0 引言

地震是在地壳应力积累—释放的复杂力学过程中发生的。地下流体观测井水位观测是当前地震前兆观测的重要组成部分，尤其是深井水位，作为地表监测手段, 对地震的短临预测方面具有重要作用。动水位观测井有自流现象，动水位蕴含的地震前兆信息更加丰富，观测设备较静水位观测更加复杂，也相应增加了维护难度，尤其是一部分石油勘探井存在原油溢出现象，严重干扰了动水位观测，因此井口装置是否合理显得尤为重要。

1 小马村井观测背景

小马井是石家庄市区地震观测深水自流井，原为华北油田勘探井，1979年初改为地震观测井。目前模拟水位和数字化水位并行观测，有上下2组产水段，现观测上组水段，埋深2 09l—2 238.4 m，厚度147.4 m。小马井岩性是侏罗系砂岩、砾岩、夹泥岩，射孔段厚41.4 m，孔密10个/m，孔数计414个。经抽水测试为低产水量、高水头含水层。目前每日自溢水12.0 L左右，水头高度7 m以上。为CaCl₂型水，矿化度1.52 g/L。此外少许原油随水溢出，日产油量约0.4 kg。

小马井原动水位观测系统（管路结构）包括主井管、油水分离罐、观测管、竖直排水流流量控制器和水浴锅（图 1）。观测管与主井管相连接，1英寸横管伸至主井管中心处，原油积聚在主管顶部，需定期排除，同时记录产油量（亦为一项观测指标）。除油后，迅速注入原井水，以保持除油前观测水面位置。选用一个可调节流量玻璃阀门与一个分液漏斗，从而实现小流量稳定排水。

经观察，该井口防堵塞排水口易堵塞，造成观测误差。另外，两级油水分离装置与1个模拟水位观测管（油水分离装置和模拟水位观测管与主井管直径一样），造成水位观测资料精度降低。小马井几乎无固体潮汐现象。

小马村井井口观测装置主要采取两级油水分离装置的设计，即主井管与副井管通过连通管与油水分离装置相连接，模拟水位仪器及数字化观测仪器主要放置于副井管中。该设计主要问题在于副井管（模拟水位观测管）与油水分离装置横截面较大，压力受力面积较大，因p=F/S，在F不变的条件下，S越大，p越小，同时因p=ρgh，p越小，h越小。因油水分离装置、防堵塞装置等与副井管（模拟水位观测管）连通装置横截面较大，造成固体潮引起的水位观测值变化不明显。

小马村井原使用的防堵塞装置设备老化，设计不合理。原装置主要采用蓄水罐加连通管、泄流管的设计，主要问题在于泄流管与蓄水罐罐体相对固定，泄流口口径较小，容易造成水中沉积物堵塞泄流口，且很难清洗。泄流口堵塞后，蓄水罐无法自流保持水压平衡，逐渐上升的水压通过与蓄水罐相连的连通管，反作用于模拟水位观测管，造成观测仪器出现较大误差。

为解决上述问题，应通过实验方式明确无法观测到固体潮现象的原因，并对排水装置进行改造，提高观测数据质量。

2 固体潮汐观测实验

固体潮汐是在日、月引潮力作用下，固体地球产生的周期性形变现象。水井水位的潮汐主要是由固体潮体应变和大气潮引起的，多年研究与观测证明，一些承压井能够记录到良好的水位潮汐现象，而固体潮作为目前少数可以精确计算的力源之一（通过对井—含水层系统记录潮汐现象，如潮汐因子与相位变化等信息进行提取、计算和分析），可在一定程度上反映孕震过程中地壳介质与岩石性质变化。

小马村井有1个主井管和3个副管，3个副管的总横截面积是主井管的几倍，用来防止主井管堵塞，但是也导致主井管水位涨落不明显，水位固体潮汐不明显、数据精度不高、映震能力不好。

2017年11月29日—12月6日对小马村井动水位进行固体潮汐观测实验。具体实验步骤如下：将数字化水位传感器直接投入主井管，传感器放置深度与原观测位置相同，为防止上浮原油堵塞水位传感器导气孔，用涂有防油污材料的海绵包裹；关闭油水分离管，主井管直接与防堵塞油水分离装置连接；收集11月30日—12月5日观测数据，与正常时段5月7日—12日、11月1日—6日（2个时段均为农历当月十二至十九，此时固体潮汐明显）的固体潮汐观测数据进行对比。实验数据与原观测数据曲线见图 2，明显可见实验过程中数据变化幅度较大。计算得到各时段潮汐因子，其中5月20日—6月20日为0.028 8，10月10日—11月10日为0.044 0，11月20日—12月20日为0.121 7，可知实验期间固体潮汐因子明显较大，固体潮汐明显加强，观测实验初见成效。

3 排水装置改造

小马村井原竖直排水装置由于设计不完善，排水口容易因水中油污附着造成堵塞，堵塞后需人工调节排水口流量，容易造成观测误差。为解决该问题，设计一款防堵塞排水装置（图 3），既能分离油水、稳定排水流量，又能防止堵塞，提升数据观测精度。

根据小马村井水流量（0.137 mL/min），防堵塞针使用0.48 mm直径的（玻璃）微型注射器，定时往复一次推拉，即可防止堵塞。平时该针杆处于出水口外侧，水从出水口流出；装置可固定，避免操作时装置晃动引起水位值的变化。该排水口防堵塞装置便于加工、清洗、更换及日常维护。

2017年12月19日将该新型防堵塞装置安装在小马村井，实际使用效果良好，排水口堵塞现象消失。新型防堵塞装置容积较原装置小得多，减小了主井管水位上升需填充的副管容积，可有效提高观测数据精度。

4 结论

小马村动水位观测井防堵塞装置是恒定出水口通道（相当于限流阀作用），流量随水位值的高低而变化，如发生堵塞现象，即可使用装置上定位的恒定尺寸捅针推进，然后拉出到位，1 s内即可将堵塞物去掉，保证原水流量而不影响水位值变化。若装置内的海绵被油污堵塞，更换海绵即可，拆卸方便，使用橡胶圈密封，可在10 min内完成操作。小马村动水位观测井防堵塞排水装置改造完成后，经过一个多月的使用，出水口无堵塞现象发生，证明防堵塞装置设置成功。

由于小马村观测井存在油污上漂，为达到模拟水位观测，在主井管外增加1个水位观测副管及2个水与油污分离装置和1个防堵塞泄流装置，这些辅助装置横截面是主井管的几倍，如主井管水位上升3 mm，而水位仪观测数值小于1 mm，观测井基本观测不到固体潮汐，通过本次观测井固体潮汐实验和排水装置改造，该井固体潮汐比较明显，实验成功，为今后小马村井的改造提供了科学依据。