CN112964506B - 套管式气体驱动地下水取样装置的取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了套管式气体驱动地下水取样装置，包括控制单元，所述控制单元包括高压气体源和控制器，所述高压气体源通过三通阀与控制器固定连接，所述传输单元由两根PU内管和外管管道组成，两根管道外部采用光滑的塑料膜包裹，整个传输管道直径小于20mm；所述置换单元由不锈钢管材料组成，置换室上部有两个口，分别为一个进气口和一个出水口，出水口内部连接1直径小于10mm的不锈钢管，外管和内管均为PU材质，取样时气体从外管与内管中间输入，水样从内管中流出，内外管入口处采用密封圈密封隔离。整个传输管路的外径小于20mm，外壁光滑，极大的减小了卡井风险。

Description

套管式气体驱动地下水取样装置的取样方法

技术领域

本发明涉及一种环境科学领域研究装置与技术领域，具体是套管式气体驱动地下水取样装置。

背景技术

在地质勘探与环境调查工作中，通常需要新钻水文孔并采集孔中地下水。国内外地下水采样设备大致分为4类:取样筒式采样器、惯性式采样器、潜水电泵式采样器和气体驱动式采样器，针对不同的取样目的、孔径、水位深度等需要选用的取样装置也不尽相同。取样筒式采样器原理简单、制作方便、成本低，受监测井孔径、采样深度影响较小，但采样效率极低，不适用于深井地下水的连续取样；惯性式采样器外径小，可应用于小口径地下水监测井，缺点是采样深度有限、效率低、对水体扰动大；潜水电泵式采样器采样效率高，不足是设备体积较大，管线多，卡井风险大，且对水体扰动较大，不适用于深井小孔径地下水取样；气体驱动式采样器结构较复杂，但直径小，采样效率较高，适用于大部分地下水监测井。国内李小杰等研制的U型气体置换式取样器较适用于小孔径深井地下水的取样，然而，该取样器仍然是一种间歇式采样器，且没有水气置换室，当采样深度较大时，尤其是惰性气体保护取样时，气体浪费严重，采样效率低。此外，该U型气体驱动取样装置有两根管线，有时还需附加一根保护钢丝绳，三根管线同时下井的卡井风险较大。在对新开的地质结构不稳定的小孔径水文孔采集地下水时，如何减小取样装置卡井风险并提高取样效率是本发明装置所要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供套管式气体驱动地下水取样装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

套管式气体驱动地下水取样装置，包括控制单元、传输单元和置换单元，所述控制单元包括高压气体源和控制器，所述高压气体源通过三通阀与控制器固定连接，所述传输单元由一根内管和一根外管嵌套组成，两根管道均为PU材质，整个传输管道外径小于20mm；所述置换单元由不锈钢管材料组成，其尺寸设计为：内径小于36mm，外径小于40mm，壁厚2～4mm，长度小于50cm，内管一端与出水管道上端固定连接，出水管道下端依次与第一空心螺丝与第二空心螺丝固定连接，外管一端与进气管道上端固定连接，进气管道下端直径扩大后与法兰固定连接，第二空心螺丝与法兰中心固定连接，法兰中心与止逆阀固定连接，法兰外壁与置换器外壁固定连接，止逆阀与不锈钢空心管固定连接，置换器壁与圆锥形空心部件固定连接，部件与第三空心螺丝固定连接，空心螺丝与止逆阀固定连接，止逆阀与过滤器固定连接，所述外管另一端固定连接有密封圈，所述内管另一端贯穿密封圈。

作为本发明进一步的方案：所述控制器主要用于控制管路气压、充放气时间及相关气路与水路阀门的开关。

作为本发明再进一步的方案：所述法兰中心孔周围开有个4孔。

作为本发明进一步的方案：所述控制器通过进气管与的传输单元外管一侧固定连接。

作为本发明进一步的方案：所述进气管与传输单元外管相通。

作为本发明进一步的方案：所述密封圈上开设有用于传输单元内管贯穿的通孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.传输单元采用外管和内管嵌套组合的方式，内外管均为PU材质，取样时气体从外管与内管中间输入，水样从内管中流出，内外管入口处采用密封圈密封隔离。整个传输管路集成为一根，外径小于20mm，外壁光滑，极大的减小了卡井风险。

2.套管式水气置换器，其为不锈钢管材质，外型尺寸为：内径34mm，外径40mm，壁厚3mm，长度50cm。其内部为置换室，置换室具有贮水功能，置换室内有一根外径8 mm、内径6mm的不锈钢管用于出水，其长度延伸至置换室底部，离置换室底部约5cm，其目的是尽可能将置换室内贮存的水全部压出地面。钢管上端装有止逆阀，其目的是为了防止置换室放空进水时出水管道内的水回流而造成取水效率低、气体浪费严重的现象。上述设计极大提高了取水效率。

3.置换室底部装有止逆阀，其目的是在排空进水时打开让外部水进入置换室，在充气出水时关闭使置换室的水从不锈钢管和出水管道流出。置换室的最底部装有过滤器，过滤网孔径为2mm，其目的是防止大于2mm的颗粒进入采样器管路引起设备管路堵塞。

附图说明

图1为套管式气体驱动地下水取样装置的结构示意图。

图2为套管式气体驱动地下水取样装置的套管式水气置换器结构示意图。

图3为套管式气体驱动地下水取样装置套管式水气置换器的***图。

如图所示：出水通道1、进气通道2、第一空心螺丝3、第二空心螺丝4、法兰5、第一止逆阀6、不锈钢空心管7、置换器外壁8、套管式水气置换器9、圆锥形空心部件10、第三空心螺丝11、第二 止逆阀12、过滤器13、控制单元14、高压气体源15、控制器16、传输单元17、置换单元18、内管19、外管20、密封圈21、进气管22和三通阀23。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～3，本发明实施例中，套管式气体驱动地下水取样装置，包括出水管道1、进气管道2、第一空心螺丝3、第二空心螺丝4、法兰5、第一 止逆阀6、不锈钢空心管7、置换器外壁8、套管式水气置换器9、圆锥形空心部件10、第三空心螺丝11、第二 止逆阀12、过滤器13、控制单元14、高压气体源15、控制器16、传输单元17、置换单元18、内管19、外管20、密封圈21、进气管22和三通阀23，所述套管式气体驱动地下水取样装置由控制单元14、传输单元17和置换单元18三部分组成，整个装置由高压气体，包括空压机或高压气瓶驱动；所述控制单元14与传输单元17连接，传输单元17与置换单元18连接；所述控制单元14包括高压气体源15和控制器16，所述控制器16主要用于控制管路气压、充放气时间及相关气路与水路阀门的开关；所述高压气体源15通过三通阀23与控制器16 固定连接，所述控制器16通过进气管22与外管20一侧固定连接，所述传输单元17由一根PU内管和一根PU外管嵌套组成，整个传输管道外径小于20mm；所述置换单元18主要包括套管式水气置换器9，其由不锈钢管材料组成，其尺寸设计为：内径小于36mm，外径小于40mm，壁厚2～4mm，长度小于50cm；置换器9上部有两个管道，进气管道2 和出水管道1，出水管道1内部连接一个直径小于10mm的不锈钢管，其延伸到置换室底部，距底部约5cm，不锈钢管上装有1个止逆阀，底部有一个进水口；整个置换单元底部装有过滤器13，过滤网孔径小于2mm，内管19一端与出水管道1上端固定连接，下端依次与第一空心螺丝3与第二空心螺丝4固定连接，外管20一端与进气管道2上端固定连接，进气管道2下端直径扩大后与法兰5固定连接，第二空心螺丝4与法兰5中心固定连接，法兰5中心与第一 止逆阀6固定连接，法兰5中心孔周围开有4个孔，法兰5外壁与置换器外壁8固定连接，第一 止逆阀6与不锈钢空心管7固定连接，置换器壁9与圆锥形空心部件10固定连接，部件10与第三空心螺丝11固定连接，空心螺丝11与第二 止逆阀12固定连接，第二 止逆阀12与过滤器13固定连接，所述外管20另一端固定连接有密封圈21，所述内管19另一端贯穿密封圈21，所述密封圈21上开设有用于内管19贯穿的通孔。

设计的套管式气体驱动式地下水取样器单次循环的出水量按式(1)计算：

式中：V₀——单次循环出水量，L；

r_g——外管内半径，0.007m；

r_w1——内管外半径，0.005m；

r_w2——内管内半径，0.004m；

h_g——传输单元在水位下长度，m；

r_z——置换室内径，0.034m；

h_z——置换室高度，0.5m；

该取样器的取样效率按式(2)计算

式中：s——出水管道水流速，m/s；

t₀——水气置换器进水所需要的时间，s。

当置换单元在水位下100m，出水管道流速s为1m/s，水气置换器进水时间t0为60s时，该装置的单次循环最大出水量为14.37L，最大取样效率为149.5L/h。

本发明的工作原理是：将装置运送至地下水取样现场，现场水文孔孔径90cm，水位100m，井深300m，将空压机15与控制器16连接，控制器16气体出口与传输单元17进气口连接，将传输单元17的内管19与外管20用密封圈21隔离，传输单元17的外管20 与内管19分别与进气管道2与出水管道1连接。将置换单元18与传输单元17整体缓慢放入井中，置换单元18在水位下100m时停止下放并在井口进行固定，设置控制器16气体入口端压力为2MPa，设置好控制单元14的充放气时间等相关参数。待置换单元18在预定位置稳定5min后，水位以下的传输管路与置换室充满水。启动控制单元14开关，进气口开始充气，随着进气通道2中的压力逐步上升，第一 止逆阀6打开，第二 止逆阀12关闭，当进气通道2内气压达到2MPa时，内管19开始出水。当置换室内的所有水样排出后，控制器控制进气口排空与大气接通，第一 止逆阀6关闭，第二 止逆阀12打开，置换室开始排空进水，当置换室与水下传输管路充满水后，进气口开始充气，如此往复循环，实现了现场小孔径深水位地下水的高效取样。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.套管式气体驱动地下水取样装置的取样方法，通过套管式气体驱动地下水取样装置实现，所述套管式气体驱动地下水取样装置包括控制单元(14)、传输单元(17)和置换单元(18)，所述控制单元(14)包括高压气体源(15)和控制器(16)，所述高压气体源(15)通过三通阀(23)与控制器(16)固定连接，所述传输单元(17)由内管(19)和外管(20)嵌套组成，两管均为PU材质，外壁光滑，整个传输管道外径小于20mm；所述置换单元(18)由不锈钢管材料组成，其尺寸设计为：内径小于36mm，外径小于40mm，壁厚2～4mm，长度小于50cm，底部过滤网孔径小于2mm，内管(19)一端与出水通道(1)上端固定连接，出水通道(1)下端依次与第一空心螺丝(3)与第二空心螺丝(4)固定连接，外管(20)一端与进气通道(2)上端固定连接，进气通道(2)下端直径扩大后与法兰(5)固定连接，第二空心螺丝(4)与法兰(5)中心固定连接，法兰(5)中心与第一止逆阀(6)固定连接，法兰(5)外壁与置换器外壁(8)固定连接，第一止逆阀(6)与不锈钢空心管(7)固定连接，置换器壁(9)与圆锥形空心部件(10)固定连接，圆锥形空心部件(10)与第三空心螺丝(11)固定连接，第三空心螺丝(11)与第二止逆阀(12)固定连接，第二止逆阀(12)与过滤器(13)固定连接，所述外管(20)另一端固定连接有密封圈(21)，所述内管(19)另一端贯穿密封圈(21)；所述传输单元的内管嵌套在外管里面；所述法兰(5)中心孔周围开有4个孔；所述控制器(16)通过进气管(22)与外管(20)一侧固定连接；所述进气管(22)与外管(20)相通；所述密封圈(21)上开设有用于内管(19)贯穿的通孔；

其特征在于，所述套管式气体驱动地下水取样装置的取样方法为：

将本套管式气体驱动地下水取样装置运送至地下水取样现场，现场水文孔孔径90cm，水位100m，井深300m，将高压气体源(15)与控制器(16)连接，控制器(16)气体出口与传输单元(17)进气口连接，将传输单元(17)的内管(19)与外管(20)用密封圈(21)隔离，传输单元(17)的外管(20)与内管(19)分别与进气通道(2)与出水通道(1)连接；将置换单元(18)与传输单元(17)整体缓慢放入井中，置换单元(18)在水位下100m时停止下放并在井口进行固定，设置控制器(16)气体入口端压力为2MPa，设置好控制单元(14)的充放气时间参数；待置换单元(18)在预定位置稳定5min后，水位以下的传输管路与置换室充满水；启动控制单元(14)开关，进气口开始充气，随着进气通道(2)中的压力逐步上升，第一止逆阀(6)打开，第二止逆阀(12)关闭，当进气通道(2)内气压达到2MPa时，内管(19)开始出水；当置换室内的所有水样排出后，控制器控制进气口排空与大气接通，第一止逆阀(6)关闭，第二止逆阀(12)打开，置换室开始排空进水，当置换室与水下传输管路充满水后，进气口开始充气，如此往复循环，实现了现场小孔径深水位地下水的高效取样；

本套管式气体驱动地下水取样装置单次循环的出水量V₀按式(1)计算：

式(1)中：V₀——单次循环出水量，L；r_g——外管内半径；r_w1——内管外半径；r_w2——内管内半径；h_g——传输单元在水位下长度，m；r_z——置换室内径；h_z——置换室高度；

本套管式气体驱动地下水取样装置的取样效率ε按式(2)计算

式(2)中：ε——取样效率；s——出水管道水流速，m/s；t₀——水气置换器进水所需要的时间，s。

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