非自流井水溫傳感器置深對固體潮體應(yīng)變響應(yīng)的影響

陶志剛 劉春國

（中國北京 100045 中國地震臺網(wǎng)中心）

0 引言

井孔水溫觀測在地震預(yù)報(bào)中發(fā)揮著重要作用，特別是在短臨預(yù)報(bào)中起著決定性作用，表現(xiàn)出對地震前兆異常的高靈敏性（車用太等，2005）。利用水溫測項(xiàng)，可觀測到地球動力學(xué)效應(yīng)（由地下水流引起的固體潮效應(yīng)），說明通過觀測井水溫度，同樣能捕捉到地殼應(yīng)力和構(gòu)造活動信息，包括低頻的固體潮和高頻的地震波，可見該測項(xiàng)是比較有效的觀測手段（楊明波等，2015）。水溫潮汐效應(yīng)是水溫對地殼應(yīng)力應(yīng)變信息的直接響應(yīng)（楊竹轉(zhuǎn)，2011）。研究水溫潮汐效應(yīng)，對解釋水溫映震機(jī)制具有重要的指示意義（車用太等，2013）。然而，由于每一口井的井孔自身?xiàng)l件、井—含水層水動力條件、傳感器置深、所處水文地質(zhì)單元、構(gòu)造位置的不同，水溫傳感器對固體潮信息的記錄能力不同。在以上井水溫監(jiān)測效能影響因素中，傳感器置深可以人為控制，易操作且物力成本低。

近年研究結(jié)果表明，水溫傳感器置深不同，所觀測的固體潮效應(yīng)差別較大，如：①同井觀測：楊竹轉(zhuǎn)（2011）對北京塔院非自流井（井深361 m，套管深252 m，觀測層埋深252—361 m）水溫傳感器不同置深（48 m、85 m、130 m、178 m、184 m、187 m）的固體潮效應(yīng)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在130 m以下的4個深度均有潮汐顯示，且184 m處水溫日潮差最大。張慧（2013）對?？赯K26 非自流井水溫傳感器分別置深153 m、336 m、510 m 時水溫微動態(tài)變化進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)傳感器置深不同，對固體潮效應(yīng)、同震響應(yīng)、震后效應(yīng)的記錄能力差別較大；②定量分析：馬玉川（2010）對自流井熱狀態(tài)進(jìn)行分析，由水溫與固體潮體應(yīng)變變化的定量關(guān)系，證明水溫響應(yīng)固體潮的能力主要與含水層貯水率、地溫梯度、井水流量、井孔內(nèi)徑和水溫儀探頭位置等有關(guān)；③多井觀測：馬玉川（2014）對35 個存在水溫潮汐現(xiàn)象的測點(diǎn)進(jìn)行分析（包含自流井和非自流井），認(rèn)為：含水層附近的水溫測點(diǎn)潮汐動態(tài)比其他井段顯著，受地溫影響較大井段，水溫潮汐變化幅度與水溫梯度成正比。然而，從全國層面，對非自流井水溫傳感器最佳觀測位置的相關(guān)研究文獻(xiàn)較少見。

按地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地震地下流體觀測方法—井水和泉水溫度觀測》規(guī)定，水溫傳感器最佳投放位置應(yīng)選擇：①水溫梯度變化大的區(qū)段；②水溫背景噪聲小的區(qū)段；③水溫潮汐變化明顯區(qū)段。確定水溫傳感器最佳置深，應(yīng)結(jié)合含水層埋深及井底深度、井水溫梯度變化、背景噪聲、圍巖熱傳導(dǎo)、淺層地殼熱分布等進(jìn)行綜合考量。

文中以全國地下流體非自流井水溫測點(diǎn)為研究對象，篩選水溫固體潮效應(yīng)顯著的觀測井信息，從水溫傳感器與井深、觀測含水層相對位置關(guān)系進(jìn)行分析，探討井水溫固體潮效應(yīng)的影響因素及水溫傳感器投放的最佳觀測位置。

1 井水溫觀測現(xiàn)狀

在我國地下流體觀測網(wǎng)中，納入國家地下流體臺網(wǎng)中心管理的非自流井水溫測點(diǎn)有306 個（同時開展水位觀測）。通過計(jì)算水溫、水位的潮汐因子和觀測精度指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)同井觀測中，能夠記錄到水位固體潮效應(yīng)的測點(diǎn)有148 個，能夠記錄到水溫固體潮效應(yīng)的測點(diǎn)有17 個（長興島有2 個水溫測點(diǎn)1 和3），占比僅5.6%?？梢姡_展地下流體觀測的每一口非自流井雖然同時配有水位、水溫2 種觀測手段，但同井觀測的水溫測項(xiàng)，即使井孔條件相同，其記錄固體潮效應(yīng)的能力仍比水位測項(xiàng)差得多。為此，從水溫傳感器投放深度討論對固體潮效應(yīng)的影響。

2 傳感器置深與固體潮效應(yīng)的相關(guān)性

選取2019 年3—6 月水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，按水溫固體潮效應(yīng)的顯著程度，將17 個非自流井水溫測點(diǎn)以固體潮“非常顯著”和“一般顯著”分為2 類，統(tǒng)計(jì)相應(yīng)測點(diǎn)傳感器、井深、含水層埋深等信息，結(jié)果見表1。由表1 可知：①記錄到水溫固體潮效應(yīng)的觀測井均能記錄到水位固體潮效應(yīng)；②9 個測點(diǎn)的水溫固體潮效應(yīng)“顯著”，8 個測點(diǎn)的水溫固體潮效應(yīng)“一般顯著”，其中祁縣、長興島、荊州3 個觀測井水溫比水位固體潮效應(yīng)“顯著”（圖1，圖2，圖3），其余觀測井的水位固體潮效應(yīng)更“顯著”；③具有水溫固體潮效應(yīng)的觀測井井深85—3 303 m，多在1 000 m 以內(nèi)，而水溫傳感器置深一般在3—521 m，多分布在400 m以內(nèi)，其中固體潮效應(yīng)“顯著”的祁縣、長興島、荊州井深度分別為410 m、320 m、2 421 m，而其水溫傳感器置深分別為112 m、141.6 m、521 m，可見水溫固體潮效應(yīng)是否顯著與觀測井深度和傳感器埋深無明顯規(guī)律。

圖1 祁縣井水位、水溫固體潮效應(yīng)觀測曲線Fig.1 Water temperature,water level observations of solid tide effect at Qixian well

圖2 長興島井水位、水溫固體潮效應(yīng)觀測曲線Fig.2 Water temperature,water level observations of solid tide effect at Changxingdao well

圖3 荊州井水位、水溫固體潮效應(yīng)觀測曲線Fig.3 Water temperature,water level observations of solid tide effect at Jingzhou well

表1 非自流井水溫固體潮效應(yīng)井的傳感器、井深、含水層埋深信息Table 1 Water temperature sensor,well depth,aquifer buried depth information

為了更為直觀地體現(xiàn)井水溫傳感器投放位置不僅與深度有關(guān)，計(jì)算了傳感器置深與井底深度及與含水層頂板埋深的比值，結(jié)果見圖4。由圖4 可見：①除靜樂井外，水溫傳感器置深與井底深度比值均在0.8 以內(nèi)，說明傳感器所在位置與井底保留充足距離；②除靜樂井、徐州蘇02 井外，水溫傳感器置深與含水層頂板埋深比值均在1.0 以內(nèi)，說明傳感器投放位置在觀測含水層頂板之上，而徐州蘇02 井（水溫固體潮效應(yīng)“一般顯著”）傳感器置于觀測含水層之中，比值為1.1；③水溫固體潮效應(yīng)“顯著”的井，水溫傳感器一般投放在井孔中上部，在觀測含水層頂板之上。靜樂井之所以特殊，是因?yàn)樵摼疄榱严度芏此?，傳感器所在位置地溫梯度變化大，其地溫梯度變化量與含水層滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于其他觀測井。

圖4 水溫傳感器埋深與井底深度和觀測含水層頂板埋深的比值散點(diǎn)圖(a)傳感器埋深與井底深度；(b)傳感器埋深與觀測含水層頂板埋深Fig.4 The ratios of the buried depth of water temperature sensor to bottom hole depth and the buried depth of the observed aquifer roof

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測到水溫固體潮效應(yīng)的傳感器均放置在觀測含水層頂板以上，針對此現(xiàn)象，筆者推導(dǎo)了非自流井水溫固體潮理論計(jì)算公式，試圖解釋該原理。

3 非自流井水溫固體潮理論計(jì)算

假設(shè)有一口非自流觀測井，井孔條件及儀器安裝見圖5 所示。在非自流井觀測中，若去除氣壓、降雨以及場地環(huán)境影響，則對于同一口觀測井，在同一時間，由固體潮效應(yīng)引起的井—含水層之間的水量交替變化（ΔV）是一定的，根據(jù)水位固體潮振幅變化量即可求出井筒中水體積的變化，見公式（1）。若水溫傳感器投放在觀測含水層上方，則流經(jīng)水位傳感器的水的體積與流經(jīng)水溫傳感器處的水的體積理論上應(yīng)相等，見公式（3）。由此可以求出流經(jīng)水溫傳感器處水體積的高度變化，假定觀測含水層在水平方向上地溫梯度為零，根據(jù)傳感器所在位置的垂向地溫梯度，可以求出水溫變化量，見公式（4）、（5）。

圖5 井水溫固體潮變化計(jì)算示意Fig.5 Schematic diagram of well water temperature and solid tide changes

式中，ΔV水位為流經(jīng)水位傳感器的水的體積，ΔV水溫為流經(jīng)水溫傳感器的水的體積，Δh為水位固體潮效應(yīng)振幅變化值，ΔH為流經(jīng)水溫傳感器的水量高度變化，r為水位傳感器所在位置井孔半徑，R為水溫傳感器所在位置井孔半徑（圖5），Δt為水溫傳感器投放處地溫梯度變化，ΔT為理論水溫固體潮變化差值。

以上公式成立需具備以下條件：①水位具有顯著固體潮效應(yīng)；②固體潮體應(yīng)變引起的井孔水體積變化量應(yīng)為流經(jīng)水溫傳感器的體積；③觀測含水層在水平方向上不存在地溫梯度。若滿足以上3 個條件，則由公式（5）可知，水溫固體潮汐變化與水位潮汐幅度Δh、水溫傳感器投放位置地溫梯度Δt和r/R比值平方有關(guān)（通常，r/R＞ 1，一口井會有1—3 次變徑），均成正比關(guān)系。

水溫固體潮變化機(jī)理可以用井—含水層水熱動力學(xué)機(jī)制進(jìn)行解釋。其核心原理是，井水中某一點(diǎn)的溫度變化，是由井—含水層之間與井孔內(nèi)伴隨水流運(yùn)動產(chǎn)生的熱對流作用引起的（車用太，2016）。當(dāng)固體潮應(yīng)力加載含水層，會引起井—含水層之間水量的交替變化，當(dāng)觀測含水層的水流入井孔時，由于井孔下部被水完全充填，沒有流動空間（只存在熱量傳遞），水被迫向上流動，引起水柱高度的變化，若將水溫傳感器投放在觀測含水層上方，則能夠確保固體潮體應(yīng)變引起的井孔水體積變化量全部為流經(jīng)水溫傳感器的水。

因此，非自流井水溫觀測固體潮效應(yīng)是否顯著，應(yīng)優(yōu)先依次滿足以下4 個條件：①水位能記錄到固體潮效應(yīng)；②水溫傳感器投放在觀測含水層上方；③傳感器投放在地溫梯度相對較大位置；④傳感器投放在井半徑較小位置。若r/R比值相對較大，地溫梯度較大，則會出現(xiàn)水溫固體潮比水位固體潮效應(yīng)顯著的現(xiàn)象，例如祁縣井、荊州井、長興島井。以上推理結(jié)果驗(yàn)證了上述現(xiàn)象（非自流井固體潮效應(yīng)顯著的井水溫傳感器在觀測含水層上方）。

4 結(jié)論與討論

綜上所述，水溫傳感器置深不同，對固體潮效應(yīng)產(chǎn)生的影響不同，具體結(jié)論如下。

（1）在非自流觀測井中，水溫固體潮效應(yīng)顯著的井井孔深度多在1 000 m 以內(nèi)，水溫傳感器置深與井底距離相對較遠(yuǎn)，且置于觀測含水層上方。

（2）水溫固體潮效應(yīng)是否顯著，與水位固體潮變化幅度Δh、水溫傳感器投放位置地溫梯度Δt和r/R比值平方有關(guān)，且均成正比關(guān)系。

（3）非自流井中，水溫記錄固體潮效應(yīng)的前提條件依次為：①水位能記錄到固體潮效應(yīng)；②水溫傳感器投放在觀測含水層上方；③傳感器投放在地溫梯度相對較大位置；④傳感器投放在井半徑較小位置。

（4）非自流井中，能監(jiān)測到水位固體潮信息的觀測井占比約48.4%，而監(jiān)測到水溫固體潮信息的井僅占比約5.6%，若按照上述條件，重新調(diào)整水溫傳感器置深，井水溫記錄固體潮信息的能力可能會得到提升。

井水溫能監(jiān)測到固體潮效應(yīng)不是監(jiān)測預(yù)報(bào)效能好的充要條件，文中提出的水溫傳感器最佳觀測條件僅適用于具有固體潮效應(yīng)的水溫測點(diǎn)，是否能夠提高監(jiān)測預(yù)報(bào)效能，尚需對地震效應(yīng)顯著的井水溫測點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)研究。

文中公式成立的前提是，井孔條件處于理想狀態(tài)下，現(xiàn)實(shí)中固體潮理論計(jì)算公式還應(yīng)考慮傳感器所在圍巖導(dǎo)熱率，不同地區(qū)、不同深度、不同地層的導(dǎo)熱系數(shù)不同，實(shí)際計(jì)算難度大，且水溫傳感器位置一旦固定將不能隨意改變，因此傳感器所在圍巖導(dǎo)熱系數(shù)是相對固定不變的，文中計(jì)算的水溫固體潮變化均為相對變化量，圍巖導(dǎo)熱系數(shù)的影響相對較小。