高温自流井流量数字化观测系统的开发及应用

王　江， 张晓刚， 罗　娜， 王　静， 宋　昭

(1.河北省地震局，石家庄　050021； 2.红山基准台，河北 邢台　054000)



高温自流井流量数字化观测系统的开发及应用

王江1， 张晓刚1， 罗娜2， 王静2， 宋昭2

(1.河北省地震局，石家庄050021； 2.红山基准台，河北 邢台054000)

选取河北衡水水温78℃自流井为实验井，经过对比多种观测方法及条件，选择电磁式流量观测方法开发流量观测系统。该系统软件为自行开发，可以实现数据校验、采集、转换、存储及接入中国地震前兆数据管理系统，仪器远程访问等功能。衡水井流量观测系统安装调试经过多次管路优化，实现了井管内流体气液分离，解决了空管报警问题，流量观测数据直观地反映了观测井-含水层的应力变化。

流量观测系统；衡水井；高温自流井；管路优化

0　引言

自流井流量观测是我国地震领域开展较早的地震前兆观测项目。自流井中的流体来自地球深部承压含水层，普遍认为带有地球深部的信息。车用太在大量实验的基础上认为流量观测的映震能力高于水位观测的映震能力[1]。高温自流井因为高温有利于流体中的深部气体逸出，在地震地球化学观测研究方面亦受到关注[2-5]。因此，流量观测对于地壳应变的反映直观明显，是地震监测预测研究的重要手段之一。

我国地震领域早期的流量监测采用人工定时采集数据方式。由于地下水资源大量开采，许多自流井断流。“九五”地震台网数字化观测后，多数地震流体观测站由有人值守改为无人值守模式，大部分人工流量监测被迫停止，河北省目前服务于地震监测的自流井均缺失流量监测项目。

衡水井是位于衡水市深州大屯乡陈家口村南的高温自流井，由河北省地震局红山基准台负责运行维护。该井处于华北平原沉降带冀中坳陷新河凸起上，东距束鹿断裂10 km，北距石家庄-衡水断裂5 km。1984年由华北油田完成建设，观测含水层为震旦亚界碳酸岩裂隙承压含水层，终孔深度1 700.41 m，水温79.5℃，流量6.1 L/s，PH值6.4，总矿化度为44.8 g/L，气体总量较大。1987年转交地震部门使用，同年河北省地震局改造井孔进行动水位、人工流量、气压观测，“十五”期间该井改造为数字化无人值守观测站，仅保留动水位观测。

1　流量观测系统选型

我国地震行业的流量观测系统比较落后，使用人工读数的涡轮流量计数量较多。刘耀炜多次在国家地震流体学科会议上分析多种流量计的工作原理，中国地震局地壳应力研究所进行了流量计的实验室模拟实验。因为自流井流体及管路的特殊性，目前我国地震行业还没有成熟推广的数字化流量观测系统。

1.1流量观测方法

为保证流量观测系统适用于高温自流井，首先分析对比压力式、称重式、电磁、涡轮、容积式等流量观测方法(表1)：

表1　不同流量观测方法对比

1.2流量计选型

衡水井为无人值守观测站，产出动水位观测数据上报中国地震台网中心。适用于该井流量计选型的首要原则是不影响在运行动水位观测，因此不能在管路中增加阻流部件，也不能更改泄流管路。对比表1中的观测方法，称重式、电磁式流量观测方法在观测精度、稳定性、操作性及影响范围的技术指标适用于衡水井流量观测。因此，选取数字化程度高且适用温度范围广的电磁式流量观测方法来开发流量观测系统。

2　流量观测系统的开发及测试

流量观测系统由电磁式流量计和数据采集器2部分组成。

2.1电磁流量计

电磁流量计使用的是一体式Endress+HauserProlinePromag 53。基本技术参数：直流供电24V；公称直径DN80；使用ISO/IEC 17025标准标定的满量程流量25.132 71 L/s；不锈钢法兰安装；耐腐蚀高温里衬(满足介质温度80 ℃要求)；不锈钢电极材料；Modbus RS485通用传输协议；空管报警技术(EPD)。

流量计安装要求前端直通管路长度大于5倍公称直径，流量计后端直通管路长度大于2倍公称直径。电磁流量计主要参数设置如下：[MEASURED VARIABL]UNIT VOLUME FLOW:dm3/min，ON-VAL.LF-CUTOFF:5%，EPD PARAMETER: Standard，[MODBUS RS485] FIELDBUS ADDRESS:24，BAUDRATE:19200BAUD，PARITY:EVEN。

2.2数据采集器

数据采集器的硬件采用模块化设计，由电源、存储、通讯、可视化液晶屏等部分组成。支持交、直流供电；存储分钟值观测数据的时间长度不少于1年；采用Modbus RS485通用协议；液晶屏显示流量观测数据及仪器运行状态。软件为自行设计开发，实现流量计校时、数据校验、采集寄存器中的原始观测数据，完成数据进制转换并保存数据(图1)。数据采集器提供ftp服务，为便于监测中心远程操作并检查仪器状态，提供了web页面查询管理访问方式。

图1　数据采集器中的流量数据采集转换软件

3　流量观测系统安装及管路优化

3.1衡水井流量观测系统安装

衡水井主井管在地面上方1.1 m处由竖直方向变为水平，水平管路长3.08 m，水平管的末端与第一副井管相连，泄流口在第一副井管距地面1.6 m处。由于衡水井的水温较高，因此，该井水位传感器放置于经过2次自然降温后的第三副井管中。

根据流量计的安装要求和衡水井现场管路情况，安装位置选在主井管水平方向距弯管2 m处。原水平主井管不再使用，新制作2根全不锈钢井管，流量计前端井管长2 m，流量计后端井管长0.8 m。流量计通过法兰与两端井管连接。流量计的供电与信号线缆穿过井房至观测室中机柜与直流电池及数据采集器连接(图2)。

图2　衡水井初次安装流量观测系统管路平面示意图(长度单位：mm)

3.2流量观测系统试运行及管路优化

衡水井流量观测系统经过室内调试、现场安装及配置后，开始试运行。试运行首日，分钟值流量观测数据在产出一段正常观测值后出现负值及零值异常。

针对观测数据异常现象，进行了现场原因分析，发现流量计空管报警提示。空管流量报警通常是非满管流量的情况下才出现。衡水井自流近40年，未出现断流，经过现场仪器测试，排除了观测流量低及仪器故障的可能，分析认为管中流体出现了非满管状况。结合衡水井动水位值变化快、副管中气泡比较多的现状，推测可能是水气两相混合导致流量计电极无法连通出现空管报警。

基于以上分析，设计了管路优化方案进行水气分离解决仪器空管报警问题。重新制作了流量计前端2 m长的水平井管，由“一”字形直管变为中间1 m处向下弯曲约26°的“之”字形管(图3)。重制后井管中的气体由于密度较液体小易集中在弯曲处，同时在靠近弯曲前端位置的井管增加安装排气管，将井管弯曲处富集的气体尽快排出。排气管长2.5 m，基于连通器原理安装后高度几乎与3个副管相平。

优化管路之后，进入流量计的井管中流体实现了气液分离，达到流量计观测满管流量要求，空管报警提示消失，流量观测恢复正常。

图3　衡水井流量观测系统水气分离优化管路平面示意图(长度单位：mm)

4　流量数据采集与接入

流量计设置采样率为秒值，数据采集器经过计算后产出数据为分钟平均值，观测数据单位为dm3/min。流量观测系统可以设置地震行业通用标准要求中的仪器序列号、测项代码、网络地址，实现观测数据接入中国地震前兆数据管理系统。

管路优化后流量观测系统产出的数据接入前兆数据管理系统后，与相同时间段内第三副井管中的动水位数据进行对比(图4)，变化动态一致。

图4　衡水井2015年8月29日管路优化后相同时间内流量(上图)及动水位(下图)分钟值曲线

5　讨论与结论

5.1流量观测系统开发及测试

开发适用于高温自流井的数字化流量观测系统，需要考虑自流井流量、观测环境、观测条件、仪器精度等多方面的要求。衡水井的流量观测系统在对比多种流量观测方法及分析观测环境及条件后，最终确定电磁流量观测方法进行开发。

电磁式流量计的工艺适用于高温环境，精度满足观测要求；数据采集器使用模块化硬件组装，使用自行设计开发的软件对流量观测系统进行维护及管理。

流量观测系统的关键参数基于测试结果完成设置，测试过程涉及观测条件、硬件配置、软硬件匹配、软件通讯、网页服务器架设等方面。

5.2流量观测系统的安装及管路优化

衡水井流量观测系统安装过程不增加观测管路阻流部件，不影响现运行动水位观测，保证了动水位观测资料在流量观测系统安装前后的一致性。

流量观测系统初次安装后产出了负值及零值异常数据，经过现场排查分析，基于管中流体气液两相混合的特点对管路进行了优化，实现了井管内流体气液分离，解决了空管报警问题。流量观测数据与同井动水位资料进行了对比，对于观测井—含水层应力变化的反映更加直观。

致谢：感谢红山基准台王西龙台长、高登平副台长、李成立同志在流量观测系统安装方面提供的大力帮助；感谢张子广副研究员对本文提供的指导意见。

[1]车用太, 鱼金子. 试论地下水流量观测的重要性[J]. 地震, 1991(5): 74-77.

[2]王安滨, 黄振义. 流量异常的统计特征及其映震效能的综合评价[J]. 地震, 1993(6): 35-41.

[3]王安滨, 万登堡, 杨国军, 等. 澜沧—耿马地震前地下水流量动态的异常特征[J]. 西北地震学报, 1991, 13(2): 39-44.

[4]张子广, 盛艳蕊, 马利军, 等. 赤城井水温趋势转折上升原因分析[J]. 华北地震科学, 2014, 32(2): 50-54.

[5]张春艳. 洛马普列塔地震可能前兆的详细研究[J]. 国际地震动态, 1994(3):25-26.

Develop and Application of Fluid Flow Observation System for High Temperature Artesian Well

WANG Jiang1, ZHANG Xiao-gang1, LUO Na2, WANG Jing2, SONG Zhao2

(1. Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China;2.Hongshan Standard Seismic Staiton, Earthquake Administration of Hebei Province, Xingtai 054000, China)

Taking the Hebei Hengshui 78 ℃ temperature artesian well as a test high temperature well, we developed a Fluid Flow Observation System (FFOS) using the electromagnetic flow measurement method. The FFOS is self-developed system which can achieve data validation, acquisition, conversion, storage and access to China Earthquake Precursor Data Management System, also manage remote instrument. Installation and debugging of the FFOS in Hengshui well have repeated pipeline optimization, achieved the gas-liquid separation and solved the empty alarm. The observation data of the FFOS can intuitively reflects the stress changes of the well-aquifer.

Fluid Flow Observation System (FFOS); Hengshui well; high temperature artesian well; pipeline optimization

2015-10-15

中国地震局地震监测、预测、科研三结合课题(150301)；河北省地震局星火计划面上项目(DZ20140711037)

王江(1984—)，男，山西太原人，工程师，主要从事地震流体监测与研究．E-mail: wangj@eq-he.ac.cn

P315.7

A

1003-1375(2016)03-0073-04

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.03.013

王江,张晓刚,罗娜．高温自流井流量数字化观测系统的开发及应用[J]．华北地震科学，2016，34(3):73-76.