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.

Рекомендуем по этой теме:
274
Рентгеновское небо

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.

Рекомендуем по этой теме:
128806
5 мифов о гравитации

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.