汪世仙 馬城城 胡婷婷 倪珺俊 袁勇

摘? 要：地震地下流體數(shù)字化觀測中脫氣裝置的合理設(shè)計(jì)和選取直接關(guān)系到氣氡、氣汞等逸出氣觀測項(xiàng)目的數(shù)據(jù)質(zhì)量。廬江臺現(xiàn)有臥式脫氣裝置是根據(jù)湯池1號井特征自行設(shè)計(jì)制作，為氣氡、氣汞等觀測項(xiàng)目提供穩(wěn)定的氣源，上述項(xiàng)目投入至今觀測數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，但相關(guān)震例較少。本課題開展了系列實(shí)驗(yàn)，對臥式脫氣裝置的脫氣效能做出評估，提出改進(jìn)建議，并嘗試?yán)眯滦妥怨呐菔矫摎庋b置在湯池1號井開展地下流體監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：脫氣裝置? 效能? 氣氡? 氣體組份

中圖分類號：P315 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）07（c）-0079-04

Abstract： The rational design and selection of degassing devices in the digital observation of seismic underground fluids are directly related to the data quality of gas radon， gas mercury and other outgassing observation projects. The existing horizontal degasser at Lujiangtai is designed and manufactured according to the characteristics of Tangchi No. 1 well， and provides a stable gas source for observation projects such as gas radon and gas mercury. . This subject carried out a series of experiments to evaluate the degassing efficiency of the horizontal degassing device， put forward suggestions for improvement， and tried to use the new self-bubbling degassing device to carry out underground fluid monitoring in the Tangchi No. 1 well.

Key Words： Degasser;Efficiency;Gas radon;Gas composition

數(shù)字化氣體觀測集氣-脫氣裝置是數(shù)字化觀測中一項(xiàng)非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，其關(guān)系到被觀測量的靈敏度和穩(wěn)定性。需要進(jìn)行集氣-脫氣過程的測項(xiàng)有氣氡、氣汞、氦氣、氫氣和二氧化碳等測項(xiàng)。目前各省觀測點(diǎn)均設(shè)計(jì)有相應(yīng)的汽水分離裝置，如在河北懷來臺、天津王3井等使用的傘狀濺射式集氣-脫氣裝置技術(shù)系統(tǒng)，安徽廬江臺使用的臥式脫氣裝置，此外還有平板濺散式集氣-脫氣裝置、分級跌落式集氣-脫氣裝置等脫氣裝置。而廬江臺臥式脫氣裝置自2000年投入使用以來，觀測數(shù)據(jù)較穩(wěn)定連續(xù)，但對應(yīng)地震案例較少，且多年來未對裝置進(jìn)行效能檢查，本課題將設(shè)計(jì)系列實(shí)驗(yàn)方案檢驗(yàn)廬江臺的臥式脫氣裝置并提出改進(jìn)建議。

1? 井點(diǎn)概況

湯池1號井處在郯城-廬江斷裂帶南段西側(cè)，其南側(cè)10km左右有磨子潭-曉天斷裂、北側(cè)有南港-龍門沖斷裂和北北東向的下?lián)P子破碎帶。第四紀(jì)覆蓋層厚19m，19～185m為上侏羅紀(jì)的各類凝灰?guī)r，其中90m以下有3個(gè)含水層。185～327m為下白堊紀(jì)的正長巖、閃長玢巖，290～300m為一含水層。湯池1號井井深327.05m，井口水溫約63.1℃，封井壓強(qiáng)225.6hPa。

廬江臺現(xiàn)有的臥式脫氣裝置是根據(jù)湯池1號井自行設(shè)計(jì)，自2000年投入使用以來逸出氣氡、氣汞觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好，也具有一定的變化規(guī)律。該脫氣裝置適用于流量較大的熱水井（圖1），該種裝置是在地下水的運(yùn)移管中，設(shè)置了一種網(wǎng)格狀的紗網(wǎng)，利用表面張力的物理特性，將水體中直徑較小的氣泡匯集成大氣泡，進(jìn)而形成氣流，達(dá)到將水體中的逸出氣分離出來的效果，同時(shí)在中段設(shè)計(jì)出氣腔，用于集氣，再通過封閉式氣路將樣品氣運(yùn)送到觀測儀器中去。

2? 對脫氣裝置的脫氣效率進(jìn)行測試

由于廬江臺臥式脫氣裝置采用的是物理方法的脫氣集氣，且水體流量較大，在脫氣過程中勢必因流量較大造成氣體沒有有效脫氣而造成損失，通過對現(xiàn)有脫氣裝置的脫氣量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，計(jì)算其脫氣效率。

2.1 逸出氣速度測試

在常壓狀態(tài)下將水氡取樣用的擴(kuò)散器注滿水，倒扣放置，連接模擬取樣口使水體，使得擴(kuò)散器在密封的狀態(tài)下過濾水樣，使逸出氣在擴(kuò)散器內(nèi)循環(huán)時(shí)自然分離，計(jì)算水中的自然狀態(tài)下的逸出氣體含量。

V0為每升水樣中含有的逸出氣體積，V為擴(kuò)散器分離出的氣體體積，υ0為當(dāng)天取樣口流量，t為取樣時(shí)間，計(jì)算公式為：

2.2 溶解氣含量測試

通過溶解氣體組份測試瓶進(jìn)行取樣分析，將2500mL取樣瓶取樣完畢后再沖流3min，使得取樣瓶中的殘余空氣排干凈。取樣完畢后，將水樣瓶中水樣排掉約1200mL左右，負(fù)壓震蕩，析出水樣中的溶解氣。通過以下公式計(jì)算，測算出每升體積水含有溶解氣體積：

2.6×10-3

式中，V—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下脫出氣體的體積（mL）;V—實(shí)際脫出氣體的體積（mL）;P0—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的大氣壓（101.32kPa）（相當(dāng)于760mm汞柱）;P1—脫氣時(shí)的大氣壓（Pa）;h—脫氣時(shí)的飽和水蒸汽壓力（Pa）;T0—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的絕對溫度（273°K）;T1—脫氣時(shí)的氣溫，其值為273+實(shí)測℃，t—脫氣時(shí)的實(shí)測氣溫（℃）。

2.3 脫氣裝置脫氣效率分析

為測定脫氣裝置的脫氣速度，設(shè)計(jì)制作了取樣器，使用特制的薄膜制作氣體取樣器，并連接在氣路上。同時(shí)測試脫氣裝置水樣流速υ1，氣體流速υ2，計(jì)算出由脫氣裝置脫出氣體總量，通過表3測試計(jì)算。

通過上述實(shí)驗(yàn)可以得出在常壓情況下，廬江臺脫氣裝置的逸出氣體脫氣效率為：

I=（脫氣裝置逸出氣量/實(shí)際逸出氣速度）100%。

將上述實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。脫氣裝置逸出氣量為4.73mL氣/L水，實(shí)際逸出氣氣量5.207mL氣/L水，計(jì)算得出逸出氣體脫氣效率I為90.8%。

脫氣裝置的綜合脫氣效率為：

I=脫氣裝置逸出氣量/（實(shí)際逸出氣速度+溶解氣含量）100%。

脫氣裝置逸出氣量為4.73mL氣/L水，實(shí)際逸出氣氣量5.207mL氣/L水，溶解氣含量1.733mL氣/L水，計(jì)算得出綜合脫氣效率I為68.2%。

3? 對水樣中的氣體組分對比分析

脫氣裝置主要是將水樣中的逸出氣體脫出，通過脫氣效率的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，我們得出兩者在氣量上有10%的誤差，這種誤差對氣體組分的影響程度可做進(jìn)一步分析。尤其是檢驗(yàn)脫氣裝置對水樣中包含的氦氣、氫氣等易擴(kuò)散氣體組分的影響。設(shè)計(jì)如下方案：（1）使用SP3400氣相色譜儀器，采用日常觀測用取樣針在數(shù)字化氣路上直接取樣觀測;（2）采用溶解氣采樣瓶取樣，不進(jìn)行排空逸出氣處理，取得綜合氣量觀測。

2019年5月1日～5月31日時(shí)間段，同時(shí)開展脫氣裝置脫出氣體的氣體組分觀測、水樣實(shí)際綜合氣量進(jìn)行觀測對比。數(shù)據(jù)對比如圖2。通過觀測數(shù)據(jù)與觀測曲線可以看出：通過脫氣裝置的氣體樣本中氫氣、氦氣含量較水樣要高，甲烷則影響不大。

通過分析認(rèn)為，由于脫氣裝置得到的水樣雖然總體脫氣效率只有90%左右，其各組分含量應(yīng)該較少，但由于氣體樣本處于實(shí)時(shí)樣本，氣體較為新鮮，作為小分子氣體的氫氣、氦氣逃逸速度較快但逃逸時(shí)間較短。而通過取樣瓶取樣得到的氣體樣本由于中間多了排水、負(fù)壓、震蕩、移樣等中間環(huán)節(jié)，水樣中的氫氣、氦氣含量雖然較高但逃逸時(shí)間較長因此造成脫氣裝置中的氫氣、氦氣數(shù)值反而較高。

甲烷氣作為多分子結(jié)構(gòu)在密閉空間中的逃逸速度遠(yuǎn)小于氫氣、氦氣，考慮兩者綜合因素，其觀測數(shù)值基本相當(dāng)。

4? 對逸出氣氡的可靠性檢驗(yàn)

逸出氣氡的觀測自2000年以來在廬江臺連續(xù)開展有近20年歷史，其觀測數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，具有良好的夏低冬高的年變化，但觀測多年來未發(fā)現(xiàn)較為明顯特征的震例，根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，利用P2000測氡儀器不間斷測量的特征，在廬江臺臥式脫氣裝置氣路上連接測量，此外再將P2000測氡儀放置在脫氣裝置并聯(lián)的管道上測量逸出氣氡，對比兩者數(shù)據(jù)。

由于需要P2000測氡儀器不間斷測量，為滿足觀測條件，臺站選取新型自鼓泡脫氣裝置（如圖3），可在常壓狀態(tài)下，將逸出氣完全有效的析出。

比較兩種脫氣裝置，自鼓泡脫氣裝置特征一：在對逸出氣脫氣和收集過程中增加了一個(gè)沖流的過程，更大程度將逸出氣分離水體;特征二：需要的水樣流量較小;特征三：根據(jù)設(shè)計(jì)工藝將氣泡向上運(yùn)移，逸出氣的逃逸，提高氣體收集效率。

自2020年2月2日～2月5日的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，P2000測氡儀器測定的氣氡數(shù)據(jù)具有明顯的固體潮效應(yīng)，而同樣的儀器連接在臥式脫氣裝置氣路上測定的數(shù)據(jù)則沒有出現(xiàn)相應(yīng)的固體潮效應(yīng)（如圖4）。

通過對比分析認(rèn)為，由于臥式脫氣裝置脫氣效率不高，不能很好的收集逸出氣中的氣氡，且水流量、氣流量較大，日變被湮沒在噪聲中。而由于采用了新型工藝的自鼓泡脫氣裝置，可在較為穩(wěn)定的小流量情況下，很好地反映了固體潮變化。

5? 對現(xiàn)有脫氣裝置的認(rèn)識和建議

5.1 數(shù)字化脫氣裝置關(guān)鍵技術(shù)

（1）穩(wěn)定性：集氣-脫氣裝置的穩(wěn)定性主要是進(jìn)水口的流量要穩(wěn)定，才能保證進(jìn)水穩(wěn)定，脫出氣體才能穩(wěn)定。

（2）及時(shí)性：在進(jìn)水口的水流穩(wěn)定情況下，適當(dāng)減少氣路的長度和脫氣裝置的空腔，使得樣品氣體達(dá)到最新鮮，及時(shí)運(yùn)移到觀測儀器進(jìn)行觀測。

（3）密閉性：集氣-脫氣裝置的密閉在設(shè)計(jì)過程中就已經(jīng)可以體現(xiàn)，但在連接氣路時(shí)，往往由于日常巡查難以發(fā)現(xiàn)，造成氣路系統(tǒng)漏氣，影響觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，因此在日常維護(hù)中需要加以重視。

5.2 脫氣裝置對觀測項(xiàng)目的影響

脫氣裝置的穩(wěn)定性可靠性直接關(guān)系到觀測項(xiàng)目對地震預(yù)報(bào)的貢獻(xiàn)，架設(shè)符合本臺站工作實(shí)際情況的脫氣裝置尤為重要。廬江臺的脫氣裝置自2000年以來連續(xù)工作近20年，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)所限，廬江臺的脫氣裝置沒有能夠解決好脫氣效率問題，逸出氣氡觀測數(shù)據(jù)僅僅呈現(xiàn)夏低冬高的形態(tài)，沒有震例和短周期變化。而氣汞由于儀器靈敏度問題，觀測數(shù)據(jù)在檢出限附近，無法進(jìn)行相應(yīng)的對比分析和測試。

提出如下改進(jìn)建議：（1）減少水樣流量，降低測項(xiàng)觀測數(shù)據(jù)噪聲;（2）采用垂直濺落的方式，提高脫氣效率，使水樣中的氣體最大程度析出，提高測項(xiàng)的準(zhǔn)確度。

6? 結(jié)語

通過研究認(rèn)為廬江臺脫氣裝置逸出氣脫氣率約為91%，綜合脫氣率約為68%左右，基本符合現(xiàn)有的氣氡、氣汞、氫氣等觀測儀器對樣品氣的要求，但可以繼續(xù)通過優(yōu)化改造提高脫氣效率。

通過高精度測氡儀測定結(jié)果可以認(rèn)為湯池1號井的逸出氣氡具有明顯的固體潮效應(yīng)，但由于脫氣裝置的設(shè)計(jì)的局限性，現(xiàn)有SD-3A測氡儀只能觀測到年變，沒有短周期的固體潮效應(yīng)。

通過多個(gè)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為廬江臺現(xiàn)有的脫氣裝置，穩(wěn)定性較好，但脫氣效率、水樣流量較大等原因，很多有價(jià)值的數(shù)據(jù)變化被噪聲湮沒，脫氣裝置可以進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化改造。

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