高溫自流井流量數(shù)字化觀測系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

王　江， 張曉剛， 羅　娜， 王　靜， 宋　昭

(1.河北省地震局，石家莊　050021； 2.紅山基準(zhǔn)臺，河北 邢臺　054000)

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高溫自流井流量數(shù)字化觀測系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

王江1， 張曉剛1， 羅娜2， 王靜2， 宋昭2

(1.河北省地震局，石家莊050021； 2.紅山基準(zhǔn)臺，河北 邢臺054000)

選取河北衡水水溫78℃自流井為實(shí)驗(yàn)井，經(jīng)過對比多種觀測方法及條件，選擇電磁式流量觀測方法開發(fā)流量觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)軟件為自行開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)校驗(yàn)、采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)及接入中國地震前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，儀器遠(yuǎn)程訪問等功能。衡水井流量觀測系統(tǒng)安裝調(diào)試經(jīng)過多次管路優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了井管內(nèi)流體氣液分離，解決了空管報(bào)警問題，流量觀測數(shù)據(jù)直觀地反映了觀測井-含水層的應(yīng)力變化。

流量觀測系統(tǒng)；衡水井；高溫自流井；管路優(yōu)化

0　引言

自流井流量觀測是我國地震領(lǐng)域開展較早的地震前兆觀測項(xiàng)目。自流井中的流體來自地球深部承壓含水層，普遍認(rèn)為帶有地球深部的信息。車用太在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上認(rèn)為流量觀測的映震能力高于水位觀測的映震能力[1]。高溫自流井因?yàn)楦邷赜欣诹黧w中的深部氣體逸出，在地震地球化學(xué)觀測研究方面亦受到關(guān)注[2-5]。因此，流量觀測對于地殼應(yīng)變的反映直觀明顯，是地震監(jiān)測預(yù)測研究的重要手段之一。

我國地震領(lǐng)域早期的流量監(jiān)測采用人工定時(shí)采集數(shù)據(jù)方式。由于地下水資源大量開采，許多自流井?dāng)嗔??！熬盼濉钡卣鹋_網(wǎng)數(shù)字化觀測后，多數(shù)地震流體觀測站由有人值守改為無人值守模式，大部分人工流量監(jiān)測被迫停止，河北省目前服務(wù)于地震監(jiān)測的自流井均缺失流量監(jiān)測項(xiàng)目。

衡水井是位于衡水市深州大屯鄉(xiāng)陳家口村南的高溫自流井，由河北省地震局紅山基準(zhǔn)臺負(fù)責(zé)運(yùn)行維護(hù)。該井處于華北平原沉降帶冀中坳陷新河凸起上，東距束鹿斷裂10 km，北距石家莊-衡水?dāng)嗔? km。1984年由華北油田完成建設(shè)，觀測含水層為震旦亞界碳酸巖裂隙承壓含水層，終孔深度1 700.41 m，水溫79.5℃，流量6.1 L/s，PH值6.4，總礦化度為44.8 g/L，氣體總量較大。1987年轉(zhuǎn)交地震部門使用，同年河北省地震局改造井孔進(jìn)行動(dòng)水位、人工流量、氣壓觀測，“十五”期間該井改造為數(shù)字化無人值守觀測站，僅保留動(dòng)水位觀測。

1　流量觀測系統(tǒng)選型

我國地震行業(yè)的流量觀測系統(tǒng)比較落后，使用人工讀數(shù)的渦輪流量計(jì)數(shù)量較多。劉耀煒多次在國家地震流體學(xué)科會(huì)議上分析多種流量計(jì)的工作原理，中國地震局地殼應(yīng)力研究所進(jìn)行了流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)。因?yàn)樽粤骶黧w及管路的特殊性，目前我國地震行業(yè)還沒有成熟推廣的數(shù)字化流量觀測系統(tǒng)。

1.1流量觀測方法

為保證流量觀測系統(tǒng)適用于高溫自流井，首先分析對比壓力式、稱重式、電磁、渦輪、容積式等流量觀測方法(表1)：

表1　不同流量觀測方法對比

1.2流量計(jì)選型

衡水井為無人值守觀測站，產(chǎn)出動(dòng)水位觀測數(shù)據(jù)上報(bào)中國地震臺網(wǎng)中心。適用于該井流量計(jì)選型的首要原則是不影響在運(yùn)行動(dòng)水位觀測，因此不能在管路中增加阻流部件，也不能更改泄流管路。對比表1中的觀測方法，稱重式、電磁式流量觀測方法在觀測精度、穩(wěn)定性、操作性及影響范圍的技術(shù)指標(biāo)適用于衡水井流量觀測。因此，選取數(shù)字化程度高且適用溫度范圍廣的電磁式流量觀測方法來開發(fā)流量觀測系統(tǒng)。

2　流量觀測系統(tǒng)的開發(fā)及測試

流量觀測系統(tǒng)由電磁式流量計(jì)和數(shù)據(jù)采集器2部分組成。

2.1電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)使用的是一體式Endress+HauserProlinePromag 53。基本技術(shù)參數(shù)：直流供電24V；公稱直徑DN80；使用ISO/IEC 17025標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定的滿量程流量25.132 71 L/s；不銹鋼法蘭安裝；耐腐蝕高溫里襯(滿足介質(zhì)溫度80 ℃要求)；不銹鋼電極材料；Modbus RS485通用傳輸協(xié)議；空管報(bào)警技術(shù)(EPD)。

流量計(jì)安裝要求前端直通管路長度大于5倍公稱直徑，流量計(jì)后端直通管路長度大于2倍公稱直徑。電磁流量計(jì)主要參數(shù)設(shè)置如下：[MEASURED VARIABL]UNIT VOLUME FLOW:dm3/min，ON-VAL.LF-CUTOFF:5%，EPD PARAMETER: Standard，[MODBUS RS485] FIELDBUS ADDRESS:24，BAUDRATE:19200BAUD，PARITY:EVEN。

2.2數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，由電源、存儲(chǔ)、通訊、可視化液晶屏等部分組成。支持交、直流供電；存儲(chǔ)分鐘值觀測數(shù)據(jù)的時(shí)間長度不少于1年；采用Modbus RS485通用協(xié)議；液晶屏顯示流量觀測數(shù)據(jù)及儀器運(yùn)行狀態(tài)。軟件為自行設(shè)計(jì)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)校時(shí)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、采集寄存器中的原始觀測數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換并保存數(shù)據(jù)(圖1)。數(shù)據(jù)采集器提供ftp服務(wù)，為便于監(jiān)測中心遠(yuǎn)程操作并檢查儀器狀態(tài)，提供了web頁面查詢管理訪問方式。

圖1　數(shù)據(jù)采集器中的流量數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換軟件

3　流量觀測系統(tǒng)安裝及管路優(yōu)化

3.1衡水井流量觀測系統(tǒng)安裝

衡水井主井管在地面上方1.1 m處由豎直方向變?yōu)樗?，水平管路長3.08 m，水平管的末端與第一副井管相連，泄流口在第一副井管距地面1.6 m處。由于衡水井的水溫較高，因此，該井水位傳感器放置于經(jīng)過2次自然降溫后的第三副井管中。

根據(jù)流量計(jì)的安裝要求和衡水井現(xiàn)場管路情況，安裝位置選在主井管水平方向距彎管2 m處。原水平主井管不再使用，新制作2根全不銹鋼井管，流量計(jì)前端井管長2 m，流量計(jì)后端井管長0.8 m。流量計(jì)通過法蘭與兩端井管連接。流量計(jì)的供電與信號線纜穿過井房至觀測室中機(jī)柜與直流電池及數(shù)據(jù)采集器連接(圖2)。

圖2　衡水井初次安裝流量觀測系統(tǒng)管路平面示意圖(長度單位：mm)

3.2流量觀測系統(tǒng)試運(yùn)行及管路優(yōu)化

衡水井流量觀測系統(tǒng)經(jīng)過室內(nèi)調(diào)試、現(xiàn)場安裝及配置后，開始試運(yùn)行。試運(yùn)行首日，分鐘值流量觀測數(shù)據(jù)在產(chǎn)出一段正常觀測值后出現(xiàn)負(fù)值及零值異常。

針對觀測數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象，進(jìn)行了現(xiàn)場原因分析，發(fā)現(xiàn)流量計(jì)空管報(bào)警提示。空管流量報(bào)警通常是非滿管流量的情況下才出現(xiàn)。衡水井自流近40年，未出現(xiàn)斷流，經(jīng)過現(xiàn)場儀器測試，排除了觀測流量低及儀器故障的可能，分析認(rèn)為管中流體出現(xiàn)了非滿管狀況。結(jié)合衡水井動(dòng)水位值變化快、副管中氣泡比較多的現(xiàn)狀，推測可能是水氣兩相混合導(dǎo)致流量計(jì)電極無法連通出現(xiàn)空管報(bào)警。

基于以上分析，設(shè)計(jì)了管路優(yōu)化方案進(jìn)行水氣分離解決儀器空管報(bào)警問題。重新制作了流量計(jì)前端2 m長的水平井管，由“一”字形直管變?yōu)橹虚g1 m處向下彎曲約26°的“之”字形管(圖3)。重制后井管中的氣體由于密度較液體小易集中在彎曲處，同時(shí)在靠近彎曲前端位置的井管增加安裝排氣管，將井管彎曲處富集的氣體盡快排出。排氣管長2.5 m，基于連通器原理安裝后高度幾乎與3個(gè)副管相平。

優(yōu)化管路之后，進(jìn)入流量計(jì)的井管中流體實(shí)現(xiàn)了氣液分離，達(dá)到流量計(jì)觀測滿管流量要求，空管報(bào)警提示消失，流量觀測恢復(fù)正常。

圖3　衡水井流量觀測系統(tǒng)水氣分離優(yōu)化管路平面示意圖(長度單位：mm)

4　流量數(shù)據(jù)采集與接入

流量計(jì)設(shè)置采樣率為秒值，數(shù)據(jù)采集器經(jīng)過計(jì)算后產(chǎn)出數(shù)據(jù)為分鐘平均值，觀測數(shù)據(jù)單位為dm3/min。流量觀測系統(tǒng)可以設(shè)置地震行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)要求中的儀器序列號、測項(xiàng)代碼、網(wǎng)絡(luò)地址，實(shí)現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)接入中國地震前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

管路優(yōu)化后流量觀測系統(tǒng)產(chǎn)出的數(shù)據(jù)接入前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)后，與相同時(shí)間段內(nèi)第三副井管中的動(dòng)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行對比(圖4)，變化動(dòng)態(tài)一致。

圖4　衡水井2015年8月29日管路優(yōu)化后相同時(shí)間內(nèi)流量(上圖)及動(dòng)水位(下圖)分鐘值曲線

5　討論與結(jié)論

5.1流量觀測系統(tǒng)開發(fā)及測試

開發(fā)適用于高溫自流井的數(shù)字化流量觀測系統(tǒng)，需要考慮自流井流量、觀測環(huán)境、觀測條件、儀器精度等多方面的要求。衡水井的流量觀測系統(tǒng)在對比多種流量觀測方法及分析觀測環(huán)境及條件后，最終確定電磁流量觀測方法進(jìn)行開發(fā)。

電磁式流量計(jì)的工藝適用于高溫環(huán)境，精度滿足觀測要求；數(shù)據(jù)采集器使用模塊化硬件組裝，使用自行設(shè)計(jì)開發(fā)的軟件對流量觀測系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)及管理。

流量觀測系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)基于測試結(jié)果完成設(shè)置，測試過程涉及觀測條件、硬件配置、軟硬件匹配、軟件通訊、網(wǎng)頁服務(wù)器架設(shè)等方面。

5.2流量觀測系統(tǒng)的安裝及管路優(yōu)化

衡水井流量觀測系統(tǒng)安裝過程不增加觀測管路阻流部件，不影響現(xiàn)運(yùn)行動(dòng)水位觀測，保證了動(dòng)水位觀測資料在流量觀測系統(tǒng)安裝前后的一致性。

流量觀測系統(tǒng)初次安裝后產(chǎn)出了負(fù)值及零值異常數(shù)據(jù)，經(jīng)過現(xiàn)場排查分析，基于管中流體氣液兩相混合的特點(diǎn)對管路進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了井管內(nèi)流體氣液分離，解決了空管報(bào)警問題。流量觀測數(shù)據(jù)與同井動(dòng)水位資料進(jìn)行了對比，對于觀測井—含水層應(yīng)力變化的反映更加直觀。

致謝：感謝紅山基準(zhǔn)臺王西龍臺長、高登平副臺長、李成立同志在流量觀測系統(tǒng)安裝方面提供的大力幫助；感謝張子廣副研究員對本文提供的指導(dǎo)意見。

[1]車用太, 魚金子. 試論地下水流量觀測的重要性[J]. 地震, 1991(5): 74-77.

[2]王安濱, 黃振義. 流量異常的統(tǒng)計(jì)特征及其映震效能的綜合評價(jià)[J]. 地震, 1993(6): 35-41.

[3]王安濱, 萬登堡, 楊國軍, 等. 瀾滄—耿馬地震前地下水流量動(dòng)態(tài)的異常特征[J]. 西北地震學(xué)報(bào), 1991, 13(2): 39-44.

[4]張子廣, 盛艷蕊, 馬利軍, 等. 赤城井水溫趨勢轉(zhuǎn)折上升原因分析[J]. 華北地震科學(xué), 2014, 32(2): 50-54.

[5]張春艷. 洛馬普列塔地震可能前兆的詳細(xì)研究[J]. 國際地震動(dòng)態(tài), 1994(3):25-26.

Develop and Application of Fluid Flow Observation System for High Temperature Artesian Well

WANG Jiang1, ZHANG Xiao-gang1, LUO Na2, WANG Jing2, SONG Zhao2

(1. Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China;2.Hongshan Standard Seismic Staiton, Earthquake Administration of Hebei Province, Xingtai 054000, China)

Taking the Hebei Hengshui 78 ℃ temperature artesian well as a test high temperature well, we developed a Fluid Flow Observation System (FFOS) using the electromagnetic flow measurement method. The FFOS is self-developed system which can achieve data validation, acquisition, conversion, storage and access to China Earthquake Precursor Data Management System, also manage remote instrument. Installation and debugging of the FFOS in Hengshui well have repeated pipeline optimization, achieved the gas-liquid separation and solved the empty alarm. The observation data of the FFOS can intuitively reflects the stress changes of the well-aquifer.

Fluid Flow Observation System (FFOS); Hengshui well; high temperature artesian well; pipeline optimization

2015-10-15

中國地震局地震監(jiān)測、預(yù)測、科研三結(jié)合課題(150301)；河北省地震局星火計(jì)劃面上項(xiàng)目(DZ20140711037)

王江(1984—)，男，山西太原人，工程師，主要從事地震流體監(jiān)測與研究．E-mail: wangj@eq-he.ac.cn

P315.7

A

1003-1375(2016)03-0073-04

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.03.013

王江,張曉剛,羅娜．高溫自流井流量數(shù)字化觀測系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(3):73-76.