深井水电流观测项目的初步研究

杲杰

摘  要：以皖14井为例，提出在井壁和井孔某深处投放电极的方法，仅利用自然电场能量，实现对该层位水电流的长期观测，从而回避电源以及孔裂隙中的杂质在移迁时造成水位变化的无震异常;该方法还可以准确地获取井下含水层流水位置和其他水文地质参数;在数据采集方面，提出使用机器视觉的表盘自动读数技术实行无接触模式来完成。该观测方法填补了地震监测工作的一项空白，为地震监测预报进一步开拓了深度。

关键词：深井   水文地质   水电流   自然电场

中图分类号：P315                           文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）06（c）-0001-03

Preliminary Study on Deep Well Water Current Observation Project

GAO Jie

（ Seismological Bureau of Jinzhai County， Lu'an， Anhui Province， 237321  China）

Abstract： Taking Anhui NO. 14 Well as an example， a method of dropping electrodes at a certain depth of the borehole wall and borehole is proposed， which only uses the energy of natural electric field to realize the long-term observation of water current in this layer， so as to avoid the aseismic anomaly of water level change caused by power supply and impurities in pore fissures during   migration; This method can also accurately obtain the water position of underground aquifer and other hydrogeological parameters; In the aspect of data acquisition， it is proposed to use the dial automatic reading technology of machine vision and implement the non-contact mode. This observation method fills a gap in earthquake monitoring and further develops the depth for earthquake monitoring and prediction.

Key Words： Deep well; Hydrogeology; Water current; Natural electric field

皖14井自1985年1月1日觀测以来，36年来水位资料连续完整。地下水动态分析上，主要精力都用在无震异常的识别。这些异常中除强降水和气压骤变引起井水位的变化可识别外，很多形态的水位异常是无法识别的。因为地下水在运动过程中，与围岩介质接触，接受了各种离子、分子、悬浮物、气体和微生物[1]。这些物质在温度、流量、流速等环境因素具备的情况下，可以结晶，可以形成絮状物，可以存在流体中，也可附着在孔裂隙的岩壁上，进而对地下水的运动产生影响。特别是悬浮物是运动的，附着物又可在自身重力，外力振动以及水速水量变化的前提下，发生脱落、溶解或迁移，特别是孔裂隙中流体流动断面陡然变小处上附着物的移位，可瞬间使孔口四周发生骤变而导致地下水位的异常，孔口上附着物在阻碍地下水运动的作用方面，还具有正反方向影响效果不对称的问题，在时间上这些事件又几乎都是随机发生的[2]。

地球上不仅存在着电磁场，而且存在着地电场，地表任意两点间存在着电压。因此，在井孔内任意两点装上电极，就可以测得这两点间的电压和电流[3]。而指针式机械表具有安装维护方便、结构简单、防电磁干扰等诸多优点[4]。有些仪表甚至可以不使用外部电源直接采用自然电场的能量实现长期观测，这样既减少了供电环境的变化给观测数据带来的扰动，还可以减少雷电带来的危害。磁电式微安表就是一例，在20世纪70年代，曾广泛应用于群众地震测报点和地震台站，但该类仪器需人工定时读数，不能满足实际需求而被淡出观测领域。近年来，随着计算机技术和图像处理技术的不断发展，指针式机械表自动读表技术又应运而生[5]。在这背景下，笔者试图探索新的观测手段，寻找井孔中可以揭示井区含水层受应力作用而变化新的物理量，进而达到监测可能发生地震的目的。

1  水电流仪的原理及制作与安装

深井水电流是自然电位测井中所测的电流。它在无须人工供电的情况下，测量沿井轴移动的M电极相对与地面固定电极N之间的自然电位差。并利用它来研究和判断孔内地层岩性在纵向上的分布情况、含水层的位置、厚度及地下水水质等各种地质问题[6]。因为微安表是利用一只灵敏的磁电式直流电流表做表头。当微小电流通过表头，就会有电流指示。由于其内阻稳定，且采用了张丝支承，仪表偏转时不存在摩擦，从而提高了仪表的灵敏度，保证了仪表读数的准确性。按自然电位测井的要求，设计出深井水电流结构如图1。

1.1 电极的制作

由于钻井在地表设有钢套管保护井口，从体积上，一般长度有几十米甚至多达上百米，直径多在10 cm以上，它经过长年的极化，性能较为稳定，所以是测自然电位中需在地面设置的一根理想电极，但使用前最好还是要对钢套管做一次防腐蚀保护。另一根需要制作，制作前首先要将导线放在井下深处作高压测试，检查所要使用的导线是否有漏电可能。导线可用后，电极材料可以使用铅或炭棒，因为铅的熔点只有327.46 ℃，容易制造。只要将铅熔化后灌入制作电极的圆柱形摸具中，趁铅液尚未凝固，插入露头的导线，插入深度要包含导线外层绝缘体，让铅液与导线外皮充分接触，并保留于与铅柱接触部位的凹槽状（浇铸时铅液冷却时自动形成）。这凹槽是用于填充腊液、环氧树脂或绝缘胶等，作用是对导线和铅体接触部位进行密封和固定。电极制作好后，就可以按图1接线完成安装。

1.2 电极的投放

电极投放前首先要在导线上做好长度标志，如有带刻度的导线则更好，以便掌握探头投放的深度。如果有可测微安量级的自记仪器，最好用它替代微安表记录不同深度处的电流值，观测时需人工配合做好投放深度的记录，并作为该井孔水电流试验的原始资料予以保存，便于今后对比和考虑投放深度时使用。2004年4月10日，利用化工单位的电子电位差计记录结果。投放深度确定后，可以换成微安表进行长期观测，其目的是避免交流电源干扰和雷暴雨天气的影响。

1.3 电极投放时水电流记录

图2是经过整理的“皖14井不同深度水电流变化图”，也是该井首次观测的成果。观测时如果该层位水电流波动比较大下，为了证实其曲线形态的可靠，使用回抽再投放的动作进行验证，确定后再做下一步的投放或抽取，从图2中可以看出，有的电流变化大的层位只有几米甚至更少，说明了该方法效果可观可靠。

1.4 电极检查法

可以通过开关的断开、级与级之间的插接件、交换位置等方法可以判断出故障部件。比如：利用记录仪输入插头的交换位置（NS与EW）可判断出是记录器部分问题还是仪器的问题。利用控制箱输入信号线的交换可判断是井上和井下的故障。如果记录乱划，可以把衰减开关关到最小，乱划的幅度也随之衰减，说明故障在前端;如果乱划的幅度不变，则故障在后面。由于NS-EW两个方向的线路完全一样，所以可以交换连接进行试记，可根据试记结果分析判断故障部位。但在试验结束后一定要恢复原来状态。例如：有一道记录正常，另一道记录不好，为判断故障部位，可先把记录仪信号插头的NS向和EW向交换插入插孔，如果好的依然好，差的依然差，则故障在记录仪自身，反之故障在记录仪之前。又如：为判断井上部分还是井下部分故障，可以把控制箱25线的输入信号的NS向与EW向交换焊接，如果好的仍好，坏的仍坏，则故障在井上部分，反之故障在井下部分（包括电缆）。记住试过后一定要把接线还原，否则，轻者造成井下不能调整，重则造成仪器严重损坏。当初步判断某一部分有问题，可以把整块印刷电路板换一块好的，或拔掉集成块，再插上一块新的，若工作正常，就证实原来的已损坏，若故障照旧，说明原来的没坏。

2  结语

2004年水电流试验完成后，因为考虑到继续试验会影响仅有的模拟水位观测，每天定时实测也无法长期完成而停止。目前，水位观测和水温观测都已数字化，机器视觉技术已日趋完善和成熟，所以该项试验又提上日程，从2021年2月12日至现在已连续观测近4个多月，历经了雷电、大风、暴雨的考验，观测值始终像图3中的那样，处在1 μA左右。所以证明其是一项比较稳定的观测项目。

但井下水电流的观测和研究才刚刚开始，后面的试验还很多，例如：能否通过等深的多电极来确定电极又无影响到观测数据的极化现象，是否可以在井孔不同深处安装数个电极，同时进行观测，还有如何探索处可以清楚显示有固体潮现象的水电流，使这物理量更具有地球物理意义是必须完成的。至于使用机器视觉技术实现其观测数据的数字化，目前网络上已有代做机构，但搞科研涉及的核心技术还是要自己掌握，所以也正在探索之中。

参考文献

[1] 刘春国.地震地下流体台网管理与日常质量监控系统的研制及应用[J].中国科技成果，2017，18（7）：  28-30.

[2] 李超，长金淼，朱振宇.深部储层流体因子直接反演方法[J].石油物探，2017，56（6）：827-834.

[3] 赵黎明，胡雪琪，李颖楠，等.天津蓟县地震台VP宽频带倾斜仪故障诊断与排除[J].高原地震，2019，31（4）：52-56.

[4] 张智敏，伍鹤皋，钱忠东，等.基于流固耦合界面数据传递模型的水电站厂房流激振动分析[J].工程科學与技术，2017，49（S2）：8-15.

[5] 张嘉敏，杨绍富，徐长银，等.库尔勒台水平摆与垂直摆倾斜仪效能对比研究[J].内陆地震，2019，33（1）：68-79.

[6] 王海军，王宁，练继建.基于传递熵的水电站厂房振动传递路径识别[J].水利学报，2018，49（6）：732-740.