两种脱气装置在庐江台流体观测中的效能分析

汪世仙 马城城 胡婷婷 倪珺俊 袁勇

摘  要：地震地下流体数字化观测中脱气装置的合理设计和选取直接关系到气氡、气汞等逸出气观测项目的数据质量。庐江台现有卧式脱气装置是根据汤池1号井特征自行设计制作，为气氡、气汞等观测项目提供稳定的气源，上述项目投入至今观测数据较为稳定，但相关震例较少。本课题开展了系列实验，对卧式脱气装置的脱气效能做出评估，提出改进建议，并尝试利用新型自鼓泡式脱气装置在汤池1号井开展地下流体监测。

关键词：脱气装置  效能  气氡  气体组份

中图分类号：P315           文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）07（c）-0079-04

Abstract： The rational design and selection of degassing devices in the digital observation of seismic underground fluids are directly related to the data quality of gas radon， gas mercury and other outgassing observation projects. The existing horizontal degasser at Lujiangtai is designed and manufactured according to the characteristics of Tangchi No. 1 well， and provides a stable gas source for observation projects such as gas radon and gas mercury. . This subject carried out a series of experiments to evaluate the degassing efficiency of the horizontal degassing device， put forward suggestions for improvement， and tried to use the new self-bubbling degassing device to carry out underground fluid monitoring in the Tangchi No. 1 well.

Key Words： Degasser;Efficiency;Gas radon;Gas composition

數字化气体观测集气-脱气装置是数字化观测中一项非常重要的技术环节，其关系到被观测量的灵敏度和稳定性。需要进行集气-脱气过程的测项有气氡、气汞、氦气、氢气和二氧化碳等测项。目前各省观测点均设计有相应的汽水分离装置，如在河北怀来台、天津王3井等使用的伞状溅射式集气-脱气装置技术系统，安徽庐江台使用的卧式脱气装置，此外还有平板溅散式集气-脱气装置、分级跌落式集气-脱气装置等脱气装置。而庐江台卧式脱气装置自2000年投入使用以来，观测数据较稳定连续，但对应地震案例较少，且多年来未对装置进行效能检查，本课题将设计系列实验方案检验庐江台的卧式脱气装置并提出改进建议。

1  井点概况

汤池1号井处在郯城-庐江断裂带南段西侧，其南侧10km左右有磨子潭-晓天断裂、北侧有南港-龙门冲断裂和北北东向的下扬子破碎带。第四纪覆盖层厚19m，19～185m为上侏罗纪的各类凝灰岩，其中90m以下有3个含水层。185～327m为下白垩纪的正长岩、闪长玢岩，290～300m为一含水层。汤池1号井井深327.05m，井口水温约63.1℃，封井压强225.6hPa。

庐江台现有的卧式脱气装置是根据汤池1号井自行设计，自2000年投入使用以来逸出气氡、气汞观测数据稳定性较好，也具有一定的变化规律。该脱气装置适用于流量较大的热水井（图1），该种装置是在地下水的运移管中，设置了一种网格状的纱网，利用表面张力的物理特性，将水体中直径较小的气泡汇集成大气泡，进而形成气流，达到将水体中的逸出气分离出来的效果，同时在中段设计出气腔，用于集气，再通过封闭式气路将样品气运送到观测仪器中去。

2  对脱气装置的脱气效率进行测试

由于庐江台卧式脱气装置采用的是物理方法的脱气集气，且水体流量较大，在脱气过程中势必因流量较大造成气体没有有效脱气而造成损失，通过对现有脱气装置的脱气量进行实验分析，计算其脱气效率。

2.1 逸出气速度测试

在常压状态下将水氡取样用的扩散器注满水，倒扣放置，连接模拟取样口使水体，使得扩散器在密封的状态下过滤水样，使逸出气在扩散器内循环时自然分离，计算水中的自然状态下的逸出气体含量。

V0为每升水样中含有的逸出气体积，V为扩散器分离出的气体体积，υ0为当天取样口流量，t为取样时间，计算公式为：

2.2 溶解气含量测试

通过溶解气体组份测试瓶进行取样分析，将2500mL取样瓶取样完毕后再冲流3min，使得取样瓶中的残余空气排干净。取样完毕后，将水样瓶中水样排掉约1200mL左右，负压震荡，析出水样中的溶解气。通过以下公式计算，测算出每升体积水含有溶解气体积：

2.6×10-3

式中，V—标准状态下脱出气体的体积（mL）;V—实际脱出气体的体积（mL）;P0—标准状态时的大气压（101.32kPa）（相当于760mm汞柱）;P1—脱气时的大气压（Pa）;h—脱气时的饱和水蒸汽压力（Pa）;T0—标准状态下气体的绝对温度（273°K）;T1—脱气时的气温，其值为273+实测℃，t—脱气时的实测气温（℃）。

2.3 脱气装置脱气效率分析

为测定脱气装置的脱气速度，设计制作了取样器，使用特制的薄膜制作气体取样器，并连接在气路上。同时测试脱气装置水样流速υ1，气体流速υ2，计算出由脱气装置脱出气体总量，通过表3测试计算。

通过上述实验可以得出在常压情况下，庐江台脱气装置的逸出气体脱气效率为：

I=（脱气装置逸出气量/实际逸出气速度）100%。

将上述实验产生数据进行平均。脱气装置逸出气量为4.73mL气/L水，实际逸出气气量5.207mL气/L水，计算得出逸出气体脱气效率I为90.8%。

脱气装置的综合脱气效率为：

I=脱气装置逸出气量/（实际逸出气速度+溶解气含量）100%。

脱气装置逸出气量为4.73mL气/L水，实际逸出气气量5.207mL气/L水，溶解气含量1.733mL气/L水，计算得出综合脱气效率I为68.2%。

3  对水样中的气体组分对比分析

脱气装置主要是将水样中的逸出气体脱出，通过脱气效率的相关实验，我们得出两者在气量上有10%的误差，这种误差对气体组分的影响程度可做进一步分析。尤其是检验脱气装置对水样中包含的氦气、氢气等易扩散气体组分的影响。设计如下方案：（1）使用SP3400气相色谱仪器，采用日常观测用取样针在数字化气路上直接取样观测;（2）采用溶解气采样瓶取样，不进行排空逸出气处理，取得综合气量观测。

2019年5月1日～5月31日时间段，同时开展脱气装置脱出气体的气体组分观测、水样实际综合气量进行观测对比。数据对比如图2。通过观测数据与观测曲线可以看出：通过脱气装置的气体样本中氢气、氦气含量较水样要高，甲烷则影响不大。

通过分析认为，由于脱气装置得到的水样虽然总体脱气效率只有90%左右，其各组分含量应该较少，但由于气体样本处于实时样本，气体较为新鲜，作为小分子气体的氢气、氦气逃逸速度较快但逃逸时间较短。而通过取样瓶取样得到的气体样本由于中间多了排水、负压、震荡、移样等中间环节，水样中的氢气、氦气含量虽然较高但逃逸时间较长因此造成脱气装置中的氢气、氦气数值反而较高。

甲烷气作为多分子结构在密闭空间中的逃逸速度远小于氢气、氦气，考虑两者综合因素，其观测数值基本相当。

4  对逸出气氡的可靠性检验

逸出气氡的观测自2000年以来在庐江台连续开展有近20年历史，其观测数据较为稳定，具有良好的夏低冬高的年变化，但观测多年来未发现较为明显特征的震例，根据现有的实际情况，设计实验方案，利用P2000测氡仪器不间断测量的特征，在庐江台卧式脱气装置气路上连接测量，此外再将P2000测氡仪放置在脱气装置并联的管道上测量逸出气氡，对比两者数据。

由于需要P2000测氡仪器不间断测量，为满足观测条件，台站选取新型自鼓泡脱气装置（如图3），可在常压状态下，将逸出气完全有效的析出。

比较两种脱气装置，自鼓泡脱气装置特征一：在对逸出气脱气和收集过程中增加了一个冲流的过程，更大程度将逸出气分离水体;特征二：需要的水样流量较小;特征三：根据设计工艺将气泡向上运移，逸出气的逃逸，提高气体收集效率。

自2020年2月2日～2月5日的實验结果表明，P2000测氡仪器测定的气氡数据具有明显的固体潮效应，而同样的仪器连接在卧式脱气装置气路上测定的数据则没有出现相应的固体潮效应（如图4）。

通过对比分析认为，由于卧式脱气装置脱气效率不高，不能很好的收集逸出气中的气氡，且水流量、气流量较大，日变被湮没在噪声中。而由于采用了新型工艺的自鼓泡脱气装置，可在较为稳定的小流量情况下，很好地反映了固体潮变化。

5  对现有脱气装置的认识和建议

5.1 数字化脱气装置关键技术

（1）稳定性：集气-脱气装置的稳定性主要是进水口的流量要稳定，才能保证进水稳定，脱出气体才能稳定。

（2）及时性：在进水口的水流稳定情况下，适当减少气路的长度和脱气装置的空腔，使得样品气体达到最新鲜，及时运移到观测仪器进行观测。

（3）密闭性：集气-脱气装置的密闭在设计过程中就已经可以体现，但在连接气路时，往往由于日常巡查难以发现，造成气路系统漏气，影响观测数据的稳定性，因此在日常维护中需要加以重视。

5.2 脱气装置对观测项目的影响

脱气装置的稳定性可靠性直接关系到观测项目对地震预报的贡献，架设符合本台站工作实际情况的脱气装置尤为重要。庐江台的脱气装置自2000年以来连续工作近20年，但由于当时技术所限，庐江台的脱气装置没有能够解决好脱气效率问题，逸出气氡观测数据仅仅呈现夏低冬高的形态，没有震例和短周期变化。而气汞由于仪器灵敏度问题，观测数据在检出限附近，无法进行相应的对比分析和测试。

提出如下改进建议：（1）减少水样流量，降低测项观测数据噪声;（2）采用垂直溅落的方式，提高脱气效率，使水样中的气体最大程度析出，提高测项的准确度。

6  结语

通过研究认为庐江台脱气装置逸出气脱气率约为91%，综合脱气率约为68%左右，基本符合现有的气氡、气汞、氢气等观测仪器对样品气的要求，但可以继续通过优化改造提高脱气效率。

通过高精度测氡仪测定结果可以认为汤池1号井的逸出气氡具有明显的固体潮效应，但由于脱气装置的设计的局限性，现有SD-3A测氡仪只能观测到年变，没有短周期的固体潮效应。

通过多个实验，认为庐江台现有的脱气装置，稳定性较好，但脱气效率、水样流量较大等原因，很多有价值的数据变化被噪声湮没，脱气装置可以进行进一步的优化改造。

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