Russian Journal of Earth Sciences Russian Journal of Earth Sciences Russian Journal of Earth Sciences 1681-1208 86766 10.2205/2024es000955 djzbgg ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ ORIGINAL ARTICLES ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ Assessment of the In-situ Stress State of the Carbonate Rock Mass at an Oil Field Оценка современного напряженно-деформированного состояния массива карбонатных горных пород на нефтяном месторождении https://orcid.org/0000-0001-9184-2446 Зиганшин Эдуард Ришадович Ziganshin Eduard Rishadovich ERZiganshin@kpfu.ru

кандидат геолого-минералогических наук;

candidate of geological and mineralogical sciences;

 https://orcid.org/0000-0002-1599-8737 Дубиня Никита Владиславович Dubinya Nikita Vladislavovich https://orcid.org/0000-0001-6354-4652 Новикова Елена Валерьевна Novikova Elena Valeryevna helenvn97@gmail.com https://orcid.org/0009-0001-9159-9017 Воронов Иван Андреевич Voronov Ivan Andreevich iavoronov@ifz.ru Казанский (Приволжский) федеральный университет Kazan (Volga) Federal University Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук Moscow Россия Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences Moscow Russian Federation Московский физико-технический институт Dolgoprudnyy Россия Moscow Institute of Physics and Technology (State University) Dolgoprudnyy Russian Federation Институт динамики геосфер имени академика М. А. Садовского Российской академии наук Moscow Россия Institute of Geosphere Dynamics (IDG RAS) Moscow Russian Federation 05 12 2024 05 12 2024 24 5 1 20 29 08 2024 22 11 2024 https://rjes.ru/en/nauka/article/86766/view

В работе представлен алгоритм реконструкции параметров напряженного состояния массива горных пород по данным о естественной трещиноватости. Для одной скважины, разрабатывающей нефтегазовое месторождение, восстановлены направления действия главных пластовых напряжений, их относительные значения и прочность пород околоскважинного пространства. Результаты реконструкции согласуются с прочими методами оценки напряжений, в частности, с результатами испытания по мини-гидроразрыву пласта (мини-ГРП). Обратная задача оценки напряженного состояния решена с помощью метода Монте-Карло. Представлен алгоритм применения аппарата математической статистики – метод моментов для определения параметров распределения из семейства распределений Пирсона – для количественной оценки неоднозначности оценки направлений действия главных напряжений и их относительных значений. Представленный алгоритм может быть использован для независимой реконструкции напряжений для карбонатных пород при условии наличия информации о проводимости трещин в породах околоскважинного пространства для дополнительного повышения качества одномерного и трехмерного геомеханического моделирования.

The paper presents an algorithm for reconstruction of stress state parameters of rock massif based on data on natural fractures. For one well developing an oil field, the directions of the principal in-situ stresses, their relative magnitudes, and the strength of the rocks in the near-wellbore space were reconstructed. Stress inversion results are in agreement with other methods of stress estimation, in particular, with the results of the mini-hydraulic fracture test. The inverse problem of stress state estimation is solved using the Monte Carlo method. An algorithm of applying the apparatus of mathematical statistics – the method of moments for determining distribution parameters from the Pearson distribution family – to quantify the ambiguity of the estimation of the directions of the principal stresses and their relative magnitudes is presented. The proposed algorithm can be used for independent reconstruction of stresses for carbonate rocks, provided that there is information about the conductivity of fractures in the rocks of the near-wellbore space to further improve the quality of one-dimensional and three-dimensional geomechanical modelling.

 оценка напряжений критически напряженные трещины карбонатный коллектор геомеханика гидроразрыв пласта stress estimation critically stressed fractures caronate collector reservoir geomechanics hydraulic fracture Работа выполнена за счет средств субсидии, выделенной Казанскому федеральному университету для выполнения государственного задания в сфере научной деятельности, проект № FZSM-2023-0014. The work was carried out using funds from a subsidy allocated to Kazan Federal University for the implementation of a state assignment in the field of scientific activity, project No. FZSM-2023-0014.

Дубиня Н. В. Обзор скважинных методов изучения напряженного состояния верхних слоев Земной коры // Физика Земли. — 2019. — № 2. — С. 137—155. — DOI: 10.31857/S0002-333720192137-155. Dubinya N. V. An Overview of Wellbore Methods of Investigating Stress State of the Upper Layers of the Earth’s Crust // Izvestiya, Physics of the Solid Earth. — 2019. — Vol. 55, no. 2. — P. 311–326. — DOI: 10.1134/S1069351319020034. Дубиня Н. В., Ежов К. А. Уточнение профилей горизонтальных напряжений в окрестности скважин по геометрическим характеристикам трещин в породах околоскважинного пространства // Геофизические исследования. — 2017. — Т. 18, № 2. — С. 5—26. — DOI: 10.21455/gr2017.2-1. Dubinya N. V. Spatial orientations of hydraulically conductive shear natural fractures for an arbitrary stress state: An analytical study of governing geomechanical factors // Journal of Petroleum Science and Engineering. — 2022. — Vol. 212. — P. 110288. — DOI: 10.1016/j.petrol.2022.110288. Дубиня Н. В., Тихоцкий С. А. О методе решения обратной задачи восстановления напряженно-деформированного состояния массива горных пород по данным о естественной трещиноватости // Физика Земли. — 2022. — № 4. — С. 112—134. — DOI: 10.31857/S0002333722040020. Dubinya N. V., Tikhotskiy S. A. Method for the Inverse Problem Solution for Reconstruction of Stress Strain State of Rock Mass Based on Natural Fractures Data // Izvestiya, Physics of the Solid Earth. — 2022. — Vol. 58, no. 4. — P. 544–561. — DOI: 10.1134/s1069351322040024. Новикова Е. В., Дубиня Н. В. Об устойчивости решения обратной задачи реконструкции напряженного состояния геологической среды на основании анализа естественной трещиноватости // Процессы в геосредах. — 2023. — Т. 38, № 4. — С. 2240—2251. Dubinya N. V., Yezhov K. A. In-situ horizontal stress estimation based on the geometrical properties of fractures in well vicinity // Geophysical Research. — 2017. — Vol. 18, no. 2. — P. 5–26. — DOI: 10.21455/gr2017.2-1. Dubinya N. V. Spatial orientations of hydraulically conductive shear natural fractures for an arbitrary stress state: An analytical study of governing geomechanical factors // Journal of Petroleum Science and Engineering. — 2022. — Vol. 212. — P. 110288. — DOI: 10.1016/j.petrol.2022.110288. Elderton W. P., Johnson N. L. Systems of Frequency Curves. — Cambridge University Press, 1969. — DOI: 10.1017/ CBO9780511569654. Elderton W. P., Johnson N. L. Systems of Frequency Curves. — Cambridge University Press, 1969. — DOI: 10.1017/ CBO9780511569654. Funato A., Ito T. A new method of diametrical core deformation analysis for in-situ stress measurements // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. — 2017. — Vol. 91. — P. 112–118. — DOI: 10.1016/j.ijrmms.2016.11.002. Funato A., Ito T. A new method of diametrical core deformation analysis for in-situ stress measurements // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. — 2017. — Vol. 91. — P. 112–118. — DOI: 10.1016/j.ijrmms.2016.11.002. Gaarenstroom L., Tromp R. A. J., Brandenburg A. M. Overpressures in the Central North Sea: implications for trap integrity and drilling safety // Geological Society, London, Petroleum Geology Conference Series. — 1993. — Vol. 4, no. 1. — P. 1305–1313. — DOI: 10.1144/0041305. Gaarenstroom L., Tromp R. A. J., Brandenburg A. M. Overpressures in the Central North Sea: implications for trap integrity and drilling safety // Geological Society, London, Petroleum Geology Conference Series. — 1993. — Vol. 4, no. 1. — P. 1305–1313. — DOI: 10.1144/0041305. Galybin A. N., Mokhel A. N. Borehole breakout in rocks with strength anisotropy // 1st Australian Congress on Applied Mechanics: ACAM-96. — Australia : Institution of Engineers, 1996. — P. 943–948. Galybin A. N., Mokhel A. N. Borehole breakout in rocks with strength anisotropy // 1st Australian Congress on Applied Mechanics: ACAM-96. — Australia : Institution of Engineers, 1996. — P. 943–948. Higgins S., Goodwin S., Donald A., et al. Anisotropic Stress Models Improve Completion Design in the Baxter Shale // SPE Annual Technical Conference and Exhibition. — SPE, 2008. — DOI: 10.2118/115736-ms. Higgins S., Goodwin S., Donald A., et al. Anisotropic Stress Models Improve Completion Design in the Baxter Shale // SPE Annual Technical Conference and Exhibition. — SPE, 2008. — DOI: 10.2118/115736-ms. Ito T., Fujii R., Evans K. F., et al. Estimation of Stress Profile with Depth from Analysis of Temperature and Fracture Orientation Logs in a 3.6 km Deep Well at Soultz, France // All Days. — SPE, 2002. — DOI: 10.2118/78185-MS. Ito T., Fujii R., Evans K. F., et al. Estimation of Stress Profile with Depth from Analysis of Temperature and Fracture Orientation Logs in a 3.6 km Deep Well at Soultz, France // All Days. — SPE, 2002. — DOI: 10.2118/78185-MS. Ljunggren C., Chang Y., Janson T., et al. An overview of rock stress measurement methods // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. — 2003. — Vol. 40, no. 7/8. — P. 975–989. — DOI: 10.1016/j.ijrmms.2003.07.003. Ljunggren C., Chang Y., Janson T., et al. An overview of rock stress measurement methods // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. — 2003. — Vol. 40, no. 7/8. — P. 975–989. — DOI: 10.1016/j.ijrmms.2003.07.003. Novikova E. V., Dubinya N. V. On Stability of Inverse Problem Solution for Rock Mass Stress State Reconstruction Based on Natural Fractures Analysis // Process in geomedia. — 2023. — Vol. 38, no. 4. — P. 2240–2251. Ostadhassan M., Zeng Z., Zamiran S. Geomechanical modeling of an anisotropic formation - Bakken case study // 46th US Rock Mechanics / Geomechanics Symposium. — American Rock Mechanics Association, 2012. — P. 2631–2645. Ostadhassan M., Zeng Z., Zamiran S. Geomechanical modeling of an anisotropic formation - Bakken case study // 46th US Rock Mechanics / Geomechanics Symposium. — American Rock Mechanics Association, 2012. — P. 2631–2645. Prats M. Effect of Burial History on the Subsurface Horizontal Stresses of Formations Having Different Material Properties // Society of Petroleum Engineers Journal. — 1981. — Vol. 21, no. 06. — P. 658–662. — DOI: 10.2118/9017-pa. Prats M. Effect of Burial History on the Subsurface Horizontal Stresses of Formations Having Different Material Properties // Society of Petroleum Engineers Journal. — 1981. — Vol. 21, no. 06. — P. 658–662. — DOI: 10.2118/9017-pa. Shkuratnik V. L., Kravchenko O. S., Filimonov Y. L. Stress Memory in Acoustic Emission of Rock Salt Samples in Cyclic Loading under Variable Temperature Effects // Journal of Mining Science. — 2020. — Vol. 56, no. 2. — P. 209–215. — DOI: 10.1134/s1062739120026662. Shkuratnik V. L., Kravchenko O. S., Filimonov Y. L. Stress Memory in Acoustic Emission of Rock Salt Samples in Cyclic Loading under Variable Temperature Effects // Journal of Mining Science. — 2020. — Vol. 56, no. 2. — P. 209–215. — DOI: 10.1134/s1062739120026662. Sinha B. K., Wendt A. S. Estimation of horizontal stress magnitudes using sonic data from vertical and deviated wellbores in a depleted reservoir // Geological Society, London, Special Publications. — 2014. — Vol. 409, no. 1. — P. 67–91. — DOI: 10.1144/SP409.9. Sinha B. K., Wendt A. S. Estimation of horizontal stress magnitudes using sonic data from vertical and deviated wellbores in a depleted reservoir // Geological Society, London, Special Publications. — 2014. — Vol. 409, no. 1. — P. 67–91. — DOI: 10.1144/SP409.9. Thiercelin M. J., Plumb R. A. Core-Based Prediction of Lithologic Stress Contrasts in East Texas Formations // SPE Formation Evaluation. — 1994. — Vol. 9, no. 04. — P. 251–258. — DOI: 10.2118/21847-pa. Thiercelin M. J., Plumb R. A. Core-Based Prediction of Lithologic Stress Contrasts in East Texas Formations // SPE Formation Evaluation. — 1994. — Vol. 9, no. 04. — P. 251–258. — DOI: 10.2118/21847-pa. Zhang S., Ma X., Zoback M. Determination of the crustal friction and state of stress in deep boreholes using hydrologic indicators // Rock Mechanics Bulletin. — 2023. — Vol. 2, no. 1. — P. 100024. — DOI: 10.1016/j.rockmb.2022.100024. Zhang S., Ma X., Zoback M. Determination of the crustal friction and state of stress in deep boreholes using hydrologic indicators // Rock Mechanics Bulletin. — 2023. — Vol. 2, no. 1. — P. 100024. — DOI: 10.1016/j.rockmb.2022.100024. Zoback M. D. Reservoir Geomechanics. — Cambridge University Press, 2007. Zoback M. D. Reservoir Geomechanics. — Cambridge University Press, 2007. Zoback M. D., Barton C. A., Brudy M., et al. Determination of stress orientation and magnitude in deep wells // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. — 2003. — Vol. 40, no. 7/8. — P. 1049–1076. — DOI: 10.1016/j.ijrmms.2003.07.001. Zoback M. D., Barton C. A., Brudy M., et al. Determination of stress orientation and magnitude in deep wells // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. — 2003. — Vol. 40, no. 7/8. — P. 1049–1076. — DOI: 10.1016/j.ijrmms.2003.07.001.