面臨斷流的高溫?zé)崴募夹g(shù)改造及其觀測(cè)效果

張?；?李海孝 張彥青 宋曉冰

1)河北省懷來地震臺(tái)，河北懷來 075400

2)河北省張家口中心臺(tái)，河北張家口 075000

面臨斷流的高溫?zé)崴募夹g(shù)改造及其觀測(cè)效果

張?；?)李海孝1)張彥青2)宋曉冰1)

1)河北省懷來地震臺(tái)，河北懷來 075400

2)河北省張家口中心臺(tái)，河北張家口 075000

河北省懷4地下流體綜合觀測(cè)井自2007年起水流不斷減少，直至瀕臨斷流，我們將其改造成豎井以保證持續(xù)進(jìn)行地下水化學(xué)量濃度和水位綜合觀測(cè)。改造后一年多的實(shí)踐表明，改造是較為成功的，不僅解決了該井停測(cè)的危機(jī)，還為其他高溫?zé)崴粤骶磥砀脑扉_拓了新的技術(shù)途徑。

懷4井 井孔改造 地下流體 綜合觀測(cè)

0 引言

懷4井位于河北省懷來縣后郝窯地?zé)岙惓^(qū)內(nèi)，1970年成井以來井水自流，水溫高達(dá)88℃。自1972年以來先后進(jìn)行了水氡、水汞、氣體、氣氡、氣汞、水位等多項(xiàng)地下流體動(dòng)態(tài)觀測(cè)，成為中國最重要的地震地下流體綜合觀測(cè)井之一，積累了大量高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在中國地震地下流體學(xué)科的地震前兆監(jiān)測(cè)與華北地區(qū)的地震預(yù)測(cè)及相關(guān)的科學(xué)研究中發(fā)揮了重要作用，多次獲得全國資料統(tǒng)評(píng)的前三名，為1989年10月大同MS6.1、1996年5月包頭MS6.4、1998年1月張北MS6.2等強(qiáng)震預(yù)測(cè)都做出了積極的貢獻(xiàn)(河北省地震局，2005)。

然而，隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，不斷加大地?zé)豳Y源的開發(fā)，特別是1995年在距該井不足百米的距離內(nèi)建成同層熱水開采井電華2井，自2002年該井投入生產(chǎn)以來，使懷4井熱水自流量與井口壓力逐年遞減(車用太等，2004)，至2007年7月開始出現(xiàn)井水時(shí)斷時(shí)流，不僅各項(xiàng)地下流體動(dòng)態(tài)受到嚴(yán)重干擾，而且造成不能正常連續(xù)觀測(cè)的嚴(yán)重局面。面對(duì)如此嚴(yán)峻的形勢(shì)，我們借鑒了山東聊城臺(tái)的一些經(jīng)驗(yàn)(王華等，2010)，于當(dāng)年9月進(jìn)行了以開挖深10m的豎井、降低觀測(cè)井泄流口高程為核心的井孔改造。

1 懷4井概況

懷4井地面海拔高程為487m。井深500.34m，觀測(cè)含水層是頂板埋深為278.5m的太古界片麻巖破碎帶熱水層，揭露含水層厚度＞221m。

該井為高溫?zé)崴粤骶?，成井時(shí)的水頭高度為2.75m，井水自流量為3.24m3/h，水溫為88℃，水化學(xué)類型為SO4－Na型，礦化度為0.962g/L，為大氣降水滲入地下后經(jīng)深循環(huán)上涌成因的地下熱水。無論其水頭、水溫與水質(zhì)，都較適宜地下流體綜合觀測(cè)。

該井1972年投入地震地下流體動(dòng)態(tài)觀測(cè)，前期以水氡觀測(cè)與氣體觀測(cè)為主，后期逐步增加了水汞與水位觀測(cè)，特別是2002年開始了氣氡、氣汞、水位的數(shù)字化連續(xù)觀測(cè)。上述各項(xiàng)觀測(cè)，是通過在地面以上設(shè)置有泄流口的觀測(cè)井中實(shí)現(xiàn)的。然而，隨著當(dāng)?shù)責(zé)崴Y源的超度開采，井口壓力逐漸減小，至2007年7月開始井水時(shí)斷時(shí)流，使地下流體綜合觀測(cè)嚴(yán)重受挫，特別是地下水化學(xué)量的自動(dòng)化連續(xù)數(shù)字觀測(cè)技術(shù)無法有效實(shí)施。在這種情況下，從2007年9月起，臺(tái)站開始進(jìn)行井口改造與新的觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)。

2 井口改造與新觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

井口改造與新觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)如圖1所示。井口改造的核心是在距觀測(cè)井(主井管)10m處建一豎井地下觀測(cè)室。把原井的泄流口降低8m，確保在井自流的條件下開展氣氡、氣汞、水位數(shù)字化觀測(cè)。

圖1 懷4井豎井與新的觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)示意圖Fig.1 The diagram of vertical shaft and the new observing system of Huai-4 well.

豎井深度10m，直徑4.5～5m，制作厚30cm的鋼筋混凝土護(hù)壁，護(hù)壁外設(shè)防水層，豎井底部建1.8×1.8m的儲(chǔ)水池。

觀測(cè)井與豎井觀測(cè)室間開挖1.2×1.8m斷面的地下通道(通道作鋼筋混凝土護(hù)壁)，其中設(shè)內(nèi)徑20mm的不銹鋼引水管道，把觀測(cè)井的水引入豎井觀測(cè)室中，引水管的位置設(shè)在地面以下8m，相當(dāng)于把泄流口高程降低約8m。引水管的直徑為25.4mm，焊接在預(yù)先設(shè)置于觀測(cè)井管上的鋼套上，并在觀測(cè)井主井管上打15.0mm的引水孔，可以把井水引入觀測(cè)室。引水管上設(shè)置不銹鋼閥門，以便控制穩(wěn)定的泄流量。

實(shí)現(xiàn)地下水化學(xué)量的綜合觀測(cè)，關(guān)鍵技術(shù)是從引水管中分離出3股水流，分別用于采集模擬水氡、水汞與氣體樣品，供氣氡與氣汞兩個(gè)數(shù)字化觀測(cè)的脫氣用及數(shù)字水位觀測(cè)。

為了減少3股水用水的相互干擾，以達(dá)到最佳觀測(cè)效果，我們采用在引水管上接一個(gè)Y形分流裝置，垂直向上的一支作模擬觀測(cè)用取水，另一個(gè)作數(shù)字水位觀測(cè)用;向下的一支作數(shù)字氣氡、氣汞觀測(cè)用，為排除氣氡、氣汞兩種不同化學(xué)量觀測(cè)間的互相干擾，又分成2個(gè)次級(jí)引水管分別引入脫氣裝置，脫氣后的水排入儲(chǔ)水池中。

儲(chǔ)水池內(nèi)的熱水，利用自動(dòng)控制的揚(yáng)水系統(tǒng)送到地面以上一定高度，用于取暖或其他方面。

3 改造效果的檢驗(yàn)

3.1 改造前的地下流體動(dòng)態(tài)

3.1.1 時(shí)值動(dòng)態(tài)

2007年6月1—30日改造前的地下流體動(dòng)態(tài)曲線如圖2所示。由于地下水位下降，改造前的泄流口(測(cè)量用水口)水位也下降，到2007年6月，泄流口上的水流已到似斷非斷的狀態(tài)，不僅導(dǎo)致氣汞、氣氡、水位觀測(cè)斷斷續(xù)續(xù)，年缺記率分別達(dá)氣氡9.2%、氣汞4.38%、水位55.57%，而且動(dòng)態(tài)變得不穩(wěn)定，甚至失真，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量顯著下降，地震前兆監(jiān)測(cè)的功能開始減弱。

圖2 懷4井改造前(2007年6月1—30日)氣汞(a)、氣氡(b)、水位(c)動(dòng)態(tài)時(shí)值曲線Fig.2 Curves of hourly values of gasmercury(a)，gas radon(b)and water level(c)before the reconstruction of Huai-4 well(from June 1st to 30th in 2007).

3.1.2 日均值動(dòng)態(tài)

圖3 為懷4井2007年5—12月水位、氣氡、氣汞日值動(dòng)態(tài)曲線，其間經(jīng)歷了10月華電井抽水供暖的干擾時(shí)期。由圖3可見，由于水位下降，造成動(dòng)態(tài)曲線時(shí)斷時(shí)續(xù)，測(cè)值突跳頻繁，動(dòng)態(tài)十分不穩(wěn)定，水位高低起伏0.81m，變化幅度達(dá)86%，氣氡高低差值94.78Bq/L，變幅達(dá)97%，氣汞變幅也顯著，到冬季11月華電2井取暖抽水時(shí)，就造成水位斷記，氣氡、氣汞也趨于停記。

圖3 懷4井改造前(2007年5—12月)的氣汞(a)、氣氡(b)、水位(c)日均值動(dòng)態(tài)曲線Fig.3 Curves of dailymean values of gasmercury(a)，gas radon(b)and water level(c)before the of reconstruction of Huai-4 well from May to December in 2007.

3.2 改造后的地下流體動(dòng)態(tài)

3.2.1 時(shí)值動(dòng)態(tài)

圖4 為2008年6月懷4井水位、氣氡、氣汞的時(shí)值動(dòng)態(tài)曲線。由圖4可見，水位、氣氡、氣汞測(cè)值穩(wěn)定(表1)，水位測(cè)值與固體潮汐關(guān)系清晰，水位最大起伏為0.4m;氣氡測(cè)值穩(wěn)定，最大變化幅度為16Bq/L，無明顯突跳、階變;水汞時(shí)值動(dòng)態(tài)總體上也變得平穩(wěn)，有少量突跳值，曲線動(dòng)態(tài)變化基本恢復(fù)正常。

3.2.2 日均值動(dòng)態(tài)

圖5為2008年5—12月的懷4井水位、氣氡、氣汞的日均值動(dòng)態(tài)曲線，由圖5可見，相鄰的華電2井于10月大量采水之后，氣氡的動(dòng)態(tài)未受開采干擾，對(duì)氣汞動(dòng)態(tài)的干擾也不明顯，水位動(dòng)態(tài)雖受開采干擾，但不至于斷流，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性不產(chǎn)生影響。

圖4 懷4井改造后(2008年6月1—30日)的氣汞(a)、氣氡(b)、水位(c)的時(shí)值動(dòng)態(tài)曲線Fig.4 Curves of hourly values of gasmercury(a)，gas radon(b)and water level(c)after the reconstruction of Huai-4 well from June 1st to 30th in 2008.

3.3 改造效果的評(píng)價(jià)

(1)改造后水位、氣氡、氣汞觀測(cè)都較正常，數(shù)據(jù)連續(xù)率得到提升，氣氡達(dá)99.46%，氣汞達(dá)100%，水位達(dá)94.55%(缺測(cè)為儀器探頭故障引起)，基本達(dá)到全國資料統(tǒng)評(píng)優(yōu)秀以上的水平。

(2)改造后氣氡、氣汞、水位時(shí)值動(dòng)態(tài)均穩(wěn)定，氣氡、水位測(cè)值平穩(wěn)，氣汞測(cè)值變化正常;從日均值動(dòng)態(tài)看，冬季10月份開始的華電2井開采熱水對(duì)氣氡、氣汞的影響顯著減弱;對(duì)水位雖仍有影響，但已呈平穩(wěn)下降態(tài)勢(shì)，日動(dòng)態(tài)變化規(guī)律仍較清楚。

(3)改造后數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯提高，測(cè)值穩(wěn)定，2008年6月氣氡變化幅度為10Bq/L，變幅為背景值的14%，無明顯突跳;氣汞測(cè)值較穩(wěn)定，僅有個(gè)別較大突跳點(diǎn);水位月降幅為0.36m，無突跳點(diǎn)，起伏平穩(wěn)，無階變。

圖5 懷4井改造后(2008年8—9月)的氣汞(a)、氣氡(b)、水位(c)的日均值動(dòng)態(tài)曲線Fig.5 Curves of dailymean values of gasmercury(a)，gas radon(b)and water level(c)after the of reconstruction of Huai-4 well from August to September in 2008.

(4)改造后的觀測(cè)結(jié)果表明，3個(gè)測(cè)項(xiàng)均有程度不同的潮汐顯示，其中水位的潮汐顯示變得更加清晰，最大日潮差達(dá)15cm左右，氣汞微動(dòng)態(tài)也有與固體潮相對(duì)應(yīng)并呈同步變化的半日波形態(tài)，氣氡微動(dòng)態(tài)也有一定程度的與固體潮汐同步變化的形態(tài)，但是幅度較小。這樣的事實(shí)說明，改造后的水位與氣氡、氣汞測(cè)項(xiàng)對(duì)地殼應(yīng)力的響應(yīng)靈敏度明顯增強(qiáng)了。

4 認(rèn)識(shí)與討論

懷來4井井區(qū)因區(qū)域水位下降及熱水開采，面臨井水?dāng)嗔魑C(jī)，嚴(yán)重影響地下流體的綜合觀測(cè)。通過井孔改造實(shí)現(xiàn)自然泄流狀態(tài)連續(xù)觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)了與已觀測(cè)30多年的觀測(cè)資料的對(duì)接，成功地避免了多測(cè)項(xiàng)停測(cè)。

懷4井改造中，可借鑒的技術(shù)是88℃高溫?zé)崴畮洪_孔技術(shù)的成功實(shí)施，無疑對(duì)今后有類似條件的技術(shù)改造有重要的參考意義。

改造后觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量顯著提升，數(shù)據(jù)連續(xù)率在99.6%以上，水位、氣氡、氣汞實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)具有同步性半日波現(xiàn)象，而且都與固體潮的半日波同步，可以認(rèn)定與固體潮引潮力存在某種關(guān)系，這樣的觀測(cè)資料對(duì)于地下流體監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)地震的深入研究是有意義的。

然而，隨著井區(qū)資源的繼續(xù)開發(fā)，水位繼續(xù)下降勢(shì)在必然，而且降到一定深度后綜合觀測(cè)還是難以繼續(xù)維持。因此從長遠(yuǎn)來看，還是要走提高認(rèn)識(shí)，保護(hù)環(huán)境的途徑，以法律的權(quán)威保護(hù)劃定的觀測(cè)環(huán)境保護(hù)區(qū)，防止在保護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行地?zé)豳Y源的超深開采，保護(hù)地震流體觀測(cè)的正常進(jìn)行。

致謝 感謝中國地震局地質(zhì)研究所車用太研究員給予本文的大力指導(dǎo)。

車用太，魚金子，等.2004.地下流體典型異常的調(diào)查與研究［M］.北京:氣象出版社.122—129.

CHE Yong-tai，YU Jin-zi，etal.2004.Investigation and Research of Typical Anomalies in Underground Fluid［M］.Meteorological Press，Beijing.122—129(in Chinese).

河北省地震局.2005.河北省地震監(jiān)測(cè)志［M］.北京:地震出版社.48—52.

Earthquake Administration of Hebei.2005.Hebei Earthquake Monitoring Directory［M］.Seismological Press，Beijing.48—52(in Chinese).

王華，王偉，陳其鋒，等.2010.地震地下流體自流觀測(cè)井?dāng)嗔鲬?yīng)對(duì)技術(shù)開發(fā)［J］.地震學(xué)報(bào)，32(5):601—609.

WANG Hua，WANGWei，CHEN Qi-feng，et al.2010.Technology development to cope with the drying up of underground fluid observation well［J］.Acta Seismologica Sinica，32(5):601—609(in Chinese).

TECHNOLOGICAL RECONSTRUCTION AND OBSERVATION EFFECT OF HIGH TEMPERATURE WATER WELL UNDER A CONDITION OF DRYING UP

ZHANG Chang-hui1)LIHai-xiao1)ZHANG Yan-qing2)SONG Xiao-bing1)
1)Huailai seismic station，Huailai 075400，China
2)Zhangjiakou Central Seismic Station，Zhangjiakou 075000，China

Through the shaft reconstruction of the well under the condition of artifical automatic flow，we managed to keep the continuousmeasurement of concentration of chemical contents and water level by adopting shaft observationmethod.After observation formore than a year，it has been revealed that the crisis of halt ofmeasurement of the wellwas removed.Moreover，it provides a new approach for technological reconstruction of high temperature artesian well.

Huai-4 well，well-hole reconstruction，subsurface fluid，comprehensive observation

P315.72+3

A

0253－4967(2011)03－0653－07

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2011.03.014

2010－12－09收稿，2011－02－23改回。

張常慧，男，1963年生，2007年畢業(yè)于北京交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)學(xué)院計(jì)算機(jī)專業(yè)，工程師，主要研究地震地下流體監(jiān)測(cè)及分析預(yù)報(bào)，電話:0313－6221278，E－mail:dztzch@126.com。