Морфометрический подход к количественной оценке мощности отложений меандрирующих палеорусел тюменской свиты Западно-Сибирского нефтегазоносного бассейна

Введение

По данным Ежегодного аналитического обзора «Недропользование в ХМАО-Югре» Научно-аналитического центра рационального недропользования им. В.И. Шпильмана¹, в пределах Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО) ежегодно возрастает уровень добычи из пластов тюменской свиты (J, юра), разработка которых ранее считалась экономически малоэффективной. Прогнозирование устойчивости подобной тенденции на дальнейшую перспективу весьма затруднительно, так как существует высокая неопределенность вследствие сложного геологического строения залежей и низкой степени изученности этого продуктивного интервала.

Значительный вклад в исследование юрских отложений Западной Сибири внесли многие авторы (Конторович и др., 1975; Нестеров, 1979; Вассоевич и др., 1983; Сурков и др., 1986; Гурари, 2005; Гладышева, 2012, Конторович и др., 2013; Исакова и др., 2022 и др.).

Отложения тюменской свиты характеризуются сильной вертикальной и латеральной литологической изменчивостью. Сейсмогеологическая модель в первом приближении включает отложения двух фациальных типов: русловые и пойменные. Наилучшими фильтрационно-емкостными свойствами (ФЭС) обладают русловые песчаники. В скважинах, пробуренных в зонах развития палеоканалов тюменской свиты, получают наиболее значимые притоки нефти. В статье (Фёдорова и др., 2016) приведены данные по трем месторождениям ХМАО:

• на Песчаном месторождении начальные дебиты из пластов Ю_2–3 и Ю₄ достигали 30–72 м³/сут, после гидроразрыва пласта (ГРП) – 50–90 т/сут (из них нефти – 43–69 т/сут), накопленная добыча нефти за 9 лет составила около 2 млн т;
• на Каменной площади из верхов тюменской свиты получен фонтанный приток нефти дебитом 136 м³/ сут;
• на Кечимовском месторождении в единичных скважинах из пласта Ю₂ начальный дебит достигал 45 т/ сут без ГРП.

Изучение палеорусловых систем сейсморазведкой сопряжено с ограничениями латеральной и вертикальной разрешающих способностей метода, так как для подобных отложений характерна существенная литологическая изменчивость при незначительной мощности геологических тел. Поэтому важную роль при подготовке залежей к разработке играет детальный и всесторонний комплексный анализ имеющихся скважинных и сейсмических данных, включающий сейсмофациальный анализ, спектральную декомпозицию, петроупругое моделирование, сейсмическую инверсию, машинное обучение, изучение объектов-аналогов, анализ геофизических исследований скважин (ГИС), исследования керна и т.д.

В настоящей работе на примере геологического объекта, интерпретируемого в интервале тюменской свиты одного из месторождений ХМАО нами обосновывается целесообразность привлечения наряду с классическими инструментами комплексного анализа сейсмических и скважинных данных нового подхода прогноза мощности русловых отложений, основанного на изучении морфометрических параметров русловых тел (палеоканалов) и расчете искомой величины через установленные зависимости для измеряемых элементов меандрирующих систем (ширины пояса руслоформирования, амплитуды и длины излучины, радиуса кривизны и т.д.) (Ольнева, Жуковская, 2018).

Материалы и объект исследования

Площадь исследования расположена в центральной части Западно-Сибирской равнины в ХМАО.

В геологическом строении осадочного чехла мезо-кайнозойского возраста (мощностью более 3000 м) изучаемой площади юрская система представлена тремя отделами: нижним, средним и верхним. Отложения ягельной, горелой и тюменской свит нижне-среднеюрского отдела формируют нижний комплекс; отложения абалакской и баженовской свит позднеюрского возраста – верхний комплекс. В настоящей работе более подробно рассматриваются отложения тюменской свиты.

Тюменская свита представлена тонким чередованием аргиллитов, алевролитов и песчаников. Максимальная мощность отложений в пределах площади достигает 320 м. Согласно общим представлениям они сформировались преимущественно в континентальных условиях и частично в прибрежно-морских. Свита условно делится на три подсвиты: нижнюю, в составе которой выделяются песчаные пласты ЮС₉, ЮС₈, ЮС₇, среднюю с пластами ЮС₆ и ЮС₅ и верхнюю, вмещающую пласты ЮС₄, ЮС₃, ЮС₂.

На момент аккумуляции отложений, вмещавших пласты ЮС_2–3, территория представляла собой обширную аллювиальную равнину с низменными ландшафтами и развитием сложной системы палеорусел, по которым происходила транспортировка осадочного материала. Подобные условия осадконакопления предопределили формирование маломощных невыдержанных по латерали песчаных тел, являющихся в настоящее время перспективными поисковыми объектами в качестве литологических ловушек. Их продуктивность в пределах изучаемой площади доказана испытаниями в четырех скважинах.

Кровля тюменской свиты в сейсмических данных ассоциируется с опорным отражающим горизонтом Т. Для целевого интервала развития пластов ЮС_2–3 в сейсмических атрибутах характерно проявление многочисленных разнообразных палеоканалов: свободно меандрирующих русел, русел ограниченного меандрирования, фрагментов спрямленных русел. Их сейсмообразы представлены на рис. 1.

В настоящей работе объектом исследования является палеорусловая система, интерпретируемая в пределах пояса меандрирования, контрастно проявленного на сейсмических слайсах (рис. 1а). Сигмовидная морфология объекта и его контрастность на фоне вмещающих отложений позволяют предположить наличие песчаных кос, являющихся потенциальными поисковыми объектами.

Методы исследования

Качественная и количественная динамическая интерпретация

Оценка геометрии резервуара и мощности коллекторов является важной практической задачей, решаемой, как правило, с помощью качественного и количественного динамического анализа на этапе интерпретации сейсмических данных.

В процессе качественной динамической интерпретации для изучения обозначенного объекта использовались классические подходы: атрибутный анализ, классификации по форме трассы, спектра и др., нейросетевые подходы, спектральная декомпозиция, амплитудная декомпозиция (цветовое смешивание смещенных по вертикали амплитудных слайсов). Отметим, что наиболее высокая степень детальности и информативности характерна для двух последних. Результаты представлены на рис. 2. Качественный динамический анализ позволил выявить и закартировать объект, оценить особенности его формы, характер и соразмерность отдельных элементов.

Количественная динамическая интерпретация проводилась с помощью инверсионных преобразований (Сысоев, Зайцев, 2023). Применение прямого прогноза ФЕС для изучения продуктивных пластов тюменской свиты зачастую является некорректным и не позволяет обоснованно делать прогноз для песчаных тел. Связано это в первую очередь с тем, что интерпретируемые в скважинах толщи коллекторов малоконтрастны по отношению к вмещающим отложениям и не выделяются по акустическим параметрам среды (Vp – скорость продольных волн, Vs – скорость поперечных волн, AI – акустический импеданс, Den – плотность, Vp/Vs – отношение скорости продольных волн к скорости поперечных волн) (Фёдорова и др., 2016).

Рассматриваемый пример не стал исключением. В результате петрофизической интерпретации установлено, что для всех выделенных литотипов (коллектора, аргиллитов, алевролитов, плотных пород, углей) в поле кросс-плота «акустический импеданс (AI) / отношение скорости продольных волн к скорости поперечных волн (Vp/Vs)» имеется значительное перекрытие диапазонов. По характеру распределения акустического импеданса, отношения Vp/Vs и плотности можно заключить, что литотипу «коллектор» достаточно хорошо соответствуют точки, относящиеся к русловым фациям, интерпретируемым по результатам фациального анализа данных ГИС.

Еще одной проблемой для количественного анализа в производственных работах является недостаточная статистическая выборка.

Морфометрический анализ

В настоящей работе нами представлен новый подход, позволяющий перевести традиционный качественный динамический анализ для меандрирующих систем (Буторин и др., 2015) в плоскость количественного анализа. Подход основан на изучении морфометрических параметров русловых тел (палеоканалов) и расчете ФЕС через установленные зависимости для измеряемых элементов меандрирующих систем (это ширина пояса руслоформирования, амплитуда излучины, длина излучины, радиус кривизны и т.д.). В случае возможности проведения классического количественного анализа авторский подход позволяет взаимоувязать и перепроверить результаты прогноза мощности палеорусловых отложений путем комплексирования качественного и количественного динамического анализа сейсмических данных.

Меандрирование рек является характерной особенностью равнинных областей с незначительным уклоном поверхности. Формированию меандр способствует наличие большого количества мелкозернистых осадков как по берегам рек, так и в общем твердом стоке. Для меандрирующих рек присущи более закономерный характер русловых процессов и более четкое разделение русловой и пойменной фаций аллювия, чем для слабоизвилистых рек. Развиваясь в пределах аллювиальных равнин, русло реки занимает лишь небольшую часть широкой речной долины – пояса руслообразования (пояса меандрирования), который представляет собой сложную систему активных русел, стариц и, расположенных рядом пойм (Рединг и др., 1990). Элементы меандрирующей речной системы представлены на рис. 3.

Ключевой характеристикой меандрирующих рек является извилистость, математически описываемая коэффициентом извилистости (Кизв) через отношение длины изучаемого участка реки по фарватеру к длине прямой, соединяющей концы участка. Для современных меандрирующих рек Кизв варьируется в широких пределах – от 1,1 до 3,5. При возможности картирования отдельно взятого палеоканала по сейсмическим данным на достаточном его протяжении величина Кизв может служить дополнительным обоснованием типа речной системы (Ольнева, 2017; Ольнева, Жуковская, 2018; Ольнева и др., 2022).

Качественный сейсмообраз объекта позволяет оцифровать ширину пояса руслоформирования, иногда ширину отдельного канала, амплитуду (высоту), длину, шаг излучины, радиус кривизны меандры. Все перечисленные выше параметры играют важную роль в количественном прогнозе мощности русловых отложений.

Для современных меандрирующих рек установлены зависимости между шириной пояса руслоформирования и мощностью отложений (Collinson, 1978), между шириной пояса руслоформирования и шириной русла (Усачев и др., 1985; Снищенко,1982), между шириной русла и мощностью отложений (Лидер, 1968), между шириной пояса руслоформирования и длиной излучины (Здоровенко, 2011), между периодом излучины и радиусом кривизны (Леопольд, Вольман, 1964), между периодом излучины и шириной русла (Леопольд, Вольман, 1964) и т.д.

Установление аналогичных морфометрических зависимостей для палеосистем осложняется подбором необходимой и достаточной выборки корректных статистических данных. Нами проанализированы аналогичные объекты в тюменской свите по сейсмическим и скважинным данным близлежащих площадей и выбраны 13 точек, для которых имелась скважинная информация о мощности коллектора (допускаем, что речь идет о мощности русловых отложений) и существовала возможность выполнить замер ширины пояса руслоформирования, визуально аналогичного изучаемому нами объекту. Полученная зависимость представлена на рис. 4.

На основании анализа литературных источников проведено сравнение полученной выборки по региону со статистическими данными по другим бассейнам.

В работе (Reynolds, 1999) представлен кросс-плот, иллюстрирующий взаимосвязь между мощностью и шириной песчаных тел различной седиментационной природы по данным литературных источников и данных месторождений British Petroleum. Палеоканалы в общей выборке представлены шестью точками без указания типа речной системы, значения мощности меняются в пределах от 2,5 до 24 м, ширина русловой системы варьирует от 57 до 1400 м.

В статье (Strong et al., 2002) на примере данных формации Мунгару (Mungaroo) пермо-триасового осадочного бассейна Купера (Австралия) приведены эмпирические зависимости и диапазоны значений для ширины пояса руслоформирования и мощности русловых отложений. Согласно этим данным мощность палеорусел меняется в диапазоне от 1 до 20 м, а ширина пояса достигает максимального значения в 6000 м.

В работе (Fielding, Сrane, 1987) выполнен статистический анализ зависимости мощности русловых отложений от ширины пояса руслоформирования на примере различных типов речных систем: слабоизвилистых, меандрирующих, разветвленных, анастомозирующих и русел, морфология которых не определена. В зависимость включены данные как по палеообъектам, так и по современным рекам. Интересен тот факт, что, не имея результатов сейсмических 3D-исследований, авторы этой работы решали обратную задачу по отношению к нашей – прогноз ширины пояса руслоформирования для оптимального размещения скважин по мощности русловых отложений, определенной в скважинах.

Рис. 5 является результатом выполненного нами обобщения данных из указанных выше источников (наша выборка по объектам в тюменской свите, шесть точек с графика из (Reynolds, 1999) и набор точек для меандрирующих русел из (Fielding, Сrane, 1987)), построена зависимость мощности русловых отложений от ширины пояса руслоформирования. Дополнительно, для сопоставления на графике указана зависимость Коллинсона (Collinson, 1978), полученная для современных меандрирующих рек.

Результаты и их обсуждение

Прогноз мощности русловых отложений для выделенного объекта осуществлен с применением трех подходов.

1. Первый подход заключается в использовании зависимостей, установленных между шириной пояса руслоформирования и мощностью русловых отложений применительно к конкретному участку измерения морфометрических характеристик. Замеры ширины пояса руслоформирования (В) выполнены на основе сейсмического образа объекта, среднее значение ширины составило 4000 м. В табл. 1 представлены три разные зависимости и результаты расчета мощности русловых отложений. Разброс значений составляет от 9,7 до 14,6 м.

Ширина русла (W) для изучаемого объекта, по соотношению из (Усачев и др., 1985), прогнозируется в 450 м (для свободного меандрирования современных рек В/W = 8,9).

2. Второй подход прогноза мощности русловых отложений реализован нами в виде программного кода на языке Python, позволяющего автоматизировать процесс измерения интенсивно трансформирующейся ширины пояса руслоформирования вдоль всей длины закартированного объекта. В процессе тестирования программного кода получено 5000 значений. К полученной выборке применены зависимости, представленные в табл. 1. Для каждой зависимости получены следующие распределения значений (рис. 6, 7): по зависимости Коллинсона значения мощности варьируют в диапазоне от 7 до 17,5 м, по нашей зависимости для выборки объектов тюменской свиты находятся в диапазоне от 6,5 до 13 м, по комбинированной зависимости изменяются от 7,5 до 11 м.

3. Третий подход основан на анализе результатов синхронной AVA-инверсии (AVA – Amplitude Variation with Angle). Прогноз толщин русловых отложений выполнен в рамках производственных работ через применение функции распределения плотности вероятности литотипов, установленной в процессе анализа петроупругих характеристик целевого интервала, к кубам акустического импеданса и соотношения скоростей продольных и поперечных волн, полученных в результате синхронной AVA-инверсии. Вариации значений в пределах пояса меандрирования составляют от 2,2 до 19,8 м и представлены на гистограмме (рис. 8). Полученное распределение сопоставимо с результатами расчетов на основе представленных выше зависимостей.

Таким образом, полученные нами результаты коррелируют с общими представлениями о масштабности осадконакопления в пределах поясов меандрирования. Например, в работе (Gibling, 2006) проанализированы мощности отложений меандрирующих рек для разновозрастных мировых формаций: Beaufort Group (Южная Африка); German Greek Formation (Австралия); Joggins Formation (Канада); Murillo el Fruto (Испания); Scalby Formation (Англия) и др. Отмечено, что диапазон мощностей составляет 1–38 м с наибольшей частотой 4–20 м.

Отметим, что применение морфометрических зависимостей, установленных для современных речных систем, к палеоруслам предполагает целый ряд допущений, связанных, например, с различной масштабностью процессов, протекающих в отдельные геологические эпохи, многократными размывами и переотложением непосредственно русловых фаций, а также последующим уплотнением пород целевого интервала вследствие воздействия перекрывающих мощных более молодых толщ осадочного чехла и т.д. Однако согласно «принципу актуализма» Ч. Лайеля (Лайель, 1866) существует возможность с некоторыми допусками проецировать наши знания о современных реках на палеосистемы с учетом того факта, что подобрать корректную статистическую выборку для палеосистем достаточно затруднительно.

Заключение

Представлен новый подход к изучению палеорусловых меандрирующих систем на примере седиментационного объекта, характерного для интервала тюменской свиты. Для задачи прогноза толщин русловых отложений в дополнение к традиционным подходам качественной и количественной динамической интерпретации применен морфометрический анализ, который заключается в измерении на основе сейсмического образа параметров, характеризующих меандрирующую систему, и прогнозировании через установленные зависимости неизмеряемых параметров. Как правило, мощности отложений палеоканалов находятся за пределами вертикальной разрешающей способности сейсморазведки.

Нами спрогнозирована мощность коллектора по параметру «ширина пояса руслоформирования с помощью трех типов зависимости. Первая зависимость установлена Коллинсоном (Collinson, 1978) для современных меандрирующих русел. Вторая зависимость (авторская) построена нами в процессе анализа взаимосвязи ширины пояса руслоформирования по сейсмическим данным и мощности коллекторов по скважинным данным для выборки аналогичных объектов в тюменской свите близлежащих площадей. Третья зависимость (комбинированная) получена путем совмещения выборки значений для меандрирующих рек, как палео, так и современных, из работ (Fielding, Сrane, 1987; Reynolds, 1999) и собственного набора точек. Представляется возможным применение морфометрических зависимостей, установленных для современных речных систем согласно «принципу актуализма» Ч. Лайеля.

В работе представлено два подхода: точечный на основе единичного замера и автоматизированный, позволяющий сгенерировать множество замеров ширины пояса руслоформирования вдоль его наблюдаемого положения по латерали. Второй подход реализован нами в виде автоматизированного программного кода на языке Python. Получены диапазоны изменения мощности русловых отложений от 6,5 до 17,5 м, отвечающие общим представлениям о порядке данной величины для современных речных систем и палеосистем в различных геологических формациях.

Результаты прогноза мощности отложений в пределах изучаемого объекта на основе морфометрического анализа сопоставлены с результатами количественного динамического анализа, выполненного путем инверсионных преобразований. Отмечено высокое сходство данных.

Предложенный нами подход апробирован на различных площадях и рекомендуется к применению на различных этапах геологоразведочных работ, связанных с оценкой резервуаров, приуроченных к палеорусловым меандрирующим системам тюменской свиты Западно-Сибирского нефтегазоносного бассейна.

Благодарности

Авторы выражают благодарность рецензентам за ценные замечания и предложения, которые способствовали улучшению работы.