彌渡井脫氣集氣裝置的研制

褚金學(xué)，方 偉，李正春，朱培耀

（1.云南省地震局彌渡地震臺，云南 彌渡 675600；2.云南省地震局，昆明 650224）

0 引言

地殼內(nèi)含有大量充滿水、氣和其它流體的孔隙和裂隙，這些流體在不同地方的化學(xué)組分不同。在地震孕育過程中地殼產(chǎn)生形變，可能迫使不同化學(xué)成分流體運(yùn)移或形成相應(yīng)水文和地球化學(xué)的變化，特別是在斷層或其它薄弱地區(qū)。許多地震地質(zhì)斷層，包括一些隱伏斷層上，地下水和空氣中的各種氣體（氡氣、氦氣、氫氣、汞蒸氣、二氧化碳?xì)怏w、同位素比，等等），均表現(xiàn)出了高濃度的空間異常。這些現(xiàn)象表明地震斷層帶可能是一個(gè)具有高滲透能力的深部地下氣體向地表運(yùn)移的通道[1]。

地殼中的流體在深部是影響地震孕育與發(fā)生的重要因素，在地殼淺部是靈敏地反映地震孕育與發(fā)生過程的重要前兆信息載體，具有靈敏的映震能力[2]。地下流體與地震活動有密切的關(guān)系，特別是在地震短期階段前兆異常中，流體異常表現(xiàn)較為明顯[3]。

通過 “九五”、 “十五”前兆數(shù)字化技術(shù)改造，云南地下流體觀測臺站大部分已經(jīng)完成儀器前兆數(shù)字化改造，信息獲取能力得到較大提高[4]。由于各觀測井情況不同，有的是靜水位、有的是動水位。動水位觀測井的水溫、流量、水頭高度、礦化度等又不盡相同，各觀測井使用的井口脫氣裝置也不相同，地下流體化學(xué)量觀測質(zhì)量有好有差，有的化學(xué)量觀測值甚至低于儀器檢出限，并且綜合觀測井動水位容易受到氣汞儀在整點(diǎn)時(shí)抽氣的影響，觀測資料干擾較大。為解決地下流體數(shù)字化綜合觀測存在的以上問題，作者總結(jié)分析彌渡地下流體數(shù)字化觀測近四年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在有關(guān)專家的指導(dǎo)下，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)制作了方便實(shí)用的自流井井口脫氣集氣裝置，在彌渡地下流體觀測井安裝使用。結(jié)果表明：使用新的脫氣集氣裝置后，氣氡測值比原來增大了一個(gè)數(shù)量級，由原來的2 Bg/L左右增大為20 Bg/L左右，氣汞測值也有很大提高，前兆信息獲取能力得到較大增強(qiáng)?；瘜W(xué)量抽氣觀測對動水位觀測的干擾基本消除，解決了長期困擾彌渡地下流體數(shù)字化觀測的老大難問題。

1 觀測井基本情況

彌渡地下流體觀測井位于彌渡沖積傾斜盆地東南部邊沿近山地帶，處在金沙江-紅河斷裂系上，位于紅河斷裂與程海斷裂及楚雄-建水?dāng)嗔训慕粎R點(diǎn)（圖1）。多為侵蝕低山地貌，相對高差100～500 m，坡度25°～30°。該地區(qū)地表出露碳酸鹽巖類地層，巖溶較為發(fā)育，巖石硬、脆、碎，受構(gòu)造運(yùn)動影響，裂隙發(fā)育且規(guī)模較大，上部地下水沿裂隙通道和深部地?zé)釋友h(huán)溝通，在有張性裂隙非常發(fā)育地段上，形成了一系列的溫泉出露。水質(zhì)類型為HCO-CL-Na，為巖溶裂隙承壓水。

圖1 彌渡地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological map of Midu

彌渡地下流體觀測井為溫泉自流井，井深130.37 m，流量540 m3/d，水溫54℃，水頭高度2.5 m，該井由西南有色306勘察工程有限公司施工，于2007年10月18日完工，并通過驗(yàn)收。該觀測井2007年11月3日至6日安裝LN-3A型數(shù)字水位儀，SZW-1A（V2004）型數(shù)字式溫度計(jì)，SD-3A型測氡儀，RG-BQZ自動數(shù)字測汞儀，WYY-1型氣溫、氣壓、雨量綜合觀測儀11月13日試運(yùn)行。水溫探頭埋深110 m，水位探頭下放深度1.53 m。測量氣體為自然逸出氣，氣路采用并聯(lián)方式。根據(jù)觀測以來的數(shù)據(jù)分析，化學(xué)量觀測對動水位觀測造成了干擾，化學(xué)量儀器整點(diǎn)抽氣時(shí)動水位數(shù)據(jù)下降0.005～0.008 m。

圖2 彌渡地下流體觀測井井口裝置圖Fig.2 The wellhead map of the underground fluid observation wells in Midu

由于該觀測井水質(zhì)礦化度高，泉華在通道富集，原來的脫氣裝置的水、氣路出現(xiàn)嚴(yán)重的堵塞。觀測孔逸出水為1.5～1.6 m3/d。彌渡地下流體觀測井井口裝置基本情況見圖2。

2 新脫氣集氣裝置的試驗(yàn)過程及制作工藝流程

2.1 前期試驗(yàn)過程

為了節(jié)約成本，又能測試脫氣效果，先采用市場上容易買到的容積為18.9 L的礦泉水桶加工制作，配上交流增氧泵實(shí)時(shí)鼓泡脫氣（流量設(shè)置為：0.5 L／min），氣路上安裝冷凝管冷卻并進(jìn)行汽、水分離，最后干燥氣體進(jìn)入儀器觀測。制作完成后，安裝使用。進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)：

（1）脫氣效果明顯增強(qiáng)，但動水位觀測仍然受氣汞儀抽氣影響。

（2）進(jìn)水流量太大，泄流不暢，脫氣裝置容易灌滿，致使無法脫出氣體；而進(jìn)水流量太小，泄流順暢，脫氣裝置內(nèi)又會無水，造成出水口有空隙，氣體又會從空隙跑出，并且進(jìn)水流量太小，所帶出來的信息也小。

（3）進(jìn)水流量很難控制，并且每次調(diào)整進(jìn)水口流量，動水位觀測就會形成一個(gè)臺階，嚴(yán)重影響動水位觀測。

（4）彌渡地下流體觀測井水溫高，礦化度也高，在使用過程中，脫氣裝置進(jìn)、出水口容易堵塞，必須考慮脫氣裝置的清洗問題。

2.2 加工制作流程

在肯定了前面實(shí)驗(yàn)的脫氣效果后，針對出現(xiàn)的問題，使用直徑為26 cm，高45 cm的鋼管焊接制作脫氣裝置，整個(gè)裝置容積為23.9 L。為了解決存在的問題，采取以下方式：

（1）在進(jìn)水流量很大時(shí)，為杜絕脫氣裝置灌滿，設(shè)計(jì)了雙出水口，并且出水口1的內(nèi)徑大于進(jìn)水口內(nèi)徑；在出水口1出現(xiàn)堵塞時(shí)，水面到一定高度（20 cm）時(shí)，水從出水口2泄流（圖3）。

（2）為了避免出水口泄流太快，脫氣裝置內(nèi)無水，造成出水口有空隙，氣體從空隙跑出，兩個(gè)出水口均具有水封功能，并且能保證水面保持在最高（20cm）和最低（10cm)水面內(nèi)，脫氣裝置內(nèi)水樣體積保持在10.6 L，空腔容積為13.3 L（圖3）。

（3）為了解決氣汞儀抽氣影響動水位觀測和水蒸氣凝固堵塞氣路的問題，在脫氣裝置和儀器之間接入冷卻裝置和容積為2.5 L的緩沖集氣瓶（圖4），冷卻方式采用空氣冷卻。

（4）為了解決脫氣裝置的更換、清洗問題，在裝置的上端采用直徑為10 cm的橡膠塞，在橡膠塞上分別開出內(nèi)徑不同的進(jìn)水口、進(jìn)氣口和出氣口。出水口使用帶活接的PPR管連接（圖3）。

（5）為了日常能準(zhǔn)確掌握脫氣裝置的水位面，我們在脫氣裝置上裝入水位觀測目測管。

制作完成后，堵塞所有開口，加滿水，反復(fù)測試其密封性，密封沒有問題后，接入彌渡地下流體觀測系統(tǒng)進(jìn)行觀測。

圖3 脫氣裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure diagram of degassing device

圖4 冷卻、緩沖集氣裝置圖Fig.4 Map of cooling，buffer gas gathering device

3 資料分析

本文選取彌渡地下流體觀測項(xiàng)目脫氣裝置改造處理前后地下流體觀測的部分原始資料進(jìn)行動態(tài)曲線（圖5、圖6）和測值的對比統(tǒng)計(jì)（表1）。

3.1 水溫、動水位觀測資料分析

彌渡水溫觀測基本正常，脫氣裝置改造處理前后，水溫測值沒有改變。

脫氣裝置改造前，彌渡動水位觀測一直受氣汞儀在整點(diǎn)時(shí)抽氣的干擾，整點(diǎn)抽氣時(shí)造成水位數(shù)據(jù)下降0.005～0.008 m，嚴(yán)重影響觀測資料的使用（圖 5a）。

脫氣裝置改造后，對比分析改造前后動水位觀測動態(tài)曲線，可明顯看出：動水位觀測在整點(diǎn)時(shí)不再受氣汞儀抽氣的影響，固體潮汐記錄明顯（圖5b）。需要說明的是：為了保持條件的一致性，盡可能大的獲取前兆信息，改造完成后的脫氣裝置，將進(jìn)水流量閥門置于常開狀態(tài)，而之前的脫氣裝置進(jìn)水流量，人為的進(jìn)行了控制，進(jìn)水流量1.5～1.6 m3/d。因此，脫氣裝置改造后的水位測值較之前有明顯下降，改造前為0.65 m左右，改造后為0.49 m左右，改造后的進(jìn)水流量是84.7m3/d。

3.2 氣氡、氣汞觀測資料分析

由于彌渡地下流體觀測井水質(zhì)礦化度高，容易富集在各通道上，原脫氣裝置的水、氣路出現(xiàn)嚴(yán)重的堵塞，氡、汞觀測值偏低。盡管測值沒有低于儀器檢出限，但由于脫氣效果不佳，所獲取的前兆信息非常有限。

經(jīng)過脫氣裝置改造處理后，氣氡測值比原來增大了一個(gè)數(shù)量級，由原來的2 Bg/L左右開始增大為20 Bg/L左右，逐步穩(wěn)定后，達(dá)到40 Bg/L左右（圖6a、表1）。氣汞測值也比原來有明顯提高，由原來的0.078 ng/L左右提高到0.2 ng/L左右（圖6b、表1）。由此可以得出：彌渡地下流體化學(xué)量觀測前兆信息獲取能力得到較大提高。

經(jīng)過改造脫氣裝置后，在2012年1月至2013年3月，云南省共發(fā)生中強(qiáng)地震八次，其中：4.2≤M＜5.0的五次；5.0≤M＜6.0的三次，其中一次為雙震型。彌渡氣汞觀測在地震前均出現(xiàn)不同程度的異常反應(yīng)，映震效果較好[5-7]。

圖5 彌渡動水位觀測分鐘值曲線圖Fig.5 The minute value curve of dynamic water level observation in Midu

圖6 彌渡氣氡、氣汞觀測整點(diǎn)值曲線圖Fig.6 The hour-point value curve of Midu gas radon and gas mercury observation

表1 改造前后各測項(xiàng)測值（月均值）對比統(tǒng)計(jì)Table 1 The comparative statistics table of the measured value of each item (monthly mean value)before and after transformation

4 結(jié)語

綜上所述，新脫氣集氣裝置制作成本低，安裝方便，脫氣效果不受井口流量影響。適用范圍廣，不論是高溫井，還是高礦化度井，只要是自流井，都可以使用。既解決了地下流體化學(xué)量觀測的脫氣問題，又解決了同一觀測井，化學(xué)量觀測嚴(yán)重影響物理量觀測的問題，地下流體觀測前兆信息獲取能力得到較大增強(qiáng)。但是，該脫氣裝置仍有不足之處，就是在脫氣裝置堵塞后進(jìn)行更換、清洗處理時(shí)，由于空氣混入造成觀測值偏低，此裝置還需進(jìn)一步完善。

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