高溫腐蝕性抽水控制系統在懷4井的應用

張曉剛，邢杰，程德慶，王銳鋒

(1.河北省地震局，河北石家莊 050021;2.河北省地震局張家口中心臺，河北張家口 075000;3.河北省地震局懷來地震臺，河北懷來 075400)

河北懷4井是一個非常理想的地震前兆流體觀測井，開展地震前兆觀測30多年來，在地震預測、地震觀測、地震研究領域取得了許多成果，是京西北乃至華北地區重要的水化觀測井之一。特別是該井映震能力較強，曾在本區及華北多次中強地震前出現了較為明顯的前兆異常，并多次被臺站及有關單位作為重要前兆異常依據在震前做出了一定程度的預測。

懷4井成井于1970年，坐落在懷來縣城東南13 km桑園鄉后郝窯村南，位于后郝窯熱田區，熱田分布為北西向，短軸約1.1 km，長軸約2.2 km。該井為熱區內最深、水溫最高的井孔，水溫85.0℃，井深500.34 m，礦化度0.397 mg/L，流量為3.984 L/s［2］。地貌上為被侵蝕的山前洪積扇的下部，與河流沖積平原相鄰。處于燕山褶斷帶與祁呂賀蘭山字型構造東翼、反射弧復合部位，懷來—蔚縣大斷裂從本區東南穿過，其北部還有祁呂系歪頭山—萬家窯斷裂和北西向的施莊大斷裂。

近年來，由于華北地區地下水位普遍下降，及后郝窯周邊地熱資源過度開發，致使懷4井的水位逐年下降，于2007年趨于斷流，諸多模擬、數字測項面臨停測危機。為了使該井流體觀測得以繼續，經調研和論證，并報中國地震局和河北省地震局批準，于2007年9月15日開啟了降低取水口的改造工程，同年12月20日完工。工程為在主井房外建一個直徑4米的鋼筋混凝土結構的深井，井深10 m，觀測井與主井開挖10 m通道，在主井管開孔，用Φ25 mm不銹鋼管接熱水至觀測井脫氣桶，進行數字化氣氡、氣汞觀測，并留有模擬觀測水氡、水汞、色譜的取水口，水位觀測管［1］。改造后仍在自流狀態下進行流體觀測，實現了與30多年的觀測資料的無縫銜接。

由于懷4井水溫達到85℃以上，并且富含礦物質，對金屬具有強腐蝕性，因此對排水控制系統提出了很高的要求。通過在懷4井的實踐，給出了一種在高溫和腐蝕性等條件下長期正常運行的排水控制系統。

1 改造后的懷4井及抽水控制系統

主井管中的水通過取水口連接的導水管，分別流經兩個脫氣桶后，進入蓄水池，當水位達到一定高度后自動開啟抽水泵，當抽到一定液位時自動停止抽水。

我們制作了兩套排水自動控制系統，一套水位超限自動報警系統。其工作順序是第一套排水自動控制系統作為正常工作組，當第一套排水自動控制系統出現故障時，第二套排水自動控制系統自動啟動，當第二套排水自動控制系統出現故障時，水位超限自動報警系統開始報警，由人工進行抽水操作，并檢查維修控制系統故障，這樣就保證了儲水池的水位始終保持在控制范圍內。

圖1 改造后懷4井的示意圖

2 抽水控制系統傳感器制作

2.1 傳感器方案選取

在本方案實施之前，我們曾直接購買過市場上的成熟抽水控制系統以實現抽水控制目的，但是由于市場上的傳感器一般都是金屬制作易腐蝕或者是傳感器制作材料不耐高溫，并不適合懷4井的工作環境。所以就自主設計了適合在懷4井條件下長期運行的抽水控制系統。

我們做過浮子帶動行程開關、使用定滑輪將控制部分引出水外、浮子頂起導桿把控制部分放置到水面以上等方案和本方案的比對，其他方案由于高溫水蒸汽對材料的限制、空間限制等原因試運行失敗。最終選擇了本方案且得到了實踐的驗證。

圖2 抽水控制系統工作流程圖

2.2 傳感器制作

(1)使用干簧管做控制水位上下限的傳感器，優點是無需接觸、易于密封、可靠性高;(2)使用PP-R熱水管做傳感器的密封材料，優點是耐高溫、耐腐蝕、容易密封(用專用的PP-R熱熔堵頭);(3)使用不導磁的粗銅絲作為干簧管的支架，防止干簧管被磁鐵拖拽而改變設定的上下限位甚至系統失效;(4)使用耐高溫的電線作為導線連接傳感器和機箱，優點是耐高溫、不易老化;(5)用高密度苯板做浮子帶動環形永磁鐵做傳感器控制器，優點是耐高溫、耐腐蝕、磁感應無需接觸。另外，空氣的膨脹系數較大，高水溫會使密閉的PP-R管內空氣膨脹，甚至破壞PP-R管的密閉性。可以在密封之前灌入膨脹系數較低的干水泥或沙子，解決這一問題。

圖3 抽水控制系統示意圖

3 抽水控制系統電路

本系統采用12 V繼電器和220 V交流接觸器進行邏輯運算。具體電路如圖4。

X000和X001分別為水位下限和水位上限的干簧管，使用浮子帶動的磁鐵閉合;X002為手動啟動開關，可在水下部分失靈的情況下人工啟動;Y000和Y001為12 V繼電器，確保水下部分僅為12 V，即使發生漏電也不會對值班人員造成傷害;Y002為交流接觸器作為控制輸出，可以接220 V的水泵或者220V的報警器。

本電路的優點是:元器件少、電路簡單、安全性高、穩定性好。

圖4 抽水控制系統邏輯控制電路梯形圖

本系統由三套相同的機箱、不同限位的傳感器構成，機箱可以互相替換、互相檢測，有利于值班人員排除故障，提高系統運行穩定性。

4 結束語

本系統的運行時間取決于井口進水量和水泵流量。本系統在懷4井安裝后，抽水控制組1每天運行，抽水控制組2和水位超限報警基本不運行。在水泵及排水管路維修中，水位超限報警可以起到重要作用。

從2007年改造后到2013年，各項觀測正常進行，確保了懷4井地下流體觀測數據連續穩定。并在地震前兆觀測中取得了很好的效益。

［1］張常慧，李海孝，張彥青，等.面臨斷流的高溫熱水井的技術改造及其觀測效果［J］.地震地質，2011，33(3):653-659.

［2］張常慧，宋曉冰，李海孝，等.懷來4井數字氣汞觀測及資料分析［J］.地震地磁觀測與研究，2008，29(3):65-68.

［3］韋漢卿.新穎的干簧管集成液位自動控制器［J］.機械研究與應用，1998，11(4):33.

［4］魯改鳳，朱雪凌，李瑞珍.繼電控制設計方法［J］.電測與儀表，2009，(9):68-71.