Мониторинг температуры в скважине обсерватории «Талая» (южное побережье оз. Байкал)

Пермяков Михаил Евгеньевич; Дучков Альберт Дмитриевич; Демежко Дмитрий Юрьевич; Казанцев Сергей Алексеевич

МОНИТОРИНГ ТЕМПЕРАТУРЫ В СКВАЖИНЕ ОБСЕРВАТОРИИ «ТАЛАЯ» (ЮЖНОЕ ПОБЕРЕЖЬЕ ОЗ. БАЙКАЛ)

Михаил Евгеньевич Пермяков

ФГБУН Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук,

тел. (383)330-25-91, e-mail: PermyakovME@ipgg.sbras.ru Альберт Дмитриевич Дучков

ФГБУН Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3, доктор геологоминералогических наук, тел. (383)330-25-91, e-mail: DuchkovAD@ipgg.sbras.ru

Дмитрий Юрьевич Демежко

ФГБУН Институт геофизики им. Ю. П. Булашевича УрО РАН, 620016, Россия, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 100, доктор геолого-минералогических наук, тел. (343)267-88-68,

e-mail: ddem54@inbox.ru Сергей Алексеевич Казанцев

ФГБУН Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук,

тел. (383) 330-25-91, e-mail: KazantsevSA@ipgg.sbras.ru

Представлены результаты температурного мониторинга в глубокой (109 м) скважине на обсерватории «Талая». Для регистрации данных использовался разработанный в ИНГГ СО РАН автономный измеритель температуры нового поколения, позволяющий измерять температуру с высокой разрешающей способностью (около 210- °C) и низким уровнем аппаратного «шума». Основной особенностью температурного поля в исследуемой скважине является отрицательный температурный градиент на глубине от 20 метров и ниже. Расчеты показали, что наблюдаемое распределение температуры препятствует формированию свободной тепловой конвекции в скважине. Это, как и стабильная работа аппаратуры, создает благоприятные условия для регистрации в процессе мониторинга незначительных аномалий температуры, возможно связанных с сейсмотектоническими событиями.

Ключевые слова: мониторинг температуры в скважине, автономный измеритель температуры, косейсмические вариации температуры.

TEMPERATURE MONITORING IN BOREHOLE «TALAYA»

(SOUTHERN COAST OF LAKE BAIKAL)

Mikhail E. Permyakov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk,

3, Koptyug av., PhD, tel. (383)330-25-91, e-mail: PermyakovME@ipgg.sbras.ru

Albert D. Duchkov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia,

Novosibirsk,

3, Koptyug av., Sc.D., tel. (383)330-25-91, e-mail: DuchkovAD@ipgg.sbras.ru Dmitriy Yu. Demezhko

Bulashevitch Institute of Geophysics UrB RAS, 620016, Russia, Ekaterinburg, 100, Amundsen str., Sc.D., tel. (343)267-88-68, e-mail: ddem54@inbox.ru

Sergey A. Kazantsev

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia,

Novosibirsk,

3, Koptyug av., PhD, tel. (383)330-25-91, e-mail: KazantsevSA@ipgg.sbras.ru

The results of temperature monitoring in 109 m depth borehole located at Talaya observatory are presented here. We used specially developed in IPGG SB RAS standalone temperature logger of new generation to obtain the data, which allows measuring the temperature with high resolution

о

of approx. 210- °C and low-level hardware "noise". The main feature of the temperature field in the studied well is a negative temperature gradient at a depth of 20 meters and below. Calculations have shown that the observed distribution of temperature prevents the formation of free thermal convection in the borehole. Absence of convection and stable operation of the equipment provide favorable conditions for registration of minor temperature anomalies possibly related to seismotectonic events.

Key words: temperature monitoring in borehole, standalone temperature logger, co-seismic temperature variations.

Длительные измерения температуры в скважинах уже давно входят в комплекс методов, применяющихся в прогностических целях в сейсмоактивных районах. В 2009 г. нами организован мониторинг температуры (Т) в скважине, расположенной на территории обсерватории Талая (южное побережье оз. Байкал, скважина «Талая») [1]. Целью наблюдений является изучение связи температурного поля с эволюцией сейсмического процесса в этом сейсмоактивном регионе. Скважина пробурена в массиве мраморов еще в прошлом столетии. Она обсажена только в верхней части. Глубина скважины - 109 м, диаметр порядка 0,1 м, уровень грунтовых вод - 1,5 м ниже поверхности земли. Зимой в устье скважины возникает ледяная пробка (обычно она образуется в конце декабря, а исчезает в конце июля следующего года). Привлекает внимание необычный вид распределения температуры по скважине (рис. 1).

Пока не находит объяснения уменьшение температуры в скважине от 20-30 м до забоя. При этом геотермический градиент изменяется от ±10 мК/м до 0. Выполненные ранее расчеты показали, что подобное изменение температуры может быть связано с распространением вглубь длиннопериодной климатической температурной волны и прогреванием ею верхнего (более 100 м) слоя пород [1].

В данной работе мы хотели обратить внимание на то, что низкие значения геотермического градиента препятствуют развитию свободной конвекции в воде, заполняющей скважину. Критический градиент (Gc), определяющий

возникновение свободной тепловой конвекции, можно примерно оценить по формуле [2, 3]: Ос = (В^-а)/^-ат4) , где g - ускорение свободного падения, а - коэффициент объемного температурного расширения, V - кинематическая вязкость, а - температуропроводность, г - радиус скважины, и В -специфическая константа равная 216 при существующем соотношении между длиной и диаметром скважины.

Рис. 1. Распределение температуры (а) и геотермического градиента (б) в скважине с/с Талая по данным мониторинга [1]

При низких значениях температур в скважине «Талая» (2,7-3,3°С) коэффициент объемного температурного расширения принимает отрицательные значения (-2,1^-1,1)40-5. В этих условиях свободная тепловая конвекция может возникнуть лишь при отрицательных температурных градиентах. Область отрицательных градиентов наблюдается в интервале 30-70 м и составляет в среднем -0,01 К/м. Критические значения градиента для скважины (при г = 0,05 м, V = 1,63 • 10-6 м2/с, а = 1,32^ 10-7 м2/с) в диапазоне температур 2,7-3,3°С равны Ос= -0.05^-0,09 К/м. Таким образом, условий для возникновения конвекции нет.

Регистрирующая аппаратура, при помощи которой мы осуществляем мониторинг, состоит из термокосы и автономного измерителя температуры. В период наблюдений аппаратура неоднократно совершенствовалась. В настоящее время в скважине размещена термокоса длиной 109 м. Она включает 12 терморезисторных датчиков, расположенных через 10 м (верхний датчик расположен на поверхности земли, а последний на глубине 109 м). С мая 2013 г. запись сопротивлений термодатчиков осуществляется автономным измерителем температуры (АИТ) новой модификации [4],

разработанным и изготовленным в ИНГГ СО РАН. АИТ размещается в неотапливаемой будке, закрывающей устье скважины. Измеритель опрашивает датчики 8 раз в сутки, запоминает и хранит информацию в энергонезависимой памяти объёмом около 30 тысяч измерений.

Для характеристики работы измерительной аппаратуры на рис. 2 приведены фрагменты записи температуры датчиками, размещенными на глубинах 69, 89 и 99 м в июне 2013 г. Стабильная работа аппаратуры наблюдается на протяжении всей записи. Аппаратурный «шум» за пределами аномалии не превышает 0,001-0,002 0С, что связано не только с качественной работой измерителя, но и с отсутствием свободной конвекции в скважине. Подобная качественная работа аппаратуры создает благоприятные условия для фиксирования незначительных внешних аномалий температуры. Такая аномалия записана большинством каналов 2-6 июня 2013 г.

Рис. 2. Скважина обсерватории «Талая». Запись температуры датчиками, расположенными на глубине 69, 89 и 99 м с 30 мая по 15 июня 2013 г. Вертикальная линия - землетрясение в оз. Байкал (М=3-3.2)

Снижение температуры на 0,004-0,007 0С было зафиксировано 02.11.2013 одновременно всеми датчиками, расположенным на глубинах 39-99 м (на рис. 2 показаны записи только по трем каналам). 6 ноября температура восстановилась скачком. На следующий день сейсмостанции зафиксировали два небольших землетрясения (М=3-3,2) в Байкальской впадине в 15 км от скважины. Температурная аномалия может быть связана с сопутствующим землетрясению движением воды в водоносных горизонтах вскрываемых

скважиной. Наличие ледяной пробки препятствовало смещению водного столба в стволе скважины.

Нельзя с определенностью связывать записанные изменения температуры с последующими сейсмическими событиями. Однако, стабильная, практически «бесшумная» работа аппаратуры позволяют надеяться на выявление в дальнейшем температурных аномалий, связанных с тектоническими событиями в рифтовой зоне.

Реакция температурного поля на деформационные процессы в период подготовки и реализации сейсмического события определяется соотношением магнитуды M и расстояния от скважины до эпицентра R (км). Анализ большого статистического материала, полученного в результате температурного мониторинга на о. Кунашир, показал, что заметной температурной реакции следует ожидать, если выполняется соотношение M lg R >2.5 [5]. Для байкальского землетрясения 3,3/lg(15) = 2.8 это условие, казалось бы, выполняется. Однако отсутствие косейсмической реакции на землетрясение не позволяет однозначно идентифицировать снижение температуры 2-6 июня 2013 г как предвестник.

Возможно, косейсмическая реакция на сейсмическое событие малой магнитуды оказалась слишком непродолжительной и при трехчасовом интервале измерений была пропущена.

Исследования поддержаны интеграционным проектом СО РАН № 45 (20122014 гг.), интеграционным проектом УрО РАН №12-C-5-1023 (2012-2014) и интеграционным проектом РАН №4.1 (2012-2014 гг.).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пермяков М.Е., Дучков А.Д., Демежко Д.Ю., Казанцев С.А. Результаты изучения геотемпературного поля в скважине обсерватории "Талая" (южное побережье оз.Байкал) // ГЕ0-Сибирь-2011. Т. 2. Недропользование. Горное дело. Новые направления и технология поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Ч. 1: Сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса. - Новосибирск: СГГА, 2011. - С. 27-31

2. Diment W.H. Thermal regime of a large diameter borehole: instability of the water column and comparison of air- and water-filled conditions. Geophysics, 1967, 32:720-726

3. Демежко Д.Ю., Юрков А.К., Уткин В.И., Климшин А.В. О природе температурных вариаций в скважине KUN-1 (о. Кунашир) // Геология и геофизика, 2012a, т.53, № 3, с. 406-414

4. Казанцев С.А., Пермяков М.Е., Дучков А.Д. Устройство для оперативного температурного мониторинга // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр., 15-26 апреля 2013 г., Новосибирск: Междунар. научн. Конф. «Недропользование. Горное дело. Новые направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология»: сб. материалов в 3 т. Т. 2. -Новосибирск: СГГА, 2013. - С. 203-207.

5. Демежко Д. Ю., Юрков А. К., Уткин В. И., Щапов В. А. Температурные изменения в скважине kun-1 (о. Кунашир), вызванные землетрясением Тохоку (11.03.2011 г., M = 9.0) // Доклады академии наук, 2012b, Т.445, №2, с. 200-204.

TEMPERATURE MONITORING IN BOREHOLE «TALAYA» (SOUTHERN COAST OF LAKE BAIKAL)

Текст научной работы на тему «Мониторинг температуры в скважине обсерватории «Талая» (южное побережье оз. Байкал)»