非自流井水温传感器置深对固体潮体应变响应的影响

陶志刚 刘春国

（中国北京 100045 中国地震台网中心）

0 引言

井孔水温观测在地震预报中发挥着重要作用，特别是在短临预报中起着决定性作用，表现出对地震前兆异常的高灵敏性（车用太等，2005）。利用水温测项，可观测到地球动力学效应（由地下水流引起的固体潮效应），说明通过观测井水温度，同样能捕捉到地壳应力和构造活动信息，包括低频的固体潮和高频的地震波，可见该测项是比较有效的观测手段（杨明波等，2015）。水温潮汐效应是水温对地壳应力应变信息的直接响应（杨竹转，2011）。研究水温潮汐效应，对解释水温映震机制具有重要的指示意义（车用太等，2013）。然而，由于每一口井的井孔自身条件、井—含水层水动力条件、传感器置深、所处水文地质单元、构造位置的不同，水温传感器对固体潮信息的记录能力不同。在以上井水温监测效能影响因素中，传感器置深可以人为控制，易操作且物力成本低。

近年研究结果表明，水温传感器置深不同，所观测的固体潮效应差别较大，如：①同井观测：杨竹转（2011）对北京塔院非自流井（井深361 m，套管深252 m，观测层埋深252—361 m）水温传感器不同置深（48 m、85 m、130 m、178 m、184 m、187 m）的固体潮效应进行对比，发现在130 m以下的4个深度均有潮汐显示，且184 m处水温日潮差最大。张慧（2013）对海口ZK26 非自流井水温传感器分别置深153 m、336 m、510 m 时水温微动态变化进行对比分析，发现传感器置深不同，对固体潮效应、同震响应、震后效应的记录能力差别较大；②定量分析：马玉川（2010）对自流井热状态进行分析，由水温与固体潮体应变变化的定量关系，证明水温响应固体潮的能力主要与含水层贮水率、地温梯度、井水流量、井孔内径和水温仪探头位置等有关；③多井观测：马玉川（2014）对35 个存在水温潮汐现象的测点进行分析（包含自流井和非自流井），认为：含水层附近的水温测点潮汐动态比其他井段显著，受地温影响较大井段，水温潮汐变化幅度与水温梯度成正比。然而，从全国层面，对非自流井水温传感器最佳观测位置的相关研究文献较少见。

按地震行业标准《地震地下流体观测方法—井水和泉水温度观测》规定，水温传感器最佳投放位置应选择：①水温梯度变化大的区段；②水温背景噪声小的区段；③水温潮汐变化明显区段。确定水温传感器最佳置深，应结合含水层埋深及井底深度、井水温梯度变化、背景噪声、围岩热传导、浅层地壳热分布等进行综合考量。

文中以全国地下流体非自流井水温测点为研究对象，筛选水温固体潮效应显著的观测井信息，从水温传感器与井深、观测含水层相对位置关系进行分析，探讨井水温固体潮效应的影响因素及水温传感器投放的最佳观测位置。

1 井水温观测现状

在我国地下流体观测网中，纳入国家地下流体台网中心管理的非自流井水温测点有306 个（同时开展水位观测）。通过计算水温、水位的潮汐因子和观测精度指标，发现同井观测中，能够记录到水位固体潮效应的测点有148 个，能够记录到水温固体潮效应的测点有17 个（长兴岛有2 个水温测点1 和3），占比仅5.6%。可见，开展地下流体观测的每一口非自流井虽然同时配有水位、水温2 种观测手段，但同井观测的水温测项，即使井孔条件相同，其记录固体潮效应的能力仍比水位测项差得多。为此，从水温传感器投放深度讨论对固体潮效应的影响。

2 传感器置深与固体潮效应的相关性

选取2019 年3—6 月水温监测数据，按水温固体潮效应的显著程度，将17 个非自流井水温测点以固体潮“非常显著”和“一般显著”分为2 类，统计相应测点传感器、井深、含水层埋深等信息，结果见表1。由表1 可知：①记录到水温固体潮效应的观测井均能记录到水位固体潮效应；②9 个测点的水温固体潮效应“显著”，8 个测点的水温固体潮效应“一般显著”，其中祁县、长兴岛、荆州3 个观测井水温比水位固体潮效应“显著”（图1，图2，图3），其余观测井的水位固体潮效应更“显著”；③具有水温固体潮效应的观测井井深85—3 303 m，多在1 000 m 以内，而水温传感器置深一般在3—521 m，多分布在400 m以内，其中固体潮效应“显著”的祁县、长兴岛、荆州井深度分别为410 m、320 m、2 421 m，而其水温传感器置深分别为112 m、141.6 m、521 m，可见水温固体潮效应是否显著与观测井深度和传感器埋深无明显规律。

图1 祁县井水位、水温固体潮效应观测曲线Fig.1 Water temperature,water level observations of solid tide effect at Qixian well

图2 长兴岛井水位、水温固体潮效应观测曲线Fig.2 Water temperature,water level observations of solid tide effect at Changxingdao well

图3 荆州井水位、水温固体潮效应观测曲线Fig.3 Water temperature,water level observations of solid tide effect at Jingzhou well

表1 非自流井水温固体潮效应井的传感器、井深、含水层埋深信息Table 1 Water temperature sensor,well depth,aquifer buried depth information

为了更为直观地体现井水温传感器投放位置不仅与深度有关，计算了传感器置深与井底深度及与含水层顶板埋深的比值，结果见图4。由图4 可见：①除静乐井外，水温传感器置深与井底深度比值均在0.8 以内，说明传感器所在位置与井底保留充足距离；②除静乐井、徐州苏02 井外，水温传感器置深与含水层顶板埋深比值均在1.0 以内，说明传感器投放位置在观测含水层顶板之上，而徐州苏02 井（水温固体潮效应“一般显著”）传感器置于观测含水层之中，比值为1.1；③水温固体潮效应“显著”的井，水温传感器一般投放在井孔中上部，在观测含水层顶板之上。静乐井之所以特殊，是因为该井为裂隙溶洞水，传感器所在位置地温梯度变化大，其地温梯度变化量与含水层渗透系数远大于其他观测井。

图4 水温传感器埋深与井底深度和观测含水层顶板埋深的比值散点图(a)传感器埋深与井底深度；(b)传感器埋深与观测含水层顶板埋深Fig.4 The ratios of the buried depth of water temperature sensor to bottom hole depth and the buried depth of the observed aquifer roof

统计发现，监测到水温固体潮效应的传感器均放置在观测含水层顶板以上，针对此现象，笔者推导了非自流井水温固体潮理论计算公式，试图解释该原理。

3 非自流井水温固体潮理论计算

假设有一口非自流观测井，井孔条件及仪器安装见图5 所示。在非自流井观测中，若去除气压、降雨以及场地环境影响，则对于同一口观测井，在同一时间，由固体潮效应引起的井—含水层之间的水量交替变化（ΔV）是一定的，根据水位固体潮振幅变化量即可求出井筒中水体积的变化，见公式（1）。若水温传感器投放在观测含水层上方，则流经水位传感器的水的体积与流经水温传感器处的水的体积理论上应相等，见公式（3）。由此可以求出流经水温传感器处水体积的高度变化，假定观测含水层在水平方向上地温梯度为零，根据传感器所在位置的垂向地温梯度，可以求出水温变化量，见公式（4）、（5）。

图5 井水温固体潮变化计算示意Fig.5 Schematic diagram of well water temperature and solid tide changes

式中，ΔV水位为流经水位传感器的水的体积，ΔV水温为流经水温传感器的水的体积，Δh为水位固体潮效应振幅变化值，ΔH为流经水温传感器的水量高度变化，r为水位传感器所在位置井孔半径，R为水温传感器所在位置井孔半径（图5），Δt为水温传感器投放处地温梯度变化，ΔT为理论水温固体潮变化差值。

以上公式成立需具备以下条件：①水位具有显著固体潮效应；②固体潮体应变引起的井孔水体积变化量应为流经水温传感器的体积；③观测含水层在水平方向上不存在地温梯度。若满足以上3 个条件，则由公式（5）可知，水温固体潮汐变化与水位潮汐幅度Δh、水温传感器投放位置地温梯度Δt和r/R比值平方有关（通常，r/R＞ 1，一口井会有1—3 次变径），均成正比关系。

水温固体潮变化机理可以用井—含水层水热动力学机制进行解释。其核心原理是，井水中某一点的温度变化，是由井—含水层之间与井孔内伴随水流运动产生的热对流作用引起的（车用太，2016）。当固体潮应力加载含水层，会引起井—含水层之间水量的交替变化，当观测含水层的水流入井孔时，由于井孔下部被水完全充填，没有流动空间（只存在热量传递），水被迫向上流动，引起水柱高度的变化，若将水温传感器投放在观测含水层上方，则能够确保固体潮体应变引起的井孔水体积变化量全部为流经水温传感器的水。

因此，非自流井水温观测固体潮效应是否显著，应优先依次满足以下4 个条件：①水位能记录到固体潮效应；②水温传感器投放在观测含水层上方；③传感器投放在地温梯度相对较大位置；④传感器投放在井半径较小位置。若r/R比值相对较大，地温梯度较大，则会出现水温固体潮比水位固体潮效应显著的现象，例如祁县井、荆州井、长兴岛井。以上推理结果验证了上述现象（非自流井固体潮效应显著的井水温传感器在观测含水层上方）。

4 结论与讨论

综上所述，水温传感器置深不同，对固体潮效应产生的影响不同，具体结论如下。

（1）在非自流观测井中，水温固体潮效应显著的井井孔深度多在1 000 m 以内，水温传感器置深与井底距离相对较远，且置于观测含水层上方。

（2）水温固体潮效应是否显著，与水位固体潮变化幅度Δh、水温传感器投放位置地温梯度Δt和r/R比值平方有关，且均成正比关系。

（3）非自流井中，水温记录固体潮效应的前提条件依次为：①水位能记录到固体潮效应；②水温传感器投放在观测含水层上方；③传感器投放在地温梯度相对较大位置；④传感器投放在井半径较小位置。

（4）非自流井中，能监测到水位固体潮信息的观测井占比约48.4%，而监测到水温固体潮信息的井仅占比约5.6%，若按照上述条件，重新调整水温传感器置深，井水温记录固体潮信息的能力可能会得到提升。

井水温能监测到固体潮效应不是监测预报效能好的充要条件，文中提出的水温传感器最佳观测条件仅适用于具有固体潮效应的水温测点，是否能够提高监测预报效能，尚需对地震效应显著的井水温测点进行系统研究。

文中公式成立的前提是，井孔条件处于理想状态下，现实中固体潮理论计算公式还应考虑传感器所在围岩导热率，不同地区、不同深度、不同地层的导热系数不同，实际计算难度大，且水温传感器位置一旦固定将不能随意改变，因此传感器所在围岩导热系数是相对固定不变的，文中计算的水温固体潮变化均为相对变化量，围岩导热系数的影响相对较小。