懷4井新舊自動測氦儀比測分析

張 帆 楊竹轉 王 江

1）中國北京 100029 中國地震局地質研究所

2）中國河北 075000 河北省地震局張家口中心臺

3）中國石家莊 050021 河北省地震局監測網絡中心

0 引言

氦氣是惰性稀有氣體，質量數小，滲透性和擴散性強，在地球內部不同深度，其含量不同，自地球內部逸出后直接向大氣層擴散，不再向地球內部循環。在地殼深部地震的孕育與發生過程中，氦與地震活動異常具有密切關系（孔令昌，1996；耿杰等，1998，1999；魏汝慶等，1999）。在鄰近地震發生階段，可以監測到地殼淺部的地下流體中氦氣濃度發生明顯變化。因此，只要地下流體觀測井周圍存在孕震應力場作用擠壓巖石，使巖石裂隙中富集的氦氣析出（孔令昌等，2007），使用測氦儀即可監測到氦氣的變化。WGK-1 型測氦儀是根據氦的特殊物理化學特性，采用氦氣對石英的高滲透性原理，借助于真空學和電學，從而將測得的氦氣濃度變化以電信號形式輸出，在地震監測預報分析中具有一定作用。

河北懷來后郝窯地震臺懷4井測項在多次地震前均有短臨異常出現，如1989年大同6.1級地震、1997 年懷安4.7 級地震、1998 年張北6.2 級地震、2002 年沙城4.4 級地震、2014年涿鹿4.3 級地震。2012 年，懷4 井配備WGK-1 型測氦儀（中國地震局地質研究所研發）進行氦氣監測，觀測數據穩定性和可靠性均達到地下流體學科要求，多年來積累了豐富的觀測資料。但是，測氦儀長期運行導致靈敏度下降，且數采偶爾出現故障，數據連續率降低。2019 年7 月，為了提高氦氣觀測完整率及觀測質量，在懷4 井試運行鄭州晶微科技公司研發的WGK-1 型測氦儀，運行狀態較為穩定，與舊測氦儀產出數據具有同步性變化特征。文中就新舊測氦儀動態穩定性、內在質量及觀測曲線進行對比分析，以驗證懷4 井新WGK-1 型測氦儀觀測的可行性。

1 懷4 井概況

懷來后郝窯地震臺懷4井是河北省流體觀測手段較完善的高溫自流井，成井于1970年，構造位置處于祁呂系東翼廣靈—狼山大斷裂帶北側（張鳳秋等，2005；寧海雯等，2018），位于祁呂系歪頭山—萬家窯斷裂帶、新華夏系楊家山斷裂帶及NW 向施莊大斷裂帶交匯處（圖1），裂隙發育，熱水沿構造破碎帶上涌。

圖1 懷4 井周圍地區斷裂分布Fig.1 Tectonic map in Huailai No.4 well and vicinity

懷4 井地面海拔487.0 m，井深500.34 m，位于后郝窯熱田區，觀測含水層為太古界片麻巖破碎帶熱水層，頂板埋深278.5 m（圖2）。2007 年9 月，對該井進行井孔改造，核心措施為：開挖深10 m 的豎井，降低觀測井泄流口高程，距主井管深度8.5 m 處引出一個泄流口，將主井水引流到豎井中，在距地面8.0 m 處設置氣氡和氣汞脫氣裝置及用于模擬觀測的水樣取樣口，以保障觀測井的水物理及水化學觀測，保證了數字化及模擬觀測資料的連續性（張常慧，2011）。2012年起采用WGK-1 型測氦儀（中國地震局地質研究所研發，整點值采樣）測定觀測井逸出氣中氦氣含量變化。該測氦儀運行正常，氦氣測值最低為0.01%，最高為0.03%，變化比較穩定（宋曉冰等，2018）。

圖2 懷4 井地層柱狀圖Fig.2 Histogram of strata of the Huailai No.4 well

2 觀測儀器概況

2.1 觀測儀器性能參數

測氦儀性能優劣可根據其主要技術指標和參數判斷，性能參數包括儀器檢出限、測試精度、測試范圍和穩定性等。新舊2 套測氦儀出廠技術指標和參數標準見表1。其中WGK-1 型測氦儀（晶微）實現了網頁實時數據監測及遠程時鐘校對、重啟等功能，便于遠程維護及監測。由表1 可見，WGK-1 型測氦儀（晶微）測試范圍與采樣率較高，而WGK-1 型測氦儀（地質所）檢出限及測試精度較高。

表1 2 臺WGK-1 型測氦儀儀器性能指標對比Table 1 Comparison of performance indexes of two WGK-1 helium measuring instruments

2.2 觀測儀器布設

懷4 井采用直接集氣方式進行氦氣觀測，觀測系統布設示意見圖3。將觀測井井口至水面的井管靜空間作為集氣裝置，在主井上方井口處放置集氣漏斗，引出氣管至測氦儀傳感器，隨著水位的漲落，集氣體積發生變化，引起氦氣測值變化。2019 年7 月，將新測氦儀（晶微）串聯并行觀測（圖3），其中地質所測氦儀（測點E）為整點值采樣，新測氦儀（測點h）為分鐘值采樣。

圖3 氦氣觀測系統示意Fig.3 Schematic diagram of the helium observation system

3 運行質量評價

按照《地下流體專業技術設備評價》，分析測氦儀動態穩定性及內在質量，其中：動態穩定性要求一階差分值標準差≤0.2；內在質量應保證一階差分序列超過3 倍均方差的百分比≤2%。

3.1 動態穩定性

標準差可以反映離散度和測量精度，標準偏差越小，表明儀器測量的數值離散度越低，精度越高，同時更能反映儀器的動態穩定性（郭麗爽等，2015；張秀萍等，2017）。選取2套測氦儀2019 年10—12 月并行觀測的氦氣測值（整點值），計算得到其一階差分標準差，結果見表2。

表2 2 臺WGK-1 型測氦儀動態穩定性對比Table 2 Comparison of dynamic stability of two WGK-1 helium measuring instruments

由表2 可見，WGK-1 型測氦儀（地質所）一階差分值的標準差為0.002 4 ≥0.2，WGK-1 型測氦儀（晶微）一階差分值的標準差0.001 8 ≤0.2，說明WGK-1 型測氦儀（晶微）動態穩定性符合標準。

3.2 內在質量

選取2019 年8 月1 日—2020 年7 月31 日2 套測氦儀氦氣測值（整點值），利用Mapsis 軟件，進行逐月計算，分析二者觀測質量，結果見表3。

表3 2 臺WGK-1 型測氦儀運行質量對比Table 3 Comparison of operation quality of two WGK-1 helium measuring instruments

WGK-1 型測氦儀（地質所）氦氣測值一階差分值3 倍標準差分布在-0.008 9%—0.008 9%之間[圖4(a)]，超過3 倍標準差的平均次數為7 次，占比1.04%；WGK-1 型測氦儀（晶微）氦氣測值一階差分值3 倍標準差分布在-0.007 1%—0.0007 1%之間[圖4(b)]，超過3 倍均方差的平均次數為9 次，占比1.26%。2019 年10 月，新測氦儀傳感器高壓模塊放電，造成數據超差數量較多，2020 年3 月、4 月，由于WGK-1 型測氦儀（晶微）僅依靠電瓶直流供電，電瓶出現故障，造成數據連續率較低。數據對比可知，WGK-1 型測氦儀（晶微）一階差分序列超過3 倍均方差的比例≤2%。綜上判定，新測氦儀穩定性和內在觀測質量均符合地下流體專業設備入網指標，但需加強日常維護，此為提高內在質量和確保數據連續率的必要環節。

圖4 2 套測氦儀觀測數據一階差分Fig.4 The first-order difference of data observed by two helium measuring instruments

3.3 觀測曲線對比

為了確定數據的可靠性，選取2020 年2 月1 日—29 日新舊數字化測氦儀整點值曲線進行對比，結果見圖5。因采樣率不同，清楚可見舊測氦儀觀測數據曲線“毛刺”較多[圖5(a)]，動態曲線不明顯，而新測氦儀觀測數據曲線光滑[圖5(b)]，有一定動態變化規律，但2 套儀器產出數據具有同步性變化特征，表明觀測數據真實可靠，能客觀反映懷4 井地下流體中氦氣的濃度變化。

圖5 2 套測氦儀整點值對比Fig.5 Comparison of hourly values of two helium measuring instruments

4 數據分析

選取2019 年7 月1 日至2020 年3 月31 日以來2 套測氦儀整點值觀測數據，結合觀測環境條件，與氣溫、氣壓、水位測項散點數據進行對比，結果見圖6、圖7、圖8。

由圖6 可見，氣溫散點雖有差異，但整體呈負相關變化，表現為隨著氣溫的升高，2套測氦儀所測氦氣濃度緩慢降低。由圖7、圖8 可見，氣壓、水位影響作用相對較弱。通過對2 套測氦儀進行比測，判定氣溫對氦氣觀測產生影響，在排除干擾因素的前提下，能夠提取更多地下流體信息（孔令昌，1991；王志惠等，2011）。

圖6 2 套測氦儀測值與氣溫散點圖Fig.6 Scatter diagram of measurements of two helium instruments and temperature

圖7 2 套測氦儀測值與氣壓散點圖Fig.7 Scatter diagram of measurements of two helium instruments and pressure

圖8 2 套測氦儀測值與水位散點圖Fig.8 Scatter diagram of measurements of two helium instruments and water level

5 結論

對懷4 井2 套WGK-1 型測氦儀進行比測分析，得出以下結論：①由2 套測氦儀性能參數、運行率及動態穩定性、內在質量對比結果可知，WGK-1 型測氦儀（晶微）符合《地下流體專業技術設備評價》入網標準。2 套儀器產出數據真實可靠，具有同步性變化特征，能客觀反映懷4 井地下流體中氦氣的濃度變化；②WGK-1 型測氦儀（晶微）為分鐘值采樣，數據信息量大，觀測數據日變化規則，能夠捕捉到更多更完整的地下流體信息；③在相同觀測條件下，結合氣溫、氣壓、水位等因素進行對比分析，發現2 套測氦儀產出數據與氣溫變化存在負相關性。

新測氦儀使用時間較短，尚需較大范圍的試驗和實際應用檢測。今后應加強日常維護，避免電源故障及高壓模塊放電對觀測數據的影響。