面临断流的高温热水井的技术改造及其观测效果

张常慧 李海孝 张彦青 宋晓冰

1)河北省怀来地震台，河北怀来 075400

2)河北省张家口中心台，河北张家口 075000

面临断流的高温热水井的技术改造及其观测效果

张常慧1)李海孝1)张彦青2)宋晓冰1)

1)河北省怀来地震台，河北怀来 075400

2)河北省张家口中心台，河北张家口 075000

河北省怀4地下流体综合观测井自2007年起水流不断减少，直至濒临断流，我们将其改造成竖井以保证持续进行地下水化学量浓度和水位综合观测。改造后一年多的实践表明，改造是较为成功的，不仅解决了该井停测的危机，还为其他高温热水自流井未来改造开拓了新的技术途径。

怀4井 井孔改造 地下流体 综合观测

0 引言

怀4井位于河北省怀来县后郝窑地热异常区内，1970年成井以来井水自流，水温高达88℃。自1972年以来先后进行了水氡、水汞、气体、气氡、气汞、水位等多项地下流体动态观测，成为中国最重要的地震地下流体综合观测井之一，积累了大量高质量的观测数据，在中国地震地下流体学科的地震前兆监测与华北地区的地震预测及相关的科学研究中发挥了重要作用，多次获得全国资料统评的前三名，为1989年10月大同MS6.1、1996年5月包头MS6.4、1998年1月张北MS6.2等强震预测都做出了积极的贡献(河北省地震局，2005)。

然而，随着当地经济的飞速发展，不断加大地热资源的开发，特别是1995年在距该井不足百米的距离内建成同层热水开采井电华2井，自2002年该井投入生产以来，使怀4井热水自流量与井口压力逐年递减(车用太等，2004)，至2007年7月开始出现井水时断时流，不仅各项地下流体动态受到严重干扰，而且造成不能正常连续观测的严重局面。面对如此严峻的形势，我们借鉴了山东聊城台的一些经验(王华等，2010)，于当年9月进行了以开挖深10m的竖井、降低观测井泄流口高程为核心的井孔改造。

1 怀4井概况

怀4井地面海拔高程为487m。井深500.34m，观测含水层是顶板埋深为278.5m的太古界片麻岩破碎带热水层，揭露含水层厚度＞221m。

该井为高温热水自流井，成井时的水头高度为2.75m，井水自流量为3.24m3/h，水温为88℃，水化学类型为SO4－Na型，矿化度为0.962g/L，为大气降水渗入地下后经深循环上涌成因的地下热水。无论其水头、水温与水质，都较适宜地下流体综合观测。

该井1972年投入地震地下流体动态观测，前期以水氡观测与气体观测为主，后期逐步增加了水汞与水位观测，特别是2002年开始了气氡、气汞、水位的数字化连续观测。上述各项观测，是通过在地面以上设置有泄流口的观测井中实现的。然而，随着当地热水资源的超度开采，井口压力逐渐减小，至2007年7月开始井水时断时流，使地下流体综合观测严重受挫，特别是地下水化学量的自动化连续数字观测技术无法有效实施。在这种情况下，从2007年9月起，台站开始进行井口改造与新的观测系统建设。

2 井口改造与新观测系统建设

井口改造与新观测技术系统如图1所示。井口改造的核心是在距观测井(主井管)10m处建一竖井地下观测室。把原井的泄流口降低8m，确保在井自流的条件下开展气氡、气汞、水位数字化观测。

图1 怀4井竖井与新的观测技术系统示意图Fig.1 The diagram of vertical shaft and the new observing system of Huai-4 well.

竖井深度10m，直径4.5～5m，制作厚30cm的钢筋混凝土护壁，护壁外设防水层，竖井底部建1.8×1.8m的储水池。

观测井与竖井观测室间开挖1.2×1.8m断面的地下通道(通道作钢筋混凝土护壁)，其中设内径20mm的不锈钢引水管道，把观测井的水引入竖井观测室中，引水管的位置设在地面以下8m，相当于把泄流口高程降低约8m。引水管的直径为25.4mm，焊接在预先设置于观测井管上的钢套上，并在观测井主井管上打15.0mm的引水孔，可以把井水引入观测室。引水管上设置不锈钢阀门，以便控制稳定的泄流量。

实现地下水化学量的综合观测，关键技术是从引水管中分离出3股水流，分别用于采集模拟水氡、水汞与气体样品，供气氡与气汞两个数字化观测的脱气用及数字水位观测。

为了减少3股水用水的相互干扰，以达到最佳观测效果，我们采用在引水管上接一个Y形分流装置，垂直向上的一支作模拟观测用取水，另一个作数字水位观测用;向下的一支作数字气氡、气汞观测用，为排除气氡、气汞两种不同化学量观测间的互相干扰，又分成2个次级引水管分别引入脱气装置，脱气后的水排入储水池中。

储水池内的热水，利用自动控制的扬水系统送到地面以上一定高度，用于取暖或其他方面。

3 改造效果的检验

3.1 改造前的地下流体动态

3.1.1 时值动态

2007年6月1—30日改造前的地下流体动态曲线如图2所示。由于地下水位下降，改造前的泄流口(测量用水口)水位也下降，到2007年6月，泄流口上的水流已到似断非断的状态，不仅导致气汞、气氡、水位观测断断续续，年缺记率分别达气氡9.2%、气汞4.38%、水位55.57%，而且动态变得不稳定，甚至失真，观测数据质量显著下降，地震前兆监测的功能开始减弱。

图2 怀4井改造前(2007年6月1—30日)气汞(a)、气氡(b)、水位(c)动态时值曲线Fig.2 Curves of hourly values of gasmercury(a)，gas radon(b)and water level(c)before the reconstruction of Huai-4 well(from June 1st to 30th in 2007).

3.1.2 日均值动态

图3 为怀4井2007年5—12月水位、气氡、气汞日值动态曲线，其间经历了10月华电井抽水供暖的干扰时期。由图3可见，由于水位下降，造成动态曲线时断时续，测值突跳频繁，动态十分不稳定，水位高低起伏0.81m，变化幅度达86%，气氡高低差值94.78Bq/L，变幅达97%，气汞变幅也显著，到冬季11月华电2井取暖抽水时，就造成水位断记，气氡、气汞也趋于停记。

图3 怀4井改造前(2007年5—12月)的气汞(a)、气氡(b)、水位(c)日均值动态曲线Fig.3 Curves of dailymean values of gasmercury(a)，gas radon(b)and water level(c)before the of reconstruction of Huai-4 well from May to December in 2007.

3.2 改造后的地下流体动态

3.2.1 时值动态

图4 为2008年6月怀4井水位、气氡、气汞的时值动态曲线。由图4可见，水位、气氡、气汞测值稳定(表1)，水位测值与固体潮汐关系清晰，水位最大起伏为0.4m;气氡测值稳定，最大变化幅度为16Bq/L，无明显突跳、阶变;水汞时值动态总体上也变得平稳，有少量突跳值，曲线动态变化基本恢复正常。

3.2.2 日均值动态

图5为2008年5—12月的怀4井水位、气氡、气汞的日均值动态曲线，由图5可见，相邻的华电2井于10月大量采水之后，气氡的动态未受开采干扰，对气汞动态的干扰也不明显，水位动态虽受开采干扰，但不至于断流，对观测数据的连续性不产生影响。

图4 怀4井改造后(2008年6月1—30日)的气汞(a)、气氡(b)、水位(c)的时值动态曲线Fig.4 Curves of hourly values of gasmercury(a)，gas radon(b)and water level(c)after the reconstruction of Huai-4 well from June 1st to 30th in 2008.

3.3 改造效果的评价

(1)改造后水位、气氡、气汞观测都较正常，数据连续率得到提升，气氡达99.46%，气汞达100%，水位达94.55%(缺测为仪器探头故障引起)，基本达到全国资料统评优秀以上的水平。

(2)改造后气氡、气汞、水位时值动态均稳定，气氡、水位测值平稳，气汞测值变化正常;从日均值动态看，冬季10月份开始的华电2井开采热水对气氡、气汞的影响显著减弱;对水位虽仍有影响，但已呈平稳下降态势，日动态变化规律仍较清楚。

(3)改造后数据质量明显提高，测值稳定，2008年6月气氡变化幅度为10Bq/L，变幅为背景值的14%，无明显突跳;气汞测值较稳定，仅有个别较大突跳点;水位月降幅为0.36m，无突跳点，起伏平稳，无阶变。

图5 怀4井改造后(2008年8—9月)的气汞(a)、气氡(b)、水位(c)的日均值动态曲线Fig.5 Curves of dailymean values of gasmercury(a)，gas radon(b)and water level(c)after the of reconstruction of Huai-4 well from August to September in 2008.

(4)改造后的观测结果表明，3个测项均有程度不同的潮汐显示，其中水位的潮汐显示变得更加清晰，最大日潮差达15cm左右，气汞微动态也有与固体潮相对应并呈同步变化的半日波形态，气氡微动态也有一定程度的与固体潮汐同步变化的形态，但是幅度较小。这样的事实说明，改造后的水位与气氡、气汞测项对地壳应力的响应灵敏度明显增强了。

4 认识与讨论

怀来4井井区因区域水位下降及热水开采，面临井水断流危机，严重影响地下流体的综合观测。通过井孔改造实现自然泄流状态连续观测，实现了与已观测30多年的观测资料的对接，成功地避免了多测项停测。

怀4井改造中，可借鉴的技术是88℃高温热水带压开孔技术的成功实施，无疑对今后有类似条件的技术改造有重要的参考意义。

改造后观测数据质量显著提升，数据连续率在99.6%以上，水位、气氡、气汞实时动态具有同步性半日波现象，而且都与固体潮的半日波同步，可以认定与固体潮引潮力存在某种关系，这样的观测资料对于地下流体监测及预测地震的深入研究是有意义的。

然而，随着井区资源的继续开发，水位继续下降势在必然，而且降到一定深度后综合观测还是难以继续维持。因此从长远来看，还是要走提高认识，保护环境的途径，以法律的权威保护划定的观测环境保护区，防止在保护区内进行地热资源的超深开采，保护地震流体观测的正常进行。

致谢 感谢中国地震局地质研究所车用太研究员给予本文的大力指导。

车用太，鱼金子，等.2004.地下流体典型异常的调查与研究［M］.北京:气象出版社.122—129.

CHE Yong-tai，YU Jin-zi，etal.2004.Investigation and Research of Typical Anomalies in Underground Fluid［M］.Meteorological Press，Beijing.122—129(in Chinese).

河北省地震局.2005.河北省地震监测志［M］.北京:地震出版社.48—52.

Earthquake Administration of Hebei.2005.Hebei Earthquake Monitoring Directory［M］.Seismological Press，Beijing.48—52(in Chinese).

王华，王伟，陈其锋，等.2010.地震地下流体自流观测井断流应对技术开发［J］.地震学报，32(5):601—609.

WANG Hua，WANGWei，CHEN Qi-feng，et al.2010.Technology development to cope with the drying up of underground fluid observation well［J］.Acta Seismologica Sinica，32(5):601—609(in Chinese).

TECHNOLOGICAL RECONSTRUCTION AND OBSERVATION EFFECT OF HIGH TEMPERATURE WATER WELL UNDER A CONDITION OF DRYING UP

ZHANG Chang-hui1)LIHai-xiao1)ZHANG Yan-qing2)SONG Xiao-bing1)
1)Huailai seismic station，Huailai 075400，China
2)Zhangjiakou Central Seismic Station，Zhangjiakou 075000，China

Through the shaft reconstruction of the well under the condition of artifical automatic flow，we managed to keep the continuousmeasurement of concentration of chemical contents and water level by adopting shaft observationmethod.After observation formore than a year，it has been revealed that the crisis of halt ofmeasurement of the wellwas removed.Moreover，it provides a new approach for technological reconstruction of high temperature artesian well.

Huai-4 well，well-hole reconstruction，subsurface fluid，comprehensive observation

P315.72+3

A

0253－4967(2011)03－0653－07

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2011.03.014

2010－12－09收稿，2011－02－23改回。

张常慧，男，1963年生，2007年毕业于北京交通大学网络学院计算机专业，工程师，主要研究地震地下流体监测及分析预报，电话:0313－6221278，E－mail:dztzch@126.com。