盘锦于105井不同深度水温观测实验及其结果分析

刘 丽，刘 爽，刘建光，鲜述东，韩 艳

（1.盘锦地震台，辽宁 盘锦 124010；2.防灾科技学院，河北 廊坊 101601）

0 引言

井水温观测是地震前兆监测与地震预测的重要技术手段，我国近年来，已记录到较为丰富的水温微动态信息，其中比较突出的是水温前兆异常、水温固体潮、水温同震效应等[2]。井水温微动态记录的是温度传感器放置点处的温度波动，与温度传感器放置的位置密切相关，在同一口观测井观测不同层位的水温，所取得的效果是不一样的，比单口井观测单一层位的水温更能捕捉地震引起的前兆信息。

盘锦地震台于105井是2016年新勘选的流体观测井，水温传感器置深于井口以下800m处。为充分利用现有井孔资源来更好的捕捉地下应力引起的水温信息变化，笔者选取于105井（典型井孔）来开展不同深度水温对比物理观测实验研究，参照水温梯度资料，结合该井孔水文地质资料，分析不同深度水温微动态变化特征及影响因素，探讨水温微动态特征及其形成机制，提升该井水温观测及动态分析的科学性。为未来在井孔开展同井多层位的水温观测，选择传感器最佳的投放位置提供参考依据，同时也为与同一区域、探头投放深度相同的红25井（姊妹井口）之间开展对比观测和水温异常动态落实与跟踪分析提供参考依据。

1 观测井基本概况

于105井位于盘锦市大洼区新开农场王家堡村西。该观测井于2016年7月开始进行水位、水温地震前兆监测，从区域地质构造角度进行分析，此井位于下辽河中、新生代断陷盆地的东部凹陷区，观测点东侧为辽东隆起区，西侧为燕山褶皱带，北依内蒙地轴与松辽盆地相隔[1]。断裂上于105井位于二界沟断裂中段，该断裂为高角度正断层，北东走向（图1）。

根据地质勘探打井资料，于105井完孔深度为3400m，现有井深为1175m（人工井底），射孔部位为 1107m，套管程序∮273.1mm×500.14m+139.7mm×3300.96m；该井射孔部位是上第三系馆陶组含水层，岩性主要以砾岩和砂砾岩为主[2]。

图1 盘锦地区地质简图Fig.1 Sketched geological map in the area of Panjin

2 于105井不同深度水温观测实验

于105井水温观测实验于2018年10月17日进行，使用仪器为中国地震局地壳应力研究所生产的SZW-Ⅱ型数字式温度计，该仪器其传感器的分辨率为0.0001℃，观测精度不低于0.01℃，观测数据采样率为分/次。

参照于105井水温梯度测量结果，在井段120～340m处，水温梯度在1.5～2.3℃/hm范围内变化。在井段600～800m处，水温梯度在2.5～3.2℃/hm范围内变化，这两段温度梯度变化幅度较小。在井段400～450m处，温度梯度振荡剧烈，温度在0.9～3.8℃/hm左右范围内变化，且在450m出现全井最高温度梯度约3.8℃/hm。因此，整个实验分低水温梯度段、高水温梯度段和平稳梯度段三个不同深度段连续性观测进行。

实验井孔在190～280m冷水低梯度段，深度间隔25m分5个不同深度测点开展水温观测实验；在450～580m水温梯度起伏较大的高水温梯度段，深度间隔25m分6个不同深度测点开展水温观测实验；在600～800m平稳梯度段，深度间隔50m分5个不同深度测点开展水温观测实验；实验时井水位埋深为42.194m，每一个观测点至少保证4天连续观测数据。

2.1 190～280m冷水梯度段水温变化特征总结及分析

基于井下190～280m不同深度水温结果可以看出（图2），于105井在井下190～280m区段水温日变形态属于有规律随机起伏型，其日变化在一定变化范围内起伏，起伏程度不同，一般日变化幅度在0.004～0.012℃之间，能够很好地反映出该观测井水温每天的变化特征。参照水温梯度资料分析，该井段水温梯度在1.5～2.3℃/hm范围内变化，属变化平稳区。依据井口柱状图分析，该处为泥岩含水层，对岩温变化起到了滤波作用，在一定程度上削减了该处水热交换的剧烈程度。

图2 190～280m不同深度水温变化曲线图Fig.2 Curves of water temperature changes at different depths of 190～280m

2.2 450～580m高水温梯度段水温变化特征总结及分析

基于井下450～580m不同深度水温观测结果可以看出（图3），于105井在450～580m区段水温变化特征属于无规律随机起伏型，其日变化在一定变化范围内振荡起伏,起伏程度不同，一般日变化幅在0.007～0.015℃之间，不能很好地反映出该观测井水温每天的变化特征。参照水温梯度资料分析，450～580m处于水温梯度震荡区，温度在0.9～3.8℃/hm左右范围内变化，梯度变化较大的上部，水温动态无明显的规律性，梯度变化较小的下部，水温动态变化幅度明显变小，梯度变化幅度大是导致其水温动态变化特征的主要影响因素。结合井口柱状图分析，该井段位于上第三系明化镇组于第四系平原组界限处，是含水层交换最强段，上下水交换较为剧烈，岩性主要以粉砂岩为主，围岩的热传导导致温度升高，与温度剧烈变化段相吻合。

图3 450～580m不同深度水温变化曲线图Fig.3 Curves of water temperature changes at different depths of 450～580m

2.3 600～800m高水温梯度段水温变化特征总结及分析

基于井下600～800m不同深度水温观测结果可以看出（图4），于105井在600～800m区段水温动态变化特征表现有规律起伏型，水温日起伏变化幅度在0.002～0.005℃之间。水温动态变化随观测深度的增加而逐渐变小，即水温的微动态随深度而趋于平稳，深度越大的部位观测数据稳定性更高。参照水温梯度资料分析，该井段水温梯度在2.5～3.2℃/hm范围内变化，变化幅度较小，处于水温梯度变化平稳区。结合井口柱状图分析，该井段随着深度的增加接近含水层及井孔射孔部位，趋势变化较稳定。

图4 600～800m不同深度水温变化曲线图Fig.4 Curves of water temperature changes at different depths of 600～800m

2.4同井水温、水位观测资料对比分析

本实验选取的三个观测段观测不同深度的水温观测数据与同井水位工作仪产出的水位资料进行对比分析，从整个三个实验观测段不同深度水温、水位对比观测记录曲线来看，不同深度上观测到的水温动态变化特征差异明显，190～280m冷水梯度段和600～800m水温平稳梯度段井水温与水位变化趋势基本不同步，水温动态变化与水位动态变化相关性不大，但在450～580m高水温梯度段，于105井不同深度处的水温动态特征不稳定,与同井水位工作仪观测到的水位变化形态具有一定的同步性，都呈“M”型（双峰双谷），或呈正向变化（图5、7），即井水位上升时水温上升，井水位下降时水温下降或呈反向变化（图6），即水位上升时水温下降，井水位下降时水温上升。这两种微动态变化特征均为水温潮汐现象。

图5水温传感器置深450m水温、水位对比曲线图Fig.5 Curves of water temperature sensor depth 450 meters water the temperature and water level comparison

图6水温传感器置深500m水温、水位对比曲线图Fig.6 Comparison curve between water temperature sensor at the depth of 500 meters and water level

图7水温传感器置深575m水温、水位对比曲线图Fig.7 Comparison curve between water temperature sensor at the depth of 575 meters and water level

井水温潮汐方面的研究结果表明，井水温潮汐现象是次生效应[3]于105井为静水位观测井，当观测井含水层受到潮汐引力作用而压缩变形时，含水层中地下水将流入水中，一方面井水得到热而使水温升高，另一方面由于井水位上升使温度相对高的水向上迁移，导致传感器所处的水温度升高；当含水层受到潮汐引力作用而膨胀变形时，井中的水流入含水层中，井水位下降，使温度相对低的水向下迁移，导致传感器所处和水温度下降，如此反复交替，产生了与井水位潮汐同步变化的井水温潮汐效应。

分析于105井水温实验仪传感器在不同深度所记录到的水温观测数据曲线，与同井水位观测仪所记录到的水位观测曲线对比分析，利用同样的原理，也可解释为什么于105井在190～280m冷水梯度段和600～800m平稳梯度段没有水温潮汐显示，而温度在450～580m高水温梯度段有水温固体潮汐显示的形成原因，可能是水温传感器所处的水温梯度不正常有关。当水温梯度变化幅度很小时，水位可能有潮汐但水温显示不出潮汐效应。

3 实验结论

通过对于105井不同深度进行水温观测实验及其结果分析，得出以下几点结论：

（1）通过对于105井三个不同深度段水温观测资料对比分析，结果表明，在日变化形态上，190～280m和600～800m水温日动态变化幅度较小，呈现有规律变化形态。在观测资料的稳定上，该井在600～800m处稳定性最好。与同井水位资料对比分析，190～280m和600～800m区段内水温和水位日变化形态不同步，水温变化与同井水位变化相关性不大，450～580m水温动态水位日变化形态上具有一定的同步性，水温具有不同程度的潮汐显示。

（2）通过对于105井不同深度水温对比观测发现，井孔水文地质条件、温度传感器置深和温度梯度是影响该井水温微动态变化响应特征过程的重要因素。

（3）通过对于105井不同深度水温观测实验结果综合分析考虑，井孔水温背景值仅受传感器安装在水温场背景值稳定的井孔中，传感器安装深度越深越有利于水温前兆信息观测，根据对水温升高异常原因分析，在接近出水段的水温变化对震前异常响应更为灵敏，对于套管直至人工井底这样的井孔结构的井口，水温探头投放位置越接近于射孔部位为宜。根据本次不同深度处水温实测资料对比分析，进一步表明于105井水温传感器置深于800m处开展水温观测的合理性。

（4）水温微动态是十分重要的地球物理或水文地质现象、对单井多层位水温微动态的研究有利于进一步探索其形成条件，但仍需要深入研究其形成的机理，从而进一步提高地震预报效能。目前，国内学者对水温微动态的形成机理提出了热传导、热对流、热弥散、水动力学[3]等观点，由于水温微动态特征较为复杂，此次实验无法对其机制有明确的定论，可依据此次实验观测结果，有同一井孔中安装同型号水温仪，投放多层位水温探头来开展长期对比观测研究，实现水温动态观测科学化。