河北辛集井水温梯度及固体潮特征

王江 张晓刚 王莉森 马广庆 梁红杰 牛露

河北省地震局监测网络中心，石家庄市槐中路262号 050021

0 引言

井水温观测是地下流体观测的重要观测项目，井水温的微动态信息被认为与地壳应力、地震前兆存在密切关系。我国的地下流体观测台网在上世纪末普遍布设了水温观测项目。根据《地震及前兆数字观测技术规范》（中国地震局，2001）中的要求，在开展水温观测之前应进行井水温梯度测试。

1 实验井概述

河北辛集井位于辛集市旧垒头村西，坐标37.976°N，115.180°E，地面高程36.50m。1977年7月由华北油田勘探队建设，成井时为高温高压自流井，于2010年3月断流。断流前由于温度过高（83℃），未开展井水温观测。目前仅进行数字化水位观测，水位埋深约34m。

该井完钻井深2052.37m，表层套管内径53.34cm、下设深度至23.10m，第一段技术套管内径24.45cm、深度至877.83m，第二段技术套管17.78cm、深度至1539.40m，套管外围采用水泥固井止水。1539.40～2052.37m深度处为裸孔，观测层为震旦亚界白云岩承压含水层，厚度512.97m。井孔柱状图见图1。

图1 辛集井井孔柱状图

2 井水温梯度测试及结果

2.1 测试方法

根据《地震地下流体观测技术》（国家地震局科技监测司，1995）、《地震及前兆数字观测技术规范》（中国地震局，2001）及《地震地下流体学》（车用太等，2006）对井水温梯度测试的要求，梯度测试过程中每次变化10～20m深度测量10m in，至少测试10个点的数据，井深200～1000m时，应每次变化25m深度测量20m in。新疆地震局于2011年地下流体学科统评会介绍了针对水温传感器最佳观测位置的梯度测试实验条件，将每次变化深度调整为10m；温泉井水温梯度测试条件将传感器每次变化深度后的静置观测时间调整为30min（何案华等，2014）；车用太等（2013）在总结地震井水温观测的基本问题时提出水温梯度测试每次变化10～20m深度测量时间不应少于1h。

辛集井水温梯度测试仪器为中国地震局地壳应力研究所生产的SZW-1型数字式温度计，附带200m线缆，仪器分辨率为0.0001℃，绝对精度为±0.05℃，采样率为1次／min。基于测量仪器条件及该井水位埋深，水温梯度测量深度范围为50～200m，每次变化10m深度测量10～14h。水温梯度测试完成后，选择水温变化敏感深度进行加密测量，条件为每次变化5m深度测量24h。

2.2 测试结果

水温梯度测试结果首先将调整水温传感器深度的短时波动数据处理掉，然后计算每次调整传感器深度后静置观测时间内的平均值及对应梯度值。辛集井水温梯度测试变化范围－20.9～18.5℃／hm，存在 3处水温负梯度，分别位于 50～60m、90～110m、130～140m深度（表 1、图 2a）。

表1 辛集井水温梯度测试结果

图2 辛集井水温梯度图（a）及钻井电阻率曲线扫描图（b）

3 水温固体潮测试结果

辛集井水温梯度测试50～190m深度内每次变化传感器位置后的水温测量数据（70m处传感器线缆标记由于破损未能静置观测，60m观测完成后直接降至80m深度），与同井同时段的水位观测数据及计算重力理论固体潮数据绘制了对比曲线（图3）。该井50m（图3（a））、60m（图 3（b））、100m（图 3（e））、130m（图 3（h））深度可见水温固体潮形态。其中50m（图 3（a））处水温曲线干扰因素较多，水温潮差 0.0052℃；60m（图 3（b））处水温曲线相对光滑，水温潮差0.0036℃；100m（图3（e））处水温曲线变化趋势缓慢，水温潮差0.0085℃；130m（图3（h））处水温曲线突跳较多，水温潮差0.0042℃。

根据水温梯度测试结果及每次变化深度水温观测对比曲线，选择50～80m深度范围进行步长5m的加密观测，并绘制了加密测量水温、水位及计算重力理论固体潮同井同时段数据对比曲线（图4），发现55m（图4（f））处水温固体潮形态最为清晰，水温潮差为0.0098℃。

图3 辛集井50～190m深度水温、水位、理论固体潮同时段对比曲线

图4 辛集井55～80m深度加密测量水温、水位、理论固体潮同时段对比曲线

4 井水温负梯度及固体潮汐特征

4.1 井水温负梯度

辛集井50～200m深度内水温梯度变化范围为－20.9～18.5℃／hm，超出正常地温梯度范围2～3℃／hm及地下水温研究结果1.8～3.6℃／hm（Heath，1983）。水温梯度测试结果发现3处负梯度（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）。塔院井水温在 105～180m深度内存在负梯度－0.3℃／hm，该深度内水温下降缓慢，普遍认为与地质构造及水文地质条件有关（谷元珠等，2003）。新30井水温在110～230m深度内存在负梯度－5.9℃／hm（汪成国等，2012），冷热交换被认为是该井负梯度出现的原因（何案华等，2014）。辛集井系油田部门勘探井，设计用途并非地震观测，对于487m以上第四系覆盖层的钻孔岩芯未进行详细编录，钻孔柱状图（图1）中描述为灰色细砂层夹粘土层，结合钻井电阻率曲线（图 2（b））3处水温负梯度深度（55～60m、95～105m、130～140m）的电阻值明显低于其它深度处的特征，推测负梯度深度存在粘土层为相对隔水层、细砂层为相对含水层的第四系孔隙含水层，且含水层水温低于井管内相同深度的井水温。井管内外水温冷热差异形成热交换，导致该深度井水温出现负梯度。

4.2 水温固体潮特征

辛集井50～190m深度3个水温负梯度位置记录到固体潮，而正梯度深度内水温观测波动较大，未见固体潮。其中，50～60m深度水温梯度－10.0℃／hm，55m深度潮差为0.0098℃，固体潮形态比较清晰；90～110m深度水温梯度－4.1℃／hm，100m深度潮差0.0085℃，固体潮形态相对光滑，但趋势平缓；130～140m深度水温梯度－20.9℃／hm，130m深度潮差为0.0042℃，可见固体潮，但突跳较多。而塔院井水温观测在负梯度（约－1.5℃／hm）及正梯度（约1℃／hm）深度均观测到固体潮，且梯度变化大的位置水温潮汐动态变化范围大（杨竹转，2011）。不同于塔院井，辛集井水温固体潮仅与负梯度有关，且水温固体潮动态范围（潮差）与梯度变化大小无明显线性关系。

该井 50m（图 3（a））、55m（图 4（f））、60m（图 3（b）、图 4（e））、100m（图 3（e））、110m（图3（f））深度水温固体潮与水位固体潮相位相反，即水温增高，水位下降；水温降低，水位上升。这与水温负梯度处的温度变化特征相符。河北昌黎井的水温固体潮变化机制（张子广等，2007）及井水流量潮汐变化机制（马玉川等，2010）与辛集井水温固体潮变化特征类似。

辛集井断流前水温83℃，属于高温高压自流井，水热动力学机制（车用太等，2014）是水温动态的主导机制。观测含水层为1539.4m深度以下承压含水层，通过钻井电阻率曲线（图2（b））发现487m以上可能存在相对含水层。该井断流后由于压力降低、水位快速下降，梯度测量时已降至33m，浅层深度井管外的低温含水层与井管内的观测水体热交换明显，表明负梯度深度的井水温动态受地热动力学机制（车用太等，2014）影响为主。

该井负梯度深度的水温固体潮峰谷变化超前于水位及理论固体潮。祁县井由于井管阻塞水温固体潮特征（马玉川等，2014）与辛集井相似。但辛集井水温梯度测试变化水温传感器深度过程，未见明显阻滞，无井管阻塞可能。因此，此现象在后续工作中值得深入研究。

5 结论

辛集井水温梯度测试变化范围大（－20.9～18.5℃／hm），在50～200m深度内发现3处负梯度：50～60m 深度 （－10.0℃／hm）、90～110m 深度 （－4.1℃／hm）、130～140m 深度（－20.9℃／hm）。结合该井钻孔柱状图及钻井电阻率曲线分析，推测负梯度是井管外的第四系低温含水层与井管内观测水体进行热交换所导致。

该井于3处负梯度深度发现了水温固体潮，但未发现水温固体潮动态范围与负梯度变化大小存在明显线性关系。选取该井负梯度水温固体潮曲线光滑的50～60m深度进行了加密观测，于55m深度观测到清晰的水温固体潮，潮差0.0098℃，其相位与水位固体潮相反。水温固体潮特征及负梯度表明该井水温受水热动力学及地热动力学共同作用。

此外，辛集井水温固体潮超前于水位固体潮的现象可能与该井特殊的水文地质条件有关，仍需继续研究。

致谢：感谢车用太对论文撰写的悉心指导，感谢张子广、盛艳蕊等对本文结论部分给出的参考意见。