下粗上細的蘇20新井結構及其監測效能分析

殷世林 富鴻 花晶

蘇州市地震局，江蘇省蘇州市錦帆路211號 215002

0 引言

眾所周知，地下流體在震前有較好的前兆異常信息顯示，并有多次預報成功的震例證實（汪成民等，1988；殷世林，1985、1992、1995、1997）。如果把地震觀測井做成下粗上細的結構，必將提高井孔水位對地殼應力應變響應的放大倍數，提升并放大異常信息量，便于地震的分析預報。我國老一代地震工作者如車用太等（1992）、糜克仁（1991）、張昭棟等（1992、1997、2001）、朱梅武等（1994）在黑龍江、江蘇、山東、吉林等地都曾做過變徑測試實驗，證明了下粗上細的作用。但是由于種種原因，至今未獲觀測實踐的證實。

特殊的原因、條件和機遇讓筆者把這一設想在蘇20井上變成了現實。蘇20井地處蘇州-無錫、蘇州-嘉定、湖州-蘇州3組斷裂交匯部位，是地震監測的敏感部位，原井深369m，含水層埋深為250～260m，觀測的是斷裂破碎帶承壓水（圖1）。自1978年開始觀測以來，對周邊200km之內僅有的4次5級以上地震，震前均有較明顯的前兆異常顯示。

2006年由于蘇20井所在的企業出讓廠房及土地，重建監測中心時可能掉進了磚頭，但由于當時對水位觀測無影響，一直未被發現。當重新安放水溫儀時發現井孔內有異物，水溫探頭只能放到95m。由于重建的監測房為四層樓房，無法實施掃孔處理。

針對這一現實，2015年蘇州市地震局向市政府建議，在地質構造條件極好的蘇20井旁邊重打一口新井，與老井同步觀測。新井的特點是其結構下粗上細，即井-含水層間下部水交替井段的直徑大于上部井水位觀測井段的直徑。

圖1 蘇20井構造簡圖（a）及井孔柱狀簡圖（b）

1 蘇20新井位置及結構

1.1 新井的位置及概況

蘇20新井位于老井NE40°13.6m處，井深312.58m。該井揭示第四系深207.5m，以下主要為晚侏羅紀火山凝灰巖。開孔口徑250mm至226.5m處，此時兩井水位并未溝通，下219mm表層套管。以下變徑為168mm鉆至井底，后又擴孔至180mm。

新井揭示的地層巖性剖面特征，與原井類似，0～5.7m為第四系表層土，5.7～206.5m為第四系黑色粉質黏土與砂層，206.5～208.0m為第三系砂巖風化層，208.00～312.58m為侏羅系火山凝灰巖。其中，271～281、268～289m揭穿二層斷層破碎帶。新井的主要觀測層為271～281m斷層破碎帶內的裂隙承壓水層。

1.2 新井的結構

新井的結構經過多個方案比較分析，最終選定了0～226.15m井段鉆孔為250mm直徑，然后下219mm套管；226.15m以下為直徑180mm的裸孔，直至井底。完鉆后在226.15m處采用變徑接頭及相應的止水技術，變成以下為146mm的濾水管，以上為146mm的套管的結構。改造后新井變成了下粗（180mm，內有146mm濾水管）上細（146mm套管）的新結構（圖 2）。

2 蘇20井新井與老井潮汐響應能力對比

2.1 結構對比

老井結構為下細上粗的常規結構，即過水斷面直徑小于水位變動處直徑。這種結構有降低井水位對地殼應力應變響應的放大倍數的影響。新井則反之，即下粗上細，有增大放大倍數的影響。詳見表1。

圖2 蘇20井新井揭示的地層、斷裂及井孔結構示意圖

表1 蘇20井新井與老井結構對比

2.2 觀測效果對比

2.2.1 理論分析

新井與老井觀測的都是同一條斷層破碎帶承壓含水層，因此新老井的差異只是井孔結構不同。理論上，含水層內孔隙度應大小一致，井-含水層系統中水的進出量相等時，水位觀測段的井徑小，水位變幅大。因此潮汐力作用下產生的含水層變形及由此引起的孔隙壓力變化可視為兩井是一致的，而由此引起的井-含水層間水流量則與過水斷面大小有關，過水斷面大小取決于此處井徑。井徑越大，過水斷面越大，則同等大小的應力作用下產生的井-含水層面水流量大。井水位的變化量不僅與井-含水層間水流量有關，而且還與靜水位變動段（觀測段）的直徑有關，若水流量為Q時，水位變化量（Δh）與井徑（r）的關系如下

即井徑對水位變化量的影響很大，井徑縮小一點，井水位變化量則顯著增大。由此可見，從理論上講，下粗上細的觀測井結構一方面可增大井-含水層間水流量，從而放大井水位變化量；另一方面，上細結構顯著放大井水位的變化量。因此，下粗上細的井孔結構是提高井水位對地殼應力應變響應能力的重要技術途徑。

圖3 2017年11月3～5日蘇20井新井與老井潮差及峰谷時間對比

2.2.2 潮汐響應能力對比

（1）日潮差對比

井水位潮汐響應能力是評價井水位對地殼應力應變響應能力的主要指標，本文從日潮差、峰谷出現時間、M2波潮汐因子等角度比較不同井孔結構的響應能力。

圖3給出了2017年11月3～5日的觀測結果，新井比老井潮差平均增大127.2%（其中上升時段平均增大134.6%，下降時段平均增大119.7%）。兩井的對比結果詳見表2。

表2 2017年11月3～5日蘇20井新井與老井潮差對比

表3 2017年11月3～5日蘇20井新井與老井井潮峰谷時間對比

表4 蘇州各井潮汐因子M2波計算結果對比表

（2）峰、谷值出現時間對比

2017年11月3～5日兩井的觀測結果對比，新井比老井潮差出現時間平均超前64m in，其中，峰值平均超前 55m in，谷值平均超前66m in，這一結果與井孔結構的物理性能相符。詳見表3。

（3）新老兩井M2波潮汐因子的對比

選用2017年11月11日～12月10日共1個月的資料進行調和分析，結果見表4：同時段新井的M2波為2.3347，老井的M2波為1.0509，增大幅度為122.2%，與表2中兩井潮差的增幅127.2%相當。

從上述潮差對比及潮汐因子M2波計算數值對比可見，蘇20新井全新的成井工藝效果十分明顯。

3 認識與啟示

新井與舊井構造部位相同，觀測的含水層屬同層，井深相近，只是井徑結構不同，發現下粗上細的結構明顯增大了井水位對潮汐的響應能力。由此推測這種結構顯著提高了井水位對地殼應力應變的監測能力。

由此得到啟示：我國地震地下水觀測井井徑的變更（舊井改造與新井建設），是提升我國地震地下水觀測網映震能力的有效途徑之一。