Применение метода сейсмической энтропии для решения технологических задач в нефтегазовой отрасли

С.Ц. Акопян, Институт Физики Земли РАН, РФ, Москва

Метод сейсмической энтропии в настоящее время применяется для решения динамических задач подготовки и прогноза землетрясений. Он позволяет выявить иерархию сейсмоактивных объемов геологической среды, ответственных за сильные землетрясения, за образование разрывов в среде разного энергетического уровня. В работе описываются возможности применения этого метода, для контроля микроземлетрясений (естественного и техногенного) происхождения, для разработки системы контроля возникновения техногенных деформаций, разрывов, смещений, связанных с нефтегазовыми разработками. Метод может быть использован для решения технологических задач контроля динамики развития гидроразрыва пласта на месторождениях углеводородов.

Введение

Метод мониторинга и прогноза землетрясений на основе сейсмической энтропии практически применяется для разных регионов мира с 2007 года. В 1993 году для количественного описания сейсмических процессов в реальных средах были введены физические параметры плотность состояния и энтропия, а в качестве кванта — элементарное микро землетрясение (Акопян, 1998, Akopian, 2013). Было показано, что подготовка землетрясений происходит в пределах конкретных объемов литосферы, названных сейсмическими системами (СС). Для выявления СС рассчитываются интеграл от суммарной сейсмической энергии, выделившейся в объеме геологической среды, и ее логарифм — энтропия. Введение элементарного микро землетрясения — кванта и новых параметров позволило перевести описание реальных процессов в математическую плоскость, которая выражается в построении энергетических и трековых диаграмм. В настоящее время выявлено более 130 СС и подсистем размерами от 20 до 3000 км с пороговыми магнитудами от 5.0 до 8.5. Развитие метода сейсмической энтропии от больших систем к малым и снижение пороговых магнитуд землетрясений (Akopian, Kocharian, 2013) до микроскопических (нано- магнитуды от -3 до 0, размеры десятки, сотни метров), позволит применять метод сейсмической энтропии для решения технологических задач в нефтегазовой отрасли. Мониторинг микросейсмичности и прогноз опасных толчков в иерархии геологических структур, позволит контролировать негативные сейсмические воздействия на важнейшие объекты (гидротехнические сооружения, атомные станции; топливно-энергетические, газонефтяные комплексы). Модификация программного обеспечения позволит контролировать слабые толчки, которые могут вызвать опасные повреждения и перебои в функционировании хозяйственно-индустриальных, топливно-энергетических объектов, коммуникаций (тоннели, мосты, горные выработки, плотины, газо- и нефтепроводы, скоростные транспортные коммуникации и т.д.). Система позволит предупредить зарождение малых деформаций на ранней стадии, предпринять соответствующие меры укрепления объекта и предотвращения нежелательных эффектов.

Применение метода для контроля индуцированной и триггерной сейсмичности естественного и техногенного характера в нефтегазовой области.

Традиционная энергия, определяемая по записям сейсмических волн, может содержать влияние флюидов, искусственных и техногенных факторов в геологической среде, которые могут усилить или наоборот ослабить силу землетрясения. Сравнение энергии микросейсмичности по методу сейсмической энтропии с традиционными параметрами, регистрируемыми сейсмологическими сетями наблюдений, позволяет выявлять флюидную, техногенную составляющую в подготовке землетрясения. Приведем примеры применения метода сейсмической энтропии для решения задач триггерной и индуцированной сейсмичности естественного и искусственного происхождения.

Было показано (Akopian, Popov, 2010), что катастрофическое Спитакское землетрясение 1988 в Армении могло являться триггерным. Очаговая зона Спитакского землетрясения была ослаблена Ахурянским водохранилищем, которое было введено в эксплуатацию в 1983, что совпадает с сейсмическим циклом накопления напряжений на Армянском нагорье (Akopian, 1990). В малых водохранилищах, в отличие от больших, в течении сезона происходят большие колебания уровня воды, вариации порового давления, что в неблагоприятных сейсмотектонических условиях на севере Армении мог сыграть роковую роль. На основе метода был выявлен естественный триггерный механизм землетрясения в Нижней Калифорнии от 4 апреля 2010, М=7.2. Землетрясение-индикатор от 30 декабря 2009, М=5.8 вблизи Мехикалли приподняло трек подготовки сильного землетрясения, он попал в зону неустойчивости разлома Лагуна Салада, где и произошло спустя три месяца сильное землетрясение (Akopian, Popov, 2010). Метод была тестирована в Центре региональных геолого-геофизических исследований “ГЕОН” в 1997 году (Акопян, 1997). Был проведен совместный анализ сейсмичности и сейсмоопасных зон для объектов топливно-энергетического комплекса Каспийского бассейна.

В результате были представлены карты сейсмической опасности в разных диапазонах частот для скоростей и ускорений ожидаемого сейсмического воздействия с оценкой наиболее вероятностных временных  интервалов их проявления. В отчете были даны прогнозы землетрясений с М≥6.2 на 1998-2005 гг для акватории Каспийского бассейна и прилегающих стран. Землетрясения на СЗ Ирана (1998.07.09, M=6.2) и в западной Туркмении (2000.12.06, М=7.5) там были предсказаны (имеется письмо за подписями Солодилова Л. Н., Федорова Д. Л., Кондорской Н.В).

В качестве примера, на Рис.1 приведена энергетическая диаграмма СС Сахалин, включающая разработки в шельфовой зоне САХАЛИН I-V (Акопян, 1998, Akopian, Kocharian, 2013, Цифра, 2008).

Показаны линейные уравнения регрессии, до и после Углегорского землетрясения 2000 года, линии (1) и (2) на Рис. 1а. Магнитуды Нефтегорского, 1995, и Углегорского, 2000, в сейсмической системе Сахалин имелся некоторый разброс (Рис.1а). Видно, что нижние значения магнитуд этих землетрясений лучше соответствуют уравнениям (1, 2). Это означает, что в сейсмических циклах этих землетрясений в системе Сахалин происходило некоторое усиление силы естественных тектонических землетрясений. Это могло произойти за счет вариации содержания естественных углеводородных флюидов (Akopian, Popov, 2010). Нефтегазодобыча на шельфе северного Сахалина начиналась с 1971 года и совпала с началом цикла подготовки Нефтегорского землетрясения. Она могла повлиять на естественные процессы и усилить магнитуду Нефтегорского землетрясения. Несмотря на то, что Углегорское землетрясение находится в центральной части Сахалина, за ее подготовку также отвечает вся система. Техногенные изменения в объеме системы могли нарушить естественный ход сейсмических процессов и ускорить подготовку Углегорского землетрясения 2000. Если б она произошла на несколько лет позже, то ее магнитуда лучше согласовалась бы на энергетической диаграмме. Метод сейсмической энтропии может дать весьма надежные результаты при включении в единую системы государственного мониторинга сахалинского шельфа (Красный и др., 1998, Красный, Храмушин, 2001).

Энтропийно энергетический контроль динамики развития гидроразрывов пласта на основе микросейсмического облака.

Гидроразрыв пласта (ГРП) является одним из наиболее распространенных методов стимуляции скважин на месторождениях углеводородов, который существенно увеличивает прирост добычи нефти (Шмаков, 2012). Для контроля ГРП применяется технология микросейсмического мониторинга. Обычно рассматривается задача определения направления простирания и размеров трещинной зоны, образующейся при ГРП. В работе (Александров и др., 2013) акцент делается на другой особенности этой технологии, а именно на ее применении для контроля технологических рисков и качества операций ГРП.

Для повышения эффективности нефтеотдачи и снижения риска негативных эффектов предлагается применять технологию динамического контроля над процессом трещинообразования на основе энтропийно энергетического метода. Это позволит визуализировать динамику процесса, управлять процессом закачки с целью образования требуемого разрыва и приостановить процесс при негативном развитии. Технология основана на предварительном тестировании (с учетом расположения сейсмической системы наблюдений и скважин на месторождении) с последующим осуществлением энтропийно энергетический контроль роя (облака) микросейсмических источников активности и выявления динамика развития разрывов определенного энергетического уровня. Источники сейсмической эмиссии («микросейсмических тресков») в зоне воздействия на пласт вызваны изменением энергетического баланса вследствие изменения напряженно-деформированного состояния некоторого объема пород при образовании разрыва. Метод позволяет оценить размеры этого информационного объема, контролировать ее и предотвращать технологические риски (аварийные остановки, обводнение пластов, отсутствие увеличения притоков пластовых флюидов и т.д.). На примере системы мониторинга ГРП приведенного на Рис.2 (Шмаков, 2012) покажем применение метода сейсмической энтропии.

Традиционный мониторинг, заключается в визуализации  картины развития области микросейсмической активности во времени. Энтропийно энергетический метод позволяет по ходу времени прогнозировать развитие процесса и эффективнее управлять интенсивностью закачки флюида в скважину, добиваясь нужного развития трещины разрыва. На рис. 3 представлена гистограмма зарегистрированных микросейсмических событий (зеленый цвет), совмещенная с графиком давления на устье скважины (красный цвет) и графиком концентрации проппанта во время основного ГРП (синий цвет). Левая шкала показывает количество зарегистрированных событий, правая – давление в атм. и концентрацию в кг/м³. Время образования источников микросейсмической эмиссии отчасти согласуется с графиком закачки при производстве основного ГРП. Максимальная плотность событий наблюдается вначале ГРП, в процессе раскрытия трещины на начальном этапе закачки, на стадии закачки проппанта и во время подачи проппанта на последней стадии закачки.

На Рис.4 приведена трековая диаграмма динамики развития этого процесса по методу энтропии. Начало закачки, первая и вторая сильная активизация микросейсмичности, позволяют построить тестовую линию поведения среды и динамики развития микросейсмичности между этими событиями. На начальной стадии закачки проппанта, облако микросейсмичности приходит в равновесие со средой и микросейсмичность начинает спадать. Дальнейшее развитие динамики процесса отображает развитие траектории. По местонахождению траектории можно предсказать, когда она зайдет в опасный кружок. За тридцать сорок минут можно предсказать и управлять процессом, чтоб она сблизилась максимально к точке IV. В данном примере процесс развивался и управлялся правильно.

Заключение

Предлагаем внедрить метод сейсмической энтропии, который не имеет аналога в мире, для контроля зарождения слабых толчков с М=4.0-5.0 естественного и техногенного происхождения в нефтегазовой отрасли. Система позволит предупредить зарождение таких деформаций на ранней стадии и предпринять соответствующие меры укрепления объекта и предотвращать экологические катастрофы. Метод сейсмической энтропии основан на расчете устойчивых интегральных и кумулятивных параметров, которые могут существенно поднять надежность результатов при совместном использовании с традиционными методами сейсмического мониторинга при разработке нефтегазовых месторождений.

Литература

Акопян С.Ц. Отчет “Выделение зон и участков ожидаемых сильных землетрясений (M*6.2) и оценка времени их проявления в пределах Каспийского бассейна”. Москва, Фонды Центра  РГГИ “ГЕОН”, 1997, 80 с.

Акопян С.Ц. Количественное описание сейсмических процессов на основе сейсмической энтропии. Изв. РАН, Физика Земли, №1, 1998, с.11-26.

Александров С.И., Мишин В.А., Буров Д.И. Наземный микросейсмический мониторинг гидроразрыва пласта: контроль качества и перспективы// Геофизика, 2013, № , С.31-34.

Красный М.Л., Храмушин В.Н., Шустин В.А., Воловский В.В., Громов А.Б., Золотухин Е.Г., Пищальник В.М. Пути создания системы мониторинга шельфа Сахалинской области. Сахалинское книжное издательство, Южно-Сахалинск, 1998, 208 с.

Красный М.Л., Храмушин В.Н. Единая система государственного мониторинга сахалинского шельфа как важнейший элемент обустройства морских акваторий. 2001. [Электронный ресурс] / http://sakhgu.ru/expert/Geography/2001/04/Index.html.

Цифра Р.А. Проекты «Сахалин-1» – «Сахалин-5» / Р.А. Цифра [Электронный ресурс] / Проблемы местного самоуправления. – Электрон. журн. – 2008. – №9. – Режим доступа: samoupravlenie/31–08.php

Шмаков Ф.Д. Методика обработки и интерпретации данных наземного микросейсмического мониторинга ГРП.//Технологии сейсморазведки, 2012, №3, с.65-72.

Akopian S.Ts., Seismoactive cycles and some date on the mechanism of the Spitak earthquake: Programm and Abstracts XXII Gen.Ass.ESC, Barcelona, 1990, p.107.

Akopian, S.Ts. Quantitative description of seismic processes in real medium and the algorithm of long-term prediction of large earthquakes: By examples of Armenian Upland, North-Western Iran, Italy, and Central California, Moscow, Triumph, 2013, p. 92.

Akopian, S.Ts. & Kocharian A.N. Critical behaviour of seismic systems and dynamics in ensemble of strong earthquakes. Geophys. J. Int., 2013, doi: 10.1093/gji/ggt398.

Akopian, S.Ts. & Popov, E.A. Monitoring induced seismicity based on seismic entropy method, Abstracts, Induced seismicity ECGS – FKPE workshop, 15-17 November, Luxembourg, 2010, p. 3-4.