CN109973081A - 一种水力隔断采样测量实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力隔断采样测量实验装置，上气囊装置和下气囊装置分别套设并密封设置在连接管装置的上下端，气囊增压装置分别连通上气囊装置和下气囊装置，花管固定安装在连接管装置中间，双气囊隔断装置中端或花管上均安装抽水泵、水压力传感器和水温度传感器；通过气囊增压装置向双气囊隔断装置中注气加压，使得位于双气囊隔断装置中端的花管处的水与双气囊隔断装置上下侧的水隔断开，抽水泵抽水激发水力信号。在水力学层析法的野外应用中对含水层的不同深度激发水力信号，在不同位置和深度对水力响应信号进行收集并进行反演处理，能够探明激发井和测井之间含水层在二维甚至三维空间上的水力学特性分布。

Description

一种水力隔断采样测量实验装置

技术领域

本发明涉及一种水力隔断采样测量实验装置，属于地下水环境勘察技术领域。

背景技术

孔隙性和裂隙性自然含水层，由于形成的地质年代不同，存在显著的各向异性特性。物理性质和渗透性质随位置改变而改变，即存在空间异质性。含水层深埋地下，难以直接观察，常规的勘探方法比如钻孔取芯法、压水试验、抽水试验等难以勘探空间异质性。

水力层析扫描法（Hydraulic Tomography）的核心理论是参数反演算法，在施工技术上是勘探井点布置和高精度数据激发及采集。应用水力剖面扫描含水层地质调查方法通过在含水层的不同深度激发水利信号，同时在不同位置和深度对水力响应信号进行收集并进行反演处理，能够探明激发井和测井之间含水层在三维空间上的水力学特性分布。与水力学层析法类似的，还有地下水热信号传递及地下水溶质运移层析法。这些方法，都需要能够对指定地点和深度的含水层进行抽水、测压、取样和测温等。除此之外，在地下水环境和浅层地热方面的研究和工程应用过程中，需要进行指定深度的地下水采样和地下水温度采集，才能支持用这些方法进行反演。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种水力隔断采样测量实验装置，在水井内任何深度位置的做水力隔断从而达到在多深度进行抽水实验或地下水取样的目的，同时测量并记录指定深度水压力和水温度。

为达到上述目的，本发明提供一种水力隔断采样测量实验装置，包括采集装置、若干个水压力传感器、若干个水温度传感器、若干个抽水泵、花管、若干个用于将花管上下方的井内水体隔断的双气囊隔断装置和用于向双气囊隔断装置增加气压的气囊增压装置，

双气囊隔断装置包括连接管装置、上气囊装置和下气囊装置，上气囊装置和下气囊装置分别套设并密封设置在连接管装置的上下端，气囊增压装置分别连通上气囊装置和下气囊装置，花管固定安装在连接管装置中间，双气囊隔断装置中端或花管上均安装抽水泵、水压力传感器和水温度传感器，若干个双气囊隔断装置均分别位于一个井水中；

采集装置电连接若干个水压力传感器、若干个水温度传感器、若干个抽水泵和气囊增压装置；通过气囊增压装置向双气囊隔断装置中注气加压，使得位于双气囊隔断装置中端的花管处的水与双气囊隔断装置上下侧的水隔断开，抽水泵抽水激发水力信号。

优先地，连接管装置包括连接头一、连接头二、连接管一、连接头三、连接头四和连接管三，连接头一、连接管一、连接头二、花管、连接头三、连接管三和连接头四依次密封连通，连接头一下端开设配合连接管一上端的圆柱形凹槽一，连接头四上端开设配合连接管三的圆柱形凹槽二。

优先地，上气囊装置包括紧固台一、紧固环一、锥形调节件一、上气囊、锥形调节件二、紧固环二和紧固台二，紧固台一、紧固环一、锥形调节件一、上气囊、锥形调节件二、紧固环二和紧固台二均密封套设在连接管一上，

紧固台一固定设置在连接管一上，紧固环一和锥形调节件一位于紧固台一下方，紧固环一上端抵靠在紧固台一上，锥形调节件一上端外侧壁上车削锥成圆台形状，紧固环一内侧壁车削配合锥形调节件一上端的圆台形通孔，紧固台一下端开设配合锥形调节件一上端的圆台凹槽一，上气囊上端套设在锥形调节件一上，锥形调节件一将上气囊上端密封紧固抵靠在紧固环一内侧，若干个螺钉穿过紧固台一固定连接锥形调节件一，紧固环一内直径小于锥形调节件一下端外直径；

紧固台一和紧固台二结构相同，紧固环一和紧固环二结构相同，锥形调节件一和锥形调节件二结构相同，紧固台一、紧固环一、锥形调节件一、锥形调节件二、紧固环二和紧固台二对称地安装在连接管一上，上气囊下端密封套设在锥形调节件二上，锥形调节件二将上气囊下端密封紧固抵靠在紧固环二内侧，若干个螺钉穿过紧固台二固定连接锥形调节件二，紧固环二内直径小于锥形调节件二下端外直径。

优先地，下气囊装置包括紧固台三、紧固环三、锥形调节件三、下气囊、锥形调节件四、紧固环四和紧固台四，紧固台三、紧固环三、锥形调节件三、下气囊、锥形调节件四、紧固环四和紧固台四均密封套设在连接管三上，

紧固台三固定设置在连接管三上，紧固环三和锥形调节件三位于紧固台三下方，紧固环三上端抵靠在紧固台三上，锥形调节件三上端车削锥成圆台形状，紧固环三内侧壁车削配合锥形调节件三上端的圆台形通孔，紧固台三下方开设配合锥形调节件三下端的圆台凹槽二，下气囊上端套设在锥形调节件三上，锥形调节件三将下气囊上端密封紧固抵靠在紧固环三内侧，若干个螺钉穿过紧固台三固定连接锥形调节件三，紧固环三内直径小于锥形调节件三外直径；

紧固台三和紧固台四结构相同，紧固环三和紧固环四结构相同，锥形调节件三和锥形调节件四结构相同，紧固台三、紧固环三、锥形调节件三、下气囊、锥形调节件四、紧固环四和紧固台四对称地安装在连接管三上，下气囊下端密封套设在锥形调节件四上，若干个螺钉穿过紧固台四固定连接锥形调节件四，锥形调节件四将下气囊下端密封紧固抵靠在紧固环四内侧，紧固环四内直径小于锥形调节件四外直径。

优先地，气囊增压装置包括气罐、两个气管和空气压缩泵一，一个气管密封穿过紧固台一和锥形调节件一伸入上气囊中，另一个气管密封穿过紧固台三和锥形调节件三伸入下气囊中，空气压缩泵一出气口密封连通两个气管，空气压缩泵一进气口连通气罐。

优先地，花管为圆柱形钢管；采集装置为电脑。

本发明所达到的有益效果：

利用本发明装置，可以达到在水力学层析法的野外应用中对含水层的不同深度激发水力信号，同时在不同位置和深度对水力响应信号进行收集并进行反演处理，能够探明激发井和测井之间含水层在二维甚至三维空间上的水力学特性分布的目的；该装置轻便、易于操作，在较浅的水井和深水井中都适用，保证水力层析法顺利开展；本装置可在指定地层深度抽水，适合用于定点定深度地下水取样，同时可提供指定深度的水压力观测和温度观测，所以对地下水化学、地下水环境学、浅层地热等其他方面的野外科学研究以及新能源开发和环境评估与治理等工程项目也有重要意义。

附图说明

图1是本发明中上气囊装置的结构图；

图2是本发明中下气囊装置的结构图；

图3是本发明工作时的示意图；

图4是五个水井由信号激发源指向其他观测井的不同深度信号收集源的示意图；

图5是任意一对实验井和观测井之间的水力关联的剖面图；

图6是反演出的3D水力学参数分布示意图。

附图中标记含义，D1-连接头三；D2-连接头四；D3-连接管三；D4-紧固台三；D5-紧固环三；D6-锥形调节件三；D7-下气囊；D8-锥形调节件四；D9-紧固环四；D10-紧固台四；E1-连接头一；E2-连接头二；E3-连接管一；E4-紧固台一；E5-紧固环一；E6-锥形调节件一；E7-上气囊；E8-锥形调节件二；E9-紧固环二；E10-紧固台二；F2-水压力传感器；F3-花管。

具体实施方式

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种水力隔断采样测量实验装置，包括采集装置、若干个水压力传感器F2、若干个水温度传感器、若干个抽水泵、花管F3、若干个用于将花管F3上下方的井内水体隔断的双气囊隔断装置和用于向双气囊隔断装置增加气压的气囊增压装置，

双气囊隔断装置包括连接管装置、上气囊装置和下气囊装置，上气囊装置和下气囊装置分别套设并密封设置在连接管装置的上下端，气囊增压装置分别连通上气囊装置和下气囊装置，花管F3固定安装在连接管装置中间，双气囊隔断装置中端或花管F3上均安装抽水泵、水压力传感器F2和水温度传感器，若干个双气囊隔断装置均分别位于一个井水中；

采集装置电连接若干个水压力传感器F2、若干个水温度传感器、若干个抽水泵和气囊增压装置；通过气囊增压装置向双气囊隔断装置中注气加压，使得位于双气囊隔断装置中端的花管F3处的水与双气囊隔断装置上下侧的水隔断开，抽水泵抽水激发水力信号。

进一步地，连接管装置包括连接头一E1、连接头二E2、连接管一E3、连接头三D1、连接头四D2和连接管三D3，连接头一E1、连接管一E3、连接头二E2、花管F3、连接头三D1、连接管三D3和连接头四D2依次密封连通，连接头一E1下端开设配合连接管一E3上端的圆柱形凹槽一，连接头四D2上端开设配合连接管三D3的圆柱形凹槽二，连接头一E1可通过硬质管道延伸至地面，便于提拉收回本装置。

进一步地，上气囊装置包括紧固台一E4、紧固环一E5、锥形调节件一E6、上气囊E7、锥形调节件二E8、紧固环二E9和紧固台二E10，紧固台一E4、紧固环一E5、锥形调节件一E6、上气囊E7、锥形调节件二E8、紧固环二E9和紧固台二E10均密封套设在连接管一E3上，

紧固台一E4固定设置在连接管一E3上，紧固环一E5和锥形调节件一E6位于紧固台一E4下方，紧固环一E5上端抵靠在紧固台一E4上，锥形调节件一E6上端外侧壁上车削锥成圆台形状，紧固环一E5内侧壁车削配合锥形调节件一E6上端的圆台形通孔，紧固台一E4下端开设配合锥形调节件一E6上端的圆台凹槽一，上气囊E7上端套设在锥形调节件一E6上，锥形调节件一E6将上气囊E7上端密封紧固抵靠在紧固环一E5内侧，若干个螺钉穿过紧固台一E4固定连接锥形调节件一E6，紧固环一E5内直径小于锥形调节件一E6下端外直径；

紧固台一E4和紧固台二E10结构相同，紧固环一E5和紧固环二E9结构相同，锥形调节件一E6和锥形调节件二E8结构相同，紧固台一E4、紧固环一E5、锥形调节件一E6、锥形调节件二E8、紧固环二E9和紧固台二E10对称地安装在连接管一E3上，上气囊E7下端密封套设在锥形调节件二E8上，锥形调节件二E8将上气囊E7下端密封紧固抵靠在紧固环二E9内侧，三个螺钉穿过紧固台二E10固定连接锥形调节件二E8，紧固环二E9内直径小于锥形调节件二E8下端外直径。

进一步地，下气囊装置包括紧固台三D4、紧固环三D5、锥形调节件三D6、下气囊D7、锥形调节件四D8、紧固环四D9和紧固台四D10，紧固台三D4、紧固环三D5、锥形调节件三D6、下气囊D7、锥形调节件四D8、紧固环四D9和紧固台四D10均密封套设在连接管三D3上，

紧固台三D4固定设置在连接管三D3上，紧固环三D5和锥形调节件三D6位于紧固台三D4下方，紧固环三D5上端抵靠在紧固台三D4上，锥形调节件三D6上端车削锥成圆台形状，紧固环三D5内侧壁车削配合锥形调节件三D6上端的圆台形通孔，紧固台三D4下方开设配合锥形调节件三D6下端的圆台凹槽二，下气囊D7上端套设在锥形调节件三D6上，锥形调节件三D6将下气囊D7上端密封紧固抵靠在紧固环三D5内侧，三个螺钉穿过紧固台三D4固定连接锥形调节件三D6，紧固环三D5内直径小于锥形调节件三D6外直径；

紧固台三D4和紧固台四D10结构相同，紧固环三D5和紧固环四D9结构相同，锥形调节件三D6和锥形调节件四D8结构相同，紧固台三D4、紧固环三D5、锥形调节件三D6、下气囊D7、锥形调节件四D8、紧固环四D9和紧固台四D10对称地安装在连接管三D3上，下气囊D7下端密封套设在锥形调节件四D8上，三个螺钉穿过紧固台四D10固定连接锥形调节件四D8，锥形调节件四D8将下气囊D7下端密封紧固抵靠在紧固环四D9内侧，紧固环四D9内直径小于锥形调节件四D8外直径。

进一步地，气囊增压装置包括气罐、两个气管和空气压缩泵一，一个气管密封穿过紧固台一E4和锥形调节件一E6伸入上气囊E7中，另一个气管密封穿过紧固台三D4和锥形调节件三D6伸入下气囊D7中，空气压缩泵一出气口密封连通两个气管，空气压缩泵一进气口连通气罐。

进一步地，还可以包括用于释放上气囊和下气囊中气压的释压装置，释压装置包括释压腔室、释压阀门、电子操作装置和空气压力表，释压腔室密封连通连接管一E3，空气压力表连通上气囊内部，释压腔室连通上气囊和下气囊，释压阀门连通释压腔室，释压阀门电连接电子操作装置，当本装置使用完毕时，可以通过释压装置一键释放上气囊和下气囊中的气体，便于收纳。

释压装置在现有技术中的可采用的型号很多，本领域技术人员可根据实际需求选用，释压阀材料为铝，空气压力表用于测量上气囊内的气压，释压装置用于释放双气囊内的气压；释压阀材料为铝，释压装置为0~6bar；

进一步地，花管F3为圆柱形钢管或PVC圆管；采集装置为电脑或其他设备。

连接头三D1和连接头一E1可采用现有技术中的PVC连接口，为上端外侧壁上开设配合转接管A1的外台阶槽的圆柱形管件；

连接头四D2和连接头二E2可采用现有技术中的PVC连接口，连接头四D2上端套设在连接管三D3上，连接头二E2上端套设在连接管一E3上，连接头二E2下端套设在花管F3上；连接管一E3和连接管三D3均为圆柱形管件。

紧固台一E4、紧固台二E10、紧固台四D10和紧固台三D4材料为不锈钢，紧固台一E4、紧固台二E10、紧固台四D10和紧固台三D4为实心圆柱体形状；紧固环一E5、紧固环二E9、紧固环三D5和紧固环四D9均为圆环形状的金属件，用于将上气囊和下气囊密封抵靠在紧固台四D10和紧固台三D4上；锥形调节件一E6、锥形调节件三D6、锥形调节件二E8和锥形调节件四D8材料为实心圆柱体形状不锈钢，锥形调节件一E6、锥形调节件三D6、锥形调节件二E8和锥形调节件四D8一侧车削成圆台形便于和插入紧固台中；上气囊E7和下气囊D7均为硅胶软管；连接管一E3和连接管一E3均为不锈钢圆管；采集装置、抽水泵、水温度传感器和水压力传感器在现有技术中可采用的型号很多，本领域技术人员可根据实际需求选用。

本装置工作过程:

首先组装至少五个双气囊装置，将上气囊，花管和下部气囊依次连接，将至少五个双气囊装置分别放置在五个井中。将水压力传感器、水温度传感器和抽水泵密封穿过紧固台一E4、锥形调节件一E6、锥形调节件四D8和紧固台四D10后固定在花管上。将双气囊装置放到井中目标深度后，用压缩空气泵向双气囊装置的上气囊、下气囊注气加压，从而阻隔双气囊中间的花管F3与井内上下部分的水力联系；利用抽水泵抽水激发水力信号。通过实验井和观测井中的水压力传感器和水温度传感器，记录水力响应信号。然后，在各井内分段封堵、分段施压，搜集数据，最后通过水力层析法扫描方法对信号进行处理，最后得出实验范围内的高精度水文地质参数。在抽水的过程中，可精准的进行指定深度地下水采样以及温度变化的记录与收集。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种水力隔断采样测量实验装置，其特征在于，包括采集装置、若干个水压力传感器（F2）、若干个水温度传感器、若干个抽水泵、花管（F3）、若干个用于将花管（F3）上下方的井内水体隔断的双气囊隔断装置和用于向双气囊隔断装置增加气压的气囊增压装置，

双气囊隔断装置包括连接管装置、上气囊装置和下气囊装置，上气囊装置和下气囊装置分别套设并密封设置在连接管装置的上下端，气囊增压装置分别连通上气囊装置和下气囊装置，花管（F3）固定安装在连接管装置中间，双气囊隔断装置中端或花管（F3）上均安装抽水泵、水压力传感器（F2）和水温度传感器，若干个双气囊隔断装置均分别位于一个井水中；

采集装置电连接若干个水压力传感器（F2）、若干个水温度传感器、若干个抽水泵和气囊增压装置；通过气囊增压装置向双气囊隔断装置中注气加压，使得位于双气囊隔断装置中端的花管（F3）处的水与双气囊隔断装置上下侧的水隔断开，抽水泵抽水激发水力信号。

2.根据权利要求1所述的一种水力隔断采样测量实验装置，其特征在于，连接管装置包括连接头一（E1）、连接头二（E2）、连接管一（E3）、连接头三（D1）、连接头四（D2）和连接管三（D3），连接头一（E1）、连接管一（E3）、连接头二（E2）、花管（F3）、连接头三（D1）、连接管三（D3）和连接头四（D2）依次密封连通，连接头一（E1）下端开设配合连接管一（E3）上端的圆柱形凹槽一，连接头四（D2）上端开设配合连接管三（D3）的圆柱形凹槽二。

3.根据权利要求2所述的一种水力隔断采样测量实验装置，其特征在于，上气囊装置包括紧固台一（E4）、紧固环一（E5）、锥形调节件一（E6）、上气囊（E7）、锥形调节件二（E8）、紧固环二（E9）和紧固台二（E10），紧固台一（E4）、紧固环一（E5）、锥形调节件一（E6）、上气囊（E7）、锥形调节件二（E8）、紧固环二（E9）和紧固台二（E10）均密封套设在连接管一（E3）上，

紧固台一（E4）固定设置在连接管一（E3）上，紧固环一（E5）和锥形调节件一（E6）位于紧固台一（E4）下方，紧固环一（E5）上端抵靠在紧固台一（E4）上，锥形调节件一（E6）上端外侧壁上车削锥成圆台形状，紧固环一（E5）内侧壁车削配合锥形调节件一（E6）上端的圆台形通孔，紧固台一（E4）下端开设配合锥形调节件一（E6）上端的圆台凹槽一，上气囊（E7）上端套设在锥形调节件一（E6）上，锥形调节件一（E6）将上气囊（E7）上端密封紧固抵靠在紧固环一（E5）内侧，若干个螺钉穿过紧固台一（E4）固定连接锥形调节件一（E6），紧固环一（E5）内直径小于锥形调节件一（E6）下端外直径；

紧固台一（E4）和紧固台二（E10）结构相同，紧固环一（E5）和紧固环二（E9）结构相同，锥形调节件一（E6）和锥形调节件二（E8）结构相同，紧固台一（E4）、紧固环一（E5）、锥形调节件一（E6）、锥形调节件二（E8）、紧固环二（E9）和紧固台二（E10）对称地安装在连接管一（E3）上，上气囊（E7）下端密封套设在锥形调节件二（E8）上，锥形调节件二（E8）将上气囊（E7）下端密封紧固抵靠在紧固环二（E9）内侧，若干个螺钉穿过紧固台二（E10）固定连接锥形调节件二（E8），紧固环二（E9）内直径小于锥形调节件二（E8）下端外直径。

4.根据权利要求3所述的一种水力隔断采样测量实验装置，其特征在于，下气囊装置包括紧固台三（D4）、紧固环三（D5）、锥形调节件三（D6）、下气囊（D7）、锥形调节件四（D8）、紧固环四（D9）和紧固台四（D10），紧固台三（D4）、紧固环三（D5）、锥形调节件三（D6）、下气囊（D7）、锥形调节件四（D8）、紧固环四（D9）和紧固台四（D10）均密封套设在连接管三（D3）上，

紧固台三（D4）固定设置在连接管三（D3）上，紧固环三（D5）和锥形调节件三（D6）位于紧固台三（D4）下方，紧固环三（D5）上端抵靠在紧固台三（D4）上，锥形调节件三（D6）上端车削锥成圆台形状，紧固环三（D5）内侧壁车削配合锥形调节件三（D6）上端的圆台形通孔，紧固台三（D4）下方开设配合锥形调节件三（D6）下端的圆台凹槽二，下气囊（D7）上端套设在锥形调节件三（D6）上，锥形调节件三（D6）将下气囊（D7）上端密封紧固抵靠在紧固环三（D5）内侧，若干个螺钉穿过紧固台三（D4）固定连接锥形调节件三（D6），紧固环三（D5）内直径小于锥形调节件三（D6）外直径；

紧固台三（D4）和紧固台四（D10）结构相同，紧固环三（D5）和紧固环四（D9）结构相同，锥形调节件三（D6）和锥形调节件四（D8）结构相同，紧固台三（D4）、紧固环三（D5）、锥形调节件三（D6）、下气囊（D7）、锥形调节件四（D8）、紧固环四（D9）和紧固台四（D10）对称地安装在连接管三（D3）上，下气囊（D7）下端密封套设在锥形调节件四（D8）上，若干个螺钉穿过紧固台四（D10）固定连接锥形调节件四（D8），锥形调节件四（D8）将下气囊（D7）下端密封紧固抵靠在紧固环四（D9）内侧，紧固环四（D9）内直径小于锥形调节件四（D8）外直径。

5.根据权利要求4所述的一种水力隔断采样测量实验装置，其特征在于，气囊增压装置包括气罐、两个气管和空气压缩泵一，一个气管密封穿过紧固台一（E4）和锥形调节件一（E6）伸入上气囊（E7）中，另一个气管密封穿过紧固台三（D4）和锥形调节件三（D6）伸入下气囊（D7）中，空气压缩泵一出气口密封连通两个气管，空气压缩泵一进气口连通气罐。

6.根据权利要求5所述的一种水力隔断采样测量实验装置，其特征在于，花管（F3）为圆柱形钢管；采集装置为电脑。