黄骅井水位水温同步反向变化成因分析

盛艳蕊,张子广,张素欣,呼晶磊

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

黄骅井水位水温同步反向变化成因分析

盛艳蕊1,张子广1,张素欣1,呼晶磊2

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

黄骅井水位2006年以来出现多次快速上升变化,水温有同步或滞后下降。通过水位加卸载试验和井管水体温度梯度测量,结合井孔水文地质条件,分析认为黄骅井水位快速上升变化多数是外界环境影响引起,水温在水位大幅度快速上升变化时产生的同步或准同步下降,是次生效应,冷水下渗说对其有较为合理的解释。

黄骅井;水位;水温;同步反向变化

0 引言

黄骅井水位2006年以来出现多次快速上升变化,水温有同步或滞后下降的变化,水位快速上升、水温下降有别于同震效应,这种现象在静水位观测中并不多见。资料分析及各类震情会商将该井水位、水温准同步反向变化列为异常予以跟踪,并进行了环境因素调查,如油田注水、地面沉降等因素,排除了其与水位快速变化存在关联性。

黄骅井水位、水温多次相似变化是否由构造活动或其他因素引起?是否地震前兆异常?为了进一步判定其成因及变化性质,本文通过试验,分析了该井水位快速上升及水位、水温准同步反向变化的成因。

1 井孔概况

黄骅井又名埕古1井,位于河北省黄骅市境内,井孔坐标为117.78°E,38.27°N,地处埕西潜山构造带,羊二庄断裂东侧。井深1250m,于1100m处穿越羊二庄断裂带[1],含水层岩性为奥陶系灰岩,地下水类型为裂隙承压水。地下水化学组成分析:总矿化度10539mg/L,水类型为NaHCO3,钠离子和氯离子高度富集。该井观测段深度1093.5～1250m,从1093.5m至地表有数层巨厚的黏土层阻隔,因此与地表水无水力联系,巨厚的第四系、第三系地层阻隔了当地大气降雨对该含水层的补给。

黄骅井水位总体呈下降趋势(图1a),该井顶板埋深较深,受大气降雨渗入影响较小。水位持续下降,一方面是由于长期开采地下水资源导致含水层中地下水储量不断减少,另一方面是大港油田石油开采降低了整个区域地层压力引起水位埋深降低。水位微动态清晰,气压效应、潮汐效应明显,有同震效应。

黄骅井水温探头安装在井下60～70m处,水温20℃左右。井水温度一直趋于下降(图1b),下降的速率逐渐变缓,月降幅较大,幅度 0.01～0.07℃,2009年水温探头经常出现故障,导致资料不连续。

图1 黄骅井2006—2009年水位、水温动态曲线图

2 水位、水温变化特征分析

对2006年以来黄骅井水位阶变或快速变化进行统计,结果显示2007—2008年水位上升变化较多,大幅度的水位上升引起水温同步下降的次数多,也就是说大幅度水位变化引起温度准同步下降的几率高,一般小幅度的水位上升引起水温准同步下降的次数少。引起水位、水温变化的因素有:不明原因的变化(图2a);气压变化显著的时刻,水位上升幅度大,同时会引起水温的同步下降(图2b);风扰动会引起水位上下波动;远震大震会引起水位、水温的同震变化(图2c);水位检查或校测、仪器检修等工作进行中或完成后,水位会出现明显的上升或者下降(图2d);部分典型变化曲线如图2。

图2 水位、水温同步反向变化部分曲线图

2006—2009年7月期间,共发生67次突升或快速上升变化(64次上升、2次下降、1次试验),17次由检查、校测、维修等因素引起,31次与气压扰动、风扰、地震同震效应等因素有关,有19次找不出外界影响因素,其中 2006年1次、2007年10次、2008年6次、2009年2次。从数据资料中发现,有温度下降的过程,水位均有快速上升的变化过程,而且上升幅度较大。

3 水位、水温同步变化成因分析

3.1 试验研究分析

水位加卸载试验的基本原理是使井孔水位在瞬间内产生一个变化,然后记录水位的恢复过程[2]。共进行3次试验(2009年8月13日—14日),其中2次重锤试验,1次加水试验,试验过程变化曲线如图3。

图3 加卸载试验过程中水位变化情况图

第1次重锤试验,用2.5L的饮料瓶,灌满沙子,试验过程中由于使用的牵引绳细、沙瓶重,瓶子下降时牵引绳被拉断,沙瓶掉入井内,相当一个加载过程。沙瓶快速下沉,对井水的冲击力很大,引起水位下降,之后水位快速恢复并大幅度上升,并形成一个正向脉冲。

第2次加水试验,1min之内将7L水加入井管中,水位变化为正脉冲,之后水位变化趋势基本没有改变。第3次重锤试验,用2.5L饮料瓶加满水,下入井水中(加载)待水位平稳后,提出瓶子(卸载),瓶子进入水中,引起水位正向脉冲,之后水位变化趋势没有明显改变;50min后提出瓶子,水位形成负脉冲,之后水位快速上升。

图3中显示:第2次与第3次试验之间,水位出现了下降-上升变化,即13日23:09负脉冲和上升过程。黄骅井成井进行了2次套管固井,上层套管下入深度293.12m,内径320.4mm;技术套管下入深度1165.75m,内径161.7mm。第1次试验的沙瓶掉入井中后,有可能在套管连接处卡住,由于重力等作用在23:09时又开始下沉。这种解释只是一种可能性。

通过试验发现,黄骅井井孔-含水层系统的弹性特征处于临界阻尼状态,人为促使水位上升(加载),正向脉冲恢复后,水位动态在脉冲前后基本保持不变;人为造成水位下降(卸载),负脉冲恢复后,水位动态在脉冲前后呈现上升变化[2]。这种不对称变化的原因,可能是井孔本身的特点引起的。黄骅井含水层为奥陶系灰岩,成井时自流,出水量375m3/h,喷出的水中带出大量砂石块和气体;经多年泄流,2001年出水量约 170m3/h;如此大的流量,说明该井的井孔-含水层系统导水性能良好,压力水头高,2001年底数字化改造过程中断流。虽然现已断流,井孔-含水层系统的压力水头降低,但含水层的静水压力和导水性能并没有改变。因此,当加载时,含水层很快吸收井管内多余的水量,并恢复压力平衡;当卸载时含水层的动水压力大于井孔水柱的压力,水位回升至原位后,由于含水层导水性能高,压力作用下地下水继续向井孔内渗出,引起水位上升。这种现象是虹吸原理,在外界条件干预下,可以提高含水层的动水压力。

将水温传感器探头在井孔中等距离放入或提起,每一测点测量时间为0.5～1h,得到不同埋深水温的测量值(表1)。温度梯度测量结果(图4)显示,水温随水位埋深增加而升高;水位埋深小于50m,温度梯度较大;大于 50m,温度梯度较小,基本呈线性关系。

表1 不同埋深水温测量实值表

图4 温度梯度曲线图

3.2 对不明原因水位上升的分析

除上述人为扰动、气压、同震效应等因素引起的水位上升外,还有不明原因的上升变化。其可能原因有:气泡上涌,较大的气泡上升,在上升至水面时破裂,引起水面波动(下降-上升),水位表现为上升动态;含水层应力变化,黄骅井水位对水体扰动或气压、地震等有灵敏的反应,那么对含水层的应力变化也应有较灵敏的响应。因此,对于黄骅井水位快速上升的原因及变化性质应有鉴别地去分析、认识,不明原因的水位上升有可能是含水层应力变化的结果。当该井水位发生阶变、快速变化较多,变化幅度不大,即频次高、幅度小的水位上升,而且是在没有人为因素影响下的变化,应予以关注。

3.3 关于温度同步下降的解释

目前水位、水温同步变化的机理解释大体有3类:①冷水下渗说:水位发生快速波动时井孔含水层周边上层地下水随着振动效应的作用,加大了向下垂直运动的速率,低温水快速混入观测含水层中,引起温度的快速下降。杨竹转等[3-4]分析认为,井孔含水层受到地震波作用后,井孔内对流加速,井孔深部较热的水体上涌,而浅部较冷的水体下沉,井水中发生不同温度的水的混合,导致旋转在井水深处的水温探头检测到温度下降现象。②热弥散说:水分子的弥散效应,如同清水中的一滴墨水会弥散开来,且这种弥散作用在流水或振荡水体中会更剧烈。弥散系数与水的宏观速度密切相关,在静水中弥散系数很低,在同震水位振荡时弥散系数大增,温度较高的一些高分子动能的水分子弥散到冷的低分子动能的水中,温度较低处的一些低分子动能的水分子弥散到温度较高处,形成水温的变化,在一定条件下,形成同震水温降低的现象[5]。③气体逸出说:鱼金子等[6]研究发现井水温度大幅度下降的同时井水面上有大量气泡上涌,故认为井水温度的同震突降机制可归因于井水气体的释放。即当井水气体释放时,同时释放出井水中的热量,从而降低了井水温度。与此观点类似,陈大庆等[7]认为水位振荡和水温下降是由于井水中吸附气体在脱逸过程中自身携带热量的散失,以及气泡上升过程中减压膨胀、对外界做功吸收热量,造成周围地下水温度下降。在地震波作用下含水层固体骨架弹性形变较大时,地下水中吸附的气体脱逸占主导。孙小龙等[8-9]认为观测井内水位振荡、水温下降的机理比较复杂,利用冷水下渗说、热弥散说、气体逸出说解释这种现象均具有一定的合理性。

从黄骅井水温在水位大幅度快速变化时产生同步或准同步下降的特点分析,扰动井水,表层较冷的水体下沉,引起60～70m处水温下降,利用冷水下渗说解释这种现象更具合理性。总之,黄骅井水温在水位大幅度快速上升时同步下降,是一种次生现象或衍生效应。

4 结论

通过对黄骅井水位、水温同步反向变化特征分析和试验研究,得出以下结论:

(1)黄骅井水位快速上升变化多数由外界环境影响引起,水温在水位大幅度快速上升变化时产生的同步或准同步下降,冷水下渗说对其有较为合理的解释。

(2)对于黄骅井水位上升原因及其变化性质的分析与认识要有甄别性;不明原因的水位上升,有可能是含水层应力变化的结果。

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[9] 孙小龙,刘耀伟,王博.宾川井对印尼大震的同震响应特征及其机理解释[J].地震,2008,28(3):69-78.

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年震情跟踪合同制定向工作任务(2009020901)、河北省地震局硕士地震科研项目和河北省科技计划项目(09276904D)联合资助。

盛艳蕊(1983-),女(汉族),硕士研究生,从事地震地下流体预测研究工作.E-mail:shengyr2007@sina.com