深井水電流觀測項目的初步研究

杲杰

摘? 要：以皖14井為例，提出在井壁和井孔某深處投放電極的方法，僅利用自然電場能量，實現對該層位水電流的長期觀測，從而回避電源以及孔裂隙中的雜質在移遷時造成水位變化的無震異常;該方法還可以準確地獲取井下含水層流水位置和其他水文地質參數;在數據采集方面，提出使用機器視覺的表盤自動讀數技術實行無接觸模式來完成。該觀測方法填補了地震監測工作的一項空白，為地震監測預報進一步開拓了深度。

關鍵詞：深井? ?水文地質? ?水電流? ?自然電場

中圖分類號：P315? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：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日觀測以來，36年來水位資料連續完整。地下水動態分析上，主要精力都用在無震異常的識別。這些異常中除強降水和氣壓驟變引起井水位的變化可識別外，很多形態的水位異常是無法識別的。因為地下水在運動過程中，與圍巖介質接觸，接受了各種離子、分子、懸浮物、氣體和微生物[1]。這些物質在溫度、流量、流速等環境因素具備的情況下，可以結晶，可以形成絮狀物，可以存在流體中，也可附著在孔裂隙的巖壁上，進而對地下水的運動產生影響。特別是懸浮物是運動的，附著物又可在自身重力，外力振動以及水速水量變化的前提下，發生脫落、溶解或遷移，特別是孔裂隙中流體流動斷面陡然變小處上附著物的移位，可瞬間使孔口四周發生驟變而導致地下水位的異常，孔口上附著物在阻礙地下水運動的作用方面，還具有正反方向影響效果不對稱的問題，在時間上這些事件又幾乎都是隨機發生的[2]。

地球上不僅存在著電磁場，而且存在著地電場，地表任意兩點間存在著電壓。因此，在井孔內任意兩點裝上電極，就可以測得這兩點間的電壓和電流[3]。而指針式機械表具有安裝維護方便、結構簡單、防電磁干擾等諸多優點[4]。有些儀表甚至可以不使用外部電源直接采用自然電場的能量實現長期觀測，這樣既減少了供電環境的變化給觀測數據帶來的擾動，還可以減少雷電帶來的危害。磁電式微安表就是一例，在20世紀70年代，曾廣泛應用于群眾地震測報點和地震臺站，但該類儀器需人工定時讀數，不能滿足實際需求而被淡出觀測領域。近年來，隨著計算機技術和圖像處理技術的不斷發展，指針式機械表自動讀表技術又應運而生[5]。在這背景下，筆者試圖探索新的觀測手段，尋找井孔中可以揭示井區含水層受應力作用而變化新的物理量，進而達到監測可能發生地震的目的。

1? 水電流儀的原理及制作與安裝

深井水電流是自然電位測井中所測的電流。它在無須人工供電的情況下，測量沿井軸移動的M電極相對與地面固定電極N之間的自然電位差。并利用它來研究和判斷孔內地層巖性在縱向上的分布情況、含水層的位置、厚度及地下水水質等各種地質問題[6]。因為微安表是利用一只靈敏的磁電式直流電流表做表頭。當微小電流通過表頭，就會有電流指示。由于其內阻穩定，且采用了張絲支承，儀表偏轉時不存在摩擦，從而提高了儀表的靈敏度，保證了儀表讀數的準確性。按自然電位測井的要求，設計出深井水電流結構如圖1。

1.1 電極的制作

由于鉆井在地表設有鋼套管保護井口，從體積上，一般長度有幾十米甚至多達上百米，直徑多在10 cm以上，它經過長年的極化，性能較為穩定，所以是測自然電位中需在地面設置的一根理想電極，但使用前最好還是要對鋼套管做一次防腐蝕保護。另一根需要制作，制作前首先要將導線放在井下深處作高壓測試，檢查所要使用的導線是否有漏電可能。導線可用后，電極材料可以使用鉛或炭棒，因為鉛的熔點只有327.46 ℃，容易制造。只要將鉛熔化后灌入制作電極的圓柱形摸具中，趁鉛液尚未凝固，插入露頭的導線，插入深度要包含導線外層絕緣體，讓鉛液與導線外皮充分接觸，并保留于與鉛柱接觸部位的凹槽狀（澆鑄時鉛液冷卻時自動形成）。這凹槽是用于填充臘液、環氧樹脂或絕緣膠等，作用是對導線和鉛體接觸部位進行密封和固定。電極制作好后，就可以按圖1接線完成安裝。

1.2 電極的投放

電極投放前首先要在導線上做好長度標志，如有帶刻度的導線則更好，以便掌握探頭投放的深度。如果有可測微安量級的自記儀器，最好用它替代微安表記錄不同深度處的電流值，觀測時需人工配合做好投放深度的記錄，并作為該井孔水電流試驗的原始資料予以保存，便于今后對比和考慮投放深度時使用。2004年4月10日，利用化工單位的電子電位差計記錄結果。投放深度確定后，可以換成微安表進行長期觀測，其目的是避免交流電源干擾和雷暴雨天氣的影響。

1.3 電極投放時水電流記錄

圖2是經過整理的“皖14井不同深度水電流變化圖”，也是該井首次觀測的成果。觀測時如果該層位水電流波動比較大下，為了證實其曲線形態的可靠，使用回抽再投放的動作進行驗證，確定后再做下一步的投放或抽取，從圖2中可以看出，有的電流變化大的層位只有幾米甚至更少，說明了該方法效果可觀可靠。

1.4 電極檢查法

可以通過開關的斷開、級與級之間的插接件、交換位置等方法可以判斷出故障部件。比如：利用記錄儀輸入插頭的交換位置（NS與EW）可判斷出是記錄器部分問題還是儀器的問題。利用控制箱輸入信號線的交換可判斷是井上和井下的故障。如果記錄亂劃，可以把衰減開關關到最小，亂劃的幅度也隨之衰減，說明故障在前端;如果亂劃的幅度不變，則故障在后面。由于NS-EW兩個方向的線路完全一樣，所以可以交換連接進行試記，可根據試記結果分析判斷故障部位。但在試驗結束后一定要恢復原來狀態。例如：有一道記錄正常，另一道記錄不好，為判斷故障部位，可先把記錄儀信號插頭的NS向和EW向交換插入插孔，如果好的依然好，差的依然差，則故障在記錄儀自身，反之故障在記錄儀之前。又如：為判斷井上部分還是井下部分故障，可以把控制箱25線的輸入信號的NS向與EW向交換焊接，如果好的仍好，壞的仍壞，則故障在井上部分，反之故障在井下部分（包括電纜）。記住試過后一定要把接線還原，否則，輕者造成井下不能調整，重則造成儀器嚴重損壞。當初步判斷某一部分有問題，可以把整塊印刷電路板換一塊好的，或拔掉集成塊，再插上一塊新的，若工作正常，就證實原來的已損壞，若故障照舊，說明原來的沒壞。

2? 結語

2004年水電流試驗完成后，因為考慮到繼續試驗會影響僅有的模擬水位觀測，每天定時實測也無法長期完成而停止。目前，水位觀測和水溫觀測都已數字化，機器視覺技術已日趨完善和成熟，所以該項試驗又提上日程，從2021年2月12日至現在已連續觀測近4個多月，歷經了雷電、大風、暴雨的考驗，觀測值始終像圖3中的那樣，處在1 μA左右。所以證明其是一項比較穩定的觀測項目。

但井下水電流的觀測和研究才剛剛開始，后面的試驗還很多，例如：能否通過等深的多電極來確定電極又無影響到觀測數據的極化現象，是否可以在井孔不同深處安裝數個電極，同時進行觀測，還有如何探索處可以清楚顯示有固體潮現象的水電流，使這物理量更具有地球物理意義是必須完成的。至于使用機器視覺技術實現其觀測數據的數字化，目前網絡上已有代做機構，但搞科研涉及的核心技術還是要自己掌握，所以也正在探索之中。

參考文獻

[1] 劉春國.地震地下流體臺網管理與日常質量監控系統的研制及應用[J].中國科技成果，2017，18（7）：? 28-30.

[2] 李超，長金淼，朱振宇.深部儲層流體因子直接反演方法[J].石油物探，2017，56（6）：827-834.

[3] 趙黎明，胡雪琪，李穎楠，等.天津薊縣地震臺VP寬頻帶傾斜儀故障診斷與排除[J].高原地震，2019，31（4）：52-56.

[4] 張智敏，伍鶴皋，錢忠東，等.基于流固耦合界面數據傳遞模型的水電站廠房流激振動分析[J].工程科學與技術，2017，49（S2）：8-15.

[5] 張嘉敏，楊紹富，徐長銀，等.庫爾勒臺水平擺與垂直擺傾斜儀效能對比研究[J].內陸地震，2019，33（1）：68-79.

[6] 王海軍，王寧，練繼建.基于傳遞熵的水電站廠房振動傳遞路徑識別[J].水利學報，2018，49（6）：732-740.