Поиск и разведка углеводородов
Для поиска углеводородов при глубинах исследования от десятков метров до десятков километров магнитотеллурика (МТ) является наиболее подходящим электромагнитным методом, который особенно эффективен в комплексе с другими глубинными геофизическими методами, такими как сейсморазведка, грави-магниторазведка и ЗСБ (МПП). С 2000 года компанией ООО "Северо-Запад" были выполнены работы объемом более 100 000 точек по всему миру и большая часть из них была получена при поисках углеводородов.

С 1960-ых годов магнитотеллурический метод развивался, главным образом, в качестве инструмента исследования осадочных бассейнов [Бердический, 1960, 1968; Келлер, 1968; Возоф, 1972]. В то же время сейсмические методы традиционно считаются главным инструментом при поиске и разведке углеводородов, и в большинстве случаев передовые сейсмические технологии позволяют решать задачу обнаружения перспективных геологических структур и формаций. Тем не менее, существуют такие геолгические обстановки и условия, в которых сейсмические методы сталкиваются с серьезными трудностями, в то время как применение МТ-методов может существенно увеличить достоверность геологической интерпретации геофизических данных.

Для магнитотеллурических методов благоприятной геологической ситуацией являются осадочные бассейны, перекрытые мощными покровами базальтов или вечной мерзлотой. Примерами могут служить сибирские траппы с России, бассейн Парана в Бразилии [Пальшин Н.А. и др., 2017], осадочные бассейны, перекрытые базальтами Деккан в Индии. Кроме того, метод МТЗ показал эффективность в качестве дополнительного метода поиска углеводородов во внутрикратонных осадочных бассейнах в Северном море и складчатых зонах, таких как Загрос в Иране, Субандский складчатый пояс в Перу и Боливии или Енисей-Хатангский прогиб в сибири [Palshin et al., 2020; Пальшин Н.А. и др., 2021]. Другой тип осадочных бассейнов, где эффективен МТЗ, связан с солянокупольной тектоникой [Алексанова Е. Д. и др. 2009] Соляные диапиры встречаются во многих осадочных бассейнах, где соляные отложения перекрыты пластами достаточной толщины, а также в зонах складчатых поясов. Классические соляные диапиры (купола) образуются вследствие гравитационной неустойчивости в регионах, не подвевергавшихся значительным тектоническим напряжениям; однако некоторые соляные купола встречаются в тектонически активных регионах. К первому типу относятся области соляно-купольной тектоники в Мексиканском заливе, на севере континентальной Европы и Северного моря, в Прикаспийской впадине. Ко второму же типу относятся соляные диапиры ближнего Востока, обнаруженные в Ираке, Иране и на Аравийском полуострове. Почти все солянокупольные тектонические области являются нефтегазоносными бассейнами, часто крупными. Месторождения нефти и газа могут быть приурочены как к вершинам или склонам соляных куполов, так и к подсолевым образованиями. В последнем случае соль играет роль покрышки. Соляные диапиры имеют сложную форму, часто с круто наклоненными границами, и характеризуются высокими сейсмическими скоростями. При этом внутри диапира обычно не наблюдается никаких отражателей. Все это делает интерпретацию сейсмических временных разрезов сложной и запутанной (особенно если основной целью является подсолевая формация).

МТ-методы имеют определенные преимущества при картировании структур в складчатых областях, где геологические границы характеризуются большими углами наклона, что также затрудняет интерпретацию сейсмических данных. Примерами перспективных нефтегазоносных складчатых областей являются Субандийский, Таймырский и Загросский складчатые пояса, северо-западная часть Колумбии [Palshin et al., 2020; Пальшин Н.А. и др., 2021]. Электропроводность осадочных пород зависит от содержания глины, геометрии порового пространства, пористости, насыщенности флюидами и от электропроводности порового флюида. Первые четыре фактора характеризуют петрофизические и гидрофизические свойства породы. Последний фактор является наиболее важным, поскольку именно он контролирует электропроводность большинства неглинистых осадочных пород. Зависимость электрических свойств от нескольких фактров делает однозначную интерпретацию наблюдаемых аномалий с точки зрения геологического строения невозможной без дополнительной петрофизической и гидрофизической информации. Во многих случаях, когда имеются данные или хотя бы некоторые оценки литологии, петрофизических и гидрофизических свойств отложений, становится возможным оценить эффективную пористость как показатель качества коллектора (или содержание глины как качество покрышки). Благодаря возможности оценивать коллекторские свойства осадочных пород и/или покрышек по электропроводности, метод МТ может быть особенно полезен при поисках углеводородов [Пальшин Н.А. и др., 2017].

Таймырская складчатая область, Россия
С 2005 года компания Nord-West Ltd. участвует в геофизических исследованиях, проводимых несколькими методами, на территории полуострова Таймыр (Север Сибири, Россия). Общий объем работ составляет около 20 000 пог. км. Основными геофизическими методами изучения как Горного Таймыра, так и Енисей-Хатангского прогиба, являются 2-D сейсморазведка ОГТ и МТЗ. Кроме того, для интерпретации были использованы ранее собранные данные гравиразведки и магниторазведки. Съемка МТЗ проводилась вдоль сейсмических линий, и совместная интерпретация электрических и сейсмических данных с привлечением потенциальных методов позволила уточнить представление о геологическом строении региона, выявить ряд крупных, ранее неизвестных геологических объектов, не выходщих на поверхность, а также определить перспективные на углеводороды участки.

На рис. 1 показаны результаты геофизических исследований вдоль одного из профилей. В средней части профиля закартирован крупный Гыдан-Таймырский прогиб, мощность осадочной формации которого достигает 20 км (примерно 10 км заполнено палеозойскими отложениями, остальная часть сопоставимой мощности заполнена верхнерифейской толщей). Совместный анализ сейсмической и электрической моделей показал, что крупнейшие аномалии сейсмического волнового поля совпадают с аномалиями сопротивления; с учетом имеющихся палеореконструкций можно предположить, что эти аномалии соответствуют рифовым структурам и проявлениям солянокупольной тектоники (рис. 2). Был сделан вывод, что четко выделяющиеся высокоомные зоны соответствуют областям потери корреляции между сейсмическими отражателями и границами по УЭС. В одном случае эти аномалии сопровождаются низким гравитационным полем, что позволяет предположить, что они могут быть связаны с низкоплотными ангидритовыми телами (соляными куполами), в то время как другие области попадают в зоны повышенного гравитационного поля, что свидетельствует об их карбонатном (рифовом) происхождении.
Рис. 1. Наложенные друг на друга сейсмический и электрический разрезы (сверху) и итоговая геологическая модель (внизу). Черные линии - главные разрывные нарушения.
Рис. 2. Пример выделения соляных куполов при совместном анализе электрических и сейсмических данных. Кровля соляных куполов показа черной линией.
МТЗ играет важную роль в геофизическом комплексе, применяемом для изучения горного Таймыра. Исследования с помощью метода МТЗ позволили сформировать обобщенную литологическую картину фанерозойских образований района, уточнить положение подошвы траппов и юрско-меловых отложений, выявить в верхней части разреза не выходящие на поверхность интрузивные тела , сделать важные выводы о нефтегазоносности района и наметить стратегию дальнейших исследований. Применение МТЗ подтвердило существование ранее неизвестных достаточно крупных структур, оцененных как перспективные с точки зрения нефтегазового потенциала.

Субандский складчатый пояс, Боливия
Этот уникальный проект, в котором использовались методы МТЗ и ЗСБ (на момент завершения - крупнейший в Латинской Америке), был выполнен в 2017 году компанией ООО "Северо-Запад" в сотрудничестве с Bolpegas SRL по контракту с национальной Боливийской нефте-газовой компанией YPFB. Главной целью проекта было уточнение представлений о геологической структуре осадочного бассейна и нефтяной системы в двух изучаемых районах: Subandino Sur и Subandino Norte.

Для получения 3628 записей МТ и 1130 записей TDEM менее чем за 1 год компания Северо-Запад привезла в Боливию более 50 опытных операторов полевых данных и использовала беспрецедентное количество 54 комплектов приборов МТ одновременно. Полевая логистика включала транспортировку по бездорожью, на паромах, вертолетах и лодках, а также пешие переходы на большие расстояния и создание удаленных лагерей в джунглях. Использованная технология включала широкополосную запись МТ-данных в диапазоне периодов от 0,0001 до 1000 с. Для лучшего качества данные собирались в течение 14-20 ч (в течение ночи). Более подробную информацию о получении, анализе и интерпретации данных можно найти в [Palshin et al., 2020].

Субандский складчатй пояс представляет собой тонкочешуйчатую систему с несколькими этажами, разделенными поверхностями расслоения. Геологическая структура Субандского складчатого пояса типична для многих складчатых поясов и характеризуется квази-2D структурой с широкими относительно низкоомными синклиналями с горизонтальной слоистостью и узкими сложными антиклиналями, часто разбитыми большим количеством зон разломов, с субвертикальной слоистостью и образующими горные хребты с крутыми склонами. Для этого региона также характерно различие структур складчатости на разных этажах - дисгармоничная складчатость.

Субандский складчатый пояс характеризуется очень сложными структурами с крутыми (даже вертикальными) наклонами в антиклинальных ядрах. Имеющиеся сейсмические данные не дали достаточно информации по оси структур, что может привести к ложной интерпретации при планировании разведочных скважин. В дополнение к сейсморазведке были проведены детальные исследования МТ для понимания структурного поведения изучаемой территории.

Рис. 3. Районы работ методом МТЗ в Субандском складчатом поясе: 1 - Subandino Norte, 2 – Subandino Sur, 3 – Itacaray.
Subandino Norte
Широкополосные данные МТ были получены по 15 профилям, повторяющим старые сейсмические профили длиной от 30 до 50 км, ориентированные поперек геологического простирания. Из-за квази-2D структуры Субандского складчатого пояса основным инструментом интерпретации была 2D инверсия. ТМ-мода в нашем конкретном случае более информативна, но бимодальная инверсия с ТЕ-модой пониженного веса на ограниченной полосе периодов явно дала лучший результат. Теоретически режим TM имеет лучшее разрешение для высокоомных целей, в то время как режим TE отвечает за проявление проводящих объектов, но на практике для реальных геологических условий, даже для квази-2D складчатых поясов, где целями являются геологические структуры, которые могут быть как высокоомными (антиклинали), так и проводящими (синклинали), бимодальная инверсия предпочтительнее. Есть и другая причина для применения бимодальной инверсии: регуляризованная 2D инверсия данных с использованием только TM-моды в некоторых случаях может привести к "переподбору", когда на разрезах сопротивления появляются артефакты инверсии. Эти артефакты вызваны отклонением реальной структуры от двумерной. Применение бимодальной инверсии даже с ТЕ-модой пониженного веса помогает избежать таких ситуаций и получить достоверные изображения удельного сопротивления как для высокомных антиклиналей, так и для проводящих синклиналей. Изучение конкретного случая показало, что двумерная бимодальная инверсия с априорной фоновой моделью удельного сопротивления в качестве начальной является наиболее эффективным подходом. Процедура состоит из трех основных этапов: (1) 2D и 3D инверсии МТ-данных без ограничений, (2) построения 2D априорных фоновых моделей удельного сопротивления с использованием всех доступных данных: инверсии МТ-данных, сейсмических и каротажных данных и (3) инверсии с ограничениями - в нашем случае инверсии МТ-данных с априорной фоновой моделью в качестве стартовой. Пример изображения удельного сопротивления показан на рис. 4.
Рис. 4. Модель удельного электрического сопротивления, полученная в результате бимодальной 2D инверсии для профиля участка Subandino Norte с наложенными сейсмическими данными. Положение точек измерений показано треугольниками. Буквами обозначены главные структуры: А1 - антиклиналь, S1,2 - синклинали, R1 - палеозойские консолидированные осадки, R2 - докембрийский кристаллический фундамент [Palshin et al., 2020]
Результаты интерпретации данных МТЗ представлены в виде карты глубины залегания девонских отложений (второй структурный этаж) и схемы геологического строения верхнего структурного этажа с выделением зон разломов (см. рис. 5 и 6). По данным электроразведки были выделены два структурных этажа, отличающихся удельными сопротивлениями и реологическими свойствами: нижний более высокоомный и хрупкий, а верхний гораздо более проводящий и пластичный. Этот факт определяет дисгармоничную складчатость в районе исследования. Граница между этажами примерно соответствует кровле девонской формации Томачи, что показывает, как важная геологическая граница может быть выделена с помощью МТЗ.

Глубина до кровли девонских отложений различная в северо-восточной и юго-западной частях территории исследования, вследствие чего можно определить разломную зону между двумя регионами (см. рис. 5 и 6). Структуры (антиклинали) верхнего этажа не совпадают с поднятиями на нижнем уровне. Стоит отметить, что породы формации Томачи являются основными породами-коллекторами в северной части Субандского складчатого пояса. В северо-западной части района исследований были выделены впадины глубиной до 8 км (от уровня моря), разделенные вытянутым поднятием 4-5 км, а в юго-восточной части - впадина глубиной около 5 км, разделяющая два поднятия глубиной до 2 км. На большей части территории исследования пространственная корреляция структур верхнего и нижнего этажей отсутствует.

Рис. 5. Глубина до кровли второго структурного этажа. Красный пунктир - разломная зона. Черный пунктир - оси антиклиналей. Коричневые точки- положение пунктов МТЗ [Пальшин Н.А. и др., 2020].
Рис. 6. Структурные элементы вернего этажа на на картах УЭС на глубинах 0 м (а) и 1200 м (b). 1 - сдвиги, 2 - надвиги, 3 - разломная зона, А - антиклинали, S - синклинали [Palshin et al., 2020].
Другой пример хорошо виден в южной части района исследования, где широкое поднятие поверхности палеозойских образований совпадает с двумя поверхностными структурами: Южной синклиналью Иникуа и Силларской антиклиналью (см. рис. 5 и 6). Дисконформность структурных этажей может быть объяснена геологической историей и указывает лишь на частичное участие нижнего структурного этажа в главной фазе андской складчатости. Нижний структурный этаж характеризуется увеличением сопротивления с глубиной и дуплексной складчатостью согласно сейсмическим данным. Большое количество зон разломов было выделено в верхнем структурном этаже (см. рис. 6) с помощью моделей удельного электрического сопротивления. Антиклинали Ликимуни и Такуараль характеризуются сложной структурой (структуры типа "пальмовое дерево"), что можно объяснить особенностью стратиграфических последовательностей в районе исследования: переслаиванием пластичных глинистых отложений, песчаников и известняков. Несмотря на то, что пространственное разрешение электроразведочных данных меньше, чем у сейсмических, они дают ценную дополнительную независимую информацию. В частности, для геологических условий северного Субандского складчатого пояса МТЗ дает истинное положение осей погребенных антиклинальных складок в нижнем структурном этаже, соответствующем карбон-девонским образованиям. Использование данных МТЗ открывает возможность корректировки сейсмических результатов с использованием современных подходов к совместным инверсиям и наоборот - обновление геоэлектрических разрезов с использованием ограничений от интерпретации сейсмических данных. Комплексный подход, включающий совместное применение сейсморазведки и метода МТЗ, может открыть новые возможности эффективного изучения складчатых и надвиговых поясов, которые обычно считаются "трудными" местами для поиска углеводородов.
Выводы
Метод МТЗ находит все большее применение при поисках углеводородов. Он дает важную информацию о структуре погребенных складчатых систем, сложных соляных тел и разломных зон. Результаты магнитотеллурических исследований позволяют решать как структурные, так и петрофизические задачи при поисках и разведке углеводородов и глубоких водоносных горизонтов.

Опыт изучения районов сложного геологического строения показывает целесообразность комплексирования различных геофизических методов для снижения неопределенности геологической интерпретации получаемых данных. Использование метода МТЗ в сочетании с сейсморазведкой и каротажом, а также другими геолого-геофизическими исследованиями может значительно повысить надежность картирования перспективных структур и определения целей поискового бурения.
Литература
Бердичевский М.Н. Электрическая разведка методом теллурических токов, Москва: Гостоптехиздат, 1960.
Бердичевский М.Н. Электрическая разведка методом магнитотеллурического профилирования, Москва: Недра, 1968.
Пальшин Н.А., Соборнов К.О., Bolourchi M.J., Алексанова Е.Д., Яковлев Д.В., Aliyari, A., Яковлев А.Г. Магнитотеллурические исследования складчатых поясов // Геофизика. 2021. №4. С 81-95.
Aleksanova E.D., Alekseev D.A., Suleimanov A.K., and Yakovlev A.G., 2009. Magnetotelluric studies in salt-dome tectonic settings in the Pre-Caspian depression, First Break, vol. 7, no. 3, pp. 105-109.
Keller G. Electrical prospecting for oil, Quarterly Journal of the Colorado School of Mines, 1968, vol. 63, no 2, pp. 1-268.
Palshin, N.A., Aleksanova, E.D., Yakovlev, A.G., Yakovlev, D.V. and Breves Vianna, R., 2017. Experience and prospects of magnetotelluric soundings application in sedimentary basins, Geophysical Research, 2017, V.18, No 2. P. 27-54
Palshin, N.A., Giraudo, R.E., Yakovlev, D.V. Zaytsev, S. V, Aleksanova, E.D., Zaltsman, R.V and Korbutiak, S. V., 2020. Detailed magnetotelluric study of the northern part of Subandian fold belt, Bolivia, Journal of Applied Geophysics, 2020, V.181, 104-136
Vozoff K. The magnetotelluric method in the exploration of sedimentary basins, Geophysics, 1972, vol. 37, pp. 98-141.