下粗上细的苏20新井结构及其监测效能分析

殷世林 富鸿 花晶

苏州市地震局，江苏省苏州市锦帆路211号 215002

0 引言

众所周知，地下流体在震前有较好的前兆异常信息显示，并有多次预报成功的震例证实（汪成民等，1988；殷世林，1985、1992、1995、1997）。如果把地震观测井做成下粗上细的结构，必将提高井孔水位对地壳应力应变响应的放大倍数，提升并放大异常信息量，便于地震的分析预报。我国老一代地震工作者如车用太等（1992）、糜克仁（1991）、张昭栋等（1992、1997、2001）、朱梅武等（1994）在黑龙江、江苏、山东、吉林等地都曾做过变径测试实验，证明了下粗上细的作用。但是由于种种原因，至今未获观测实践的证实。

特殊的原因、条件和机遇让笔者把这一设想在苏20井上变成了现实。苏20井地处苏州-无锡、苏州-嘉定、湖州-苏州3组断裂交汇部位，是地震监测的敏感部位，原井深369m，含水层埋深为250～260m，观测的是断裂破碎带承压水（图1）。自1978年开始观测以来，对周边200km之内仅有的4次5级以上地震，震前均有较明显的前兆异常显示。

2006年由于苏20井所在的企业出让厂房及土地，重建监测中心时可能掉进了砖头，但由于当时对水位观测无影响，一直未被发现。当重新安放水温仪时发现井孔内有异物，水温探头只能放到95m。由于重建的监测房为四层楼房，无法实施扫孔处理。

针对这一现实，2015年苏州市地震局向市政府建议，在地质构造条件极好的苏20井旁边重打一口新井，与老井同步观测。新井的特点是其结构下粗上细，即井-含水层间下部水交替井段的直径大于上部井水位观测井段的直径。

图1 苏20井构造简图（a）及井孔柱状简图（b）

1 苏20新井位置及结构

1.1 新井的位置及概况

苏20新井位于老井NE40°13.6m处，井深312.58m。该井揭示第四系深207.5m，以下主要为晚侏罗纪火山凝灰岩。开孔口径250mm至226.5m处，此时两井水位并未沟通，下219mm表层套管。以下变径为168mm钻至井底，后又扩孔至180mm。

新井揭示的地层岩性剖面特征，与原井类似，0～5.7m为第四系表层土，5.7～206.5m为第四系黑色粉质黏土与砂层，206.5～208.0m为第三系砂岩风化层，208.00～312.58m为侏罗系火山凝灰岩。其中，271～281、268～289m揭穿二层断层破碎带。新井的主要观测层为271～281m断层破碎带内的裂隙承压水层。

1.2 新井的结构

新井的结构经过多个方案比较分析，最终选定了0～226.15m井段钻孔为250mm直径，然后下219mm套管；226.15m以下为直径180mm的裸孔，直至井底。完钻后在226.15m处采用变径接头及相应的止水技术，变成以下为146mm的滤水管，以上为146mm的套管的结构。改造后新井变成了下粗（180mm，内有146mm滤水管）上细（146mm套管）的新结构（图 2）。

2 苏20井新井与老井潮汐响应能力对比

2.1 结构对比

老井结构为下细上粗的常规结构，即过水断面直径小于水位变动处直径。这种结构有降低井水位对地壳应力应变响应的放大倍数的影响。新井则反之，即下粗上细，有增大放大倍数的影响。详见表1。

图2 苏20井新井揭示的地层、断裂及井孔结构示意图

表1 苏20井新井与老井结构对比

2.2 观测效果对比

2.2.1 理论分析

新井与老井观测的都是同一条断层破碎带承压含水层，因此新老井的差异只是井孔结构不同。理论上，含水层内孔隙度应大小一致，井-含水层系统中水的进出量相等时，水位观测段的井径小，水位变幅大。因此潮汐力作用下产生的含水层变形及由此引起的孔隙压力变化可视为两井是一致的，而由此引起的井-含水层间水流量则与过水断面大小有关，过水断面大小取决于此处井径。井径越大，过水断面越大，则同等大小的应力作用下产生的井-含水层面水流量大。井水位的变化量不仅与井-含水层间水流量有关，而且还与静水位变动段（观测段）的直径有关，若水流量为Q时，水位变化量（Δh）与井径（r）的关系如下

即井径对水位变化量的影响很大，井径缩小一点，井水位变化量则显著增大。由此可见，从理论上讲，下粗上细的观测井结构一方面可增大井-含水层间水流量，从而放大井水位变化量；另一方面，上细结构显著放大井水位的变化量。因此，下粗上细的井孔结构是提高井水位对地壳应力应变响应能力的重要技术途径。

图3 2017年11月3～5日苏20井新井与老井潮差及峰谷时间对比

2.2.2 潮汐响应能力对比

（1）日潮差对比

井水位潮汐响应能力是评价井水位对地壳应力应变响应能力的主要指标，本文从日潮差、峰谷出现时间、M2波潮汐因子等角度比较不同井孔结构的响应能力。

图3给出了2017年11月3～5日的观测结果，新井比老井潮差平均增大127.2%（其中上升时段平均增大134.6%，下降时段平均增大119.7%）。两井的对比结果详见表2。

表2 2017年11月3～5日苏20井新井与老井潮差对比

表3 2017年11月3～5日苏20井新井与老井井潮峰谷时间对比

表4 苏州各井潮汐因子M2波计算结果对比表

（2）峰、谷值出现时间对比

2017年11月3～5日两井的观测结果对比，新井比老井潮差出现时间平均超前64m in，其中，峰值平均超前 55m in，谷值平均超前66m in，这一结果与井孔结构的物理性能相符。详见表3。

（3）新老两井M2波潮汐因子的对比

选用2017年11月11日～12月10日共1个月的资料进行调和分析，结果见表4：同时段新井的M2波为2.3347，老井的M2波为1.0509，增大幅度为122.2%，与表2中两井潮差的增幅127.2%相当。

从上述潮差对比及潮汐因子M2波计算数值对比可见，苏20新井全新的成井工艺效果十分明显。

3 认识与启示

新井与旧井构造部位相同，观测的含水层属同层，井深相近，只是井径结构不同，发现下粗上细的结构明显增大了井水位对潮汐的响应能力。由此推测这种结构显著提高了井水位对地壳应力应变的监测能力。

由此得到启示：我国地震地下水观测井井径的变更（旧井改造与新井建设），是提升我国地震地下水观测网映震能力的有效途径之一。