Сейсмичность месторождений углеводородов
advertisement
Сейсмичность месторождений углеводородов В некоторых районах разработка месторождений углеводородов может вызвать появление сейсмических событий или изменение существующей сейсмической активности. В таких районах воздействие возможных землетрясений может стать больше, чем это дается соответствующими картами сейсмического районирования, просто в связи с близостью разрабатываемого месторождения. Для выяснения взаимосвязи разработки месторождений углеводородов и сейсмического режима района разработки на некоторых месторождениях была установлена локальная сейсмическая сеть. Совместный проект компании Шлюмберже и Института динамики геосфер Российской Академии Наук направлен на анализ полученных на таких сетях данных не только для прогноза сейсмических событий, но и для оценки изменения свойств коллекторов, контроля продвижения фронта закачки. Адушкин ВВ Родионов ВН Турунтаев СБ Институт динамики геосфер РАН Москва, Россия Юдин АЕ Минтопэнерго РФ Москва, Россия Приводимые в настоящей статье результаты получены при обработке данных наблюдений локальной сейсмической сети АО «Татнефть». Авторы выражают признательность начальнику сейсмопартии ТНГФ Исхакову И. А. и начальнику сейсмической службы Татарстана Мирзоеву К. М. за предоставленные материалы. Работа на начальном этапе проводилась при финансовой поддержке АО «Татнефть» и Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 98-0564547). В настоящее время работа является частью совместного проекта компании Шлюмберже и Института динамики геосфер РАН. На карте (вверху) показано расположение эпицентров техногенных землетрясений индуцированных: заполнением водохранилищ добычей нефти и газа разработкой месторождений полезных ископаемых 4 Многолетними наблюдениями ученых было обнаружено, что деятельность человека может способствовать возрастанию сейсмической активности. Техногенная сейсмичность (сейсмические события, возникновение которых непосредственно обусловлено воздействием на горный массив) отмечена при заполнении крупных водохранилищ, разработке месторождений полезных ископаемых и углеводородов, при проведении подземных ядерных взрывов, строительстве крупных инженерных сооружений.1 В результате воздействия человека на верхние слои земной коры происходит изменение напряженного состояния среды. Если изменение напряженного состояния достаточно велико, это может вызвать разрушение горного массива или подвижки по существующим нарушениям сплошности в непосредственной окрестности воздействия. В тех районах, в которых энергия естественных тектонических напряжений невелика, энергия, высвобождаемая индуцированными землетрясениями, как правило, невелика — магнитуда событий составляет 0—3 по шкале Рихтера. Гипоцентры этих землетрясений расположены в пределах объекта, оказывающего воздействие (например, месторождения), или на его границах; сотрясения, связанные с такими событиями, зачастую не ощущаются на поверхности. Если же работы ведутся в районе с высоким уровнем естественных тектонических напряжений, воздействие человека может вызвать нарушение стационарного деформационного режима района. При этом даже слабые воздействия могут привести к возникновению сильной наведенной (триггерной) сейсмичности.2 Энергия теоретически может достигать максимальных для естественной сейсмичности значений и определяется тектоническими напряжениями в регионе. Гипоцентры приурочены к области объекта, но могут удаляться от нее на километры. При длительной разработке месторождений углеводородов нарушаются равновесные условия в пласте, что может вызвать критическое перераспределение напряжений в разрабатываемом пласте и вмещающих породах. Нагнетаемая жидкость может проникать в трещины, приводить к избыточному порово-трещинному давлению, может явить- 1. Николаев НИ: «О состоянии изучения проблемы возбужденных землетрясений, связанных с инженерной деятельностью. В кн.: Влияние инженерной деятельности на сейсмический режим». 1977. Гупта Х, Растоги Б: Плотинные землетрясения. 1979. Simpson DW: “Triggered Earthquakes,” Annual Reviews of Earth and Planetary Science Letters 14 (1986): 21-42. Nicholson C and Wesson RL: “Earthquake Hazard Associated with Deep Well Injection—A Report to the US Environmental Protection Agency,” US Geological Bulletin 1991. Milne WG and Berry MJ: “Induced Seismicity in Canada,” Engineering Geology 10 (1976) 219-226. Grasso J-R: “Mechanics of Seismic Instabilities Induced by the Recovery of Hydrocarbons,” Pure and Applied Geophysics 139, no. 3/4 (1992): 507-534. 2. Simpson DW, ссылка 1. Родионов ВН, Сизов ИА и Кочарян ГГ: «О моделировании природных объектов в геомеханике» Дискретные свойства геофизической среды. Москва, Наука (1989): 14-18. Садовский МА, Кочарян ГГ и Родионов ВН: «О механике блочного горного массива» Докл. АН СССР 302, 2 (1988): 193-197. 3. Пискулин ВА и Райзман АП: «О геодезических исследованиях деформаций земной поверхности в эпицентральных зонах Газлийских землетрясений 19761984 гг.» 7-й Международный симпозиум по современным движениям земной коры, Таллинн, 8-13 сент. 1986. Нефтегазовое Обозрение Весна 2000 (X 0,001) 10 (X ,0001) 5 8 Плотность вероятности Плотность вероятности ных деформационных процессов, несут важную информацию о пространственном расположении активно деформирующихся областей горного массива, включающего месторождение углеводородов, об изменении напряженно-деформированного состояния горного массива во времени. При помощи интерпретации данных о слабой сейсмичности и микросейсмичности можно выявить активные в настоящее время разломы, определить положение фронта вытеснения нефти водой или газом, оценить временные вариации проницаемости и пористости коллектора. Деформационные процессы в районах расположения месторождений углеводородов, зарегистрированные многими исследователями, сопровождаются изменением коллекторских свойств месторождения. Эти процессы обладают определенной периодичностью, что позволяет использовать информацию о временном изменении напряженно-деформированного состояния коллектора при планировании мероприятий для увеличения добычи углеводородов. Ниже рассматриваются землетрясения в районе Газлийского месторождения газа и сейсмичность в районе Ромашкинского месторождения нефти (Татарстан, Россия), для которого прослеживается связь режима сейсмических событий с временными вариациями показателей разработки месторождения. 6 4 2 0 100 200 300 400 Мощность коллекторов, м 3 2 1 500 (X 0,0001) 4 3 2 1 0 0 0 1 2 3 Глубина резервуара, км 0 20 40 60 Пористость коллекторов, % 4 ,05 Плотность вероятности Плотность вероятности 4 0 0 2 4 6 8 Проницаемость коллекторов, мД 10 (X 1000) ,04 ,03 ,02 ,01 0 80 (X 0,001) 3 Плотность вероятности ся своеобразной смазкой в зонах нарушения сплошности среды. Техногенные землетрясения, обусловленные фильтрационными процессами, как и другие типы тектонических и техногенных землетрясений, вызываются подвижками по разломам. При этом можно выделить действие следующих инициирующих факторов. Во-первых, это пороупругие силы, которые могут оказать прямое силовое воздействие на нижележащие слои и спровоцировать сдвиг по разлому. Во-вторых, это гидростатические силы, которые вызывают передачу порового давления из зоны закачки в очаг землетрясения по разлому и другим проницаемым зонам. При этом перенос массы флюида сам по себе может быть незначительным. Наконец, флюиды могут просочиться из зоны закачки в зону очага и оказать провоцирующее воздействие на сейсмический режим (гидродинамический фактор). Разработка месторождений всегда сопровождается техногенным сейсмическим шумом, микросейсмическими событиями. Энергия возникающих сейсмических событий зависит от свойств пород коллектора и окружающего горного массива, их напряженного состояния, от степени дискретности среды и наличия в ней неоднородностей, от темпов и интенсивности разработки месторождения. По различным данным сейчас насчитывается около 40 случаев, когда разработка месторождений углеводородов привела к ощутимому изменению сейсмического режима района работ. На рис. 1 показано сопоставление плотности распределения некоторых параметров месторождений, эксплуатация которых вызвала землетрясения, с произволь- ной выборкой из всей совокупности месторождений углеводородов. В выборку вошло свыше 200 месторождений, расположенных в различных регионах мира. Найдено, что для месторождений, эксплуатация которых привела к усилению сейсмической активности, характерны в среднем более высокие значения глубины и мощности разрабатываемых резервуаров при относительно меньших величинах пористости и проницаемости пород коллекторов по сравнению со средними значениями рассматриваемых параметров. Распределение начального пластового давления на месторождениях с повышенным уровнем сейсмической активности характеризуется теми же параметрами, что и выборка данных для произвольных месторождений. Естественным является взгляд на техногенную и техногенно-индуцированную сейсмичность как на одно из отрицательных последствий разработки месторождений. Безусловно это так, и известны примеры таких отрицательных и даже катастрофических последствий. Однако крайне редко добыча углеводородов приводит к сильным или хотя бы ощутимым землетрясениям. Более общим является возбуждение слабых сейсмических событий, зарегистрировать которые можно лишь при помощи чувствительной сети сейсмометров. Именно эти слабые сейсмические события, как возбужденные, так и являющиеся следствием естествен- Рис. 1. Сопоставление плотности распределений некоторых параметров, характеризующих резервуары месторождений углеводородов: черная линия соответствует месторождениям, эксплуатация которых сопровождается повышением сейсмической активности, красная линия — произвольной выборке данных для более 200 месторождений, расположенных в различных районах мира. 2,5 2 1,5 1 .5 0 0 200 400 600 800 1000 Начальное пластовое давление, атм 1200 5 -580 -560 Разрез b Рис. 2. Структурная карта по кровле горизонта IX и геологические разрезы газового месторождения Газли (Узбекистан). На структурной карте показаны местоположения скважин, геологических разрезов, кровли горизонта IX, изогипсы в метрах и тектонические нарушения. На геологических разрезах показаны местоположение контура газоносности, газ, нефть, вода и глинистые прослои. [Газовые и газоконденсатные месторождения, 1983 г.] -520 -500 -480 -460 -440 -420 -400 -500 изогипсы в метрах скважины 5 км тектонические нарушения Разрез c контур газоносности 10 3 Юг 13 газ -400 нефть -600 вода -800 Ка ра рак зл ыр ом ск и Га ра злий зл ск ом ий й +751 6 0 глина -1000 +300 5 км 0 +10 Разрез c) Север 35 24 Скважины 23 15 Юг 14 0 -400 -600 -800 -1000 -1200 Глубина, м Вертикальное смещение, мм Юг Север Эпохи измерений 1964 -1968 гг. 1968 -1974 гг. 1974 -1976 гг. 600 400 4 +800 +600 0 +40 -10 0 +100 +500 +200 +100 -10 0 0 -100 0 10 км вертикальные смещения поверхности после землетрясений 1976 г., мм вертикальные смещения поверхности после землетрясений 1984 г., мм контур залежи газа эпицентры землетрясений 8 апреля и 17 мая 1976 г. и 20 марта 1984 г. тектонические разломы расположение профиля вертикального смещения поверхности, показанного на рис. 4 Рис. 3. Схема деформаций земной поверхности в эпицентральной зоне Газлийских землетрясений 1976 и 1984 гг. Эпицентры показаны красными точками, штриховыми линиями указано вертикальное смещение поверхности после землетрясений 1976 г. Сплошными линиями указано вертикальное смещение поверхности после землетрясений 1984 г. Тектонические разломы обозначены толстыми синими линиями [по работе Пискулин, Райзман, 1986 г.]. 200 Каракырский разлом Газлийский разлом 0 -200 0 10 20 Землетрясения в районе Газлийского месторождения газа Газовое месторождение Газли расположено в Средней Азии в 100 км северо-западнее г. Бухары, Узбекистан. В строении месторождения принимают участие отложения юрской, меловой, палеогеновой и неогеновой систем, перекрывающие палеозойский складчатый фундамент (рис. 2). Общая мощность осадочного покрова достигает 1200—1600 м. Месторождение контролируется антиклиналь- 6 +751 0 Глубина, м +830 5 0 Скважины 12 101 11 +20 Север 18 +200 Разрез b) 30 40 км Рис.4. Вертикальные смещения земной поверхности в районе Газлийского газового месторождения до и после землетрясений 1976 г. Стрелками показано расположение относительно профиля тектонических разломов. В районе между Газлийским и Каракырским разломами наблюдалось вертикальное смещение вниз, в то время как в районе севернее Каракырского разлома было зарегистрировано вертикальное смещение вверх. ной складкой асимметричного строения размером 38х12 км. На месторождении выявлено 11 залежей — десять газовых и газоконденсатных, одна нефтяная — в отложениях нижнего и верхнего мела. Продуктивные горизонты представлены в основном песчаниками и алевролитами с прослоями глин. Пористость песчаников высокая и в среднем равна 20—32%. Проницаемость коллекторов для всех горизонтов (кроме первого) находится в пределах 675—1457 мД. Все залежи относятся к типу пластовых, сводовых. В составе газа преобладает метан (93—97%). В нижних продуктивных горизонтах в газе имеется конденсат (8— 17,2 г/м3). Месторождение открыто в 1956 г., разработка начата в 1962 г. В течение следующих 14 лет в пласты закачано около 600х106 м3 воды, что со- Нефтегазовое Обозрение Весна 2000 ино про -Шун гиб акс ки й Рис. 5. Положение эпицентров местных землетрясений в пределах Ромашкинского месторождения нефти за период 1986—1989 гг. Сейсмостанции обозначены треугольниками, землетрясения точками и кругами. Границы Ромашкинского и Ново-Елоховского месторождений указаны светлосиними линиями. Большими эллипсами обозначены изосейсты землетрясения в сентябре 1986 г. Четыре наиболее сейсмически активные промысловые площади Ромашкинского месторождения показаны на карте. Алтунино-Шунакский прогиб расположен между западной границей Ромашкинского и восточной границей НовоЕлоховского месторождений. (Составил Исхаков И.А.) т ун Ал ставляет примерно 106 т на км2. Несмотря на закачку, отмечалось опускание земной поверхности, которое с 1964 по 1968 г. происходило со скоростью 10,0 мм/год, с 1968 по 1974 г. — со скоростью 19,2 мм/год. Показано, что изменению внутрипластового давления на 1 атм. соответствует опускание поверхности в центральной части месторождения на 2 мм.3 Начиная с 1976 г. в районе месторождения произошло несколько сильных землетрясений. Первое катастрофическое землетрясение произошло 8 апреля 1976 г. в 20 км от границы газового месторождения Газли. Магнитуда землетрясения составила 6,8, интенсивность в эпицентре 8—9 баллов. Спустя всего лишь 40 дней, 17 мая 1976 г., в 27 км западнее эпицентра первого землетрясения произошло второе катастрофическое землетрясение с магнитудой 7,3, интенсивность в эпицентре 9—10 баллов. Восемь лет спустя, 20 марта 1984 г. в 15 км к западу от эпицентра второго землетрясения произошло третье, с магнитудой 7,2. Глубина гипоцентров — 25—30 км, они располагаются в пределах земной коры, которая в данном регионе имеет толщину 32 км. Афтершоки располагались вокруг гипоцентров землетрясений. Особенности Газлийских землетрясений в следующем: l это крупнейшие из известных землетрясений в платформенной части Средней Азии; l в одном районе произошли три сильных землетрясения с небольшими интервалами (сорок дней и восемь лет). Четкой связи Газлийских землетрясений с каким-либо из активно развивающихся структурных элементов не устанавливается. По мнению ряда авторов, разрыв, приведший к землетрясениям, является новообразованны.4 Была проанализирована тонкая структура облака афтершоков, наличие которой также свидетельствует о начальной фазе активизации тектонических движений.5 Механизмы очагов и тонкая структура облака афтершоков согласуются с региональным полем напряжений и ориентацией систем разломов. После землетрясений 1976 г. и 1984 г. были проведены повторные геодезические наблюдения (рис. 3, 4). В области досейсмического опускания земной поверхности после землетрясений 1976 г. отмечено еще большее опускание (до 230±7,6 мм).6 В непосредственной близости от эпицентров землетрясений зарегистрировано поднятие поверхности: вблизи эпицентра 8 апреля 1976 г. до 830 мм, 17 мая 1976 г. — до 763 мм, 20 марта 1984 г. — до 751 мм. Также выявлены значительные — до 1 метра — горизонтальные смещения земной поверхности, в целом направленные от эпицентров. Многочисленные факты свидетельствуют об индуцировании Газлийских землетрясений разработкой месторождения.7 Высокий уровень тектонических напряжений, характерный для окраин молодых платформ вообще и для Туранской плиты в частности, обусловил накопление значи- 2 Ромашкинское месторождение 3 Альметьевск 5 1 Сейсмостанции Границы площадей НГДУ Альметьевнефть: Березовская Северо-Альметьевская Альметьевская Минибаевская 4 Ново-Елоховское месторождение Лениногорск Границы месторождений Изосейсмы землетрясения 23.09.1986 г. Разрез (рис. 6) 10 км 5 10 Энергетический класс 3 СЗ Скважины 140 48 11-88 518 519 14-91 -1400 27 33 ЮВ 30 627 19-553 18-552 16-551 8-550 Рис. 6. Геологический разрез Ромашкинского месторождения нефти (по П.И. Мангуеву и др.). -1450 -1500 -1550 -1600 10 км -1650 Глубина, м известняк залежь нефти песчаник 4. Штейнберг ВВ, Грайзер ВМ и Иванова ТГ: «Землетрясение в Газли 17.Y.1976 г.» Изв. АН СССР, Физ. Земли 3 (1980): 3-12. 5. Турунтаев СБ и Горбунова ИВ: «О характере множественного разрушения в очаговой области Газлийских землетрясений» Изв. АН СССР, Физ. Земли 6 (1989): 72-78. 6. Пискулин ВА и Райзман АП, ссылка 3. 7. Акрамходжаев АМ, Ситдиков ББ и Бегметов ЭЮ: «О возбужденном характере Газлийских землетрясений в Узбекистане» Узбекский геол. ж-л 4 (1984): 17-19. глина фундамент Акрамходжаев АМ и Ситдиков ББ: «Возбужденный характер Газлийских землетрясений, прогноз землетрясений газлийского типа и меры по их предотвращению» Тез. совещ. Опыт изучения Газлийских землетрясений и направления дальнейших исследований. Ташкент, ФАН, (1985): 59-60. Волейшо ВО: «Условия возникновения Газлийских землетрясений» Тез. совещ. Опыт изучения Газлийских землетрясений и направления дальнейших исследований. Ташкент, ФАН, (1985): 65-66. Мавлянов ГА (ред.): Газлийские землетрясения 1976 и 1984 гг. Ташкент: Фан. (1986): 366. 7 Общие характеристики сейсмичности Согласно карте сейсмического районирования юговосточный Татарстан, на территории которого находится Ромашкинское месторождение, относится к сейсмически спокойным областям. Однако в 1982—83 гг., после более 30 лет разработки ме8 2 2000 1000 500 100 10 км Рис. 7. Характеристика распределения энергии сейсмических событий по площади в районе Ромашкинского месторождения нефти. В качестве меры сейсмической активности взята сумма корней кубических из энергий землетрясений, произошедших на площади 1 км2 за период наблюдений 1986—92 гг. Распределение сейсмической активности по площади хорошо согласуется с простиранием Алтунино-Шунакского прогиба и выявленными тектоническими разломами. 50 1 сторождения, в районе г. Альметьевска были отмечены сейсмические события, вызвавшие беспокойство среди населения. В 1985 г. НПО «Татнефтегеофизика» установила местную сеть сейсмостанций (рис.5). На карте показано расположение эпицентров многочисленных местных землетрясений в районе Ромашкинского месторождения нефти. Большинство из них расположено в западной части месторождения и приурочено к Алтунино-Шунакскому прогибу — структурной границе между Ромашкинским и Ново-Елховским месторождениями нефти. С 1986 г. по 1992 г. было зарегистрировано 391 местное землетрясение с магнитудами от 0,1 до 4 и глубинами гипоцентров 3—8 км. Активизация сейсмичности отмечается в конце 1986 — начале 1987 гг., в середине 1988 г. и в конце 1991 г. Сильнейшими за период наблюдений землетрясениями были землетрясение 29 сентября 1986 г. (магнитуда 3,8, интенсивность в эпицентре VI баллов, глубина гипоцентра 5—10 км) и землетрясение 28 октября 1991 г. в районе г. Альметьевска [магнитуда 4, интенсивность в эпицентре VI баллов, глубина гипоцентра 6 км].12 На рис. 7 приводится карта пространственной изменчивости сейсмической активности района Ромашкинского месторождения. В качестве меры сейсмической активности взята сумма корней кубических из энергий землетрясений, произошедших на площади 1 км2 за период наблюдений 1986—92 гг. Распределение сейсмической активности по площади хорошо согласуется с простиранием Алтунино-Шунакского прогиба и выявленными тектоническими разломами.13 Прежде чем приступать к анализу сейсмической информации необходимо оценить качество имеющихся данных. Сеть сейсмостанций имеет определенную чувствительность, что накладывает ограничения на магнитуду и удаленность сейсмических событий, которые может зарегистрировать данная сеть. Очень слабые и/или удаленные события регистрируются ненадежно и могут остаться незамеченными. Вместе с тем наиболее сильные 100 1986-87 гг. 1988-92 гг. 1991-95 гг. 10 Число событий N Ромашкинское месторождение является крупнейшим месторождением нефти на территории России. Его размер в плане составляет до 70 км, амплитуда поднятия в сводовой части 50—60 м, глубина залегания пластов 1600—1800 м.8 Месторождение многопластовое, коллекторы представлены кварцевыми песчаниками мощностью до 10—30 м и карбонатами (рис. 6). Основной продуктивный пласт представляет собой толщу чередующихся пластов песчаников и глин. Проницаемость коллекторов-песчаников 200—420 мД, пористость — 18,8—20,4%, нефтенасыщеность — 69,4—90,5%, Начальное пластовое давление 160—180 атм. Геолого-поисковые работы в этом районе велись с 1933 г. С 1947 г. начато разведочное глубокое бурение, в 1948 г. был получен первый приток нефти.9 Закачка воды на месторождении начата с 1954 года, но в первые годы она не компенсировала отбор жидкости. В 1958 г. объемы закачиваемой жидкости впервые превысили объемы отбора, и в 1963 году дефицит закачки был ликвидирован. К началу 1976 г. объем закачанной жидкости достиг 2,13х109 м3 или 104,7% от добычи. Согласно Генсхеме разработки Ромашкинского месторождения нагнетание воды в пласт полагалось производить при давлении 200—250 атм. на устье скважины, а в ряде случаев и выше. В эксплуатационных целях Ромашкинское месторождение подразделено более чем на 20 площадей. На этих площадях используются комбинированные схемы внутриконтурного заводнения: системы разрезания линиями нагнетательных скважин, система очаговых скважин, площадное заводнение. По ряду участков плотность сетки скважин составляет 3—5 скв. на км2. Плотность сетки и геометрия размещения скважин является следствием сложной истории разработки и определяется как объективными, так и случайными факторами.10 Широко применяются методы нестационарного заводнения. Скорость продвижения закачиваемой воды колеблется от 100 до 1500 м/год.11 1/3 A, дж /км Шунакский прогиб Мониторинг сейсмичности на Ромашкинском месторождении нефти С Алтунино- тельной энергии механической деформации. Эксплуатация месторождения, которая проводилась без учета возможности влияния на сейсмо-деформационный режим региона, дала толчок для высвобождения накопленной энергии в виде мощных сейсмических событий. Учет естественных тектонических процессов при выборе режима и технологических приемов эксплуатации месторождения позволил бы избежать возникновения катастрофических явлений. 1 0,1 1 1,5 2 2,5 3 Магнитуда M 3,5 4 Рис. 8. График повторяемости сейсмических событий. Зависимость логарифма числа от магнитуды событий в районе Ромашкинского месторождения нефти. события происходят достаточно редко, так что вероятность зарегистрировать сильное событие за короткий интервал времени не высока. Известно, что для любого района зависимость логарифма числа сейсмических событий, имеющих данную магнитуду (повторяемость событий данной магнитуды), от магнитуды должна быть линейной. Отклонение от прямой в области слабых сейсмических событий свидетельствует о недостаточной чувствительности регистрирующей аппаратуры по отношению к событиям данной энергии. Отклонение от линейности в области высоких энергий трактуется как свидетельство недостаточной длительности периода наблюдений. Линейный участок рассматриваемой зависимости определяет диапазон магНефтегазовое Обозрение 0 24 48 72 Время, месяцы 96 120 Рис. 9. Изменение месячной сейсмической активности в районе Ромашкинского месторождения (суммы корней кубических из энергии сейсмических событий, произошедших в течение месяца). нитуд сейсмических событий, регистрация которых является представительной для данной сети сейсмостанций. В целом для землетрясений, записанных в районе Ромашкинского месторождения нефти, наблюдается линейная взаимосвязь между магнитудой и числом событий (рис. 8). При построении использовался только каталог инструментально наблюдавшихся сейсмических событий с 1986 по 1995 гг., из которого были исключены удаленные события с эпицентральным расстоянием более 70 км. В связи с разной представительностью регистрации сейсмичности и способом обработки сейсмограмм в разные периоды наблюдений, графики повторяемости строились раздельно для трех разных интервалов времени: 1986—87 гг., 1988—92 гг. и 1992—95 гг. Рассматривалось среднегодовое количество событий в данных интервалах времени. 8. Бакиров АА (ред.): Геологические условия формирования и размещения зон нефтегазонакопления. М: Недра. (1982): 238. 9. Муслимов РХ: Влияние особенностей геологического строения на эффективность разработки Ромашкинского месторождения. Казань: КГУ. (1979). 10.См. выше Муслимов РХ, сноска 9. 11.Султанов СА: Контроль за заводнением нефтяных пластов. М.: Недра. 1974. 12.Исхаков ИА, Сергеев НС и Булгаков ВЮ: Изучение взаимосвязей сейсмичности с процессом разработки нефтяных месторождений. Отчет ОМП 50/91. 1 Бугульма. 1992. 13.Белоусов ТП, Исхаков ИА, Каракин АВ, Муслимов РХ, Мухамедиев ША, Турунтаев СБ и Юнга СЛ: Активные разломы, напряженное состояние и сейсмичность Юговосточного Татарстана (предварительные результаты). Сейсмичность и сейсмическое районирование северной части Евразии, ч.2. Москва, Наука. (1994): 90-108. 14.Садовский МА и Писаренко ВФ: Сейсмический процесс в блоковой среде. Москва, Наука. (1991): 96. 15.Мирзоев КМ, Негматуллаев СХ и Дастури ТЮ: Влияние механических вибраций на характер высвобождения сейсмической энергии в районе водохранилища Нурекской ГЭС. Сейсмологические исследования в районах строительства крупных водохранилищ Таджикистана. Душанбе, Дониш. (1987): 101-119. Турунтаев СБ: Использование каталога слабых сейсмических событий для выявления сейсмоактивных структур горного массива. Контроль состояния скального массива при долговременной эксплуатации крупногабаритных подземных сооружений. Апатиты. (1993): 124-136. 16.Пономарев ВС и Тейтельбаум ЮМ: Динамические взаимодействия между очагами землетрясений. Региональные исследования сейсмического режима. Кишинев, Штиинца. (1974): 79-92. Весна 2000 Сейсмическая активность — одна из наиболее широко используемых характеристик сейсмичности.16 С ее помощью можно перевести дискретное распределение сейсмических событий в непрерывное: данные каталога сейсмических событий о трех пространственных координатах, времени появления и энергии отдельных событий преобразуются в некоторую непрерывную функцию. Как было описано выше, в данной работе в качестве меры сейсмической активности берется сумма кубических корней из энергии событий, произошедших на некоторой площадке в течении некоторого периода времени. Для уменьшения влияния произвольности в выборе начального положения площадки и временного интервала ис- 4,00 1991-1995 гг. 1986-1990 гг. 3,00 2,00 1,00 0,00 0 12 24 36 48 60 Время, месяцы Рис.10. Сопоставление двух циклов изменения сейсмической активности в районе Ромашкинского месторождения нефти. С 1/3 A, дж /км 2 2000 1000 12 Шунакский прогиб 0 Изменение сейсмической активности во времени 10 8 Алтунино- 3 Сейсмическая активность, отн. ед. 6 Видно, что на начальном этапе наблюдений (до 1987 г.) представительной можно считать только регистрацию событий с магнитудой, не меньшей 2,0, тогда как в дальнейшем, в связи с реорганизацией наблюдательной сети, события с магнитудой 1,5 становятся представительными и могут быть включены в анализ. Для указанных периодов наблюдений коэффициенты наклонов графиков повторяемости находятся в пределах 1,02—1,3, что существенно превышает обычную для естественной сейсмичности величину 0,75.14 Значения наклонов графиков повторяемости землетрясений, регистрируемых в районе Ромашкинского месторождения нефти характерны для техногенной и техногенно-индуцированной сейсмичности, регистрируемой в других регионах.15 Число парных событий Сейсмическая активность, отн. ед. 9 6 500 100 10 км 50 4 1 2 0 -90 -60 30 0 -30 Азимут, град. 60 Рис. 11. Распределение в плане линий, соединяющих эпицентры парных сейсмических событий в районе Ромашкинского мес90 торождения нефти (вверху). Распределение азимутов линий, соединяющих эпицентры парных событий (вставка слева). 9 10 3 9 Добыча Закачка Дисбаланс Сейсмич. активность 2 8 7 6 1,5 5 1 4 0,5 3 0 2 -0,5 Сейсмическая активность, отн. ед. Добыча, закачка, дисбаланс, отн. ед. 2,5 1 -1 0 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 Время, месяцы 4.5 3 Добыча Закачка Дисбаланс Сейсмич. активность 2,5 4 3,5 3 2 2,5 1,5 2 1,5 1 1 0,5 Сейсмическая активность, отн. ед. Добыча, закачка, дисбаланс, отн. ед. пользуется перекрытие площадок и интервалов, величина которого определяется гладкостью получаемых распределений интенсивности. Для начала рассмотрим только временную составляющую изменения активности. Рассчитывалась месячная сейсмическая активность, т.е. сумма корней кубических из энергии отдельных событий, произошедших в течение месяца. Полученный временной ряд нормировался по отношению к среднему значению за весь рассматриваемый период (рис.9). На графике хорошо видны два основных максимума, соответствующих двум периодам наибольшей сейсмической активности, и несколько более слабых, однако наличие какой-либо периодичности или иной регулярности в изменении сейсмической активности не очевидно. Для выявления и анализа таких неявных регулярностей использовался специально разработанный метод, включающий переход к фазовым координатам (см. «Новое представление сейсмической активности», стр. 13). Анализ данных в новой системе координат позволяет получить следующие результаты. Выделяются два цикла изменений сейсмической активности на Ромашкинском месторождении нефти. Начинается каждый цикл с самых сильных за наблюдаемый период в данном регионе землетрясений, длительность цикла около 5 лет, в течении цикла отмечаются три — четыре пика сейсмической активности постепенно уменьшающейся амплитуды. Колебания активности не являются чисто синусоидальными, их период проявляет тенденцию к вариациям около значения 12 месяцев. На рис. 10 два цикла изменения активности (1986—90 гг. и 1991—95 гг.) совмещены по первым максимумам. Обращает на себя внимание качественное совпадение кривых, что является свидетельством закономерности изменения сейсмической активности. Полученные результаты не являются окончательными. Накопление данных наблюдений позволит уверенней выделить детерминированную составляющую сейсмического процесса и подобрать определяющее уравнение, решение которого позволит лучше описывать наблюдаемый процесс. Помимо прогностической информации, наличие регулярной составляющей потока сейсмических событий несет информацию об общем энергетическом состоянии горного массива. Можно ожидать, что при достижении скоростью накопления энергии в массиве за счет внутренних и внешних источников определенных величин, будет наблюдаться упорядочение в пространстве и во времени высвобождения энергии за счет сейсмических процессов. Это явление аналогично тому, как при определенных величинах скорости подвода энергии к подогреваемой жидкости ее ламинарное движение сменяется хаотическим, а затем — упорядоченным, с формированием конвективных ячеек. 0,5 0 0 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 Время, месяцы Рис. 12. Вверху: месячные величины. Изменение объемов закачки, добычи и дисбаланса на четырех площадях Ромашкинского месторождения в сравнении с изменением сейсмической активности (красный цвет). Внизу: ряды, полученные после сглаживания скользящим средним. Изменение объемов закачки, добычи и дисбаланса на четырех площадях Ромашкинского месторождения в сравнении с изменением сейсмической активности (красный цвет). В горном массиве, подвергнутом воздействию работ по добыче нефти и закачке воды, наряду со спадом запаса энергии тектонических деформаций, растет возможность срабатывания этого запаса энергии благодаря продолжающемуся увеличению результирующих объемов добытой нефти и закачанной жидкости. Наличие квазипериодических колебаний сейсмической активности свидетельствует о том, что поток энергии, проявляющий себя в сейсмических событиях, достаточно велик. Можно ожидать, что активность сейсмических событий будет чувствительна к величине техногенного воздействия и режимам эксплуатации — это дает возможность контролировать сейсмичность, организуя режим работ с учетом выявленных периодов изменения сейсмической активности. Пространственные особенности сейсмичности в районе Ромашкинского месторождения Для сейсмичности Ромашкинского месторождения характерно наличие большого количества парных событий, между которыми проходит не более суток. Около 60 событий с магнитудой большей или равной 1,0 или примерно 50% от общего числа событий с такими магнитудами являются парными. Можно предположить, что события, группирующиеся во времени, определенным образом взаимосвязаны и в пространстве. Так, работы по лабораторному изучению формирования сейсмического импульса при образовании трещины показали, что при определенных условиях развития трещины (разлома) импульсное излучение упругих волн происходит в моменты выхода концов трещины на границы блоков.17 Тогда положение эпицентров парных событий должно определять проекции на поверхность точек остановки подвижек по разломам. Значительная часть линий, соединяющих эпицентры парных событий, имеет близмеридиональное простирание и приурочена к меридиональному Алтунино-Шунакскому прогибу (рис. 11). Такая ориентация соответствует также реконструированному региональному полю напряжений в предположении о сдвиговом характере подвижек по разломным структурам.18 Нефтегазовое Обозрение 1,4 4,5 Объемы добычи и закачки в нормализованных по отношению к среднему ед. 4 Отношение объемов добытой жидкости к объемам закачанной воды Сейсмическая активность, отн. ед. Сейсмич. активность Эффективность закачки Сейсмич. активность Дисбаланс х1000 куб. м Проведение предварительной установки сейсмической сети обычно производится в районах высо1,2 19 1,1 3 3 кого уровня естественной сейсмичности. Однако на платформах, где уровень естественной сейс1,0 2 мичности невысок и не принято ожидать значи1,0 2 тельных землетрясений, предварительного 1 изучения сейсмического фона, как правило, не 0,9 1 0,8 проводится. В таком случае при поиске ответа Североальметьевская Альметьевская 0 0,8 0 0,6 на вопрос, вызван ли всплеск сейсмической ак0 24 48 72 96 120 0 24 48 72 96 120 144 144 тивности техногенными причинами, можно, воВремя, месяцы Время, месяцы первых, сравнивать некоторые статистические характеристики исследуемого сейсмического 1,2 Эффективность закачки Сейсмич. активность Эффективность закачки Сейсмич. активность 4 4 процесса с параметрами, характерными для ес1,0 тественной или установлено техногенной сейс3 мичности; во-вторых, искать корреляции между 1,0 3 0,9 временными вариациями сейсмической актив2 2 ности и техногенного воздействия. 0,8 0,8 Что касается первой возможности, то, как 1 1 показано выше, наклон графика повторяемости Березовская Минибаевская сейсмических событий в районе Ромашкинско0,6 0,7 0 0 0 24 48 72 96 120 144 го месторождения более характерен для техно0 24 48 72 96 120 144 генной, чем для естественной сейсмичности. Время, месяцы Время, месяцы Впрочем, в силу малого общего количества зарегиРис. 13. Изменение отношения объемов добычи к объемам закачки по четырем различным площадям местострированных событий, этот результат имеет невырождения. Изменение сейсмической активности показано для всего района Ромашкинского месторождения. сокую статистическую значимость. Второй способ заключается в сравнении режима 20 1,4 1000 1,4 сейсмичности с режимом эксплуатации РомашДобыча Бер. Добыча/закачка Бер. кинского месторождения. Для анализа использоЗакачка Бер. Добыча/закачка С.-Ал. 18 Добыча С.-Ал. Добыча/закачка Ал. вались данные об объемах месячной добычи и 1,2 1,2 Закачка С.-Ал. Добыча/закачка Мин. 800 объемах закачиваемой жидкости с 1981 г. по Добыча Ал. 16 1992 г. для четырех наиболее сейсмически активЗакачка Ал. Добыча Мин. ных площадей Ромашкинского месторождения: 1 1 Закачка Мин 14 Альметьевской (А), Североальметьевской (С), Ми600 нибаевской (М) и Березовской (Б) (см. рис. 5). 12 По этим данным был создан псевдокаталог объ0,8 0,8 емов добычи, закачки и дисбаланса (разности 400 между объемами закачиваемой и добываемой 10 жидкостей). Месячному объему приписывалась 0,6 0,6 дата (середина месяца), время (середина дня), коАктивность Бер. 8 Активность С-Ал. ординаты (приблизительно центр площади, дан200 Активность Ал. ные по которой рассматриваются), глубина (1 км). 6 Активность Мин. 0,4 0,4 Таким образом набор данных был приведен к стандартному для сейсмических каталогов ви4 0 ду, в котором вместо энергии события стоит 0,2 0,2 Дисбаланс Бер. объем жидкости. 2 Дисбаланс С.-Ал. К такому псевдокаталогу применялась описанная Дисбаланс Ал. выше процедура вычисления сейсмической активДисбаланс Мин. -200 0 0 0 ности, только на этот раз вычислялась «активность 0 12 24 36 48 60 72 0 12 24 36 48 60 72 эксплуатации» (рис.12, верхняя часть). Затем поВремя, месяцы Время, месяцы лученные ряды сглаживались при помощи скольРис. 14. Сопоставление (слева) изменения сейсмической активности (внизу) на Альметьевской, Северозящего среднего: рассчитывался суммарный за Эффективность закачки 1,2 Альметьевской, Минибаевской и Березовской площадях с отношением объемов добытой жидкости к объемам закачанной воды — эффективностью закачки (вверху). Сопоставление (справа) изменения параметров эксплуатации для того же периода времени. Взаимосвязь между сейсмической активностью и процессом эксплуатации месторождения Всегда сложно ответить на вопрос: вызвана ли сейсмичность в районе воздействия на горный массив этим воздействием, или же это естественная сейсмичность, возрастание активности которой связано с тектоническими процессами. Прямой ответ на этот вопрос мог быть получен, есВесна 2000 ли бы в области будущего воздействия (строительства плотины, разработки месторождения) заранее была установлена сеть сейсмостанций, позволившая зарегистрировать уровень естественной сейсмичности, определить ее интегральные характеристики. Если после начала воздействия будет отмечено значимое изменение параметров сейсмичности — это будет свидетельствовать о сейсмической реакции горного массива на техногенное воздействие. 17.Турунтаев СБ: Исследование различных модельных источников волн применительно к сейсмологии. Дисс. к.ф.-м.н. Москва. 1985. 18.Белоусов ТП, Исхаков ИА, Каракин АВ, Муслимов РХ, Мухамедиев ША, Турунтаев СБ и Юнга СЛ: Активные разломы, напряженное состояние и сейсмичность Юговосточного Татарстана (предварительные результаты). Сейсмичность и сейсмическое районирование северной части Евразии, ч.2. Москва, Наука. (1994): 90-108. 19.Мирзоев КМ, Негматуллаев СХ и Дастури ТЮ: Влияние механических вибраций на характер высвобождения сейсмической энергии в районе водохранилища Нурекской ГЭС. Сейсмологические исследования в районах строительства крупных водохранилищ Таджикистана. Душанбе, Дониш. (1987): 101-119. 11 Рис. 15. Корреляция между сейсмической активностью и параметрами эксплуатации (цветные горизонтальные полоски). В верхней части каждого раздела рисунка указано название площади. Параметры эксплуатации перечислены справа. -0,8 -0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Северо-Альметьевская Добыча/закачка Добыча Закачка полгода объем добычи, закачки и дисбаланс, заДобыча/закачка тем интервал сдвигался на полмесяца, вновь расбез тренда считывались полугодовые объемы и т. д., Добыча без тренда результаты нормировались по отношению к среднему (рис.12, нижняя часть). Закачка без тренда На рис. 13 показано изменение отношения объемов добываемой жидкости к объемам закачиваеДисбаланс мой воды («эффективность закачки») на указанных Альметьевская Добыча/закачка выше площадях по отдельности. Там же показано изменение сейсмической активности (с 1986 г.) в Добыча районе Ромашкинского месторождения в целом. Видна определенная противофазность в колебаниЗакачка ях сейсмической активности и эффективности раДобыча/закачка боты закачивающих скважин. без тренда С 1986 г., когда была установлена сейсмическая Добыча без тренда сеть и произошли сильнейшие для региона землетрясения, существенно меняется характер изменеЗакачка без тренда ния рассматриваемых параметров эксплуатации со временем. На площади «А» возникают колебания Дисбаланс эффективности значительной амплитуды, практиБерезовская чески противофазные по отношению к колебаниям Добыча/закачка сейсмической активности. На площади «С» также Добыча наблюдается возникновение колебаний, но они значительно хуже синхронизованы с колебаниями Закачка сейсмической активности. На площади «Б» возниДобыча/закачка кают квазигармонические колебания с периодом, без тренда близким к 12 месяцам и почти постоянной амплиДобыча без тренда тудой. На площади «М» понижение эффективности закачки сменяется в 1986 г. ее ростом с Закачка без тренда колебаниями, противофазными по отношению к колебаниям сейсмической активности. Дисбаланс До некоторой степени отмеченные особенности Минибаевская поведения временных графиков эффективности Добыча/закачка закачки связаны с переходом в 1986 году на ноДобыча вую технологическую схему закачивания жидкости на рассматриваемых площадях — на нестациоЗакачка нарное заводнение. Следствиями такого перехода Добыча/закачка явились, в частности, уменьшение объемов закачбез тренда ки летом по сравнению с зимой (зимой закачка веДобыча без тренда лась по всем скважинам для предотвращения замерзания), что дает сезонную составляющую в Закачка без тренда Северо-Альметьевская колебаниях эффективности, и более экономный Альметьевская расход воды в целом. Вместе с тем отнести все Дисбаланс Березовская особенности вариаций рассматриваемой величины Сейсмич. активность Минибаевская за счет технологических причин не представляетв целом ся возможным. -0,8 -0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Было проведено сопоставление изменения сейсКорреляция мической активности в пределах каждой из площадей А, С, М и Б с эффективностью закачки, а емы добычи в периоды сейсмической активиза- на Минибаевской площади, как объемы закачтакже с объемами добываемой и закачиваемой ции падают. Наиболее ярко это проявилось во ки, так и добыча растут, тогда как эффективжидкостей и дисбалансом закачки на этих площа- время первого пика сейсмической активности, ность закачки падает. Регрессионный анализ показывает наличие стапричем на фоне увеличенных объемов закачки. В дях (рис. 14). Обращает на себя внимание рост объемов закач- дальнейшем и более слабые возрастания сейс- тистически значимой связи между вариациями ки на Альметьевской площади, непосредственно мической активности все время сопровождают- сейсмической активности на четырех рассматрипредшествовавший двум наиболее интенсивным ся падением суммарной добычи жидкости на ваемых площадях и режимов закачки и добычи на этих площадях. Значимость наличия связи составусилениям сейсмичности в начале и в конце рас- Альметьевской площади. Примечательно, что, к примеру, во время увели- ляет 99%. сматриваемого периода. Примечательно, что объчения сейсмической активности в 1991—92 гг. 12 Нефтегазовое Обозрение 1. Хакен Г: Синергетика. Иерархии неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах. М: Мир. 1985. 420. t q 1 (t) 6 3 0 0 24 96 120 b) b) 2 c) 1 0 -1 -2 0 24 48 72 Время, месяцы 96 120 d) 1 dA/dt 2 0 0 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Сейсмическая активность, отн. ед. 9 -2 допустимых наборов решений соответствующих уравнений. В результате этого может измениться и тип аттракторов, существующих в фазовом пространстве эволюции системы — произойти бифуркация. Простейшими примерами являются бифуркации из узла (или фокуса) в два узла (или фокуса), бифуркация из фокуса в предельный цикл, бифуркация из предельного цикла в два предельных цикла, удвоение частот предельного цикла и т. д. Полезность перехода к фазовым координатам заключается в следующем: 1. Две характеристики сейсмического процесса (его активность и скорость изменения активности) рассматриваются и преобразуются как независимые величины; 2. Фазовый портрет более чувствителен к таким процедурам, как сглаживание и удаление тренда, что облегчает выбор интервала времени для расчета активности, степени сглаживания, преобразования координат; 3. Стандартная процедура Фурье-анализа не результативна при применении к квазигармоническим колебаниям с переменной частотой и амплитудой. В фазовом же пространстве такие процессы могут анализироваться посредством выявления аттракторов: возрастание амплитуды колебаний до некоторой постоянной величины будет выглядеть, как внешний предельный цикл, убывание амплитуды до нуля — как аттрактор типа точки и т. д. (см. рис. 16); 4. После подбора процедур, приводящих фазовый портрет к виду, который допускает математическое описание, можно, выполнив обратное преобразование, получить математическое описание регулярной составляющей исходного сейсмического процесса. Это дает возможность оценки дальнейшего развития сейсмичности. Статистическая значимость получаемого прогноза определяется величиной хаотической, или непредсказуемой, составляющей сейсмической активности и скорости изменения активности, а также возможностью распознавания точек бифуркации фазовых траекторий, т. е. точек изменения хода сейсмичности. q 2(t) 1986-90 гг. 1991-95 гг. -1 q1(t) c) t d) t t Весна 2000 48 72 Время, месяцы -4 где Ap — высокочастотные случайные колебания активности, Ar — регулярная составляющая, At — медленные изменения, тренд. Зададимся целью найти такую процедуру, которая позволила бы выделить в поведении функции A(t) регулярную составляющую. С этой целью перейдем от координат (A(t),t) к фазовым координатам (A(t),dA(t)/dt), т.е. к координатам активность — скорость изменения активности. Для случая изучения сейсмичности, точка в таком пространстве задает состояние сейсмического процесса в настоящий момент и скорость изменения этого состояния. Последовательность точек, или траектория, определяет изменение сейсмической активности во времени, причем время является параметром. Известно, что для систем, поведение которых подчиняется некоторым типам уравнений, в фазовом пространстве существуют особые точки, линии и области, которые как бы притягивают соседние траектории. Такие точки, линии и области называются аттракторами.1 Если система, выведенная из состояния равновесия, стремится вернуться к нему монотонно, то соответствующий такому поведения аттрактор будет выглядеть как особая точка в фазовом пространстве, называемая узлом (рис. 16a). В фазовом пространстве траектории поведения такой системы будут выглядеть как прямые, начинающиеся в некоторой точке и заканчивающиеся в узле. Если система при возвращении в состояние равновесия совершает колебания с амплитудой, уменьшающейся до нуля, фазовые траектории будут стремиться к аттрактору типа фокуса. Если в системе, выведенной из равновесия, установятся колебания с постоянной амплитудой, этому будет соответствовать аттрактор типа предельного цикла, внутреннего или внешнего в зависимости от того, будет ли уменьшаться или увеличиваться амплитуда колебаний в ходе их установления. Даже довольно сложное и нерегулярное, на первый взгляд, поведение системы может содержать тот или иной аттрактор в фазовом пространстве, т. е. обладать определенным типом регулярности. При изменении параметров, определяющих эволюцию системы, может произойти изменение a) a) 4 A(t) = Ap (t) + Ar (t) + At (t), q 1(t) 9 Сейсмическая активность, отн. ед. Сейсмическая активность, отн. ед. Периодичность многих природных процессов становится очевидной, если построить простой график зависимости наблюдаемого явления от времени. Например, периодичность океанических приливов, фаз Луны, колебаний температуры на поверхности Земли, смены дня и ночи и некоторых других явлений легко заметны из простых наблюдений или построений. Вместе с тем многие процессы идут под влиянием такого большого количества факторов, что наличие скрытой периодичности, или упорядоченности иного рода не является очевидным. Одним из способов анализа активности какого-нибудь процесса, представленного в виде функции A(t) является представления ее в виде трех слагаемых: dA/dt Новое представление сейсмической активности 2 -1 0 1 Сейсмическая активность, отн. ед. Рис. 17. Изменение сейсмической активности в районе Ромашкинского месторождения нефти: а) - изменение месячной сейсмической активности (суммы корней кубических из энергии сейсмических событий, произошедших в течение месяца); b) - изменение месячной сейсмической активности в фазовых координатах; c) - регулярная составляющая изменения сейсмической активности d) - фазовый портрет после сглаживания и убирания трендов двух фазовых переменных. Фазовый портрет сейсмической активности Ромашкинского месторождения нефти Фазовое представление сейсмической активности в районе Ромашкинского месторождения, описываемого кривой на рис. 17а, показано на рис. 17b. На первый взгляд точка в фазовом пространстве испытывает довольно хаотические перемещения. Теперь уберем случайную составляющую сглаживанием методом скользящего среднего по шести точкам (т. е. полугодовым окном со сдвигом за один шаг на месяц), а тренд — линейным преобразованием координат: сдвигом и поворотом координатных осей (рис. 17c и 17d). Полученный итоговый фазовый портрет имеет вид, близкий к двум циклам: траектория, начинаясь с периферии, скручивается по спирали; в некоторый момент происходит возврат траектории во внешнюю часть спирали и вновь ее скручивание. При этом траектория не выходит за пределы некоторой области. Довольно близок к полученному фазовому портрету предельный цикл, показанный на рис. 16c, и описывающий поведение осциллятора под действием вынуждающей силы. Раскручивание спиралевидной траектории соответствует, в целом, увеличению амплитуды колебаний активности сейсмического процесса, скручивание — уменьшению амплитуды колебаний. Форма и размеры выделенных циклов несут дополнительную информацию о сейсмическом процессе, которую предстоит изучить в дальнейшем. Сейчас лишь отметим, что колебания активности сейсмического процесса не являются чисто синусоидальными, их период проявляет тенденцию к колебаниям около значения 12 месяцев. q2 q1 Рис. 16. Некоторые типы аттракторов (справа) и соответствующие им временные графики: а) - узел; b) - фокус; c) - предельный цикл; d) - предельный цикл Дуффинга. 13 14 Коэффициент корреляции -0,2 -0,6 -5 Лаги 5 15 25 Коэффициент корреляции 0,2 -0,2 -0,6 -25 Березовская Корреляция между сейсмической активностью и дисбалансом 1 0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1 -25 0,6 -1 -15 -15 -5 5 15 -15 -5 15 25 0,2 -0,2 -0,6 -1 25 -25 Корреляция между сейсмической активностью и закачкой -15 -5 Лаги 5 15 25 Корреляция между сейсмической активностью и добычей 1 Коэффициент корреляции 1 0,6 0,2 -0,2 -0,6 -25 -15 -5 5 15 Лаги 0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1 25 -25 Северо-Альметьевская Корреляция между сейсмической активностью и дисбалансом -15 -5 5 15 25 Лаги Корреляция между сейсмич. активностью и эффективностью 1 1 0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1 5 0,6 Лаги -1 Лаги Корреляция между сейсмич. активностью и эффективностью 1 Коэффициент корреляции Коэффициент корреляции 0,2 Коэффициент корреляции Обращают на себя внимание высокие значения коэффициентов корреляции сейсмической активности сейсмически активных площадей Ромашкинского месторождения с показателями эксплуатации как «своих» площадей (например, сейсмическая активность Альметьевской площади — закачка на Альметьевской площадке), так и, в отдельных случаях, других площадей. За некоторым исключением, наблюдается положительная корреляция сейсмической активности с объемами закачки и добычи, в том числе и без трендов. Вместе с тем корреляция сейсмической активности площади А с добычей без тренда отрицательна и одна из самых максимальных по абсолютной величине. Корреляция сейсмической активности с эффективностью закачки всегда отрицательна, с дисбалансом — всегда положительна Наибольшими по модулю являются коэффициенты корреляции добычи жидкости (без линейного тренда) на площади А с сейсмической активности на площади А и М (соседняя с А); дисбаланса на площади М и сейсмической активности площадей С и Б. Модуль этих коэффициентов превышает 0,7. Наличие корреляции между сейсмической активностью и параметрами разработки месторождения углеводородов означает, что они взаимосвязаны, но не позволяет определить, что является причиной, а что — следствием, и какова временная задержка между причиной и следствием. Расчет изменения коэффициентов корреляции при сдвиге рядов наблюдений по времени относительно друг друга и нахождение временного сдвига, обеспечивающего максимальную корреляцию рассматриваемых рядов, является лучшим статистическим методом определения причины и следствия и временного интервала между ними (рис. 18). Поло- 0,6 -1 -25 Коэффициент корреляции между сейсмической активностью и параметрами эксплуатации для каждой площади представлена цветными горизонтальными полосками. Корреляция между сейсмической активностью и добычей 1 Корреляция между сейсмической активностью и закачкой 1 Коэффициент корреляции Для выявления взаимосвязи сейсмичности и разработки месторождения были рассчитаны коэффициенты кроскорреляции сейсмической активности в пределах четырех наиболее сейсмоактивных площадей Ромашкинского месторождения и таких показателей их эксплуатации как объемы добываемой жидкости, закачиваемой воды, дисбаланса (разности между закачкой и добычей) и эффективности закачки (отношения объемов добычи к закачке). В рассматриваемый период происходило монотонное сокращение как объемов закачиваемой жидкости, так и добываемой нефти, связанное с чисто экономическими причинами. Поэтому рассчитывались также корреляции сейсмической активности с указанными выше величинами, из которых был вычтен линейный тренд. Корреляция между параметрами эксплуатации и сейсмической активностью показана графически на рис. 15. В верхней части каждого раздела рисунка указано название площади, сейсмическая активность которой сопоставляется с параметрами эксплуатации всех площадок. Корреляция 0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1 -25 -15 -5 5 15 25 Лаги -25 -15 -5 5 15 25 Лаги Рис.18. Изменение коэффициентов корреляции (между сейсмической активностью и величинами добычи, закачки, дисбаланса и эффективности закачки из которых вычтены линейные тренды) в зависимости от смещения серий данных по времени относительно друг друга (лагов). жительное значение лага соответствует сдвигу ряда сейсмической активности во времени вперед по отношению к остальным рядам наблюдений. Наиболее примечательными являются графики для площадей М и А. Судя по этим графикам изменение эксплутационных параметров предшествует изменению сейсмической активности. Максимумы корреляций наблюдаются при положительном сдвиге сейсмической активности по времени от- носительно рядов наблюдений по закачке, добыче, дисбалансу и эффективности на 1—2 месяца, при этом величины корреляции достигают 0,8 на площади М (активность — закачка) и 0,7 на площади А (активность — дисбаланс и активность — добыча). Для Березовской площади максимум корреляции соответствует отсутствию сдвига по времени. Нефтегазовое Обозрение Корреляция между сейсмической активностью и добычей 1 Коэффициент корреляции Коэффициент корреляции Корреляция между сейсмической активностью и закачкой 0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1 -25 -15 -5 5 15 Лаги 0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1 -25 25 Альметьевская 0,6 0,2 -0,2 -0,6 -15 -5 -1 -15 -5 5 15 0,2 -0,2 -0,6 -25 25 -15 -5 5 15 25 Лаги Корреляция между сейсмической активностью и закачкой 1 Коэффициент корреляции Коэффициент корреляции 25 0,6 Лаги 0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1 Корреляция между сейсмической активностью и добычей 1 0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1 -25 -15 -5 5 15 Лаги 25 -25 -15 -5 Минибаевская Корреляция между сейсмической активностью и дисбалансом 0,6 0,2 -0,2 -0,6 Лаги 5 15 25 Корреляция между сейсмич. активностью и эффективностью Коэффициент корреляции 1 Коэффициент корреляции 15 -1 -25 -1 5 Лаги Корреляция между сейсмич. активностью и эффективностью 1 Коэффициент корреляции Корреляция между сейсмической активностью и дисбалансом 1 Коэффициент корреляции 1 1 0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1 -25 -15 5 -5 15 25 Лаги Неожиданной явилась довольно высокая корреляция сейсмической активности площади С при отрицательном сдвиге ряда сейсмической активности относительно параметров эксплуатации на шесть — семь месяцев. Корреляция меняет свой знак и возрастает до 0,6. В таком случае изменение сейсмической активности опережает последующие изменения эксплутационных параметров. Синхронность вариаций дисбаланса и сейсмической активности можно объяснить тем, что изменения этих величин вызваны одним и тем же процессом, например, изменением проницаемости среды в ходе подготовки сейсмических собы- Весна 2000 -25 -15 -5 5 15 25 Лаги тий. Можно предположить, что деформационные процессы, протекающие в массиве, вмещающем месторождение, и проявляющиеся в сейсмических событиях, сопровождаются изменением раскрытия пор и микротрещин коллектора, что, в свою очередь, влечет за собой вариации во времени пластового давления и приемистости закачивающих скважин. В период усиления слабой сейсмической активности эффективность закачки существенно снижается. Во время спада сейсмической активности происходит закрытие пор и микротрещин, и жидкость сама поступает в добывающие скважины. Использование данных о сейсмической активности Вряд ли кто-нибудь станет отрицать существование взаимосвязи между разработкой месторождений углеводородов и активностью сейсмических процессов, однако то, насколько эта взаимосвязь значительна, остается вопросом. Еще более важным является поиск ответа на вопрос: что может быть сделано и что необходимо делать для решения данной проблемы. Разработка месторождений в районах с большим запасом потенциальной энергии тектонических деформаций может привести к катастрофическому усилению активности сейсмодеформационных процессов и к разрушительным землетрясениям, как в случае Газлийских землетрясений в Узбекистане. Вместе с тем вряд ли следует ожидать появления столь же сильных сейсмических событий в районах с низкими скоростями тектонических деформаций, хотя относительно слабые землетрясения с очагами, расположенными близко к поверхности, также могут быть опасными для промышленных и жилых сооружений. Анализ информации о пространственно-временных закономерностях развития сейсмической активности позволяет получить богатую информацию о деформационных процессах, протекающих в резервуаре месторождения и окружающих его породах. Эта информация исключительно полезна не только в целях своевременного прогноза опасного нарастания сейсмической активности, но и для оценки изменения в пространстве и во времени флюидодинамических характеристик коллекторов, реакции резервуара на то или иное воздействие с целью увеличения добычи, выявления зон активного современного трещинообразования, являющимися также зонами повышенной проницаемости, определения путей миграции флюидов и т. д. Например, эффективность применения заводнения на Ромашкинском месторождении существенно падает во время роста сейсмической активности и возрастает при спаде сейсмической активности. Причиной этого, по-видимому, является рост проницаемости разломов, активизирующихся при росте сейсмической активности, за счет открытия имеющихся и образования новых трещин. Важной является заблаговременность установки сети для сейсмических наблюдений. Как показывает имеющийся опыт, для получения оценки характерных параметров пространственно-временной организации сейсмо-деформационных процессов на месторождении углеводородов необходимая длительность регистрации составляет год — два. Своевременно заметить опасные изменения сейсмического режима, свидетельствующие об усилении сейсмической активности, можно лишь при наблюдении в режиме непрерывного мониторинга. —ЛС 15
