臨汾井水溫梯度實(shí)驗(yàn)及動(dòng)態(tài)變化分析

張凱靖，張 梅，張聰聰，穆慧敏

(1.臨汾市防震減災(zāi)中心,山西 臨汾 041000；2.山西省地震局臨汾地震監(jiān)測(cè)中心站，山西 臨汾 041000；3.山西省地震局,山西 太原 030021)

0 引言

我國(guó)的地下流體觀測(cè)始于1966年邢臺(tái)MS7.2地震后，20世紀(jì)80年代，高精度石英溫度計(jì)問(wèn)世后開(kāi)始水溫觀測(cè)。截至目前，全國(guó)用于水溫觀測(cè)的井孔有400余口(數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家臺(tái)網(wǎng)中心，不包含未接入國(guó)家地震前兆數(shù)據(jù)庫(kù)的觀測(cè)井)，在我國(guó)的地震前兆監(jiān)測(cè)與地震預(yù)測(cè)實(shí)踐中發(fā)揮重要作用[1-4]。根據(jù)水溫異常變化，捕捉地震前兆信息，已成為地震前兆分析的重要手段。

井孔水溫度主要是地殼由內(nèi)向地表釋放熱量的結(jié)果[5]，水溫傳感器放置深度對(duì)水溫動(dòng)態(tài)特征的影響明顯。水溫梯度變化可直觀反映井水上下交替、甚至含水層橫向水流的基本特征。影響水溫梯度變化的因素較多，主要有井-含水層特性、地下水循環(huán)方式、套管結(jié)構(gòu)、巖性特征等。多年的地震預(yù)測(cè)與研究實(shí)踐表明，井孔水溫在地震短臨預(yù)報(bào)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。觀測(cè)井水溫梯度的變化特征是決定水溫動(dòng)態(tài)變化的主要參數(shù)。對(duì)于一些基礎(chǔ)資料不完整的鉆孔，可通過(guò)對(duì)不同深度水溫梯度變化特征的研究，了解井-含水層性質(zhì)，確定主要涌水段的位置，分析水溫水位同震響應(yīng)特征，判別影響水溫觀測(cè)的主要因素，為數(shù)據(jù)分析與異常判定提供技術(shù)保障[1,6]。

《觀測(cè)井水位校測(cè)與水溫梯度測(cè)量要求(試行)》和《地震地下流體觀測(cè)方法井水和泉水溫度觀測(cè)》(DB/ 49-2012)標(biāo)準(zhǔn)要求，在水溫儀器安裝前應(yīng)對(duì)觀測(cè)井的水溫進(jìn)行溫度梯度測(cè)量，根據(jù)結(jié)果，確定水溫傳感器的投放位置，且傳感器下放層位宜選擇在水溫梯度變化大、水溫背景噪聲小、水溫潮汐效應(yīng)明顯的區(qū)段。臨汾井水溫觀測(cè)于2001年1月開(kāi)始，在周邊幾次中強(qiáng)震前未記錄到異常信息，也無(wú)同震響應(yīng)。為提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，捕捉地震前兆信息，對(duì)臨汾井進(jìn)行升級(jí)改造。按照相關(guān)規(guī)范要求，需進(jìn)行水溫梯度測(cè)試，根據(jù)其動(dòng)態(tài)特征，確定水溫探頭投放最佳位置。研究結(jié)果可為水溫變化動(dòng)態(tài)特征及應(yīng)用水溫梯度反演井孔參數(shù)提供一定的參考。

1 臨汾井概況

圖1 臨汾井周邊地質(zhì)構(gòu)造圖

臨汾井成井于1984年7月，井深600.37 m，觀測(cè)深度511～561 m，觀測(cè)層為第三系上新統(tǒng)砂層孔隙承壓水，水位埋深約42 m。觀測(cè)段含水層采用過(guò)濾管，井口套管直徑127 mm，在井深200 m處變徑89 mm。該井主要受西部山區(qū)和汾河上游補(bǔ)給，向汾河下游排泄，同時(shí)，頂托補(bǔ)給上層承壓水。上新統(tǒng)承壓水承壓性較強(qiáng)，埋藏較淺，封閉性較好，地下徑流路徑長(zhǎng)，水循環(huán)較遲緩。其觀測(cè)層位N2在盆地內(nèi)無(wú)出露，觀測(cè)深度大于當(dāng)?shù)氐拈_(kāi)采深度，不受附近單井開(kāi)采的干擾。多年的觀測(cè)表明，該井不受大氣降水和地表水的直接影響，具有明顯的固體潮汐效應(yīng)和氣壓效應(yīng)(1)王汝雕.臨汾地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)網(wǎng)驗(yàn)收技術(shù)報(bào)告[R]，1986：17.。

2 臨汾井水溫動(dòng)態(tài)特征分析

臨汾井水溫2014年開(kāi)始入網(wǎng)觀測(cè)，探頭下放深度為300 m。自觀測(cè)以來(lái)，水溫與水位變化趨勢(shì)一致，整體呈下降態(tài)勢(shì)，年變規(guī)律不明顯(見(jiàn)圖2)。從水溫的日變規(guī)律來(lái)看，具有明顯的固體潮汐效應(yīng)，影響水溫變化的主要干擾因素為水位校測(cè)時(shí)產(chǎn)生的人為干擾(見(jiàn)圖3)。

圖2 水溫、水位整點(diǎn)值曲線圖

圖3 人為干擾影響下的水溫曲線

3 水溫梯度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

水溫梯度測(cè)試實(shí)驗(yàn)按照《觀測(cè)井水位校測(cè)與水溫梯度測(cè)量要求(試行)》來(lái)實(shí)施(見(jiàn)表1)。臨汾井成井深度600.37 m，2004年洗井后深度小于600 m，考慮洗井時(shí)間較長(zhǎng)、第三系含水層沉沙速度較快的因素，實(shí)驗(yàn)按照井深小于500 m的要求進(jìn)行，在特殊部位采取加密測(cè)量。

表1 不同深度觀測(cè)井的水溫梯度測(cè)量要求

臨汾井水溫梯度測(cè)試實(shí)驗(yàn)于2021年10月15日至11月26日進(jìn)行，試驗(yàn)儀器采用北京中科光大自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的ZKGD3000-N型水溫觀測(cè)儀。該儀器具有測(cè)量精度高、漂移小、信號(hào)傳輸穩(wěn)定等特點(diǎn)，水溫分辨力達(dá)0.000 1 ℃，精度等級(jí)優(yōu)于0.1% F.S，采樣率為1 cpm。

根據(jù)《觀測(cè)井水位校測(cè)與水溫梯度測(cè)量要求(試行)》，井水溫度測(cè)量應(yīng)從水面開(kāi)始至井底。臨汾井目前水位深度為42.5 m左右，第一個(gè)測(cè)點(diǎn)選取在水面位置。水溫傳感器從下放42 m開(kāi)始，井深每增加20 m為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間大于40 min。根據(jù)觀測(cè)井柱狀圖，在含水層和觀測(cè)段進(jìn)行加密測(cè)量，加密觀測(cè)段深度間隔為4～6 m，每個(gè)加密測(cè)點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間大于60 min，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度取水溫穩(wěn)定后31 min的平均值。探頭下放至533 m時(shí)無(wú)法繼續(xù)下放，實(shí)驗(yàn)共測(cè)得38個(gè)測(cè)點(diǎn)的水溫值，計(jì)算得到37個(gè)井段的水溫梯度。第36頁(yè)表2為水溫梯度實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，第37頁(yè)圖4為水溫深度曲線與井孔柱狀圖?？梢钥闯觯疁仉S著井深的增加不斷升高，為正梯度；井深每增加100 m，水溫大約升高2.9 ℃；全井段水溫梯度變化范圍在0.22～7.278 (℃/hm)之間，平均值約2.956 (℃/hm)，與全球地殼地溫平均梯度值3 (℃/hm)基本一致[6]。

圖4 水溫梯度與地質(zhì)柱狀圖

表2 水溫梯度及背景噪聲

4 測(cè)試結(jié)果分析

水溫梯度測(cè)量結(jié)果顯示，在井深70～198 m段，水溫梯度變化穩(wěn)定，在2.586～2.947 (℃/hm)范圍內(nèi)變化，與地殼地溫平均梯度(3 ℃/hm)接近；在198 m～202 m段，溫度梯度較上一測(cè)段增大約0.8 (℃/hm)，從井孔柱狀圖上看，該段巖性為透水性較好的粗砂層；在202 ～290 m段，水溫梯度恢復(fù)到地殼地溫平均梯度 (3 ℃/hm)附近，在2.807 9～3.041 5 (℃/hm)范圍內(nèi)變化，該段地層巖性為亞黏土；在290～294 m段，水溫梯度升高至3.752 9 (℃/hm)，該段地層為含水量較大的中粗砂；在294～310 m段，水溫梯度恢復(fù)到地殼地溫平均梯度附近[6-8]；在310～314 m段，水溫梯度為7.278 (℃/hm)，較上一測(cè)段增加約4.5 (℃/hm)，為此次測(cè)量的最大梯度段，該段地層為含水量豐富的中細(xì)砂；在314～330 m處，水溫梯度下降至1.922 6 (℃/hm)，該段位于水量豐富的中細(xì)砂地層下方；在330～522 m段 ，水溫梯度開(kāi)始重新上升，在2.567 6～3.141 6 (℃/hm)范圍內(nèi)變化，與地溫梯度基本接近，該段大部分位于亞黏土地層；511 m以下為該井的觀測(cè)段，地層為中細(xì)砂層，在510～516 m處水溫梯度較其他井段略低；在522～533 m段，水溫梯度變小，降至0.220 3 (℃/hm)，該段仍處于含水層較豐富的中粗砂層。

根據(jù)前面提及的《測(cè)量要求》和標(biāo)準(zhǔn)(DB/49-2021)，傳感器下放層位宜選擇在水溫梯度變化大、背景噪聲小、潮汐效應(yīng)明顯的區(qū)段。從表2中看出，在井深約198～202 m處，背景噪聲為0.000 78～0.000 09，水溫梯度為3.800 65 (℃/hm)；在290～294 m處，背景噪聲為0.000 27～0.000 057，水溫梯度為3.752 9 (℃/hm)；在310～314 m處，背景噪聲為0.000 75～0.000 04，水溫梯度為7.278 5 (℃/hm)，這三個(gè)井段背景噪聲小、水溫梯度大，適合井水溫觀測(cè)。

為進(jìn)一步確定該井水溫最佳觀測(cè)段，除滿足背景噪聲小、水溫梯度大條件外，還應(yīng)考慮能否記錄到水溫固體潮。為此，筆者對(duì)該井100 m、200 m、300 m、400 m、500 m深度分別進(jìn)行2～4 d不同時(shí)長(zhǎng)的觀測(cè)。結(jié)果表明，在井深200 m處，有水溫固體潮汐現(xiàn)象，水溫日潮差最大為0.09 ℃；在其他實(shí)驗(yàn)井段無(wú)明顯固體潮汐現(xiàn)象。根據(jù)臨汾井多年的水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，在320 m處固體潮汐明顯，日潮差在0.08 ℃左右(見(jiàn)第37頁(yè)圖5至第38頁(yè)圖10)。分析認(rèn)為，臨汾井水溫觀測(cè)最佳深度為200 m左右和320 m左右。從圖6和圖10顯示的水溫固體潮曲線來(lái)看，200 m處固體潮曲線可能受其他因素的影響，畸變現(xiàn)象嚴(yán)重；320 m處固體潮曲線光滑，日變形態(tài)規(guī)律性強(qiáng)，且該深度段水溫梯度大、背景噪聲低，是水溫觀測(cè)較理想的位置。

5 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)臨汾流體觀測(cè)井水溫梯度測(cè)驗(yàn)結(jié)果分析，可得出如下結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

(1) 臨汾井不同深度段水溫測(cè)試結(jié)果顯示，水溫隨井深的增加而增加，為正梯度；井深每增加100 m，水溫大約升高2.9 ℃，水溫梯度平均值約2.956 (℃/hm)。

(2) 不同深度的水溫梯度值和背景噪聲各不相同，在198～202 m、290～294 m和310～314 m深度段背景噪聲小、水溫梯度大。

(3) 在200 m和320 m深度段均記錄到固體潮汐現(xiàn)象，310～314 m處水溫梯度最大，該深度段可能是水溫觀測(cè)的最佳位置。

(4) 從此次水溫梯度測(cè)試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，水溫梯度較大的層位一般在含水層或含水層和隔水層交接位置。據(jù)車用太等通過(guò)對(duì)四川西昌川 03井、北京塔院井的水溫?cái)?shù)據(jù)分析，認(rèn)為不同置深的傳感器記錄到的水溫動(dòng)態(tài)特征存在差異，可能與傳感器所置處的水溫梯度、圍巖熱傳導(dǎo)率及大地?zé)崃魈卣鞯榷喾N因素有關(guān)[7]。在開(kāi)展實(shí)際水溫梯度測(cè)量時(shí)，部分測(cè)段根據(jù)規(guī)范要求，測(cè)量點(diǎn)的密度為20～30 m，不同的地層導(dǎo)熱性差異較大，間距較大的梯度測(cè)量極有可能漏掉較多的觀測(cè)最佳位置。因此，為確定觀測(cè)井的水溫探頭最佳置深，建議對(duì)觀測(cè)井全井進(jìn)行水溫梯度精細(xì)測(cè)量。

臨汾井水溫測(cè)項(xiàng)自觀測(cè)以來(lái)，在測(cè)點(diǎn)附近的幾次中等地震前均未記錄到有效的震兆異常信息，其原因可能與水溫探頭放置不合理有關(guān)，建議在有水溫固體潮記錄的不同深度進(jìn)行同步觀測(cè)。