Идентификация аномалии напряжения в подземной области

010964 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к способу идентификации аномалии напряжения в подземной области. Уровень техники Детальное понимание свойств геологической среды, например свойств породы или свойств коллектора, является ключевым моментом при разведке и добыче углеводородов, таких как нефть и газ. Например, сведения о скоростях акустических волн в геологической среде непосредственно влияют на качество результатов, получаемых при сейсмических исследованиях геологической среды. Точное знание скоростей сейсмических волн необходимо, чтобы иметь возможность получать точную глубинную информацию при интерпретации зависящих от времени сейсмических сигналов. Ухудшение точности глубинного прогнозирования может быть причиной неудачного расположения скважин или в некоторых случаях пропуска всего содержащего углеводороды интервала. Другими важными свойствами геологической среды являются значения пористости и проницаемости пород на содержащих углеводороды горизонтах. Упомянутые выше свойства геологической среды находятся под влиянием напряжений, воздействующих на породы и приводящих к изменению диагенеза и/или уплотнения. Благодаря лучшему пониманию напряжений, воздействующих на породы, можно более точно оценивать свойства породы, связанные с залежами углеводородов. В статье Gemmer L. et al., "Salt tectonics driven by differential sediment loading: stability analysis and finite-element experiments", Basin Research (2004), 16, 199-218, рассматривается деформация подземной соли в соответствии со шкалой геологического времени и моделируется картина движения и скорости в соответствии с такой шкалой. Имеется упоминание относительно образования, например, соляных диапиров и соляных спаев. В отчете SPE,84554, Fredrich J.T. et al., "Stress perturbations adjacent to salt bodies in the deepwaterGulf of Mexico", геомеханическое взаимодействие между соляными телами и окружающими пластами рассмотрено, исходя из геометрий четырех видов, сферического соляного тела, соляной пластины (блинчатой геометрии), столбчатого соляного диапира и столбчатого соляного диапира с языком. Тонкие, горизонтально лежащие соляные пластины, хотя бы и протяженные в поперечном направлении, не прогнозируются как вызывающие значительные возмущения напряжений, кроме случаев нахождения непосредственно внутри соляного тела, когда горизонтальное напряжение равно вертикальному напряжению. Значительные возмущения напряжений являются легко различимыми только при толщинах соляных пластин больше нескольких тысяч футов. Задача настоящего изобретения заключается в создании нового способа идентификации аномалии местного напряжения в подземной области. Краткое изложение сущности изобретения С этой целью предложен способ идентификации аномалии местного напряжения в подземной области, содержащий этапы, при выполнении которых получают модель подземной области, при этом модель включает в себя солевой слой между соседними слоями; идентифицируют соляной спай в модели и относят аномалию напряжения к участку, окружающему соляной спай. Изобретение основано на выводах, к которым пришел заявитель, что наличие соляного спая приводит к возрастанию аномалии напряжения в его окрестностях. Выражение соляной спай используется в формуле изобретения и в описании для обозначения области в геологической среде, в которой солевой слой, заключенный между верхним и нижним соседними слоями, является локально утоненным, так что соль фактически отсутствует. При достаточно высоких давлении и температуре соль может пластически деформироваться сжимающими силами, создаваемыми соседними слоями твердых пород. Соль может вытесняться в поперечном направлении и концентрироваться в соляных куполах или диапирах. Соляной спай часто идентифицируют по сейсмическим данным и распространяют на те участки, где толщина солевого слоя снижается до меньшей величины, чем разрешающая способность сейсмической разведки, обычно порядка 10 м. В типичном случае покрывающая толща имеет более высокую плотность, чем нижележащая соль, и поэтому гравитационное разделение приводит к перемещению. Покрывающая толща опускается в деформируемую соль до тех пор, пока не встречается жесткое препятствие. Такое препятствие может быть структурным поднятием на рельефе слоя под солевым слоем (рельефе основания солевого слоя), например горстовым блоком, который представляет собой блок земной коры, при образовании разрывов поднятый вверх относительно соседних блоков. Состояние соприкосновения или близкое к соприкосновению между покрывающей толщей и подстилающей толщей на соляном спае приводит к концентрации вертикального напряжения. Масса покрывающей толщи передается в повышенной пропорции к подстилающей толще через соляной спай. А именно, вертикальное напряжение повышается по сравнению с соседними в поперечном направлении участками, и по этой причине обнаружение соляного спая может быть воспринято как указание на ано-1 010964 малию напряжения. Повышенное вертикальное напряжение является наиболее высоким в точке касания и снижается на расстоянии. Кроме того, распределение (перераспределение) напряжений в окрестности соляного спая может быть объяснено выпучиванием, вызванного действием напряжения. Соляной спай обычно имеет площадь поверхности меньше нескольких сотен квадратных метров, например меньше 500 м 2, преимущественно меньше 200 м 2 и даже может быть меньше 100 м 2. Поэтому типичная протяженность по всем горизонтальным направлениям может быть самое большее 50 м и даже до 10 м и меньше. Вследствие точечного приложения напряжения, сконцентрированного на таком небольшом участке, аномалия напряжения обычно является значительно более высокой, чем любые проявления напряжения на границах вытянутого в поперечном направлении соляного тела, такого как соляная пластина. Вертикальное напряжение в покрывающей толще непосредственно над соляным спаем может быть выше на 50%, в частности даже выше на 100% или больше, по сравнению со случаем, когда соляной спай отсутствует. Соответственно, солевой слой, окружающий соляной спай, имеет толщину, равную самое большее 20 м, часто равную самое большее 10 м, на расстоянии до 200 м от соляного спая, в предпочтительном случае на расстоянии до 300 м, даже до 500 м от соляного спая. Характерная конфигурация, для которой это применимо, представляет собой протяженный пластинчатый солевой слой (обычно с площадью поверхности больше чем несколько квадратных километров, например больше чем 2 км 2, даже больше чем 5 км 2), толщина которого меньше чем 50 м, на площади поверхности больше чем 90%. Предпочтительно получать модель путем интерпретации сейсмических данных, относящихся к подземной области. Предпочтительно, чтобы способ дополнительно содержал получение количественной оценки аномалии напряжения в подземной области, например, путем геомеханического моделирования, в частности методом конечных элементов. Качественное применение предложенного способа уже может обеспечить получение ценных представлений. Предпочтительно, чтобы способ дополнительно содержал оценивание свойства или параметра подземной области, в частности свойства породы или свойства коллектора, или идентификацию аномалии в таком свойстве или параметре. Во многих случаях создаваемая напряжениями ситуация является важным механизмом, регулирующим свойства породы. Аномалии местных напряжений приводят к повышению уровня аномальных свойств породы. Распознавание и количественное оценивание аномалий местных напряжений помогает при прогнозировании соответствующих свойств породы. Концентрация вертикального напряжения вокруг соляного спая имеет значение для других свойств геологической среды. Концентрация напряжения приводит к большему уплотнению над соляным спаем и также под спаем. При этом изменяются скорости сейсмических волн, которые важно знать для осуществления точного преобразования временного разреза в глубинный. В конкретном случае нахождения коллекторной области под соляным спаем повышенное напряжение обычно вызывает истощение коллекторной породы с точки зрения добычи углеводородов. В частности, могут наблюдаться худшие значения пористости и/или проницаемости. В качестве дальнейшего результата настоящего изобретения может быть получена модифицированная модель подземной области путем уточненной интерпретации сейсмических данных с использованием идентифицированной аномалии напряжения, в особенности в случае, когда изменения скоростей сейсмических волн оценены количественно. В частности, модифицированная модель может быть модифицированной геометрической моделью подземной области. Краткое описание чертежей Далее осуществление изобретения будет описано более подробно и со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых фиг. 1 - схематический вид простой модели подземной области до образования соляного спая; фиг. 2 - схематический вид подземной области из фиг. 1 после образования соляного спая; фиг. 3 - схематический вид модели из фиг. 2 с указанием параметров, используемых для расчета; фиг. 4 - схематический вид с отображением эффекта выпучивания под воздействием напряжения в покрывающей толще, обусловленного соляным спаем; и фиг. 5 - вид, иллюстрирующий представление сейсмических данных из участка геологической среды, при этом соляной спай идентифицирован. В тех случаях, когда одни и те же позиции используются на различных фигурах, они относятся к одинаковым или аналогичным объектам. Подробное описание изобретения Обратимся к фиг. 1, на которой схематически показана типичная ситуация в подземной области 1 до образования соляного спая. Цехштейнский слой 4 с преобладанием соли (галита) заключен между слоем 6 красного лежня и триасовым слоем 8 глинистого сланца/песка. Покрывающая толща 9 выше триасового слоя является послетриасовой. В этой исходной ситуации галитовый слой является достаточно жестким, так что он может равномерно поддерживать всю покрывающую толщу. Вертикальное напряжение в поперечном направлении области 1 на отдельной глубине является, по существу, постоянным. Это показано тремя парами стрелок напряжений 0 и 0s равных значений и противоположных направлений, которые будут рассмотрены-2 010964 более подробно ниже. Вследствие этого скорости распространения сейсмических волн, в частности так называемые интервальные скорости Vint (м/с) сейсмических волн, являются одинаковыми на протяжении триасового слоя 8, что схематически показано кривой 14. Рельеф подсолевых слоев не является значимым для напряжений в надсолевых условиях. То есть наличие горстового блока 12 наверху слоя 6 красного лежня не оказывает влияния на напряжение в покрывающей толще. Обратимся к фиг. 2, на которой схематически показана ситуация в области 1, спустя некоторое время. Вследствие изменения условий, например повышения температуры и/или давления, реология галитового слоя изменилась от жесткой к пластичной, т.е. он ведет себя как вязкая жидкость. Соль является относительно легкой по сравнению с покрывающей толщей, и гравитационные силы вызывают перемещение. Как показано стрелками 15, для соли характерна тенденция вытесняться в поперечном направлении и, как показано позицией 18, концентрироваться в диапирах/куполах. В результате этого покрывающая толща опускается до тех пор, пока не встречается препятствие, такое, как в этом случае горстовый блок 12. В таком случае масса покрывающей толщи будет поддерживаться преимущественно горстовым блоком. Граница раздела между препятствием и покрывающей толщей, т.е. в этом случае между триасовым слоем 8 и горстовым блоком 12, преобразуется в соляной спай 19. Над и под горстовым блоком вертикальное напряжение в породе будет выше, чем на прилегающих в поперечном направлении участках. Более высокое напряжение в породе приводит к более высоким скоростям сейсмических волн как непосредственно, так и по причине образования более крупного уплотнения захоронения (например, вследствие уплотнения глины в аргиллит). Зависимость скорости сейсмических волн возле нижней границы триасового слоя 8 как функции горизонтального расстояния качественно показана кривой 20. Смысл пар стрелок напряжения будет рассмотрен ниже. Теперь обратимся к фиг. 3, с помощью которой будет рассмотрена простая геомеханическая модель, предназначенная для описания аномалии напряжения, обусловленной соляным спаем в подземной области 1. Для простоты послетриасовый слой 9 не показан. Кроме того, предполагается, что вертикальный размер Н покрывающей толщи равен вертикальному размеру соляного купола 18. В точке Р 1 наверху горстового блока или столба 12 напряжение будет возрастать в результате действия массы проседающей покрывающей толщи, а напряжение в точке Р 2 наверху галитового слоя 4, на некотором расстоянии в поперечном направлении, вблизи горстового блока 12, будет пониженным. Теперь с помощью упрощенной модели будут получены оценки абсолютного и относительного повышения напряжения в Р 1, при этом должно быть понятно, что не будут полностью представлены все аспекты вызываемого солью выпучивания под действием напряжения. Будет рассмотрено конечное горизонтальное сечение (А) блока покрывающей толщи. Полная сила Fov (H), создаваемая массой блока покрывающей толщи, имеет вид где ov - средняя плотность покрывающей толщи, кг/м 3; А - площадь поверхности всего блока покрывающей толщи, м 2; Н - вертикальный размер покрывающей толщи, м;g - гравитационная постоянная, Н/кг. В ситуации из фиг. 1, когда солевой слой 4 является жестким и непрерывным, эта масса равномерно поддерживается нижележащей солью. Вертикальное напряжение 0 (Н/м 2) до течения соли, одинаковое во всех точках наверху солевого слоя 4, определяется массой покрывающей толщи в соответствии с выражением и компенсируется направленной вверх силой (эквивалентной напряжению 0s) из солевого слоя, имеющей одинаковое значение с 0, но противоположное направление, сравните с фиг. 1. Однако в ситуации согласно фиг. 2 и 3, когда солевой слой становится пластичным и вытесняется,масса покрывающей толщи частично поддерживается подвижной солью и частично горстовым блоком,из чего вытекает где Fблока и Fсоли представляют собой направленные вверх силы (Н), создаваемые горстовым блоком (соляным спаем) и солевым слоем за пределами соляного спая соответственно. Направленная вверх сила Fсоли имеет вид где В - площадь поверхности соляного спая (м 2), а изотропное напряжение s в солевом слое имеет видs - средняя плотность соли, кг/м 3. Отметим, что в этой модели соль рассматривается как непрерывная жидкая фаза по сравнению с поверхностью и может быть представлена как выталкивающая сила. В случае В=0 эта сила вытекает непосредственно из закона Архимеда.Fблока может быть оценена путем объединения уравнений (1), (3) и (4) с получением Направленное вверх вертикальное напряжение р (Н/м 2) на границе 19 раздела между покрывающей толщей и горстовым блоком после течения соли (сравните фиг. 2 и 3) имеет вид и имеет одинаковую величину с направленным вниз напряжением w, создаваемым покрывающим слоем в соляном спае. Разумеется, оба напряжения имеют более высокую величину, чем вертикальное напряжение выпучивания на границе раздела, на некотором расстоянии от соляного спая, уравновешиваемое s. Абсолютное значение аномалии а напряжения как следствие воздействия поверхностной покрывающей толщи получается из где= ov-s. Выражение для относительной аномалии напряжения имеет вид Из приведенного выше следует, что напряжение возрастает пропорциональнои что напряжение возрастает с увеличением отношения площади (А) поверхности блока покрывающей толщи к площади(В) поверхности соляного спая. В данном случае аномалия напряжения вычисляется в точке границы (границы раздела) между горстовым блоком и покрывающей толщей. Для осуществления оценивания напряжения на расстоянии от этого участка может быть использовано геомеханическое моделирование с помощью, например, метода конечных элементов. На фиг. 4 приведено схематическое представление повышения напряжения в результате аномалии напряжения; более темный цвет соответствует большему повышению напряжения вследствие образования соляного спая. Обычно в покрывающей толще аномалия напряжения уменьшается в горизонтальном направлении и в вертикальном направлении при удалении от вершины столба в соответствии с принципами выпучивания под действием напряжения. Аналогично этому аномалия напряжения снижается в субстрате на расстоянии от подошвы горстового блока (непоказанного). В простой модели, рассмотренной выше, соль существует на всем пути вверх до поверхности. В практических ситуациях на самом деле немногочисленными соляными куполами осуществляется протыкание до самой поверхности. Однако рассмотрение (за исключением уравнения (9 остается состоятельным для соляных куполов без протыкания (в таком случае Н является вертикальным размером соляного купола) до тех пор, пока солевая фаза не ограничена (или не сжата) покрывающей толщей соляного купола. Теперь обратимся к фиг. 5. На этой фигуре показано сейсмическое изображение, которое соответствует вертикальному разрезу на интервале глубин около 2 км через область 31 геологической среды. Галитовый слой 34 представлен поверх слоя 36 красного лежня, являющегося коллекторной породой. Триасовые и послетриасовые покрывающие толщи 38 и 39 просели так, что между триасовым слоем и слоем красного лежня образовался соляной спай 45. Границы между слоями показаны пунктирными линиями. Должно быть понятно, что модель подземной области, включающая в себя солевой слой, может быть получена в ходе интерпретации сейсмических данных, и в данном случае соляной спай может быть идентифицирован. Два ствола 47 и 49 скважин пробурены через подземную область 31. Ствол 47 скважины проникает через галитовый слой 4 относительно близко к соляному спаю 45, при этом толщина галита меньше 10 м,тогда как ствол 49 скважины проникает через галитовый слой 4 дальше от соляного спая 45, где толщина галита составляет 150 м. Скорости сейсмических волн в триасовом слое определялись посредством акустического каротажа. Средние скорости акустических волн в триасовом слое были получены на основании результатов измерений методом акустического каротажа. После исключения эффекта разностей глубин была получена нормированная интервальная скорость, обозначенная V0, вся методика получения которой хорошо известна в данной области техники. В результате в скважине 49 было получено значение V0, равное 3600 м/с, и значение V0, равное 3876 м/с, в скважине 47. Следовательно, было обнаружено, что скорость вдоль ствола 47 скважины приблизительно на 8% выше, чем скорость вдоль ствола 49 скважины. Кроме того, посредством плотностного каротажа с зондом на кабеле было обнаружено, что пористость слоя красного лежня на нижнем конце 57 ствола 47 скважины является низкой (12%) по сравнению со значительно более высокой пористостью 14% на нижнем конце 59 ствола 49 скважины. Путем использования способа согласно настоящему изобретению выводы относительно скорости сейсмических волн и пористости могут быть получены до бурения стволов скважин. Способ обеспечивает возможность идентификации аномалии местного напряжения после того, как имеющуюся информацию о подземной области сначала присоединяют к модели, например, полученную на основании интерпретации сейсмических данных, как в представлении подземной области на фиг. 5, в которой солевой слой присутствует между соседними слоями и в которой идентифицируют соляной спай. Согласно изобретению аномалию напряжения относят к участку, окружающему соляной спай. Поэтому можно каче-4 010964 ственно спрогнозировать повышение скорости сейсмических волн в области над соляным спаем и пониженную пористость вследствие повышенного уплотнения под ним. Уже на основании такого качественного анализа, используя способ согласно изобретению, можно заключить, что нецелесообразно бурить ствол 47 скважины в зону 57, поскольку пористость слоя красного лежня будет низкой, что является нежелательным в случае добычи углеводородов. Если в другом случае коллекторная порода ниже солевого слоя является карбонатной породой, которая обычно имеет низкую пористость, то можно ожидать, что больше трещин образовано в карбонатной породе под соляным спаем. Поскольку трещины в карбонате являются желательными для движения углеводородов, то в этом случае может быть желательным бурение в зону под соляным спаем. Соответствующую количественную оценку аномалии напряжения получают, например, используя геомеханическое моделирование вызываемого соляным спаем выпучивания под действием напряжения в подземной области, в частности, путем числового моделирования, такого как метод конечных элементов. Например, таким путем может быть смоделировано распределение напряжений вокруг соляного спая и могут быть спрогнозированы изменения скоростей сейсмических волн. Влияние соляного спая на напряжения во всех трех измерениях может быть оценено, если все требуемые составляющие тензора напряжений могут быть приняты во внимание. Если моделирование также включает в себя моделирование коллектора, может быть получено заключение относительно свойства коллектора, такого как пористость или проницаемость коллекторной породы, или плотность трещин, и сделана оценка, предпочтительно количественная. Ключевыми параметрами, относящимися к моделированию, являются размеры, масса и реология породных полос покрывающей толщи, геометрические параметры площади поверхности соляного спая, высота соответствующего соляного купола и плотность соли. После того как оценка изменения скоростей сейсмических волн сделана, эти данные могут быть использованы для повторной обработки данных сейсмического исследования с целью получения модифицированной модели подземной области. Настоящим изобретением обеспечивается возможность усовершенствования глубинных прогнозирований на основании данных сейсмических исследований в случаях, когда соляной спай может быть идентифицирован. С помощью изобретения может быть идентифицировано вызванное солью выпучивание под действием напряжения и впоследствии оно может быть учтено при моделировании геологической среды и планировании бурильных работ. Если влияние скоростей акустических (сейсмических) волн не учитывать, это может приводить к ошибочным результатам глубинного прогнозирования целевого горизонта и, следовательно, к пропуску коллектора. Если обстановка повышенного напряжения в коллекторной области, обусловленная соляным спаем, останется необнаруженной, будут встречаться неожиданно низкие значения пористости и проницаемости коллектора, которые будут причиной меньшей добычи углеводородов из скважин, чем ожидалось. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ идентификации аномалии местного напряжения в подземной области, содержащий этапы, при выполнении которых получают модель подземной области, при этом модель включает в себя солевой слой между соседними слоями; идентифицируют соляной спай в модели и относят аномалию напряжения, вызванную соляным спаем, к участку, окружающему соляной спай. 2. Способ по п.1, в котором на этапе получения модели интерпретируют сейсмические данные, относящиеся к подземной области. 3. Способ по п.1 или 2, который дополнительно содержит получение количественной оценки аномалии напряжения. 4. Способ по п.3, который содержит геомеханическое моделирование, в частности, методом конечных элементов подземной области. 5. Способ по любому одному из пп.1-4, который дополнительно содержит оценивание свойства или параметра подземной области, в частности свойства породы или свойства коллектора, или идентификацию аномалии в таком свойстве или параметре. 6. Способ по п.5, в котором оцениваемое свойство или параметр выбирают из группы, состоящей из проницаемости породы, пористости породы, скорости акустических или сейсмических волн и плотности трещин. 7. Способ по любому одному из пп.1-5, который дополнительно содержит получение модифицированной модели подземной области путем уточненной интерпретации сейсмических данных с использованием идентифицированной аномалии напряжения. 8. Способ по любому одному из пп.1-7, который дополнительно содержит выбор траектории для операции бурения в слой под солевым слоем с учетом местоположения соляного спая. 9. Способ по любому одному из пп.1-8, в котором аномалия напряжения представляет собой аномалию напряжения в породе.