兩種脫氣裝置在廬江臺流體觀測中的效能分析

汪世仙 馬城城 胡婷婷 倪珺俊 袁勇

摘? 要：地震地下流體數字化觀測中脫氣裝置的合理設計和選取直接關系到氣氡、氣汞等逸出氣觀測項目的數據質量。廬江臺現有臥式脫氣裝置是根據湯池1號井特征自行設計制作，為氣氡、氣汞等觀測項目提供穩定的氣源，上述項目投入至今觀測數據較為穩定，但相關震例較少。本課題開展了系列實驗，對臥式脫氣裝置的脫氣效能做出評估，提出改進建議，并嘗試利用新型自鼓泡式脫氣裝置在湯池1號井開展地下流體監測。

關鍵詞：脫氣裝置? 效能? 氣氡? 氣體組份

中圖分類號：P315 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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

數字化氣體觀測集氣-脫氣裝置是數字化觀測中一項非常重要的技術環節，其關系到被觀測量的靈敏度和穩定性。需要進行集氣-脫氣過程的測項有氣氡、氣汞、氦氣、氫氣和二氧化碳等測項。目前各省觀測點均設計有相應的汽水分離裝置，如在河北懷來臺、天津王3井等使用的傘狀濺射式集氣-脫氣裝置技術系統，安徽廬江臺使用的臥式脫氣裝置，此外還有平板濺散式集氣-脫氣裝置、分級跌落式集氣-脫氣裝置等脫氣裝置。而廬江臺臥式脫氣裝置自2000年投入使用以來，觀測數據較穩定連續，但對應地震案例較少，且多年來未對裝置進行效能檢查，本課題將設計系列實驗方案檢驗廬江臺的臥式脫氣裝置并提出改進建議。

1? 井點概況

湯池1號井處在郯城-廬江斷裂帶南段西側，其南側10km左右有磨子潭-曉天斷裂、北側有南港-龍門沖斷裂和北北東向的下揚子破碎帶。第四紀覆蓋層厚19m，19～185m為上侏羅紀的各類凝灰巖，其中90m以下有3個含水層。185～327m為下白堊紀的正長巖、閃長玢巖，290～300m為一含水層。湯池1號井井深327.05m，井口水溫約63.1℃，封井壓強225.6hPa。

廬江臺現有的臥式脫氣裝置是根據湯池1號井自行設計，自2000年投入使用以來逸出氣氡、氣汞觀測數據穩定性較好，也具有一定的變化規律。該脫氣裝置適用于流量較大的熱水井（圖1），該種裝置是在地下水的運移管中，設置了一種網格狀的紗網，利用表面張力的物理特性，將水體中直徑較小的氣泡匯集成大氣泡，進而形成氣流，達到將水體中的逸出氣分離出來的效果，同時在中段設計出氣腔，用于集氣，再通過封閉式氣路將樣品氣運送到觀測儀器中去。

2? 對脫氣裝置的脫氣效率進行測試

由于廬江臺臥式脫氣裝置采用的是物理方法的脫氣集氣，且水體流量較大，在脫氣過程中勢必因流量較大造成氣體沒有有效脫氣而造成損失，通過對現有脫氣裝置的脫氣量進行實驗分析，計算其脫氣效率。

2.1 逸出氣速度測試

在常壓狀態下將水氡取樣用的擴散器注滿水，倒扣放置，連接模擬取樣口使水體，使得擴散器在密封的狀態下過濾水樣，使逸出氣在擴散器內循環時自然分離，計算水中的自然狀態下的逸出氣體含量。

V0為每升水樣中含有的逸出氣體積，V為擴散器分離出的氣體體積，υ0為當天取樣口流量，t為取樣時間，計算公式為：

2.2 溶解氣含量測試

通過溶解氣體組份測試瓶進行取樣分析，將2500mL取樣瓶取樣完畢后再沖流3min，使得取樣瓶中的殘余空氣排干凈。取樣完畢后，將水樣瓶中水樣排掉約1200mL左右，負壓震蕩，析出水樣中的溶解氣。通過以下公式計算，測算出每升體積水含有溶解氣體積：

2.6×10-3

式中，V—標準狀態下脫出氣體的體積（mL）;V—實際脫出氣體的體積（mL）;P0—標準狀態時的大氣壓（101.32kPa）（相當于760mm汞柱）;P1—脫氣時的大氣壓（Pa）;h—脫氣時的飽和水蒸汽壓力（Pa）;T0—標準狀態下氣體的絕對溫度（273°K）;T1—脫氣時的氣溫，其值為273+實測℃，t—脫氣時的實測氣溫（℃）。

2.3 脫氣裝置脫氣效率分析

為測定脫氣裝置的脫氣速度，設計制作了取樣器，使用特制的薄膜制作氣體取樣器，并連接在氣路上。同時測試脫氣裝置水樣流速υ1，氣體流速υ2，計算出由脫氣裝置脫出氣體總量，通過表3測試計算。

通過上述實驗可以得出在常壓情況下，廬江臺脫氣裝置的逸出氣體脫氣效率為：

I=（脫氣裝置逸出氣量/實際逸出氣速度）100%。

將上述實驗產生數據進行平均。脫氣裝置逸出氣量為4.73mL氣/L水，實際逸出氣氣量5.207mL氣/L水，計算得出逸出氣體脫氣效率I為90.8%。

脫氣裝置的綜合脫氣效率為：

I=脫氣裝置逸出氣量/（實際逸出氣速度+溶解氣含量）100%。

脫氣裝置逸出氣量為4.73mL氣/L水，實際逸出氣氣量5.207mL氣/L水，溶解氣含量1.733mL氣/L水，計算得出綜合脫氣效率I為68.2%。

3? 對水樣中的氣體組分對比分析

脫氣裝置主要是將水樣中的逸出氣體脫出，通過脫氣效率的相關實驗，我們得出兩者在氣量上有10%的誤差，這種誤差對氣體組分的影響程度可做進一步分析。尤其是檢驗脫氣裝置對水樣中包含的氦氣、氫氣等易擴散氣體組分的影響。設計如下方案：（1）使用SP3400氣相色譜儀器，采用日常觀測用取樣針在數字化氣路上直接取樣觀測;（2）采用溶解氣采樣瓶取樣，不進行排空逸出氣處理，取得綜合氣量觀測。

2019年5月1日～5月31日時間段，同時開展脫氣裝置脫出氣體的氣體組分觀測、水樣實際綜合氣量進行觀測對比。數據對比如圖2。通過觀測數據與觀測曲線可以看出：通過脫氣裝置的氣體樣本中氫氣、氦氣含量較水樣要高，甲烷則影響不大。

通過分析認為，由于脫氣裝置得到的水樣雖然總體脫氣效率只有90%左右，其各組分含量應該較少，但由于氣體樣本處于實時樣本，氣體較為新鮮，作為小分子氣體的氫氣、氦氣逃逸速度較快但逃逸時間較短。而通過取樣瓶取樣得到的氣體樣本由于中間多了排水、負壓、震蕩、移樣等中間環節，水樣中的氫氣、氦氣含量雖然較高但逃逸時間較長因此造成脫氣裝置中的氫氣、氦氣數值反而較高。

甲烷氣作為多分子結構在密閉空間中的逃逸速度遠小于氫氣、氦氣，考慮兩者綜合因素，其觀測數值基本相當。

4? 對逸出氣氡的可靠性檢驗

逸出氣氡的觀測自2000年以來在廬江臺連續開展有近20年歷史，其觀測數據較為穩定，具有良好的夏低冬高的年變化，但觀測多年來未發現較為明顯特征的震例，根據現有的實際情況，設計實驗方案，利用P2000測氡儀器不間斷測量的特征，在廬江臺臥式脫氣裝置氣路上連接測量，此外再將P2000測氡儀放置在脫氣裝置并聯的管道上測量逸出氣氡，對比兩者數據。

由于需要P2000測氡儀器不間斷測量，為滿足觀測條件，臺站選取新型自鼓泡脫氣裝置（如圖3），可在常壓狀態下，將逸出氣完全有效的析出。

比較兩種脫氣裝置，自鼓泡脫氣裝置特征一：在對逸出氣脫氣和收集過程中增加了一個沖流的過程，更大程度將逸出氣分離水體;特征二：需要的水樣流量較小;特征三：根據設計工藝將氣泡向上運移，逸出氣的逃逸，提高氣體收集效率。

自2020年2月2日～2月5日的實驗結果表明，P2000測氡儀器測定的氣氡數據具有明顯的固體潮效應，而同樣的儀器連接在臥式脫氣裝置氣路上測定的數據則沒有出現相應的固體潮效應（如圖4）。

通過對比分析認為，由于臥式脫氣裝置脫氣效率不高，不能很好的收集逸出氣中的氣氡，且水流量、氣流量較大，日變被湮沒在噪聲中。而由于采用了新型工藝的自鼓泡脫氣裝置，可在較為穩定的小流量情況下，很好地反映了固體潮變化。

5? 對現有脫氣裝置的認識和建議

5.1 數字化脫氣裝置關鍵技術

（1）穩定性：集氣-脫氣裝置的穩定性主要是進水口的流量要穩定，才能保證進水穩定，脫出氣體才能穩定。

（2）及時性：在進水口的水流穩定情況下，適當減少氣路的長度和脫氣裝置的空腔，使得樣品氣體達到最新鮮，及時運移到觀測儀器進行觀測。

（3）密閉性：集氣-脫氣裝置的密閉在設計過程中就已經可以體現，但在連接氣路時，往往由于日常巡查難以發現，造成氣路系統漏氣，影響觀測數據的穩定性，因此在日常維護中需要加以重視。

5.2 脫氣裝置對觀測項目的影響

脫氣裝置的穩定性可靠性直接關系到觀測項目對地震預報的貢獻，架設符合本臺站工作實際情況的脫氣裝置尤為重要。廬江臺的脫氣裝置自2000年以來連續工作近20年，但由于當時技術所限，廬江臺的脫氣裝置沒有能夠解決好脫氣效率問題，逸出氣氡觀測數據僅僅呈現夏低冬高的形態，沒有震例和短周期變化。而氣汞由于儀器靈敏度問題，觀測數據在檢出限附近，無法進行相應的對比分析和測試。

提出如下改進建議：（1）減少水樣流量，降低測項觀測數據噪聲;（2）采用垂直濺落的方式，提高脫氣效率，使水樣中的氣體最大程度析出，提高測項的準確度。

6? 結語

通過研究認為廬江臺脫氣裝置逸出氣脫氣率約為91%，綜合脫氣率約為68%左右，基本符合現有的氣氡、氣汞、氫氣等觀測儀器對樣品氣的要求，但可以繼續通過優化改造提高脫氣效率。

通過高精度測氡儀測定結果可以認為湯池1號井的逸出氣氡具有明顯的固體潮效應，但由于脫氣裝置的設計的局限性，現有SD-3A測氡儀只能觀測到年變，沒有短周期的固體潮效應。

通過多個實驗，認為廬江臺現有的脫氣裝置，穩定性較好，但脫氣效率、水樣流量較大等原因，很多有價值的數據變化被噪聲湮沒，脫氣裝置可以進行進一步的優化改造。

參考文獻

[1] 姚玉霞，任宏微，郭麗爽，等.AlphaGUARD與FD-125測氡儀的對比觀測研究[J].震災防御技術，2016，11（3）：641-646.

[2] 孫陶，胡明考，周宗杰，等.三種進口測氡儀在環境中比對試驗[J].計測技術，2017，37（S1）：338-340.

[3] 劉麗，劉爽，劉建光，等.盤一井氣氡新型脫氣裝置應用實驗研究[J].防災減災學報，2019，35（1）：36-40.

[4] 黃仁桂，趙影，李雨澤，等.地震氡觀測計量溯源初步探究[J].地震，2019，39（2）：183-190.

[5] 黃仁桂，趙影，肖健，等.地震監測氣氡儀響應能力實驗[J].華北地震科學，2019，37（3）：31-37.

[6] 姚玉霞，任宏微，郭麗爽，等.AlphaGUARD與FD-125測氡儀對比觀測研究[C].中國地震學會地震流體專業委員會、內蒙古自治區地震局.中國地震學會第五屆地震流體專業委員會成立暨2016年學術年會論文摘要.中國地震學會地震流體專業委員會、內蒙古自治區地震局：中國地震學會地震流體專業委員會，2016：67.