高温腐蚀性抽水控制系统在怀4井的应用

张晓刚，邢杰，程德庆，王锐锋

(1.河北省地震局，河北石家庄 050021;2.河北省地震局张家口中心台，河北张家口 075000;3.河北省地震局怀来地震台，河北怀来 075400)

河北怀4井是一个非常理想的地震前兆流体观测井，开展地震前兆观测30多年来，在地震预测、地震观测、地震研究领域取得了许多成果，是京西北乃至华北地区重要的水化观测井之一。特别是该井映震能力较强，曾在本区及华北多次中强地震前出现了较为明显的前兆异常，并多次被台站及有关单位作为重要前兆异常依据在震前做出了一定程度的预测。

怀4井成井于1970年，坐落在怀来县城东南13 km桑园乡后郝窑村南，位于后郝窑热田区，热田分布为北西向，短轴约1.1 km，长轴约2.2 km。该井为热区内最深、水温最高的井孔，水温85.0℃，井深500.34 m，矿化度0.397 mg/L，流量为3.984 L/s［2］。地貌上为被侵蚀的山前洪积扇的下部，与河流冲积平原相邻。处于燕山褶断带与祁吕贺兰山字型构造东翼、反射弧复合部位，怀来—蔚县大断裂从本区东南穿过，其北部还有祁吕系歪头山—万家窑断裂和北西向的施庄大断裂。

近年来，由于华北地区地下水位普遍下降，及后郝窑周边地热资源过度开发，致使怀4井的水位逐年下降，于2007年趋于断流，诸多模拟、数字测项面临停测危机。为了使该井流体观测得以继续，经调研和论证，并报中国地震局和河北省地震局批准，于2007年9月15日开启了降低取水口的改造工程，同年12月20日完工。工程为在主井房外建一个直径4米的钢筋混凝土结构的深井，井深10 m，观测井与主井开挖10 m通道，在主井管开孔，用Φ25 mm不锈钢管接热水至观测井脱气桶，进行数字化气氡、气汞观测，并留有模拟观测水氡、水汞、色谱的取水口，水位观测管［1］。改造后仍在自流状态下进行流体观测，实现了与30多年的观测资料的无缝衔接。

由于怀4井水温达到85℃以上，并且富含矿物质，对金属具有强腐蚀性，因此对排水控制系统提出了很高的要求。通过在怀4井的实践，给出了一种在高温和腐蚀性等条件下长期正常运行的排水控制系统。

1 改造后的怀4井及抽水控制系统

主井管中的水通过取水口连接的导水管，分别流经两个脱气桶后，进入蓄水池，当水位达到一定高度后自动开启抽水泵，当抽到一定液位时自动停止抽水。

我们制作了两套排水自动控制系统，一套水位超限自动报警系统。其工作顺序是第一套排水自动控制系统作为正常工作组，当第一套排水自动控制系统出现故障时，第二套排水自动控制系统自动启动，当第二套排水自动控制系统出现故障时，水位超限自动报警系统开始报警，由人工进行抽水操作，并检查维修控制系统故障，这样就保证了储水池的水位始终保持在控制范围内。

图1 改造后怀4井的示意图

2 抽水控制系统传感器制作

2.1 传感器方案选取

在本方案实施之前，我们曾直接购买过市场上的成熟抽水控制系统以实现抽水控制目的，但是由于市场上的传感器一般都是金属制作易腐蚀或者是传感器制作材料不耐高温，并不适合怀4井的工作环境。所以就自主设计了适合在怀4井条件下长期运行的抽水控制系统。

我们做过浮子带动行程开关、使用定滑轮将控制部分引出水外、浮子顶起导杆把控制部分放置到水面以上等方案和本方案的比对，其他方案由于高温水蒸汽对材料的限制、空间限制等原因试运行失败。最终选择了本方案且得到了实践的验证。

图2 抽水控制系统工作流程图

2.2 传感器制作

(1)使用干簧管做控制水位上下限的传感器，优点是无需接触、易于密封、可靠性高;(2)使用PP-R热水管做传感器的密封材料，优点是耐高温、耐腐蚀、容易密封(用专用的PP-R热熔堵头);(3)使用不导磁的粗铜丝作为干簧管的支架，防止干簧管被磁铁拖拽而改变设定的上下限位甚至系统失效;(4)使用耐高温的电线作为导线连接传感器和机箱，优点是耐高温、不易老化;(5)用高密度苯板做浮子带动环形永磁铁做传感器控制器，优点是耐高温、耐腐蚀、磁感应无需接触。另外，空气的膨胀系数较大，高水温会使密闭的PP-R管内空气膨胀，甚至破坏PP-R管的密闭性。可以在密封之前灌入膨胀系数较低的干水泥或沙子，解决这一问题。

图3 抽水控制系统示意图

3 抽水控制系统电路

本系统采用12 V继电器和220 V交流接触器进行逻辑运算。具体电路如图4。

X000和X001分别为水位下限和水位上限的干簧管，使用浮子带动的磁铁闭合;X002为手动启动开关，可在水下部分失灵的情况下人工启动;Y000和Y001为12 V继电器，确保水下部分仅为12 V，即使发生漏电也不会对值班人员造成伤害;Y002为交流接触器作为控制输出，可以接220 V的水泵或者220V的报警器。

本电路的优点是:元器件少、电路简单、安全性高、稳定性好。

图4 抽水控制系统逻辑控制电路梯形图

本系统由三套相同的机箱、不同限位的传感器构成，机箱可以互相替换、互相检测，有利于值班人员排除故障，提高系统运行稳定性。

4 结束语

本系统的运行时间取决于井口进水量和水泵流量。本系统在怀4井安装后，抽水控制组1每天运行，抽水控制组2和水位超限报警基本不运行。在水泵及排水管路维修中，水位超限报警可以起到重要作用。

从2007年改造后到2013年，各项观测正常进行，确保了怀4井地下流体观测数据连续稳定。并在地震前兆观测中取得了很好的效益。

［1］张常慧，李海孝，张彦青，等.面临断流的高温热水井的技术改造及其观测效果［J］.地震地质，2011，33(3):653-659.

［2］张常慧，宋晓冰，李海孝，等.怀来4井数字气汞观测及资料分析［J］.地震地磁观测与研究，2008，29(3):65-68.

［3］韦汉卿.新颖的干簧管集成液位自动控制器［J］.机械研究与应用，1998，11(4):33.

［4］鲁改凤，朱雪凌，李瑞珍.继电控制设计方法［J］.电测与仪表，2009，(9):68-71.