CN104929629B - 一种管中管地下流体分层取样装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种管中管地下流体分层取样装置，至少包括压力源、井头固定架、管中管井下进样机构、封隔机构和地面取样机构，井头固定架用于固定该装置，压力源提供取样的动力，管中管井下进样机构为管中管系统，为地下流体取样进行管道布局，地面取样机构将动力源的动力送至管中管井下进样机构，将地下流体抽提到地面上，再将地下流体进行收集取样。该装置仍然采用气体推动式取样原理，将U形管系统升级扩展为管中管系统，不仅使分层取样的层数承载力翻倍，将取样的深度由‑30m级别扩展至‑200m级，而且使该装置的结构大大简化，以及稳定性和可操作性大大提高，进而使该装置在地下流体取样装置领域的竞争性优势进一步增强。
Description
技术领域
本发明涉及地下流体取样技术领域，具体涉及一种管中管地下流体分层取样装置,适用于对地下流体进行分层高精度取样。
背景技术
地下流体关系到地球演化和地表生物生存的重要因素。地下流体取样，通过同位素追踪、地层残余气分析、化学成分测试、微生物群落特征等分析方法能连续提供大量关于地层的物理、化学和微生物信息，是对工程开展和环境安全评估有重要指导意义的监测手段之一。
要对地下流体进行分析，首先要获得地下流体样品。根据工作原理分类，国内外开发的各式各样的地下流体取样技术主要分为三种(陈礼宾.美国地下水监测的一些方法和仪器.地下水,1988(01):55～58)：下井式定深取样(刘景涛等.浅层地下水定深取样器的研制.环境监测管理与技术,2008(05):56～58.)、泵式多级监测取样(卢予北.国家级一孔多层地下水示范监测井钻探技术与研究.探矿工程(岩土钻掘工程),2007(03):5～8.)和气体推动式取样技术。由于下井式定深取样技术不能进行连续取样；泵式多级监测井取样技术对地层流体扰动过大，且不能很好适应野外场地(如无220V交流电源)。因此，结合工程实际的需求，有必要开发气体推动式地下流体取样的系列装置。
美国发明专利“Device useful as a borehole fluid sampler”(专利号：US20140305628A1)公开了一种U形管地下流体取样系统，已成功应用于多处工程场地：包括美国Frio咸水层CO2封存示范工程(深度为1513.9m，单层取样)、澳大利亚CO2CRC的Otway枯竭油气田CO2封存示范工程(取样最大深度为2046.9m，3层取样)、加拿大Nunuvut的块状硫化物矿床监测工程(深度350m)和美国Nevada地区Amargosa山谷(深度400m，4层取样)。
美国发明专利“Tube-in-tube device useful for subsurface fluid samplingand operation other wellbore devices”(专利号：US20130220594A1)公开了一种外管嵌套内管的地下流体取样模型，首次阐明其取样方法和工作原理，但其公开的具体实施方式不尽合理，且限于仍然存在着诸多配套技术难题，未见实体产品及工程应用的相关报道。
发明专利“一种浅层井内分层气液流体取样装置”(公开号：CN103437762A)公开了针对浅井的一孔多层地下流体取样装置，该装置基于气体推动式取样技术，初步实现对多个地层进行长期连续取样，同时实现气液取样。但存在如下技术难点：1)泥沙颗粒或冬季结冰引起小孔堵塞，导致取样系统失效；2)结构性设计缺陷造成井筒内原有空气无法排除，造成内部超压空气与外部水头压差过早平衡，导致地层流体无法持续进入取样系统；3)层间串水或井筒内长期残留的流体，导致地面所取的地下流体样品失去代表性。
发明专利“一种气体推动式地下流体分层取样装置”(申请号：201410197719.9)基于上述“一种浅层井内分层气液流体取样装置”，在原有基础上作了数项实质性改进，目前已成功应用于多处工程场地。该专利公开了一种基于气体推动式和U形管原理，地下流体(如地下水或土壤气)高精度分层取样系统。通过结构设计极大提高了所取地下流体样品的实时代表性、指定深度代表性和温度压力赋存条件，通过U形管取样系统的优化和核心部件的重新设计，取样系统工作的稳定性和耐久性有实质性改善。但仍存在如下值得改进之处：1)应用深度有限，一般不超过地下-30m，主要受限于塑料材质和快速接头的耐压能力；2)分层取样的层数受限于简易封隔器穿孔的承载能力，一般实现2-3层，若要求实现更多层位同时取样，则需要加大取样系统的横截面积和配套的钻孔直径；3)取样系统管路繁多(如应用于某处工程的井下取样装置含8条管路)，给封隔系统和地层层间密封带来实质性困难，且增加了控制难度和系统故障率。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种管中管地下流体分层取样装置，该装置创新性地采用嵌套式管中管方案代替原有技术的U形管方案，工作原理明晰，部分构架得到实质性简化，控制性和稳定性进一步改善，更重要的是，该装置将取样深度由现有的-30米级别扩展到-200米级别，应用范围进一步拓展。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种管中管地下流体分层取样装置，至少包括压力源、井头固定架、管中管井下进样机构、封隔机构和地面取样机构：
所述的管中管井下进样机构包括第一管中管进样机构和第二管中管进样机构，第一管中管进样机构包括第一外管、第一内管、第一储流容器、第一气相单向阀、第一液相单向阀和第一滤芯，第一内管位于第一外管内，第一内管的下端与第一外管连通，第一内管的下部连接有第一气相单向阀，第一外管的中下部与第一储流容器连通，且第一内管贯穿于第一储流容器中，第一外管的下端向下依次连接第一液相单向阀、第一滤芯，第二管中管进样机构包括第二外管、第二内管、第二储流容器、第二气相单向阀、第二液相单向阀和第二滤芯，第二内管位于第二外管内，第二内管的下端与第二外管连通，第二内管的下部连接有第二气相单向阀，第二外管的中下部与第二储流容器连通，且第二内管贯穿于第二储流容器中第二外管的下端向下依次连接第二液相单向阀、第二滤芯，第一外管的长度小于第二外管的长度，第一外管、第二外管分别竖直放置于井内，第一外管和第二外管的上部通过井头固定架固定；
所述的封隔机构包括第一封隔器、第二封隔器、第三封隔器和封隔器连接件，封隔器连接件固定在井头固定架上，第一封隔器、第二封隔器和第三封隔器从上到下依次分布，并通过封隔器连接件固定，第一外管穿过第一封隔器，第二外管穿过第一封隔器、第二封隔器、第三封隔器，第一液相单向阀、第一滤芯均位于第一封隔器和第二封隔器之间，第三封隔器位于第二液相单向阀和第二滤芯的上方；
所述的地面取样机构包括第一嵌套式分流器、第二嵌套式分流器、第一球阀、第二球阀、第一取样瓶、第二取样瓶和减压阀，第一嵌套式分流器设有第一内管接入口、第一内管接出口、第一外管接入口和第一外管接出口，第二嵌套式分流器设有第二内管接入口、第二内管接出口、第二外管接入口和第二外管接出口，第一内管的上端与第一内管接入口连接，第一外管的上端与第一外管接入口连接，第二内管的上端与第二内管接入口连接，第二外管的上端与第二外管接入口连接，第一外管接出口通过管道以及第一球阀与第一取样瓶连接，第二外管接出口通过管道以及第二球阀与第二取样瓶连接，第一内管接出口、第二内管接出口分别通过管道以及减压阀与压力源连接。
第一嵌套式分流器包括第一连接套和第一弯管，第一弯管位于第一连接套中，第一弯管的一端穿过第一连接套的侧壁，另一端穿过第一连接套的下端，第一连接套的上端口为第一外管接出口，下端口为第一外管接人口，第一弯管穿过第一连接套下端的一端的端口为第一内管接入口，另一端口为第一内管接出口，第二嵌套式分流器包括第二连接套和第二弯管，第二弯管位于第二连接套中，第二弯管的一端穿过第二连接套的侧壁，另一端穿过第二连接套的下端，第二连接套的上端口为第二外管接出口，下端口为第二外管接人口，第二弯管穿过第二连接套下端的一端的端口为第二内管接入口，另一端口为第二内管接出口。
所述的封隔器为化学注浆式封隔器、固体胶体膨胀式封隔器、机械式封隔器或者液压式封隔器。
所述的封隔器连接件为尼龙绳、钢缆、铁丝、实心铁杆或者拼接式空心圆杆。
所述的压力源为氮气瓶或者压缩气罐。
本发明与现有技术相比，其有益效果和优点在于：
1、该装置采用管中管系统取样，代替了传统的U型管取样系统，从而将U形管系统中的2支管缩减为管中管系统中的1支管，从而使封隔器穿孔数减少50％，这意味着同等条件下管中管系统比U形管系统的单井取样层数实现了翻倍。试验表明，该装置使得地下流体取样深度由现有的浅层U形管取样技术对应的-30米级别扩展到-200米级别。
2、该装置采用管中管系统取样，抛弃了传统的U形管取样系统，从而将U形管系统中的2支管缩减为管中管系统中的1支管，管路总数减少50％，从而减少取样时压缩气体的用量，系统控制更加明晰稳定，封隔器系统的层间密封效果更好。
3、该装置采用管中管取样系统，结构大幅度简化，从而使得在同等条件下生产成本大幅度降低，同时装置的稳定性和可操作性大幅度提高。
4、该装置与同类地下流体取样技术(如下井式定深取样、一孔多层泵式取样)相比，功能方面，能较精确刻画三维空间的元素运移与污染源追踪，能实现不同深度地层的地下流体取样；操作方面，能轻松地重复实现分层气液流体取样；场地适宜性方面，普遍适用于各种井下地质条件(如淤泥、碎石)，能很好适用于地表极端环境(如严格防磁、防爆，能耐严寒冰冻，不要求提供220V电源，看管维护简单)。
5、该装置可广泛应用于不同领域、不同工程目的、不同深度范围(0-200m)的地下流体环境监测，如废弃物地下封存领域(如垃圾填埋处置、核废料处置、二氧化碳地质利用与封存等)、地下能源资源开采领域(如矿床浸润法开采，二氧化碳驱替煤层气CO2-ECBM、二氧化碳强化石油开采CO2-EOR、二氧化碳驱替深部咸水开采CO2-EWR、二氧化碳强化页岩气开采CO2-ESGR，地下流体资源赋存情况及演化评估)、地下水动态监测领域(水电工程、地下厂房工程、采油区等工程区域地下水污染评估、污染源追踪、微生物群落分析、污染土地流转评估等)，还适用于农业、林业、地下储库等质监站的长期监测维护，具有良好的应用前景和商业价值。
总之，该装置仍然采用气体推动式取样原理，将U形管系统升级扩展为管中管系统，不仅使分层取样的层数承载力翻倍，将取样的深度由-30m级别扩展至-200m级，而且使该装置的结构大幅度简化，以及稳定性和可操作性大幅度提高，进而使该装置在地下流体取样装置领域的竞争性优势进一步增强。
附图说明
图1为本发明提供的管中管地下流体分层取样装置的结构示意图；
图2为图1中I的局部放大图。
图3为第一嵌套式分流器的结构示意图。
其中，1-管中管井下进样机构：1.1a-第一外管、1.2a-第一内管、1.3a-第一储流容器、1.4a-第一气相单向阀、1.5a-第一液相单向阀、1.6a-第一滤芯、1.1b-第二外管、1.2b-第二内管、1.3b-第二储流容器、1.4b-第二气相单向阀、1.5b-第二液相单向阀、1.6b-第二滤芯、2-封隔机构：2.1-第一封隔器、2.2-第二封隔器、2.3-第三封隔器、2.4-封隔器连接件；3-井头固定架；4-地面取样机构：4.1–第一连接套、4.2a-第一嵌套式分流器、4.2b-第二嵌套式分流器、4.3a-第一球阀、4.3b-第二球阀、4.4a-第一取样瓶、4.4b-第二取样瓶、4.5-减压阀、4.6-第一弯管；5-压力源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具进行详细说明。
本发明提供的管中管地下流体分层取样装置的结构如如图1所示，该装置至少包括压力源5、井头固定架3、管中管井下进样机构1、封隔机构和地面取样机构。井头固定架3用于取样时固定该装置。
管中管井下进样机构1包括第一管中管进样机构和第二管中管进样机构，第一管中管进样机构包括第一外管1.1a、第一内管1.2a、第一储流容器1.3a、第一气相单向阀1.4a、第一液相单向阀1.5a和第一滤芯1.6a。第一内管1.2a位于第一外管1.1a内。第一外管1.1a的内径大于第一内管1.2a的外径。第一内管1.2a的下部连接有第一气相单向阀1.4a，第一内管1.2a的下端与第一外管1.1a连通，从而使进入第一内管1.2a的气体能够进入第一外管1.1a，推动第一外管1.1a的液体向上移动。第一外管1.1a的中下部与第一储流容器1.3a连通，且第一内管1.2a贯穿于第一储流容器1.3a中。第一外管1.1a的下端向下依次连接第一液相单向阀1.5a、第一滤芯1.6a。第二管中管进样机构包括第二外管1.1b、第二内管1.2b、第二储流容器1.3b、第二气相单向阀1.4b、第二液相单向阀1.5b和第二滤芯1.6b。第二内管1.2b位于第二外管1.1b内，第二内管1.2b的下部连接有第二气相单向阀1.4b，第二内管1.2b的下端与第二外管1.1b连通。第二外管1.1b的中下部与第二储流容器1.3b连通，且第二内管1.2b贯穿于第二储流容器1.3b。第一储流容器1.3a和第二储流容器1.3b的作用是能够储存足够量的地下流体，其容积取决于单次取样容量和该层位的取样深度。第二外管1.1b的下端向下依次连接第二液相单向阀1.5b、第二滤芯1.6b。第一滤芯1.6a和第二滤芯1.6b用于过滤地下流体中的固体颗粒杂质，其目数由现场土体颗粒决定。第一外管1.1a的长度小于第二外管1.1b的长度，第一外管1.1a、第二外管1.1b分别竖直放置于井内，第一外管1.1a和第二外管1.1b的上部通过井头固定架3固定。本实施例中，第一外管1.1a和第二外管1.1b的外径为10mm，内径为6.5mm；第一内管1.2a和第二内管1.2b的外径为4mm，内径为2.5mm。第一内管1.2a和第二内管1.2b可以为市售的空间软管，其型号可为PU10、PU4。第一外管1.1a和第二外管1.1b的材质可以为塑料、PVC或不锈钢，依实际所取地下流体的腐蚀性和抗压能力决定。第一储流容器1.3a何第二储流容器1.3b的容积为200mL。第一滤芯1.6a和第二滤芯1.6b的滤网目数为500目，可过滤的颗粒粒径级别为40微米。气相单向阀和液相单向阀可以是市场上购置的隔膜式、弹簧式、伞式单向阀产品，也可以是自行加工的定制件。
封隔机构包括第一封隔器2.1、第二封隔器2.2、第三封隔器2.3和封隔器连接件2.4，封隔器连接件2.4固定在井头固定架3上。第一封隔器2.1、第二封隔器2.2和第三封隔器2.3从上到下依次分布，并通过封隔器连接件2.4固定。封隔器连接件2.4有两个作用：1)固定不同深度的封隔器，从而将各封隔器分别固定于指定的井中深度；2)侧向固定和保护管中管井下进样机构1，尤其在取样层数超过3层或取样深度超过20m时，效果明显。根据单口井封隔器的数量和重量，以及封隔器是否永久埋存或回收利用，可以灵活选择不同构型，如尼龙绳、钢缆、铁丝、实心铁杆和拼接式空心圆杆等等。第一外管1.1a穿过第一封隔器2.1，第二外管1.1b穿过第一封隔器2.1、第二封隔器2.2、第三封隔器2.3，第一液相单向阀1.5a、第一滤芯1.6a均位于第一封隔器2.1和第二封隔器2.2之间，第一封隔器2.1和第二封隔器2.2分别隔断进入第一储流容器1.3a的流体；第三封隔器2.3位于第二液相单向阀1.5b和第二滤芯1.6b的上方，第三封隔器2.3隔断进入第二储流容器1.3b的流体；井底因为钻孔没有穿透破坏，不需设置封隔器隔断。封隔器的作用在于封隔指定深度的地层流体，防止层间串流，浅部地层时可以采用化学注浆密封封隔器、固体胶体膨胀式封隔器；中部地层时，可以采用化学注浆式封隔器、机械式封隔器；深部地层时，优先选择液压式封隔器。
地面取样机构包括第一嵌套式分流器、第二嵌套式分流器、第一球阀、第二球阀、第一取样瓶、第二取样瓶和减压阀。第一嵌套式分流器包括第一连接套和第一弯管，第一弯管位于第一连接套中，第一弯管的一端穿过第一连接套的侧壁，另一端穿过第一连接套的下端。第二嵌套式分流器包括第二连接套和第二弯管，第二弯管位于第二连接套中，第二弯管的一端穿过第二连接套的侧壁，另一端穿过第二连接套的下端。嵌套式分流器的作用在于将管中管系统中外管和内管进行分流，而且其结构设计巧妙，简单，可以为一体式结构和分体式结构，如图3所示。第一内管1.2a的上端与第一弯管穿过第一连接套下端的一端口连接，第一外管1.1a的上端与第一连接套的下端口连接，第二外管1.1b的上端与第二连接套的下端口连接，第二内管1.2b的上端与第二弯管穿过第二连接套下端的一端口连接，如图2所示。第一连接套的上端口通过管道以及第一球阀与第一取样瓶连接，第二连接套的上端口通过管道以及第二球阀与第二取样瓶连接，第一取样瓶和第二取样瓶可以放置在井头固定架3上。第一弯管穿过第一连接套侧壁的端口、第二弯管穿过第二连接套侧壁的端口分别通过管道以及减压阀与压力源连接。
本发明中，为了方便阐述，只画了两个层位的管中管系统，实际取样层数(即管中管的个数)受单个封隔器最大穿孔数限制，举例说明：封隔器直径75mm，最多可实现穿孔(8mm)8个，其中6个孔用于直接取样，采用U形管方案最多取样3层(对应6个管)，而管中管最多取样6层(对应6个管)。
本发明提供的管中管地下流体分层取样装置的工作原理如下：
开启压力源和减压阀，高压气体经第一嵌套式分流、第二嵌套式分流器后分别进入第一内管、第二内管，由于第一内管和第二内管上连接有方向向下的气相单向阀，高压气体只能由第一内管、第二内管分别进入第一外管、第二外管中，从而驱替第一外管和第二外管中的流体向上移动，其中，驱替的流体为通过前端滤芯和方向向上的液相单向阀，分别进入中第一外管和第二外管中的原位地下水。第一外管和第二外管中的流体分别经第一嵌套式分流、第二嵌套式分流器分流进入相应的管道，打开第一球阀和第二球阀后，分别进入第一取样瓶和第二取样瓶，从而得到不同地层深度的地下流体样品。
Claims (5)
1.一种管中管地下流体分层取样装置，至少包括压力源和井头固定架，其特征在于：还包括管中管井下进样机构、封隔机构和地面取样机构：
所述的管中管井下进样机构包括第一管中管进样机构和第二管中管进样机构，第一管中管进样机构包括第一外管、第一内管、第一储流容器、第一气相单向阀、第一液相单向阀和第一滤芯，第一内管位于第一外管内，第一内管的下端与第一外管连通，第一内管的下部连接有第一气相单向阀，第一外管的中下部与第一储流容器连通，且第一内管贯穿于第一储流容器中，第一外管的下端向下依次连接第一液相单向阀、第一滤芯，第二管中管进样机构包括第二外管、第二内管、第二储流容器、第二气相单向阀、第二液相单向阀和第二滤芯，第二内管位于第二外管内，第二内管的下端与第二外管连通，第二内管的下部连接有第二气相单向阀，第二外管的中下部与第二储流容器连通，且第二内管贯穿于第二储流容器中，第二外管的下端向下依次连接第二液相单向阀、第二滤芯，第一外管的长度小于第二外管的长度，第一外管、第二外管分别竖直放置于井内，第一外管和第二外管的上部通过井头固定架固定；
所述的封隔机构包括第一封隔器、第二封隔器、第三封隔器和封隔器连接件，封隔器连接件固定在井头固定架上，第一封隔器、第二封隔器和第三封隔器从上到下依次分布，并通过封隔器连接件固定，第一外管穿过第一封隔器，第二外管穿过第一封隔器、第二封隔器、第三封隔器，第一液相单向阀、第一滤芯均位于第一封隔器和第二封隔器之间，第三封隔器位于第二液相单向阀和第二滤芯的上方；
所述的地面取样机构包括第一嵌套式分流器、第二嵌套式分流器、第一球阀、第二球阀、第一取样瓶、第二取样瓶和减压阀，第一嵌套式分流器设有第一内管接入口、第一内管接出口、第一外管接入口和第一外管接出口，第二嵌套式分流器设有第二内管接入口、第二内管接出口、第二外管接入口和第二外管接出口，第一内管的上端与第一内管接入口连接，第一外管的上端与第一外管接入口连接，第二内管的上端与第二内管接入口连接，第二外管的上端与第二外管接入口连接，第一外管接出口通过管道以及第一球阀与第一取样瓶连接，第二外管接出口通过管道以及第二球阀与第二取样瓶连接，第一内管接出口、第二内管接出口分别通过管道以及减压阀与压力源连接。
2.根据权利要求1所述的管中管地下流体分层取样装置，其特征在于：第一嵌套式分流器包括第一连接套和第一弯管，第一弯管位于第一连接套中，第一弯管的一端穿过第一连接套的侧壁，另一端穿过第一连接套的下端，第一连接套的上端口为第一外管接出口，下端口为第一外管接入口，第一弯管穿过第一连接套下端的一端的端口为第一内管接入口，另一端口为第一内管接出口，第二嵌套式分流器包括第二连接套和第二弯管，第二弯管位于第二连接套中，第二弯管的一端穿过第二连接套的侧壁，另一端穿过第二连接套的下端，第二连接套的上端口为第二外管接出口，下端口为第二外管接入口，第二弯管穿过第二连接套下端的一端的端口为第二内管接入口，另一端口为第二内管接出口。
3.根据权利要求1所述的管中管地下流体分层取样装置，其特征在于：所述的封隔器为化学注浆式封隔器、固体胶体膨胀式封隔器、机械式封隔器或者液压式封隔器。
4.根据权利要求1所述的管中管地下流体分层取样装置，其特征在于：所述的封隔器连接件为尼龙绳、钢缆、铁丝、实心铁杆或者拼接式空心圆杆。
5.根据权利要求1所述的管中管地下流体分层取样装置，其特征在于：所述的压力源为氮气瓶或者压缩气罐。
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