支雷虎，李粮纲

(中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉 430074)



地震地下流体观测井水文地质参数的确定

支雷虎，李粮纲

(中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉 430074)

[摘要]地下流体观测是地震监测预报的一项重要工作。地震地下流体观测井通常为承压单井，需要通过单井试验确定观测含水层的水文地质参数。在湖北省武汉和黄梅地震地下流体观测井分别进行了非稳定流水位恢复试验和微水试验，确定了观测含水层的水文地质参数，取得了较好的效果。鉴于渗透系数K反映了含水岩层的物理状态，建议将其动态变化纳入地震地下流体的监测体系。

[关键词]地震监测；地下流体观测；水文地质参数；水位恢复试验；微水试验

我国是一个地震多发的国家。地震灾害突发性强、破坏性大、影响面广，争取震前预防预报是减轻震灾的有效途径。1966年邢台宁晋7.2级地震发生后，我国开展了以水文地质学和水文地球化学为基础学科的地震地下流体观测研究。地震分析预报人员利用地下流体物理(水位、水温等)和化学(水氡、CO2等)指标的异常，对大陆发生的某些强震做出了较准的预测。据中国地震局有关部门统计，地下流体观测网为成功预测破坏性地震提供的依据居测震之外的各类前兆学科之首[1-2]。湖北省“十一五”期间，在地震监测台网建设方面投入了近1亿的资金，全面提升了地震台网的软硬件，其中包括多处地下流体观测井的建设和改建[3]。

1非稳定流水位恢复试验

1.1原理及计算方法[7]

假设承压含水层侧向边界离井很远，边界对研究区的水头分布没有明显影响，可以看作是无外界补给的无限含水层。以定流量持续一段时间抽水，抽水量完全来自于含水层的贮存，降深随抽水时间持续变化，形成非稳定流动状态。Theis(1935)给出了无外界补给的承压水完整井定流量非稳定流降深问题的解：

(1)

(2)

式中：s为距抽水井距离r处t时刻的水位降深(m)；Q为抽水井流量(m3/d)；T为含水层导水系数(m2/d)；r为计算点到抽水井距离(m)；t为抽水持续时间(d)；S为含水层贮水系数(无量纲)；a=T/S，为含水层导压系数(m2/d)；W(u)为与r、t、a有关的井函数。

当u≤0.01时(即t≥25r2S/T)，井函数可近似为：

(3)

其相对误差不超过0.25%；则Theis公式可以近似表示为：

(4)

式(4)称为Jacob公式。

如不考虑水头惯性滞后动态，水井以流量Q持续抽水tp时间后停抽恢复水位，那么在某一时刻(t>tp)的剩余降深(s'，原始水位与停抽后某时刻水位之差)，可理解为以流量Q继续抽水一直延续到t时刻的降深和从停抽时刻起以流量Q注水t'(t'=t-tp)时间的水位抬升的叠加，两者适用于Theis公式，当u≤0.01时(即t'≥25r2S/T)，有：

(5)

式(5)表明，s'与lg(t/t')呈线性关系，利用水位恢复资料绘制s'-lg(t/t')曲线，其直线段斜率i=0.183Q/T，即可计算导水系数T。如已知停抽时刻tp的水位降深sp，根据Jacob公式即可计算导压系数a和贮水系数S。

图1　水位恢复试验s'-lg(t/t')曲线

1.2实例应用

湖北省武汉地震地下流体观测井深度为316 m，承压含水层厚74.6 m，成井后稳定水位埋深13.8 m。含水层岩性为细粒石英砂岩，上覆泥岩，下伏泥质粉砂岩，井孔为完整井。抽水试验过程如下：

(1)抽水前将深井潜水泵下入井中，使用电测水位计测量稳定水位埋深并记录；

(2)试抽2 min发现井中水位下降较快，试抽后等待水位恢复至稳定；

(3)开启抽水泵并同时开始计时，每0.5 min测量记录一次水位，每2 min测量记录一次流量；

(4)抽水持续13 min时，井中水位降深达33.9 m，此时停抽恢复水位，观测记录水位每回升1 m的时间。

由剩余降深、抽水持续时间、水位恢复时间数据绘制s'-lg(t/t')曲线，结果见图1。取直线段一个周期的Δs'，即为其斜率，i=25.8，由式(5)可知i=0.183Q/T，计算得含水层导水系数T =0.613 m2/d，由T=KM(M为含水层厚度)可得含水层渗透系数K = 8.22×10-3m/d。

1.3分析与讨论

非稳定流抽水试验不要求水流达到稳定状态，特别适用于抽水过程不能达到稳定状态或需要很长时间才可能达到稳定状态的含水层，适用范围较广。相对于稳定流抽水试验，抽水过程需要的设备简单，抽水时间短。单孔非稳定流抽水试验避免了稳定流试验中需借助经验公式试算影响半径R的误差。

在上例地下流体观测井抽水实践中，观测含水层透水性较差，抽水时间较短时即产生较大降深，停抽后水位恢复时间较长。水位恢复试验适用于这种低透水性、抽水时间短而恢复时间长的情形。由图1可以看出，s'-lg(t/t')曲线形态良好，直线段拟合明确，求解过程清晰。

在应用单井非稳定流水位恢复试验确定参数的过程中，也存在着以下问题：

(1)水位恢复过程时间较长，是否能简单地理解为以定流量Q持续抽水和以定流量Q注水的叠加过程；

(2)取s'-lg(t/t')曲线的直线段进行参数求解，有主观误差，忽略了水位恢复初期的数据。

2微水试验

2.1原理及计算方法[8-9]

微水试验(Slug test)是指抽取已知体积的水后孔内的压力恢复或注入已知体积的水后孔内压力减小的过程，也称为定容积瞬时抽(注)水试验。对于定容积抽水，瞬时抽水后井中水位下降，计此时水位降深为H0。然后含水层的水流入抽水井，水位开始回升，记录t时刻井中水位降深(相对于天然水位)Ht。定容积瞬时抽水过程示意图见图2。在零时刻Ht/H0=1，随时间增加Ht/H0趋近于0，水位完全恢复。

图2　承压含水层定容积瞬时抽水过程示意图

对无越流承压含水层完整井孔，Cooper等(1967)提出了非稳定流的微水试验模型，水位变化可表示为：

(6)

式中：H0为瞬时抽(注)水后井中水位下降(或上升)的最大值(cm)；Ht为t时刻井中水位下降(或上升)值(cm)；rc为井套管半径(cm)；rs为井滤管半径(cm)；t为水位恢复的时间(s)；T为含水层导水系数(cm2/s)；S为含水层贮水系数(无量纲)。

将实测Ht/H0-Tt/rc2数据绘制的曲线与F(η,μ)-η标准曲线拟合以求解。当μ值较小时，曲线形态相似，很难完全拟合，导致配线误差，因此计算的贮水系数S有所误差。这使得这种配线方法很少使用。

Hvorslev(1951)的方法因其更为简单明确而应用广泛，完整井和不完整井均适用。将微水试验测得数据投影到半对数坐标系中，其中Ht/H0对应对数尺度坐标，时间t对应等差尺度坐标，二者呈直线关系。如果抽水区(或注水区)长度超过滤管半径的8倍(L>8rs)，可用下式计算含水层渗透系数K：

(7)

式中：rc为井套管半径(cm)；rs为井滤管(含填砾厚度)半径(cm)；L为抽水区(或注水区)长度(cm)；t37为水位上升(或下降)至初始变化量37%时的时间(s)。

2.2实例应用

湖北省黄梅地震地下流体观测井深度为421 m，揭露的承压含水层厚68.6 m，成井后自流。含水层岩性为灰岩、白云质灰岩，方解石脉发育，岩心较破碎；上覆粉砂岩、砂质泥岩，可视为不透水层。由于井孔为承压水不完整井，因而采用微水试验的Hvorslev方法确定含水层渗透系数。微水试验过程如下：

(1)地下流体观测井成井后承压自流，因此在井口上方再接一根套管，观测记录其中稳定静水位；

(2)利用钻具从井中快速提取一定体积的水，观测记录取水后水位降深值H0、t时刻水位降深值Ht。

将观测数据投影到半对数坐标系，Ht/H0对应对数尺度坐标，时间t对应等差尺度坐标，结果见图3。抽水井套管半径rc为57.5 mm，滤管半径(含填砾厚度)rs为75 mm，滤管长度(即为抽水区长度)L为68.6 m，由图3可得水位上升至初始变化量37%时的时间t37为118 s。以上数据带入式(7)并注意单位换算，计算可得含水层渗透系数K=1.20×10-1m/d。

2.3分析与讨论

微水试验不需要水泵等抽水装置，试验所需时间短，对含水层的扰动小，特别适用于野外简单条件下进行。微水试验具有多种试验方法和计算模型，适用于低到中高渗透性的含水介质。

在上例地下流体观测井实践中，抽水井承压自流，需先确定其稳定静水位。在野外条件有限的情况下进行了微水试验，由于井孔为不完整井，采用Hvorslev方法确定含水层渗透系数。由图3可见投影后数据的直线关系清晰，求解过程简明。

微水试验由于其影响范围小、试验时间短，求取的渗透系数仅代表了抽水井孔附近的含水层情况，在非均质含水层中具有局限性。

图3　微水试验Ht/H0-t曲线

3结语

(1)地震地下流体观测井通常为单井，观测含水层通常为承压含水层，需要利用单井抽水试验资料确定水文地质参数。对于单井抽水试验，采用非稳定流水位恢复试验和微水试验方法确定含水层参数，能避免稳定流试验中经验公式试算影响半径R的误差。

(2)湖北省武汉和黄梅地震地下流体观测井分别进行了非稳定流水位恢复试验和微水试验，参数求解过程中曲线拟合明确，表明观测数据与试验方法吻合较好，求得两处观测含水层的渗透系数K分别为8.22×10-3m/d和1.20×10-1m/d。

(3)含水层渗透系数K受岩层的孔隙或裂隙的大小、多少、连通程度等影响，随含水介质状态的变化而改变，因此建议将渗透系数K的动态变化纳入地下流体的监测体系，以反映地质构造活动引起的含水岩层物理状态变化。

参考文献

[1]刘耀炜,陈华静,车用太.我国地震地下流体观测研究40年发展与展望[J].国际地震动态.2006(7):3-12.

[2]王广才,车用太,刘成龙,等.我国地震地下流体观测的现状和趋势[J].水文地质工程地质.2003,30(6):89-96.

[3]李粮纲,周奕,黎艺明,等.地震监测钻井设计及工艺研究[J].地质与勘探.2013,49(5):970-975.

[4]石中平.单孔稳定抽水试验水位恢复资料确定含水层参数[J].西安工程学院学报.2000,22(2):71-74.

[5]李玉璞,王献坤,郭东兴,等.稳定流抽水试验存在的问题及对策[J].地下水.2007,29(4):64-67.

[6]肖有才,张本占,杨兰和.辩证法原理对研究地下水抽水试验的指导作用[J].地下水.2007,29(6):14-16,20.

[7]薛禹群,吴吉春.地下水动力学[M].3版.北京:地质出版社.2010:100-113.

[8][美]Domenico P A, Schwartz F W著,王焰新等译.物理与化学水文地质学[M].2版.北京:高等教育出版社.2013:144-146.

[9][美]Fetter C W著,孙晋玉等译.应用水文地质学[M].4版.北京:高等教育出版社.2011:151-156.

Hydrogeological parameters determination for Observation aquifer of seismic underground fluid

ZHI Lei-hu，LI Liang-gang

(College of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, , Hubei, China)

Abstract:Observation of underground fluid is important work of seismic monitoring and prediction. Observation well of seismic underground fluid is usually a single borehole in a confined aquifer, so we determine hydrogeological parameters of the observation aquifer just by a single-well pumping test. We applied unsteady flow pumping-recovery test and slug test to two observation wells of seismic underground fluid in Wuhan and Huangmei, Hubei Province, and achieved good results. The hydraulic conductivity K reflects the physical state of the aquifer, so we suggest it to be added to the seismic underground fluid monitoring system.

Key words:Seismic monitoring；observation of underground fluid；hydrogeological parameters；pumping-recovery test；slug test

[中图分类号]P641.72

[文献标识码]B

[文章编号]1004-1184(2016)02-0029-03

[作者简介]支雷虎(1990-)，男，河南新蔡人，在读硕士研究生，主攻方向：地质工程。

[收稿日期]2015-12-09