怀4井气体取样对水位观测干扰的解决措施

张 帆 宋晓煜 陈其峰 王锐锋 王志敏 程德庆

1）中国河北 075000 张家口地震监测中心站

2）中国山东 252000 山东省聊城地震水化站

0 引言

溶解气是指被溶解在地下水中的气体组分，其测定方式为在保持井（泉）水流量恒定的情况下，常压下取水样，密封脱气后，将气体送到化学实验室用气相色谱仪测定所含气体组分及其相对含量（中国地震局，2001）。怀4井观测气体为He、H2、N2、CH4，其含量常用相对百分比表示，即各组分体积在溶解气总体积中所占的体积百分比。同时，被测的还有溶解气总量，即每升水中气体所占的体积表示，单位mL/L。怀4井动态水位每天早上6—7时受取气样（气相色谱实验所需气体）干扰，水位观测曲线同步呈“脉冲式”上升。因此，改进取气样方式是提高水位观测数据完整率及观测质量的重要环节，新取样方式避免了在泄流口直接取气样，主要优点：①减小人为取气样造成管路的压力效应，消除干扰，提高水位资料的完整率；②通过5 000 mL取样瓶采集水样，利用置于内部的球胆排水真空脱气，可以直观看到气相色谱实验集气的体积；③降低高温下采集水样的危险性。

1 怀4井概况

1.1 水文地质条件

怀4井高程为487.0 m，井深500.34 m，观测含水层是顶板埋深为278.5 m的太古界片麻岩破碎带热水层，构造上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，北部还有祁吕系歪头山—万家窑断裂及NW向的施庄大断裂（图1）。揭露含水层厚度大于221 m。怀4井成井于1972年，该井为高温热水自流井，水化学类型为SO4-Na型（张凤秋等，2005），矿化度为0.962 g/L，井水为大气降水渗入地下后经深循环上涌成因的地下热水，该井孔热田区内最深、水温最高。由于受周边温泉区生活用水开发的影响，该井水位严重下降，水温由88.0℃降到73.0℃，为了延长该井的观测年限，2007年对怀4井进行了降低取水口的改造，保证了数字化及模拟观测资料的连续性（宋晓冰等，2018）。首都圈“奥运”保障项目数字化改造后，怀4井成为集水氡、水汞、气体、数字水位、数字气氡、数字气汞等观测为一体的多测项观测井。该井水汞测项在1989年大同6.1级、1997年怀安4.7级、1998年张北6.2级、2014年涿鹿4.3级等地震前均有短临异常出现。

图1 怀4井及其周围地区的断裂分布Fig.1 The fault distribution of Huailai No.4 Well and the surrounding area

1.2 怀4井观测系统

从2003年开始，后郝窑周边地热资源的过度开发致使怀4井水位逐年下降，并于2007年趋于断流，诸多模拟、数字化测项面临停测。为了使怀4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日启动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1个直径4.0 m的钢筋混凝土结构深井，井深10.0 m，观测井与主井间开挖10.0 m 通道（张常慧等，2011；张晓刚等，2014），在主井管开孔，用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、色谱实验的取水口。水位观测管改造后仍在自流状态下进行流体观测，实现了与30多年观测资料的无缝衔接（图2）。

图2 怀4井水化学观测系统示意图Fig.2 The schematic diagram of the hydrochemical observation system of Huailai No.4 Well

1.3 水位观测仪器参数性能

怀4井水位观测中采用北京中科光大自动化技术有限公司研制的ZKGD-3000NL型数字化地下流体监测系统。该设备包括主机、蓄电池供电智能控制器、蓄电池组、高稳定数字水位探头等。参数性能：①主机由直流12 V供电，能在-30.0—70.0℃环境中工作，适应性较强，数据存储容量达2 G；②蓄电池智能控制器控制2块蓄电池轮流为设备供电，并自动控制蓄电池的充放电过程，输出电压为恒定的直流12 V或24 V；③水位探头为全数字探头，可直接输出水位数字信号，量程为0—50.0 m，分辨率优于1.0 mm，探头不带导气孔，解决了冷凝问题。

2 水位观测存在的问题

2.1 自然因素干扰

怀4井水位观测的主要干扰源为每年冬季采暖期时周围井孔的地热温泉开采。从采暖期开始，地下水水位就会趋势性下降，采暖期结束后开始缓慢上升。地热温泉开采影响水位的正常动态变化，同时周边抽水也影响水位观测质量。2018年最低水位仅为0.9 m，2019年最低水位1.2 m，2020—2021年限制热水资源开发利用，冬季水位较前几年明显上升（图3）。

图3 2014—2021年怀4井水位日值Fig.3 The water level observation from 2014 to 2021 of Huailai No.4 Well

2.2 取样干扰

自2008年大井改造完成后进行水位观测，现有观测系统产出水位资料已有10余年。但是由于取气样的干扰，水位受到影响，具体表现为每日水位曲线“脉冲式”升高（图4），且持续时间较长，均需进行缺数处理，这使得水位分钟值的连续率及完整率降低。

图4 怀4井受取样影响的原始水位分钟值（a）单日水位；（b）1周水位Fig.4 The curve of minute sampled water level observation affected by the artificial gas sample of Huailai No.4 Well

3 解决气体取样影响水位观测问题的措施

从1990年起，一直采用气相色谱法分析怀4井气体，采样方式一直为采集逸出气。利用气泡分离器直接在泄流口采集逸出气样，集气过程中，水位管路压力增大，可造成水位“脉冲式”升高且持续时间较长。本研究为解决取样对水位干扰的问题，将取样方式由采集逸出气改为溶解气，在原泄流口基础上用三通增加了1个取水口，三通的取水口较常流排水口细1倍，这确保了在取水样时水位不会升高，取水口和泄流口始终保持二者自流状态，在取水口采集水样后，现场利用球胆排水真空脱气法进行脱气处理（国家地震局监测预报司，2002）。采样与脱气装置如 图5所示。具体操作步骤如下：①取水样过程。脱样瓶口的进水导管接井在三通的取水口上，使瓶内充满水（水流量为1.0 L/min），取满后冲流1min，排尽瓶内空气之后夹紧进水口；②脱气过程。在确保取样瓶密封不漏气的情况下，用橡皮管连接出水管，利用双连球进行打气，当排除的水达到事先设定的刻度（2 500 mL）时，立即夹紧出水管夹，拔掉双连球。在排水过程中不得摇动取样瓶；将球胆接真空泵，抽球胆直到将其抽瘪，为了使溶解气体脱出效率最高，将5 000 mL取样瓶放置在调速震荡器上震荡2.0 min；③收集气体过程。将取样瓶出水口连接准备储存气体样品的扩散管直管，缓慢打开球胆管夹，迅速将脱出的气体转移至盛有饱和NaCl封闭液的带刻度扩散管中（国家地震局科技监测司，1995），利用连通器原理，当水准瓶液面与扩散管液面保持相同高度时，由扩散管刻度上读出脱出气体的体积，然后抬高水准瓶，在正压下夹紧扩散瓶侧管夹与直管夹，将扩散管倒立放置，待测量。

图5 溶解气样品的采集与脱气装置（据国家地震局监测预报司，2002）Fig.5 The collection and degassing devices of dissolved gas samples

4 改进取样方式前后测项对比

4.1 水位观测

怀4井动水位观测干扰因素，较大程度上是取气样（气相色谱实验所需气体）干扰，原取气样方式是在泄流口位置利用气泡分离器进行集气，造成取气样时间内，水位管路水压增大，水位表现为分钟值曲线每天6—7时出现有规律的向上脉冲式突跳1次（邱永平，2011），持续时间为20 min左右，曲线形态受到严重影响，每天在相应时间段内进行缺数处理，同时造成怀4井动水位完整率较低，观测质量下降。

取水样过程：2020年10月10日进行实验，利用三通，连接主管路后，一侧为泄流口，一侧为取水样口。为减小取水样过程中影响水位的观测，保证泄流口与取水样口处始终保持自流状态。在进行多次试验后，将取水样口流量基本控制在1.0 L/min，为了最大限度减小取水样时的瞬时压力，将5 000 mL细口瓶上的取水导管直径由5.0 mm变为8.0 mm，由于泄流口的流量明显大于取水样的流量，待水满后（瓶内不得有气泡存在），继续让水冲流1.0 min以上，同时关闭取样瓶上的进水管夹和出水管夹。在取水样过程中控制流量稳定基本不影响水位观测。图6为改进取样方式前后水位原始分钟值。由图6可见，在取水样过程中15.0 min时间段内，怀4井动水位观测得到了明显的改善，不再进行缺数处理，数据完整率提高，曲线动态光滑（刘俊芳等，2016；王江等，2016），取气样造成的“脉冲式”突跳基本消除。

图6 改进取样方式前后水位原始分钟值（a）改造前；（b）改造后Fig.6 Comparison of minute sampled water level observation curves before and after improved sampling method

4.2 气相色谱法测量气体浓度

利用气相色谱法检测的气体组分主要为氦气（He）、氢气（H2）、氮气（N2）、甲烷（CH4）等。仪器一般由气路系统（含载气源Ar气）、进样系统、分离系统（色谱柱）、检测系统（热导池）、记录系统等5个部分组成。工作原理为由高压钢瓶流出的载气带着气体样品进入色谱柱中，在此被分离成不同组分的气体后分别进入热导池内变成电信号，经检测、放大后由记录仪输出各自浓度。仪器的测试误差一般≤10 %。一般需要人工取样与测试，因此，造成怀4井水位观测曲线每日6—7时向上脉冲式突跳的原因为人工取气样。

在改造取气样方式之后，怀4井水位受取气样的干扰基本消除。通过气相色谱法测得的改造后各个气体浓度与改造前进行对比（10月10日进行改进）发现（图7、表1），CH4、H2浓度与改造前基本一致。但是，N2、He浓度与改造前有所不同，呈下降趋势，主要原因在于取样方式的改变，即由采集逸出气变为溶解气，这使得气体含量发生变化。

图7 2020年10月改进取样方式前后气相色谱实验测得的气体浓度Fig.7 Gas chromatographic gas concentration daily curves before and after improved sampling method

表1 2020年10月改进取样方式前后气体浓度及相关参数Table 1 Gas concentration and related parameters before and after improved sampling method

续表1

5 讨论与结论

怀4井水位观测一直存在取气样所产生的干扰。通过改进取气样方式，得到以下认识。

（1）取气样干扰使得水位观测受到影响，数据完整率下降。为消除干扰，采取球胆排水真空脱气法进行取样，有效地解决了水位观测曲线脉冲式突跳问题。该措施不仅消除了由取气样造成的水压升高，而且降低了高温下取气样的危险性。

（2）利用球胆排水真空脱气法进行取样时，若长久使用球胆进行脱气，会造成损耗，发生漏气现象，需注意排球内胆是否漏气，应定期检查及更换。取水样时只要安排好采样时间，一般不会明显影响水位整点测值。

（3）取样方式的改变，即由采集逸出气变为溶解气，这使得利用气相色谱法所得气体测值有所差异。通过利用三通，一侧为泄流口，一侧为取水样口，减小了原取样方式的水压，解决了水位突跳问题。但在地下水位上升过程中由于水压力的减小，水中溶解的气体以气泡的形式脱析出成为逸出气，而怀4井水温达78℃，同时气体在水中的溶解度与温度成正比，因此水中的溶解气减少，造成气体测值降低。由于该井采用逸出气方式观测已有多年，为保证气相色谱法测量逸出气观测资料的延续性，通过对2种取气样方式的测值进行对比发现，对于怀4井观测逸出气方式为首选。