地?zé)峋樗囼?yàn)中靜水位埋深的確定

王玲麗

【摘要】抽水試驗(yàn)是目前確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)，了解水文地質(zhì)條件的主要方法，抽水前測(cè)得的靜水位埋深，是未開(kāi)采前保持的靜止水位埋深，即水溫自上而下逐漸增高的水柱，它不代表抽水狀態(tài)下的靜水位埋深，必須修正成抽水時(shí)上下形成統(tǒng)一熱力場(chǎng)的熱水頭靜水頭埋深，才能與觀察的水位埋深、水量、水溫相匹配進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。本次通過(guò)德熱DR46井野外抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例闡述進(jìn)行抽水試驗(yàn)過(guò)程中水溫、動(dòng)水位、恢復(fù)水位的變化特點(diǎn)，并通過(guò)三種方法對(duì)確定靜水位埋深值進(jìn)行了分析與論述。

【關(guān)鍵詞】地?zé)峋?；抽水試?yàn)；靜水位埋深

靜水位測(cè)量是抽水試驗(yàn)過(guò)程中的一項(xiàng)重要工作。淺水井的靜水位是抽水前的穩(wěn)定水位，抽水過(guò)程中，動(dòng)水位呈一直下降趨勢(shì)，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。而地?zé)峋樗囼?yàn)中，抽水開(kāi)始后動(dòng)水位首先快速下降，然后又向上回升，抽水試驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間后，水溫升到一定值，其上升速度明顯變慢，并逐漸穩(wěn)定。

本次通過(guò)抽水試驗(yàn)資料整理與分析來(lái)確定地?zé)峋徐o水位的埋深。

一、試驗(yàn)井基本情況

（一）成井情況

以山東省魯北地質(zhì)工程勘察院施工的德熱DR46井為例，該孔位于山東省德州市地?zé)崽?，完井深?536.33m，目的層為新近紀(jì)館陶組，含水層段1319.00～1525.00m，含水層總厚176.00m，通過(guò)洗井試水證明成井質(zhì)量較好，抽水后井口出水溫度57.0℃，單井涌水量92.24m3/h。

（二）抽水試驗(yàn)情況

抽水試驗(yàn)前進(jìn)行了穩(wěn)定水位觀測(cè)，其初始水位埋深75.20m。于2016年8月6日6時(shí)00分至2016年8月9日14時(shí)00分，對(duì)DR46井進(jìn)行了三個(gè)落程的抽水試驗(yàn)及水位恢復(fù)試驗(yàn)。提水設(shè)備采用井用潛水泵，下入孔內(nèi)深度120m。大落程（S1）自2016年8月6日6時(shí)00分至2016年8月8日8時(shí)00分，總抽水時(shí)間50.0h，穩(wěn)定48.0h，降深14.38m時(shí)水量92.24m3/h；大降深后停泵做動(dòng)水位恢復(fù)工作，水位恢復(fù)速度快，停止抽水后2h，動(dòng)水位即恢復(fù)到初始水位，說(shuō)明地下水的徑流補(bǔ)給速度較快。中落程（S2）自2016年8月8日18時(shí)至2016年8月9日4時(shí)00分，總抽水時(shí)間10.0h，穩(wěn)定8.0h，降深7.23m時(shí)水量78.74m3/h；小落程（S3）自2016年8月9日5時(shí)至2016年8月9日14時(shí)，總抽水時(shí)間9.0h，穩(wěn)定8.0h，降深4.49m時(shí)水量66.89m3/h，結(jié)束抽水工作。

二、抽水試驗(yàn)的特點(diǎn)

（一）水溫的變化

開(kāi)始抽水后，井筒內(nèi)的水首先被抽出，形成壓差后儲(chǔ)層熱水涌入井筒內(nèi)，井口水溫首先快速上升，達(dá)到一定溫度后上升速度變緩。在抽水中，井筒內(nèi)的熱水向周?chē)貙由?，隨著時(shí)間的推移，井壁周?chē)貙拥臏囟扰c井筒內(nèi)的水溫越來(lái)越接近，當(dāng)井筒內(nèi)的熱水向地層散熱平衡穩(wěn)定以后，井口出水溫度也開(kāi)始保存衡溫狀態(tài)。井口水溫從抽水開(kāi)始至衡溫的時(shí)間需要幾及十幾個(gè)小時(shí)甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。德熱DR46井抽水前井口水溫為31.5℃，第3、5、7、10分鐘后水溫分別是36.4℃、42.8℃、48.6℃、50.5℃，直至抽水3小時(shí)后井口水溫穩(wěn)定在57.0℃，見(jiàn)圖1。

（二）動(dòng)水位的變化

地?zé)峋樗囼?yàn)中，一般情況下，抽水開(kāi)始后動(dòng)水位首先快速下降，然后又向上回升。這是由于水溫快速上升，井筒內(nèi)水的密度變小，造成水位升高。且這一溫度引起的水位上升速度又大于抽水造成的水位下降速度，因而動(dòng)水位表現(xiàn)為回升。抽水試驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間后，動(dòng)水位也表現(xiàn)為趨于平穩(wěn)或逐漸下降，對(duì)穩(wěn)定流來(lái)說(shuō)，動(dòng)水位最終趨于穩(wěn)定，見(jiàn)圖1。動(dòng)水位由抽水開(kāi)始至最后穩(wěn)定需要的時(shí)間與含水層特征、涌水量大小有關(guān)。當(dāng)涌水量很大時(shí)，穩(wěn)定動(dòng)水位值一般大于開(kāi)始下降的最低值，而當(dāng)涌水量較小時(shí)，則小于開(kāi)始下降的最低值甚至回升后直接趨于穩(wěn)定。

（三）恢復(fù)水位的變化：地?zé)峋Ｖ钩樗螅捎诘貙訅翰畹淖饔?，水位短時(shí)間內(nèi)將快速上升，當(dāng)回升至一定高度后速度變緩。此時(shí)，井筒中的水因向地層散熱，造成溫度降低而密度增大，導(dǎo)致水柱高度下降。當(dāng)下降速度大于水位回升的速度時(shí)，水位則下降，直至井筒中水的溫度與地層溫度基本等同，靜水柱壓力與地層壓力保持平衡，此時(shí)的水位即為穩(wěn)定靜水位，這一過(guò)程往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間。德熱DR46井水位幾分鐘內(nèi)快速上升，第15分鐘水位恢復(fù)到最高點(diǎn)64.40m后，恢復(fù)速度變緩，直至120分鐘后趨于穩(wěn)定，見(jiàn)圖2。

三、靜水位的選擇

抽水前測(cè)得的水位，是未開(kāi)采前保持的穩(wěn)定靜水位埋深，不能代表抽水狀態(tài)下的靜水位埋深。德熱DR46井抽水前測(cè)得的靜水位埋深（75.20m），為地?zé)峋樗畷r(shí)的假水位，其原因主要是：抽水前的靜水位是長(zhǎng)期保持的穩(wěn)態(tài)水位，此時(shí)井筒中水柱的水溫是自上而下逐漸增高，頂部可以認(rèn)為是恒溫帶溫度，底部是熱儲(chǔ)層溫度，而長(zhǎng)時(shí)間抽水后，井筒內(nèi)水的溫度基本是一致的，等于地?zé)峋€(wěn)定井口出水溫度，略低于熱儲(chǔ)層中部溫度。如果直接采用穩(wěn)定靜水位計(jì)算水位降深值，因其與最后的動(dòng)水位值處于不同溫度狀態(tài)下，該降深值誤差較大。因此，要將穩(wěn)定靜水位值換算為穩(wěn)定水溫時(shí)的水位值。下面則通過(guò)三種方法來(lái)確定靜水位埋深：

方法一：停泵后，立即觀測(cè)恢復(fù)水位，由于熱儲(chǔ)層的高壓力，動(dòng)、勢(shì)能量的轉(zhuǎn)換，當(dāng)水位恢復(fù)到最高點(diǎn)，即熱水頭高度，此時(shí)測(cè)得的最高水位近似等于地?zé)峋€(wěn)定出水溫度下的靜水位數(shù)據(jù)。一般我們都通過(guò)這個(gè)方法來(lái)粗略確定其抽水中靜水位埋深值。德熱DR46井停泵后進(jìn)行恢復(fù)水位觀測(cè)，15分鐘后出現(xiàn)熱水頭埋深（64.40m），此值近似等于靜水位埋深，可以用于計(jì)算水位降深。

方法二：作圖法也可求得靜水位埋深值，即用三次降深的動(dòng)水位（H），與涌水量（Q）作H=f（Q）曲線(xiàn)，曲線(xiàn)交于縱軸涌水量為零時(shí)，便是熱水靜水位埋深，此法簡(jiǎn)便、真實(shí)、實(shí)用。見(jiàn)圖3，德熱DR46井的H=f（Q）曲線(xiàn)，交于縱軸時(shí)，靜水位埋深為64.20m。

方法三：公式計(jì)算法

考慮地?zé)峋坏淖兓饕撬灰鸬模瑫r(shí)溫度又是改變密度值的主要因素，雖然水流磨阻及水礦化度等也有影響，這里不予考慮。根據(jù)液體壓強(qiáng)原理，利用抽水前測(cè)溫資料，水位校正（換算到熱儲(chǔ)層平均溫度），可用公式（1）進(jìn)行校正。

將表1數(shù)值帶入公式1求得靜水位埋深為64.03m。這與恢復(fù)水位觀測(cè)15分鐘后出現(xiàn)的熱水頭埋深64.40m相差0.37m，這是觀測(cè)誤差、觀測(cè)時(shí)差或測(cè)溫誤差所造成的。

通過(guò)對(duì)比（表2），綜上三種方法所確定的靜水位埋深值均相差不大，其中方法一當(dāng)水位恢復(fù)到最高點(diǎn)時(shí)觀測(cè)熱水頭高度，是最簡(jiǎn)便、最實(shí)用的，當(dāng)沒(méi)有恢復(fù)水位觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，我們亦可采用后兩種方法求得靜水位埋深值。

四、結(jié)論及存在問(wèn)題

德州地區(qū)中低溫?zé)崴€(wěn)態(tài)靜水位，都低于抽水時(shí)動(dòng)態(tài)條件下靜水位，本文給出的靜水位經(jīng)驗(yàn)公式，是符合實(shí)際情況的，非自留熱水井更適宜應(yīng)用。抽水試驗(yàn)過(guò)程中地下熱水動(dòng)力性質(zhì)的分析與解釋?zhuān)窘沂玖酥械蜏氐叵聼崴奶卣鳌?/p>

由于筆者水平有限，文中雖對(duì)地?zé)崴樗话悻F(xiàn)象作了討論，但仍存在很多疑難問(wèn)題，如不同深度，不同地層條件下水溫、水位、水量、壓力、密度等，它們的內(nèi)在變化關(guān)系參數(shù)公式的選用和計(jì)算等，在實(shí)際運(yùn)用中是有一定難度的。

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