ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ. СОЗДАНИЕ И МОНИТОРИНГ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ
А.В.
Шпильман (Научно-аналитический центр рационального недропользования ХМАО), С.Ю. Шутько (Комитет природных ресурсов по ХМАО)Введение
Понятие геологической модели до настоящего времени не формализовано. Вероятно, оно и не может быть до конца формализовано, так как информационные составляющие модели часто отражают лишь современное состояние геологической науки, ее технических средств и возможности дистанционных методов. Исходя из этого приведем описание компонентов геологических моделей, их информационных составляющих и самого процесса моделирования.
Любое моделирование, в том числе и геологическое, предполагает, что мы заменяем реальный природный объект на некоторое формализованное представление о нем. При этом приходится выдвигать гипотезы как о незначительности отклонений тех или иных свойств реального объекта от принятых значений параметров модели, так и о геологических процессах, которые в дальнейшем могут и не подтвердиться.
Несмотря на это, в практике геологоразведочных работ широко используется моделирование, в частности в нефтяных проектах, с применением компьютерных технологий, что потребовало упорядочения терминологии, описания основных подходов к использованию геолого-геофизической информации при создании моделей, разработки требований как технических, так и технологических к оценке работ по созданию моделей в рамках нефтяных проектов.
Моделирование и геологические модели
Рассмотрим основные компоненты моделирования:
объект;
параметры и характеристики этого объекта;
процесс моделирования;
результаты моделирования.
Объект
Кажущаяся очевидность этой стороны модели при ближайшем рассмотрении требует значительных усилий при формализации. Объект моделирования зависит от таких факторов, как степень изученности, задачи, поставленные при моделировании, и т. п. Например, когда мы говорим о "поисковых зонах", то под объектом подразумеваем весь геологический разрез, а задачи включают оценку ресурсов территории категорий Д0 или Д1, выбор направлений дальнейших поисковых и разведочных работ, тогда как на этапе разведки или доразведки при задаче подсчета запасов категорий С1 и С2 объекты локализованы, т.е. залежи имеют пространственные границы.
Процесс перехода объекта от одного типа к другим находит отражение как в стадийности поисково-разведочных работ, так и в категорийности запасов и ресурсов нефти и газа. Это относится и к объектам типа резервуаров при рассмотрении происходящих в них гидродинамических процессов. Таким образом, стадийность нефтяного проекта определяет различия геологических объектов на разных этапах.
Параметры и характеристики объекта
Параметры объекта можно разделить на две основные группы:
первая описывает непосредственно прямые характеристики геологической среды. Это такие параметры, как пористость, глубина кровли, нефтенасыщенность и т. п.;
вторая включает косвенные характеристики геологической среды, позволяющие определить или рассчитать параметры первой группы. К ним можно отнести кажущееся сопротивление, время пробега волны Tо и т.п.
При рассмотрении разных характеристик особенно важен учет изменчивости параметра в пространстве. Обычные замеры по ГИС или керну являются "точечными", т.е. описывающими небольшую, по сравнению с размерами моделей, область геологической среды. Процедуры интерполяции наших "точечных " знаний на всю область модели во многом определяют ее корректность и достоверность.
Процесс моделирования
Процесс моделирования, или создания модели, включает следующие этапы:
Постановка задачи. Этот этап наиболее важен, причем часто именно он и не выполняется. Прежде чем создавать модель, необходимо ответить на вопрос: "Зачем?". Далее будет рассмотрено, что является результатом моделирования, здесь же укажем на необходимость оценки возможных результатов до создания модели.
Сбор исходных данных. Этот этап моделирования предполагает аккумуляцию всей возможной и доступной информации. Для нефтяных проектов – это данные сеймо-, грави- и магниторазведки, ГИС, анализы керна, физико-химических свойств, результаты испытаний и т.п.
Верификация данных. На этом этапе не просто анализируется качество данных и удаляются из дальнейшего моделирования бракованные или недостоверные данные, но и проверяется соответствие различных методов. Во многих случаях это трудно формализуемый процесс, так как он требует от специалистов не только знания разрешающих способностей и достоверности методов, но и понимания возможных технических или технологических особенностей получения информации (это относится и к кратности сейсморазведки или графам обработки, и к достоверности результатов испытаний, и ко многим другим факторам). На следующих этапах моделирования значительно труднее вернуться к исходным данным, так как косвенные геолого-геофизические параметры будут пересчитаны в непосредственные характеристики среды.
Моделирование. Процесс моделирования включает:
пересчет косвенных геолого-геофизических параметров в характеристики среды, или интерпретацию данных;
интерполяцию точечных данных на весь геологический объем, построение модели;
получение результатов и их оценку.
Результат моделирования. Этот этап включает получение результатов моделирования и оценку их достоверности. В большинстве случаев из-за ограниченной разрешенности дистанционных методов, различных подходов к геологической интерпретации и других причин мы можем получать альтернативные варианты строения объекта. Каждый из альтернативных вариантов, с одной стороны, не противоречит исходным данным, с другой – существенно отличается, т.е. требует различных действий при разведке и разработке. Поскольку большая часть исходной для построения модели информации имеет вероятностный характер, т.е. в большинстве случаев значения параметров могут быть достоверно определены лишь в некотором диапазоне значений, результат моделирования также приобретает вероятностный характер. Использование только наиболее вероятной модели или одной из альтернативных часто приводит к пропуску возможных альтернатив при доразведке или ошибочной оценке экономической эффективности нефтяных проектов.
Результаты моделирования
Они зависят от тех задач, которые мы ставили перед созданием модели. Как это ни парадоксально, сначала отметим то, что не может быть результатом.
Результатом никогда не может быть модель сама по себе. Этот очевидный постулат не всегда осознается на практике, поэтому во многих проектах ставится задача – создание модели, которая и является результатом работ.
Не может являться результатом моделирования то, что не требует никаких действий или изменений этих действий в будущем. Для нефтяных проектов действиями на этапе разведки могут быть, например, размещение разведочных скважин или сейсмопрофилей, на этапе разработки – распределение нагнетательных и добывающих скважин, принятие схемы разработки и т.д. Так, при подсчете запасов количественная оценка определяет принятие планов доразведки, схем разработки и в конечном итоге расчет экономической эффективности работ нефтяного проекта.
Результаты моделирования могут быть различными в зависимости от стадии геолого-разведочных работ или разработки в нефтяном проекте (таблица).
Поисковый этап
. На первой стадии поискового этапа обнаруживаются возможные ловушки и оцениваются ресурсы категории До. Нефтеносность этих объектов, как и их существование, не подтверждена бурением. Главные задачи на этом этапе – открытие залежей УВ, их оценка, обоснование места заложения поисковых скважин. Информационную основу здесь составляют данные наземных геофизических методов – сейсмо-, грави- и магниторазведки.Важное значение имеют данные по близлежащим территориям, позволяющие прогнозировать характеристики тех или иных объектов на основе аналогий, геологического опыта, палеогеографических реконструкций и т.п. В этих моделях наиболее четко представлены альтернативные и вероятностные стороны моделирования. На поисковом этапе еще невозможно создание корректных трехмерных моделей резервуаров, во-первых, в силу решаемых на этом этапе задач, во-вторых, из-за нехватки достаточного числа данных. Информационно необходимо решить два вопроса: архивация первичных данных в связи с их дальнейшим использованием на последующих стадиях нефтяного проекта и альтернативно-вероятностный подход при построении моделей.
На второй стадии поиска бурятся поисковые скважины и при открытии залежей в них начинается оценка запасов категорий С1 и С2.
Разведочный этап
. Главные задачи – размещение разведочных скважин, определение их числа, установление очередности ввода в бурение. С этого начинается нефтяной проект.На базе данных ГИС и ВСП осуществляется привязка отражающих горизонтов сейсморазведки к геологическим границам. Данные ГИС, анализы керна, результаты испытаний начинают приобретать все больший информационный вес.
Основная проблема при создании моделей на этом этапе – интерполяция точечных данных ГИС и анализа керна на весь объект. И здесь возникают вопросы, связанные с изменчивостью свойств и параметров среды и оценкой возможности использования для ее учета данных дистанционных методов.
Таким образом, построение трехмерной модели залежи - это не рассмотрение технических или компьютерных возможностей, а оценка вероятностей интерполяционных и прогнозных процедур. Если на качество интерполяционных процедур в основном влияет соотношение изменчивости параметра и удаленности точек наблюдения, то на качество прогнозных процедур – разрешающие способности методов и приемы интерпретации, а именно – пересчет косвенных геолого-геофизических параметров в характеристики среды. Например, оценки изменчивости эффективных толщин для пластов 3-10 м по данным сейсморазведки являются некорректными, с одной стороны, из-за ограничения разрешающей способности сигнала, связанной с интерференционными эффектами, с другой – из-за некорректности применения статистических процедур при использовании статистических методов (динамический, амплитудный и тому подобные анализы) в силу ограниченного набора эталонов.
Таким образом, при создании трехмерных моделей объектов на этом этапе необходимо учесть число и полноту данных и оценить вероятностный характер получаемых результатов.
Этап разработки и эксплуатации. На этом этапе объема данных обычно достаточно для построения трехмерных моделей. Полноты информации, получаемой в результате бурения, хватает для построения трехмерных, в том числе гидродинамических, моделей. Очень важную роль здесь начинают играть данные по добыче, закачке и т.п. Как и на первых этапах нефтяных проектов, корректность и полнота исходной информации имеют немаловажное значение.
Информация
Исходная информация, ее полнота и достоверность во многом определяют точность и корректность моделей. Не рассматривая различные типы информации в зависимости от методов и методик, выделим три подхода к сбору, хранению и представлению информации:
Архивы первичной информации. Сюда входят данные, поступающие непосредственно после выполнения тех или иных исследований. Главная задача архивов – обеспечение сохранности, доступности и полноты информации. Люди, формирующие архивы, не несут ответственности за качество данных, корректность их получения, подтверждаемость их дальнейшими исследованиями и т.п. Роль архивов трудно переоценить, так как это основа для создания любых моделей или баз данных.
Базы данных. В базах данных хранятся результаты интерпретации первичной информации. В отличие от архивов к базам данных предъявляются требования проверки однозначности, определенности и достоверности информации. Для выполнения этих задач в базах данных существует и разрабатывается программное обеспечение, гарантирующее их решение.
Геологические модели. Они возникают как результат использования материалов архивов, баз данных и опыта специалистов. Обязательные условия существования моделей – выделение объектов, постановка задач, вероятностная оценка полученных результатов. Любые геологические модели являются одним из вариантов представления природных геологических объектов.
Для нормального информационного обеспечения нефтяных проектов необходимо наличие всех трех элементов: архивов, баз данных и геологических моделей. Успешное создание моделей без архивов первичной информации и баз данных невозможно, как и обратное – существование только геологических моделей. Это связано с тем, что объекты в ходе нефтяного проекта могут видоизменяться сами по себе, например, при обнаружении новых перспективных пластов, переходе к другому типу залежи, при получении новых данных, позволяющих провести ревизию и верификацию предыдущей информации, и т.д.
Создание и мониторинг геологических моделей
На разных стадиях нефтяного проекта модели создаются как результат геолого-геофизических исследований объектов.
Отличительная особенность моделей заключается в том, что они не просто создаются на какой-то стадии нефтяного проекта, но и имеют возможности развития, уточнения, мониторинга.
Рассмотрим, какие свойства модели обеспечивают ей возможности развития и мониторинга. Предположим, что мы имеем дело с объектом типа залежь. Ее модель содержит структурную карту, построенную по результатам сейсморазведки 2D и данным ГИС, полученным в результате разведочного бурения. Далее, на этапе доразведки были пробурены еще две скважины, которые в той или иной мере не подтвердили структурную карту. Для дальнейших работ требуется уточнить модель, т.е. перестроить структурную карту. Эту же ситуацию можно рассмотреть и для других компонентов модели (карт параметров, эффективных мощностей) и установить, что появление новой информации всегда приводит к частичному несовпадению имеющихся параметров модели и вновь полученных данных. Для того чтобы учесть новые данные в модели, в большинстве случаев требуются переосмысление и переинтерпретация всего объема данных, которые были использованы для построения модели. Так как интерпретация информации выполняется обычно сервисными геофизическими компаниями, а окончательные результаты получают и используют нефтяные компании, то понятна сложность, возникающая при таком подходе к сопровождению или мониторингу моделей в реальной жизни.
Набор средств, в том числе и компьютерных, для интерпретации и интерполяции параметров, увязки методов, обладающих разной разрешающей способностью, очень велик, поэтому "повторение эксперимента" невозможно. Например, если, используя некоторые компьютерные программы, мы получили прогнозную карту эффективных мощностей, то, не имея данного программного обеспечения, не зная всех параметров расчета, мы не можем "повторить эксперимент" и получить точно такую же карту, даже имея всю исходную геолого-геофизическую информацию.
Каким же образом создать модель так, чтобы обеспечить возможности ее развития и мониторинга? Какие свойства модели позволят ей сохранить актуальность (соответствие новым исходным данным)? Для ответа на эти вопросы необходимо рассмотреть точность, или достоверность, входящих в модель параметров. Как уже отмечалось, параметры модели формируются в результате процедур интерпретации и интерполяции. Каждая из таких процедур имеет определенные уровни точности, которые в итоге определяют доверительные интервалы оценки того или иного параметра модели. Значения доверительных интервалов могут быть получены осредненно на весь объект или в отдельных точках. Если в модели заложена не только карта значений параметра для объекта, но еще и карта доверительных интервалов этого параметра, то появляется возможность не перестраивать модель после получения новой информации, если значения параметров модели лежат в диапазоне доверительного интервала данного параметра, или перестраивать модель лишь в ограниченной окрестности данной точки. Если же новые параметры отличаются от параметров модели более, чем предполагают доверительные интервалы, то это требует не просто уточнения параметра в данной точке, а пересмотра всей модели или даже подходов к моделированию (рисунок).
Выводы
1. Геологическое моделирование на современном этапе развития с использованием компьютерных технологий требует формализации ряда процедур, соответствия методик моделирования общенаучным подходам и принципам.
Problem of terminology regulation, description of main approaches to using of geologic-geophysical information for constructing models, elaboration of both technical and technological requirements for appraisal of works on model construction within the scope of petroleum projects is presented. Conclusions are as follows. Geological modelling at a present-day stage of development using computer technologies calls for formalization of some procedures, compliance of modelling methods to general scientific approaches and principles. Staging of exploration process controls differences in objects and tasks of modelling and correspondingly in models and their properties. Complexity of technological cycles in constructing and supporting of digital geological models calls for estimating a reliability of model parameters, introducing into a model estimates of confidence intervals of parameters. Probability approaches used in modelling process allow to formulate new requirements for program developers both at stages of direct model constructing and at stages of preparing programs of data interpretation and interpolation
Концепция моделирования
|
Этап |
Задача |
Информация |
Сущность геологических моделей |
|
Поисковый |
Подготовка структур к бурению (паспорта ловушек, определение типов ловушек, оценка ресурсов категории До); выработка направлений ГРР |
Сейсморазведка; ограниченное число поисковых скважин (ГИС, результаты испытаний, керн, пластовые флюиды, ВСП); другие дистанционные методы с недостаточной разрешающей способностью (космодешифрирование, грави-, электроразведка и т.п.); оценки потенциальных ресурсов Д 1 и С2 |
Структурные карты по опорным отражающим горизонтам; тектонические схемы; сводный стратиграфический разрез; прогнозные карты литофациальной изменчивости; схемы корреляции разрезов скважин; геологические разрезы |
|
Разведочный |
Подсчет запасов категорий С 1 и С2; оценка экономической эффективности разработки; выбор и обоснование участков для опытно-промышленной эксплуатации |
Детальная и площадная сейсморазведка; анализ керна; физико-химические свойства флюидов, ГИС, ВСП; результаты испытаний, гидродинамические исследования |
Структурные карты продуктивных пластов; карты эффективных нефтегазонасыщенных мощностей; карты подсчетных параметров; подсчетные планы; ТЭО КИН |
|
Разработка, эксплуатация |
Реализация технической схемы, проекта разработки; уточнение запасов категорий А, В, С 1, С2, расчет экономической эффективности при различных вариантах разработки; расчет текущих запасов |
Площадная сейсморазведка 3D; ГИС; анализ керна, промысловые данные по добыче (обводненность, текущие пластовые давления) |
Трехмерная модель резервуаров типа Х, Y,Н и их параметры; мониторинговая гидродинамическая модель разработки |
СХЕМА СОЗДАНИЯ И МОНИТОРИНГА ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ