懷4井氣體取樣對(duì)水位觀測(cè)干擾的解決措施

張 帆 宋曉煜 陳其峰 王銳鋒 王志敏 程德慶

1）中國河北 075000 張家口地震監(jiān)測(cè)中心站

2）中國山東 252000 山東省聊城地震水化站

0 引言

溶解氣是指被溶解在地下水中的氣體組分，其測(cè)定方式為在保持井（泉）水流量恒定的情況下，常壓下取水樣，密封脫氣后，將氣體送到化學(xué)實(shí)驗(yàn)室用氣相色譜儀測(cè)定所含氣體組分及其相對(duì)含量（中國地震局，2001）。懷4井觀測(cè)氣體為He、H2、N2、CH4，其含量常用相對(duì)百分比表示，即各組分體積在溶解氣總體積中所占的體積百分比。同時(shí)，被測(cè)的還有溶解氣總量，即每升水中氣體所占的體積表示，單位mL/L。懷4井動(dòng)態(tài)水位每天早上6—7時(shí)受取氣樣（氣相色譜實(shí)驗(yàn)所需氣體）干擾，水位觀測(cè)曲線同步呈“脈沖式”上升。因此，改進(jìn)取氣樣方式是提高水位觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率及觀測(cè)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，新取樣方式避免了在泄流口直接取氣樣，主要優(yōu)點(diǎn)：①減小人為取氣樣造成管路的壓力效應(yīng)，消除干擾，提高水位資料的完整率；②通過5 000 mL取樣瓶采集水樣，利用置于內(nèi)部的球膽排水真空脫氣，可以直觀看到氣相色譜實(shí)驗(yàn)集氣的體積；③降低高溫下采集水樣的危險(xiǎn)性。

1 懷4井概況

1.1 水文地質(zhì)條件

懷4井高程為487.0 m，井深500.34 m，觀測(cè)含水層是頂板埋深為278.5 m的太古界片麻巖破碎帶熱水層，構(gòu)造上處于燕山褶斷帶與祁呂賀蘭山字型構(gòu)造東翼、反射弧復(fù)合部位，懷來—蔚縣大斷裂從本區(qū)東南穿過，北部還有祁呂系歪頭山—萬家窯斷裂及NW向的施莊大斷裂（圖1）。揭露含水層厚度大于221 m。懷4井成井于1972年，該井為高溫?zé)崴粤骶瘜W(xué)類型為SO4-Na型（張鳳秋等，2005），礦化度為0.962 g/L，井水為大氣降水滲入地下后經(jīng)深循環(huán)上涌成因的地下熱水，該井孔熱田區(qū)內(nèi)最深、水溫最高。由于受周邊溫泉區(qū)生活用水開發(fā)的影響，該井水位嚴(yán)重下降，水溫由88.0℃降到73.0℃，為了延長該井的觀測(cè)年限，2007年對(duì)懷4井進(jìn)行了降低取水口的改造，保證了數(shù)字化及模擬觀測(cè)資料的連續(xù)性（宋曉冰等，2018）。首都圈“奧運(yùn)”保障項(xiàng)目數(shù)字化改造后，懷4井成為集水氡、水汞、氣體、數(shù)字水位、數(shù)字氣氡、數(shù)字氣汞等觀測(cè)為一體的多測(cè)項(xiàng)觀測(cè)井。該井水汞測(cè)項(xiàng)在1989年大同6.1級(jí)、1997年懷安4.7級(jí)、1998年張北6.2級(jí)、2014年涿鹿4.3級(jí)等地震前均有短臨異常出現(xiàn)。

圖1 懷4井及其周圍地區(qū)的斷裂分布Fig.1 The fault distribution of Huailai No.4 Well and the surrounding area

1.2 懷4井觀測(cè)系統(tǒng)

從2003年開始，后郝窯周邊地?zé)豳Y源的過度開發(fā)致使懷4井水位逐年下降，并于2007年趨于斷流，諸多模擬、數(shù)字化測(cè)項(xiàng)面臨停測(cè)。為了使懷4井流體觀測(cè)得以繼續(xù)，經(jīng)調(diào)研和論證，并報(bào)中國地震局和河北省地震局批準(zhǔn)，于2007年9月15日啟動(dòng)了降低取水口的改造工程，同年12月20日完工。工程為在主井房外建1個(gè)直徑4.0 m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)深井，井深10.0 m，觀測(cè)井與主井間開挖10.0 m 通道（張?；鄣?，2011；張曉剛等，2014），在主井管開孔，用不銹鋼管接熱水至觀測(cè)井脫氣桶進(jìn)行數(shù)字化氣氡、氣汞觀測(cè)，并留有模擬觀測(cè)水氡、水汞、色譜實(shí)驗(yàn)的取水口。水位觀測(cè)管改造后仍在自流狀態(tài)下進(jìn)行流體觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)了與30多年觀測(cè)資料的無縫銜接（圖2）。

圖2 懷4井水化學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.2 The schematic diagram of the hydrochemical observation system of Huailai No.4 Well

1.3 水位觀測(cè)儀器參數(shù)性能

懷4井水位觀測(cè)中采用北京中科光大自動(dòng)化技術(shù)有限公司研制的ZKGD-3000NL型數(shù)字化地下流體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該設(shè)備包括主機(jī)、蓄電池供電智能控制器、蓄電池組、高穩(wěn)定數(shù)字水位探頭等。參數(shù)性能：①主機(jī)由直流12 V供電，能在-30.0—70.0℃環(huán)境中工作，適應(yīng)性較強(qiáng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量達(dá)2 G；②蓄電池智能控制器控制2塊蓄電池輪流為設(shè)備供電，并自動(dòng)控制蓄電池的充放電過程，輸出電壓為恒定的直流12 V或24 V；③水位探頭為全數(shù)字探頭，可直接輸出水位數(shù)字信號(hào)，量程為0—50.0 m，分辨率優(yōu)于1.0 mm，探頭不帶導(dǎo)氣孔，解決了冷凝問題。

2 水位觀測(cè)存在的問題

2.1 自然因素干擾

懷4井水位觀測(cè)的主要干擾源為每年冬季采暖期時(shí)周圍井孔的地?zé)釡厝_采。從采暖期開始，地下水水位就會(huì)趨勢(shì)性下降，采暖期結(jié)束后開始緩慢上升。地?zé)釡厝_采影響水位的正常動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)周邊抽水也影響水位觀測(cè)質(zhì)量。2018年最低水位僅為0.9 m，2019年最低水位1.2 m，2020—2021年限制熱水資源開發(fā)利用，冬季水位較前幾年明顯上升（圖3）。

圖3 2014—2021年懷4井水位日值Fig.3 The water level observation from 2014 to 2021 of Huailai No.4 Well

2.2 取樣干擾

自2008年大井改造完成后進(jìn)行水位觀測(cè)，現(xiàn)有觀測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)出水位資料已有10余年。但是由于取氣樣的干擾，水位受到影響，具體表現(xiàn)為每日水位曲線“脈沖式”升高（圖4），且持續(xù)時(shí)間較長，均需進(jìn)行缺數(shù)處理，這使得水位分鐘值的連續(xù)率及完整率降低。

圖4 懷4井受取樣影響的原始水位分鐘值（a）單日水位；（b）1周水位Fig.4 The curve of minute sampled water level observation affected by the artificial gas sample of Huailai No.4 Well

3 解決氣體取樣影響水位觀測(cè)問題的措施

從1990年起，一直采用氣相色譜法分析懷4井氣體，采樣方式一直為采集逸出氣。利用氣泡分離器直接在泄流口采集逸出氣樣，集氣過程中，水位管路壓力增大，可造成水位“脈沖式”升高且持續(xù)時(shí)間較長。本研究為解決取樣對(duì)水位干擾的問題，將取樣方式由采集逸出氣改為溶解氣，在原泄流口基礎(chǔ)上用三通增加了1個(gè)取水口，三通的取水口較常流排水口細(xì)1倍，這確保了在取水樣時(shí)水位不會(huì)升高，取水口和泄流口始終保持二者自流狀態(tài)，在取水口采集水樣后，現(xiàn)場(chǎng)利用球膽排水真空脫氣法進(jìn)行脫氣處理（國家地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2002）。采樣與脫氣裝置如 圖5所示。具體操作步驟如下：①取水樣過程。脫樣瓶口的進(jìn)水導(dǎo)管接井在三通的取水口上，使瓶內(nèi)充滿水（水流量為1.0 L/min），取滿后沖流1min，排盡瓶內(nèi)空氣之后夾緊進(jìn)水口；②脫氣過程。在確保取樣瓶密封不漏氣的情況下，用橡皮管連接出水管，利用雙連球進(jìn)行打氣，當(dāng)排除的水達(dá)到事先設(shè)定的刻度（2 500 mL）時(shí)，立即夾緊出水管夾，拔掉雙連球。在排水過程中不得搖動(dòng)取樣瓶；將球膽接真空泵，抽球膽直到將其抽癟，為了使溶解氣體脫出效率最高，將5 000 mL取樣瓶放置在調(diào)速震蕩器上震蕩2.0 min；③收集氣體過程。將取樣瓶出水口連接準(zhǔn)備儲(chǔ)存氣體樣品的擴(kuò)散管直管，緩慢打開球膽管夾，迅速將脫出的氣體轉(zhuǎn)移至盛有飽和NaCl封閉液的帶刻度擴(kuò)散管中（國家地震局科技監(jiān)測(cè)司，1995），利用連通器原理，當(dāng)水準(zhǔn)瓶液面與擴(kuò)散管液面保持相同高度時(shí)，由擴(kuò)散管刻度上讀出脫出氣體的體積，然后抬高水準(zhǔn)瓶，在正壓下夾緊擴(kuò)散瓶側(cè)管夾與直管夾，將擴(kuò)散管倒立放置，待測(cè)量。

圖5 溶解氣樣品的采集與脫氣裝置（據(jù)國家地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2002）Fig.5 The collection and degassing devices of dissolved gas samples

4 改進(jìn)取樣方式前后測(cè)項(xiàng)對(duì)比

4.1 水位觀測(cè)

懷4井動(dòng)水位觀測(cè)干擾因素，較大程度上是取氣樣（氣相色譜實(shí)驗(yàn)所需氣體）干擾，原取氣樣方式是在泄流口位置利用氣泡分離器進(jìn)行集氣，造成取氣樣時(shí)間內(nèi)，水位管路水壓增大，水位表現(xiàn)為分鐘值曲線每天6—7時(shí)出現(xiàn)有規(guī)律的向上脈沖式突跳1次（邱永平，2011），持續(xù)時(shí)間為20 min左右，曲線形態(tài)受到嚴(yán)重影響，每天在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行缺數(shù)處理，同時(shí)造成懷4井動(dòng)水位完整率較低，觀測(cè)質(zhì)量下降。

取水樣過程：2020年10月10日進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用三通，連接主管路后，一側(cè)為泄流口，一側(cè)為取水樣口。為減小取水樣過程中影響水位的觀測(cè)，保證泄流口與取水樣口處始終保持自流狀態(tài)。在進(jìn)行多次試驗(yàn)后，將取水樣口流量基本控制在1.0 L/min，為了最大限度減小取水樣時(shí)的瞬時(shí)壓力，將5 000 mL細(xì)口瓶上的取水導(dǎo)管直徑由5.0 mm變?yōu)?.0 mm，由于泄流口的流量明顯大于取水樣的流量，待水滿后（瓶內(nèi)不得有氣泡存在），繼續(xù)讓水沖流1.0 min以上，同時(shí)關(guān)閉取樣瓶上的進(jìn)水管夾和出水管夾。在取水樣過程中控制流量穩(wěn)定基本不影響水位觀測(cè)。圖6為改進(jìn)取樣方式前后水位原始分鐘值。由圖6可見，在取水樣過程中15.0 min時(shí)間段內(nèi)，懷4井動(dòng)水位觀測(cè)得到了明顯的改善，不再進(jìn)行缺數(shù)處理，數(shù)據(jù)完整率提高，曲線動(dòng)態(tài)光滑（劉俊芳等，2016；王江等，2016），取氣樣造成的“脈沖式”突跳基本消除。

圖6 改進(jìn)取樣方式前后水位原始分鐘值（a）改造前；（b）改造后Fig.6 Comparison of minute sampled water level observation curves before and after improved sampling method

4.2 氣相色譜法測(cè)量氣體濃度

利用氣相色譜法檢測(cè)的氣體組分主要為氦氣（He）、氫氣（H2）、氮?dú)猓∟2）、甲烷（CH4）等。儀器一般由氣路系統(tǒng)（含載氣源Ar氣）、進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)（色譜柱）、檢測(cè)系統(tǒng)（熱導(dǎo)池）、記錄系統(tǒng)等5個(gè)部分組成。工作原理為由高壓鋼瓶流出的載氣帶著氣體樣品進(jìn)入色譜柱中，在此被分離成不同組分的氣體后分別進(jìn)入熱導(dǎo)池內(nèi)變成電信號(hào)，經(jīng)檢測(cè)、放大后由記錄儀輸出各自濃度。儀器的測(cè)試誤差一般≤10 %。一般需要人工取樣與測(cè)試，因此，造成懷4井水位觀測(cè)曲線每日6—7時(shí)向上脈沖式突跳的原因?yàn)槿斯と鈽印?/p>

在改造取氣樣方式之后，懷4井水位受取氣樣的干擾基本消除。通過氣相色譜法測(cè)得的改造后各個(gè)氣體濃度與改造前進(jìn)行對(duì)比（10月10日進(jìn)行改進(jìn)）發(fā)現(xiàn)（圖7、表1），CH4、H2濃度與改造前基本一致。但是，N2、He濃度與改造前有所不同，呈下降趨勢(shì)，主要原因在于取樣方式的改變，即由采集逸出氣變?yōu)槿芙鈿?，這使得氣體含量發(fā)生變化。

圖7 2020年10月改進(jìn)取樣方式前后氣相色譜實(shí)驗(yàn)測(cè)得的氣體濃度Fig.7 Gas chromatographic gas concentration daily curves before and after improved sampling method

表1 2020年10月改進(jìn)取樣方式前后氣體濃度及相關(guān)參數(shù)Table 1 Gas concentration and related parameters before and after improved sampling method

續(xù)表1

5 討論與結(jié)論

懷4井水位觀測(cè)一直存在取氣樣所產(chǎn)生的干擾。通過改進(jìn)取氣樣方式，得到以下認(rèn)識(shí)。

（1）取氣樣干擾使得水位觀測(cè)受到影響，數(shù)據(jù)完整率下降。為消除干擾，采取球膽排水真空脫氣法進(jìn)行取樣，有效地解決了水位觀測(cè)曲線脈沖式突跳問題。該措施不僅消除了由取氣樣造成的水壓升高，而且降低了高溫下取氣樣的危險(xiǎn)性。

（2）利用球膽排水真空脫氣法進(jìn)行取樣時(shí)，若長久使用球膽進(jìn)行脫氣，會(huì)造成損耗，發(fā)生漏氣現(xiàn)象，需注意排球內(nèi)膽是否漏氣，應(yīng)定期檢查及更換。取水樣時(shí)只要安排好采樣時(shí)間，一般不會(huì)明顯影響水位整點(diǎn)測(cè)值。

（3）取樣方式的改變，即由采集逸出氣變?yōu)槿芙鈿?，這使得利用氣相色譜法所得氣體測(cè)值有所差異。通過利用三通，一側(cè)為泄流口，一側(cè)為取水樣口，減小了原取樣方式的水壓，解決了水位突跳問題。但在地下水位上升過程中由于水壓力的減小，水中溶解的氣體以氣泡的形式脫析出成為逸出氣，而懷4井水溫達(dá)78℃，同時(shí)氣體在水中的溶解度與溫度成正比，因此水中的溶解氣減少，造成氣體測(cè)值降低。由于該井采用逸出氣方式觀測(cè)已有多年，為保證氣相色譜法測(cè)量逸出氣觀測(cè)資料的延續(xù)性，通過對(duì)2種取氣樣方式的測(cè)值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于懷4井觀測(cè)逸出氣方式為首選。