Физик Марван Чарара о методах дистанционного изучения нефтеносных пород
Если бы мы могли заглянуть под землю и посмотреть, где расположены залежи природных ресурсов, это существенно упростило бы добычу нефти. Как геофизика решает эту задачу? Рассказывает Марван Чарара, профессор магистерской программы «Нефтегазовое дело». ПостНаука и Сколковский институт науки и технологий представляют курс «Наука нефти», посвященный современным технологиям добычи углеводородов.
Когда мы говорим о геофизике в нефтеразведке, все примерно понимают, что такое нефть. А что же насчет физики? В слове «геофизика» есть две части: «гео» (это что-то связанное с Землей) и «физика». Это не помогает ответить на вопрос, как геофизика может применяться в добыче нефти, поэтому я попробую провести параллель с медициной. Представьте, что к врачу пришел пациент после аварии, он жалуется на боль. Он не знает, сломана ли у него кость или в ней просто образовалась маленькая трещина. Чтобы проверить это, не нужно совершать хирургическое вмешательство, поэтому врач посоветует пациенту сделать рентгеновский снимок и вернуться на прием с результатом, чтобы можно было принять решение, что делать дальше. Распространение рентгеновского излучения в теле зависит от плотности тканей. Поэтому на радиографической пленке мы видим изображение, которое получается за счет контраста плотности.
Или другой пример: если беременная женщина хочет увидеть своего ребенка, она не будет использовать рентген, потому что это вредно, а сделает эхографию. Этот метод основан на распространении волны с ультразвуком, и для проведения обследования нужен прибор, который будет излучать волны, а они будут проходить через тело, в основном состоящее из воды. Затем волны встретятся с телом ребенка, которое имеет другой контраст импеданса, то есть плотности. Эхо имеет свойство отражаться и возвращаться, поэтому мы можем воспроизвести «портрет» ребенка в 3D.
В геофизике используются такие же подходы: нам хотелось бы иметь изображения внутреннего строения Земли без постоянного бурения для поиска углеводородных резервуаров — в этом цель геофизики. И это действительно похоже на медицинский imaging, но только отчасти. Почему? Потому что наше тело имеет конечные параметры, а это значит, что я могу везде поставить датчики и получить отличные изображения. Но для поиска резервуаров нужно изучить территорию размером 50 на 50 километров, а в глубину до 10 километров. Так что невозможно везде поставить датчики, и мы ограничены тем, что должны устанавливать их на поверхности. Также мы отлично знаем, как устроено тело. У нас нет шести сердец, есть только одно. Мы более-менее знаем анатомию и понимаем, какие изображения ожидать. Но про устройство Земли в определенной области мы ничего не знаем, оно полностью гетерогенное. Это и есть главное отличие.
В геофизике мы не можем использовать те же методы, что и для медицинского imaging. Например, рентген не сработает, потому что, если я направлю рентгеновскую волну, она будет рассеиваться, к тому же очень сложно поставить рентгеночувствительную пленку на другом конце света, чтобы увидеть результат. Так что здесь у нас есть два типа измерений. Первый тип назовем «потенциальные методы», а второй, который нуждается в передатчиках и приемниках, — по-другому. Давайте обсудим потенциальные измерения.
Во-первых, существует сила тяжести. Из законов Ньютона мы знаем, что если у нас есть две массы и вторая масса тяжелее, то она и будет сильнее притягиваться. Так что если у меня есть пружина с массой и я ее двигаю по поверхности Земли, есть область c более низкой плотностью, то моя масса будет притягиваться меньше. Когда я перемещусь в область, где плотность выше, то масса будет больше притягиваться. Это и есть принцип, по которому мы можем определять вариацию плотности Земли. Конечно, я говорю «пружина» и «масса», но надо понимать, что аномалии очень малы. Например, если гравитационное ускорение Земли условно принять за 10, то в геофизических экспериментах мы имеем дело с ускорением, которое составляет 10-6. Поэтому прибор должен быть очень точным, и это не самый обычный тип сенсоров. Этот метод хорош тем, что нам не нужны какие-то особенные ресурсы — мы просто смотрим, как притягивается масса. Мы можем положить прибор в самолет и провести масштабные измерения сверху. Например, можно полететь в Антарктиду и провести там такое исследование. Если мы ищем газовые резервуары, мы знаем, что газ менее плотный, так что если мы увидим большую аномалию, то найдем газовое месторождение.
Другим типом потенциальных измерений является магниторазведка. В геологической формации могут попадаться слои, которые состоят из ферромагнетических материалов, и с магнитным полем Земли они будут магнетизированы. Можно считать, что у нас есть два магнита: Земля — большой магнит, порода — второй магнит. Если я проведу аналогичное исследование магниторазведкой с самолета или просто с поверхности Земли, то я смогу увидеть аномалии магнитного поля и сделать вывод, где находятся слои. Конечно, такой метод напрямую не дает определить местоположение резервуара, но это необходимо для понимания геологического строения, а оно позволяет понять, где находятся резервуары.
Другой тип измерений требует активных источников. Благодаря электромагнетизму мы можем использовать электрические и гальванические измерения. Предположим, что у вас есть большая батарея с электродами. Вы ее кладете в землю и генерируете большой ток, а другими электродами измеряете спад потенциала на поверхности. Слои с разным удельным сопротивлением будут себя вести как сеть различных сопротивлений. Зная законы параллельного и последовательного сопротивления, мы можем воссоздать слои, основываясь на этих электрических измерениях. Хорошо, что по значениям удельного сопротивления мы можем отличать воду от нефти и газа, потому что знаем, что нефть и газ имеют достаточно большое удельное сопротивление по сравнению с водой. Так что это идеальный способ определения положения резервуаров. Однако иногда не очень удобно работать с большими проводами, поэтому можно использовать индукцию: установить катушки, которые создадут магнитное поле, а реакцию Земли можно будет измерить на другой катушке, и тогда мы можем определить удельное сопротивление Земли. Такую установку можно разместить на самолетах и вертолетах и проводить исследования с воздуха.
Последний способ измерений хорошо известен и любим в геофизике, так как у него высокое разрешение. Он очень схож с эхографией: мы генерируем сейсмическую волну, которая будет перемещаться по Земле, и будем прослушивать эхо на поверхности. Для этих целей можно использовать взрывчатку, а сеть сейсмографов будет записывать вибрацию Земли. Более дружелюбный способ — использовать грузовики с вибраторами, которые вызывают сейсмическую волну. В море, например, применяют пневматические пистолеты, которые резко расширяют воздух, что вызывает волны в земле, а эхо улавливают с помощью наборов сейсмографов. Каждый гидрофон имеет длину 10 метров, и они могут достигать глубины 12 метров. Все соединено с лодкой, которая перемещается по площади 15 на 15 километров, и мы получаем эту информацию.
Я говорил об измерениях, но каким образом мы получаем изображения? К сожалению, это работает совсем не так, как в медицине, потому что мы не можем получить радиографическое или любое другое прямое изображение. Нам необходимо обработать информацию — я объясню на примере из оптики то, что относится в основном к сейсмическим методам. Представьте границу раздела двух сред — воздуха и воды. Если я поставлю палку и сделаю фотографию, она будет выглядеть так, будто прямая линия на границе раздела ломается, потому что свет подчиняется закону Снелля. Это значит, что необходимо учитывать угол падения на поверхность и скорость распространении света как в воздухе, так и в воде.
В геофизике происходит то же самое. Предположим, я сейчас пойду на море, где есть волны, поставлю вертикально палку и сфотографирую ее, но изображение в море будет совершенно смазанным, потому что мне нужно учитывать все поверхности и закон Снелля. Но представьте, что у нас не один слой, а серия геологических слоев, которые имеют разную плотность и скорость распространения волны. Необходима будет полная реконструкция, и сейчас это основная задача геофизики для разведки нетрадиционных месторождений. Представьте Гималаи, погребенные под осадочными отложениями. Сейсмические волны пройдут вокруг этого массива, и вы не сможете получить даже половину четких изображений. Поэтому недостаточно использовать только законы Снелля, нужно применять полный набор уравнений: уравнения Максвелла для электромагнетизма и другие уравнения для расчета распространения волн. Сейчас у нас есть математические инструменты для решения этой задачи. Мы переводим большой объем данных в пиксели и воксели, вносим все параметры и можем создавать модели и узнавать конечную разницу, конечный объем или конечный состав элементов. С помощью различных ресурсов мы можем как бы осветить весь объем данных и создать виртуальный эксперимент, чтобы сгенерировать синтетические данные, которые похожи на настоящие.
Это то, что можно назвать прямой задачей. Но меня не интересует ее решение, потому что я уже знаю ответ, я знаю все параметры в Земле. Мне нужно понять, как определить свойства внутреннего состава Земли на основании этих параметров. Для этого есть другой математический инструмент, который называется обратной задачей.
Первая, которую я описывал, — прямая, а обратная задача заключается в минимизации несоответствия между полученными данными и синтетическими. Это нелинейная проблема, очень итеративный процесс, но мы реконструируем изучаемую среду так, чтобы данные реальных измерений совпадали с теми, что моделируются в эксперименте. Это и является обратной задачей очень сложной геологии.
У геофизики светлое будущее, потому что сейчас компьютерные вычисления происходят гораздо быстрее. Двадцать лет назад я работал на самом мощном компьютере в Европе, а теперь он имеет такую же мощность, как мобильный телефон. У телефона даже больше памяти, и работает он быстрее. Миниатюризация ведет к тому, что все эти сенсоры уже тоже есть в мобильных телефонах. Вы можете регистрировать магнитное поле или ускорение. Вы можете присоединить датчик к дрону. Так что будущее очень светлое, и я надеюсь, что будущие специалисты будут развивать технологии геофизики.