监测海水向沿海城市附近的淡水 含水层移动的方法和装置 【技术领域】
本发明的主题涉及用于无源地(passively)且连续地监测海水向沿海城市附近淡水含水层移动情况的方法和装置，通过在观测和注入井附近的土层中放置传感器，例如放置特定类型的电极电缆系统，把所获得的数据回传到中央处理设备，并据此作出响应，从而减小海水进入沿海城市附近的饮用水含水层。
背景技术
沿海城市依靠地面下的地下水来满足城市的全部或部分用水需求。由于历史上过分地开采地下水，从而使得从地面下含水层抽水的速率超过含水层的天然补给速率。如图1所示，这种过分开采导致了含水层中水位的下降，从而使海水可侵入含水层。海水侵入供应饮用水地水井，对城市饮用水供应量能力造成严重的长期间的影响。例如，洛杉矶(LA)在二十世纪二十年代前半期就经历了过分开采地下水的情况。从而导致在后来成立了“补水区办事处”(WRD)，由该办事处来规定和实行降低含水层抽水速率，从而减小海水侵入的影响。
已经有各种各样的措施用于减小海水的侵入。其中一种方法是从地面向含水层补充水。另一种方法是利用专门的注入井向地下注入惰性气体或淡水，如图2所示。注水方法包括：向含水层注入淡水；在井周围的局部区域形成水‘丘’，从而形成压力高于海水压力的一个区域，因此减小海水进入陆地。例如，自从二十世纪五十年代以来，洛杉矶已建造了大约250口这种类型的阻止海水的注入井，从而形成三线注入区。这三条不同线的注入井如图3所示，图中相邻接的圆圈表示注水井的位置。
除了图2和图3所示的用于注水的井(即注入井)之外，还通常在这些注入井附近建造许多观测或监测井(即观测井)。这些观测井用于周期性地测量注入井附近的含水层的压力(即，水头)，并不时地对水的氯化程度(盐度)进行取样。这样就可以给出关于注入井怎样有效地限制海水侵入的信息数据。例如，在洛杉矶，沿着三线注入井(如图3所示)建造了700多个观测井，以便监测海水楔的位置。通常在海水侵入含水层的城市中，管理水的有关部门在每个水沙单元的三个位置(顶部、中部和底部)取样测量氯化物浓度，如图7所示。这就提供了关于在每个沙单元中注入井限制海水侵入的效率信息。
然而，需要提供进行无源地且连续地在观察井中监测海水楔和侵入沿海城市含水层的海水的状态，以及在注入井中被注入的淡水的状态。
根据这种应用，在采油行业中已采用各种类型的就地传感器，对油田进行总体监测。请参见公开了油田总体监测的下面的“第一参考文献”：Babour，K.A.，Belani和J.Pilla的美国专利US5642051，名称为“通过在油井内安装液压分开的电极来检查和监测被渗透的油田的方法和装置”，在本申请的说明书中引用这篇文献所公开的内容。此外，这些传感器也被用于泄漏监测、土壤加热和温度测绘。参见公开了泄漏监测、土壤加热和温度测绘的下面三篇“第二组参考文献”：(1)Berryman，James G.，Daily，WilliamD.的美国专利US5325918，在本申请的说明书中引用这篇参考文献作为参考。(2)Daily，William D.，Laine，Daren L.，Laine，Edwin F.的美国专利US5661406，名称为“在控制设置中利用电势数据和电阻率X光断层摄影成像技术来对泄漏进行监测和定位的方法”，在本申请的说明书中引用这篇参考文献作为参考；(3)Ramirez.Abelardo L；Dwayne A.；Daily，William D.的美国专利US5346307，名称为“利用电阻率X光断层摄影技术测绘地下温度”，在本申请中引用这篇参考文献来作为参考。
因此，鉴于前面所说的需要无源地且连续地在注入井和观测井中监测海水楔和海水侵入的状态，以及所注入的淡水的状态，还需要在注入井和观测井中利用“专门的传感器”来执行监测海水侵入和所注入的淡水状态的步骤。这些“专门的传感器”可以是在“第一参考文献”中公开的传感器，也可以是在“第二组参考文献”中公开的传感器。或者，这些“专门传感器”也可以是一些新的传感器，其用于上述目的的对海水侵入和所注入的淡水的状态进行监测。
【发明内容】
因此，本发明主要的发明目的是无源地且连续地在观测井中监测海水楔(seawater wedge)和海水侵入沿海城市附近淡水含水层的状态，以及注入到注入井内的淡水的状态。
因此，本发明的一个主要方面是在注入井附近的地下观测井内或观测井周围永久地安装传感器，以便无源地且连续地监测海水侵入沿海城市附近淡水含水层的状态，以及注入到注入井内的淡水的状态(在下文中被称作“监测步骤”)。
本发明的另一个方面是利用在油田行业所采用的传感器来执行前面所提到的“监测步骤”，例如利用用于油田总体监测的传感器和/或用于泄漏监测、土壤加热和温度测绘的传感器来执行。
本发明的另一个方面是利用在监测海水侵入沿海城市附近含水层和监测注入到注入井内的淡水状态的步骤期间，专用的传感器来执行前面所提到的“监测步骤”。
本发明的另一个方面是利用油田相关技术/方法【这些技术/方法是当今在采油工业中用于监测和记录地下碳氢化合物(例如油)储层的技术/方法】，以便为了：(1)监测海水侵入沿海城市附近淡水含水层的情况；(2)监测已被注入到注入井内的淡水“丘”(mound)内的压力，其目的是为了形成压力高于海水压力的一个区域，从而减小(即减慢)海水朝陆地侵入沿海城市附近的淡水含水层。
本发明的另一方面是在位于注入井附近的观测井套管周围或在观测井内部安装电阻率阵列(resistivity array)，以便测量观测井周围或观测井内的地层的导电率和电阻率，该导电率和电阻率的值表示观测井周围或观测井内是否存在海水或淡水，导电率和电阻率的值还表示在观测井周围或观测井内海水/淡水的分界线位置，该分界线还表示海水向沿海城市附近的淡水含水层的侵入情况。
本发明的另一个方面是在观测井周围或观测井内安装电阻率阵列，以便测量并判断在观测井附近的水沙单元内是否存在海水/淡水分界线，该电阻率阵列具有用于测量并判断水沙单元的顶部、中部和底部的导电率和电阻率的一个顶部子阵列部分、一个中间子阵列部分和一个底部子阵列部分，从而判断所说的海水/淡水分界线的位置。
本发明的另一个方面是在观测井周围安装电阻率阵列，以便测量并判断在观测井附近的水沙单元中是否存在海水/淡水分界线，该电阻率阵列包括位于水沙单元的顶部、中部和底部附近的多个子阵列，电阻率阵列的每个子阵列包括多个电极，其中的第一对电极用于产生和接收电流，第二对电极用于测量电势差，电流和电势差被用于计算水沙单元水沙单元的电阻率，该电阻率表明在观测井附近的水沙单元中是否存在海水。
本发明的另一个方面是在观测井周围安装电阻率阵列，以便测量并判断观测井附近的水沙单元中是否存在海水/淡水分界线，其中，所说的电极被间隔开一个距离，这些电极包括电阻率阵列的每个子阵列，对所说的距离进行选定，以便获得特定的分辨率(resolution)，电极之间的一个距离“d”就可获得一个分辨率，距离“3d”获得另一个分辨率，距离“6d”和“9d”获得另外一个分辨率。电极之间的距离越大，电流流入地层就越深，对于一定的灵敏度而言，测量就越深。间隔距离为“6d”和“9d”的电极对海水/淡水分界线是敏感的，该分界线远离包括永久安装了电极阵列的井。这就允许在海水与监测电极阵列接触之前判断海水的存在。
本发明的另一个方面是在观测井周围安装电阻率阵列，以便测量并判断在观测井附近的水沙单元中是否存在海水/淡火分界线，其中，每个电阻率子阵列可包括一不同的单元，该不同的单元包括插有集成电极的绝缘材料(例如塑料或陶瓷)，或者，该电阻率子阵列可包括一套环绕在电缆周围的固体电镀的金属电极。
本发明的另一个方面是在观测井周围安装电阻率阵列，以便测量并判断观测井周围的水沙单元中的是否存在海水/淡水分界线，其中，多个分开的附加电极与电阻率阵列结合使用，以便监测观测井内部的自由水位。
本发明的另一个方面是在观测井周围安装电阻率阵列，以便测量并判断观测井附近的水沙单元中是否存在海水/淡水分界线，其中，位于水沙单元顶部、中部和底部附近的所说电阻率阵列的每个子阵列包括四极电极装置，其中一个四极电极装置位于顶部附近，另一个四极电极装置位于中部附近，另外一个四极电极装置位于水沙单元的底部附近。
根据本发明的上述发明目的和一些方面，传感器被永久地放置在观测井和注入井附近的地下，以便无源地且连续地监测朝沿海城市附近的淡水含水层侵入的海水状态，以及被注入到注入井内的淡水状态。这些传感器装置安装在地下，并与地面上的探测设备电连接，这些地面上的探测设备在无需人为干预的情况下把获得的数据传送到用于处理和译解的中央设备。这就避免了人工数据收集的处理，并可提供更高频率和更及时的数据，以便更好地控制注水。可以利用各种类型的传感器：在上面“第一参考文献”中公开的用于油田总体监测的传感器，和/或在上面“第二组参考文献”中公开的用于泄漏监测、土壤加热、温度测绘的传感器。或者，可以利用专门类型的传感器，利用这些专门类型的传感器来监测朝淡水含水层侵入的海水状态。
在沿着注入井或观测井套管的外部的地层中安装一系列这些传感器(这一系列传感器在下文中被称作“电阻率阵列”)，也可以把这些传感器放置在所说井的内部。然后，测量与时间对应的就地电阻率。一种基本的四极测量包括：在四个电极组的两个外部电极之间注入和撤出电流(I)；并测量两个内部电极之间的电压(V)。根据电流“I”和电压“V”计算出在四极传感器附近地层的电阻率。因此，这些四极电极可以被用于获得在一个或多个深度测量地层中的含水沙中的电阻率。因此，可以通过测量每个单一地层或水的电阻率来区别沿着井(注入井或观测井)的淡水和盐水。
通过下面的详细描述可以更清楚地理解本发明的应用范围。然而，应当知道，由于对于本领域普通技术人员来说，在阅读了下面的详细描述之后，在本发明的构思和范围内可以作出各种变化和改变，这是显而易见的，因此，下面的详细描述和具体的例子虽然代表了本发明的优选实施例，但它们只是通过解释说明的方式给出的。
【附图说明】
通过下面对本发明优选实施例的描述，并结合附图，就可全面的理解本发明，所描述的实施例和附图只是用于解释说明，本发明并不局限于这些实施例的描述和附图。在这些附图中：
图1表示海水侵入可饮用地下水的含水层；
图2表示通过注水来减小海水进入可饮用水的含水层；
图3表示在洛杉矶盆地中的用于注入淡水的三线注水装置，这些注水装置对限制地下海水朝陆地进入可饮用水的含水层的海水阻隔进行监测；
图4表示利用埋置在地下的电阻率阵列来监测海水的位置；
图5表示利用就地电阻率阵列测出的电导率(左边曲线)，表明海水和可饮用水的分界面；
图6与图2相同，也表示通过注入水来减小海水进入可饮用水的含水层；
图7a，7b表示城市主管部门是怎样在观测井中在每个水沙的顶部、中部和底部测量氯化物浓度；
图8表示一电阻率阵列扁平包装电缆与整体构成的无源电极，形成一卷线，并被模制到它的端部；
图9表示电阻率4-电极测量中在外部两个电极之间电流I的流动情况，并测量内部电极对之间的电压V，并根据I和V计算出在四个电极附近的电阻率；
图10表示三个四极子阵列，用于测量含水沙层顶部、中部和底部的电阻率；
图11a和11b表示用于测量电阻率的模块式的四极子阵列，其中，左边的11a表示一模块式组件，它被预先制成并通过一次人工介入连接到电缆上，右边的11b表示固体的金属电极，其被包裹在电缆周围，并通过四次人工介入连接到电缆上；
图12a，12b，12c，12d表示利用多组非均匀间隔开的电极的多级电阻率测量装置；
图13表示分开的电极，用于对两电极在其中分离的井的套管内的自由水位或“水头”进行监测。
【具体实施方式】
本描述分为两部分：(1)第一部分公开被称作“海水阻隔监测”的第一概念；(2)第二部分公开被称作“含水层电子监测电极电缆系统”的第二相关概念。
海水阻隔监测
参照图1，沿海城市依靠来自含水层的地下水来满足全部或部分的城市用水需求。由于历史上对地下水的过度开采，从地下含水层抽取水的速率超过了含水层的天然蓄水速率。如图1所示，过分开采导致含水层中水位下降，从而会使海水12侵入含水层。海水12穿过供应饮用水的井10，从而会对城市饮用水供应产生严重的长期的影响。例如，洛杉矶在二十世纪前半期就经历了过分开采地下水的情况。从而导致在后来成立了“补水区办事处”，由该办事处来规定和实行降低含水层抽水速率，从而减小海水侵入的影响。
参照图2，已经有各种各样的措施被用于减小海水的侵入。其中一种方法是从地面向含水层补充水。另一种方法是利用专门的注入井14向地下注入惰性气体或淡水，如图2所示。注水方法包括：向含水层注入淡水16；在井周围的局部区域形成水‘丘’18，从而形成压力高于海水压力的一个区域，于是减小海水进入陆地。
参照图3，例如，自从二十世纪五十年代以来，洛杉矶已建造了大约250口这种类型的海水阻隔注入井14，从而形成三线注入区。这三条线的注入井由图3中附图标记20，22，24表示，图中相邻接的圆圈表示沿着每条线的注入井20，22，24的注水井的位置。
除了建造了用于注水的井之外，还通常在这些注入井附近建造多个观测或监测井(在下文中被称作“观测/监测井”)。这些“观测/监测井”被用于周期性地测量注入井附近的含水层压力(水头)，并不时地对水的氯化物程度(盐度)进行取样。这样就可以给出关于注入井限制海水侵入的有效性的信息数据。例如，在洛杉矶，沿着三线注入井(见图3中附图标记20，22，24所示)建造了700多个“观测/监测井”，以便监测海水楔的位置。
参照图2，4，9，根据本发明的第一方面，在“观测/监测井”和注入井附近的地层中永久地安装许多“永久安装的含水层传感器”，以便无源地且连续地监测：(1)海水向沿海城市附近的淡水含水层侵入的状态；(2)当淡水以图2所示方式被注入地层内时被注入的淡水的状态。这些“永久安装的含水层传感器”可以安装在地下(即，安装在地层中)。这些传感器可以按照图4和9所示的方式电连接到地面探测设备上，该地面探测设备在没有人为介入的情况下把所获得的数据传送到中央设备，以便进行处理和译解。图9表示连接到井所在场所的探测设备电接线盒15上电缆。接线盒15又与数据遥测系统(图中未示)相连，该数据遥测系统把数据传送到中央设备。这就可避免人工数据收集，并可提供更高频率和更及时的数据，以便进行更好地注水控制。
根据这种应用，至于这些“永久安装的含水层传感器”，可以采用各种类型的就地传感器。一种适合的技术就是电阻率阵列，可利用这种电阻率阵列来监测该监测阵列附近的地下电阻率。这些装置已用于对储集层进行总体监测【请参见Babour，K.A.，Belani和J.Pilla的美国专利US5642051，“通过在井内安装液压分开的电极来检查和监测被渗透的油田的方法和装置”，在本申请的说明书中引用这篇文献所公开的内容】，以及用于泄漏监测、土壤加热和温度测绘，【参见：(1)Berryman，James G.，Daily，WilliamD.的美国专利US5325918，“地下最佳焦耳加热”；(2)Daily，William D.，Laine，Daren L.，Laine，Edwin F.的美国专利US5661406，“在控制设置中利用电势数据和电阻率X光断层摄影成像技术来对泄漏进行监测和定位的方法”；(3)Ramirez.Abelardo L.；Dwayne A.；Daily，William D.美国专利US5346307，“利用电阻率X光断层摄影技术测绘地下温度”，在本申请中引用这些参考文献来作为参考】。
参照图4，图中表示出了一观测/监测井26，该观测/监测井26配有永久安装的电阻率阵列28。在上面所引用的“Babour”的参考文献中描述了这种电阻率阵列28，在美国专利US5642051中公开了Babour的参考文献。图4中的电阻率阵列28包括上面提到过的“永久安装的含水层传感器”，这种“永久安装的含水层传感器”具有多个“导电性电极”(即多个“永久安装的含水层传感器”)。在操作中，在测量过程期间，利用一个或多个“导电性电极”(该导电性电极包括图4所示的电阻率阵列28)把电流注入地层内，并利用其余的“导电性电极”来测量电压。在测量期间收集许多“测量数据”。然后利用计算机对所有这些“测量数据”进行处理，以便估算和产生“许多数值”，该数值代表在沿着图4中的电阻率阵列28的长度的地层中的几个位置处的导电率(或它的倒数，电阻率)数值。
参照图5，现在来参照图5中左侧的曲线30。曲线30表示前面提到过的“许多数值”，所说的“许多数值”又表示图4和图5中沿着电阻率阵列28长度的地层中几个位置处具有的“导电率”(或电阻率)的数值。在沿着阵列28的长度的每个位置的“导电率”的数值与沿着阵列28的长度的每个位置的流体性质以及岩层相关。尤其是，前面提到的“导电率”信息数据可以用于把(1)咸的导电的海水区域与(2)可饮用的具有更多大电阻率的淡水区域区分开。利用图5中的电阻率阵列28，通过确定高导电率数值与低导电率数值之间的过渡的竖直位置，就可估算出海水区域与淡水区域之间的分界位置或接触位置，并及时地进行监测这个分界位置或接触位置，从而提供(1)在沿海城市附近朝淡水含水层侵入的海水的状态信息以及(2)更好地减小这些海水侵入可饮用水(即，淡水)的含水层。
在图5中，根据本发明的另一种实施方式，可将电阻率阵列28下放到专用的观测/监测井26内。图5所示的海水与可饮用水之间的分界面也存在于该“观测/监测井”26的内侧。类似地，可以利用观测井内侧上的所安装的一电阻率阵列28，根据电压-电流的测量来推导出海水的存在及其位置。如果图形具有长间隔的范围，那么，电阻率阵列28也可以被用于监测沿着阵列28在每个深度处海水的存在(或不存在)，并指示出在井内的水头(即，自由水位)以及该水头随时间的变化情况。
含水层电子监测电极电缆系统
参照图2和图6，再回顾沿海城市依靠来自地下含水层的地下水来满足城市的全部或部分用水需求。由于历史上过分地开采地下水，从而使得从地下含水层抽水的速率超过含水层的天然蓄水速率。这种过分开采导致了含水层中水位的下降，从而使海水可侵入含水层。海水侵入供应饮用水的水井，对城市饮用水供应量方面造成严重的长期间的影响。已经有各种各样的措施被用于减小海水的侵入。其中一种方法是利用专用的如图6所示的注入井32(或图2所示的注入井14)向含水层注入淡水。这种注水方法包括：向含水层注入淡水，在井周围形成图6中的高淡水压区域34(图2中的区域16)，从而减小海水进入陆地。
参照图7a，在现有技术中，除了用于注水的注入井32之外，还通常在这些注入井32附近建造许多观测/监测井30。这些观测井30用于周期性地测量注入井32附近的含水层的压力(水头)，并不时地对水的氯化程度(盐度)进行取样。在图7a中，假设沿着每个观测/监测井30和在每个观测/监测井30附近具有一个或多个“水沙单元”36。在图7a中，在典型的城市环境中，当海水进入到淡水含水层内时，城市中水的管理部门就执行下面的“技术措施”：(1)把一缆线导电传感器(cell)下放到观测/监测井30的中心内，(2)通过在沿着每个观测井30附近的每个“水沙单元”36的三个深度对氯化物浓度进行取样测量。也就是说，在图7a中，在顶部位置30a、中部位置30b和底部位置30c进行测量。前面所提到的“技术措施”提供关于注入装置(即，注入井32)限制海水进入每个“水沙单元”36的效率的信息。然而，在图7a中，在现有技术中，在“观测/监测井”30的套管的内侧和外侧没有设置永久的阵列(例如电阻率阵列)。
在上面所描述的“海水阻隔监测”部分中，根据本发明的一个方面，某些类型的传感器(例如图4中的电阻率阵列28)被永久地放置在观测/监测井14内侧或放置在观测/监测井14周围的地层中，以便无源地且连续地监测：(1)海水进入沿海城市附近淡水含水层的状况；(2)饮用淡水的状况。这些传感器可被安装在套管外侧的地层中或被适当地悬垂在观测井14的内部。传感器阵列(电阻率阵列)28可与地面上的探测设备电连接，而无需人为介入的情况下把所获得的数据传送到中央设备，以便进行处理和译解。这就避免了人工数据收集处理，从而提供更高频率和更及时的数据，以便更好地控制注水。
参照图7b，根据本发明的另一个方面，观测井30包括一套管，一永久阵列(例如，一电阻率阵列)被设置在该监测/观测井30套管的外侧。更具体地说，该永久阵列包括多导体电缆40。该多导体电缆40是电阻率阵列的一个例子，它被连接到监测/观测井30的套管外部。该多导体电缆/电阻率阵列40包括多个导电率测量装置42a，42b，42c(其中每个导电率测量装置42a，42b，42c包括图4中的完整阵列中的一子阵列；该子阵列将在说明书的后面描述)。电缆40和多个导电测量装置42a，42b，42c共同构成图4和图5中的电阻率阵列28的一个例子。图7b中沿着观测井30套管的外部设置的多导体电缆/电阻率阵列40，会对图4中的电阻率阵列28附近的地下电阻率进行监测。由于淡水含水层的电阻率要远高于咸的海水的电阻率，因此，海水与淡水之间的电阻率相差很大。于是，具有顶部30a、中部30b和底部30c的“水沙单元”被设置在上面提到的图7b中的导电率测量装置42a，42b，42c附近，在每个“水沙单元”的顶部30a，中部30b，底部30c形成的导电率测量装置42a-42c，应当能够在每个水平位置区分咸海水与淡水含水层的水。此外，沿位于观测/监测井30内侧的整个间隔的电子测量装置(由电阻率阵列28构成)，也应能够在每个水平位置把淡水含水层的水(该水具有高电阻率)与空气(它具有无穷大的电阻率)区分开，从而提供连续的遥测读数，指示出图7b中的观测井30内侧的自由水位。
参照图9，在把图7b中的电阻率阵列电缆40安装在沿着观测井30的井套管外部的地层内或安装在观测井30内部之后，就进行测量相应于时间流逝的就地电阻率。每个“导电率测量”(也就是每个“子阵列”包括“许多电极”，并且所说的“许多电极”又包括被称作“四电极”的四个电极组。如图9所示，基本的“四电极”测量包括：(1)在所说的四个电极组的两个外部电极之间注入和撤出电流“I”，测量两个内部电极之间的电压“V”。根据获得的“I”和“V”计算出四电极附近的地层的电阻率。
参照图8，图中表示出了包括图5中的电极28的图7b的多导体电缆40。当利用前面所提到的关于在地下储层中安装电阻率阵列的技术措施时，把一电缆(例如图7b中的电缆40)放置到(图7b中的观测/监测井30的)井套管或管道的外部，以便把电阻率电极的一阵列(例如图7b中的子阵列42a，42b，42c)定位成与地层直接接触。在所说的井内可以采用类似的布置。图8表示一短段电缆40。它是多导体电缆，在沿着电缆的一些选定位置处，从一束导体中拉出电缆的“单独的导体”，并把一个“单独的导体”连接到一个“电极”(例如图5中的电极28)上，如图8所示。该“电极”是这样形成的，即，人工打开电缆的外套、取出其中一个内部导体、并在电缆外部绕一卷电镀金属丝、把外部卷丝焊接到内部导体上、并在卷线端部模制上橡胶，以便形成液压密封。在这种方法中，沿着电缆分布的“N”个电极的阵列需要“N”次这样的人工介入。
参照图10，通过沿着含水层中的观测/监测井30的套管内侧或外侧布置一电阻率阵列(例如图5中的电阻率阵列28或图7b中的子阵列42a，42b，42c或图9中的电阻率阵列)，就可以利用这些电极四极(例如图9所示的四极)来获得含水沙中一个或多个深度的电阻率测量值。如上所述，每个四极都能测量一个单一的地层或水的电阻率，地层或水的电阻率的测量值又可以被用于把淡水与海水沿着所说井的长度分开。于是，为了获得在一个如图7a所示的“水沙单元”的顶部30a，中部30b，底部30c的三个独立的样本，就需要图10所示的一系列电极四极子阵列44，46，48，其中，每个四极子阵列包括四个电极，其中的三个电极四极子阵列总共具有十二个电极。制造十二个电极需要十二次人工打开电缆外套和人工卷绕每个电极元件的人工操作。制造十二个电极就会使电缆阵列的总成本增大到一个不可接受的程度，尤其是当按这种方式来监测一个以上的沙单元时，所增加的成本更是不可接受。
参照图11a和11b，根据本发明的另一个方面，为了降低在一电缆上制造四极电极的子阵列的总成本，建议把四个电极中的每个四极子阵列，例如图10中的四极子阵列44或46或48，制造成一个单一的整体组件，并且在一次人工操作中就把每个四电极四极的子阵列连接到电缆内。这就使得只需三次人工介入而无需十二次就可以制造三个四极子阵列(该数目是对一水沙单元的顶部30a，中部30b，底部30c进行取样所必须的数目)，从而降低了制造所说阵列的总成本。每个四极子阵列组件44，或46或48可以是，例如图11a所示的分开单元，它是由象塑料或陶瓷的绝缘材料与形成一体的电极制成的。或者，每个四极子阵列组件44或46或48可以是一组绕在(图8中的)电缆周围的固体的电镀金属电极，如图11b所示。在图11a所示的情况中，金属丝连接到具有四极子阵列44，或46或48的四个电极上，通过一次人工介入就使这些金属丝在一个入口位置进入电缆外套。在图11b所示的情况中，连接到四个电极上的四根金属丝在四个位置进入电缆外套，从而需要四次人工介入。
参照图12a，12b，12c，12d，根据本发明的另一个方面，通过把按照这种方式制造的四极子阵列(即，参照图11b描述的四极子阵列)与沿着电缆的单一电极结合，就可以形成一个“多分辨率”的电子阵列。图12a至12d表示出了一个例子。如图12a所示，基本的四极被制造成使电极之间有间距为“d”。这个间距可以例如是英寸数量级的，以便使四极电阻率测量装置是很紧凑的。如图12b所示，间距为“3d”的四个电极可以被用于构成较低分辨率的四极测量装置。借助于较长的电极间的间距，这种四极测量装置可以对该四极周围更大区域内的电阻率变化发生敏感，这在图12b中利用比图12a中直径更大的圆圈来表示。按照类似的方式，间距为“6d”和“9d”的电极可以被用于测量阵列周围更大区域内的电阻率，如图12c，12d所示，这两种情况相应地具有较低的竖直分辨率。
参照图13，根据本发明的另一个方面，至于被称作“头部监测/校准”这个构思，一个附加的构思就是增加一个或几个分开的附加的电极，以便对观测/监测井内的自由水位进行监测，如图13所示。在此，单独的电极可以被用于：通过区分每个电极是在水环境还是在空气环境中，从而判断所说井内的“头部”水位。另一种方式就是，这种测量装置可以被用于：随着自由水位在几天至几周至几个月的期间段上发生变化，连续地对电极进行监测。当水位经过监测电极时，就能从所得知的在所说井中的电极深度知道精确的自由头部的水位。这些信息(在井中的某个时刻所说“头部”的精确水位)可以用于定期地再校准相同井中的就地的永久压力测量，从而在低成本的压力测量装置中修正长期漂移的测量。
最后，另一种实施方式如下：如图13所示，利用两个或三个电极50，52，54，作为高低水平的“事件探测器”。在盐水阻隔应用中，期望把所说的“头部”或压力分布保持在含水层的某个标称分布附近。在任何一口井中，这对应于在阻止海水楔侵入方面的控制所需的压力的一“设定点”。通过把两个或三个电极放置在井中的适当深度，电极系统就能作为一种连续的警报系统，向使用者发出警报，表明：(1)水位降得太低，因此需要注入；或(2)水位升得太高，因此可以终止注入。这样，就可以设置一个反馈系统来控制注水和控制含水层中自由水位的分布。
上面已经描述了本发明，很显然，本发明可以按照许多方式改变。这些改变并没有脱离本发明的构思和范围，并且这些改变对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，它们均包括在所附权利要求的范围内。