Введение

Сейсмическая анизотропия — это зависимость скорости сейсмических волн в среде (породе) внутри Земли от направления.

Описание

Материал считается анизотропным, если значение одного или нескольких его свойств изменяется в зависимости от направления. Анизотропия отличается от гетерогенности тем, что анизотропия представляет собой изменение значений с направлением в одной точке, в то время как гетерогенность – это изменение значений между двумя или более точками. Сейсмическая анизотропия определяется как зависимость сейсмической скорости от направления или угла. Общая анизотропия описывается тензором упругости четвертого ранга с 21 независимым элементом. Однако на практике наблюдательные исследования не позволяют определить все 21 элемент, поэтому анизотропия обычно упрощается. В наиболее простой форме выделяют два основных типа анизотропии, оба из которых называются трансверсальной изотропией (так как в горизонтальной или вертикальной плоскости наблюдается изотропия) или полярной анизотропией. Различие между ними заключается в оси симметрии – оси вращательной инвариантности, при вращении вокруг которой структура материала остается неизменной. Ось симметрии обычно связана с региональными напряжениями или гравитацией. Вертикальная трансверсальная изотропия (VTI), характеризующаяся вертикальной осью симметрии, связана со слоистостью и сланцами и встречается в областях, где доминирует гравитация. Горизонтальная трансверсальная изотропия (HTI), характеризующаяся горизонтальной осью симметрии, связана с трещинами и разломами и встречается в областях, где доминируют региональные напряжения. Матрица трансверсальной анизотропии имеет ту же форму, что и изотропная матрица, за исключением того, что она содержит пять ненулевых значений, распределенных по 12 ненулевым элементам. Трансверсальную изотропию иногда называют трансверсальной анизотропией или анизотропией с гексагональной симметрией. Во многих случаях ось симметрии не является ни горизонтальной, ни вертикальной, и в этом случае ее часто называют "наклонной".

История признания анизотропии

Анизотропия была впервые признана в XIX веке после развития теории распространения упругих волн. Джордж Грин (1838) и лорд Кельвин (1856) учли анизотропию в своих работах о распространении волн. Анизотропия вошла в сейсмологию в конце XIX века и была введена Маурици Рудзки. С 1898 года и до своей смерти в 1916 году Рудзки стремился развить теорию анизотропии, в 1898 году он попытался определить волновой фронт поперечно-изотропной среды (TI), а в 1912 и 1913 годах опубликовал работы о поверхностных волнах в поперечно-изотропном полупространстве и о принципе Ферма в анизотропных средах соответственно. Несмотря на это, прогресс в изучении анизотропии оставался медленным, и в первые 30 лет (1920–1950) разведочной сейсмологии было опубликовано лишь несколько работ на эту тему. Значительный вклад внесли такие ученые, как Хельбиг (1956), который, проводя сейсмические исследования девонских сланцев, обнаружил, что скорости вдоль плоскости слоистости примерно на 20% выше, чем поперек неё. Однако понимание анизотропии возросло после предложения Крампином (1987) новой модели генерации анизотропии на изначально изотропном фоне и новой концепции разведочных работ. Крампин показал, что поляризация трехкомпонентных сдвиговых волн несет уникальную информацию о внутренней структуре породы, через которую они распространяются, и что расщепление сдвиговых волн может содержать информацию о распределении ориентации трещин. Благодаря этим новым разработкам, а также появлению более качественных и новых типов данных, таких как трехкомпонентные 3D сейсмические данные, наглядно демонстрирующие эффекты расщепления сдвиговых волн, и широкоазимутальные 3D данные, показывающие эффекты азимутальной анизотропии, и доступности более мощных компьютеров, анизотропия начала оказывать значительное влияние на разведочную сейсмологию в последние три десятилетия.

Происхождение анизотропии

Сообщается, что анизотропия наблюдается в трех основных слоях Земли: коре, мантии и ядре. Причины сейсмической анизотропии не уникальны, целый ряд явлений может приводить к тому, что земные материалы проявляют сейсмическую анизотропию. Анизотропия может сильно зависеть от длины волны, если она обусловлена усредненными свойствами ориентированной или частично ориентированной неоднородности. Твердое тело обладает внутренней анизотропией, когда оно однородно и извилисто анизотропно вплоть до размера мельчайших частиц, что может быть связано с кристаллической анизотропией. Соответствующая кристаллографическая анизотропия может быть обнаружена в верхней мантии. Если в изотропной породе присутствует распределение сухих или заполненных жидкостью трещин с предпочтительной ориентацией, это называется анизотропией, вызванной трещинами. Наличие ориентированных трещин, открытых или заполненных другим материалом, является важным механизмом на небольшой глубине в коре. Хорошо известно, что факторы мелкомасштабного или микроструктурного уровня включают (например, Kern & Wenk 1985; Mainprice et al. 2003): (1) предпочтительную ориентацию кристаллической решетки (LPO) составляющих минеральных фаз; (2) изменения в пространственном распределении зерен и минералов; (3) морфологию зерен и (4) ориентированные разломы, трещины и поры, а также характер материала, заполняющего их (например, глины, углеводороды, вода и т. д.). Ввиду общего микроструктурного контроля над сейсмической анизотропией, следует, что анизотропия может служить диагностическим признаком для конкретных типов пород. В данной работе мы рассматриваем, можно ли использовать сейсмическую анизотропию в качестве индикатора специфических осадочных литологий в земной коре. В осадочных породах анизотропия развивается во время и после осадконакопления. Для развития анизотропии необходима определенная степень однородности или равномерности от точки к точке в осадочном материале. В процессе осадконакопления анизотропия возникает из-за периодического слоистости, связанной с изменениями типа осадка, что приводит к образованию материалов разного размера зерен, а также из-за направленности транспортирующей среды, которая под действием силы тяжести упорядочивает зерна путем сортировки. Разломы и некоторые диагенетические процессы, такие как компактизация и обезвоживание глин, а также изменения и т.п., являются пост-осадочными процессами, которые могут вызывать анизотропию.

Значение анизотропии в разведке и добыче углеводородов

В последние два десятилетия сейсмическая анизотропия стала привлекать все большее внимание как в академических кругах, так и в промышленности, благодаря прогрессу в оценке параметров анизотропии, переходу от обработки сейсмических данных после стекинга к предстековой миграции в глубину, а также увеличению охвата по смещениям и азимутам в 3D-сейсморазведке. В настоящее время многие методы сейсмической обработки и инверсии используют анизотропные модели, что значительно повышает качество и разрешение сейсмических изображений. Интеграция анизотропной скоростной модели с сейсмической визуализацией снижает неопределенность в определении положения внутренних и ограничивающих разломов, тем самым существенно уменьшая риски при принятии инвестиционных решений, основанных на сейсмической интерпретации. Кроме того, установление взаимосвязи между параметрами анизотропии, ориентировкой трещин и плотностью позволяет разрабатывать практические методы характеристики пласта. Получение информации о пространственном распределении и плотности трещин позволяет значительно увеличить охват дренажа каждой добывающей скважины, если учитывать трещиноватость при принятии решений о бурении. Увеличение охвата дренажа на скважину приведет к сокращению числа скважин и, как следствие, к значительному снижению затрат на бурение в проектах разведки и добычи (E&P).

Применение анизотропии в разведке и добыче нефти

Среди множества применений сейсмической анизотропии наиболее важными являются: оценка анизотропных параметров, предстековая миграция глубинной анизотропии и характеристика трещиноватости на основе анизотропных скоростных моделей.

Оценка параметра анизотропии

Параметр анизотропии является наиболее фундаментальным для всех остальных применений анизотропии в нефтегазовой отрасли. Уже на ранних этапах сейсмической разведки нефти геофизики осознавали искажения, вызываемые анизотропией при визуализации P-волн (основной тип сейсмических исследований при нефтегазовой разведке). Хотя искажения, вызванные анизотропией, менее значительны, поскольку послестековая обработка данных с узким азимутом нечувствительна к скорости. Значительный вклад в развитие сейсмической анизотропии внесли работы Томсена по нотации анизотропии, а также открытие параметра времени хода P-волны. Эти основополагающие работы позволили параметризовать модели поперечной изотропии (TI) всего тремя параметрами, в то время как в поперечно-изотропных моделях (VTI или HTI) существует пять полностью независимых элементов упругого тензора. Это упрощение сделало измерение сейсмической анизотропии практически осуществимым подходом. Большинство исследований по оценке параметров анизотропии основаны на сланцах и глинистых породах, что, вероятно, связано с тем, что сланцы и глинистые породы являются наиболее распространенными осадочными породами в земной коре. Кроме того, в контексте нефтяной геологии органические сланцы являются как материнскими породами, так и покрышками, удерживающими нефть и газ. При сейсмической разведке сланцы составляют основную часть среды распространения волн, расположенной над нефтегазовым пластом. Таким образом, сейсмические свойства сланцев важны как для разведки, так и для управления разработкой месторождения. Анизотропию сейсмической скорости в сланцах можно оценить с помощью различных методов, включая каротажные данные по звуковой скорости в отклоненных скважинах, VSP-профилирование и измерения керна. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки: метод VSP-профилирования страдает от проблем масштабирования, а отбор керна непрактичен для сланцев, поскольку сланцы трудно кернировать при бурении.

Проход VSP

Массив ВСП "Шелковый путь" включает в себя несколько сейсмических поверхностных источников, расположенных на различных расстояниях от скважины. Одновременно с этим, в вертикальной скважине устанавливается вертикальный массив приемников с постоянным интервалом между ними. Во время измерений регистрируются времена прихода сейсмических волн от нескольких поверхностных источников к приемникам на разных глубинах. Эти времена прихода используются для определения параметра анизотропии на основе следующих уравнений, где – время прихода волны от источника со смещением , – время прихода волны от источника нулевого смещения, – скорость NMO, – параметр анизотропии Томпсона.

Отклоненный колодец звуковой журнал

Последний метод, который можно использовать для измерения сейсмической анизотропии, основан на данных акустического каротажа наклонно-направленной скважины. В наклонно-направленной скважине скорость распространения волны выше, чем в вертикальной скважине на той же глубине. Эта разница в скоростях между наклонно-направленной и вертикальной скважинами отражает параметры анизотропии горных пород вблизи ствола скважины. Детали этого метода будут продемонстрированы на примере, представленном в данном отчете.

Анизотропная глубинная миграция до запасов

В ситуациях со сложной геологией, например, при наличии разломов, складок, трещин, соляных тел и несогласий, применяется предстековая миграция (PreSM) благодаря более высокому разрешению в таких сложных геологических условиях. В PreSM все сейсмические трассы мигрируют до приведения к нулевому смещению. Это позволяет использовать значительно больше информации, что приводит к получению более качественного изображения, а также к более точной интерпретации изменений скорости в PreSM по сравнению с постстековой миграцией. Предстековая миграция крайне чувствительна к точности модели скоростей. Следовательно, использование изотропных моделей скоростей недостаточно для предстековой глубинной миграции. Анизотропная предстековая глубинная миграция P-волн (APSDM) позволяет получить сейсмическое изображение, обладающее высокой точностью по глубине и пространству. В результате, в отличие от изотропной ПСДМ, она согласуется с данными бурения и обеспечивает оптимальную основу для исследований характеристик пластов. Однако достижение такой точности возможно только при использовании корректных параметров анизотропии. Оценить эти параметры только по сейсмическим данным невозможно. Их достоверное определение требует анализа разнообразных геолого-геофизических данных – данных о скважинах и геологической истории. В последние годы в отрасли наблюдается растущее практическое применение анизотропии в сейсмической визуализации. Мы представляем примеры из практики, демонстрирующие интеграцию геолого-геофизических данных. Мы показываем, что достигается значительно более высокая точность. Логичным выводом является то, что этот интегрированный подход следует расширить с применения анизотропной глубинной визуализации только в областях со сложной геологией до ее регулярного использования при исследовании всех пластов.

Характеристика перелома

После рассмотрения применений анизотропии, улучшивших сейсмическое изображение, два подхода к использованию анизотропии для анализа трещин в пласте заслуживают обсуждения. Один использует азимутальные изменения в амплитудно-смещенном (AVO) отклике при отражении волны от верхней или нижней границы анизотропного материала, а второй – использует поляризующий эффект, который трещины оказывают на проходящую поперечную волну. В обоих случаях отдельные трещины находятся за пределами разрешения сейсмического сигнала, и регистрируется кумулятивный эффект трещиноватости. Основываясь на лежащей в их основе идее, оба подхода можно разделить на два этапа. Первый этап – получение параметров анизотропии из сейсмических данных, а второй – извлечение информации о трещинах из параметров анизотропии на основе модели анизотропии, вызванной трещинами.

Переломы - азимутные изменения

Выровненное субсейсмическое трещиноватость может вызывать сейсмическую анизотропию (то есть, изменение сейсмической скорости в зависимости от направления) и приводить к измеримым направленным различиям во времени прохождения и отражательной способности. Если трещины ориентированы вертикально, они создают азимутальную анизотропию (наиболее простой случай – горизонтальная поперечная изотропия, или HTI), в результате чего отражательная способность границы зависит как от азимута, так и от смещения. Если хотя бы одна из сред, ограничивающих границу, обладает азимутальной анизотропией, то AVO (амплитудно-фазовый анализ) будет иметь азимутальную зависимость. Коэффициент отражения волны P-P связан с азимутом при наличии анизотропии в слоях следующим образом:

где – азимут относительно сетки сбора данных, а – коэффициенты, описывающие параметры анизотропии.

Переломы: разделение сдвижной волны

Поведение сдвиговых волн при прохождении через анизотропные среды известно уже много лет, что подтверждается лабораторными и полевыми наблюдениями, демонстрирующими разделение сдвиговой волны на два поляризованных компонента, плоскости поляризации которых ориентированы параллельно и перпендикулярно анизотропии. В трещиноватой среде более быстрая сдвиговая волна обычно выравнивается по направлению простирания, а временная задержка между разделенными сдвиговыми волнами связана с плотностью трещин и длиной пройденного пути. В слоистой среде сдвиговая волна, поляризованная параллельно слоистости, приходит первой.

Пример анизотропии в нефтегазовой E&P

В ней будут рассмотрены два примера, демонстрирующих применение анизотропии в нефтегазовой разведке и добыче. Первый пример посвящен оценке параметров анизотропии с использованием акустического каротажа в наклонно-направленных скважинах. Второй пример иллюстрирует повышение качества изображения с помощью технологии предстековой миграции по глубине (PreStack Depth Migration).

Пример глубинной миграции перед стеком

В данном случае оператор провел несколько сейсмических исследований на газовом месторождении в Северном море в период с 1993 по 1998 год. Первоначальные исследования не учитывали анизотропию, в то время как последующие использовали метод предстековой глубинной миграции (PreStack Depth Migration) для обработки данных. Эта PSDM была выполнена с использованием коммерческого сейсмического программного комплекса, разработанного Total. Следующие два графика наглядно демонстрируют улучшение разрешения, достигнутое благодаря методу PSDM. Верхний график представляет собой стандартный 3D-сейсмический опрос без учета анизотропии. На нижнем графике использован метод PSDM. Как видно на нижнем графике, благодаря снижению погрешности и повышению разрешения, стало возможным выявить больше мелких структурных элементов.

Ограничения сейсмической анизотропии

Сейсмическая анизотропия основана на сдвиговых волнах, которые несут богатую информацию, использование которой иногда затруднено. Для изучения анизотропии с помощью сдвиговых волн требуются многокомпонентные (обычно 3-компонентные) геофоны, ориентированные под углом, которые дороже широко используемых однокомпонентных геофонов с вертикальной ориентацией. Однако, несмотря на свою стоимость, трехкомпонентные сейсмометры значительно превосходят вертикальные сейсмометры по способности собирать ценную информацию о Земле, недоступную для последних. Хотя сейсмические волны и ослабляются, крупные землетрясения (с магнитудой момента > 5) способны генерировать наблюдаемые сдвиговые волны. Второй закон термодинамики обуславливает более сильное ослабление энергии сдвиговых волн, отраженных от недр, что затрудняет использование информации о сдвиговых волнах при анализе небольших землетрясений.

Анизотропия коры

В земной коре анизотропия может быть вызвана предпочтительно ориентированными трещинами или микротрещинами, слоистой структурой в осадочных формациях или сильно слоистыми метаморфическими породами. Анизотропия коры, возникающая в результате ориентировки трещин, может быть использована для определения напряженно-деформированного состояния коры, поскольку во многих случаях трещины предпочтительно ориентируются своими плоскими поверхностями в направлении минимального сжатия. В активных тектонических областях, таких как зоны разломов и вулканов, анизотропия может использоваться для выявления изменений в предпочтительной ориентации трещин, которые могут указывать на поворот поля напряжений. Как сейсмические P-волны, так и S-волны могут проявлять анизотропию. Для обеих типов волн анизотропия может проявляться как (непрерывная) зависимость скорости от направления распространения. Для S-волн она также может проявляться как (дискретная) зависимость скорости от направления поляризации. Для заданного направления распространения в любой однородной среде допускаются только два направления поляризации, при этом остальные поляризации раскладываются тригонометрически на эти два. Следовательно, поперечные волны естественным образом "расщепляются" на отдельные приходы с этими двумя поляризациями; в оптике это явление называется двойным лучепреломлением. Анизотропия коры имеет большое значение при создании нефтяных месторождений, поскольку сейсмически быстрые направления могут указывать на предпочтительные направления движения флюидов. В геофизике коры анизотропия обычно слабая, что позволяет упростить выражения для сейсмических скоростей и коэффициентов отражения как функции направления распространения (и поляризации). В наиболее простом и геофизически правдоподобном случае, а именно при полярной анизотропии, анализ наиболее удобно проводить с использованием параметров Томсена.

Анизотропия манты

В мантии анизотропия обычно связана с кристаллами (в основном оливином), ориентированными по направлению потока мантии, что называется предпочтительной ориентацией кристаллической решетки (LPO). Благодаря своей вытянутой кристаллической структуре, кристаллы оливина стремятся выстраиваться в направлении потока, вызванного конвекцией мантии или мелкомасштабной конвекцией. Анизотропия давно используется для обсуждения вопроса о том, движется ли тектоника плит снизу, под воздействием конвекции мантии, или сверху, под воздействием плит – то есть силы тяжения плит и силы хребтового поднятия. Основными методами для обнаружения сейсмической анизотропии являются разделение сдвиговых волн, сейсмическая томография поверхностных и объемных волн, а также рассеяние преобразованных волн в рамках анализа функции приемника. При разделении сдвиговых волн S-волна расщепляется на две ортогональные поляризации, соответствующие максимальной и минимальной скоростям распространения волны в данной среде для данного направления. Период, используемый в исследованиях расщепления в мантии, обычно составляет 5–25 секунд. В сейсмической томографии необходимо пространственное распределение сейсмических источников (землетрясений или искусственных взрывов) для генерации волн с различными азимутами распространения через трехмерную среду. Для анализа функции приемника преобразованная волна P-S демонстрирует гармонические изменения азимута обратного распространения сейсмических волн при наличии анизотропного материала на глубине. Этот метод позволяет определять слои анизотропного материала на глубине под станцией. В переходной зоне вадслеит и/или рингвудит могут быть ориентированы в соответствии с LPO. Ниже переходной зоны три основных минерала – периклаз, силикатный перовскит (бриджманит) и постперовскит – все анизотропны и могут генерировать анизотропию, наблюдаемую в области D" (слой толщиной около двухсот километров вблизи границы ядро-мантия).