汉1井自2014年12月开始水温观测以来,能够记录到固体潮变化,但经常出现畸变现象。以2015年1月7—8日水温资料为例,水温在7日变化正常,但在8日出现了2次畸变(图3a)。水温畸变出现时间多在潮汐的低潮期间。这种畸变每天出现的次数有多有少,最多可达到十几次。与水位观测资料相比(图3b),固体潮虽有一定相位差,但水温畸变基本都出现在水位对应的固体潮高潮期。测量结果表明,在能够观测到水温畸变的深度段(220～255 m),能够清楚地观测到类似畸变(图3a、c～f),而在这深度段之上或之下(图3g、h),没有发现明显畸变现象。

2014年12月15日13时37分,在水温梯度测量过程中,向井内投入直径约5 cm的石子,随后听到井内有连续冒气泡的声音,发现水温观测曲线发生大幅度起伏变化,并出现持续2 h的低值起伏变化,同时水位也出现下降现象(图3i、j)。这种水温畸变不可能完全是由石子投入所致,可能也与井中逸出油气有关。

2017年12月21日在井中重新安装了一套水温仪(ZKGD-3000NL),与现有水温仪进行同层对比观测。2套水温仪都观测到了同步畸变现象,不同的是新安装仪器畸变幅度小一些(图3k、l)。因此,判定该现象是一种真实现象。表1列出了不同深度测量过程中资料稳定后24 h分钟值差分后的均方差σ和水温背景噪声 值。从表1可见,220～255 m的σ和最小,其水温观测曲线能够记录到清晰的固体潮变化(图3a、c～f)。

图3 汉1井水温、水位分钟值曲线
Fig.3 The minute-value curves of the water temperature and water level in well Han 1

从汉1井100～580 m深度范围内的水温和梯度测量结果发现,井水温随深度的增加而增大(图4a),近似于线性增加,不存在负梯度的温度异常区(图4b)。因此,井水温反映的固体潮周期形态是依赖于固体潮导致的水位升降而变化的。同时,仅在220～255 m可以观测到水温以及固体潮的畸变现象,说明在此深度内,随着水位的上升或者下降,带来的温度变化最快,水温因固体潮周期波动更加明显,受背景噪声影响最小,与水位的潮汐波动相关程度最高。

表1 汉1井各深度水温背景噪声值ΔX^-及标准差值σ
Tab.1 Background noise ΔX^- and standard deviation σ of the water temperature at different depths in well Han 1

图4 汉1井水温随深度变化(a)及其梯度(b)
Fig.4 Variation of the water temperature along with depth(a)and the water temperature gradient(b)in well Han 1

汉1井水温畸变次数时多时少,降水和气压引起的载荷变化会对水温微动态产生一定影响。从汉1井水温畸变特征方面分析,畸变几乎每天都有,一个月中仅几天无畸变,但当地降水并不是每天都有,因此降水和水温畸变无对应关系。从气压年动态方面分析,气压数据具有冬高夏低的变化特征,但汉1井水温畸变次数没有这种特征。从气压微动态方面分析,短时间内气压的突变可能对水温观测有一定影响。图5a-1显示2017年6月2日5—15时汉1井气压的变化情况,气压从11时48分到12时49分出现明显的起伏变化,同时水位出现上升变化(图5a-2),水温也出现了一次畸变(图5a-3)。这个畸变既像油气逸出引起的畸变,又像气压滞后效应引起的水位、水温变化。2017年12月2日0—15时汉1井水温出现多次畸变(图5b-3),且水位和水温呈负相关变化(图5b-2),但同时段无气压突变情况(图5b-1)。鉴于此,笔者推断汉1井水温畸变不是由气压变化所致。

除降水、气压对水温畸变有影响外,同井水位校测、仪器调试、电压不稳、同震响应等也可能导致水温畸变,廖丽霞(2019)对因上述干扰影响出现的水温异常形态及成因进行了系统研究,笔者参考其研究结果对这几个因素进行了逐一排除,认为汉1井水温畸变不是由以上干扰因素引起的。

图5 汉1井气压、水位、水温曲线
Fig.5 Air pressure,water level and water temperature curves in well Han 1

在油田地震观测中,震前曾有大量井孔出现产油量、产液量、产气量、油气比等异常,且异常一般都是以上升为主(于海力,1998)。从油井的构造角度分析,因其位于坳陷中的凸起位置,油或气比水轻,油气总是处于含油层的上部,且具有向上运移的特点,一旦受到外力作用该现象更明显。如果汉1井水温畸变是由逸出油气所致,那么畸变数量多可认为是逸出的油气多,畸变数量少可认为是逸出的油气少。汉1井出现的水温畸变数量和油井产油量、产气量等在震前出现的异常相类似,因此可能与地震的孕育和发生有关系(邵永新等,2020)。自2014年12月汉1井开始正式观测以来,其水温共出现6组固体潮畸变连续增多异常,对应了周边250 km范围内M_L≥4.0地震6次,其R值为0.48,R₀值为0.44。因此,结合汉1井井孔条件和构造位置分析,认为汉1井水温固体潮畸变的连续增多异常与油气井震前异常的作用机理相似。

汉1井井水上面漂浮一层厚约3 m的清质油,

再次采集水样十分困难。因此笔者采用1985年汉1井的水质分析结果,以及同处滨海新区的塘23井和徐庄子井水样开展水化学对比分析。塘23井井深2 723 m,徐庄子井井深100 m,为咸水层流体观测井。从图6a可以看出,汉1井、徐庄子井水质类型均为Na-Cl型,塘23井水质类型为Na-Cl-HCO₃型; 汉1井和徐庄子井水质曲线形态较为相似,表明这两口井的补给来源较为相似; 塘23井水质曲线形态与其它2口井的差异较大,说明补给来源与它们存在一定差异。图6b显示徐庄子井和汉1井均位于“部分成熟水”范围内,表明其地下水的补给来源中除了大气降水外,还有较深层地下水的混入,水-岩反应相对较弱,水流系统相对较为稳定,不易受到干扰; 而塘23井水样位于“完全平衡水”范围内,说明其地下水的水-岩反应较为充分,补给来源主要来自于深层地下水,大气降水补给少。为了分析其形成特征,分别计算了3口井的γNa⁺/γCl^-和γMg²⁺/γGa²⁺等水化学特征参数。由表2可见,汉1井和徐庄子井水γNa⁺/γCl^-比值在1左右,而γMg²⁺/γGa²⁺比值在5.5左右,具有明显的岩盐溶滤水和海相沉积的特点。这与汉1井作为近海油气井的水文地质及水化学背景相吻合。

表2 三口井地下水的水化学特征参数
Tab.2 Hydrochemical characteristic parameters of the groundwater in three wells

图6 三口井水样的Schoeller图(a)及Piper三线图(b)
Fig.6 Schoeller diagram(a)and Piper diagram(b)of the groundwater in three wells

汉1井逸出油气现象类似于井水中的翻花冒泡宏观异常,较为常见,但针对水温固体潮畸变现象的相关研究较少,因此,本文从构造背景方面对其进行分析。汉1井位于北塘凹陷内,北塘凹陷是受沧县隆起和燕山褶皱带两构造单元所控制的中生界、新生界沉积断陷盆地,可划分出6个正向构造带和6个负向构造带,汉1井位于大神堂构造带上。从生储盖组合上看,该区地层齐全、砂体发育,汉1井在钻遇砂岩以下地层时见油斑(图7)。从对北塘凹陷的探测结果看,该区天然气的产出层位较多,分布广泛,其中尤以沙三段为主要产气层位,主要成份为CH₄(高锡兴,2004)。 而汉1井的观测层正是北塘凹陷内主要的产气层。由此分析,汉1井具有逸出石油气的条件,且汉1井上覆清油样品经燃烧实验证明其主要成分确实为CH₄。

图7 汉1井油气运移示意图(据高锡兴,2004修改)
Fig.7 A sketch map of the migration of the oil and gas in well Han 1(modified according to Gao,2004)

从油井的构造位置分析,一般是在坳陷中的凸起位置上才能满足油田生、储、盖的基本条件,且天津地区的油层多是油、气、水的综合体,既含油气、也含水。石油井的气泡逸出多数情况下是有机因素,而气泡逸出多少、快慢则与油层的孔隙压力、渗流条件有关。地震孕育时地壳应力作用于油层,在弹性范围内,油层岩石孔隙体积发生弹性变化; 当超过弹性界限时,油层的岩石破裂产生新的裂隙,岩石的孔隙、裂隙体积发生变化,使得油层孔隙压力、渗流条件随之发生变化,并导致油井的产量、井压、油气比等发生异常变化(杨马陵等,2011)。因此,含油气层无论是受到张、压还是振动等的作用,都会使其中油气脱离孔隙、裂隙进入井中,致使井中油气逸出量增大。邵永新等(1993)、张德元和赵根模(1985)、张德元等(1995)通过研究大港油田、华北油田、胜利油田以及辽河油田的油井观测资料发现,一些地震前曾多次出现油气比、产气量等的上升异常。结合汉1井所处构造条件分析,认为汉1井水温所出现的水温畸变现象很有可能也是含油层内油气向外释放的结果。

应变与构造应力以及地震活动是紧密联系的。为了分析汉1井是否具有反映构造应力变化的背景,笔者采用贝尼奥夫应变(Benioff,1951)计算了天津地区地震应变能的释放情况(张小涛等,2011),其计算公式为(时振梁等,1997):

ε_b(t)=∑10^(4.8+1.5M)/2(1)

式中:ε_b(t)为以t时刻为中心的0.1^a之内的贝尼奥夫应变积累,即某一地区0.1^a内所有大于M级地震对应变释放的贡献; M为震级。

笔者采用1980—2021年天津周边M_L≥2.0地震进行应变计算,结果显示汉1井所处位置为高应力集中区域(图8)。结合前述对汉1井构造位置的分析,认为汉1井水温固体潮畸变的连续增多现象,实质是由应力集中作用下油气的连续快速逸出导致,反映了构造应力活动的调整。自2014年汉1井正式观测以来,在其周边250 km范围内发生的M_L≥4.0地震前多次出现了水温固体潮畸变连续增多现象。综合分析认为,汉1井水温畸变频次的连续增多一定程度上能够反映其周边构造应力的调整情况。

图8 天津地区贝尼奥夫应变分布
Fig.8 Distribution of the Benioff strain in Tianjin area