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(cè)網(wǎng)絡(luò)中心，石家莊市槐中路262號(hào) 050021

0 引言

井水溫觀測(cè)是地下流體觀測(cè)的重要觀測(cè)項(xiàng)目，井水溫的微動(dòng)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(guó)的地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)在上世紀(jì)末普遍布設(shè)了水溫觀測(cè)項(xiàng)目。根據(jù)《地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》（中國(guó)地震局，2001）中的要求，在開(kāi)展水溫觀測(cè)之前應(yīng)進(jìn)行井水溫梯度測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)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(duì)建設(shè)，成井時(shí)為高溫高壓自流井，于2010年3月斷流。斷流前由于溫度過(guò)高（83℃），未開(kāi)展井水溫觀測(cè)。目前僅進(jìn)行數(shù)字化水位觀測(cè)，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(cè)層為震旦亞界白云巖承壓含水層，厚度512.97m。井孔柱狀圖見(jiàn)圖1。

圖1 辛集井井孔柱狀圖

2 井水溫梯度測(cè)試及結(jié)果

2.1 測(cè)試方法

根據(jù)《地震地下流體觀測(cè)技術(shù)》（國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司，1995）、《地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》（中國(guó)地震局，2001）及《地震地下流體學(xué)》（車用太等，2006）對(duì)井水溫梯度測(cè)試的要求，梯度測(cè)試過(guò)程中每次變化10～20m深度測(cè)量10m in，至少測(cè)試10個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，井深200～1000m時(shí)，應(yīng)每次變化25m深度測(cè)量20m in。新疆地震局于2011年地下流體學(xué)科統(tǒng)評(píng)會(huì)介紹了針對(duì)水溫傳感器最佳觀測(cè)位置的梯度測(cè)試實(shí)驗(yàn)條件，將每次變化深度調(diào)整為10m；溫泉井水溫梯度測(cè)試條件將傳感器每次變化深度后的靜置觀測(cè)時(shí)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(cè)的基本問(wèn)題時(shí)提出水溫梯度測(cè)試每次變化10～20m深度測(cè)量時(shí)間不應(yīng)少于1h。

辛集井水溫梯度測(cè)試儀器為中國(guó)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(jì)，附帶200m線纜，儀器分辨率為0.0001℃，絕對(duì)精度為±0.05℃，采樣率為1次／min?；跍y(cè)量?jī)x器條件及該井水位埋深，水溫梯度測(cè)量深度范圍為50～200m，每次變化10m深度測(cè)量10～14h。水溫梯度測(cè)試完成后，選擇水溫變化敏感深度進(jìn)行加密測(cè)量，條件為每次變化5m深度測(cè)量24h。

2.2 測(cè)試結(jié)果

水溫梯度測(cè)試結(jié)果首先將調(diào)整水溫傳感器深度的短時(shí)波動(dòng)數(shù)據(jù)處理掉，然后計(jì)算每次調(diào)整傳感器深度后靜置觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的平均值及對(duì)應(yīng)梯度值。辛集井水溫梯度測(cè)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(cè)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(cè)試結(jié)果

辛集井水溫梯度測(cè)試50～190m深度內(nèi)每次變化傳感器位置后的水溫測(cè)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(cè)，60m觀測(cè)完成后直接降至80m深度），與同井同時(shí)段的水位觀測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算重力理論固體潮數(shù)據(jù)繪制了對(duì)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(jiàn)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(duì)光滑，水溫潮差0.0036℃；100m（圖3（e））處水溫曲線變化趨勢(shì)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(cè)試結(jié)果及每次變化深度水溫觀測(cè)對(duì)比曲線，選擇50～80m深度范圍進(jìn)行步長(zhǎng)5m的加密觀測(cè)，并繪制了加密測(cè)量水溫、水位及計(jì)算重力理論固體潮同井同時(shí)段數(shù)據(jù)對(duì)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(shí)段對(duì)比曲線

圖4 辛集井55～80m深度加密測(cè)量水溫、水位、理論固體潮同時(shí)段對(duì)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(cè)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(guó)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(mén)勘探井，設(shè)計(jì)用途并非地震觀測(cè)，對(duì)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(cè)負(fù)梯度深度存在粘土層為相對(duì)隔水層、細(xì)砂層為相對(duì)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(gè)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(cè)波動(dòng)較大，未見(jiàn)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(duì)光滑，但趨勢(shì)平緩；130～140m深度水溫梯度－20.9℃／hm，130m深度潮差為0.0042℃，可見(jiàn)固體潮，但突跳較多。而塔院井水溫觀測(cè)在負(fù)梯度（約－1.5℃／hm）及正梯度（約1℃／hm）深度均觀測(cè)到固體潮，且梯度變化大的位置水溫潮汐動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍（潮差）與梯度變化大小無(wú)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(jī)制（張子廣等，2007）及井水流量潮汐變化機(jī)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(dòng)力學(xué)機(jī)制（車用太等，2014）是水溫動(dòng)態(tài)的主導(dǎo)機(jī)制。觀測(cè)含水層為1539.4m深度以下承壓含水層，通過(guò)鉆井電阻率曲線（圖2（b））發(fā)現(xiàn)487m以上可能存在相對(duì)含水層。該井?dāng)嗔骱笥捎趬毫档?、水位快速下降，梯度測(cè)量時(shí)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(cè)水體熱交換明顯，表明負(fù)梯度深度的井水溫動(dòng)態(tài)受地?zé)釀?dòng)力學(xué)機(jī)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(cè)試變化水溫傳感器深度過(guò)程，未見(jiàn)明顯阻滯，無(wú)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(cè)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(cè)負(fù)梯度是井管外的第四系低溫含水層與井管內(nèi)觀測(cè)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(dòng)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(cè)，于55m深度觀測(cè)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(dòng)力學(xué)及地?zé)釀?dòng)力學(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(duì)論文撰寫(xiě)的悉心指導(dǎo)，感謝張子廣、盛艷蕊等對(duì)本文結(jié)論部分給出的參考意見(jiàn)。