天津漢1井水溫固體潮畸變增多異常機理研究

王熠煕　邵永新　李悅　孫小龍　李赫　劉雙慶

摘要：針對天津漢1井水溫固體潮畸變連續(xù)增多現(xiàn)象，從水溫對比實驗、氣壓影響、水化學分析等方面分析了畸變特征和異常機理。結(jié)果表明：①水溫固體潮畸變的深度位于220～255 m，且水溫畸變多發(fā)生在水溫固體潮低潮期、水位固體潮高潮期；②當氣壓出現(xiàn)大幅突變時可能對水溫固體潮產(chǎn)生相關(guān)影響；③漢1井水化學組分具有明顯的海相沉積特點，且漢1井具有聚集油氣的構(gòu)造條件，觀測層位于當?shù)赜蜌鈱拥漠a(chǎn)氣層深度；綜合貝尼奧夫應變結(jié)果分析認為，漢1井水溫固體潮畸變的連續(xù)增多實質(zhì)是逸出油氣增多的表現(xiàn)，是漢1井-含水層系統(tǒng)在區(qū)域構(gòu)造作用力下的一種響應。

關(guān)鍵詞：漢1井；水溫；固體潮畸變；油氣；異常機理；天津

中圖分類號：P315.723文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2023）04-0503-08

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2023.0032

0引言

水溫觀測作為地震地下流體的一種主要前兆觀測手段，可以記錄到豐富的水溫微動態(tài)信息。以水溫變化作為地震前兆的震例在國內(nèi)外研究中已經(jīng)得到認可（Mogi et al，1989；車用太等，1996，2008；馬玉川等，2010；梁瑩等，2016；付虹等，2020）。水溫的固體潮效應是對地殼應力-應變信息靈敏響應的重要標志，但位于不同水文地質(zhì)條件與區(qū)域構(gòu)造的水溫觀測井孔，其水溫固體潮在震前的異常特征并不相同。深入分析水溫固體潮異常的產(chǎn)生機理，有助于加深在地下應力狀態(tài)調(diào)整情況下井-含水層系統(tǒng)對固體潮響應的認識（Rosaev，Esipko，2003；Esipko，Rosaev，2007），明確地下水溫度對地殼應力-應變的響應能力（Furuya，Shimamura，1988；Kitagawa et al，1996）。

天津漢1井是一口廢棄的石油井，1982年7月開始水位觀測。觀測期間資料變化穩(wěn)定，固體潮清晰，但觀測結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)比較好的前兆異常，后由于各種原因于2010年停測。2014年10月，該井重新啟用，開展水位和水溫觀測。在觀測過程中發(fā)現(xiàn)，水溫觀測曲線經(jīng)常出現(xiàn)畸變，而水位觀測正常。在以往觀測中早已發(fā)現(xiàn)漢1井有逸出油氣現(xiàn)象，通過查閱油井產(chǎn)油量、油氣比、產(chǎn)氣量等相關(guān)研究（劉元生等，2000；王瑞麗等，2004）發(fā)現(xiàn)，地震前這些指標常出現(xiàn)上升異?，F(xiàn)象。對比漢1井水溫的這種固體潮畸變，認為其很可能是一種類似異常現(xiàn)象。但這種現(xiàn)象的特殊之處在于引起了水溫觀測曲線的畸變，而且隨著資料的不斷積累，發(fā)現(xiàn)水溫畸變次數(shù)的連續(xù)增多與周邊的中等地震似乎有一定關(guān)聯(lián)。鑒于此，本文擬從水溫對比實驗、氣壓突變、水化學特征、井孔構(gòu)造位置、構(gòu)造應力變化等方面開展研究，探討漢1井水溫固體潮畸變連續(xù)增多異常的成因機理。

1觀測井及觀測資料概況

漢1井位于天津市濱海新區(qū)，東距渤海灣約1 km，周圍為第四系沉積平原，地勢開闊。構(gòu)造上，漢1井位于北塘凹陷內(nèi)，北距漢沽斷裂約11 km，南距海河斷裂約20 km，與茶淀斷裂和塘北斷裂相距約9 km（圖1）。漢1井井深3 303 m，是一口石油廢井，射孔深度在2 688～2 713 m，觀測段井徑324 mm，過水段井徑140 mm（圖2），巖性為古近系沙河街組砂礫巖、細砂巖。井水上面漂有一層厚約3 m的清質(zhì)油，水質(zhì)為單一氯化鈉型，屬孔隙、裂隙承壓水。井孔觀測層的深度近3 km，除地熱、油田開采等外，一般的民用、工業(yè)用水的開采很難達到這一深度（邵永新等，1996）。新生界蓋層西南部最厚可達5 km，其它地區(qū)不超過2 km，其中第四系厚約400 m，向東部厚度逐漸增大。由于該井地處濱海平原，多次海侵使淺部形成廣布的咸水（李兵巖，2016）。對該井1982年7月以來的水位觀測資料進行分析，并沒有發(fā)現(xiàn)較好的震前異?，F(xiàn)象。2014年在井內(nèi)安裝了SWY-1A型水位儀、SZW-1A水溫儀，水位探頭位于72 m深處，水溫探頭位于245 m深處。

2水溫畸變特征分析

2.1水溫畸變相關(guān)特征

漢1井自2014年12月開始水溫觀測以來，能夠記錄到固體潮變化，但經(jīng)常出現(xiàn)畸變現(xiàn)象。以2015年1月7—8日水溫資料為例，水溫在7日變化正常，但在8日出現(xiàn)了2次畸變（圖3a）。水溫畸變出現(xiàn)時間多在潮汐的低潮期間。這種畸變每天出現(xiàn)的次數(shù)有多有少，最多可達到十幾次。與水位觀測資料相比（圖3b），固體潮雖有一定相位差，但水溫畸變基本都出現(xiàn)在水位對應的固體潮高潮期。測量結(jié)果表明，在能夠觀測到水溫畸變的深度段（220～255 m），能夠清楚地觀測到類似畸變（圖3a、c～f），而在這深度段之上或之下（圖3g、h），沒有發(fā)現(xiàn)明顯畸變現(xiàn)象。

2.2水溫對比觀測

2014年12月15日13時37分，在水溫梯度測量過程中，向井內(nèi)投入直徑約5 cm的石子，隨后聽到井內(nèi)有連續(xù)冒氣泡的聲音，發(fā)現(xiàn)水溫觀測曲線發(fā)生大幅度起伏變化，并出現(xiàn)持續(xù)2 h的低值起伏變化，同時水位也出現(xiàn)下降現(xiàn)象（圖3i、j）。這種水溫畸變不可能完全是由石子投入所致，可能也與井中逸出油氣有關(guān)。

2017年12月21日在井中重新安裝了一套水溫儀（ZKGD-3000NL），與現(xiàn)有水溫儀進行同層對比觀測。2套水溫儀都觀測到了同步畸變現(xiàn)象，不同的是新安裝儀器畸變幅度小一些

（圖3k、l）。因此，判定該現(xiàn)象是一種真實現(xiàn)象。表1列出了不同深度測量過程中資料穩(wěn)定后24 h分鐘值差分后的均方差σ和水溫背景噪聲值ΔX。從表1可見，220～255 m的σ和ΔX最小，其水溫觀測曲線能夠記錄到清晰的固體潮變化（圖3a、c～f）。

2.3水溫梯度分析

從漢1井100～580 m深度范圍內(nèi)的水溫和梯度測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，井水溫隨深度的增加而增大（圖4a），近似于線性增加，不存在負梯度的溫度異常區(qū)（圖4b）。因此，井水溫反映的固體潮周期形態(tài)是依賴于固體潮導致的水位升降而變化的。同時，僅在220～255 m可以觀測到水溫以及固體潮的畸變現(xiàn)象，說明在此深度內(nèi)，隨著水位的上升或者下降，帶來的溫度變化最快，水溫因固體潮周期波動更加明顯，受背景噪聲影響最小，與水位的潮汐波動相關(guān)程度最高。

3水溫畸變頻次增多機理分析

3.1干擾因素對水溫畸變的影響

漢1井水溫畸變次數(shù)時多時少，降水和氣壓引起的載荷變化會對水溫微動態(tài)產(chǎn)生一定影響。從漢1井水溫畸變特征方面分析，畸變幾乎每天都有，一個月中僅幾天無畸變，但當?shù)亟邓⒉皇敲刻於加校虼私邓退疁鼗儫o對應關(guān)系。從氣壓年動態(tài)方面分析，氣壓數(shù)據(jù)具有冬高夏低的變化特征，但漢1井水溫畸變次數(shù)沒有這種特征。從氣壓微動態(tài)方面分析，短時間內(nèi)氣壓的突變可能對水溫觀測有一定影響。圖5a-1顯示2017年6月2日5—15時漢1井氣壓的變化情況，氣壓從11時48分到12時49分出現(xiàn)明顯的起伏變化，同時水位出現(xiàn)上升變化（圖5a-2），水溫也出現(xiàn)了一次畸變（圖5a-3）。這個畸變既像油氣逸出引起的畸變，又像氣壓滯后效應引起的水位、水溫變化。2017年12月2日0—15時漢1井水溫出現(xiàn)多次畸變（圖5b-3），且水位和水溫呈負相關(guān)變化（圖5b-2），但同時段無氣壓突變情況（圖5b-1）。鑒于此，筆者推斷漢1井水溫畸變不是由氣壓變化所致。

除降水、氣壓對水溫畸變有影響外，同井水位校測、儀器調(diào)試、電壓不穩(wěn)、同震響應等也可能導致水溫畸變，廖麗霞（2019）對因上述干擾影響出現(xiàn)的水溫異常形態(tài)及成因進行了系統(tǒng)研究，筆者參考其研究結(jié)果對這幾個因素進行了逐一排除，認為漢1井水溫畸變不是由以上干擾因素引起的。

3.2油氣井震前異常與漢1井水溫畸變

在油田地震觀測中，震前曾有大量井孔出現(xiàn)產(chǎn)油量、產(chǎn)液量、產(chǎn)氣量、油氣比等異常，且異常一般都是以上升為主（于海力，1998）。從油井的構(gòu)造角度分析，因其位于坳陷中的凸起位置，油或氣比水輕，油氣總是處于含油層的上部，且具有向上運移的特點，一旦受到外力作用該現(xiàn)象更明顯。如果漢1井水溫畸變是由逸出油氣所致，那么畸變數(shù)量多可認為是逸出的油氣多，畸變數(shù)量少可認為是逸出的油氣少。漢1井出現(xiàn)的水溫畸變數(shù)量和油井產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量等在震前出現(xiàn)的異常相類似，因此可能與地震的孕育和發(fā)生有關(guān)系（邵永新等，2020）。自2014年12月漢1井開始正式觀測以來，其水溫共出現(xiàn)6組固體潮畸變連續(xù)增多異常，對應了周邊250 km范圍內(nèi)M_L≥4.0地震6次，其R值為0.48，R₀值為0.44。因此，結(jié)合漢1井井孔條件和構(gòu)造位置分析，認為漢1井水溫固體潮畸變的連續(xù)增多異常與油氣井震前異常的作用機理相似。

3.3水化學分析

漢1井井水上面漂浮一層厚約3 m的清質(zhì)油，再次采集水樣十分困難。因此筆者采用1985年漢1井的水質(zhì)分析結(jié)果，以及同處濱海新區(qū)的塘23井和徐莊子井水樣開展水化學對比分析。塘23井井深2 723 m，徐莊子井井深100 m，為咸水層流體觀測井。從圖6a可以看出，漢1井、徐莊子井水質(zhì)類型均為Na-Cl型，塘23井水質(zhì)類型為Na-Cl-HCO₃型；漢1井和徐莊子井水質(zhì)曲線形態(tài)較為相似，表明這兩口井的補給來源較為相似；塘23井水質(zhì)曲線形態(tài)與其它2口井的差異較大，說明補給來源與它們存在一定差異。圖6b顯示徐莊子井和漢1井均位于“部分成熟水”范圍內(nèi)，表明其地下水的補給來源中除了大氣降水外，還有較深層地下水的混入，水-巖反應相對較弱，水流系統(tǒng)相對較為穩(wěn)定，不易受到干擾；而塘23井水樣位于“完全平衡水”范圍內(nèi)，說明其地下水的水-巖反應較為充分，補給來源主要來自于深層地下水，大氣降水補給少。為了分析其形成特征，分別計算了3口井的γNa⁺/γCl^-和γMg²⁺/γGa²⁺等水化學特征參數(shù)。由表2可見，漢1井和徐莊子井水γNa⁺/γCl^-比值在1左右，而γMg²⁺/γGa²⁺比值在5.5左右，具有明顯的巖鹽溶濾水和海相沉積的特點。這與漢1井作為近海油氣井的水文地質(zhì)及水化學背景相吻合。

3.4漢1井所處構(gòu)造位置分析

漢1井逸出油氣現(xiàn)象類似于井水中的翻花冒泡宏觀異常，較為常見，但針對水溫固體潮畸變現(xiàn)象的相關(guān)研究較少，因此，本文從構(gòu)造背景方面對其進行分析。漢1井位于北塘凹陷內(nèi)，北塘凹陷是受滄縣隆起和燕山褶皺帶兩構(gòu)造單元所控制的中生界、新生界沉積斷陷盆地，可劃分出6個正向構(gòu)造帶和6個負向構(gòu)造帶，漢1井位于大神堂構(gòu)造帶上。從生儲蓋組合上看，該區(qū)地層齊全、砂體發(fā)育，漢1井在鉆遇砂巖以下地層時見油斑（圖7）。從對北塘凹陷的探測結(jié)果看，該區(qū)天然氣的產(chǎn)出層位較多，分布廣泛，其中尤以沙三段為主要產(chǎn)氣層位，主要成份為CH₄（高錫興，2004）。而漢1井的觀測層正是北塘凹陷內(nèi)主要的產(chǎn)氣層。由此分析，漢1井具有逸出石油氣的條件，且漢1井上覆清油樣品經(jīng)燃燒實驗證明其主要成分確實為CH₄。

從油井的構(gòu)造位置分析，一般是在坳陷中的凸起位置上才能滿足油田生、儲、蓋的基本條件，且天津地區(qū)的油層多是油、氣、水的綜合體，既含油氣、也含水。石油井的氣泡逸出多數(shù)情況下是有機因素，而氣泡逸出多少、快慢則與油層的孔隙壓力、滲流條件有關(guān)。地震孕育時地殼應力作用于油層，在彈性范圍內(nèi)，油層巖石孔隙體積發(fā)生彈性變化；當超過彈性界限時，油層的巖石破裂產(chǎn)生新的裂隙，巖石的孔隙、裂隙體積發(fā)生變化，使得油層孔隙壓力、滲流條件隨之發(fā)生變化，并導致油井的產(chǎn)量、井壓、油氣比等發(fā)生異常變化（楊馬陵等，2011）。因此，含油氣層無論是受到張、壓還是振動等的作用，都會使其中油氣脫離孔隙、裂隙進入井中，致使井中油氣逸出量增大。邵永新等（1993）、張德元和趙根模（1985）、張德元等（1995）通過研究大港油田、華北油田、勝利油田以及遼河油田的油井觀測資料發(fā)現(xiàn)，一些地震前曾多次出現(xiàn)油氣比、產(chǎn)氣量等的上升異常。結(jié)合漢1井所處構(gòu)造條件分析，認為漢1井水溫所出現(xiàn)的水溫畸變現(xiàn)象很有可能也是含油層內(nèi)油氣向外釋放的結(jié)果。

3.5天津地區(qū)貝尼奧夫應變分析

應變與構(gòu)造應力以及地震活動是緊密聯(lián)系的。為了分析漢1井是否具有反映構(gòu)造應力變化的背景，筆者采用貝尼奧夫應變（Benioff，1951）計算了天津地區(qū)地震應變能的釋放情況（張小濤等，2011），其計算公式為（時振梁等，1997）：

ε_b（t）=∑10^{（4.8+1.5M）/2}（1）

式中：ε_b（t）為以t時刻為中心的0.1^a之內(nèi)的貝尼奧夫應變積累，即某一地區(qū)0.1^a內(nèi)所有大于M級地震對應變釋放的貢獻；M為震級。

筆者采用1980—2021年天津周邊M_L≥2.0地震進行應變計算，結(jié)果顯示漢1井所處位置為高應力集中區(qū)域（圖8）。結(jié)合前述對漢1井構(gòu)造位置的分析，認為漢1井水溫固體潮畸變的連續(xù)增多現(xiàn)象，實質(zhì)是由應力集中作用下油氣的連續(xù)快速逸出導致，反映了構(gòu)造應力活動的調(diào)整。自2014年漢1井正式觀測以來，在其周邊250 km范圍內(nèi)發(fā)生的M_L≥4.0地震前多次出現(xiàn)了水溫固體潮畸變連續(xù)增多現(xiàn)象。綜合分析認為，漢1井水溫畸變頻次的連續(xù)增多一定程度上能夠反映其周邊構(gòu)造應力的調(diào)整情況。

4結(jié)論

本文從觀測背景、水溫畸變特征、氣象因素影響、水化學特征、構(gòu)造位置、構(gòu)造應力等方面對天津漢1井水溫固體潮畸變增多現(xiàn)象進行了研究，得到以下主要結(jié)論：

（1）分析漢1井所處構(gòu)造位置得出，漢1井是一口廢棄的油井，具有聚集油氣的構(gòu)造條件，且觀測層確實位于當?shù)赜蜌鈱拥漠a(chǎn)氣層深度。漢1井水溫固體潮畸變頻次的連續(xù)增多現(xiàn)象與震前油井產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量的增大現(xiàn)象相類似。結(jié)合天津地區(qū)貝尼奧夫應變、漢1井周邊250 km范圍內(nèi)ML≥4.0地震及其所處構(gòu)造位置分析認為，水溫固體潮畸變連續(xù)增多異常是漢1井井-含水層系統(tǒng)對構(gòu)造應力調(diào)整的一種響應。

（2）漢1井水溫畸變多發(fā)生在水溫固體潮的低潮期、水位固體潮高潮期，這說明油氣在油氣層受到擠壓后逸出；而水位與水溫呈反相關(guān)變化，即水位上升時水溫下降，水溫畸變均以溫度下降為主要特征。梯度測量并未發(fā)現(xiàn)負梯度現(xiàn)象，而水位、水溫卻發(fā)生反向變化。這種現(xiàn)象有可能為漢1井在水溫觀測中提供一種“特殊的”異常識別方法。由于觀測時間尚短，還需要資料的進一步積累，才可從畸變特征上判定這種變化是否為一種異?，F(xiàn)象，同時才能對該現(xiàn)象的異常判定指標進行歸納總結(jié)。

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Research on the Abnormal Mechanism of Increasing Solid Tide Distortion

in Water Temperature of Well Han 1 in Tianjin

WANG Yixi SHAO Yongxin LI Yue SUN Xiaolong LI He LIU Shuangqing

（1.Tianjin Earthquake Agency，Tianjin 300201，China）

（2.National Institute of Natural Disaster Prevention and Control，Ministry of Emergency Management，Beijing 100085，China）

Abstract

In view of the continuous variation of the water temperature in well Han 1 caused by the solid tide，we do experiment to compare the water temperature，analyze the air pressure effect and hydro－chemicals，etc.to find out the variation characteristics and the abnormal mechanism of the water temperature in the well.The results show that：① The depth of water temperature solid tide distortion is located at 220-255 m，and water temperature distortion mostly occurs during the low tide period of water temperature solid tide and the high tide period of water level solid tide；② The abrupt changes of air pressure may have an influence on the water-temperature variation to some extent；③ The hydrochemical composition in well Han 1 has marine sedimentary characteristics.Well Han 1 is located in the structural environment which is able to accumulate oil and gas，and the observational span of well Han 1 reaches the depth of the oil and gas layer.The continuous variation of water temperature in well Han 1 is a result from the increase of escaped oil and gas，and it is also a response of the well－aquifer system to the regional tectonic forces.

Keywords：well Han 1；water temperature；continous variation；oil and gas；abnormal mechanism；Tianjin