CN107023289A - 一种u型管地下流体多层取样装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种U型管地下流体多层取样装置，包括：地面辅助系统、支撑系统、取气单元、取水单元以及层间封隔器，所述取气单元、取水单元以及封隔器均安装在支撑系统的支撑连接杆上；所述取气单元布设在潜水面以上的包气带中，所述取水单元布置在潜水面以下，所述封隔器与取气单元和取水单元融合到一起，实现不同含水层间以及同一个含水层取样层位的取样单元上下部分水力不连续，从而封隔不同含水层间的地下水，使之不会因为钻孔通道而相互扰动。本发明的U型管地下流体多层取样装置结构设计简单新颖，无启动压力，提高了设备使用寿命以及进样速度，成本降低，适用范围更广。
Description
技术领域
本发明涉及地下流体环境监测技术领域，具体涉及一种U型管地下流体多层取样装置，适用于对地下流体进行分层高精度取样。
背景技术
2014年全国200多个城市开展地下水水质监测工作，按照《地下水质量标准》(GB/T14848-93)水质较差的监测点占到45.4％，极差的监测点达到16.1％。地下水污染已经成为影响我国人民生活健康和城市建设的非常严峻的问题。除了常规的引用水源的水质监测之外，相关的工矿企业、垃圾填埋场和加油站等都需要定期进行地下水质监测，及时发现并消除可能的环境风险。另外在科研领域，CO2地质封存、水文地质调查、废弃物地下埋存等都需要对目标场区进行地下流体取样与监测工作。在工业领域内，石油化工类企业也需要对石油化工产品实时取样分析。然而现有的取样方法简陋，取样适用性较差，取出的样品代表性较差等缺点，迫切需要新型的取样设备解决上述缺点。
现有的取样方法主要有取样筒、惯性泵、真空泵、蠕动泵等。这些取样方法普遍存在取样深度受限，水样与大气直接相通影响挥发性成分的保真，设备稳定性和适应性较差等缺点。现有的主要监测井取样器类型包括下井式定深取样器(如：地下水定深取样器，公开号为CN 201548425 U；地下水取样装置，公开号：CN 203479575 U)，泵式多级监测取样器(如：一种连续多通道监测井地下水样品快速采集装置，公开号：CN 104807675 A)和气体推动式取样器(如：一种多级监测井气压泵取样系统装置及其方法，公开号：CN 102749223A)。不同类型的取样器各有优缺点，比如下井式定深取样器和泵式多级监测取样器普遍存在所取水样直接与大气接触，不同深度样品扰动较大等缺点。虽然有些取样器采用蠕动泵采集地下流体，但是依然受电源、使用寿命、水中杂质等影响，使设备应用受到很大局限。地下流体监测工作很多情况下都是在较为偏远的地区进行，因此取样设备要有较好的场地适应性。
气体推动式取样器具有取样高保真、场地适应性强等特点。美国最早开发了U型管地下流体取样系统，并应用到多个工程现场，取样深度能达到1500米级。我国也对类似产品进行了研发，发明专利“一种浅层井内分层气液流体取样装置”(公开号：CN103437762A)和“一种气体推动式地下流体分层取样装置”(申请号：201410197719.9)公开了基于气体推动式取样技术，针对浅部地层多层地下流体取样装置实现了对多个地层进行长期连续取样，同时能精准控制取样层位。具有结构简单、成本低廉，同时不依赖电源具有良好的场地适应性。但是仍然存在一些技术难点无法完全克服：(1)应用深度有限，受限于塑料材质和气动接头的耐压能力，应用范围一般不超过-30m；(2)因液相单向阀并不能较好适应泥沙含量较多的地下流体环境，可能会发生淤堵，且一旦单向阀失效将导致整个层位取样失败；(3)液相单向阀存在启动压力，因此只能在地下潜水面一定深度才能启动，当单向阀在液面以下较浅尚未达到启动压力条件时会无法取样；(4)液相单向阀存在逆向导通压力，即当取样压力过大会破坏单向阀；(5)层间串水或井筒内长期的残余流体混入样品，导致地面所取的地下流体样品失去代表性。(6)钻井液大量滞留在井筒中或者进样段空腔中，排出钻井液困难，在安装完监测井后长期无法消除钻井液的影响。上述技术难点会导致无法取到更深的代表性水样，或者取样深度的增加会极大增加取样成本，以及地下流体在取样过程中受到污染，无法保证样品的保真度等这些基本要求。
发明内容
针对以上问题，为了克服现有地下流体取样装置的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种新型的U型管地下流体多层取样装置，该取样装置结构设计简单新颖，将气体通道和液体通道分开，且液体通道处于常开状态，取样液体可以自由流入取样装置，无压力敏感元件，无启动压力，提高了设备使用寿命以及进样速度，成本降低，适用范围更广。
为了实现上述目的，本发明的一种U型管地下流体多层取样装置，包括：地面辅助系统、支撑系统、取气单元、取水单元以及层间封隔器，其特征在于，所述支撑系统通过支撑连接杆将所述取气单元、取水单元以及层间封隔器连接在一起。
所述层间封隔器，包括封隔上挡板、封隔下挡板以及浆囊，将所述取气单元的井下部分、所述取水单元的井下部分的取样元件分别包装到其内部，形成独立模块并连接在所述支撑连接杆上的不同位置，利用封隔器的上下两端，将取样深度上下两侧水、气与取样进样口处的待取样品阻隔。
所述层间封隔器，还可以设置于不同的含水层之间，实现含水层层间封隔的作用。
所述取气单元，包括：设置于井上的抽气泵、采气袋、以及设置于井下的抽气管、取气锥形挡板、取气过滤材料以及取气网格挡板，该取气单元的井下部件除部分抽气管外均被封装在所述层间封隔器中。
所述抽气管从所述井头基座穿过所述封隔上挡板进入所述浆囊，在所述浆囊内部的抽气管外套装有取气段硬质外管，在所述抽气管末端连接由所述取气锥形挡板与所述取气网格挡板形成的锥形空间，所述取气段硬质外管一端与所述封隔上挡板连接，另一端与所述取气锥形挡板的顶端密封连接，穿过所述浆囊的位置与所述浆囊密封连接，靠近进气口的位置，在所述抽气管和所述取气段硬质外管之间用胶密封，所述取气锥形挡板和所述浆囊密封连接，锥形空间直接连通地层，与地层之间设有所述取气网格挡板，将颗粒状土粒或石粒阻挡在取样系统外面，锥形空间内填充有多孔材料的取气过滤材料，对气体进一步过滤，防止土壤颗粒堵塞所述抽气管，在地面的所述抽气泵进气端连接所述抽气管，出气端连接作为储气容器的所述采气袋。
所述取水单元设置在所述取气单元下方的含水层，包括：气动管、换向阀、出液管、取水锥形挡板、取水过滤材料以及取水网格挡板，该取水单元的井下部件除部分气动管和出液管之外均被封装在所述层间封隔器中。
所述取水单元取样层位和井头之间通过所述气动管和所述出液管连接，所述气动管的井头一端与所述高压气源连接，井下一端与所述换向阀的阀体进气口连接，所述出液管的井头一端与所述水样瓶相连，井下一端与所述换向阀的阀体出液口连接，在所述层间封隔器的浆囊内部的所述气动管、所述换向阀和所述出液管外侧套装有硬质外管，所述硬质外管连接所述封隔上挡板和所述封隔下挡板，穿过所述浆囊的位置与所述浆囊密封连接，所述换向阀的阀体进液口与所述取水锥形挡板的顶端密封连接，所述取水锥形挡板是一顶端开口，无底面的薄壁椎体结构，底端与所述浆囊密封连接，锥形空间直接连通地层，与地层之间设所述取水网格挡板，将颗粒状土粒或石粒阻挡在取样系统外面，锥形空间内填充所述取水过滤材料，对地下水进一步过滤，防止土壤颗粒堵塞所述换向阀，在自然状态下所述换向阀处于常开状态，地下水样直接通过所述取水网格挡板进入锥形空间，继而通过所述换向阀进入所述出液管中，形成地下水样的导流通道以及地下水暂时储存空间。
所述换向阀包括：阀体顶盖、阀体、阀芯、弹簧以及阀体底盖，所述阀体顶盖，中间开设有与高压气源连接的阀体进气口；所述阀体，为圆柱体结构，在靠近其中间位置的两侧壁对称地开设有阀体进液口和阀体出液口，所述阀体内腔壁上部自顶部至靠近所述阀体进液口和所述阀体出液口的位置呈内楔形环面。
所述阀芯，整体呈台阶形圆柱状，其下部较细上部较粗，所述阀芯顶端开设有L型通孔，所述阀芯中间开设有横向的直通孔，该L型通孔出气口和直通孔在同一个平面内，所述阀芯外侧的上半部呈外楔形结构的环面，与所述阀体内腔的所述内楔形环面配合形成楔形自密封构造，所述阀芯下端为细圆柱体。
所述阀体底盖，与所述阀体连接，其内侧和外侧各设有一凸起，中间通孔，在所述阀芯下部和所述阀体底盖内侧凸起之间安设有弹簧。
所述换向阀的所述阀体顶盖为凸缘状结构，在其与所述阀体连接的面设有小于所述阀体内腔直径的凹槽，该凹槽的槽深为1～2mm。
所述阀芯下端的细圆柱体底端形成为弧状结构；所述阀体底盖内侧凸起通孔端面形成为弧状，当所述阀芯位于底部位置时，该端面与所述阀芯下端的细圆柱体底端啮合。
所述阀体底盖外侧凸起内的通孔直径形成为大于所述阀体底盖内侧的通孔直径，在所述阀体底盖的外侧通孔内放置有浮球，在所述浮球下方的所述阀体底盖的外侧通孔内还设置有泄压转接接头，该泄压转接接头为圆柱状的中空柱体结构，其与所述浮球接触端的端面设有凸起，该端的圆柱体外壁光滑，与所述阀体底盖的外侧通孔过盈装配；所述泄压转接接头的另一端与所述调压导管的一端连接，所述调压导管的另一端与设置在所述阀体出液口处的调压孔连接。
形成于所述阀体内腔壁上部的内楔形环面、以及与该内楔形环面相对应地形成于所述阀芯上半部的外楔形环面的楔形坡度为2～5°。
所述换向阀的所述阀体顶盖的所述阀体进气口为直径3～5mm。
本发明的一种U型管地下流体多层取样装置，包括：地面辅助系统、支撑系统、取气单元、取水单元以及层间封隔器。
所述地面辅助系统，包括：水样瓶、高压气源、注浆机以及井头基座，为整个装置提供动力源以及样品容器。
所述支撑系统，包括支撑连接杆，其上端与井头基座连接，在所述支撑连接杆的不同位置上还连接所述取气单元、所述取水单元以及所述层间封隔器的井下部件，在所述支撑连接杆的最下端安装有锥形配重端子，为整个装置安装以及工作状态中起到支撑和配重作用。
所述层间封隔器，设置于不同的含水层之间或者与所述取气单元或者取水单元相结合设置于同一个含水层取样层位，由封隔上挡板、封隔下挡板以及浆囊构成，将所述取气单元的井下部分、所述取水单元的井下部分的取样元件分别包装到其内部，形成独立模块并连接在所述支撑连接杆上，利用穿过封隔器内部的所述支撑连接杆上的出浆口喷出膨胀胶，通过所述膨胀胶的压力以及所述浆囊和所述膨胀胶易变形的特点对井壁不均匀凸起和凹陷进行包裹，利用封隔器的上下两端，将取样深度上下两侧水、气与取样进样口处的待取样品阻隔。
所述取气单元，包括：设置于井上的抽气泵、采气袋、以及设置于井下的抽气管、取气锥形挡板、取气过滤材料以及取气网格挡板，该取气单元的井下部件除部分抽气管外均被封装在所述层间封隔器中，该取气单元的井下部分布设在潜水面以上的包气带中的目标深度，以获取土壤气的样品。
所述取气单元的所述抽气管从所述井头基座穿过所述封隔上挡板进入所述浆囊，为了保证气密性，抽气管一般采用整根不分段直通地表，穿过封隔上挡板处用胶固定。由于浆囊内部注入膨胀胶后会有一定压力，因此在浆囊内部的抽气管外套装有取气段硬质外管起保护作用，在所述抽气管末端连接由所述取气锥形挡板与所述取气网格挡板形成的锥形空间，所述取气段硬质外管一端与所述封隔上挡板连接，另一端与所述取气锥形挡板的顶端密封连接，穿过所述浆囊的位置与所述浆囊密封连接，靠近进气口的位置，在所述抽气管和所述取气段硬质外管之间用胶密封，防止抽气时混入其他气体，以及气体积聚在两管之间的缝隙影响取样的准确性。取气锥形挡板也能够承受膨胀胶的压力，以保持锥形空间的稳定。所述取气锥形挡板和所述浆囊密封连接，锥形空间直接连通地层，与地层之间设有所述取气网格挡板，将颗粒状土粒或石粒阻挡在取样系统外面，锥形空间内填充有多孔材料的所述取气过滤材料，对气体进一步过滤，防止土壤颗粒堵塞所述抽气管，在地面的所述抽气泵进气端连接所述抽气管，出气端连接作为储气容器的所述采气袋，当打开所述抽气泵时，则土壤气就直接通过所述取气网格挡板进入锥形空间，继而通过所述抽气管和所述抽气泵进入所述采气袋，实现取气操作。
由于取气单元位于取水单元的上部，因此取气单元的浆囊内部会有取水单元的管线穿过取气单元，这些管线外部均设有硬质外管，以防止膨胀胶的压力直接作用于取水单元的管线。同时硬质外管要与浆囊之间密封连接。
所述取水单元，包括：气动管、换向阀、出液管、取水锥形挡板、取水过滤材料以及取水网格挡板，该取水单元的井下部件除部分气动管和出液管之外均被封装在所述层间封隔器中，在所述浆囊内部的所述气动管、所述换向阀和所述出液管外侧套装有硬质外管，该取水单元的井下部分布置在潜水面以下的指定深度，以获取地下水的样品。
所述取水单元设置在所述取气单元下方的含水层，取水单元取样层位和井头之间通过所述气动管和所述出液管连接，所述气动管的井头一端与所述高压气源连接，井下一端与所述换向阀的阀体进气口连接，高压气体通过气动管，能够起到气动控制换向阀的工作状态，以及为地下水取样提供动力的作用。所述出液管的井头一端与所述水样瓶相连，井下一端与所述换向阀的阀体出液口连接，出液管的作用是地下水的导流通道以及地下水暂时储存空间。为了保护出液管和气动管在浆囊内部的部分不受膨胀胶挤压变形，在取水单元的封隔器中设置硬质外管，以保护换向阀、气动管和出液管。所述硬质外管连接所述封隔上挡板和所述封隔下挡板，穿过所述浆囊的位置与所述浆囊密封连接，所述换向阀的阀体进液口与所述取水锥形挡板的顶端密封连接，所述取水锥形挡板是一顶端开口，无底面的薄壁椎体结构，底端与所述浆囊密封连接，防止膨胀胶破坏进样液间，在充满膨胀胶的环境中营造一个进液空间。锥形空间直接连通地层，与地层之间设所述取水网格挡板，将颗粒状土粒或石粒阻挡在取样系统外面，锥形空间内填充所述取水过滤材料，对地下水进一步过滤，防止土壤颗粒堵塞所述换向阀，在自然状态下所述换向阀处于常开状态，地下水样直接通过所述网格挡板进入锥形空间，继而通过所述换向阀进入所述出液管中，形成地下水样的导流通道以及地下水暂时储存空间，当接通高压气体后，高压气体推动所述换向阀动作，使得高压气体通过所述换向阀进入所述出液管，从而将出液管中的水样压出，流入至所述水样瓶中，从而实现取水操作，停止取样时，关闭所述高压气源，所述换向阀恢复常开状态，地下水再次经过所述取水过滤材料进入取样系统，直到再次达到压力平衡。
另外，本发明的U型管地下流体多层取样装置，为了阻断不同含水层间的水力联系，根据实际需要还可以在不同含水层间设置含水层间封隔器，由封隔上挡板、封隔下挡板以及浆囊构成，其连接在所述支撑连接杆上，利用穿过封隔器内部的所述支撑连接杆上的出浆口喷出膨胀胶，通过所述膨胀胶的压力以及所述浆囊和所述膨胀胶易变形的特点对井壁不均匀凸起和凹陷进行包裹，从而实现含水层层间封隔的作用。含水层间封隔器的结构和取气单元、取水单元的封隔器类似，不同的是含水层间封隔器内部没有取样装置，所述含水层间封隔器的封隔的长度应根据含水层和地层特征进行选择，当所述含水层间封隔器内部根据实际需要而有更深层位的管线穿过时，则在所述浆囊内部布置硬质外管，以保护穿过的管线。
本发明的U型管地下流体多层取样装置，在安装过程中首先钻凿一个钻孔，钻孔直径介于100～300mm之间，钻孔穿过多个目标取样深度。在井头设置水泥井头基座，为整个取样系统提供支撑和操作平台。本发明采用模块化设计，将取气单元的井下部分、取水单元的井下部分、层间封隔器分别包装成独立模块，各模块之间用支撑连接杆连接。取气单元的井下部分和取水段的井下部分的取样元件包装到相应封隔器内部，利用一个封隔器的上下两端，将取样深度上下两侧水、气与取样进样口处的待取样品阻隔。取气单元的井下部分安装在潜水面以上的目标深度。取水段的井下部分安装在潜水面以下的指定深度。安装深度可以根据支撑连接杆的下方深度进行精准控制。如果钻孔穿过多个含水层，则在含水层之间布置一个含水层间封隔器，阻断两个含水层之间的水力联系。
支撑连接杆可以是一根完整的中空管或者多根支撑连接杆串联在一起，支撑连接杆材料选择受取样段数量与层间封隔器数量之和以及取样深度限制，当取样层位总数量与层间封隔器数量之和小于6且应用深度低于30m，支撑连接杆采用高强度塑料材质，反之采用金属管。当支撑连接杆是由多根中空管串联而成时，其不同段支撑连接杆之间通过螺纹连接，封隔器之间或取样段之间的管线都是通过快插式接头进行连接。当各取气单元的井下部分、取水段的井下部分和层间封隔器安装到指定深度之后，封隔器中被浆囊包裹的支撑连接杆的靠近下端的位置开设一注浆口，方便注浆。在井头利用注浆机从支撑连接杆的中心孔中将膨胀胶注入到浆囊中。在膨胀胶的作用下，各封隔器实现封隔作用。在支撑连接杆的最低端安装锥形配重端子。安装高压气源等取样装置即可进行取样操作。
所述取气单元、取水单元和层间封隔器均布置在所述支撑系统的支撑连接杆上，安装到钻孔中。支撑连接杆起到标尺的作用，根据支撑连接杆对应地层深度布置相应取样层位的取气单元、取水单元或者层间封隔器。取气单元、取水单元和含水层间封隔器均通过上下两个封隔挡板约束其沿支撑连接杆方向的位移，封隔上挡板和封隔下挡板中间都具有一定弹性耐磨的浆囊。其中浆囊的最大直径需要大于钻孔直径。取气单元、取水单元和含水层间封隔器的不同之处是浆囊内部根据取气、取水和封隔功能上的差别，存在结构上的差别。当取样装置的井下部分连接组装完毕，下放到钻孔内之后，从地面的注浆机通过中空的支撑连接杆往各层位的浆囊中注入膨胀胶。膨胀胶通过支撑连接杆在浆囊内部开设的出浆口进入浆囊内部。当浆囊内部压力增加且受封隔上挡板和封隔下挡板的约束，会使弹性的浆囊沿着径向挤压钻孔的井壁。由于弹性的浆囊和流体状的膨胀胶具有较大的变形，能够包裹井壁不均匀凸起和凹陷，如此在沿着井壁一定长度范围内形成较好的密封封隔效果。通过这个原理实现不同含水层间以及同一个含水层取样层位取样单元上下部分水力不连续。即使在地层中地下水会有运移扩散，也属于正常的水力联系，较好的降低了钻孔对地下水利系统的破坏作用。由于膨胀胶产生一定压力，因此浆囊与其他有直接连接关系的部件的密封性要符合压力要求。
换向阀由阀体顶盖、阀体、阀芯、弹簧、阀体底盖、浮球以及调压导管等构成。该换向阀为圆柱体结构，直径8～20mm，高度20～40mm，阀体顶盖、阀体底盖与阀体焊接连接或者螺纹密封成整体。阀体顶盖为凸缘状结构，中间开设有阀体进气口(直径3～5mm)，与气动管连接。其与阀体连接的面设有小于阀体内腔直径的凹槽(槽深1～2mm)，阀体靠近中间位置的两侧壁对称地开设有阀体进液口和阀体出液口，阀体进液口与锥形挡板的顶端密封连接，直接连通外部流体环境，阀体出液口与出液管连接，从而将地下水样的导流至水样瓶中，阀体内腔壁上部靠近阀体进液口和阀体出液口的位置设计成内楔形结构的环面，楔形坡度为2～5°。
阀芯整体呈台阶形圆柱状，其下部较细上部较粗。阀芯顶端开设有L型通孔的阀芯出气口，阀芯中间开设有横向的直通孔，L型通孔的阀芯出气口和直通孔在同一个平面内。阀芯直通孔以上的柱体(即阀芯上部)的外侧设计成外楔形结构的环面，与阀体内腔的楔形环面对应，随着阀芯向下运动，两个楔形环面相互接触，当阀芯位于底部位置时，该外楔形结构与所述阀体上部的内楔形内腔壁形成楔形自密封构造，从而起到密封作用。阀芯下端是一细圆柱体，圆柱底端设计成弧状结构。
阀体底盖内侧和外侧各设有一凸起，中间通孔，阀体底盖内侧凸起通孔端面为一弧状，当阀芯位于底部位置时，该端面与阀芯下端的细圆柱体底端啮合。
在阀芯下部和阀体底盖内侧凸起处安设有弹簧，弹簧使阀芯在正常状态下始终处于阀体内腔的上部。阀芯下端的细圆柱和阀体底盖内侧凸起为弹簧提供附着位置，同时弹簧两端固定，防止阀芯旋转。
阀体底盖外侧凸起内的通孔直径形成为大于阀体底盖内侧的通孔(即底盖泄压孔)直径，在阀体底盖的外侧通孔内放置有塑料浮球，在浮球下方的阀体底盖的外侧通孔内还设置有泄压转接接头，该泄压转接接头为圆柱状的中空柱体结构(中间通孔内径为1～3mm)，其与浮球接触端的端面设有凸起，该凸起能够保证浮球与泄压转接接头的端面之间始终存在缝隙，使浮球不能密封泄压转接接头，保持泄压通道的畅通，该端的圆柱体外壁光滑，与阀体底盖的外侧通孔过盈装配；泄压转接接头的另一端与调压导管的一端通过胀紧或者焊接等方式连接，可以在外壁设有多道环状凸起以便在采用胀紧连接时增加接口之间的密封效果。调压导管的另一端与设置在阀体出液口处的调压孔连接。
换向阀在弹簧的自然状态下，阀芯直通孔和阀体进液口、阀体出液口导通形成通路，外界环境流体自然流入。当高压气体通过阀体进气口进入L型通孔后，推动阀芯下移，最终阀芯L型通孔的出气口与阀体出液口导通，外界流体无法流入。由于弹簧两端固定，能保证阀体和阀芯各孔的对应关系不变。阀体出液口为三通构造，其中一小孔即调压孔通过调压导管与泄压转接接头胀紧连接。
换向阀的各部件材料可根据具体取样及分析需求选择使用金属材料或无机非金属材料。
在该换向阀正常使用时，处于液体环境中，其中阀体进气口与高压气源连通，与液体环境不直接导通，阀体进液孔和阀芯直通孔直接与液体环境导通，阀体出液口与取样装置的储存流体的容器直接连通。当阀体进气孔没有接通高压气源时，阀芯在弹簧的作用下处于阀体的上部位置。此时阀体出液口、阀芯直通孔和阀体进液口形成通路，外界环境流体通过阀体进液口、阀芯直通孔和阀体出液口流入储流容器。当阀体进气口与高压气源接通之后，高压气体通过阀体进气口进入阀体内腔与阀芯端面之间的自由空间，并且压力迅速增加。当阀芯端面受到的压力大于弹簧施加给阀芯的压力时，阀芯向下移动，此时阀芯上端的楔形环面与阀芯内腔的楔形环面之间的间隙越来越小，形成自密封的效果。随着阀芯的下移，阀芯下部与阀体内腔的空间逐渐减小，其中的流体通过阀体底盖通孔流出阀体。当阀芯到达最低端的位置时，阀芯L型通孔的下端与阀体出液孔导通，两楔形环面形成楔形自密封构造，从而起到密封作用。此时阀体进气口与阀体出液口通过阀芯L型孔导通，阀体出液口与阀体进液口不导通。当降低阀体进气口的压力直到关闭与高压气源的连通的过程中，弹簧对阀芯的压力逐渐大于高压气体对阀芯的压力，则弹簧推动阀芯向上移动。阀芯L型通孔与阀体出液口错开，阀体进气口与阀体出液口不导通，阀体出液口与阀体进液口通过阀芯直通孔重新导通。
换向阀的阀体和阀芯可以使用工程塑料材质，气动管、出液管等管线可以采用塑料软管，取水锥形挡板、取水网状挡板等直接与水样接触的部件除了换向阀内部的弹簧之外均可以采用塑料材质。
在取样装置的使用过程中，只有在安装未注浆之前会有泥沙含量较多的钻井液。注浆之后，受到膨胀的浆囊挤压，浆囊与钻井井壁中间的钻井液被挤出。能进入取样装置的钻井液只有锥形空间和换向阀内部自由空间以及出液管中在安装时流入的少量钻井液。这部分钻井液经过两道过滤之后才能进入出液管，在取样装置安装完成之后仅需要1～2次洗井操作即可极大降低钻井液对地下水样的影响。
本发明涉及的气动管、出液管可以根据组装方便分段用气动接口、出液接口等快速接头连接，也可以全线完整安装。但是各连接处需要保证密封性。整个装置各段浆囊及浆囊与其他组件的连接处要密封且能承受一定压力。高压气源、水样瓶、抽气泵、采气袋等地面辅助装置只需在设备测试和取样过程中安装使用。注入膨胀胶，在浆囊中产生压力可以通过控制液压产生压力，也可以通过膨胀胶固化过程产生膨胀压力。
有益效果
根据本发明的一种U型管地下流体多层取样装置，在取样方面，在取水单元中使用换向阀替代传统的单向阀，通过高压气体或者弹簧推动阀芯切换地下水进样和取样两条通路，构造简单，避免了传统单向阀容易堵塞失效的问题，提高了设备使用寿命以及进样速度。换向阀的常开结构，无启动压力，即使在地下水液面附近也能取到样品，并且换向阀取样通道导通后阀芯和阀体通过结构上的定位设计，使换向阀能够承受较大的取样压力同时保证正常工作能够在各种压力环境下正常进样，适用范围更广。导通高压气体后，取样通道打开，换向阀的阀芯和阀体采用楔形自密封设计自动切断进样通道，保证取样时换向阀内部取样通路的密封性，避免了传统单向阀中的滑动密封导致密封圈损坏，井下维护困难等缺陷，同时也避免了单向阀反向压力过载的缺点，取样压力在较大的范围内调整不影响元件的使用。另外，本发明的U型管地下流体多层取样装置，结构简单，没有压力敏感部件暴露在外，应用深度可以达到上百米，取样系统的设计避免了大量钻井液进入取样系统内部。
另外，本发明的一种U型管地下流体多层取样装置，在封隔方面，将各取样单元整合到封隔器中，封隔器和取样段融合到一起，一个改造的封隔器对应一个取样层位，节约了封隔器的使用数量，使有效封隔区间更有针对性，保证了封隔效果，降低了成本，封隔器也可以不与取样段融合而单独使用，直接注浆起到含水层间封隔作用。另外，封隔器所在的井筒空间由浆囊和膨胀胶充满，封隔区域内钻孔中的水被挤出，取样单元直接连通封隔区域的地层中采集流体样品。采用浆囊式注浆封隔方式，封隔器与井壁间设立锥形空间用来进样，保证了样品直接来自地层，不受钻井液、其他地层水或含水层的影响，有效避免了层间串水，同时能够保证进样段无大量钻井液滞留。
附图说明
图1为本发明的一个实施方式的一种U型管地下流体多层取样装置的结构示意图；
图2为本发明的一个实施方式的一种U型管地下流体多层取样装置的取气单元的结构示意图；
图3为本发明的一个实施方式的一种U型管地下流体多层取样装置的取水单元的结构示意图；
图4为本发明的一个实施方式的一种U型管地下流体多层取样装置的换向阀的地下水进样状态的结构示意图；
图5为本发明的一个实施方式的一种U型管地下流体多层取样装置的换向阀的取样状态的结构示意图；图5-1为图5的局部放大图；
图6为本发明的一个实施方式的一种U型管地下流体多层取样装置的设于不同含水层之间的层间封隔器的结构示意图。
附图标记
1-地面辅助系统、1.1-水样瓶、1.2-高压气源、1.3-注浆机、1.4-井头基座、2-支撑连接杆、3-取气单元、3.1-取气段硬质外管、3.2-抽气管、3.3-取气锥形挡板、3.4-取气过滤材料、3.5-取气网格挡板、3.6-抽气泵、3.7-采气袋、取水单元(4a、4b)、4.1-出液接口、4.2-气动接口、4.3-出液管、4.4-气动管、4.5-取水锥形挡板、4.6-取水过滤材料、4.7-取水网格挡板、4.8-换向阀、4.8.1-阀体进气口、4.8.2-阀体顶盖、4.8.3-阀体、4.8.4-阀芯、4.8.5-阀体进液口、4.8.6-弹簧、4.8.7-阀体底盖、4.8.8-浮球、4.8.9-泄压转接接头、4.8.10-阀芯L型通孔进气端、4.8.11-阀芯L型通孔出气端、4.8.12-阀体出液口、4.8.13-调压孔、4.8.14-调压导管、4.8.15-底盖泄压孔、5-层间封隔器、5.1-封隔上挡板、5.2-硬质外管、5.3-浆囊、5.4-膨胀胶、5.5-封隔下挡板、5.6-出浆口、6a-第一含水层、6b-隔水层、6c-第二含水层。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一种U型管地下流体多层取样装置进行详细地说明。
图1为本发明的一个实施方式的一种U型管地下流体多层取样装置的结构示意图。本实施方式中仅针对一层取气两层取水两个含水层的情况进行说明，各取样单元的使用数量可以根据实际监测需要进行自由组装。
如图1所示，本发明的一种U型管地下流体多层取样装置，包括：地面辅助系统1、支撑系统2、取气单元3、取水单元4a、4b以及层间封隔器5。其中，地面辅助系统1包括：水样瓶1.1、高压气源1.2、注浆机1.3以及井头基座1.4，为整个装置提供动力源以及样品容器。
支撑系统具备支撑连接杆2，其上端与井头基座1.4连接，在支撑连接杆2的不同位置上连接取气单元3、取水单元4a、4b以及层间封隔器5的井下部件，在支撑连接杆2的最下端安装有锥形配重端子，为整个装置安装以及工作状态中起到支撑和配重作用。
层间封隔器5，设置于不同的含水层之间或者与取气单元3或者取水单元4a、4b相结合设置于同一个含水层取样层位，由封隔上挡板5.1、封隔下挡板5.5以及浆囊5.3构成，将取气单元3的井下部分、取水单元4a、4b的井下部分的取样元件分别包装到其内部，形成独立模块并连接在支撑连接杆2上，利用穿过封隔器5内部的支撑连接杆2上的出浆口5.5喷出膨胀胶5.4，通过膨胀胶5.4的压力以及浆囊5.3和膨胀胶5.4易变形的特点对井壁不均匀凸起和凹陷进行包裹，利用封隔器5的上下两端，将取样深度上下两侧水、气与取样进样口处的待取样品阻隔。
另外，本发明的U型管地下流体多层取样装置，为了阻断不同含水层间的水力联系，根据实际需要还可以在不同含水层间设置含水层间封隔器5，由封隔上挡板5.1、封隔下挡板5.5以及浆囊5.3构成，其连接在支撑连接杆2上，利用穿过封隔器5内部的支撑连接杆2上的出浆口5.5喷出膨胀胶5.4，通过膨胀胶5.4的压力以及浆囊5.3和膨胀胶5.4易变形的特点对井壁不均匀凸起和凹陷进行包裹，从而实现含水层层间封隔的作用。含水层间封隔器5的结构和层间封隔器类似，不同的是含水层间封隔器5内部没有取样装置，含水层间封隔器5的封隔的长度应根据含水层和地层特征进行选择，当含水层间封隔器5内部根据实际需要而有更深层位的管线穿过时，则在浆囊5.3内部布置硬质外管5.2，以保护穿过的管线。
取气单元3包括：设置于井上的抽气泵3.6、采气袋3.7、以及设置于井下的抽气管3.2、取气锥形挡板3.3、取气过滤材料3.4以及取气网格挡板3.5，该取气单元3的井下部件被封装在层间封隔器5中，该取气单元3的井下部分布设在潜水面以上的包气带中的目标深度，以获取土壤气的样品。
取水单元4a、4b包括：气动管4.4、换向阀4.8、出液管4.3、取水锥形挡板4.5、取水过滤材料4.6以及取水网格挡板4.7，该取水单元4a、4b的井下部件被封装在层间封隔器5中，在浆囊5.3内部的气动管4.4、换向阀4.8和出液管4.3外侧套装有硬质外管5.2，该取水单元4a、4b的井下部分布置在潜水面以下的指定深度，以获取地下水的样品。
本发明的U型管地下流体多层取样装置布控于一口地下流体多层监测井中，该井穿进含水层中。在安装过程中首先钻凿一个钻孔，钻孔直径介于100～300mm之间，钻孔穿过多个目标取样深度。在井头设置水泥井头基座1.4，为整个取样系统提供支撑和操作平台。本发明采用模块化设计，将取气单元3的井下部分、取水单元4a、4b的井下部分、层间封隔器5分别包装成独立模块，各模块之间用支撑连接杆2连接。取气单元3的井下部分和取水单元4a、4b的井下部分的取样原件包装到相应封隔器5内部，利用封隔器5的上下两端，将取样深度上下两侧水、气与取样进样口处的待取样品阻隔。取气单元3的井下部分安装在潜水面以上的目标深度。取水单元4a、4b的井下部分安装在潜水面以下的指定深度。安装深度可以根据支撑连接杆2的下方深度进行精准控制。如果钻孔穿过多个含水层，则在含水层之间布置一个含水层间封隔器，阻断两个含水层之间的水力联系。
支撑连接杆2可以是一根完整的中空管或者多根支撑连接杆2串联在一起，支撑连接杆2材料选择受取样段数量与层间封隔器5数量之和以及取样深度限制，当取样层位总数量与层间封隔器5数量之和小于6且应用深度低于30m，支撑连接杆2采用高强度塑料材质，反之采用金属管。当支撑连接杆2是由多根中空管串联而成时，其不同段支撑连接杆2之间可以通过螺纹连接，封隔器5之间或取样单元之间的管线可以通过快插式接头进行连接。当取气单元3的井下部分、取水单元4a、4b的井下部分和层间封隔器5安装到指定深度之后，封隔器5中被浆囊5.3包裹的支撑连接杆2的靠近下端的位置开设一注浆口，方便注浆。在井头利用注浆机1.3从支撑连接杆2的中心孔中将膨胀胶5.4注入到浆囊5.3中。在膨胀胶5.4的作用下，各封隔器5实现封隔作用。在支撑连接杆2的最低端安装锥形配重端子。安装高压气源1.2等取样装置即可进行取样操作。取气单元3、取水单元4a、4b和封隔器5均布置在支撑系统的支撑连接杆2上，安装到钻孔中。支撑连接杆2起到标尺的作用，根据支撑连接杆2对应地层深度布置相应取样层位的取气单元3、取水单元4a、4b或者封隔器5。取气单元3、取水单元4a、4b和含水层间封隔器5均通过上下两个封隔挡板约束其沿支撑连接杆2方向的位移，封隔上挡板5.1和封隔下挡板5.5中间都具有一定弹性耐磨的浆囊5.3。其中浆囊5.3的最大直径需要大于钻孔直径。取气单元3、取水单元4a、4b和含水层间封隔器5的不同之处是浆囊5.3内部根据取气、取水和封隔功能上的差别，存在结构上的差别。封隔器5的作用有3个：(1)当封隔器5和取气单元3结合时，封隔器5隔绝取气层位上下两端，使取气单元3只能采集指定层位深度的土壤气，当封隔器5与取水单元4a、4b结合时封隔器5隔绝取水层位上下两端，使取水单元4a、4b只能采集指定层位深度的地下水；(2)封隔器5单纯地用于封隔不同含水层时，如图中第一含水层6a和第二含水层6c，则布置在不同含水层之间，使之不会因为钻孔通道而相互扰动，一般布置在隔水层6b内；(3)封隔器5单独使用，当2层或两层取样层位在同一含水层之中时，封隔器5也可以布置在同一含水层的两个取样层位之间。当取样装置的井下部分连接组装完毕，下放到钻孔内之后，从地面的注浆机1.3通过中空的支撑连接杆2往各层位的浆囊5.3中注入膨胀胶5.4。膨胀胶5.4通过支撑连接杆2在浆囊5.3内部开设的出浆口5.5进入浆囊5.3内部。当浆囊5.3内部压力增加且受封隔上挡板5.1和封隔下挡板5.5的约束，会使弹性的浆囊5.3沿着径向挤压钻孔的井壁。由于弹性的浆囊5.3和流体状的膨胀胶5.4具有较大的变形，能够包裹井壁不均匀凸起和凹陷，如此在沿着井壁一定长度范围内形成较好的密封封隔效果。通过这个原理实现不同含水层间以及同一个含水层取样层位取样单元上下部分水力不连续。即使在地层中地下水会有运移扩散，也属于正常的水力联系，较好的降低了钻孔对地下水利系统的破坏作用。由于膨胀胶5.4产生一定压力，因此浆囊5.3与其他有直接连接关系的部件的密封性要符合压力要求。
下面具体说明取气单元3、取水单元4a、4b和层间封隔器5的结构。
图2为本发明的一个实施方式的一种U型管地下流体多层取样装置的取气单元的结构示意图。如图2所示，取气单元3的抽气管3.2从井头基座1.4穿过封隔上挡板5.1进入浆囊5.3，在抽气管3.2末端连接有取气锥形挡板3.3与取气网格挡板3.5形成的锥形空间。为了保证气密性，抽气管3.2一般采用整根不分段直通地表，穿过封隔上挡板5.1处用胶固定。由于浆囊5.3内部注入膨胀胶5.4后会有一定压力，因此在浆囊5.3内部的抽气管3.2外套装有取气段硬质外管3.1起保护作用，取气段硬质外管3.1一端与封隔上挡板5.1连接，另一端与取气锥形挡板3.3的顶端密封连接，穿过浆囊5.3的位置与浆囊5.3密封连接。
靠近进气口的位置，在抽气管3.2和取气段硬质外管3.1之间用胶密封，防止抽气时混入其他气体，以及气体积聚在两管之间的缝隙影响取样的准确性。取气锥形挡板3.3也能够承受膨胀胶5.4的压力，以保持锥形空间的稳定。取气锥形挡板3.3也能够承受膨胀胶5.4的压力，以保持锥形空间的稳定。取气锥形挡板3.3和浆囊5.3密封连接，锥形空间直接连通地层，与地层之间设有取气网格挡板3.5，将颗粒状土粒或石粒阻挡在取样系统外面，锥形空间内填充有多孔材料的取气过滤材料3.4，对气体进一步过滤，防止土壤颗粒堵塞抽气管3.2。在地面的抽气泵3.6进气端连接抽气管3.2，出气端连接采气袋3.7等储气容器，当进行土壤气采集工作时，将抽气泵3.6与采气袋3.7和抽气管3.2连接。打开抽气泵3.6，地层中的土壤气在负压的作用下经过取气网格挡板3.5进入锥形空间，经取气过滤材料3.4过滤之后进入抽气管3.2，继而经过抽气泵3.6进入采气袋3.7，待获取足够的土壤气样品，关闭抽气泵3.6，完成土壤气采集工作。
由于取气单元3在取水单元4a、4b的上部，因此取气单元3的浆囊5.3内部会有取水单元4a、4b的管线穿过取气单元3，这些管线外部均设有硬质外管5.2，以防止膨胀胶5.4的压力直接作用于取水单元4a、4b的管线。同时硬质外管5.2要与浆囊5.3之间密封连接。
图3为本发明的一个实施方式的一种U型管地下流体多层取样装置的取水单元的结构示意图。
如图3所示，取水单元4a、4b设置在取气单元3下方的含水层，取水单元4a、4b的取样层位和井头之间通过气动管4.4和出液管4.3连接。气动管4.4井头一端与高压气源1.2连接，井下一端与换向阀4.8的阀体进气口4.8.1连接。高压气体通过气动管4.4，能够起到气动控制换向阀4.8的工作状态以及为地下水取样提供动力的作用。出液管4.3的井头一端与水样瓶1.1相连，井下一端与换向阀4.8的阀体出液口4.8.12连接。出液管4.3的作用是地下水的导流通道以及地下水暂时储存空间。为了保护出液管4.3和气动管4.4在浆囊5.3内部的部分不受膨胀胶5.4挤压变形，在取水单元4a、4b的封隔器5中设置硬质外管5.2，以保护换向阀4.8、气动管4.4和出液管4.3。硬质外管5.2连接封隔上挡板5.1和封隔下挡板5.5，穿过浆囊5.3的位置与浆囊5.3密封连接。换向阀4.8的阀体进液口4.8.5与取水锥形挡板4.5的顶端密封连接，取水锥形挡板4.5是一顶端开口，无底面的薄壁椎体结构，底端与浆囊5.3密封连接，防止膨胀胶5.4破坏进样液间，在充满膨胀胶5.4的环境中营造一个进液空间。锥形空间直接连通地层，与地层之间设有取水网格挡板4.7，将颗粒状土粒或石粒阻挡在取样系统外面，锥形空间内填充无机多孔介质材料的取水过滤材料4.6，对地下水进一步过滤，防止土壤颗粒堵塞换向阀4.8。在自然状态下换向阀4.8处于常开状态，地下水样直接通过网格挡板进入锥形空间，继而通过换向阀4.8进入出液管4.3中，形成地下水样的导流通道以及地下水暂时储存空间，当接通高压气体后，高压气体推动换向阀4.8动作，使得高压气体通过换向阀4.8进入出液管4.3，从而将出液管4.3中的水样压出，流入至水样瓶1.1中，从而实现取水操作，停止取样时，关闭高压气源1.2，换向阀4.8恢复常开状态，地下水再次经过取水过滤材料4.6进入取样系统，直到再次达到压力平衡。
图4为本发明的一个实施方式的一种U型管地下流体多层取样装置的换向阀4.8的地下水进样状态的结构示意图。图5为本发明的一个实施方式的一种U型管地下流体多层取样装置的换向阀4.8的取样状态的结构示意图。
如图4以及图5所示，换向阀4.8由阀体顶盖4.8.2、阀体4.8.3、阀芯4.8.4、弹簧4.8.6、阀体底盖4.8.7、浮球4.8.8以及调压导管4.8.14等构成。该换向阀4.8为圆柱体结构，直径8～20mm，高度20～40mm，阀体顶盖4.8.2、阀体底盖4.8.7与阀体4.8.3焊接连接或者螺纹密封成整体。阀体顶盖4.8.2为凸缘状结构，中间开设有阀体进气口4.8.1(直径3～5mm)，与气动管4.4连接。其与阀体4.8.3连接的面设有小于阀体4.8.3内腔直径的凹槽(槽深1～2mm)，阀体4.8.3靠近中间位置的两侧壁对称地开设有阀体进液口4.8.5和阀体出液口4.8.12，阀体进液口4.8.5与取水锥形挡板4.5的顶端密封连接，直接连通外部流体环境，阀体出液口4.8.12与出液管4.3连接，从而将地下水样的导流至水样瓶1.1中，阀体4.8.3内腔壁上部靠近阀体进液口4.8.5和阀体出液口4.8.12的位置设计成内楔形结构的环面，楔形坡度为2～5°。阀芯4.8.4整体呈台阶形圆柱状，其下部较细上部较粗。阀芯4.8.4顶端开设有L型通孔的阀芯出气口，阀芯4.8.4中间开设有横向的直通孔，L型通孔的阀芯出气口和直通孔在同一个平面内。阀芯直通孔以上的柱体(即阀芯4.8.4上部)设计成外楔形结构的环面，与阀体4.8.3内腔的楔形环面对应，随着阀芯4.8.4向下运动，两个楔形环面相互接触，当阀芯4.8.4位于底部位置时，该外楔形结构与阀体4.8.3上部的内楔形内腔壁形成楔形自密封构造，从而起到密封作用。阀芯4.8.4下端是一细圆柱体，圆柱底端设计成弧状结构。
阀体底盖4.8.7内侧和外侧各设有一凸起，中间通孔，阀体底盖4.8.7内侧凸起通孔端面为一弧状，当阀芯4.8.4位于底部位置时，该端面与阀芯4.8.4下端的细圆柱体底端啮合。
在阀芯4.8.4下部和阀体底盖4.8.7内侧凸起处安设有弹簧4.8.6，弹簧4.8.6使阀芯4.8.4在正常状态下始终处于阀体4.8.3内腔的上部。阀芯4.8.4下端的细圆柱和阀体底盖4.8.7内侧凸起为弹簧4.8.6提供附着位置，同时弹簧4.8.6两端固定，防止阀芯4.8.4旋转。
阀体底盖4.8.7外侧凸起内的通孔直径形成为大于阀体底盖4.8.7内侧的通孔(即底盖泄压孔4.8.15)直径，在阀体底盖4.8.7的外侧通孔内放置有塑料浮球4.8.8，在浮球4.8.8下方的阀体底盖4.8.7的外侧通孔内还设置有泄压转接接头4.8.9，该泄压转接接头4.8.9为圆柱状的中空柱体结构(中间通孔内径为1～3mm)，其与浮球4.8.8接触端的端面设有凸起，该凸起能够保证浮球4.8.8与泄压转接接头4.8.9的端面之间始终存在缝隙，使浮球4.8.8不能密封泄压转接接头4.8.9，保持泄压通道的畅通，该端的圆柱体外壁光滑，与阀体底盖4.8.7的外侧通孔过盈装配；泄压转接接头4.8.9的另一端与调压导管4.8.14的一端通过胀紧或者焊接等方式连接，可以在外壁设有多道环状凸起以便在采用胀紧连接时增加接口之间的密封效果。调压导管4.8.14的另一端与设置在阀体出液口4.8.12处的调压孔4.8.13连接。
换向阀4.8在弹簧4.8.6的自然状态下，阀芯直通孔和阀体进液口4.8.5、阀体出液口4.8.12导通形成通路，外界环境流体自然流入。当高压气体通过阀体进气口4.8.1进入L型通孔后，推动阀芯4.8.4下移，最终阀芯L型通孔的出气口与阀体出液口4.8.12导通，外界流体无法流入。由于弹簧4.8.6两端固定，能保证阀体4.8.3和阀芯4.8.4各孔的对应关系不变。阀体出液口4.8.12为三通构造，其中一小孔即调压孔4.8.13通过调压导管4.8.14与泄压转接接头4.8.9胀紧连接。
换向阀4.8的各部件材料可根据具体取样及分析需求选择使用金属材料或无机非金属材料。
在该换向阀4.8正常使用时，处于液体环境中，其中阀体进气口4.8.1与高压气源1.2连通，与液体环境不直接导通，阀体进液孔和阀芯直通孔直接与液体环境导通，阀体出液口4.8.12与取样装置的储存流体的容器直接连通。当阀体进气孔没有接通高压气源1.2时，阀芯4.8.4在弹簧4.8.6的作用下处于阀体4.8.3的上部位置。此时阀体出液口4.8.12、阀芯直通孔和阀体进液口4.8.5形成通路，外界环境流体通过阀体进液口4.8.5、阀芯直通孔和阀体出液口4.8.12流入储流容器。当阀体进气口4.8.1与高压气源1.2接通之后，高压气体通过阀体进气口4.8.1进入阀体4.8.3内腔与阀芯4.8.4端面之间的自由空间，并且压力迅速增加。当阀芯4.8.4端面受到的压力大于弹簧4.8.6施加给阀芯4.8.4的压力时，阀芯4.8.4向下移动，此时阀芯4.8.4上端的楔形环面与阀芯4.8.4内腔的楔形环面之间的间隙越来越小，形成自密封的效果。随着阀芯4.8.4的下移，阀芯4.8.4下部与阀体4.8.3内腔的空间逐渐减小，其中的流体通过阀体底盖4.8.7通孔流出阀体4.8.3。当阀芯4.8.4到达最低端的位置时，阀芯L型通孔的下端与阀体出液孔导通，两楔形环面形成楔形自密封构造，从而起到密封作用。此时阀体进气口4.8.1与阀体出液口4.8.12通过阀芯L型通孔导通，阀体出液口4.8.12与阀体进液口4.8.5不导通。当降低阀体进气口4.8.1的压力直到关闭与高压气源1.2的连通的过程中，弹簧4.8.6对阀芯4.8.4的压力逐渐大于高压气体对阀芯4.8.4的压力，则弹簧4.8.6推动阀芯4.8.4向上移动。阀芯L型通孔与阀体出液口4.8.12错开，阀体进气口4.8.1与阀体出液口4.8.12不导通，阀体出液口4.8.12与阀体进液口4.8.5通过阀芯直通孔重新导通。
在自然状态下高压气体通过阀体进气口4.8.1在阀体顶盖4.8.2内槽附近聚集，压力不断增加，当高压气体对阀芯4.8.4顶面的作用力大于弹簧4.8.6的弹力，推动阀芯4.8.4向下移动，弹簧4.8.6被压缩。阀体4.8.3内腔中的液体受到挤压，沿着阀体底盖4.8.7中间通孔(即底盖泄压孔4.8.15)流向浮球4.8.8，将浮球4.8.8推至泄压转接接头4.8.9的顶端，由于凸起的作用，使受压的地下水流入调压导管4.8.14，继而进入阀体出液口4.8.12。当阀芯4.8.4被推至最低处，阀芯L型通孔出气端4.8.11与阀体出液口4.8.12导通，则高压气体进入阀体出液口4.8.12，此时调压孔4.8.13处的压力比弹簧4.8.6处受压液体的压力高，因此浮球4.8.8上浮堵住阀体底盖4.8.7的通孔(即底盖泄压孔4.8.15)。高压气体只能沿着阀体进气口4.8.1→阀芯L型通孔进气端4.8.10→阀芯L型通孔出气端4.8.11→阀体出液口4.8.12方向流动，从而将出液管4.3中的水样压出，流入至水样瓶1.1。
停止取样时，关闭高压气源1.2，气动管4.4中的高压气体压力下降，影响到气动接口4.2的压力降低，换向阀4.8内的弹簧4.8.6压力大于气体压力，使阀芯4.8.4上移，浮球4.8.8不受高压气体作用。当阀芯4.8.4直通孔与阀体进液口4.8.5和阀体出液口4.8.12导通后地下水再次经过取水过滤材料4.6进入取样系统，直到再次达到压力平衡。
弹簧4.8.6的材质根据地下水取样分析的要求可以采用金属材质或者非金属材质。由于弹簧4.8.6两端固定，因此能保证阀体4.8.3和阀芯4.8.4各孔的对应关系不变。阀体出液口4.8.12为为三通构造，其中的小孔即调压孔4.8.13通过调压导管4.8.14与泄压转接接头4.8.9胀紧连接。
换向阀4.8的阀体4.8.3和阀芯可以使用工程塑料材质，气动管4.4、出液管4.3等管线可以采用塑料软管，取水锥形挡板4.5、取水网状挡板等直接与水样接触的部件除了换向阀4.8内部的弹簧4.8.6之外均可以采用塑料材质。
在本发明的取样装置的使用过程中，只有在安装未注浆之前会有泥沙含量较多的钻井液。注浆之后，受到膨胀的浆囊5.3挤压，浆囊5.3与钻井井壁中间的钻井液被挤出。能进入取样装置的钻井液只有锥形空间和换向阀4.8内部自由空间以及出液管4.3中在安装时流入的少量钻井液。这部分钻井液经过两道过滤之后才能进入出液管4.3，在取样装置安装完成之后仅需要1～2次洗井操作即可极大降低钻井液对地下水样的影响。
为了阻断不同含水层间的水力联系，需要在不同含水层间布置一个层间封隔器5，实现含水层层间封隔的作用。图6为本发明的一个实施方式的一种U型管地下流体多层取样装置的设于不同含水层之间的层间封隔器5的结构示意图。如图6所示，设置于不同含水层之间的层间封隔器5由封隔上挡板5.1、封隔下挡板5.5、浆囊5.3等构成，其结构和与取气单元3、取水单元4a、4b融合使用的层间封隔器5类似，不同的是该含水层之间的层间封隔器5内部没有取样装置，若根据实际需要而有更深层位的管线穿过时，则需要在浆囊5.3内部布置硬质外管5.2，以保护穿过的管线。层间封隔器5利用穿过层间封隔器5内部的支撑连接杆2上的出浆口5.5喷出膨胀胶5.4。浆囊5.3上下有封隔上挡板5.1和封隔下挡板5.5限制浆囊5.3和膨胀胶5.4上下位移。通过膨胀胶5.4的压力以及浆囊5.3和膨胀胶5.4易变形的特点对井壁不均匀凸起和凹陷进行包裹，从而实现含水层层间封隔的作用。封隔的长度应根据含水层和地层特征进行选择。
本发明涉及的气动管4.4、出液管4.3可以根据组装方便分段用气动接口4.2、出液接口4.1等快速接头连接，也可以全线完整安装。但是各连接处需要保证密封性。整个装置各段浆囊5.3及浆囊5.3与其他组件的连接处要密封且能承受一定压力。高压气源1.2、水样瓶1.1、抽气泵3.6、采气袋3.7等地面辅助装置只需在设备测试和取样过程中安装使用。注入膨胀胶5.4，在浆囊5.3中产生压力可以通过控制液压产生压力，也可以通过膨胀胶5.4固化过程产生膨胀压力。
根据本发明的一种U型管地下流体多层取样装置，在取样方面，在取水单元中使用换向阀替代传统的单向阀，通过高压气体或者弹簧推动阀芯切换地下水进样和取样两条通路，构造简单，避免了传统单向阀容易堵塞失效的问题，提高了设备使用寿命以及进样速度。换向阀的常开结构，无启动压力，即使在地下水液面附近也能取到样品，并且换向阀取样通道导通后阀芯和阀体通过结构上的定位设计，使换向阀能够承受较大的取样压力同时保证正常工作能够在各种压力环境下正常进样，适用范围更广。导通高压气体后，取样通道打开，换向阀的阀芯和阀体采用楔形自密封设计自动切断进样通道，保证取样时换向阀内部取样通路的密封性，避免了传统单向阀中的滑动密封导致密封圈损坏，井下维护困难等缺陷，同时也避免了单向阀反向压力过载的缺点，取样压力在较大的范围内调整不影响元件的使用。另外，本发明的U型管地下流体多层取样装置，结构简单，没有压力敏感部件暴露在外，应用深度可以达到上百米，取样系统的设计避免了大量钻井液进入取样系统内部。
另外，本发明的一种U型管地下流体多层取样装置，在封隔方面，将各取样单元整合到封隔器中，封隔器和取样段融合到一起，一个改造的封隔器对应一个取样层位，节约了封隔器的使用数量，使有效封隔区间更有针对性，保证了封隔效果，降低了成本，封隔器也可以不与取样段融合而单独使用，直接注浆起到含水层间封隔作用。另外，封隔器所在的井筒空间由浆囊5.3和膨胀胶5.4充满，封隔区域内钻孔中的水被挤出，取样单元直接连通封隔区域的地层中采集流体样品。采用浆囊5.3式注浆封隔方式，封隔器与井壁间设立锥形空间用来进样，保证了样品直接来自地层，不受钻井液、其他地层水或含水层的影响，有效避免了层间串水，同时能够保证进样段无大量钻井液滞留。
本发明的采用注浆封隔的方式，各封隔段上下两端分别受封隔上挡板5.1和封隔下挡板5.5限定。支撑连接杆贯穿封隔器两端，封隔上挡板5.1和封隔下挡板5.5分别用螺丝固定在支撑连接杆上。封隔长度应根据具体的水文地质条件进行选取。橡胶浆囊5.3与支撑连接杆密封连接当有其他取样层位的气动管和取液管穿过封隔器时，需要用硬质外管5.2保护气动管和取液管不受高压膨胀胶5.4挤压阻断流体通路。同时硬质外管5.2连接封隔上挡板5.1和封隔下挡板5.5，穿过浆囊5.3的位置与浆囊5.3密封连接。
本发明采用金属支撑连接杆的情况下，应用深度能够突破200m。
另外，本发明的取样装置应用于地下流体取样，包括地下水取样、土壤气取样、石油化工类生产过程中流体样品采集以及石油开采过程泄露风险评估时采集油水混和流体等流体取样工作。不同的取样工作仅需对该发明的材料选取以及相关参数进行调整即可，例如根据无机聚合材料耐压强度低，但其化学性质稳定不易与地下水发生化学反应影响地下水样的水样代表性，而金属材料，特别是不锈钢材料，强度高，但在地下水环境中容易与地下水中的其他物质发生反应导致部分金属溶解或者地下水中其他物质浓度发生变化，特别是在部分痕量物质监测中会有明显影响等特点，因此，在压力允许的前提下尽量选择无机聚合物材料制备各元部件，在压力过高的情况下才选择金属元件。另外，由于取样分析的目的不同，对地下水或土壤气的样品代表性要求也不尽相同。如果取样仅用于分析主要成分，则取样要求较低，如果取样分析仅用于分析微量元素或者部分金属含量或者同位素，则取样要求较高，因此，相应的需要根据取样目的和分析要求对系统材料进行相应选择。针对相关参数调整主要是指取样层位越多，管线越多，那么保护管线的硬质外管直径也要增大。相应地会影响到封隔器的直径以及钻孔直径。参数调整的原则是封隔器注浆之后的最大直径应大于钻孔直径，保证封隔效果。
另外，本发明不仅针对地下水和土壤气取样，同时还可以应用到更广泛的流体取样环境，本文仅就地下流体取样进行描述。本发明的结构设计也可以应用到其他类似流体取样工作。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种U型管地下流体多层取样装置，包括：地面辅助系统、支撑系统、取气单元、取水单元以及层间封隔器，其特征在于，
所述支撑系统通过支撑连接杆将所述取气单元、取水单元以及层间封隔器连接在一起，
所述层间封隔器，包括封隔上挡板、封隔下挡板以及浆囊，将所述取气单元的井下部分、所述取水单元的井下部分的取样元件分别包装到其内部，形成独立模块并连接在所述支撑连接杆上的不同位置，利用封隔器的上下两端，将取样深度上下两侧水、气与取样进样口处的待取样品阻隔。
2.如权利要求1所述的U型管地下流体多层取样装置，其特征在于，所述层间封隔器，设置于不同的含水层之间，实现含水层层间封隔的作用。
3.如权利要求1所述的U型管地下流体多层取样装置，其特征在于，所述取气单元，包括：设置于井上的抽气泵、采气袋、以及设置于井下的抽气管、取气锥形挡板、取气过滤材料以及取气网格挡板，该取气单元的井下部件除部分抽气管外均被封装在所述层间封隔器中，
所述抽气管从所述井头基座穿过所述封隔上挡板进入所述浆囊，在所述浆囊内部的抽气管外套装有取气段硬质外管，在所述抽气管末端连接由所述取气锥形挡板与所述取气网格挡板形成的锥形空间，所述取气段硬质外管一端与所述封隔上挡板连接，另一端与所述取气锥形挡板的顶端密封连接，穿过所述浆囊的位置与所述浆囊密封连接，靠近进气口的位置，在所述抽气管和所述取气段硬质外管之间用胶密封，所述取气锥形挡板和所述浆囊密封连接，锥形空间直接连通地层，与地层之间设有所述取气网格挡板，将颗粒状土粒或石粒阻挡在取样系统外面，锥形空间内填充有多孔材料的取气过滤材料，对气体进一步过滤，防止土壤颗粒堵塞所述抽气管，在地面的所述抽气泵进气端连接所述抽气管，出气端连接作为储气容器的所述采气袋。
4.如权利要求1所述的U型管地下流体多层取样装置，其特征在于，所述取水单元设置在所述取气单元下方的含水层，包括：气动管、换向阀、出液管、取水锥形挡板、取水过滤材料以及取水网格挡板，该取水单元的井下部件除部分气动管和出液管之外均被封装在所述层间封隔器中，
所述取水单元取样层位和井头之间通过所述气动管和所述出液管连接，所述气动管的井头一端与所述高压气源连接，井下一端与所述换向阀的阀体进气口连接，所述出液管的井头一端与所述水样瓶相连，井下一端与所述换向阀的阀体出液口连接，在所述层间封隔器的浆囊内部的所述气动管、所述换向阀和所述出液管外侧套装有硬质外管，所述硬质外管连接所述封隔上挡板和所述封隔下挡板，穿过所述浆囊的位置与所述浆囊密封连接，所述换向阀的阀体进液口与所述取水锥形挡板的顶端密封连接，所述取水锥形挡板是一顶端开口，无底面的薄壁椎体结构，底端与所述浆囊密封连接，锥形空间直接连通地层，与地层之间设所述取水网格挡板，将颗粒状土粒或石粒阻挡在取样系统外面，锥形空间内填充所述取水过滤材料，对地下水进一步过滤，防止土壤颗粒堵塞所述换向阀，在自然状态下所述换向阀处于常开状态，地下水样直接通过所述取水网格挡板进入锥形空间，继而通过所述换向阀进入所述出液管中，形成地下水样的导流通道以及地下水暂时储存空间。
5.如权利要求4所述的U型管地下流体多层取样装置，其特征在于，所述换向阀包括：阀体顶盖、阀体、阀芯、弹簧以及阀体底盖，
所述阀体顶盖，中间开设有与高压气源连接的阀体进气口；
所述阀体，为圆柱体结构，在靠近其中间位置的两侧壁对称地开设有阀体进液口和阀体出液口，所述阀体内腔壁上部自顶部至靠近所述阀体进液口和所述阀体出液口的位置呈内楔形环面；
所述阀芯，整体呈台阶形圆柱状，其下部较细上部较粗，所述阀芯顶端开设有L型通孔，所述阀芯中间开设有横向的直通孔，该L型通孔出气口和直通孔在同一个平面内，所述阀芯外侧的上半部呈外楔形结构的环面，与所述阀体内腔的所述内楔形环面配合形成楔形自密封构造，所述阀芯下端为细圆柱体；
所述阀体底盖，与所述阀体连接，其内侧和外侧各设有一凸起，中间通孔，在所述阀芯下部和所述阀体底盖内侧凸起之间安设有弹簧。
6.如权利要求5所述的U型管地下流体多层取样装置，其特征在于，
所述换向阀的所述阀体顶盖为凸缘状结构，在其与所述阀体连接的面设有小于所述阀体内腔直径的凹槽，该凹槽的槽深为1～2mm。
7.如权利要求5所述的U型管地下流体多层取样装置，其特征在于，
所述阀芯下端的细圆柱体底端形成为弧状结构；
所述阀体底盖内侧凸起通孔端面形成为弧状，当所述阀芯位于底部位置时，该端面与所述阀芯下端的细圆柱体底端啮合。
8.如权利要求5所述的U型管地下流体多层取样装置，其特征在于，
所述阀体底盖外侧凸起内的通孔直径形成为大于所述阀体底盖内侧的通孔直径，在所述阀体底盖的外侧通孔内放置有浮球，在所述浮球下方的所述阀体底盖的外侧通孔内还设置有泄压转接接头，该泄压转接接头为圆柱状的中空柱体结构，其与所述浮球接触端的端面设有凸起，该端的圆柱体外壁光滑，与所述阀体底盖的外侧通孔过盈装配；所述泄压转接接头的另一端与所述调压导管的一端连接，所述调压导管的另一端与设置在所述阀体出液口处的调压孔连接。
9.如权利要求5所述的U型管地下流体多层取样装置，其特征在于，
形成于所述阀体内腔壁上部的内楔形环面、以及与该内楔形环面相对应地形成于所述阀芯上半部的外楔形环面的楔形坡度为2～5°。
10.如权利要求5所述的U型管地下流体多层取样装置，其特征在于，
所述换向阀的所述阀体顶盖的所述阀体进气口为直径3～5mm。
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