盛艷蕊,張子廣,張素欣,呼晶磊

(1.河北省地震局,石家莊 050022;2.滄州市地震局,滄州 061001)

黃驊井水位水溫同步反向變化成因分析

盛艷蕊1,張子廣1,張素欣1,呼晶磊2

(1.河北省地震局,石家莊 050022;2.滄州市地震局,滄州 061001)

黃驊井水位2006年以來(lái)出現(xiàn)多次快速上升變化,水溫有同步或滯后下降。通過(guò)水位加卸載試驗(yàn)和井管水體溫度梯度測(cè)量,結(jié)合井孔水文地質(zhì)條件,分析認(rèn)為黃驊井水位快速上升變化多數(shù)是外界環(huán)境影響引起,水溫在水位大幅度快速上升變化時(shí)產(chǎn)生的同步或準(zhǔn)同步下降,是次生效應(yīng),冷水下滲說(shuō)對(duì)其有較為合理的解釋。

黃驊井;水位;水溫;同步反向變化

0 引言

黃驊井水位2006年以來(lái)出現(xiàn)多次快速上升變化,水溫有同步或滯后下降的變化,水位快速上升、水溫下降有別于同震效應(yīng),這種現(xiàn)象在靜水位觀測(cè)中并不多見(jiàn)。資料分析及各類(lèi)震情會(huì)商將該井水位、水溫準(zhǔn)同步反向變化列為異常予以跟蹤,并進(jìn)行了環(huán)境因素調(diào)查,如油田注水、地面沉降等因素,排除了其與水位快速變化存在關(guān)聯(lián)性。

黃驊井水位、水溫多次相似變化是否由構(gòu)造活動(dòng)或其他因素引起?是否地震前兆異常?為了進(jìn)一步判定其成因及變化性質(zhì),本文通過(guò)試驗(yàn),分析了該井水位快速上升及水位、水溫準(zhǔn)同步反向變化的成因。

1 井孔概況

黃驊井又名埕古1井,位于河北省黃驊市境內(nèi),井孔坐標(biāo)為117.78°E,38.27°N,地處埕西潛山構(gòu)造帶,羊二莊斷裂東側(cè)。井深1250m,于1100m處穿越羊二莊斷裂帶[1],含水層巖性為奧陶系灰?guī)r,地下水類(lèi)型為裂隙承壓水。地下水化學(xué)組成分析:總礦化度10539mg/L,水類(lèi)型為NaHCO3,鈉離子和氯離子高度富集。該井觀測(cè)段深度1093.5～1250m,從1093.5m至地表有數(shù)層巨厚的黏土層阻隔,因此與地表水無(wú)水力聯(lián)系,巨厚的第四系、第三系地層阻隔了當(dāng)?shù)卮髿饨涤陮?duì)該含水層的補(bǔ)給。

黃驊井水位總體呈下降趨勢(shì)(圖1a),該井頂板埋深較深,受大氣降雨滲入影響較小。水位持續(xù)下降,一方面是由于長(zhǎng)期開(kāi)采地下水資源導(dǎo)致含水層中地下水儲(chǔ)量不斷減少,另一方面是大港油田石油開(kāi)采降低了整個(gè)區(qū)域地層壓力引起水位埋深降低。水位微動(dòng)態(tài)清晰,氣壓效應(yīng)、潮汐效應(yīng)明顯,有同震效應(yīng)。

黃驊井水溫探頭安裝在井下60～70m處,水溫20℃左右。井水溫度一直趨于下降(圖1b),下降的速率逐漸變緩,月降幅較大,幅度 0.01～0.07℃,2009年水溫探頭經(jīng)常出現(xiàn)故障,導(dǎo)致資料不連續(xù)。

圖1 黃驊井2006—2009年水位、水溫動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)圖

2 水位、水溫變化特征分析

對(duì)2006年以來(lái)黃驊井水位階變或快速變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果顯示2007—2008年水位上升變化較多,大幅度的水位上升引起水溫同步下降的次數(shù)多,也就是說(shuō)大幅度水位變化引起溫度準(zhǔn)同步下降的幾率高,一般小幅度的水位上升引起水溫準(zhǔn)同步下降的次數(shù)少。引起水位、水溫變化的因素有:不明原因的變化(圖2a);氣壓變化顯著的時(shí)刻,水位上升幅度大,同時(shí)會(huì)引起水溫的同步下降(圖2b);風(fēng)擾動(dòng)會(huì)引起水位上下波動(dòng);遠(yuǎn)震大震會(huì)引起水位、水溫的同震變化(圖2c);水位檢查或校測(cè)、儀器檢修等工作進(jìn)行中或完成后,水位會(huì)出現(xiàn)明顯的上升或者下降(圖2d);部分典型變化曲線(xiàn)如圖2。

圖2 水位、水溫同步反向變化部分曲線(xiàn)圖

2006—2009年7月期間,共發(fā)生67次突升或快速上升變化(64次上升、2次下降、1次試驗(yàn)),17次由檢查、校測(cè)、維修等因素引起,31次與氣壓擾動(dòng)、風(fēng)擾、地震同震效應(yīng)等因素有關(guān),有19次找不出外界影響因素,其中 2006年1次、2007年10次、2008年6次、2009年2次。從數(shù)據(jù)資料中發(fā)現(xiàn),有溫度下降的過(guò)程,水位均有快速上升的變化過(guò)程,而且上升幅度較大。

3 水位、水溫同步變化成因分析

3.1 試驗(yàn)研究分析

水位加卸載試驗(yàn)的基本原理是使井孔水位在瞬間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)變化,然后記錄水位的恢復(fù)過(guò)程[2]。共進(jìn)行3次試驗(yàn)(2009年8月13日—14日),其中2次重錘試驗(yàn),1次加水試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程變化曲線(xiàn)如圖3。

圖3 加卸載試驗(yàn)過(guò)程中水位變化情況圖

第1次重錘試驗(yàn),用2.5L的飲料瓶,灌滿(mǎn)沙子,試驗(yàn)過(guò)程中由于使用的牽引繩細(xì)、沙瓶重,瓶子下降時(shí)牽引繩被拉斷,沙瓶掉入井內(nèi),相當(dāng)一個(gè)加載過(guò)程。沙瓶快速下沉,對(duì)井水的沖擊力很大,引起水位下降,之后水位快速恢復(fù)并大幅度上升,并形成一個(gè)正向脈沖。

第2次加水試驗(yàn),1min之內(nèi)將7L水加入井管中,水位變化為正脈沖,之后水位變化趨勢(shì)基本沒(méi)有改變。第3次重錘試驗(yàn),用2.5L飲料瓶加滿(mǎn)水,下入井水中(加載)待水位平穩(wěn)后,提出瓶子(卸載),瓶子進(jìn)入水中,引起水位正向脈沖,之后水位變化趨勢(shì)沒(méi)有明顯改變;50min后提出瓶子,水位形成負(fù)脈沖,之后水位快速上升。

圖3中顯示:第2次與第3次試驗(yàn)之間,水位出現(xiàn)了下降-上升變化,即13日23:09負(fù)脈沖和上升過(guò)程。黃驊井成井進(jìn)行了2次套管固井,上層套管下入深度293.12m,內(nèi)徑320.4mm;技術(shù)套管下入深度1165.75m,內(nèi)徑161.7mm。第1次試驗(yàn)的沙瓶掉入井中后,有可能在套管連接處卡住,由于重力等作用在23:09時(shí)又開(kāi)始下沉。這種解釋只是一種可能性。

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),黃驊井井孔-含水層系統(tǒng)的彈性特征處于臨界阻尼狀態(tài),人為促使水位上升(加載),正向脈沖恢復(fù)后,水位動(dòng)態(tài)在脈沖前后基本保持不變;人為造成水位下降(卸載),負(fù)脈沖恢復(fù)后,水位動(dòng)態(tài)在脈沖前后呈現(xiàn)上升變化[2]。這種不對(duì)稱(chēng)變化的原因,可能是井孔本身的特點(diǎn)引起的。黃驊井含水層為奧陶系灰?guī)r,成井時(shí)自流,出水量375m3/h,噴出的水中帶出大量砂石塊和氣體;經(jīng)多年泄流,2001年出水量約 170m3/h;如此大的流量,說(shuō)明該井的井孔-含水層系統(tǒng)導(dǎo)水性能良好,壓力水頭高,2001年底數(shù)字化改造過(guò)程中斷流。雖然現(xiàn)已斷流,井孔-含水層系統(tǒng)的壓力水頭降低,但含水層的靜水壓力和導(dǎo)水性能并沒(méi)有改變。因此,當(dāng)加載時(shí),含水層很快吸收井管內(nèi)多余的水量,并恢復(fù)壓力平衡;當(dāng)卸載時(shí)含水層的動(dòng)水壓力大于井孔水柱的壓力,水位回升至原位后,由于含水層導(dǎo)水性能高,壓力作用下地下水繼續(xù)向井孔內(nèi)滲出,引起水位上升。這種現(xiàn)象是虹吸原理,在外界條件干預(yù)下,可以提高含水層的動(dòng)水壓力。

將水溫傳感器探頭在井孔中等距離放入或提起,每一測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)間為0.5～1h,得到不同埋深水溫的測(cè)量值(表1)。溫度梯度測(cè)量結(jié)果(圖4)顯示,水溫隨水位埋深增加而升高;水位埋深小于50m,溫度梯度較大;大于 50m,溫度梯度較小,基本呈線(xiàn)性關(guān)系。

表1 不同埋深水溫測(cè)量實(shí)值表

圖4 溫度梯度曲線(xiàn)圖

3.2 對(duì)不明原因水位上升的分析

除上述人為擾動(dòng)、氣壓、同震效應(yīng)等因素引起的水位上升外,還有不明原因的上升變化。其可能原因有:氣泡上涌,較大的氣泡上升,在上升至水面時(shí)破裂,引起水面波動(dòng)(下降-上升),水位表現(xiàn)為上升動(dòng)態(tài);含水層應(yīng)力變化,黃驊井水位對(duì)水體擾動(dòng)或氣壓、地震等有靈敏的反應(yīng),那么對(duì)含水層的應(yīng)力變化也應(yīng)有較靈敏的響應(yīng)。因此,對(duì)于黃驊井水位快速上升的原因及變化性質(zhì)應(yīng)有鑒別地去分析、認(rèn)識(shí),不明原因的水位上升有可能是含水層應(yīng)力變化的結(jié)果。當(dāng)該井水位發(fā)生階變、快速變化較多,變化幅度不大,即頻次高、幅度小的水位上升,而且是在沒(méi)有人為因素影響下的變化,應(yīng)予以關(guān)注。

3.3 關(guān)于溫度同步下降的解釋

目前水位、水溫同步變化的機(jī)理解釋大體有3類(lèi):①冷水下滲說(shuō):水位發(fā)生快速波動(dòng)時(shí)井孔含水層周邊上層地下水隨著振動(dòng)效應(yīng)的作用,加大了向下垂直運(yùn)動(dòng)的速率,低溫水快速混入觀測(cè)含水層中,引起溫度的快速下降。楊竹轉(zhuǎn)等[3-4]分析認(rèn)為,井孔含水層受到地震波作用后,井孔內(nèi)對(duì)流加速,井孔深部較熱的水體上涌,而淺部較冷的水體下沉,井水中發(fā)生不同溫度的水的混合,導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)在井水深處的水溫探頭檢測(cè)到溫度下降現(xiàn)象。②熱彌散說(shuō):水分子的彌散效應(yīng),如同清水中的一滴墨水會(huì)彌散開(kāi)來(lái),且這種彌散作用在流水或振蕩水體中會(huì)更劇烈。彌散系數(shù)與水的宏觀速度密切相關(guān),在靜水中彌散系數(shù)很低,在同震水位振蕩時(shí)彌散系數(shù)大增,溫度較高的一些高分子動(dòng)能的水分子彌散到冷的低分子動(dòng)能的水中,溫度較低處的一些低分子動(dòng)能的水分子彌散到溫度較高處,形成水溫的變化,在一定條件下,形成同震水溫降低的現(xiàn)象[5]。③氣體逸出說(shuō):魚(yú)金子等[6]研究發(fā)現(xiàn)井水溫度大幅度下降的同時(shí)井水面上有大量氣泡上涌,故認(rèn)為井水溫度的同震突降機(jī)制可歸因于井水氣體的釋放。即當(dāng)井水氣體釋放時(shí),同時(shí)釋放出井水中的熱量,從而降低了井水溫度。與此觀點(diǎn)類(lèi)似,陳大慶等[7]認(rèn)為水位振蕩和水溫下降是由于井水中吸附氣體在脫逸過(guò)程中自身攜帶熱量的散失,以及氣泡上升過(guò)程中減壓膨脹、對(duì)外界做功吸收熱量,造成周?chē)叵滤疁囟认陆?。在地震波作用下含水層固體骨架彈性形變較大時(shí),地下水中吸附的氣體脫逸占主導(dǎo)。孫小龍等[8-9]認(rèn)為觀測(cè)井內(nèi)水位振蕩、水溫下降的機(jī)理比較復(fù)雜,利用冷水下滲說(shuō)、熱彌散說(shuō)、氣體逸出說(shuō)解釋這種現(xiàn)象均具有一定的合理性。

從黃驊井水溫在水位大幅度快速變化時(shí)產(chǎn)生同步或準(zhǔn)同步下降的特點(diǎn)分析,擾動(dòng)井水,表層較冷的水體下沉,引起60～70m處水溫下降,利用冷水下滲說(shuō)解釋這種現(xiàn)象更具合理性。總之,黃驊井水溫在水位大幅度快速上升時(shí)同步下降,是一種次生現(xiàn)象或衍生效應(yīng)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)黃驊井水位、水溫同步反向變化特征分析和試驗(yàn)研究,得出以下結(jié)論:

(1)黃驊井水位快速上升變化多數(shù)由外界環(huán)境影響引起,水溫在水位大幅度快速上升變化時(shí)產(chǎn)生的同步或準(zhǔn)同步下降,冷水下滲說(shuō)對(duì)其有較為合理的解釋。

(2)對(duì)于黃驊井水位上升原因及其變化性質(zhì)的分析與認(rèn)識(shí)要有甄別性;不明原因的水位上升,有可能是含水層應(yīng)力變化的結(jié)果。

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Analysis of Synchronous-reverse Change of Water Level and Water Temperature in Huanghua well

SHEN G Yan-rui,ZHANG Zi-guang,ZHANG Su-xin,HU Jing-lei
(1.Earthquake Administration of Hebei Province,Shijiazhuang 050022;
2.Earthquake Administration of Hebei Cangzhou,061001)

Since 2006,the water level in Huanghua well appears sudden rising changes several times along with synchronous or hysteretic dropping of water temperature.Load-unload test of water level and temperature gradient surveying are done and the hydrogeological condition of the well are studied.The result shows that water level rising is mostly caused by external environment influence,water temperature synchronous or hysteretic dropping is its secondary effect;infiltration of cold water is more reasonable cause.

Huanghua well,water level;water temperature;synchronous-reverse change

P315.8

A

1003-1375(2010)04-0037-04

2010-04-09

2009年震情跟蹤合同制定向工作任務(wù)(2009020901)、河北省地震局碩士地震科研項(xiàng)目和河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(09276904D)聯(lián)合資助。

盛艷蕊(1983-),女(漢族),碩士研究生,從事地震地下流體預(yù)測(cè)研究工作.E-mail:shengyr2007@sina.com