Результаты исследований температурного поля в наблюдательных скважинах Семипалатинского полигона (Восточно-Казахстанская область)

УДК 550.361

А.Д. Дучков, Д.Е. Аюнов, М.Е. Пермяков ИНГГ СО РАН, Новосибирск

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В НАБЛЮДАТЕЛЬНЫХ СКВАЖИНАХ СЕМИПАЛАТИНСКОГО ПОЛИГОНА

В докладе представлены результаты измерений температуры в наблюдательных скважинах Семипалатинского полигона (площадка Балапан) в 2009-2010 гг. Целью измерений является прогнозирование геотермальных процессов, протекающих в котловых полостях подземных ядерных взрывов. В одной из скважин мы организовали постоянный мониторинг температуры на нескольких глубинах; в других выполнили термокаротаж. Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы. Во-первых, во всех изученных пунктах температура пород оказалась выше (>8 0С на глубине 20 м) фоновой (6-7 0С на той же глубине). Во-вторых, удалось выявить аномально разогретые пункты, где температура на глубине 20 м превышает 9,5-10 0C. Наиболее вероятно, что зафиксированные аномалии температуры в приповерхностных горных породах полигона вызваны истечением нагретого газа из котловых полостей или зон подземной газификации.

A.D. Duchkov, D.E. Ayunov, M.E. Permyakov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS

Acad. Koptyug av. 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation

RESULTS OF THE TEMPERATURE FIELD INVESTIGATIONS IN OBSERVATIONS WELLS OF SEMIPALATINSK POLYGON

We present some results of temperature measurements held in observation boreholes within Semipalatinsk polygon (Balapan site) in 2009-2010. Measurements were conducted for the purpose of studying geothermal processes taking place in post-explosion cavities produced by underground nuclear explosions. Continuous temperature monitoring was organized in one borehole at different depth levels; temperature profiling was made in other boreholes. Data analysis allows us to make the following conclusions. First, for all points temperature at the depth of 20 m is higher (>8 0C) compared to the background temperature (6-7 0C) at the same depth. Second, we discovered places with anomalously high temperatures (9,5-10 0C at the depth of 20 m). Most likely these high temperatures within the pre-surface rock layer are caused by anomalously a gas transfer from post-explosion cavities or from underground gasification zones.

Значительная часть подземных ядерных взрывов (ПЯВ) проведена на территории бывшего Семипалатинского испытательного ядерного полигона (СИЯП) в скважинах, пробуренных в горных породах, содержащих углистые материалы. Высокие температуры (Т) привели к возникновению процесса подземной газификации горных пород. До настоящего времени этот процесс не затих. Наоборот, имеются признаки его активизации, что представляет реальную опасность внезапных выбросов подземного газа и выноса радиоактивных продуктов на дневную поверхность [1]. Для изучения и прогнозирования процессов, протекающих в котловых полостях ПЯВ, специалистами Института ядерной физики Национального ядерного центра Республики Казахстан разработан комплекс мероприятий, включающий и регулярные измерения температуры в наблюдательных скважинах, пробуренных на площадке Балапан вблизи «боевых» скважин. Всего здесь в 2009 г. пробурено 8 наблюдательных скважин глубиной 16-70 м, в которых нами проведены в 2009-2010 г. температурные измерения. В скв. 1010/1, пробуренной на приустьевой площадке скв. 1010, где отмечается значительный рост содержания окиси углерода в потоке газа из грунтов, что может являться косвенным признаком активизации процессов подземного горения горных пород, нами организован постоянный мониторинг температуры на нескольких глубинах. В других скважинах был выполнен термокаротаж. В данном сообщении обсуждаются результаты этих измерений.

Расположение «боевых» скважин показано на рис. 1 (скв. 1234 находится за контурами рисунка). Все они вскрыли четвертичные пески (мощность слоя около 10 м) и глубже - слой плотных малообводненных коричневых глин неогенового возраста. Все скважины обсажены, уровень грунтовых вод в них изменяется от 7 до 26 м.

Для мониторинга температуры была использовано устройство, состоящее из автономного цифрового измерителя температуры (АИТ) [2] и термокосы с восемью температурными датчиками (терморезисторы). Мониторинг начался

17.09.2009 г., когда термокоса была размещена в стволе скважины [3]. Два верхних датчика термокосы располагались практически на поверхности земли (для маскировки они перекрыты деревянным щитом и присыпаны землёй). Остальные 6 датчиков опущены в скважину на глубину 10, 20, 30, 40, 50 и 60 м, соответственно. Измеритель, помещенный в полиэтиленовый пакет, был замаскирован у устья скважины. Первоначально установлена частота опроса датчиков - раз в 3 часа. В таком режиме аппаратура проработала до 27.10.2009. По ряду причин мониторинг возобновился только 18.07.2010, тогда же период опроса увеличен до 1 раза в сутки. При посещении объекта в ноябре 2010 г. произведена смена питания и восстановлен прежний период опроса датчиков -1 раз в 3 часа.

с'О 01071 01066 #1267 • 357>1Д21 1 207 01222 _ 01*22 _ «227 01228 01410 О. >80 01224 > ^ д 0,203 °,0в3 |005° *1053 ом О1202 ?ГЛу6о«ОЯ О10, 1206 0,226 -ОМ Н1 107? 14 1087 в

р 1» к* !" 013? 1400 *131 3 01304 01328 01326 01220 01315 0,5,6 *6о*ов1о 0,323 01312 0,3|4 01 (П 4 пс< •1236°121 0.325 *1061 У . _ О1061 ЬиС /} 013.6 Ч/1 0.317 #1010 О1307 ° ‘ 3 Г 01309 о134, 1331о „ о '209 о 1232 » 1201 “'23? 1340 ' 01350 01352 О1205 01050 61 V 0,3,9 о1320 ОЮ54 \ о. 365 / 01219 °1”5 0.335 Г С с)3“ «1086 ) 0>«»о С'336Х1 ^_Л 77 1062., ^ / / 01348 01346 ^ [ с> / 9 ) У 1

1 1

Рис. 1. Расположение скважин разного назначения на площадке Балапан СИЯП.

Черными кружками обозначены «боевые» скважины, вблизи (~50 м) которых пробурены в 2009 г. наблюдательные скважины

Результаты мониторинга температуры в интервале 10-60 м приведены на рис. 2. Ряд наблюдений пока еще недостаточен для обоснованных выводов. Однако некоторые замечания все же можно сделать. Бросается в глаза, что в 2010 г. (сравниваются периоды с 18.09 по 23.10.) датчики в целом зарегистрировали более высокие температуры, при этом увеличился и геотермический градиент (Г). В конце сентября 2009 г. градиент в интервале 10-60 м составлял ~8 мК/м, а в 2010 г. он вырос до 12 мК/м. В 2009 г. заметный рост температуры показали датчики 1 и 2, размещенные на глубинах 10 и 20 м. В 2010 г. датчик 1 (расположен в сухой части скважины)_подтвердил этот тренд, а датчик 2 (расположен в воде) записал аномально высокую для этой глубины температуру - 9.3-9,60С. Наиболее вероятно, что этот датчик вышел из строя и требует замены. Вызывает недоумение аномалия температуры, зарегистрированная датчиком 5 (глубина 50 м) в июне-августе 2010 г. В максимуме аномалия превысила 10,80С. К концу августа 2010 г. Т на этой глубине уменьшилась до 8,6-8,80С и график датчика 5 занял первоначально положение между графиками датчиков 4 и 6. Пока неизвестно, что могло вызвать такое резкое возрастание температуры на локальной глубине. Мониторинг продолжается и возможно в дальнейшем нам удастся в этом разобраться.

Перейдем к рассмотрению результатов термокаротажа, который был выполнен 17-18.09. и 04.11. 2010 г. в наблюдательных скв. 1010/2, 1086/1, 1053/1, 1267/1, 1234 и 1061/1 площадки Балапан. Использовался переносный электротермометр, изготовленный в ИНГГ СО РАН. Шаг измерений составлял 2-5 м. Результаты измерений, а также некоторые сведения о скважинах приведены в таблице 1 и на рис. 3.

Число, месяц

Рис. 2. Результаты мониторинга температуры в скв. 1010/1 с 17.09.2009 г. по

04.11.2010 г. (с перерывом). Датчики 1-6 расположены на глубинах 10, 20, 30,

40, 50 и 60 м, соответственно

Перед анализом результатов следует отметить, что по имеющимся оценкам [4, 5], среднегодовая «фоновая» температура на подошве «нейтрального» слоя (примерно 20 м) в северной части Центрального Казахстана, где расположен полигон, составляет 6-70С. По нашим же данным температура на глубине 20 м в скважинах площадки Балапан заметно выше - в среднем ~90С при изменении от 8,30 до 10 0С. Соответственно можно сделать вывод о том, что выполненные измерения свидетельствуют об общей прогретости верхнего слоя горных пород в пределах изученной части полигона. В то же время, очевидно, что по температурному режиму исследованные скважины можно разделить на две группы: «холодные» и «горячие». Преобладают «холодные» скважины (1010/2, 1086/1, 1053/1, 1267/1). В них на глубине 20 м (подошва слоя годовых колебаний) температура пород составляет 8.1-8,7 0С, а геотермический градиент (Г) в интервале 30-70 м не превышает 14-15 мК/м (табл. 1). Такие очень низкие (фоновые) значения Г характерны для этого региона и на больших глубинах [5]. В этих условиях, судя по термокаротажу глубоких скважин, фоновая температура на глубине 500 м не поднимается выше 12-13 градусов [5].

В двух удаленных друг от друга «горячих» скважинах (1061/1 и 1234) зафиксированы более высокие температуры в верхнем слое горных пород - 9,510 0С на глубине 20 м. В этих скважинах температура быстрее нарастает с глубиной. Геотермический градиент здесь (в интервале 20-40 м) достигает 50-60 мК/м (табл. 1). При сохранении этого значении градиента и глубже можно ожидать, что в этих пунктах температура на глубине 500 м может достигать 4050 0С. Таким образом, термокаротаж наблюдательных скважин позволил выявить в пределах площадки Балапан аномально разогретые разрезы горных пород, которые требуют более тщательного изучения.

Таблица 1 Параметры изученных скважин и значения геотермического градиента по результатам термокаротажа 17.06. и 04.11.2010 г.

№№ п/п №№ скважины Глубина, м Уровень воды, м Интервал расчета Г, м Значение Г, мК/м 17.06. 04.11. 2010 г. 2010 г.

«Холодные» раз резы

1 1010/2 60 15 30-60 6 7

2 1086/1 70 15 40-70 15 -

3 1053/1 48 10,5 20-48 11 -

4 1267/1 49 26 30-49 4 6

«Г "орячие» разрезы

5 1234 39 18 20-38 51 -

6 1061/1 38,5 18 20-38 59 62

Примечание: Г - геотермический градиент.

Температура, °С

7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 II П.5

0 -(------1-------1-------1-------1_______I_______I________і_______і

Т2

Рис. 3. Результаты термокаротажа наблюдательных скважин площадки Балапан: графики 1-6 принадлежат скв. 1010/2, 1086/1, 1053/1, 1267/1, 1234 и 1061/1, соответственно. Измерения выполнены 17.06.2010 г.

Можно предположить, что причиной разогревания верхнего слоя горных пород может быть: 1) кондуктивная передача тепла из остывающих котловых полостей или очагов подземной газификации и 2) конвективный вынос тепла к поверхности из тех же очагов разогретыми газами. Проверить действие этих механизмов можно было бы, отмоделировав ситуации. Однако отсутствие информации об истории бурения и использования «боевых» скважин не позволяет это сделать достаточно детально. Для примерной оценки возможностей кондуктивного теплопереноса мы выполнили оценку распространения во времени и пространстве температуры от нагретой первоначально до 500 градусов сферы радиусом 50 метров. Принято, что среда, вмещающая разогретую сферу, находится при нулевой температуре, её

температуропроводность составляет Ы0-6 м2/с. При расчетах использованы математические решения из работы [6]. Расчеты показали, что ощутимый сигнал (десятые доли градуса) от остывающей сферы, располагающейся на глубине 200 м, появится у земной поверхности только через 40 лет. В этой связи, очевидно, что наблюдаемые аномалии температуры в скважинах площадки Балапан не могут быть обеспечены медленным кондуктивным теплопереносом. Наиболее вероятно, что зафиксированные разные по амплитуде аномалии температуры в приповерхностных горных породах могут вызваны подъемом нагретого газа (а может и флюида) из зоны подземной газификации. Этот процесс наиболее вероятен. Он достаточно подробно теоретически и экспериментально обоснован в работе [7] на примерах проявлений геотермальной активности в эпицентральных зонах ПЯВ Семипалатинского полигона.

Исследования поддержаны Интеграционным проектом СО РАН № 125 (2009-2011 гг.) «Изучение вариаций геотемпературного поля по данным непрерывного мониторинга температуры в скважинах и донных осадках».

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Айдарханов А.О., Дмитропавленко В.Н., Субботин С.Б., Лукашенко С.Н., Дучков А.Д., Казанцев С.А. Комплексное исследование температурных аномалий на территории бывшего Семипалатинского испытательного ядерного полигона [Текст] / А.О. Айдарханов // Ядерная и радиационная физика. Материалы 5-ой международной конференции, 26-29 сентября 2005 г. - Алматы. III том. Радиационная экология. Ядерно-физические методы в медицине и промышленности. - Алматы: ИЯФ НЯЦ РК, 2006. - С. 143-154.

2. Казанцев С.А., Дучков А.Д. Аппаратура и результаты мониторинга температуры геологических объектов [Текст] / С.А. Казанцев // Тепловое поле земли и методы его изучения. Сборник научных трудов. Отв. Ред. Ю.А. Попов. -М.: РГГРУ, 2008. - С. 102-107.

3. Дучков А.Д., Казанцев С.А., Аюнов Д.Е., Пермяков М.Е., Субботин С.Б.

Результаты измерения температуры в наблюдательных скважинах площадки «Балапан» [Текст] / А.Д. Дучков // Семипалатинский испытательный полигон. Радиационное наследие и перспективы развития: Материалы IV

Международной конференции. Институт радиационной безопасности и экологии НЯЦ РК. 25-27 августа 2010 г. - Курчатов. Павлодар: ТОО «Дом печати», 2010. - С. 112-113.

4. Гидрогеотермический атлас СССР (зона активного водообмена) [Карты] / Ред. Н.М. Фролов / Ленинград: Мингео СССР, 1983.

5. Хуторской М.Д. Геотермия Центрально-Азиатского складчатого пояса [Текст] / М.Д. Хуторской // М.: Изд-во РУДН, 1996. - 289 с.

6. Ингерсолл Л.Р., Зобель О.Д., Ингерсол А.К. Теплопроводность, её применение в технике и геологии [Текст] / Л.Р. Ингерсолл // М.-Л.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1959. - 259 с.

7. Бусыгин В.П., Андреев А.И., Косолапов С.А. Термический режим дневной поверхности в эпицентральной зоне подземных ядерных взрывов [Текст] / В.П. Бусыгин // Физика Земли. - 1999. - №11. - С.68-74.

© А.Д. Дучков, Д.Е. Аюнов, М.Е. Пермяков, 2011