Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

КОМПЛЕКСНЫЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД В БЕРЕГОВОЙ ЗОНЕ П-ВА ЯМАЛ

Крылов С.С.1 Бобров Н.Ю.1 Глазунов В.В.2 Ефимова Н.Н.3

1 Санкт-Петербургский государственный университет, sskrylov@rambler.ru

2 Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург

3НПФ «ИНЖГЕОФИЗИКА», Санкт-Петербург

Вдокладе анализируются результаты комплексных инженерно-геофизических исследований многолетнемерзлых пород на п-ве Ямал (побережье Обской губы) выполненных в 2012 г. специалистами НПФ «Инжгеофизика», Санкт-Петербургского Горного института и СанктПетербургского государственного университета. Целью наземных инженерно-геофизических работ являлось получение геофизической информации, позволяющей дополнить и уточнить данные инженерно-геологических изысканий, а также выявить инженерно-геологические особенности строения толщи многолетнемерзлых пород на глубину до 35м, существенно влияющие на условия проектирования и ведения строительных работ. Работы проводились на квадратной площадке примерно 250х250 м, большую часть которой занимала заснеженная тундра.

Работы выполнялись в апреле - мае при отрицательных температурах воздуха (до -300) и при сильном ветре. Для решения поставленных задач был выбран комплекс наземных геофизических методов, включающий методы электроразведки и сейсморазведки. Сейсморазведочные исследования проведены методом общей глубинной точки МОВ-ОГТ на продольных и поперечных волнах (четыре профиля, секущих площадку). Электроразведочные исследования включали георадиолокационное профилирование (ГРЛП) и метод зондирования становлением поля в ближней зоне – ЗСБ. Регистрация сейсмических данных осуществлялась с помощью 48-ми канальной сейсмостанции «ЭЛЛИСС-3» (ООО «Геосигнал», Москва). Георадиолокационное профилирование проводилось с помощью георадара «Зонд-12е Advanced» на частотах 38 и150 МГц (примерно 100 профилей длиной 100м). ЗСБ выполнялось с аппаратурой «Цикл-5»по методике зондирований с совмещенными петлями 25х25 и 50х50 м. (общее количество зондирований –382).

Геологический разрез в районе работ представляет собой в первом приближении чередование мерзлых песков, супесей и суглинков, сильно засоленных в верхней части разреза до глубин около 20 м. Первые 3-5 м сложены сильно заторфованными сильнольдистыми суглинками и илами имеющими, как правило, атакситовую криотекстуру. Долее по разрезу до глубин 12-15 м идут супеси с прослоями песка, затем суглинки (подошва на глубинах 20-25 м ) и далее пески с массивной криотекстурой. Нижняя граница ММП по данным метла ЗСБ с петлями 50х50 м. находится на глубинах около 100 м.

Необходимо отметить, что в условиях развития засоленных мерзлых песчано-глинистых грунтов полуострова Ямал геофизические материалы отражают, прежде всего, мерзлотное состояние геокриологического разреза. На электрические и упругие характеристики массива мерзлых грунтов существенное влияние оказывает фазовое состояние поровых растворов, которое определяется их температурой, степенью засоленности и ионным составом. В таких условиях границы, получаемые по геофизическим данным, не всегда совпадают с литологическими. При этом физические характеристики, необходимые для надежной интерпретации данных геофизических методов, такие как скорости упругих волн, удельное сопротивление и диэлектрическая проницаемость, могут быть определены только при наличии параметрических скважин.

Четыре сейсмогеологических разреза, построенных на основе глубинных сейсмических разрезов, имеют схожую структуру, которая в целом отражает структуру мерзлой толщи осадочных пород. Сверху прослеживается слой илов, его подстилает слой песков. Ниже по разрезу прослеживается слой супесей, снова подстилаемый слоем песков. В связи с сильным уровнем поверхностных помех, глубинные сейсмические разрезы по поперечным волнам не имеют достаточной четкости сейсмических границ, границы отражений можно охарактеризовать как неустойчивые.

В целом, по проведенным малоглубинным исследованиям, наиболее приближенный, хорошо дифференцированный разрез получен при обработке продольных волн. По поперечным волнам не получено соответствующего разрешения, и сейсмический разрез получен сильно интегрированным. На отдельных участках исследований не получено отражений от скоростных изменений геологической среды, а в сейсмическом поле присутствуют помехи с включением высокочастотных и низкочастотных составляющих. Указанные проблемы требуют проведения специальных опытно-методических малоглубинных исследований с целью разработки методики проведения многоволновой сейсморазведки

58

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

в условиях многолетнемерзлых пород.

Георадарные данные позволили достаточно надежно установить нижнюю границу первого слоя разреза – сильнольдистых суглинков и илов. В следующем слое электромагнитное поле фактически затухает и уверенное выделение границ не представляется возможным.

Кривые ЗСБ с петлями 25х25 м соответствуют трехслойным разрезам со вторым слоем низкого удельного сопротивления. Этот слой соответствует засоленным породам и и объединяет пачку песков супесей и суглинков, лежащих до глубин примерно 20 м.При этом часть кривых имеет существенные искажения, вызванные поляризационными эффектами. Эти эффекты не позволяют дифференцировать пачку пород, относящуюся ко второму слою.

Таким образом, вся совокупность методов позволила достаточно надежно построить четырехслойный геологический разрез до глубин 35-40 м, при этом первая граница уверенно определялась по данным георадиолокации, вторая – по данным сейсмики, третья - по данным ЗСБ. Следует отметить, что интерпретация результатов всех перечисленных методов проводилась на основе данных бурения, т.е. фактически геофизические методы позволили уточнить разрез между скважинами. Единственным параметром, надежно определяемым без какой-либо априорной информации, была эффективная продольная проводимость разреза S, получаемая по методу ЗСБ. Карта продольной проводимости верхней части разреза (до глубин примерно 15 м) приведена на рис.1.

Рис. 1. Карта продольной проводимости верхней части разреза

По продольной проводимости участок работ практически делится на две части, условно «западную», с низкой S и «восточную» (со стороны моря) с высокой S. При этом продольная проводимость меняется в пределах участка более чем на порядок. Такое различие в продольной проводимости может быть вызвано наличием в разрезе слоев с аномально низким удельным сопротивлением. В условиях Ямала такими слоями могут являться только криопэги. Таким образом, по геофизическим данным удалось выявить и оконтурить область распространения криопэгов, наличие которых подтвердило проведенное впоследствии бурение. Криопеги на глубинах до 10 м были обнаружены во всех скважинах, пробуренных на участке, где продольная проводимость превышала 1,2 Sm.

59

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МНОГОМЕРНОГО СТАТИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ ЗОНДИРОВАНИЯ ПОЛЯ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ

Хамидуллина Г.С., Нургалиев Д.К., Хасанов Д.И.

Казанский (Приволжский) федеральный университет, galina-khamidullina@yandex.ru

Аннотация

В статье рассматривается применение метода главных компонент (многомерного статистического анализа) для интерпретации данных зондирования становления поля в ближней зоне. Дано краткое описание подготовки данных зондирования для применения метода главных компонент и методики интерпретации. В статье рассматриваются результаты геологической интерпретации на основе анализа веса факторов (главных компонент) и карт распределения факторов.

Summary

In article application of the principle component analyses (the multidimensional statistical analysis) for interpretation of the of the near-field time-domain electromagnetic date is considered. The short preprocessing of electromagnetic data for the principle component analyses and interpretation method is given. In article results of geological interpretation on the basis of the weight (the respondent of component) analysis and maps of factors are considered.

Целью современных геолого-геофизических исследований при поисках углеводородов является расширение ареала нефтеносности продуктивных отложений за счет выделения, как по разрезу, так и по площади небольших по размерам залежей и месторождений нефти. Одним из методов нефтегазовой геофизики, хорошо зарекомендовавший себя для изучения геологического строения горизонтальнослоистых осадочных толщ как среды аккумуляции углеводородов, является метод зондирования становления поля в ближней зоне (ЗСБЗ) [2, 3, 5]. Основанный на изучении переходных процессов становления вторичного электромагнитного поля после выключения первичного, метод ЗСБЗ несёт информацию о строении как терригенных, так и карбонатных комплексов осадочной толщи, а так же прогнозирует глубину залегания кровли фундамента и является одним из структурных методов электроразведки [4, 6, 8, 9]. В классической интерпретации данных ЗСБЗ количественные

характеристики (график функции St~¦(H)) дают представления о том, в какой части разреза произошло уменьшение или увеличение продольной проводимости. При этом участки возрастания кривой идентифицируются с проводящими толщами (слоями). В результате строятся карты продольной проводимости, как отдельных комплексов, так и всей изучаемой осадочной толщи. Результат ЗСБЗ – это преобразование электромагнитного поля с целью получения величины продольных проводимостей

(Сим) по разрезу, суммирующихся с глубиной (St) [6]. Качественный анализ углов наклона кривых S t , позволяют выделить проводящие горизонты, которые можно привязать к реальным литологостратиграфическим комплексам путем сопоставления петрофизических свойств разреза, полученных при интерпретации материалов геофизических исследований скважин Sk, с результатами обработанных электромагнитных данных. Полученная в результате интерпретации геоэлектрическая модель представляет собой последовательно переслаивающиеся низкоомные и высокоомные толщи [7]. Отражением субгоризонтальной модели служат карты приращений проводимостей выделенных толщ.

Однако, вероятнее всего, полученная геоэлектрическая информация описывают не один, а целый ряд геологических процессов, находящихся друг с другом в различных временных и пространственных взаимоотношениях. Поэтому значение геоэлектрического поля, отражающих реальную геологическую обстановку, следует рассматривать как сумму систематических, закономерных и случайных составляющих, обусловленных действием предполагаемых процессов и некоторых случайных причин. При их изучении весьма эффективными является подход, опирающийся на вероятностное моделирование и на широкое применение методов многомерной статистики в частности метода главных компонент (МГК).

В основе МГК лежит предположение о том, что если переменные величины возможно коррелируемы, то это свидетельствует о существовании «внутренних» параметров (факторов), являющихся причинами такой корреляции, но непосредственно не регистрирующихся. МГК был применен данным ЗСБЗ, в результате которого была получена новая информация о геоэлектрической модели осадочного чехла, и выявления перспективных зон с целью поисков углеводородов [1].

Подготовка данных ЗСБЗ к проведению многомерного статистического анализа заключалась к выполнению следующих процедур:

60

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

-вычисление удельной кажущейся электропроводности Δσ;

-построение графика Δσ;

-«стратификация» локальных максимумов Δσ;

-приведение к единым кажущимся глубинам выделенных максимумов Δσ, с целью создания коррелирующих данных, для последующего проведения МГК;

-построение матрицы исходных признаков (данные приведённых Δσ).

Рассмотрим на примере использование МГК применительно к данным ЗСБЗ. Электромагнитные

В рассматриваемом примере в качестве эталонной кривой выбран пункт наблюдения ЗСБЗ № 20, расположенный близь скважины №10. Полученные приведенные данные Δσ представляются как исходные признаки в виде матрицы. Анализируя данные ЗСБЗ и электрокаротажа, можно придти к выводу, что наиболее достоверная информация о геоэлектрическом разрезе получена с кажущихся глубин 695 –700 м, где искажающее влияние верхней части разреза минимально, и до кажущихся глубин

1400м, где кривая Sτ (H) практически выходит на асимптоту. Таким образом, в преобразовании участвуют кажущиеся удельные электропроводности, отвечающие этим глубинам.

Исходные признаки представляются в виде матрицы А, в которой в строках представлены изменяющиеся с глубиной Δσ, а в столбцах пункты наблюдения ЗСБЗ (в количестве 106).

На дифференцированные значения кажущейся продольной проводимости, а значить и на характер дисперсии исходных признаков влияет неоднородность геоэлектрических свойств, которая отражает строение геологической среды и наличие локализованных в плане и по глубине объектов - зон коллекторов, зон разрушений и трещиноватостей. Веса факторов по пунктам наблюдения дают информацию об обобщенной структуре изменчивости проводимости по площади (матрица А).

После преобразования матрицы А веса факторов (компонент) распределились следующим образом: 1 фактор – 79,57%, 2 фактор –7,56%, 3 фактор – 4,89 %. Таким образом, общий вес трех главных компонент составляет 92,02 %, что говорит о высокой корреляции между исходными признаками.

Поскольку по данным матрицы А изучалось преобразование между объектами, то веса главных компонент характеризуют удельную электропроводность в целом по разрезу, а карта распределения факторов - по площади. Таким образом, графики весовых нагрузок главных компонент наиболее удобно идентифицировать с изменением Δσ по разрезу в целом. При этом наблюдаются следующие закономерности распределения весовых нагрузок факторов (рисунок 1).

При этом наблюдаются следующие закономерности распределения весовых нагрузок факторов:

∙график распределения веса первой компоненты фактически повторяет изменение

электропроводности по разрезу, но с обратным знаком. При этом наблюдаются отрицательные значения веса первой компоненты в зонах проводящих толщ московского яруса и средневизейского подъяруса;

∙график распределения веса второй компоненты делит разрез на три комплекса. Область положительного знака в верхней и нижней части разреза, отвечающие мячковско-подольскому комплексу московского яруса, что соответствует геоэлектрической модели, и турнейскофранскому комплексу, который рассматривается в модели как высокоомные пласты. Вероятнее всего, на площади исследования есть области, где в турнейско-франском комплексе встречаются зоны, которые соответствуют трещинным карбонатным коллекторам. Область отрицательного знака отвечает каширско-средневизейскому комплексу. В целом комплекс отвечает принятой высокоомной модели, за исключением отложений верейской терригенно-карбонатной толщи, где можно спрогнозировать наличие преобладание карбонатного материала или флюидонасыщенного коллектора;

∙график распределения веса третьей компоненты имеет сложное строение. Положительные значения наблюдаются в верхней и нижней частях графика, отвечающие отложениям нижней части подольского и средне-визейско-девонскому комплексам соответственно.

61

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

Рис.1. Сопоставление геоэлектрического разреза, данных геофизических исследования скважины

сданными ЗСБЗ и весами факторов

∙Таким образом, можно предположить наличие в данном типе разреза сильно-трещиноватых карбонатных пород в нижней части подольских отложений, в карбонатных отложениях турнея и верхнего девона.

Таким образом, по распределению весов компонент выделяются три типа разреза на

рассматриваемой территории. Поскольку по данным матрицы А изучалось преобразование между объектами, то веса главных компонент характеризуют удельную электропроводность в целом по разрезу, а карта распределения компонент позволяет оценить наличие того или иного типа разреза по площади.

Рассмотрение карты распределения компонент позволяет прослеживать удельную электропроводность в плане.

На карте распределения первой компоненты видно, что все пункты наблюдения ЗСБЗ расположены в отрицательной области (рисунок 2). Учитывая, что компонента повторяет эталонную кривую с точность наоборот, можно предположить, что практически на всех пунктах наблюдения геоэлектрический разрез аналогичен принятой геоэлектрической модели за исключением области на крайнем северо-востоке и в центрально-западной области.

Следовательно, графики весовых нагрузок главных компонент позволяет идентифицировать с изменение Δσ по разрезу в целом и выделения типов геологического разреза в пределах небольшой территории. Карты распределения компонент распространения указанных типов разреза. Для полной идентификации геоэлектрического разреза необходимо рассматривать в комплексе все компоненты.

Таким образом, использование многомерного статистического анализа для интерпретации данных зондирования поля в ближней зоне позволяет проводить экспресс анализ по типам геоэлектрического разреза, без утомительного рассмотрения каждой кривой ЗСБЗ и перечисления ее к какому-либо типу, а так же выявлять скрытые характеристики геоэлектрического разреза.

Работа выполнена при содействии гранта ГК №14.А 18.21.0687 по теме «Научные и методологические основы современных технологий прогнозирования и поиска залежей углеводородов».

62

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

Рис. 2. Карта распределения первой компоненты

Список литературы

1.Иберла К. Факторный анализ. М. Статистика, 1980, 398 с.

2.Каримов К.М. С.Г.Валеев, Е.В.Еронина, Е.М.Буткус. Оценка нефтеперспективности структур в Мелекесской впадине по электрормагнитным зондированиям. Георесурсы, 2005 №2(17), с 41-45.

3.Каримов К.М., Шабалин Н.Я., Балахнина и др. Геоэлектрическая модель земной коры Татарстана по данным электромагнитных зондирований. М:ЕАГО, Геофизика, 2003. с. 42-46.

4.Корольков Ю.С. Зондирование становлением электромагнитного поля для поисков нефти и газа. М.: Недра, 1987.-116с.

5.Кукуруза В.Д. Смольников Б.М. Геоэлектрические исследования при поисках залежей нефти и газа. Киев: Наукова Думка. 1984.- 140с.

6.Сидоров В.А., Тикшаев В.В. Электроразведка зондированиями становлением поля в ближней зоне.

Саратов,1969.-58с.

7. Хамидуллина Г.С., Хасанов Д.И. Некоторые методические приемы обработки данных электрозондирований становления поля в ближней зоне с целью выявления углеводородов. Нефть.Газ.Новации,2009, №9 с 57-60.

8.Хмелевской В.К. Геофизические методы земной коры. Кн.1. – Дубна: Международный университет природы, общества и человека «Дубна», 1997 .-184 с.

9.Якубовский Ю.В., Ренард И.В. Электроразведка. М.: Недра, 1991.-359с.

63

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

ИНВЕРСИЯ ДАННЫХ ЭЛЕКТРОТОМОГРАФИИ, ПОЛУЧЕННЫХ С АНОМАЛЬНЫМИ УСТАНОВКАМИ ПРИ ПОИСКАХ СЛАБОКОНТРАСТНЫХ

ОБЪЕКТОВ

Каминский А.Е., Лухманов В.А.

ЗАО “КГЭ Астра”, Санкт-Петербург

Аннотация

Доклад посвящен проблеме выделения слабоконтрастных геоэлектрических аномалий. Разработан специальный алгоритм двумерной интерпретации данных электротомографии с аномальными установками. При инверсии предлагается использовать линейно логарифмическую нормировку данных и моделирование P/C эффектов. Алгоритм реализован в программе ZondRes2d, опробован на синтетических и натурных примерах.

Summary

The report focuses on the problem of low-contrast geoelectrical anomalies prospecting. Special algorithm for two dimensional ERT interpretation with anomal electrodes array is developed. The inversion is proposed to use the log-linear data normalization and P / C effects modeling. The algorithm is realized in the ZondRes2d software, tested on synthetic and field examples.

Выявление слабоконтрастных по сопротивлению объектов является актуальной задачей инженерной геофизики на сегодняшний день. Современные задачи проектирования требуют детального расчленения геологического разреза. Методики, используемые для исследования карстовых образований, выявления небольших линз или валунов, во многих случаях дают неудовлетворительные результаты.

Небольшие, малоконтрастные тела очень слабо проявляются в измеренных сигналах. Иногда это влияние сопоставимо с уровнем помех, и возможность их выделения, а тем более определения параметров чрезвычайно затруднительна. Одним из эффективных приемов, улучшающим качество результатов в таких ситуациях, является использование аномальных измерений.

Методически, задача решается разделением разреза на нормальную (горизонтально-слоистая среда) и аномальную составляющие (локальные объекты). Использование специальных систем наблюдений позволяет измерять эффект только от локальных объектов. В литературе данный подход называется методом чистых аномалий [1]. Существует несколько разновидностей измерительных установок метода чистых аномалий. Всех их объединяет тот факт, что на поверхности горизонтально-слоистой среды они дают нулевое значение сигнала.

Метод чистых аномалий давно известен и хорошо изучен в теории и на практике. Несмотря на многолетний опыт использования и большой объем накопленных материалов, интерпретация до сих пор проводится на качественном уровне. Конечно, возможность использования современных алгоритмов интерпретации, таких как 2D инверсия, есть. Но все они адаптированы для стандартных электротомографических систем наблюдений.

Для того чтобы получить аномальные измерения необязательно использовать специальные установки, типа MAN. Достаточно произвести наблюдения с трехэлектродной установкой прямым и обратным ходом. Разница значений сигналов двух измерений с одним положением MN и одинаковыми по модулю коэффициентами

– даст искомое значение. К сожалению, при таком способе получения аномальных измерений страдает качество данных.

Особенностью аномальных измерений является их знакопеременность и низкий уровень сигнала. Это в первую очередь не позволяет использовать логарифмический масштаб нормировки сигналов при инверсии, что негативно сказывается на решении задачи (расширяется динамический диапазон).

Еще одной проблемой, затрудняющей выявление слабоконтрастных объектов, является наличие в данных P/C-эффекта. Несмотря на то, что 2D электротомография позволяет учесть P/C-эффекты, их влияние на результат инверсии всегда негативное. В некоторых случаях, локальные приповерхностные неоднородности могут катастрофически искажать глубинные части геоэлектрического разреза. И чем ниже контрастность искомых объектов, тем сильнее они могут быть искажены.

Для решения вышеуказанных задач нами был разработан специальный алгоритм инверсии данных электротомографии. Отличительными особенностями алгоритма является использование линейнологарифмического масштаба данных и подбор дополнительных параметров, моделирующих P/C эффект.

Линейно-логарифмическая зависимость выражается следующей формулой:

,

64

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

Где параметр C определяет минимальную декаду, в которой масштаб переходит из логарифмического в линейный. Обычно значение данного параметра выбирается исходя из уровня помех в данных. Линейнологарифмическая норма сужает динамический диапазон знакопеременной последовательности измерений и понижает значимость данных с высоким уровнем шумовой составляющей.

Для моделирования P или C эффекта используется добавка к нормированному значению сигнала полученного при определенном положении приемной линии или источника. Для того чтобы избежать чрезмерного влияния добавок на процесс инверсии, скорость их изменения искусственно занижается и подбор ведется только на поздних итерациях.

Разработанный алгоритм был включен в программу ZondRes2D и опробован на ряде синтетических (Рис.1) и натурных примеров.

Рис.1. Результаты тестирования алгоритма на синтетических данных. А – Исходная геоэлектрическая модель (искомый объект под “экраном”), B – результат инверсии аномальных данных (AMN-MNB), C – результат инверсии обычных данных (AMN+MNB или Шлюмберже).

Для улучшения результата вышеописанного подхода был предложен уточняющий двухстадийный алгоритм, позволяющий четко получать, как структуру вмещающих пород, так и локальные объекты на его фоне. Суть алгоритма заключается в последовательном решении обратной задачи для обычных измерений и последующим уточнением разреза аномальными значениями.

Алгоритм хорошо показал себя при опробовании на синтетических и наблюденных данных. Основной выявленной проблемой является требовательность к уровню сигнала.

Предложенная методика интерпретации может быть успешно применена при детальных исследованиях разрезов, выявлении небольших и слабоконтрастных объектов.

Список литературы

1.Электроразведка методом сопротивлений. Шевнин и др. 1994. Издательство МГУ. Учебное пособие.

65