地震地下流體觀測井水文地質(zhì)參數(shù)的確定

支雷虎，李糧綱

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

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地震地下流體觀測井水文地質(zhì)參數(shù)的確定

支雷虎，李糧綱

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

[摘要]地下流體觀測是地震監(jiān)測預(yù)報的一項重要工作。地震地下流體觀測井通常為承壓單井，需要通過單井試驗確定觀測含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。在湖北省武漢和黃梅地震地下流體觀測井分別進行了非穩(wěn)定流水位恢復(fù)試驗和微水試驗，確定了觀測含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，取得了較好的效果。鑒于滲透系數(shù)K反映了含水巖層的物理狀態(tài)，建議將其動態(tài)變化納入地震地下流體的監(jiān)測體系。

[關(guān)鍵詞]地震監(jiān)測；地下流體觀測；水文地質(zhì)參數(shù)；水位恢復(fù)試驗；微水試驗

我國是一個地震多發(fā)的國家。地震災(zāi)害突發(fā)性強、破壞性大、影響面廣，爭取震前預(yù)防預(yù)報是減輕震災(zāi)的有效途徑。1966年邢臺寧晉7.2級地震發(fā)生后，我國開展了以水文地質(zhì)學(xué)和水文地球化學(xué)為基礎(chǔ)學(xué)科的地震地下流體觀測研究。地震分析預(yù)報人員利用地下流體物理(水位、水溫等)和化學(xué)(水氡、CO2等)指標(biāo)的異常，對大陸發(fā)生的某些強震做出了較準(zhǔn)的預(yù)測。據(jù)中國地震局有關(guān)部門統(tǒng)計，地下流體觀測網(wǎng)為成功預(yù)測破壞性地震提供的依據(jù)居測震之外的各類前兆學(xué)科之首[1-2]。湖北省“十一五”期間，在地震監(jiān)測臺網(wǎng)建設(shè)方面投入了近1億的資金，全面提升了地震臺網(wǎng)的軟硬件，其中包括多處地下流體觀測井的建設(shè)和改建[3]。

1非穩(wěn)定流水位恢復(fù)試驗

1.1原理及計算方法[7]

假設(shè)承壓含水層側(cè)向邊界離井很遠(yuǎn)，邊界對研究區(qū)的水頭分布沒有明顯影響，可以看作是無外界補給的無限含水層。以定流量持續(xù)一段時間抽水，抽水量完全來自于含水層的貯存，降深隨抽水時間持續(xù)變化，形成非穩(wěn)定流動狀態(tài)。Theis(1935)給出了無外界補給的承壓水完整井定流量非穩(wěn)定流降深問題的解：

(1)

(2)

式中：s為距抽水井距離r處t時刻的水位降深(m)；Q為抽水井流量(m3/d)；T為含水層導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)；r為計算點到抽水井距離(m)；t為抽水持續(xù)時間(d)；S為含水層貯水系數(shù)(無量綱)；a=T/S，為含水層導(dǎo)壓系數(shù)(m2/d)；W(u)為與r、t、a有關(guān)的井函數(shù)。

當(dāng)u≤0.01時(即t≥25r2S/T)，井函數(shù)可近似為：

(3)

其相對誤差不超過0.25%；則Theis公式可以近似表示為：

(4)

式(4)稱為Jacob公式。

如不考慮水頭慣性滯后動態(tài)，水井以流量Q持續(xù)抽水tp時間后停抽恢復(fù)水位，那么在某一時刻(t>tp)的剩余降深(s'，原始水位與停抽后某時刻水位之差)，可理解為以流量Q繼續(xù)抽水一直延續(xù)到t時刻的降深和從停抽時刻起以流量Q注水t'(t'=t-tp)時間的水位抬升的疊加，兩者適用于Theis公式，當(dāng)u≤0.01時(即t'≥25r2S/T)，有：

(5)

式(5)表明，s'與lg(t/t')呈線性關(guān)系，利用水位恢復(fù)資料繪制s'-lg(t/t')曲線，其直線段斜率i=0.183Q/T，即可計算導(dǎo)水系數(shù)T。如已知停抽時刻tp的水位降深sp，根據(jù)Jacob公式即可計算導(dǎo)壓系數(shù)a和貯水系數(shù)S。

圖1　水位恢復(fù)試驗s'-lg(t/t')曲線

1.2實例應(yīng)用

湖北省武漢地震地下流體觀測井深度為316 m，承壓含水層厚74.6 m，成井后穩(wěn)定水位埋深13.8 m。含水層巖性為細(xì)粒石英砂巖，上覆泥巖，下伏泥質(zhì)粉砂巖，井孔為完整井。抽水試驗過程如下：

(1)抽水前將深井潛水泵下入井中，使用電測水位計測量穩(wěn)定水位埋深并記錄；

(2)試抽2 min發(fā)現(xiàn)井中水位下降較快，試抽后等待水位恢復(fù)至穩(wěn)定；

(3)開啟抽水泵并同時開始計時，每0.5 min測量記錄一次水位，每2 min測量記錄一次流量；

(4)抽水持續(xù)13 min時，井中水位降深達(dá)33.9 m，此時停抽恢復(fù)水位，觀測記錄水位每回升1 m的時間。

由剩余降深、抽水持續(xù)時間、水位恢復(fù)時間數(shù)據(jù)繪制s'-lg(t/t')曲線，結(jié)果見圖1。取直線段一個周期的Δs'，即為其斜率，i=25.8，由式(5)可知i=0.183Q/T，計算得含水層導(dǎo)水系數(shù)T =0.613 m2/d，由T=KM(M為含水層厚度)可得含水層滲透系數(shù)K = 8.22×10-3m/d。

1.3分析與討論

非穩(wěn)定流抽水試驗不要求水流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，特別適用于抽水過程不能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)或需要很長時間才可能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的含水層，適用范圍較廣。相對于穩(wěn)定流抽水試驗，抽水過程需要的設(shè)備簡單，抽水時間短。單孔非穩(wěn)定流抽水試驗避免了穩(wěn)定流試驗中需借助經(jīng)驗公式試算影響半徑R的誤差。

在上例地下流體觀測井抽水實踐中，觀測含水層透水性較差，抽水時間較短時即產(chǎn)生較大降深，停抽后水位恢復(fù)時間較長。水位恢復(fù)試驗適用于這種低透水性、抽水時間短而恢復(fù)時間長的情形。由圖1可以看出，s'-lg(t/t')曲線形態(tài)良好，直線段擬合明確，求解過程清晰。

在應(yīng)用單井非穩(wěn)定流水位恢復(fù)試驗確定參數(shù)的過程中，也存在著以下問題：

(1)水位恢復(fù)過程時間較長，是否能簡單地理解為以定流量Q持續(xù)抽水和以定流量Q注水的疊加過程；

(2)取s'-lg(t/t')曲線的直線段進行參數(shù)求解，有主觀誤差，忽略了水位恢復(fù)初期的數(shù)據(jù)。

2微水試驗

2.1原理及計算方法[8-9]

微水試驗(Slug test)是指抽取已知體積的水后孔內(nèi)的壓力恢復(fù)或注入已知體積的水后孔內(nèi)壓力減小的過程，也稱為定容積瞬時抽(注)水試驗。對于定容積抽水，瞬時抽水后井中水位下降，計此時水位降深為H0。然后含水層的水流入抽水井，水位開始回升，記錄t時刻井中水位降深(相對于天然水位)Ht。定容積瞬時抽水過程示意圖見圖2。在零時刻Ht/H0=1，隨時間增加Ht/H0趨近于0，水位完全恢復(fù)。

圖2　承壓含水層定容積瞬時抽水過程示意圖

對無越流承壓含水層完整井孔，Cooper等(1967)提出了非穩(wěn)定流的微水試驗?zāi)Ｐ?，水位變化可表示為?/p>

(6)

式中：H0為瞬時抽(注)水后井中水位下降(或上升)的最大值(cm)；Ht為t時刻井中水位下降(或上升)值(cm)；rc為井套管半徑(cm)；rs為井濾管半徑(cm)；t為水位恢復(fù)的時間(s)；T為含水層導(dǎo)水系數(shù)(cm2/s)；S為含水層貯水系數(shù)(無量綱)。

將實測Ht/H0-Tt/rc2數(shù)據(jù)繪制的曲線與F(η,μ)-η標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合以求解。當(dāng)μ值較小時，曲線形態(tài)相似，很難完全擬合，導(dǎo)致配線誤差，因此計算的貯水系數(shù)S有所誤差。這使得這種配線方法很少使用。

Hvorslev(1951)的方法因其更為簡單明確而應(yīng)用廣泛，完整井和不完整井均適用。將微水試驗測得數(shù)據(jù)投影到半對數(shù)坐標(biāo)系中，其中Ht/H0對應(yīng)對數(shù)尺度坐標(biāo)，時間t對應(yīng)等差尺度坐標(biāo)，二者呈直線關(guān)系。如果抽水區(qū)(或注水區(qū))長度超過濾管半徑的8倍(L>8rs)，可用下式計算含水層滲透系數(shù)K：

(7)

式中：rc為井套管半徑(cm)；rs為井濾管(含填礫厚度)半徑(cm)；L為抽水區(qū)(或注水區(qū))長度(cm)；t37為水位上升(或下降)至初始變化量37%時的時間(s)。

2.2實例應(yīng)用

湖北省黃梅地震地下流體觀測井深度為421 m，揭露的承壓含水層厚68.6 m，成井后自流。含水層巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，方解石脈發(fā)育，巖心較破碎；上覆粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，可視為不透水層。由于井孔為承壓水不完整井，因而采用微水試驗的Hvorslev方法確定含水層滲透系數(shù)。微水試驗過程如下：

(1)地下流體觀測井成井后承壓自流，因此在井口上方再接一根套管，觀測記錄其中穩(wěn)定靜水位；

(2)利用鉆具從井中快速提取一定體積的水，觀測記錄取水后水位降深值H0、t時刻水位降深值Ht。

將觀測數(shù)據(jù)投影到半對數(shù)坐標(biāo)系，Ht/H0對應(yīng)對數(shù)尺度坐標(biāo)，時間t對應(yīng)等差尺度坐標(biāo)，結(jié)果見圖3。抽水井套管半徑rc為57.5 mm，濾管半徑(含填礫厚度)rs為75 mm，濾管長度(即為抽水區(qū)長度)L為68.6 m，由圖3可得水位上升至初始變化量37%時的時間t37為118 s。以上數(shù)據(jù)帶入式(7)并注意單位換算，計算可得含水層滲透系數(shù)K=1.20×10-1m/d。

2.3分析與討論

微水試驗不需要水泵等抽水裝置，試驗所需時間短，對含水層的擾動小，特別適用于野外簡單條件下進行。微水試驗具有多種試驗方法和計算模型，適用于低到中高滲透性的含水介質(zhì)。

在上例地下流體觀測井實踐中，抽水井承壓自流，需先確定其穩(wěn)定靜水位。在野外條件有限的情況下進行了微水試驗，由于井孔為不完整井，采用Hvorslev方法確定含水層滲透系數(shù)。由圖3可見投影后數(shù)據(jù)的直線關(guān)系清晰，求解過程簡明。

微水試驗由于其影響范圍小、試驗時間短，求取的滲透系數(shù)僅代表了抽水井孔附近的含水層情況，在非均質(zhì)含水層中具有局限性。

圖3　微水試驗Ht/H0-t曲線

3結(jié)語

(1)地震地下流體觀測井通常為單井，觀測含水層通常為承壓含水層，需要利用單井抽水試驗資料確定水文地質(zhì)參數(shù)。對于單井抽水試驗，采用非穩(wěn)定流水位恢復(fù)試驗和微水試驗方法確定含水層參數(shù)，能避免穩(wěn)定流試驗中經(jīng)驗公式試算影響半徑R的誤差。

(2)湖北省武漢和黃梅地震地下流體觀測井分別進行了非穩(wěn)定流水位恢復(fù)試驗和微水試驗，參數(shù)求解過程中曲線擬合明確，表明觀測數(shù)據(jù)與試驗方法吻合較好，求得兩處觀測含水層的滲透系數(shù)K分別為8.22×10-3m/d和1.20×10-1m/d。

(3)含水層滲透系數(shù)K受巖層的孔隙或裂隙的大小、多少、連通程度等影響，隨含水介質(zhì)狀態(tài)的變化而改變，因此建議將滲透系數(shù)K的動態(tài)變化納入地下流體的監(jiān)測體系，以反映地質(zhì)構(gòu)造活動引起的含水巖層物理狀態(tài)變化。

參考文獻

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Hydrogeological parameters determination for Observation aquifer of seismic underground fluid

ZHI Lei-hu，LI Liang-gang

(College of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, , Hubei, China)

Abstract:Observation of underground fluid is important work of seismic monitoring and prediction. Observation well of seismic underground fluid is usually a single borehole in a confined aquifer, so we determine hydrogeological parameters of the observation aquifer just by a single-well pumping test. We applied unsteady flow pumping-recovery test and slug test to two observation wells of seismic underground fluid in Wuhan and Huangmei, Hubei Province, and achieved good results. The hydraulic conductivity K reflects the physical state of the aquifer, so we suggest it to be added to the seismic underground fluid monitoring system.

Key words:Seismic monitoring；observation of underground fluid；hydrogeological parameters；pumping-recovery test；slug test

[中圖分類號]P641.72

[文獻標(biāo)識碼]B

[文章編號]1004-1184(2016)02-0029-03

[作者簡介]支雷虎(1990-)，男，河南新蔡人，在讀碩士研究生，主攻方向：地質(zhì)工程。

[收稿日期]2015-12-09