河北辛集井水溫梯度及固體潮特征

王江 張曉剛 王莉森 馬廣慶 梁紅杰 牛露

河北省地震局監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中心，石家莊市槐中路262號 050021

0 引言

井水溫觀測是地下流體觀測的重要觀測項目，井水溫的微動態(tài)信息被認(rèn)為與地殼應(yīng)力、地震前兆存在密切關(guān)系。我國的地下流體觀測臺網(wǎng)在上世紀(jì)末普遍布設(shè)了水溫觀測項目。根據(jù)《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范》（中國地震局，2001）中的要求，在開展水溫觀測之前應(yīng)進(jìn)行井水溫梯度測試。

1 實驗井概述

河北辛集井位于辛集市舊壘頭村西，坐標(biāo)37.976°N，115.180°E，地面高程36.50m。1977年7月由華北油田勘探隊建設(shè)，成井時為高溫高壓自流井，于2010年3月斷流。斷流前由于溫度過高（83℃），未開展井水溫觀測。目前僅進(jìn)行數(shù)字化水位觀測，水位埋深約34m。

該井完鉆井深2052.37m，表層套管內(nèi)徑53.34cm、下設(shè)深度至23.10m，第一段技術(shù)套管內(nèi)徑24.45cm、深度至877.83m，第二段技術(shù)套管17.78cm、深度至1539.40m，套管外圍采用水泥固井止水。1539.40～2052.37m深度處為裸孔，觀測層為震旦亞界白云巖承壓含水層，厚度512.97m。井孔柱狀圖見圖1。

圖1 辛集井井孔柱狀圖

2 井水溫梯度測試及結(jié)果

2.1 測試方法

根據(jù)《地震地下流體觀測技術(shù)》（國家地震局科技監(jiān)測司，1995）、《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范》（中國地震局，2001）及《地震地下流體學(xué)》（車用太等，2006）對井水溫梯度測試的要求，梯度測試過程中每次變化10～20m深度測量10m in，至少測試10個點的數(shù)據(jù)，井深200～1000m時，應(yīng)每次變化25m深度測量20m in。新疆地震局于2011年地下流體學(xué)科統(tǒng)評會介紹了針對水溫傳感器最佳觀測位置的梯度測試實驗條件，將每次變化深度調(diào)整為10m；溫泉井水溫梯度測試條件將傳感器每次變化深度后的靜置觀測時間調(diào)整為30min（何案華等，2014）；車用太等（2013）在總結(jié)地震井水溫觀測的基本問題時提出水溫梯度測試每次變化10～20m深度測量時間不應(yīng)少于1h。

辛集井水溫梯度測試儀器為中國地震局地殼應(yīng)力研究所生產(chǎn)的SZW-1型數(shù)字式溫度計，附帶200m線纜，儀器分辨率為0.0001℃，絕對精度為±0.05℃，采樣率為1次／min。基于測量儀器條件及該井水位埋深，水溫梯度測量深度范圍為50～200m，每次變化10m深度測量10～14h。水溫梯度測試完成后，選擇水溫變化敏感深度進(jìn)行加密測量，條件為每次變化5m深度測量24h。

2.2 測試結(jié)果

水溫梯度測試結(jié)果首先將調(diào)整水溫傳感器深度的短時波動數(shù)據(jù)處理掉，然后計算每次調(diào)整傳感器深度后靜置觀測時間內(nèi)的平均值及對應(yīng)梯度值。辛集井水溫梯度測試變化范圍－20.9～18.5℃／hm，存在 3處水溫負(fù)梯度，分別位于 50～60m、90～110m、130～140m深度（表 1、圖 2a）。

表1 辛集井水溫梯度測試結(jié)果

圖2 辛集井水溫梯度圖（a）及鉆井電阻率曲線掃描圖（b）

3 水溫固體潮測試結(jié)果

辛集井水溫梯度測試50～190m深度內(nèi)每次變化傳感器位置后的水溫測量數(shù)據(jù)（70m處傳感器線纜標(biāo)記由于破損未能靜置觀測，60m觀測完成后直接降至80m深度），與同井同時段的水位觀測數(shù)據(jù)及計算重力理論固體潮數(shù)據(jù)繪制了對比曲線（圖3）。該井50m（圖3（a））、60m（圖 3（b））、100m（圖 3（e））、130m（圖 3（h））深度可見水溫固體潮形態(tài)。其中50m（圖 3（a））處水溫曲線干擾因素較多，水溫潮差 0.0052℃；60m（圖 3（b））處水溫曲線相對光滑，水溫潮差0.0036℃；100m（圖3（e））處水溫曲線變化趨勢緩慢，水溫潮差0.0085℃；130m（圖3（h））處水溫曲線突跳較多，水溫潮差0.0042℃。

根據(jù)水溫梯度測試結(jié)果及每次變化深度水溫觀測對比曲線，選擇50～80m深度范圍進(jìn)行步長5m的加密觀測，并繪制了加密測量水溫、水位及計算重力理論固體潮同井同時段數(shù)據(jù)對比曲線（圖4），發(fā)現(xiàn)55m（圖4（f））處水溫固體潮形態(tài)最為清晰，水溫潮差為0.0098℃。

圖3 辛集井50～190m深度水溫、水位、理論固體潮同時段對比曲線

圖4 辛集井55～80m深度加密測量水溫、水位、理論固體潮同時段對比曲線

4 井水溫負(fù)梯度及固體潮汐特征

4.1 井水溫負(fù)梯度

辛集井50～200m深度內(nèi)水溫梯度變化范圍為－20.9～18.5℃／hm，超出正常地溫梯度范圍2～3℃／hm及地下水溫研究結(jié)果1.8～3.6℃／hm（Heath，1983）。水溫梯度測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)3處負(fù)梯度（50～60m深度梯度－10.0℃／hm、90～110m深度梯度－4.1℃／hm、130～140m深度梯度－20.9℃／hm）。塔院井水溫在 105～180m深度內(nèi)存在負(fù)梯度－0.3℃／hm，該深度內(nèi)水溫下降緩慢，普遍認(rèn)為與地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件有關(guān)（谷元珠等，2003）。新30井水溫在110～230m深度內(nèi)存在負(fù)梯度－5.9℃／hm（汪成國等，2012），冷熱交換被認(rèn)為是該井負(fù)梯度出現(xiàn)的原因（何案華等，2014）。辛集井系油田部門勘探井，設(shè)計用途并非地震觀測，對于487m以上第四系覆蓋層的鉆孔巖芯未進(jìn)行詳細(xì)編錄，鉆孔柱狀圖（圖1）中描述為灰色細(xì)砂層夾粘土層，結(jié)合鉆井電阻率曲線（圖 2（b））3處水溫負(fù)梯度深度（55～60m、95～105m、130～140m）的電阻值明顯低于其它深度處的特征，推測負(fù)梯度深度存在粘土層為相對隔水層、細(xì)砂層為相對含水層的第四系孔隙含水層，且含水層水溫低于井管內(nèi)相同深度的井水溫。井管內(nèi)外水溫冷熱差異形成熱交換，導(dǎo)致該深度井水溫出現(xiàn)負(fù)梯度。

4.2 水溫固體潮特征

辛集井50～190m深度3個水溫負(fù)梯度位置記錄到固體潮，而正梯度深度內(nèi)水溫觀測波動較大，未見固體潮。其中，50～60m深度水溫梯度－10.0℃／hm，55m深度潮差為0.0098℃，固體潮形態(tài)比較清晰；90～110m深度水溫梯度－4.1℃／hm，100m深度潮差0.0085℃，固體潮形態(tài)相對光滑，但趨勢平緩；130～140m深度水溫梯度－20.9℃／hm，130m深度潮差為0.0042℃，可見固體潮，但突跳較多。而塔院井水溫觀測在負(fù)梯度（約－1.5℃／hm）及正梯度（約1℃／hm）深度均觀測到固體潮，且梯度變化大的位置水溫潮汐動態(tài)變化范圍大（楊竹轉(zhuǎn)，2011）。不同于塔院井，辛集井水溫固體潮僅與負(fù)梯度有關(guān)，且水溫固體潮動態(tài)范圍（潮差）與梯度變化大小無明顯線性關(guān)系。

該井 50m（圖 3（a））、55m（圖 4（f））、60m（圖 3（b）、圖 4（e））、100m（圖 3（e））、110m（圖3（f））深度水溫固體潮與水位固體潮相位相反，即水溫增高，水位下降；水溫降低，水位上升。這與水溫負(fù)梯度處的溫度變化特征相符。河北昌黎井的水溫固體潮變化機制（張子廣等，2007）及井水流量潮汐變化機制（馬玉川等，2010）與辛集井水溫固體潮變化特征類似。

辛集井?dāng)嗔髑八疁?3℃，屬于高溫高壓自流井，水熱動力學(xué)機制（車用太等，2014）是水溫動態(tài)的主導(dǎo)機制。觀測含水層為1539.4m深度以下承壓含水層，通過鉆井電阻率曲線（圖2（b））發(fā)現(xiàn)487m以上可能存在相對含水層。該井?dāng)嗔骱笥捎趬毫档汀⑺豢焖傧陆担荻葴y量時已降至33m，淺層深度井管外的低溫含水層與井管內(nèi)的觀測水體熱交換明顯，表明負(fù)梯度深度的井水溫動態(tài)受地?zé)釀恿W(xué)機制（車用太等，2014）影響為主。

該井負(fù)梯度深度的水溫固體潮峰谷變化超前于水位及理論固體潮。祁縣井由于井管阻塞水溫固體潮特征（馬玉川等，2014）與辛集井相似。但辛集井水溫梯度測試變化水溫傳感器深度過程，未見明顯阻滯，無井管阻塞可能。因此，此現(xiàn)象在后續(xù)工作中值得深入研究。

5 結(jié)論

辛集井水溫梯度測試變化范圍大（－20.9～18.5℃／hm），在50～200m深度內(nèi)發(fā)現(xiàn)3處負(fù)梯度：50～60m 深度 （－10.0℃／hm）、90～110m 深度 （－4.1℃／hm）、130～140m 深度（－20.9℃／hm）。結(jié)合該井鉆孔柱狀圖及鉆井電阻率曲線分析，推測負(fù)梯度是井管外的第四系低溫含水層與井管內(nèi)觀測水體進(jìn)行熱交換所導(dǎo)致。

該井于3處負(fù)梯度深度發(fā)現(xiàn)了水溫固體潮，但未發(fā)現(xiàn)水溫固體潮動態(tài)范圍與負(fù)梯度變化大小存在明顯線性關(guān)系。選取該井負(fù)梯度水溫固體潮曲線光滑的50～60m深度進(jìn)行了加密觀測，于55m深度觀測到清晰的水溫固體潮，潮差0.0098℃，其相位與水位固體潮相反。水溫固體潮特征及負(fù)梯度表明該井水溫受水熱動力學(xué)及地?zé)釀恿W(xué)共同作用。

此外，辛集井水溫固體潮超前于水位固體潮的現(xiàn)象可能與該井特殊的水文地質(zhì)條件有關(guān)，仍需繼續(xù)研究。

致謝：感謝車用太對論文撰寫的悉心指導(dǎo)，感謝張子廣、盛艷蕊等對本文結(jié)論部分給出的參考意見。