CN112012734A - 一种基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置，包括位于地面的地表取样系统和井头组件、位于井筒内的连接系统、封隔系统和地下进样系统；所述地表取样系统与井头组件通过连接系统与地下进样系统相连，所述封隔系统位于地下进样系统的取样段的上下端部，所述地表取样系统包括取样瓶、取水控制阀、氮气瓶和减压阀，地下进样系统包括位于取样段内的过滤渗析组件和储流容器、位于连接段内的单向阀和三通阀、以及与地表取样系统连接的取样管和注气导管。本发明通过优化进气管路结构，在各含水层处通过安装多个三通阀和单向阀实现一根注气导管同时驱动多个含水层地下水的功能，最大程度地减少了管路数量，大幅度提高了系统的层数承载力。

Description

一种基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置

技术领域

本发明涉及地下水取样的技术领域，尤其涉及一种基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置。

背景技术

地下水是水资源的重要组成部分，是农业灌溉、工矿和城市的重要水源之一。但近年来随着社会发展和人类活动的不断增加，我国地下水资源遭受日益严重的消耗和污染。近十几年来，我国地下水年开采量持续超过1千亿立方米。人类活动造成的地表污染源下渗至浅层地下水，受到地下水循环造成了大面积不同程度的污染。地下水资源的严重消耗和污染对我国国民经济和人民生活质量造成了重要的影响。为保障我国人民的用水权益与自然生态环境良性发展，地下水保护至关重要。其中，对地下水环境的三维高精度连续取样及监测是地下水保护的重要内容，其实时监测预警功能有利于避免重要工程事故或严重生态污染。

发明专利(申请号：CN201410197719.9)提出了一种基于气体推动式原理的地下流体分层取样装置，该装置通过简易封隔器上预留多个小孔，设置在地面井口处的气体推动式地面液体取样系统穿过简易封隔器上预留的其中一个小孔与取样系统内的进样系统连接，之后又重新穿过简易封隔器中的其他预留小孔与地面的针阀和液体取样容器连接。该装置应用深度有限，一般不超过地下-30m，分层取样的层数受限于简易封隔器穿孔的承载能力。

发明专利(申请号：CN201510338566.X)提出了一种管中管地下流体分层取样装置，该装置提出了一种嵌套式管中管井下进样机构替代原有的U型管方案，基于气体推动式原理，通过管道重新布局，增加了分层取样系统的层数。

然而以上两种方法均是通过各自层位的进样管和取样管相互连接实现取样的目的。各层之间的进气管和取样管之间相互独立，即N层取样层位所对应的管路数量为2N。由于所有的管路均需穿过封隔器，因此最终的实际取样层数受单个封隔器最大穿孔数限制。而封隔器的大小受井筒直径所限制。增加井筒孔径及封隔器的直径会大幅度提高取样成本，增加取样系统体积，不利于野外作业。

为了解决以上问题，有必要对地下流体分层取样装置的链接构型进行重新设计，最大程度地减少管路数量，进而提高取样系统的层数承载力。

发明内容

基于现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是在于提供了一种基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置，结构简单，设计合理，通过改进并优化原有取样装置的进气管路结构，大幅度减少穿越封隔器的数量，使得取样系统的层数承载力翻倍。

为实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置，包括位于地面的地表取样系统和井头组件、位于井筒内的连接系统、封隔系统和地下进样系统；所述地表取样系统与井头组件通过连接系统与地下进样系统相连，所述封隔系统位于地下进样系统的取样段的上下端部；所述地表取样系统包括取样瓶、取水控制阀、氮气瓶和减压阀，所述取样瓶与取水控制阀通过取样管与地下进样系统相连，用于采集并收集各井段中的地下水；所述氮气瓶与减压阀通过注气导管与地下进样系统相连，用于提供动力源；所述连接系统由多个连接段组成，用于连接所述地表取样系统和不同层位的取样段；所述地下进样系统包括位于取样段内的过滤渗析组件和储流容器、位于连接段内的单向阀和三通阀、以及与所述地表取样系统连接的取样管和注气导管，所述注气导管穿过所述井头组件上的小孔后与三通阀的一端相连，所述三通阀的第二端与单向阀相连，所述注气导管穿过所述三通阀的第三端和取样段的上下端面的小孔后与相邻层位的另一个三通阀相连；所述单向阀的另一端与所述储流容器相连，所述储流容器另一端与过滤渗析组件及取样管相连；所述取样管穿过取样段上端面的小孔及井头组件的小孔后与取水控制阀及取样瓶相连。

优选的，所述的封隔系统由多个封隔组件组成，所述封隔组件位于所述地下进样系统的取样段的上下端部，用于阻断各个取样段之间的水力联系。

进一步的，所述地下进样系统包括分别从上到下依次位于井筒内的第一取样段、第二取样段和第三取样段；所述连接系统包括连接所述井头组件和第一取样段的第一连接段、连接所述第一取样段和第二取样段的第二连接段和连接所述第二取样段和第三取样段的第三连接段；所述封隔系统包括分别位于所述第一取样段上下端部的第一封隔组件和第二封隔组件、分别位于所述第二取样段上下端部的第三封隔组件和第四封隔组件、位于所述第三取样段上端面的第五封隔组件。

可选的，所述第一连接段内设有第一三通阀与第一单向阀；所述第二连接段内设有第二三通阀和第二单向阀；所述第三连接段内设有第三单向阀。

进一步的，所述第一取样段内设有第一储流容器和第一过滤渗析组件；所述第二取样段内设有第二储流容器和第二过滤渗析组件；所述第三取样段内设有第三储流容器和第三过滤渗析组件。

可选的，所述取样瓶包括第一取样瓶、第二取样瓶和第三取样瓶，所述第一取样瓶、第二取样瓶和第三取样瓶分别通过第一取样管、第二取样管和第三取样管与第一取水控制阀、第二取水控制阀和第三取水控制阀相连。

进一步的，所述第一取样管依次穿过井头组件的预留小孔、第一连接段的内部和第一取样段上端面的小孔后与第一过滤渗析组件相连；氮气瓶通过注气导管与减压阀相连，所述注气导管穿越井头组件的小孔后与第一连接段内部的第一三通阀的一端相连，第一三通阀的第二端与第一单向阀相连，注气导管通过第一三通阀的第三端继续穿越第一取样段上下端面的小孔后与第二三通阀的一端相连；所述注气导管通过第一单向阀后穿过第一取样段上端面的小孔后与第一储流容器相连；所述注气导管通过第一储流容器与第一过滤渗析组件和第一取样管相连；所述第二取样管依次穿过井头组件的预留小孔、第一连接段的内部、第一取样段上下端面的小孔、第二连接段的内部和第二取样段上端面的小孔后与第二过滤渗析组件相连；所述注气导管从第一三通阀的第三端接出后穿越第一取样段上下端面的小孔与第二三通阀的一端相连，所述第二三通阀的第二端与第二单向阀相连，注气导管通过第二三通阀的第三端继续穿越第二取样段上下端面的小孔后与第三单项阀的一端相连；注气导管通过第二单向阀并穿过第二取样段上端面的小孔后与第二储流容器相连；所述注气导管通过第二储流容器与第二过滤渗析组件和第二取样管相连；所述第三取样管依次穿过井头组件的预留小孔、第一连接段的内部、第一取样段上下端面的小孔、第二连接段的内部、第二取样段上下端面的小孔、第三连接段的内部及第三取样段上端面的小孔后与第三过滤渗析组件相连；所述注气导管从第二三通阀的第三端接出后穿越第二取样段的上下端面后与第三单向阀相连，所述注气导管从第三单向阀接出后穿越第三取样段上端面的小孔后与第三储流容器相连；注气导管通过第三储流容器与第三过滤渗析组件和第三取样管相连。

优选的，所述地下进样系统的取样段为两端封闭的圆筒状壳体，上下两端设置有若干个小孔，注气导管和取样管穿过小孔分别与地表取样系统相连；所述连接系统的连接段为两端开口的圆柱状筒体，位于最上端的连接段其上端与井头组件连接，其下端与取样段连接，其余的连接段与其上下相邻的取样段连接。

上述各部件中，三通阀用于实现注气导管的各层分流，单向阀用于切断管路内各个层位的水力联系，防止混层。通过将进气管路和各层连接段内的三通阀和单向阀连接，优化进气管路结构，使得进气管路数量减少到1个(如N层取样层位的进气管路从N个减少到1个)，可大幅度减少穿越井头组件和第一取样段上下端面的穿孔数量，提高了取样装置的层数承载力，在满足地下流体分层取样功能的基础上，克服了之前地下流体取样装置其分层数受井筒直径限制的不足，结构简单，成本降低。此外，取样操作简化，缩短了取样时间。

可选的，位于最下层的取样段的底部连接有堵头。

与现有技术相比，本发明的基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置具有如下有益效果：

1、通过优化进气管路结构，在各含水层处通过安装多个三通阀和单向阀实现一根注气导管同时驱动多个含水层地下水的功能。氮气经过三通阀实现管路的分流，通过单向阀切断各个含水层之间的水力联系，防止混层。上述技术方案最大程度地减少了管路数量，减少井头组件和取样段端部的穿孔数量，大幅度提高了系统的层数承载力。

2、本发明通过一根注气导管实现多个含水层地下水同时取样，结构简单，降低了材料成本和加工成本，大幅度减少了取样时间和取样成本，提高了取水效率。此外，注气导管数量的减少在一定程度上也减少了系统的泄漏率，提高了产品的性能。

附图说明

图1为本发明优选实施例的基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置的结构示意图。

其中：1-第一取样瓶，2-第二取样瓶，3-第三取样瓶，4-第一取样管，5-第二取样管，6-第三取样管，7-第一取水控制阀，8-第二取水控制阀，9-第三取水控制阀，10-减压阀，11-注气导管，12-氮气瓶，13-井头组件，14-地面，15-井筒，16-第一连接段，17-第一三通阀，18-第一单向阀，19-第一取样段，20-第一储流容器，21-第一过滤渗析组件，22-第一封隔组件，23-第二封隔组件，24-第二三通阀，25-第二单向阀，26-第二储流容器，27-第二过滤渗析组件，28-第二连接段，29-第三封隔组件，30-第二取样段，31-第四封隔组件，32-第三单向阀，33-第三储流容器，34-第三过滤渗析组件，35-第三连接段，36-第五封隔组件，37-第三取样段，38-堵头。

具体实施方式

下面参见图1对本发明所述一种基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置进行详细说明。

实施例1：

如图1所示，本发明所提供的基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置主要包括地表取样系统、地下进样系统、连接系统、封隔系统、井头组件13和井筒15，其中，地表取样系统和井头组件13位于地面14，连接系统、封隔系统和地下进样系统位于井筒15内。地表取样系统与井头组件13通过连接系统与地下进样系统相连，封隔系统位于地下进样系统的取样段的上下端部。

本发明的地表取样系统包括取样瓶、取水控制阀、氮气瓶12和减压阀10，其中氮气瓶12和减压阀10通过注气导管11相连，氮气瓶12与减压阀10通过注气导管11与地下进样系统相连，用于提供动力源。取样瓶与取水控制阀通过取样管与地下进样系统相连，用于采集并收集各井段中的地下水。

本发明的连接系统主要由多个连接段组成，用于连接地表取样系统和不同层位的地下进样系统的取样段。

本发明的封隔系统主要由多个封隔组件组成，封隔组件位于地下进样系统的取样段的上下端部，用于阻断各个含水层之间的水力联系，进而达到分层取样的目的。

本发明的地下进样系统包括取样段、过滤渗析组件、储流容器、单向阀和三通阀，三通阀与单向阀位于连接段的内部。注气导管11穿过井头组件13上的小孔后与三通阀的一端相连，三通阀的第二端与单向阀相连，注气导管11穿过三通阀的第三端和取样段的上下端面的小孔后与相邻层位的另一个三通阀相连。储流容器与过滤渗析组件位于取样段的内部。单向阀的另一端与储流容器相连，储流容器另一端与过滤渗析组件及取样管相连。取样管穿过取样段上端面的小孔及井头组件13的小孔后与取水控制阀及取样瓶相连。

注气导管11通过地表取样系统的减压阀10后，穿过井头组件13与地下进样系统的三通阀、单向阀和储流容器依次连接，经过过滤渗析组件后与取样管相连，取样管穿过井头组件13后与地表取样系统的取水控制阀相连。

地下进样系统的取样段为两端封闭的圆筒状壳体，上下两端设置有若干个小孔，注气导管11和取样管穿过小孔分别与地表取样系统相连。在取样段的中部设置有多个开口槽，地下水通过开口槽进入取样段内部。过滤渗析组件与储流容器位于取样段的内部，分别用于过滤地下水和储存地下水。

连接系统的连接段主要为两端开口的圆柱状筒体，位于最上端的连接段其上端与井头组件13连接，其下端与取样段连接，其余的连接段与其上下相邻的取样段连接。

本发明通过一根注气导管及多个三通阀和单向阀，实现多个含水层地下水的同步取样，最大程度地减少了管路数量，减少井头组件和取样段端部的穿孔数量，大幅度提高了系统的层数承载力。

下面结合附图1和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本实施例提供的基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置以三层井段为例，但本发明不限于三层。

在本实施例中，地下进样系统包括分别从上到下依次位于井筒15内的第一取样段19、第二取样段30和第三取样段37，连接系统包括连接井头组件13和第一取样段19的第一连接段16、连接所述第一取样段19和第二取样段30的第二连接段28和连接所述第二取样段30和第三取样段37的第三连接段35。封隔系统包括分别位于所述第一取样段19上下端部的第一封隔组件22和第二封隔组件23、分别位于所述第二取样段30上下端部的第三封隔组件29和第四封隔组件31、位于所述第三取样段37上端面的第五封隔组件36，其中，第三取样段37的下端面连接有堵头38。

井头组件13位于地面14上，第一连接段16、第一取样段19、第二连接段28、第二取样段30、第三连接段35、第三取样段37和堵头38分别从上到下位于井筒15内。第一封隔组件22、第二封隔组件23、第三封隔组件29、第四封隔组件31、第五封隔组件36分别从上而下位于井筒15内。

第一取样瓶1通过第一取样管4与第一取水控制阀7相连，第一取样管4依次穿过井头组件13的预留小孔、第一连接段16的内部和第一取样段19上端面的小孔后与第一过滤渗析组件21相连；氮气瓶12通过注气导管11与减压阀10相连，所述注气导管11穿越井头组件13的小孔与第一连接段16内部的第一三通阀17的一端相连，第一三通阀17的第二端与第一单向阀18相连，注气导管11通过第一三通阀17的第三端继续穿越第一取样段19上下端面的小孔后与第二三通阀24的一端相连；所述注气导管11通过第一单向阀18后穿过第一取样段19上端面的小孔后与第一储流容器20相连；所述注气导管11通过第一储流容器20与第一过滤渗析组件21和第一取样管4相连。第一三通阀17和第一单向阀18位于第一连接段16的内部，第一储流容器20和第一过滤渗析组件21位于第一取样段19的内部。

第二取样瓶2通过第二取样管5与第二取水控制阀8相连，第二取样管5依次穿过井头组件13的预留小孔、第一连接段16的内部、第一取样段19上下端面的小孔、第二连接段28的内部和第二取样段30上端面的小孔后与第二过滤渗析组件27相连；所述注气导管11从第一三通阀17的第三端接出后穿越第一取样段19上下端面的小孔与第二三通阀24的一端相连，所述第二三通阀24的第二端与第二单向阀25相连，注气导管11通过第二三通阀24的第三端继续穿越第二取样段30上下端面的小孔后与第三单项阀32的一端相连；注气导管11通过第二单向阀25并穿过第二取样段30上端面的小孔后与第二储流容器26相连；所述注气导管11通过第二储流容器26与第二过滤渗析组件27和第二取样管5相连。第二三通阀24和第二单向阀25位于第二连接段28的内部，第二储流容器26和第二过滤渗析组件27位于第二取样段30的内部。

第三取样瓶3通过第三取样管6与第三取水控制阀9相连，第三取样管6依次穿过井头组件13的预留小孔、第一连接段16的内部、第一取样段19上下端面的小孔、第二连接段28的内部、第二取样段30上下端面的小孔、第三连接段35的内部及第三取样段37上端面的小孔后与第三过滤渗析组件34相连；所述注气导管11从第二三通阀24的第三端接出后穿越第二取样段30的上下端面后与第三单向阀32相连，所述注气导管11从第三单向阀32接出后穿越第三取样段37上端面的小孔后与第三储流容器33相连；注气导管11通过第三储流容器33与第三过滤渗析组件34和第三取样管6相连。第三单向阀32位于第三连接段35的内部，第三储流容器33和第三过滤渗析组件34位于第三取样段37的内部。

本发明通过改进并优化原有取样装置的进气管路结构，大幅度减少穿越封隔器的数量，使得取样系统的层数承载力翻倍，提升了性能减小了综合成本，缩短取样时间更加适宜市场化需求。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解得到的变换或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (9)

1.一种基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置，其特征在于，包括位于地面的地表取样系统和井头组件、位于井筒内的连接系统、封隔系统和地下进样系统；

所述地表取样系统与井头组件通过连接系统与地下进样系统相连，所述封隔系统位于地下进样系统的取样段的上下端部；

所述地表取样系统包括取样瓶、取水控制阀、氮气瓶和减压阀，所述取样瓶与取水控制阀通过取样管与地下进样系统相连，用于采集并收集各井段中的地下水；所述氮气瓶与减压阀通过注气导管与地下进样系统相连，用于提供动力源；

所述连接系统由多个连接段组成，用于连接所述地表取样系统和不同层位的取样段；

所述地下进样系统包括位于取样段内的过滤渗析组件和储流容器、位于连接段内的单向阀和三通阀、以及与所述地表取样系统连接的取样管和注气导管，所述注气导管穿过所述井头组件上的小孔后与三通阀的一端相连，所述三通阀的第二端与单向阀相连，所述注气导管穿过所述三通阀的第三端和取样段的上下端面的小孔后与相邻层位的另一个三通阀相连；

所述单向阀的另一端与所述储流容器相连，所述储流容器另一端与过滤渗析组件及取样管相连；所述取样管穿过取样段上端面的小孔及井头组件的小孔后与取水控制阀及取样瓶相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置，其特征在于，所述的封隔系统由多个封隔组件组成，所述封隔组件位于所述地下进样系统的取样段的上下端部，用于阻断各个取样段之间的水力联系。

3.根据权利要求2所述的一种基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置，其特征在于，所述地下进样系统包括分别从上到下依次位于井筒内的第一取样段、第二取样段和第三取样段；

所述连接系统包括连接所述井头组件和第一取样段的第一连接段、连接所述第一取样段和第二取样段的第二连接段和连接所述第二取样段和第三取样段的第三连接段；

所述封隔系统包括分别位于所述第一取样段上下端部的第一封隔组件和第二封隔组件、分别位于所述第二取样段上下端部的第三封隔组件和第四封隔组件、位于所述第三取样段上端面的第五封隔组件。

4.根据权利要求3所述的一种基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置，其特征在于，所述第一连接段内设有第一三通阀与第一单向阀；所述第二连接段内设有第二三通阀和第二单向阀；所述第三连接段内设有第三单向阀。

5.根据权利要求4所述的一种基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置，其特征在于，所述第一取样段内设有第一储流容器和第一过滤渗析组件；所述第二取样段内设有第二储流容器和第二过滤渗析组件；所述第三取样段内设有第三储流容器和第三过滤渗析组件。

6.根据权利要求5所述的一种基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置，其特征在于，所述取样瓶包括第一取样瓶、第二取样瓶和第三取样瓶，所述第一取样瓶、第二取样瓶和第三取样瓶分别通过第一取样管、第二取样管和第三取样管与第一取水控制阀、第二取水控制阀和第三取水控制阀相连。

7.根据权利要求6所述的一种基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置，其特征在于，所述第一取样管依次穿过井头组件的预留小孔、第一连接段的内部和第一取样段上端面的小孔后与第一过滤渗析组件相连；氮气瓶通过注气导管与减压阀相连，所述注气导管穿越井头组件的小孔后与第一连接段内部的第一三通阀的一端相连，第一三通阀的第二端与第一单向阀相连，注气导管通过第一三通阀的第三端继续穿越第一取样段上下端面的小孔后与第二三通阀的一端相连；所述注气导管通过第一单向阀后穿过第一取样段上端面的小孔后与第一储流容器相连；所述注气导管通过第一储流容器与第一过滤渗析组件和第一取样管相连；

所述第二取样管依次穿过井头组件的预留小孔、第一连接段的内部、第一取样段上下端面的小孔、第二连接段的内部和第二取样段上端面的小孔后与第二过滤渗析组件相连；所述注气导管从第一三通阀的第三端接出后穿越第一取样段上下端面的小孔与第二三通阀的一端相连，所述第二三通阀的第二端与第二单向阀相连，注气导管通过第二三通阀的第三端继续穿越第二取样段上下端面的小孔后与第三单项阀的一端相连；注气导管通过第二单向阀并穿过第二取样段上端面的小孔后与第二储流容器相连；所述注气导管通过第二储流容器与第二过滤渗析组件和第二取样管相连；

所述第三取样管依次穿过井头组件的预留小孔、第一连接段的内部、第一取样段上下端面的小孔、第二连接段的内部、第二取样段上下端面的小孔、第三连接段的内部及第三取样段上端面的小孔后与第三过滤渗析组件相连；所述注气导管从第二三通阀的第三端接出后穿越第二取样段的上下端面后与第三单向阀相连，所述注气导管从第三单向阀接出后穿越第三取样段上端面的小孔后与第三储流容器相连；注气导管通过第三储流容器与第三过滤渗析组件和第三取样管相连。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置，其特征在于，所述地下进样系统的取样段为两端封闭的圆筒状壳体，上下两端设置有若干个小孔，注气导管和取样管穿过小孔分别与地表取样系统相连；

所述连接系统的连接段为两端开口的圆柱状筒体，位于最上端的连接段其上端与井头组件连接，其下端与取样段连接，其余的连接段与其上下相邻的取样段连接。

9.根据权利要求8所述的一种基于一孔多层链接构型的地下流体取样装置，其特征在于，位于最下层的取样段的底部连接有堵头。

Images