CN106769215A - 一种连续获取钻孔原位水样的装置及取水方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续获取钻孔原位水样的装置及取水方法，包括气压控制系统、管道输送系统和升降控制系统，还包括进水控制系统和栓塞隔离系统，气压控制系统主要用于为进水控制系统提供压力差。管道输送系统主要用于传输气压和输送水样。升降控制系统主要用于下放和提升取水装置。栓塞隔离系统主要用于隔离取水试段。进水控制系统主要用于根据压力差控制进水阀门的打开与关闭。本发明提供的连续获取钻孔原位水样的装置，能够在一次下放和提升取水装置的条件下，实现连续获取钻孔地下水面以下不同深度的水样，且具有制造成本低、结构简单和容易操作等优点。

Description

一种连续获取钻孔原位水样的装置及取水方法

技术领域

本发明属于水文地质领域，特别涉及一种连续获取钻孔原位水样的装置及方法，该装置可用于连续获取钻孔地下水面以下不同深度的原位水样。

背景技术

进行研究区水文地质条件分析时，有时需从研究区钻孔的不同深度获取原位水样，进行水化学以及同位素等的分析。以往的钻孔取水装置需要不断重复下放和提升取水装置的操作，才能获得钻孔不同深度的水样。此外，以往取水装置通常获取的是钻孔内的混合水。如何避免重复提放取水装置且连续获取不同深度的原位水样，依然没有简单高效的装置，因此，需要进一步研究。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种连续获取钻孔原位水样的装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种连续获取钻孔原位水样的装置，包括气压控制系统、管道输送系统和升降控制系统，所述气压控制系统包括气压泵和与气压泵相连通的输气管，所述管道输送系统包括栓塞输气管、取水输气管和输水管，所述输水管的末端设有接水容器，所述输气管上设有气压表、加压阀和释压阀，所述升降控制系统包括绞车、计数器和钢丝绳，还包括进水控制系统和栓塞隔离系统，所述进水控制系统包括储水圆筒，所述储水圆筒通过钢丝绳与所述绞车连接，所述钢丝绳绕过所述计数器，所述储水圆筒中设有隔板，所述隔板将储水圆筒分为上储水圆筒和下储水圆筒，所述下储水圆筒通过取水输气管与所述输气管连通，所述上储水圆筒与所述输水管连通，下储水圆筒的筒壁上设有进水阀一，所述隔板上设有进水阀二，所述栓塞隔离系统包括套设在上储水圆筒上部的上气压栓塞和套设在下储水圆筒下部的下气压栓塞，所述上气压栓塞与下气压栓塞通过连通管连通，所述下气压栓塞上设有栓塞进水阀，所述上气压栓塞通过栓塞输气管与所述输气管连通，所述取水输气管上设有取水输气控制阀，所述栓塞输气管上设有气压栓塞加压阀。

作为优选，所述进水阀一、进水阀二和栓塞进水阀均为单向阀。

作为优选，所述上气压栓塞的上下两端和下气压栓塞的上下两端均设有挡片。

作为优选，所述栓塞输气管、取水输气管、输水管以及上气压栓塞和下气压栓塞均由橡胶材料制成。

作为优选，所述上储水圆筒和下储水圆筒的体积相等。

作为优选，所述气压栓塞橡胶材料制成。

作为优选，所述输气管与栓塞输气管通过栓塞输气管连接头相连；所述输气管与取水输气管通过取水输气管连接头相连。

作为优选，所述取水输气管与下储水圆筒通过下储水圆筒连接头相连；所述上储水圆筒与输水管通过上储水圆筒连接头相连。

使用上述装置连续获取钻孔原位水样的取水方法包括以下步骤：

（a）从研究区选择需进行原位取水的钻孔；

（b）在地面组装钻孔取水装置：

（c）打开栓塞加压阀、打开释压阀、打开取水输气管控制阀、关闭加压阀，将栓塞隔离系统和进水控制系统通过钢丝绳整体缓慢下放至钻孔水面以下，根据计数器的读数控制下放深度，当下储水圆筒上的进水阀到达指定取水深度后，锁定绞车；

（d）关闭取水输气管控制阀和释压阀；缓慢打开加压阀，气压泵开始给上气压栓塞和下气压栓塞充气，使其体积增大；持续加压过程中，注意气压表的读数，当读数急剧增大时，关闭加压阀和栓塞加压阀；

（e）打开取水输气管控制阀，缓慢打开加压阀，气压泵开始给取水输气管充气加压；此时，进水阀一自动关闭；进水阀二自动打开；下储水圆筒内的水经由进水阀二进入上储水圆筒中；上储水圆筒中的水则不断进入输水管中，并最终从输水管的出水口溢流至接水容器中；持续加压的过程中，当出水口出现同时喷气和喷水现象时，记下气压表的读数，此读数为该取水深度的峰值气压；

（f）关闭加压阀，缓慢打开释压阀，取水输气管中气压随之缓慢降低；进水阀二自动关闭；进水阀一自动打开；钻孔中的水经由进水阀进入下储水圆筒中；此后，下储水圆筒内的水压开始逐渐增加，直至与钻孔内的水压相同，进水阀一自动关闭；取水输气管中的水面恢复至与钻孔地下水面齐平；关闭释压阀；

（g）重复步骤（e）~（f）实现在指定深度连续取水；当接水容器中水的体积超过栓塞隔离段钻孔体积后，倒掉接水容器中的水，将原位水样灌进取样瓶中以进行后续分析工作；

（h）打开栓塞加压阀，上气压栓塞和下气压栓塞的气囊体积缩小，解锁绞车；重复步骤（c）~（g），可以连续获取钻孔水面以下不同深度的原位水样；

（i）钻孔原位水样采集工作结束，解锁绞车，通过钢丝绳将取水装置从钻孔内提升至地面；拆分钻孔取水装置：整装该钻连续获取钻孔原位水样的装置，移至下一个钻孔处。

作为优选，在步骤（e）~（g）的连续取水过程中，气压表读数不能超过峰值气压。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种连续取水装置，能够在一次下放和提升取水装置的条件下，实现连续获取钻孔地下水面以下不同深度的水样，且具有制造成本低、结构简单和容易操作等优点。本发明中设置了栓塞隔离系统，在取水的过程中，栓塞隔离系统能够将指定深度的水与外部的水隔离，避免了取水时其他深度的水流向指定深度，保证取到的水样为指定深度的水，确保了分析研究的准确性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

附图标记列表：

其中， 1-气压泵；2-气压表；3-加压阀；4-释压阀；5-输气管；6-取水输气管控制阀；7-栓塞加压阀；8-栓塞输气管连接头；9-栓塞输气管；10-上气压栓塞；11-下气压栓塞；12-挡片； 14-绞车；15-计数器；16-钢丝绳；17-钢丝绳连接头；18-取水输气管连接头；19-取水输气管；20-下储水圆筒连接头；21-储水圆筒；22-隔板；23-上储水圆筒；24-下储水圆筒；25-栓塞进水阀；26-进水阀一；27-进水阀二； 28-上储水圆筒连接头；29-输水管； 30-接水容器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

如图1所示，一种连续获取钻孔原位水样的装置，包括气压控制系统、管道输送系统和升降控制系统，气压输送系统包括气压泵1和与气压泵1相连通的输气管5，管道输送系统包括栓塞输气管9、取水输气管19和输水管29，输水管29的末端设有接水容器30，输气管5上设有气压表2、加压阀3和释压阀4，升降控制系统包括绞车14、计数器15和钢丝绳16，还包括进水控制系统和栓塞隔离系统，进水控制系统包括储水圆筒21，储水圆筒21上端通过钢丝绳连接头17连接钢丝绳16，钢丝绳16绕过计数器15，另一端与绞车14连接；储水圆筒21中设有隔板22，隔板22将储水圆筒21分为上储水圆筒23和下储水圆筒24，下储水圆筒24通过取水输气管19与输气管5连通，上储水圆筒23与输水管29连通，下储水圆筒24的筒壁上设有进水阀一26，隔板22上设有进水阀二27，栓塞隔离系统包括套设在上储水圆筒23上部的上气压栓塞10和套设在下储水圆筒24下部的下气压栓塞11，上气压栓塞10与下气压栓塞11通过连通管连通，下气压栓塞11上设有栓塞进水阀25，上气压栓塞10通过栓塞输气管9与输气管5连通，取水输气管19上设有取水输气管控制阀6，栓塞输气管9上设有气压栓塞加压阀7。

本实施例中的进水阀一26、进水阀二27和栓塞进水阀25均为单向阀。隔板22位于储水圆筒21的中部，使得上储水圆筒23和下储水圆筒24的体积相等。

上气压栓塞10的上下两端以及下气压栓塞11的上下两端均设有挡片12。挡片12起到固定上气压栓塞10和下气压栓塞11位置的作用。栓塞输气管9、取水输气管19、输水管29以及上气压栓塞10和下气压栓塞11均由柔韧性及耐压强度高的橡胶材料制成。

输气管5与栓塞输气管9通过栓塞输气管连接头8相连；输气管5与取水输气管19通过取水输气管连接头18相连。取水输气管19与下储水圆筒24通过下储水圆筒24连接头20相连；上储水圆筒23与输水管29通过上储水圆筒连接头28相连。

使用上述装置连续获取钻孔原位水样的取水方法包括以下步骤：

（a）从研究区选择需进行原位取水的钻孔；

（b）在地面组装钻孔取水装置：将钢丝绳16从绞车14上拉出，绕过计数器15，紧接着通过钢丝绳连接头17与上储水圆筒23相连；将所述气压控制系统的输气管5通过栓塞输气管连接头8与栓塞输气管9相连；将输气管5通过取水输气管连接头18与取水输气管19相连；通过下储水圆筒24连接头20将取水输气管19与下储水圆筒24相连；通过上储水圆筒连接头28将上储水圆筒23与输水管29相连；将输水管29的出水口置于接水容器30中

（c）打开栓塞加压阀7、打开释压阀4、打开取水输气管控制阀6、关闭加压阀3，使所有管道内的气压都等于大气压。将栓塞隔离系统和进水控制系统通过钢丝绳16整体缓慢下放至钻孔水面以下，根据计数器15的读数控制下放深度。当下储水圆筒24上的进水阀一26到达指定取水深度后，锁定绞车14。在下放装置过程中，进水阀一26和栓塞进水阀25的外部水压大于内部水（气）压，进水阀一26和栓塞进水阀25自动打开，因此钻孔中的水不断经由进水阀一26和栓塞进水阀25分别进入下储水圆筒24和下气压栓塞11中；下储水圆筒24被灌满水后，在压力作用下上储水圆筒23底部的进水阀二27自动，水不断经由进水阀二27进入上储水圆筒23中；待上储水圆筒23被灌满后，水开始进入输水管29和取水输气管19中；下气压栓塞11被灌满水后，水经由连通管进入上气压栓塞10中；当上气压栓塞10被灌满水后，水开始进入栓塞输气管9中；当取水装置到达指定取水深度后，栓塞输气管9、输水管29和取水输气管19中的水面与钻孔内的地下水面持平；取水装置处于压力平衡状态，栓塞进水阀25、进水阀一26和进水阀二27自动关闭；

（d）关闭取水输气管控制阀6和释压阀4；缓慢打开加压阀3，气压泵1开始给上气压栓塞10和下气压栓塞11充气，使其体积增大；利用挡片12将上气压栓塞10和下气压栓塞11固定在预设位置；上气压栓塞10和下气压栓塞11通过连通管相连，保证压强同步变化；持续加压过程中，注意气压表2的读数，当读数急剧增大时，上气压栓塞10和下气压栓塞11已经延伸至钻孔孔壁，且紧密接触；关闭加压阀3和栓塞加压阀7；

（e）打开取水输气管控制阀6，缓慢打开加压阀3，气压泵1开始给取水输气管19充气加压；取水输气管19气压增大导致了进水阀一26内部水压大于外部钻孔水压，进水阀一26自动关闭；此时，进水阀二27下部水压大于上部水压，进水阀二27自动打开；下储水圆筒24内的水经由进水阀二27进入上储水圆筒23中；上储水圆筒23中的水则不断进入输水管29中；取水输气管19中的气压不断增大使得取水输气管19内的水面不断下降，而输水管29中的水面不断上升；并最终从输水管29的出水口溢流至接水容器30中；持续加压的过程中，时刻注意气压表2的读数，以及输水管29出水口的状态，当出水口出现同时喷气和喷水现象时，记下气压表2的读数，此读数为该取水深度的峰值气压，超过峰值气压后几乎不会有水溢流出来。峰值气压出现是因为取水输气管19中的水面低于进水阀二27的位置，此时气体直接进入了两个储水圆筒21中，由于空气密度小于水的密度，进入圆筒的气体会首先被排出而水则不会排出；

（f）关闭加压阀3，缓慢打开释压阀4，取水输气管19中气压随之缓慢降低；进水阀二27下部水压低于上部水压，进水阀二27自动关闭；进水阀一26外侧钻孔水压高于进水阀一26内侧下储水圆筒24水压，进水阀一26自动打开；钻孔中的水经由进水阀一26进入下储水圆筒24中；此后，下储水圆筒24内的水压开始逐渐增加，直至与钻孔内的水压相同，进水阀一26两侧没有压力差而自动关闭；取水输气管19中的水面恢复至与钻孔地下水面齐平；关闭释压阀4。自此，在指定深度完成一次输送水样；

（g）由于在用上气压栓塞10和下气压栓塞11隔离取水试段之前，所取的水仍是钻孔中的混合水，因此需要在隔离段连续取水，从而将混合水替换掉以保证获取原位地层中的水；重复步骤（e）-（f）实现在指定深度连续取水；连续取水过程中，气压表2读数不能超过峰值气压；当接水容器30中水的体积超过栓塞隔离段钻孔体积后，从输水管29出水口排出的水可以认为是原位水样，原隔离段的混合水基本被替换掉了；此后，倒掉接水容器30中的水，将原位水样灌进取样瓶中以进行后续分析工作。自此，在指定深度完成原位取样工作；

（h）打开栓塞加压阀7，上气压栓塞10和下气压栓塞11的气囊体积缩小，解锁绞车14；重复步骤（c）~（g），可以连续获取钻孔水面以下不同深度的原位水样；

（i）钻孔原位水样采集工作结束，解锁绞车14，通过钢丝绳16将取水装置从钻孔内提升至地面；拆分钻孔取水装置：将钢丝绳16与上储水圆筒23分离；将输气管5与取水输气管19分离；输气管5与栓塞输气管9分离；将输水管29与上储水圆筒23分离；将取水输气管19与下储水圆筒24分离；将储水圆筒21中的水从上圆筒接头处倒出，将取水输气管19和输水管29中的水排出；将气压栓塞中的水通过栓塞进水阀25排出；整装该钻连续获取钻孔原位水样的装置，移至下一个钻孔处。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种连续获取钻孔原位水样的装置，包括气压控制系统、管道输送系统和升降控制系统，所述气压输送系统包括气压泵和与气压泵相连通的输气管，所述管道输送系统包括栓塞输气管、取水输气管和输水管，所述输水管的末端设有接水容器，所述输气管上设有气压表、加压阀和释压阀，所述升降控制系统包括绞车、计数器和钢丝绳，其特征在于，还包括进水控制系统和栓塞隔离系统，所述进水控制系统包括储水圆筒，所述储水圆筒通过钢丝绳与所述绞车连接，所述钢丝绳绕过所述计数器，所述储水圆筒中设有隔板，所述隔板将储水圆筒分为上储水圆筒和下储水圆筒，所述下储水圆筒通过取水输气管与所述输气管连通，所述上储水圆筒与所述输水管连通，下储水圆筒的筒壁上设有进水阀一，所述隔板上设有进水阀二，所述栓塞隔离系统包括套设在上储水圆筒上部的上气压栓塞和套设在下储水圆筒下部的下气压栓塞，所述上气压栓塞与下气压栓塞通过连通管连通，所述下气压栓塞上设有栓塞进水阀，所述上气压栓塞通过栓塞输气管与所述输气管连通，所述取水输气管上设有取水输气控制阀，所述栓塞输气管上设有气压栓塞加压阀。

2.如权利要求1所述的连续获取钻孔原位水样的装置，其特征在于，所述进水阀一、进水阀二和栓塞进水阀均为单向阀。

3.如权利要求1所述的连续获取钻孔原位水样的装置，其特征在于，所述上气压栓塞的上下两端和下气压栓塞的上下两端均设有挡片。

4.如权利要求1所述的连续获取钻孔原位水样的装置，其特征在于，所述栓塞输气管、取水输气管、输水管以及上气压栓塞和下气压栓塞均由橡胶材料制成。

5.如权利要求1所述的连续获取钻孔原位水样的装置，其特征在于，所述上储水圆筒和下储水圆筒的体积相等。

6.如权利要求1所述的连续获取钻孔原位水样的装置，其特征在于，所述储水圆筒和隔板由不锈钢材料制成。

7.如权利要求1所述的连续获取钻孔原位水样的装置，其特征在于，所述输气管与栓塞输气管通过栓塞输气管连接头相连；所述输气管与取水输气管通过取水输气管连接头相连。

8.如权利要求1所述的连续获取钻孔原位水样的装置，其特征在于，所述取水输气管与下储水圆筒通过下储水圆筒连接头相连；所述上储水圆筒与输水管通过上储水圆筒连接头相连。

9.一种连续获取钻孔原位水样的取水方法，其特征在于，包括以下步骤：

（a）从研究区选择需进行原位取水的钻孔；

（b）在地面组装钻孔取水装置：

（c）打开栓塞加压阀、打开释压阀、打开取水输气管控制阀、关闭加压阀，将栓塞隔离系统和进水控制系统通过钢丝绳整体缓慢下放至钻孔水面以下，根据计数器的读数控制下放深度，当下储水圆筒上的进水阀到达指定取水深度后，锁定绞车；

（d）关闭取水输气管控制阀和释压阀；缓慢打开加压阀，气压泵开始给上气压栓塞和下气压栓塞充气，使其体积增大；持续加压过程中，注意气压表的读数，当读数急剧增大时，关闭加压阀和栓塞加压阀；

（e）打开取水输气管控制阀，缓慢打开加压阀，气压泵开始给取水输气管充气加压；此时，进水阀一自动关闭；进水阀二自动打开；下储水圆筒内的水经由进水阀二进入上储水圆筒中；上储水圆筒中的水则不断进入输水管中，并最终从输水管的出水口溢流至接水容器中；持续加压的过程中，当出水口出现同时喷气和喷水现象时，记下气压表的读数，此读数为该取水深度的峰值气压；

（f）关闭加压阀，缓慢打开释压阀，取水输气管中气压随之缓慢降低；进水阀二自动关闭；进水阀一自动打开；钻孔中的水经由进水阀进入下储水圆筒中；此后，下储水圆筒内的水压开始逐渐增加，直至与钻孔内的水压相同，进水阀一自动关闭；取水输气管中的水面恢复至与钻孔地下水面齐平；关闭释压阀；

（g）重复步骤（e）~（f）实现在指定深度连续取水；当接水容器中水的体积超过栓塞隔离段钻孔体积后，倒掉接水容器中的水，将原位水样灌进取样瓶中以进行后续分析工作；

（h）打开栓塞加压阀，上气压栓塞和下气压栓塞的气囊体积缩小，解锁绞车；重复步骤（c）~（g），可以连续获取钻孔水面以下不同深度的原位水样；

（i）钻孔原位水样采集工作结束，解锁绞车，通过钢丝绳将取水装置从钻孔内提升至地面；拆分钻孔取水装置：整装该钻连续获取钻孔原位水样的装置，移至下一个钻孔处。

10.如权利要求9所述的连续获取钻孔原位水样的取水方法，其特征在于，在步骤（e）~（g）的连续取水过程中，气压表读数不能超过峰值气压。