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）。

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。

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

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。

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）。

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。

3 改造效果检验

马方井改造前后，水位、水温观测数据动态对比结果见表 2。

3.1 水位动态对比

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。

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。

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。

（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。

3.3 同震响应对比

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。

3.4 改造效果

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）。

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。

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。

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。