить области, различные по своим петрофизическим характеристикам и связанные с рифообразованием.
Материалы и методы исследования
Для изучения сложнопостроенных тектонических территорий требуется применение современных информационных систем, комплексов программ и технологий [1]. Наиболее точно отражают физическую природу геологической среды и соответствуют наблюдаемым полям модели, построенные на основе критериального подхода к инверсии геофизических полей. На основе обратных задач геофизики в УГТУ под руководством профессора А.И. Кобрунова разработана технология структурно-плотностного моделирования [2, 3], которая используется для построения геолого-геофизических моделей с целью решения задач прогноза и поиска запасов УВ. Она является базой для методики, использующей системный анализ геолого-геофизической информации, где построение плотностной модели сложнопостроенных и слабоизученных сред происходит с заданной степенью точности наблюдаемому гравитационному полю. Для построения начальных приближений, служащих основой для последующего решения задачи инверсии данных гравиразведки, используется программный модуль Playground [4]. Полноценное плоское и пространственное геолого-геофизическое моделирование обеспечивает комплекс программных модулей GeoVIP [5]. Вся имеющаяся априорная информация о физико-геологической модели среды при решении задач инверсии находит отражение в интегрированных критериях оптимальности. Ядро метода составляет оптимизация параметра при условии, что полученное решение должно соответствовать интерпретируемому полю с определенной точностью. В качестве альтернативы предлагается критерий, содержащий в качестве функционала функцию принадлежности распределенных параметров [3, 6], отражающей максимальную энтропию представления данных (происходит учет меры доверия к имеющимся значениям параметра). Данный подход к интерпретации геолого-геофизических данных обеспечивает возможность изучения сложных моделей, осуществления прогноза и изучения локальных неоднородностей, связанных с рифогенными постройками, зонами разуплотнения, повышенной трещиноватостью.
Процесс моделирования включает в себя решение прямых и обратных задач гравиразведки. Формирование начального приближения физико-геологических моделей выполняется по сейсмическим данным, результатам анализа плотностей, слагающих выделенные комплексы и результатам исследования керна. Обратная задача гравиразведки в классе распределения плотностей состоит в нахождении модели среды по соответствующей модели физического поля (гравитационного).
Прямая задача гравиметрии состоит в нахождении вертикальной производной гравитационного потенциала uz(x0, z0), где точка (x0) регистрируется на поверхности в 
с уравнением z0 = (x0) для плотностной модели, задана следующим соотношением между uz(x0, z0) и σ(x, z):
(1)
где g = 6,67408(31)·10?11 м3·с−2·кг-1 (поле в миллигалах, расстояния в метрах, плотность в г/см3) – гравитационная постоянная.
Для построения плотностной модели геологической среды решение обратной задачи гравиразведки может быть представлено в форме
(2)
Критерий оптимальности выражен функционалом J, s0 – начальное приближение, s – искомый элемент, принадлежащий некоторому функциональному пространству X, u – физическое поле, принадлежащее пространству U, величина t’(v) = 1/t(v) имеет смысл априорной оценки среднеквадратического уклонения искомого решения от заданного к нему нулевого приближения [2]. Значения весового множителя варьируются в пределах от 0 до 1. Например, в пределах территории, достаточно разбуренной поисковыми скважинами, параметр критерия оптимальности берется близким к 0, а по мере удаления от таких мест – к 1. Используемый критерий оптимальности позволяет учитывать задаваемую величину отклонения параметра плотности от начального приближения, а также дает возможность вводить разную степень варьирования изучаемого параметра, в частности, в пределах изучаемого комплекса пород, согласно имеющейся априорной информации [7].
Неопределенность, нечеткость параметра σ(ν), который требуется восстановить, позволяет представить его как нечеткую величину [6] и полностью характеризуется своей функцией принадлежности 0 ≤ μ(σ) ≤ 1, имеющей смысл меры достоверности, что позволяет оценить количественно достоверность данных, и поэтому может использоваться для формирования критерия отбора наилучшего решения J[σ(ν)], который в (2) может быть определен так:
. (3)
Смысл критерия оптимальности (3) заключается в таком подборе σ(ν), для которого минимальное значение достоверности по пространственным координатам было бы максимальным.
В настоящее время нефтегазовые кампании проявляют интерес к изучению строения складчато-надвиговых зон Верхнепечорской впадины с целью выявления новых тектонических блоков пород, связанных с ловушками углеводородов. В связи с этим в статье рассматривалось применение технологии к моделированию геологической среды Вуктыльской площади, расположенной в ее пределах (рис. 1). Выделенные по данным сейсморазведочных работ в северо-восточной части впадины рифогенные постройки являются первоочередными объектами для дальнейших исследований [8].
Рис. 1. Выкопировка из «Картосхемы Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции»; тектоническая схема
Условные обозначения к рис. 1
Рис. 1. Выкопировка из «Картосхемы Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции»; тектоническая схема
Условные обозначения к рис. 1
|
Тектонические элементы
|
Месторождения
|
|
Скважины
|
Профили
|
|
Тектонические элементы H1 – Верхнепечорская впадина; H1-1 – Вуктыльская тектоническая пластина; H1-2 – Печоро-Илычская моноклиналь |
|
– 1 порядка
– 2 порядка
– границы национальных парков, заповедников
– нефтяные
– газовые
– газоконденсатные
– глубокие
– Структуры выявленные
– расчётные
– отработанные РСПри применении вычислительных экспериментов были использованы сейсмические профили, геолого-геофизические разрезы, гравиметрические карты, данные о плотностных характеристиках пород основных нефтегазоносных комплексов.
Верхнепечорская впадина относится к южному окончанию северного сегмента Предуральского краевого прогиба Тимано-Печорской плиты и является структурой первого порядка [9]. В тектоническом плане впадина приурочена к краевой части Тимано-Печорской плиты. По морфологии локальных структур она разделяется на внешнюю, осевую и внутреннюю зоны, отличающиеся разной степенью влияния уральского складкообразования. Границы впадины на северо-востоке проходят по Печоро-Кожвинской зоне разломов, которая ограничивает с юго-запада Печоро-Кожвинский мегавал. Южным ограничением впадины является Полюдово-Колчимская структурная зона, разделяющая Соликамскую и Верхнепечорскую впадины. С востока ограничена главным Западно-Уральском надвигом, прослеженным в виде серии кулисообразно расположенных нарушений. Западная (внешняя) зона впадины выделяется как Печоро-Илычская моноклиналь – структура второго порядка. В осевой части впадины расположена Южно-Вуктыльская синклиналь. Внутренняя приуральская зона Верхнепечорской впадины осложнена серией высокоамплитудных надвигов и характеризуется чешуйчато-надвиговым строением. Складки и надвиги внутренней зоны Верхнепечорской впадины в плане образуют линейную систему дислокаций, выпуклую к западу.
К внутренней части впадины относится Вуктыльская тектоническая пластина – крупный дизпликат (аллохтон), меридионально ориентированный и сорванный по некомпетентным верхнедевонским отложениям. В структурном плане по нижним горизонтам осадочного чехла и по кровле фундамента этой пластине соответствует пологая моноклиналь, погружающаяся в сторону Среднепечорского поперечного поднятия. Западнее, согласно принятой схеме тектонического районирования, выделена Печоро-Илычская моноклиналь, структурные планы которой, по поддоманиковым, наддоманиковым, нижнекаменноугольным и пермским отложениям значительно отличаются, что связано с наличием палеоподнятий в среднедевонское время и предджьерским размывом, формированием рифовых банок, одиночных и барьерных рифов в позднедевонское время и с глубоким предвизейским размывом.
Исследуемая территория Верхнепечорской впадины представляет собой полосу пониженных значений гравитационного поля. Напряжённость поля в ней обратно пропорциональна мощности верхнего терригенного комплекса из-за его аномально низкой плотности по отношению к остальной части разреза. Эта плотность непостоянна в разрезе, она увеличивается с глубиной, вследствие уплотнения песчано-глинистой толщи от 2,45 г/см3 в западной части прогиба до 2,60–2,65 г/см3 в наиболее прогнутой. Подстилающие породы карбонатного комплекса имеют плотности от 2,65 до 2,76 г/см3 и меняются в зависимости от принадлежности к различным литоло-фациальным зонам, связанными с рифообразованиями. Величина перепада плотности на границе терригенных и карбонатных пород составляет от 0,12 до 0,15 г/см3, поэтому поведение этой поверхности влияет на формирование локальных аномалий гравитационного поля. Плотностные неоднородности в виде атоллов, депрессионных областей в составе верхнедевонских отложений в аномальном поле не находят отображение, но хорошо видны при моделировании разреза при решении обратных задач гравиразведки в классе распределения плотностей.
Следующей границей, влияющей на формирование гравитационного поля, является фундамент. Его гипсометрия и разнородный состав, представленный основными и ультраосновными породами, подтверждается бурением скважин 1-Динью, 1-З. Дутово.
Результаты исследования и их обсуждение
При проведении моделирования расчетные профили были выбраны в пределах западной части Печоро-Илычской моноклинали и восточного бота Вуктыльской тектонической пластины, совмещены с сейсмическими профилями 7710-02 и 11087-30 (рис. 1–3). Формирование начального приближения было проведено по сейсмическим разрезам. Поскольку на гравитационное поле оказывают влияние все комплексы горных пород, слагающие осадочный чехол, при решении обратной задачи для каждого из слоев были подобраны свои критерии оптимальности в зависимости от имеющейся информации.
Для верхней части осадочного чехла, наиболее хорошо изученной бурением и включающей терригенные отложения верхнего и нижнего отделов пермской системы, критерий оптимальности составил 0,35–0,4. Результат решения обратной задачи гравиразведки показал, что распределение плотностных характеристик здесь колеблется от 2,48 до 2,51 г/см3 (рис. 2, 3). Карбонатная часть разреза, включающая отложения нижней перми, карбона, девона, представляет поисковый интерес с точки зрения рифообразования [10]. Для него характерна латеральная изменчивость литологического состава, а следовательно, и плотностных характеристик, поэтому критерий оптимальности варьировался от 0,65 до 0,8. Как видно из рис. 3, расчетные значения плотности составили для рифов 2,67–2,70 г/см3, для депрессионных осадков – 2,59–2,62 г/см3.
Рис. 2. Решение обратной плотностной задачи гравиразведки. Геоплотностная модель по линии вдоль профиля 7710-02. Невязка 1,15 мГал
Рис. 3. Решение обратной плотностной задачи гравиразведки. Геоплотностная модель по линии вдоль профиля 11087-30. Невязка 1,8 мГал
Нижняя терригенно-карбонатная часть осадочного чехла, представленная отложениями силура и ордовика, не отличается разнообразием плотностных характеристик, ввиду однотипности состава отложений и глубинного фактора, влияющего на большие значения плотностей. Критерий оптимальности здесь составил 0,7–0,8. В результате решения значения плотностей лежат в пределах от 2,70 до 2,74 г/см3.
Породы фундамента, так же как и рельеф его поверхности, значительно влияют на формирование гравитационного поля Верхнепечорской впадины. Вследствие этого, в зависимости от известного и предполагаемого состава пород (для этого были использованы не только петрофизические данные бурения скважин, но и материалы магнитометрических съемок), критерий оптимальности был выбран 0,8–0,9. Расчетные плотности – 2,76–2,85 г/см3.
В целом, по результатам проведенных исследований, отмечается хорошее соответствие наблюденного и рассчитанного полей. Невязка по профилю 7710-02 составила 1,15 мГал, по профилю 11087-30 – 1,8 мГал. Как видно из рис. 3, максимальные значения гравитационного поля до 9 мГал в западной части профиля обусловлены породами фундамента и его составом. Вуктыльский надвиг слабо отображается в аномальном поле. Уменьшение поля силы тяжести до минус 12 мГал в восточном направлении обусловлено увеличением мощности терригенной толщи и изменением гипсометрии фундамента.
Заключение
Было проведено опробование разработанной технологии структурно-плотностного моделирования на основе инверсии гравитационного поля для выделения зон, различных по своим петрофизическим характеристикам, обусловленных литофациальными изменениями и связанных с рифообразованием. При анализировании полученных геоплотностных моделей отмечены зоны рифовых построек доманиково-турнейского возраста: по профилю 11087-30 в пределах пикетов 6000–10000, 24000–26000; по профилю 7710-02 – 7000–11000 с плотностями 2,67–2,71 г/см3.
Применение новых технологий и программного обеспечения в решении задач интегрированной интерпретации геолого-геофизических данных позволит расширить перспективные территории с целью поиска залежей углеводородов. Результаты применения интегрированной интерпретации данных сейсморазведки и гравиразведки, основанной на решении обратных задач в рамках критериального подхода, позволяют рекомендовать ее для решения задач выявления перспективных в нефтегазовом отношении объектов.