ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

УДК 550.83+622.27

ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
НЕФТИ И ГАЗА

Институт физики Земли имени О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

e-mail: kuzmin@ifz.ru

Поступила в редакцию 01.09.2021 г.
Принята к публикации 13.09.2021 г.

Аннотация. Рассмотрены результаты многолетних повторных нивелирных наблюдений с повышенной пространственно-временно́й детальностью (расстояние между реперами – 0.3–0.5 км и менее, интервалы между измерениями – 0.5–1 год) на нефтяных и газовых месторождениях и подземном хранилище газа в России и Туркменистане. Обнаружены различные формы деформационных последствий: слабое общее поднятие или отсутствие оседаний земной поверхности в пределах нефтяных месторождений; отсутствие оседаний при многолетней разработке газового месторождения; циклические деформации (подъем и оседание) при закачке и отборе на подземном хранилище газа; наличие локальных оседаний в зонах разломов на всех объектах, включая период закачки газа на подземном газохранилище. Построены трехмерные аналитические модели деформаций поверхности невесомого упругого полупространства, в котором расположены призматические пороупругие включения и неоднородности механических свойств (объемные упругие модули). Для оценки итоговых оседаний на месторождениях нефти и газа, вызванных снижением пластового давления, предложены поправки к решению для невесомой среды, учитывающие вес вышележащих пород, динамику изменения пороупругих параметров и генезис формирования месторождения. Показано, что использование суперпозиции решений о смещениях полупространства, содержащих включение и неоднородность, позволяет объяснить такие парадоксальные явления, как отсутствие оседаний при длительной разработке газового месторождения и наличие локальных оседаний в условиях закачки газа в подземное хранилище. Результаты расчетов сопоставлены с данными повторных геодезических наблюдений и параметрами разработки и эксплуатации подземного хранилища газа; получена их взаимосогласованность.

Ключевые слова: месторождение нефти и газа, подземное хранилище газа, оседания, геомеханическая модель, упругое полупространство, пороупругое включение, неоднородность упругих свойств.

DOI: https://doi.org/10.21455/GPB2021.4-7

Цитирование: Кузьмин Ю.О. Деформационные последствия разработки месторождений нефти и газа // Геофизические процессы и биосфера. 2021. Т. 20, № 4. С. 103–121. https://doi.org/10.21455/GPB2021.4-7

Финансирование

Работа выполнена в рамках государственного задания Института физики Земли имени О.Ю. Шмидта РАН.

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Литература

Адушкин В.В. Тектонические землетрясения техногенного происхождения // Физика Земли. 2016. № 2. С. 22–44.

Адушкин В.В., Турунтаев С.Б. Техногенная сейсмичность – индуцированная и триггерная. М.: ИДГ РАН, 2015. 364 с.

Жуков В.С. Кузьмин Ю.О. Экспериментальные исследования влияния трещиноватости горных пород и модельных материалов на скорость распространения продольной волны // Физика Земли. 2020. № 4. С. 39–50.

Изюмов С.Ф., Кузьмин Ю.О. Исследование современных геодинамических процессов в Копетдагском регионе // Физика Земли. 2014. № 6. С. 3–16.

Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья. М.: Горн. книга, 2019. 496 с.

Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании. М.: Агентство эконом. новостей, 1999. 220 с.

Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика системы разломов // Физика Земли. 2015. № 4. С. 25–30.

Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика опасных разломов // Физика Земли. 2016. № 5. С. 87–101.

Кузьмин Ю.О. Парадоксы сопоставительного анализа измерений методами наземной и спутниковой геодезии в современной геодинамике // Физика Земли. 2017. № 6. С. 24–39.

Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика раздвиговых разломов // Физика Земли. 2018. № 6. С. 87–105.

Кузьмин Ю.О. Индуцированные деформации разломных зон //Физика Земли. 2019a. № 5. С. 61–75.

Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика: От движений земной коры до мониторинга ответственных объектов // Физика Земли. 2019б. № 1. С. 78–103.

Кузьмин Ю.О. Геодинамическая эволюция Центральной Азии и современная геодинамика Копетдагского региона (Туркменистан) // Физика Земли. 2021. № 1. С. 144–153.

Миронов В.С. Курс гравиразведки. Л.: Недра, 1972. 512 с.

Николаев А.В. Проблемы наведенной сейсмичности // Наведенная сейсмичность. М.: Наука, 1994. С. 5–15.

Хисамов Р.С, Гатиятуллин Н.С., Кузьмин Ю.О. и др. Современная геодинамика и сейсмичность юго-востока Татарстана / Под ред. Р.С. Хисамова, Ю.О. Кузьмина. Казань: Фэн, 2012. 240 с.

Цуркис И.Л., Кузьмин Ю.О. Напряженное состояние упругой плоскости с одним или несколькими включениями произвольной формы: Случай одинаковых модулей сдвига // Изв. РАН. Механика твердого тела. 2021. № 6. С. 128–145.

Converse G., Comninou M. Dependence on the elastic constants of surface deformation due to faulting // BSSA. 1975. V. 65, N 5. P. 1173–1176.

Davies J.H. Elastic field in a semi-infinite solid due to thermal expansion or a coherently misfitting inclusion // J. Appl. Mech. 2003. V. 70. P. 655–660.

Doglioni C. A classification of induced seismicity // Geosci. Front. 2018. V. 9. P. 1903–1909.

Dyskin A., Pasternak E., Shapiro S. Fracture mechanics approach to the problem of subsidence induced by resource extraction // Engineering Fracture Mechanics. September 2020. V. 236. P. 107–130.

Eshelby J.D. Elastic inclusions and inhomogeneities // Progress in solid mechanics. T. 2 / Ed. by I.N. Sneddon, R. Hill. Amsterdam, 1961. P. 87–140.

Fokker P.A., Orlic B. Semi-analytic modeling of subsidence // Math. Geol. 2006. V. 38, N 5. P. 565–589.

Geertsma J. A remark on the analogy between thermoelasticity and the elasticity of saturated porous media // J. Mech. Phys. Solids. 1957a. V. 6. P. 13–16.

Geertsma J. The effect of fluid pressure decline on volumetric changes in porous rocks // Trans. AIME. 1957b. V. 210. P. 331–340.

Geertsma J. Land subsidence above compacting oil and gas reservoirs // J. Petrol. Technol. 1973. V. 50. P. 734–744.

Goodier J.N. On the integration of the thermoelastic equations // Philos. Mag. 1937. V. 7. P. 1017–1032.

Marketos G., Govers R., Spiers C.J. Ground motions induced by a producing hydrocarbon reservoir that is overlain by a viscoelastic rock salt layer: A numerical model // Geophys. J. Inter. 2015. V. 203. P. 228–242.

Maysel V.M. A generalization of the Betti-Maxwell theorem to the case of thermal stresses and some of its applications // Dokl. Acad. Nauk. USSR. 1941. V. 30. P. 115–118. (in Rus.).

Mindlin R.D., Cheng D.H. Nuclei of strain in the semi-infinite solid // J. Appl. Phys. 1950. V. 21. P. 926–933.

Mura T. Micromechanics of defects in solids. 2nd rev. ed. Norwell: Kluwer Acad. Publ., 1987.

Nowacki W. Thermoelasticity. 2nd ed. Warsaw: PWN-Polish Sci. Publ.; Oxford: Pergamon Press, 1986.

Rice J.R., Cleary M.P. Some basic stress diffusion solutions for fluid-saturated elastic porous media with compressible constituents // Rev. Geophys. Space Phys. 1976. V. 14. P. 227–241.

Rudnicki J.W. Alteration of regional stress by reservoirs and other inhomogeneities: Stabilizing or destabilizing? // Proc. 9th Inter. Congr. rock mechanics, Paris, Aug. 25–29, 1999 / Ed. by G. Vouille, P. Berest. Rotterdam: Balkema, 2002a. V. 3. P. 1629–1637.

Rudnicki J.W. Eshelby transformations, pore pressure and fluid mass changes, and subsidence // Poromechanics II: Proc. 2nd Biot conf. on poromechanics, Grenoble, Aug. 26–28 / Ed. by J.-L. Auriault, C. Geindreau, P. Royer, J.-F. Bloch, C. Boutin, J. Lewandowska. Rotterdam: Balkema, 2002b. P. 307–312.

Segall P. Stress and subsidence resulting from subsurface fluid withdrawal in the epicentral region of the 1983 Coalinga earthquake // J. Geophys. Res. 1985. V. 90. P. 6801–6816.

Segall P. Earthquakes triggered by fluid extraction // Geology. 1989. V. 17. P. 942–946.

Segall P. Induced stresses due to fluid extraction from axisymmetric reservoirs // Pure and Appl. Geophys. 1992. V. 139. P. 535–560.

Segall P. Earthquake and volcano deformation. Princeton: Princeton Univ. Press, 2010. 456 p.

Segall P., Grasso J.-R., Moscop A. Poroelastic stressing and induced seismicity near the Lacq gas field, South-Western France // J. Geophys. Res. 1994. V. 99, N B8. P. 15423–15438.

Shapiro S.A. Fluid-induced seismicity. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2015.

Sokolnikoff S. Mathematical theory of elasticity. 2nd ed. N.Y.: McGraw-Hill, 1956.

Subsidence due to fluid withdrawal / Eds G.V. Chilingarian, E.C. Donaldson, T.F. Yen. Amsterdam, Lausanne, N.Y., Oxford, Shannon, Tokyo: Elsevier Sci., 1995. 519 p.

Turcotte D.L., Shubert G. Geodynamics. Cambridge: Camb. Univ. Press, 2002. 456 p.

Walsh J.B. Subsidence above a planar reservoir // J. Geophys. Res. 2002. V. 107 (B9).

Wang H.F. Theory of linear poroelasticity with applications to geomechanics and hydrology. Princeton: Princeton Univ. Press, 2000. 287 p.

Zimmerman R. Compressibility of sandstones. Amsterdam: Elsevier, 1991. 183 p.

Zoback M.D. Reservoir geomechanics. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2007.

Zoback M., Kohli A. Unconventional reservoir geomechanics: Shale gas, tight oil, and induced seismicity. Cambridge, 2019.

Сведения об авторе

КУЗЬМИН Юрий Олегович – Институт физики Земли имени О.Ю. Шмидта РАН. Россия, 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. E-mail: kuzmin@ifz.ru

DEFORMATIONAL CONSEQUENCES OF OIL AND GAS FIELD DEVELOPMENT

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

e-mail: kuzmin@ifz.ru

Abstract. The results of long-term repeated leveling observations with increased spatial-temporal detail (distance between benchmarks 0.3-0.5 km or less, intervals between measurements – 0.5–1.0 years) at oil and gas fields and underground gas storage in Russia and Turkmenistan are considered.

Various forms of deformational consequences were found: weak general uplift or absence of subsidence of the Earthʼs surface within oil fields; absence of subsidence during long-term development of a gas field; cyclic deformations (rise and subsidence) during injection and withdrawal at underground gas storage; the presence of local subsidence in fault zones at all facilities, including the period of gas injection at the underground gas storage. Three-dimensional analytical models of deformations of the surface of a weightless elastic half-space in which prismatic poroelastic inclusions and inhomogeneities of mechanical properties (bulk elastic moduli) are located are constructed. To assess the final subsidence in oil and gas fields caused by a decrease in reservoir pressure, amendments to the solution for a weightless medium are proposed, taking into account the weight of the overlying rocks, the dynamics of changes in poroelastic parameters and the genesis of the formation of the field. It is shown that the use of a superposition of solutions on half-space displacements, containing inclusion and inhomogeneity, allows one to explain such paradoxical phenomena as the absence of subsidence during long-term development of a gas field and the presence of local subsidence under conditions of gas injection into an underground storage. The calculation results are compared with the data of repeated geodetic observations and the parameters of the development and operation of the underground gas storage and their consistency is obtained.

Keywords: oil and gas field, underground gas storage, subsidence, geomechanical model, elastic half-space, poroelastic inclusion, inhomogeneity of elastic properties.

About the author

KUZMIN Yuri Olegovich – Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences. Russia, 123242, Moscow, Bolshaya Gruzinskaya st., 10-1. E-mail: kuzmin@ifz.ru

Cite this article as: Kuzmin Yu.O. Deformational consequences of oil and gas field development, Geofizicheskie Protsessy i Biosfera (Geophysical Processes and Biosphere), 2021, vol. 20, no. 4, pp. 103–121 (in Russian). https://doi.org/10.21455/gpb2021.4-7

English version: Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2021, vol. 57, iss. 11. ISSN: 0001-4338 (Print), 1555-628X (Online). https://link.springer.com/journal/volumesAndIssues/11485