УДК 551.23:519.246.8
АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОЛЕБАНИЙ ДАВЛЕНИЯ ПАРОВОДЯНОЙ СМЕСИ В ВЕРХНЕ-МУТНОВСКОЙ
ГИДРОТЕРМАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ © 2013 г. В. Н. Компаниченко, К. В. Шлюфман
Институт комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН 679016 Биробиджан, ул. Шолом Алейхема, 4, e-mail: kompanv@yandex.ru Поступила в редакцию 12.01.2012 г.
Для получения амплитудно-частотной характеристики давления пароводяной смеси в Верхне-Мут-новской гидротермальной системе математическими методами прямого спектрального анализа исследована база данных по мониторингу скважины № 30 за 2004 год (глубина фиксирования давления 950 м, интервал между замерами 2 мин, всего около 250 000 определений). Выявлена крупномасштабная и мелкомасштабная изменчивость давления. Крупномасштабная соответствует низкочастотной составляющей динамики и проявляется в виде макрофлуктуаций со значительными (до 2 бар) резкими или плавными изменениями давления. Мелкомасштабная изменчивость представлена как нерегулярными, так и регулярными колебаниями. В ее рамках можно выделить среднечастотную и высокочастотную составляющие. Среднечастотная составляющая соответствует плавным флуктуациям с периодами около 20 мин (частота 0.00083 Гц), максимальное изменение давления между замерами составляет 0.7 бар. Высокочастотная составляющая представлена резкими изменениями значений давления (снижение, повышение и выбросы), а также флуктуаций с периодами менее 5 мин.
Б01: 10.7868/80203030613050027
ВВЕДЕНИЕ
На Мутновском геотермальном месторождении в течение ряда лет осуществляется мониторинг давления пароводяной смеси в скважинах. На Дачном участке месторождения режимные наблюдения проводятся в скв. № 12, а на Верхне-Мутновском — в скв. № 30. Обобщенное рассмотрение динамик давления в различные периоды наблюдений, ее сопоставление с газогидрохимическими и сейсмическими процессами, уточнение на ее основе оценки эксплуатационных ресурсов месторождения, а также приложение к гидротермальному сценарию зарождения биосферы сделано в целом ряде работ [Кирюхин и др., 2002; Кирюхин и др., 2006; Фишман и др., 2007; Шлюфман и др., 2008; КотрашсИепко й а1., 2007]. Визуальный анализ динамик показывает наличие отчетливых колебаний, которые имеют сложный характер в результате совмещения нерегулярных и относительно регулярных изменений давления. Предварительный анализ флуктуаций давления в скв. № 12 был сделан в [Шлюфман и др., 2008]. Данная работа посвящена более детальной характеристике колебаний давления в скв. № 30, представляющей Верхне-Мутновский участок месторождения. Результаты работы могут
быть использованы также в рамках научного направления, связанного с изучением гидротермальных систем Камчатки как природного полигона для разработки сценария зарождения биосферы в высокотемпературной среде [КотрашсИепко е! а1., 2007; КотрашсИепко, Кагроу 2010].
1. ХАРАКТЕРИСТИКА МУТНОВСКОГО
ГЕОТЕРМАЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ И МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ФЛЮИДА
Мутновское геотермальное месторождение располагается в 70 км к юго-западу от Петропавловска-Камчатского. К нему примыкают два действующих вулкана: с юга — Мутновский, с запада — Горелый. Само месторождение находится в пределах активной трещинной зоны, сообщающейся с системой магматических каналов, питающих Мутновский вулкан. В этой связи вулканическая и сейсмическая активность вулкана может оказывать непосредственное влияние на характер флуктуаций в Мутновской гидротермальной системе. Схема Мут-новского геотермального месторождения изображена на рис. 1. Месторождение состоит из двух участков — Верхне-Мутновского и Дачного, на каждом из которых действуют геотермальные
51
4*
26000
25000 -
24000 -
23000
22000 -
21000 44000
45000
46000
47000
48000
49000
Рис. 1. Схема Мутновского геотермального месторождения по [Кирюхин и др., 2006].
1 — скважина мониторинга давления; 2 — эксплуатационная скважина; 3 — скважина инжекции отработанного теплоносителя; 4 — изотерма.
электростанции. Всего на месторождении пробурено 95 скважин с глубиной до 2.5 км. Треть из них составляют продуктивные скважины, в устье которых фиксируется высокое давление (до 40 атмосфер) и температура до 240°С пароводяной смеси.
Скв. № 30 находится в центральной части Верхне-Мутновского участка, в 11.5 км от активной воронки кратера вулкана Мутновский и в 8 км от кальдеры вулкана Горелый. Скважина вскрывает две зоны повышенной проницаемости: первую — на глубине 825 м (температура 217—228°С), вторую — на глубине 950 м (231—233°С). В течение последних нескольких лет давление в скважине на глубине 950 м сохраняется на уровне 26—28 бар [Кирюхин и др., 2006]. В устье скважины давление составляет 2 бара, температура — 120°С.
Измерения давления в двухфазном (вода + пар) вододоминирующем геотермальном резервуаре Верхне-Мутновского участка проводились в Ин-
ституте вулканологии и сейсмологии (ИВиС) ДВО РАН с 1995 по 2006 гг. [Кирюхин, 2006]. Давление в скв. № 30 измерялось с использованием системы "капиллярная трубка" производства Pruett Inc. (США), установленной на глубине 950 м (абсолютная отметка 183 м). Сама измерительная капиллярная трубка длиной 1.5 км и диаметром 3.2 мм сделана из нержавеющей стали. На конце трубки, опущенной в скважину, находится камера (длиной 3 м) и централизатор. Регистрация давления производилась на глубине 950 м каждые 2 мин, и результат записывался на магнитный диск. Технология эксплуатации системы "капиллярная трубка" предусматривает периодические прокачки системы гелием, один раз в 2—3 недели. Моменты прокачек фиксируются кратковременным (до 30 мин) повышением давления в системе в соответствующие периоды времени [Кирюхин и др., 2002].
2. МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО
ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИНАМИКИ ДАВЛЕНИЯ ФЛЮИДА
С помощью методов спектрального анализа в сочетании с визуальным был изучен характер динамики изменения давления пароводяной смеси по данным мониторинга давления за 2004 г. (всего 251961 замер) (данные предоставлены А.В. Ки-рюхиным (ИВиС ДВО РАН)). Методы спектрального анализа позволяют получать представление о характеристиках исследуемой динамики в частотной области в тех случаях, когда во временной области это сделать затруднительно. Из методов спектрального анализа была использована периодограмма Шустера. Она относится к методам прямого спектрального оценивания и позволяет получать амплитудно-частотные характеристики исследуемой динамики непосредственно по данным наблюдений.
На обзорных фрагментах динамика давления имеет вид полосы шириной около 1 бара, образованной флуктуациями с небольшими периодами (рис. 2). Каждый из приведенных четырех фрагментов представляет 25-дневный период наблюдений; в сумме они охватывают примерно 30% всего интервала наблюдений. Как видно на рисунке, данная полоса может плавно изгибаться или резко смещаться в другой диапазон значений давления. Визуально изменчивость давления можно подразделить на мелкомасштабные изменения, к которым отнесены флуктуации значений давления, ограниченные макроскопически наблюдаемой полосой, и крупномасштабные изменения, фиксируемые плавным или резким смещением самой полосы.
На рис. 3 приведены локальные фрагменты динамики давления, охватывающие 4-х часовые интервалы наблюдений, и показано их место в более крупных фрагментах. Они позволяют визуально оценить периоды флуктуаций давления в рамках мелкомасштабной изменчивости.
На рисунках 2 и 3 видно, что периоды немного варьируют около значения 20 мин. При этом как плавные, так и резкие изменения тренда (крупномасштабная изменчивость) не влияют на их величину.
(а)
30
06.10
30
& а
ю
28
о
Я
о
«26
а Да
11.10 16.10 21.10 26.10 Дата (2004 г.)
24-
15.03
30
&
ю 28
5 26
20.03 25.03 30.03 04.04 09.04 Дата (2004 г.) (б)
_ т^Ип № ™
24
18.07 23.07 28.07 02.08 07.08 12.08
30
&
Дата (2004 г.)
- 28
КГ Яр
а Да
24
26.10 31.10 05.11 10.11 15.11 20.11 Дата (2004 г.)
Рис. 2. Фрагменты динамики давления пароводяной смеси в скв. № 30.
3. ХАРАКТЕРИСТИКА ЧАСТОТНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ДИНАМИКИ ДАВЛЕНИЯ ФЛЮИДА
Рассмотрим еще несколько типичных фрагментов динамики давления и приведем для них периодограммы Шустера. Каждый фрагмент включает по 200 замеров давления и имеет продолжительность 6 ч 40 мин. На рис. 4а показан фраг-
мент наиболее регулярных флуктуаций давления, представляющих мелкомасштабную изменчивость. Это близкие к гармоническим колебания давления с практически неизменной амплитудой и периодом. При этом не меняется и уровень, относительно которого происходят флуктуации, т.е. отсутствует тренд, относимый нами к длиннопери-одным флуктуациям, представляющим крупномасштабную изменчивость. На периодограмме
30 ь
(а)
(а)
л
б 28 " ¡26 -
а
24 09.04
а 28
а
ю о'
и 27
о ч <ч
а
Ч 26
_I_I_I_I_I_I.
0 20 40 60 80 100 120
30
л
ю28
5 26
24
Номер замера (б)
^т . ЦН
06.09
^29.5 а
б е,
Ее 28.5 е
ч <ч
а
^ 27.5
11.09
16.09 21.09 26.09 Дата (2004 г.)
—1-
Г-. Г, Г-
А л л!
И У VI
—■---
V; V
20 40 60 80 Номер замера
100 120
Рис. 3. Фрагменты динамики давления. а — флуктуации на фоне плавного изменения тренда (внизу), положение фрагмента динамики на крупном фрагменте мониторинга давления (вверху); б — флуктуации на фоне резкого изменения тренда (внизу), положение локального фрагмента на крупном фрагменте мониторинга давления (вверху).
Шустера виден отчетливый пик ("лепесток") с максимальным значением 0.35 бар на частоте 0.00083 Гц. Максимум на отметке 0.35 бар является усредненной оценкой амплитуды флуктуаций. Значение частоты 0.00083 Гц соответствует периоду 20 мин.
26.0
0 20 40 60
80 100 120 140 Номер замера
160 180 200
14.04 19.04 24.04 29.04 04.05 Дата (2004 г.)
0.001 0.002 0.003 Частота, Г (Гц)
0.004
01.10
р
а б
а
Ч С
0 20 40 60
80 100 120 140 160 180 200 Номер замера
0.001 0.002 0.003 Частота, Г (Гц)
0.004
Рис. 4. Фрагмент динамики давления и его периодограмма Шустера.
а — мелкомасштабные флуктуации значений давления с постоянной амплитудой и частотой относительно неизменного уровня (вверху); на периодограмме Шустера представлены амплитудно-частотны
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.