含水层淤埋流体井技术改造及观测效果

0 引言

平谷马坊井位于北京市平谷区马坊镇东店村南（地震台站院内），地处夏垫—程各庄断裂与高丽营—蓟县断裂交汇处，是平谷盆地中部赵各庄地震观测井的重要补充，保障了北京东北部区域地震监测效能。马坊流体井成井于2008年，是北京地区少数200 m以下即为基岩的地震流体观测井，其施工设计按照地下流体台站建设的技术要求进行，观测含水层为灰岩裂隙承压水，井上部设有套管和滤水管，适宜进行水位、水温测项的观测（中国地震局，2006）。

最大允许狗腿严重度为钻孔轨迹正弯曲或负弯曲的曲率半径宜大于钻杆钻具组合自由状态(钻具组合整体顺下孔壁通过弯曲段)的最小曲率半径。正弯曲段狗腿严重度允许值相对较高，最小曲率半径相对较小；负弯曲段狗腿严重度允许值相对较低，最小曲率半径相对较大。狗腿严重度指标可反映弯曲段对钻探钻井施工的影响，但不能用于评价整个钻孔轨迹对钻探施工孔内安全的影响。如钻孔轨迹由2个或以上弯曲段构成，其对钻探施工孔内安全不是单独影响的，而是具有关联性和叠加性的，将严重加剧钻探施工孔内安全问题；而且随着钻进深度的不断增加，孔内安全不断恶化。

平谷马坊井自2011年使用ZKGD-3000N型地下水数据监测系统进行水位、水温观测，多年观测资料显示其映震能力不高，除趋势升降变化外，观测到的地应力应变信息有限，该效果与成井资料中的井孔结构不相符，怀疑观测含水层被破坏或井孔下部被淤泥填充，使得含水层与井孔水体无法进行交换，大量有效信息无法获取。鉴于此，采用井下电视探明井孔现状，借鉴石油行业成熟的射孔技术，对马坊观测井进行射孔、洗井及清淤改造，并对改造前后的观测效果进行对比检测。

1 平谷马坊井观测现状

平谷马坊井海拔25 m，地处北部燕山山脉与北京平原过渡带，夏垫—程各庄断裂与高丽营—蓟县断裂交汇处的平谷—马坊山字型构造顶部偏南， NE向三河—平谷断裂和NWW向二十里长山断裂交汇部位，地势较平坦（北京市地震局，2006）。

平谷马坊井2008年5月终孔，井深300.80 m，第四系厚204.8 m，下覆震旦系白云质灰岩，280—286 m深度段和293—300.80 m深度段裂隙发育为含水层。井深289.84 m以上设无缝钢管，管壁外用水泥注浆返至地面止水，套管总长290.34 m（管口高出地面0.50 m），仅保留293—300.80 m深度段为观测含水层，含水层厚7.8 m。成井时水位埋深27.70 m，抽水稳定10小时后，水位降深0.49 m，出水量为64.28 m3/d，计算得到渗透系数为15.21 m/d。马坊井室温约22.0 ℃，水化学类型为HCO3—Na·Ca型，矿化度为0.457 g/L，接受大气降水渗入补给，较适宜进行水位、水温测项观测。

图1 平谷马坊井井孔结构与水温梯度 Fig.1 Borehole structure and temperature gradient of Mafang well

马坊井自2011年6月进行水位、水温观测，多年观测资料显示，水温观测数据变化平稳，水位具有长趋势升降及季节性年变动态，但固体潮效应及同震响应不明显，地震前兆效能不高。这与成井资料揭示的井孔结构、渗透性等参数不相符。考虑到马坊井在北京地区流体监测中的重要性，且成井时间不长，井孔结构完整，因而于2016年对井孔进行射孔、清淤改造，增加观测含水层厚度和渗透性，以期提高观测数据质量。

2 井孔及井口改造

（2）马坊井改造后。2017年2月20日—3月20日马坊井水温观测数据月、日动态变化见图3(c)、图3(d)。水温月变幅度为0.003 3℃，日变幅为0.000 3℃—0.001 2℃，其日动态有明显的两峰两谷形态，与水位、理论固体潮的日变有较好的同步性，但没有水位的潮汐形态清晰。改造后的一阶差分值均方差为0.000 5，超3倍均方差的有2天。

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马方井改造前后，水位、水温观测数据动态对比结果见表2。

近年来，石油行业的井管射孔取水（取油）技术成熟（李永壮等，2002；袁吉诚，2002；周生田等，2002；李华，2008；唐凯等，2009；陆大卫，2012；李作平等，2014），常规使用的射孔枪直径多为89 mm或127 mm，俗称89枪或127枪，但马坊井直径146 mm，内径138 mm，井管内径小，井壁薄，改用70枪（特型枪）进行射孔操作。射孔前进行天然放射性测量，确定井孔203 m深度以下为基岩，同时进行温度梯度测量，选取梯度变化大的255—270 m深度段部位，按每段5 m划分，进行3次射孔施工，改造完成后提出射孔枪。射孔后经清淤、抽水洗井及井下电视查井，发现井深258 m处井管出现破损、刚管内翻现象，可能是因为，井管太薄、强度减弱，选用的射孔药力过大，使得地层破碎严重，当射孔、抽水时，管外的岩粉、破碎地层瞬间造成内压，造成井管内翻。在井管破损异常处放置一个撑管器做支撑，使得打捞工具顺利通过，但大孔径的井下电视及修井工具无法通过，故该井实际深度298 m，有效深度258 m（高文明等，2016）。

表1 马坊井改造前后水位动态对比 Table 1 The water level dynamic contrast before and after modification of Mafang well

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3 改造效果检验

为检验此次马坊井射孔改造效果，对射孔前后的抽水试验及成井时出水情况进行对比。具体操作如下：①射孔前抽水：2016年8月5日—8月6日，1吋出水管下至56 m深，泵型：82QJ3-100；②射孔后抽水：2016年12月13日—12月14日，1.5吋出水管下至42 m深，泵型：100QJ5-132；③成井时抽水：潜水泵出水管下至40 m深。马坊井改造前后水位动态对比结果见表1。分析认为，经射孔改造后，马坊井虽未达到成井时的出水量，但与射孔改造前相比，水量增加较多，基本满足前兆流体井观测需求，考虑到继续施工可能出现其他意外，故马坊井施工改造至此结束。

表2 马坊井改造前后水位、水温动态对比 Table 2 Dynamic contrast of water level and water temperature of Mafang well before and after the transformation

时间 测项 月动态特征 日动态特征 潮汐因子/(mm/10-9)观测精度差分均方差超差天数2016-02 水位 上升趋势，上升幅度0.340 m 有起伏，不明显 0.022 0.109 0.000 5 2 2017-02 水位 上升趋势不明显，变化幅度0.204 m 2峰2谷、最大日潮差0.122 m 1.808 0.017 4 0.009 7 无2016-02 水温 缓慢上升，月变幅0.018 8 ℃ 日变幅0.006 9℃—0.010 8℃ 0.001 8 2 2017-02-20—03-20水温 月变幅0.003 3 ℃ 日变幅0.000 3℃—0.001 2℃ 0.000 5 3

3.1 水位动态对比

马坊井改造前水位潮汐不明显，潮汐因子仅0.022 mm/10-9，观测精度为0.109；改造后水位固体潮效应明显，潮汐因子为1.808 mm/10-9，观测精度为0.017 4， 最大日潮差达0.122 m。可见改造后的水位内在质量明显提高。改造前水温数据的一阶差分值均方差为0.001 8，超过3倍均方差天数为2，改造后水温数据一阶差分值均方差为0.000 5，水温内在质量明显提高，且能观测到小幅度的潮汐现象。

参照地下流体学科观测资料全国年评比办法，以月整点值数据为依据，计算马坊井改造前（2016年2月）潮汐因子，数值为0.022 mm/10-9，观测精度为0.109，一阶差分值均方差为0.000 5，超差天数为2；马坊井改造后，2017年2月潮汐因子为1.808 mm/10-9，观测精度为0.017 4，其一阶差分值均方差为0.009 7，无超差天数。

图2 改造前后马坊井水位动态对比曲线 (a)改造前月动态；(b)改造前日动态；(c)改造后月动态；(d)改造后日动态 Fig.2 Water level dynamic contrast curve of Mafang well before and after the transformation

3.2 水温动态对比

（1）马坊井改造前。2016年2月马坊井观测水温数据月、日动态变化见图3(a)、图3(b)。其月动态表现为缓慢上升变化，无明显脉冲突跳或阶变，月变化幅度为0.018 8℃，日变幅在0.006 9℃—0.010 8℃范围内，但日变动态无明显规律。以月整点值观测数据为依据，计算其一阶差分值均方差为0.001 8，超3倍均方差的有2天。

利用井下电视影像探查马坊井井孔现状，影像显示井径Φ146 mm的钢管一径到底，实际井深289.6 m；探头下放时多处遇阻，说明井壁结垢严重。使用钢丝刷子刷洗井壁并进行井底清淤处理，打捞井壁垢物及沉砂近11 m，洗井至298 m深度。

图3 改造前后马坊井水温动态对比曲线 Fig.3 Water temperature dynamic contrast curve of Mafang well before and after the transformation

3.3 同震响应对比

目前，中国水位观测数据内在质量主要采用M2波潮汐因子及观测精度指标进行评价（陈华静，2002），潮汐因子反映了水位固体潮响应振幅的大小，其值大于1为优；观测精度反映了水位潮汐与体应变理论固体潮的相对误差，分为好、一般和较差3个等级，分别对应观测精度＜10%、10%—20%、＞20%（刘春国等，2015）。

“左双权从小就是在呼兰区红旗村长大的，村里的亲戚朋友他都熟悉，必要时他带着站经理到村里进一步开发客户。”范好光说。

表3 2014年—2017年1月马坊井对几次强震的映震对比 Table 3 Seismic correlations of several strong earthquakes from 2014 to Jan.2017 of Mafang well

发震时刻 震中位置 震源深度/km MS 震中距/km 地点 映震形态φN/° λE/°2014-04-02T7:46:08 -19.6 -70.8 20 8.2 17 700 智利北部 无2014-04-13T4:14:38 -11.3 162.3 30 7.8 7 500 所罗门群岛 无2015-04-25T14:11:26 28.2 84.7 20 8.1 3 200 尼泊尔 无2015-05-30T19:23:02 27.9 140.5 690 8 2 600 日本小笠原群岛 无2016-03-02T20:49:47 -4.9 94.2 20 7.8 5 500 印度尼西亚苏门答腊群岛 无2017-01-22T12:30:25 -6.2 155.1 160 7.9 6 600 所罗门群岛 水位0.051 4 m同震波，水温震前上升 0.003 7℃

图4 2014—2017年1月马坊井对几次强震的映震对比曲线 Fig.4 Contrast curve of several strong earthquakes responses from 2014 to Jan.2017 of Mafang well

3.4 改造效果

分析水位、水温测项对井区外围2 600—17 700 km范围内2014年—2017年1月几次7级以上强震的同震效应，发现马坊井改造前，对2014年4月2日智利8.2级、4月13日所罗门群岛7.8级、2015年4月25日尼泊尔8.1级、5月30日日本小笠原群岛8.0级及2016年3月2日印度尼西亚苏门答腊群岛7.8级地震均无明显同震响应；井孔改造后，对2017年1月22日所罗门群岛7.9级地震有较好响应。此次地震的发震时刻为12时30分25秒，马坊井水位在12时40分开始产生地震波震荡，震幅为0.051 4 m，至13时14分恢复原量值上下波动；水温在10时15分出现上升趋势，至11时11分达最高值，56 min内上升0.003 7 ℃，后逐步下降，缓慢恢复至震前值。

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马坊井改造前，2016年2月1日—29日地下流体水位观测数据月动态及日动态变化见图2(a)、图2(b)。从多年动态看，该时段水位呈上升变化趋势，月上升幅度0.340 m，数据动态稳定，日变幅度在0.002 14—0.009 96 m范围内，但日变形态无明显规律。马坊井改造后，2017年2月1日—28日水位月、日动态曲线见图2(c)、图2(d)。水位整体上升趋势不明显，月变化幅度0.204 m，具有规律的两峰两谷日变形态，固体潮汐效应明显，最大日潮差达0.122 m。

马坊井改造前的水位、水温观测数据对多次外围强震映震不灵敏，而改造后水位对仅有的一次强震有幅度0.051 4 m的同震波响应，水温数据在震前亦有幅度0.003 7 ℃的上升变化，而后均逐渐恢复到震前值上下。由以上分析可知，改造后马坊井的井孔对地壳应力的响应灵敏程度明显增强，观测井的井孔改造取得良好效果。

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4 认识与讨论

马坊流体观测井井孔结构完整，但观测系统映震不灵敏，除趋势变化外，地应力应变信息有限。通过射孔施工增加了观测含水层厚度，氟酸冲洗、打捞清淤等处理，增强了观测含水层的渗透性。改造后的水位、水温观测数据内在质量显著提高，效果明显。

马坊井的井孔改造借鉴了石油行业的射孔技术，可见该技术在地震流体观测井改造中是可行的，值得同类观测井借鉴。但也存在一些问题：如：流体井孔径普遍较小，一般型号的井下电视容易被卡，需改用小型号镜头；年代久远的地震流体井的井壁较薄，强度减弱，一般石油射孔的炸药量太大，可能对观测井壁造成破损，需改用小炸药量的特制枪型进行射孔操作。

采集层负责收集物理环境下人体各类活动数据。采集层包括多个传感器节点，每个传感器节点由传感器、MCU、电源管理和网络组成；在本系统中主要采用心率传感器、心电电极贴、血氧采集传感器、血压传感器和红外体温传感器等，用来实时获取在押人员心率、心电、血氧和血压等重要生命体征参数。采集层节点通过各传感器感应被测人体参数和指标，并将数据上传至数据传输层。

参考文献

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