Совершенствование теоретических основ и методики геотемпературных исследований при мониторинге геологической среды

Подземное захоронение жидких радиоактивных отходов (ЖРО) в настоящий момент является наиболее экологически и экономически выгодным способом их изоляции от среды обитания человека. Одной из важных и обязательных составляющих технологии подземного захоронения ЖРО является организация системы геотехнологического мониторинга за санитарным состоянием геологической среды.

Подземное хранилище ЖРО представляет собой сложный геологический объект, физико-геологические свойства которого обусловлены рядом внешних и внутренних факторов. Необходимость изучения этих свойств и динамики их изменений, происходящих в пласте-коллекторе, вмещающем ЖРО, предусматривает выполнение сложного комплекса технических, геолого-гидрогеохимических и геофизических исследований, представляющих собой в совокупности систему геотехнологического мониторинга за процессом подземного захоронения радиоактивных отходов.

Совершенствование и повышение точности существующей системы геотехнологического мониторинга является актуальной многоплановой задачей, успешное решение которой обеспечивает повышение экологической безопасности технологических процессов подземного захоронения ЖРО. Среди методов разведочной геофизики, применяемых в комплексе геотехнологического мониторинга, особое место занимают методы изучения температурного поля в геологической среде (геотемпературное поле), поскольку пространственная структура аномальных температурных полей формируется, наряду с прочим, теплом, выделяющимся вследствие распада компонентов ЖРО, а также теплом, обусловленным конвективными фильтрационными потоками, возникающими в процессе нагнетания растворов ЖРО в проницаемый пласт.

Актуальность темы

.

В процессе эксплуатации крупнейшего в России промышленного полигона подземного захоронения жидких радиоактивных отходов, расположенного на территории предприятия ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) — ОАО «СХК» (Сибирский химический комбинат, Томская область), начиная с 1958 г. и по настоящее время, накоплен большой объем уникальных данных комплексных скважинных геолого-геофизических исследований. Обобщение, комплексная обработка и интерпретацияполученной на СХК геолого-геофизической'информации позволяют выработать новые методики и подходы в изучении' пространственно-временного распределения естественных и техногенных температурных полей в геологической среде, и, тем самым, повысить эффективность геотехнологического мониторинга. Цель работы.

Разработка теоретических положений и практических рекомендаций по совершенствованию методики гидрогеотермических исследований на основе геолого-математического моделирования. Задачи исследований.

• Определить на основе обобщения и анализа результатов гидрогеотермических и других геофизических методов исследований скважин, факторы естественного и техногенного происхождения, искажающие фоновое геотемпературное поле;

• Разработать методику расчета аномальных температурных полей, возникающих в процессе подземного захоронения ЖРО, с последующим решением обратной задачи по определению пространственной конфигурации тепловых источников;

• Разработать методические рекомендации, направленные на повышение эффективности интерпретации аномалий геотемпературных полей. Научная новизна работы.

Впервые проведено обобщение и комплексная интерпретация результатов гидрогеотермических измерений, выполненных в краевой части осадочного чехла Западно-Сибирского артезианского бассейна в пределах области разгрузки регионального потока фильтрации, на базе новых подходов по изучению параметров пространственно-временного распределения естественных и техногенных аномальных геотемпературных полей, включающих в себя следующее:

• теоретическую разработку методики учета и определение комплекса искажающих факторов естественного геотемпературного поля и его пространственных производныхразработку способов повышения точности интерпретации результатов скважинных гидрогеотермических измерений и определения значений высших пространственных производных геотемпературного поля в осадочном разрезе с учетом искажающего воздействия естественных литологических, палеоклиматиче-ских, гидрогеологических и ландшафтно-климатических температурных факторов;

• постановку и решение обратной задачи теплопроводности применительно к определению параметров пространственной конфигурации самораспадающегося сорбируемого тепловыделяющего компонента, внедренного в поровое пространство геологической среды по наблюдаемой динамике аномального температурного поля. Практическая значимость работы.

• В процессе исследований разработаны и практически опробованы на примере полигона подземного захоронения ЖРО СХК новые методы геолого-геофизической интерпретации гидрогеотермических данных, полученных в рамках геотехнологического мониторинга геологической среды;

• Разработана методика, направленная на определение параметров пространственной конфигурации тепловыделяющих радионуклидов вокруг нагнетательных скважин полигона, что позволяет обосновывать радиационную безопасность персонала при планировании и организации бурения новых скважин в интервалы насыщения фильтратом ЖРО;

• Предложенные в настоящей работе методы расчета аномальных температурных полей используются для прогнозных и эпигнозных расчетов аномального теплового разогрева геологической среды в рамках регламентного обеспечения безопасности процесса подземного захоронения жидких технологических радиоактивных отходов радиохимического завода (РХЗ) Сибирского химического комбината;

• Результаты исследований могут быть также востребованы при проектировании, сооружении и эксплуатации новых полигонов подземного захоронения промышленных стоков вблизи экологически опасных предприятий различного отраслевого назначения.

На защиту выносятся:

• методика учета температурных возмущений от комплекса искажающих факторов естественного геотемпературного поля в верхней части разреза осадочных бассейнов;

• рекомендации по комплексированию методов: ГИС, гидрогеологии, гидрогеохимии и климатологии, необходимых для информационного сопровождения гидрогеотермических измерений в рамках мониторинга геологической среды;

• результаты решения обратной задачи теплопроводности для определения по наблюдаемой динамике параметров аномального температурного поля пространственной конфигурации самораспадающегося сорбируемого тепловыделяющего компонента, внедренного в проницаемое пространство геологической среды.

Теоретическая и методологическая база исследования.

При выполнении работы автор опирался на теоретические подходы по математическому моделированию нестационарных температурных полей и температурных фазовых переходов, изложенные в трудах: Рубинштейна Л. И., Фролова Н. М., Череменского Г. А., Чекалюка Э. Б., Тихонова А. Н., Самарского А. А., Ершова Э. Д. и др. В рассмотрении вопросов, связанных с петрофизическими свойствами пород, автор использовал методы и зависимости,' изложенные в научных работах: Дортман Н. Б., Дахнова В. Н., Вен-делыптейна Б. Ю., Добрынина В. М. Кожевникова Д. А., Кобрановой В. Н.

Личный вклад автора.

На всех этапах выполнения научных исследований, включенных в диссертацию, автор являлся исполнителем теоретических и экспериментальных исследований и принимал непосредственное участие при получении исходных геолого-геофизических данных и их обработке.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на следующих симпозиумах и конференциях: на научно-практической конференции молодых специалистов и аспирантов «Молодежь ЯТЦ: Наука и производство», (г. Се-верск, 2007 г.) — на ХП-ом международном научном симпозиуме имени академика М. А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2008 г.) — на отраслевой научно-практической конференции «Молодежь ЯТЦ: Наука, производство, экологическая безопасность», (г. Северск, 2008 г.) — на 7-ой международной научно-технической конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов», (г. Красноярск, 2009 г.) — на отраслевой научно-практической конференции молодых специалистов и аспирантов «Молодежь ЯТЦ: наука, производство, экологическая безопасность» (г. Железногорск, Красноярский край, 2009 г.).

Публикации.

Основные материалы работы опубликованы в виде двух статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, а также в 6 тезисах докладов на международных симпозиумах и научно-практических конференциях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из: введения, 4 глав, заключения, списка цитируемой литературы. Материал работы изложен на 146 страницах, включая 7 таблиц, содержит 31 рисунок и список литературных источников из 78 наименований.

Благодарности.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность своему научному руководителю — доктору геолого-минералогических наук, профессору Л. Я. Ерофееву за чуткое руководство и внимательное отношение в период работы над диссертацией.

Также автор выражает искреннюю благодарность руководству и коллективу лаборатории геотехнологического мониторинга Сибирского химического комбината за ценные советы, предоставленные материалы и оборудование, а также за неоценимую помощь в написании диссертации: А. А. Зуб-кову, В. Е. Раззамазову, В. А. Сухорукову, В. П. Иваненко, Н. Т. Сухоруко-вой, О. В. Макаровой, В. В. Данилову, А. В. Цыгеру, В. Ф. Аникину, А. И. Зыкову, Е. А. Редькину и др.

Автор благодарит руководство и производственный персонал цеха 4 радиохимического завода СХК, а также коллектив филиала Гидрогеологической экспедиции № 25 ФГУГП «Гидроспецгеология» за их добросовестный повседневный труд, связанный с задачами эксплуатации, создания и расширения скважинной сети полигона подземного захоронения ЖРО СХК, благодаря чему были получены уникальные геолого-геофизические данные, изложенные в диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе рассмотрена совокупность основных факторов, искажающих геотемпературное поле верхней части разреза. Разработаны методические рекомендации, заключающиеся в следующем — для существенного повышения результативности интерпретации и точности .при изучении аномалий геотемпературного поля и его вертикальных пространственных производных первого и второго порядка, актуален обязательный учет комплекса дополнительной геолого-геофизической информации:

• вертикального распределения в разрезе величины удельной мощности теплогенерации, в первую очередь связанного с содержанием ЕРЭ в осадочных породах;

• данных по динамике осадконакопления в исследуемом районе;

• данных детального палеоклиматического исследования динамики приповерхностной температуры за последний плейстоцеп-голоценовый цикл оледенения (123 тыс. л.), с расчетом глубины промерзания и времени оттаивания криогенной толщи в изучаемом разрезе;

• вертикального распределения неоднородностей и интегрального значения теплопроводности, а также вертикального распределения и температурной зависимости для других теплофизических характеристик пород осадочного разреза;

• данных по поверхностным условиям: участки аномалий средних годовых приповерхностных температур, карты пространственного распределения суммарного снегонакопления, значения температурных параметров крупных естественных и антропогенных нарушений естественных ландшафтов, результаты изучения хронологии формирования неоднородностей ландшафта естественного и антропогенного происхождения в голоцене;

• данных: картирования гидрогеодинамического поля в разрезе исследуемого района, изучения как горизонтальных градиентов напора подземных вод в проницаемых интервалах разреза, так и вертикальных градиентов напора подземных вод для оценки направлений и абсолютных значений скорости межпластового перетекания в областях питания и разгрузки регионального потока фильтрации;

• данных гидрогеохимических исследований по определению пространственной зональности компонентов химического и изотопного состава подземных вод исследуемого разреза.

Выполнение и учет всех перечисленных выше условий, позволит вывести гидрогеотермические исследования на принципиально новый уровень, и при максимально полной дополнительной информации даст возможность для определения и уточнения новых данных, а именно:

• параметров динамики средней многолетней приповерхностной палео-температуры от последнего цикла оледенения;

• амплитуды плейстоцен-голоценового потепления;

• момента времени палеоклиматического перехода от плейстоцена к голоцену;

• времени продолжительности деградации плейстоценовой криогенной толщи, а также длительности существования гидрогеотермического режима современного типа в изучаемом разрезе;

• параметров функции вертикального распределения теплогенерирую-щих источников в изучаемом разрезе;

• оценки разобщенности водоносных горизонтов и скоростей межпластового перетекания.

Гидрогеотермические исследования должны обязательно сопровождаться как комплексом наземных климатологических исследований: картирование средних годовых приповерхностных температур, снегомерная съемка, метеорологические наблюдения, так и комплексом методов ГИС: методами определения теплофизических характеристик пород (п. 2.1.4), методами определения удельной теплогенерации в разрезе (гамма-спектрометрический метод), методами по определению проницаемости пород (п. 2.2), а также комплексом методов ГИС для оценки технического состояния скважин.

В работе выполнен расчет значений второй вертикальной производной геотемпературного поля по коэффициенту трендовой зависимости второго порядка. Как показано в п. 3.9, представленная точность исследований значений —5- достигнута, в среднем, на уровне За = ±2−10−5 К/м2 и не является д2 вполне достаточной. Подобная точность получена путем применения современных цифровых высокоточных скважинных термометров и соответствующей регистрирующей аппаратуры. Для численного расчета второй производной температурного поля становится важно не только аппаратурное обеспечение высокой стабильности регистрируемых абсолютных значений температуры и коэффициента преобразования скважинных термометров, но также и выполнение специальных конструктивных условий по поддержанию строго постоянной линейности выходного сигнала термометра. Применение для исследований новейших высоко стабильных цифровых термометров, регистрация температуры в специальных геофизических скважинах, в комплексе с максимальным снижением инерционности и скорости записи в стволе скважины способны обеспечить выход на уровень погрешности определения значений равный ±1−10″ К/м и вывести гидрогеотермические исследования на принципиально новый качественный уровень, позволяя решать различные задачи из области геотермии, петрофизики, гидрогеологии и палеоклиматологии. Повышение точности измерений геотемпературного поля и его пространственных производных обязательно должно сопровождаться еще и дополнительными исследованиями по количественной оценке степени влияния скважинных условий на регистрацию значений температурного поля: скорость записи, влияние обсадной колонны, микроциркуляция скважинной жидкости, частота выполнения внутрискважинных операций, возмущающих температурное поле (откачка, каротаж). Если раньше, по мнению некоторых авторов [59], считалось, что обсадная колонна скважины фактически не искажает температурное поле, то при достигнутой современной точности измерений и высоком пространственном разрешении каротажных термограмм эта точка зрения должна быть подвергнута тщательной теоретической и экспериментальной проверке. Таким образом, в этой связи, становятся актуальными новые исследования по количественной оценке искажающего влияния скважинных условий на процесс регистрации температурного поля.

В работе выполнено решение обратной геофизической задачи (гл.4) по определению пространственной конфигурации тепловыделяющих компонентов в геологической среде, основанное на мониторинге временной динамики параметров аномального техногенного геотемпературного поля. Наряду с полигоном подземного захоронения ЖРО СХК, где аномальные температурные поля возле некоторых выведенных из эксплуатации нагнетательных скважин проходят стадию максимального разогрева, подобные исследования по определению значений коэффициентов межфазного распределения основных тепловыделяющих радионуклидов возможны также и на аналогичном по назначению полигоне захоронения ЖРО «Северный» Горно-химического комбината (ГХК), г. Железногорск, Красноярский край. Определение методом скважинной термометрии в пластовых условиях средних коэффициентов межфазного распределения радионуклидов в геологической среде позволит существенно повысить достоверность прогнозных расчетов по долговременной динамике аномальных температурных полей разогрева геологической среды на полигонах подземного захоронения ЖРО, а также даст возможность надежно обосновать регламентные ограничения на максимальные значения суммарной^{-активности} компонентов ЖРО, что является гарантией предотвращения в будущем развития аварийных геотехнологических процессов в пласте-коллекторе, вмещающем ЖРО.