CN112539965A - 一种基岩含水层取样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种基岩含水层取样装置及方法，涉及含水层取样设备领域，包括管道、气囊和取样机构，沿管道轴向至少分布两个分别连通管道的气囊，取样机构包括取样容器、驱动件，取样容器位于相邻气囊之间，且其开口处设有封堵件，驱动件连通管道，驱动件输出端连接封堵件，驱动件用于在管道内介质的作用下带动封堵件开启或封堵取样容器，利用管道作为气囊和取样机构共同的动力源，配置气囊的膨胀封堵压力与取样机构触发压力存在压力差，通过控制输入管道内介质的压力，实现气囊和取样机构的分别动作，从而在隔离目标含水层后再开启取样装置进行取样，避免了多种动力源的复杂配置，并且保证了整体的密封性。

Description

一种基岩含水层取样装置及方法

技术领域

本公开涉及含水层取样设备领域，特别涉及一种基岩含水层取样装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

在基岩山区，一眼水井往往揭穿多个含水层，如同时揭穿奥陶系灰岩、寒武纪三山子组灰岩、张夏组灰岩、朱砂洞组灰岩、新元古代佟家庄组灰岩等含水层。由于径流途径、补给条件等因素的影响，每个含水层的化学组分、水质等均有不同。在水文地质研究中，研究各含水层水化学特征具有重要意义。

发明人发现，成井后出水往往为各含水层的混合水，现有设备所采取的水质样品也是各含水层的混合水，不能够体现每个含水层的水化学特征和水质特征。现有成井和止水技术可以实现对某一特定含水层取水，若要对4-5个含水层进行研究则需施工4-5眼水井，成本较高；

另一方面，现有的取样设备采用气囊作为阻隔件，对气囊充气后，能够对含水层进行隔离，然后通过多管组合的方式实现对目标含水层的取样，虽然实现了对目标含水层的取样，但是在实际的施工过程中，多管组合的方式难以实现气囊的密封，不规则的管道与气囊的密封性较差，并且，需要配置气泵、水泵等多种动力源，增加了设备的复杂程度，不利于现场的快速布置。

发明内容

本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基岩含水层取样装置及方法，利用管道作为气囊和取样机构共同的动力源，配置气囊的膨胀封堵压力与取样机构触发压力存在压力差，通过控制输入管道内介质的压力，实现气囊和取样机构的分别动作，从而在隔离目标含水层后再开启取样装置进行取样，避免了多种动力源的复杂配置；下放取样机构到目标含水层位置后，通过输入介质使气囊撑开，封堵含水层的上部和下部，静置一段时间，使含水层内水充分循环后，通过输入介质驱动取样容器开启进行水样采集，在取样完毕后，在驱动件恢复力作用下完成取样容器密封，实现所取水样为目标含水层水样，而非混合水，保证了样品采集的可靠性和研究的准确性并且保证了整体的密封性。可以实现一眼水井分别采取各含水层的水样。

本公开的第一目的是提供一种基岩含水层取样装置，采用以下技术方案：

包括管道、气囊和取样机构，沿管道轴向至少分布两个分别连通管道的气囊，取样机构包括取样容器、驱动件，取样容器位于相邻气囊之间，且其开口处设有封堵件，驱动件连通管道，驱动件输出端连接封堵件，驱动件用于在管道内介质的作用下带动封堵件开启或封堵取样容器。

进一步地，所述气囊套设在管道外部，能够沿管道径向膨胀或收缩。

进一步地，所述取样容器开口位置设有封堵筒，封堵件外壁与封堵筒内壁贴合且滑动连接，封堵筒壁上设有连通取样容器内部的通孔，封堵件能够相对于封堵筒滑动以封堵通孔或敞开通孔。

进一步地，所述驱动件包括壳体和滑动连接壳体的驱动板，壳体配合驱动板形成连通管道的驱动腔，驱动板一侧连接封堵件，另一侧通过位于驱动腔内的弹性件连接壳体内壁。

进一步地，所述管道一端开口，另一端封堵，开口端用于接入外部动力源，封堵端连接有配重块。

进一步地，所述管道位于相邻气囊之间的位置设有取样支架，取样机构安装在取样支架上。

本公开的第二目的是提供一种基岩含水层取样方法，利用如上所述的基岩含水层取样装置，包括以下步骤：

确定目标含水层层位及分布深度，调节与取样机构相邻的两个气囊的间距；

沿钻孔通过管路下放气囊及取样机构，直至取样机构整体位于目标含水层位置；

通过管道向气囊内注入介质并稳定，气囊膨胀贴合钻孔内壁以封堵其所在钻孔位置，使得两个气囊之间均处于目标含水层区域；

提升管道注入介质的体积，触发驱动件带动封堵件移动，开启取样容器取水；

取水后通过管道降低介质的体积，驱动件带动封堵件移动，封堵取样容器后，气囊回缩，通过管道提压气囊及取样机构，完成取样。

进一步地，所述介质为流体介质，所述气囊为弹性气囊，在充入介质后发生膨胀贴合钻孔内壁阻隔气囊上下方水体交换，在抽出介质后通过弹性收缩。

进一步地，在气囊封堵钻孔后，静置设定时间待目标含水层内水充分循环后，开启取样容器取水。

进一步地，驱动件的触发压力大于气囊膨胀封堵钻孔时所需压力。

与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：

(1)利用管道作为气囊和取样机构共同的动力源，配置气囊的膨胀封堵压力与取样机构触发压力存在压力差，通过控制输入管道内介质的压力，实现气囊和取样机构的分别动作，从而在隔离目标含水层后再开启取样装置进行取样，避免了多种动力源的复杂配置，并且保证了整体的密封性；

(2)通过改变管道对气囊和取样机构的下放深度，能够实现定层取水，取样特定某一含水层的水，并且能够实现同一水井分别采取不同含水层的水样，实现一井多用；

(3)取样机构位于两个气囊之间，两个气囊将取样装置所在位置的水体与其他含水层进行隔离，避免不同含水层之间的水体混合，静止设定时间使目标含水层内的水充分循环，保证所取水样为目标含水层内的水。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1、2中取样装置的整体结构示意图；

图2为本公开实施例1、2中取样容器开启时的结构示意图；

图3为本公开实施例1、2中取样容器封堵时的结构示意图；

图4是本公开实施例1、2中取样容器的结构示意图。

图中，1、管道，2、气囊，3、第一气嘴，4、驱动件，5、第二气嘴，6、取样支架，7、驱动板，8、第一挡销，9、第二挡销，10、取样容器，11、封堵筒，12、封堵件，13、配重。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中对含水层取样时，多管组合的方式难以实现气囊的密封，不规则的管道与气囊的密封性较差，并且，需要配置气泵、水泵等多种动力源，增加了设备的复杂程度；针对上述问题，本公开提出了一种基岩含水层取样装置及方法。

实施例1

本公开的一种典型的实施方式中，如图1-图4所示，提出了一种基岩含水层取样装置。

主要包括管道1、气囊2和取样机构，气囊和取样机构均连接管道，管道作为下放的牵引元件，还作为介质的输送元件；气囊为弹性气囊结构，连通管道，能够在管道向其内部注入介质时发生膨胀，在注入压力小于气囊本身收缩力度时，气囊通过缩小将介质从气囊内挤出返回管道内，达到气囊的缩小；取样机构安装在管道上，由管道提供稳定的支撑，并且，其连通管道，通过管道输送的流体介质实现触发，开启取样容器进行取样或关闭取样容器进行样品的封存。

具体的，沿管道轴向至少分布两个分别连通管道的气囊，气囊通过第一气嘴3连通管道，根据目标含水层的数目来选择气囊的配置数目；

若仅对单一的含水层进行取样，则可以配置两个气囊，两个气囊膨胀后封堵井道，形成位于目标含水层的取样空间；

若对多个含水层，比如两个含水层进行取样，则可以对应两个取样位置配置四个气囊，每个取样位置的上方和下方分别布置一个气囊，从而使其能够在隔离时形成两个分别位于两个目标含水层的取样空间；

需要指出的是，若目标含水层相邻，则其相邻位置可以共用一个气囊进行封堵井道，另外，为了提高取样的精度，减少含水层之间的混合的概率，即使多个目标含水层的相邻，也可以分别配置气囊，不共用气囊，保证隔离的有效性。

取样机构位于两个气囊之间，两个气囊将取样装置所在位置的水体与其他含水层进行隔离，避免不同含水层之间的水体混合，静止设定时间使目标含水层内的水充分循环，保证所取水样为目标含水层内的水。

取样机构包括取样容器10、驱动件4，取样容器位于相邻气囊之间，且其开口处设有封堵件12，驱动件连通管道，驱动件输出端连接封堵件，驱动件用于在管道内介质的作用下带动封堵件开启或封堵取样容器；

对于驱动件的位置，其可以位于不同的位置，其连通管道，在管道内所输送的流动介质作用下触发，能够产生位移并推动封堵件动作，对于取样容器，其位于相邻的气囊之间即可，保证能够处于两个气囊封堵井道所形成的隔离空间内，实现其所取样水体为目标含水层内的水。

具体的，对于气囊结构，气囊套设在管道外部，能够沿管道径向膨胀或收缩。

对于取样机构，如图4所示，取样容器开口位置设有封堵筒11，封堵件外壁与封堵筒内壁贴合且滑动连接，封堵筒壁上设有连通取样容器内部的通孔，封堵件能够相对于封堵筒滑动以封堵通孔或敞开通孔；

封堵件滑动敞开通孔时，通孔能够连通取样容器内部和外部，使外部水流能够进入到取样容器内；封堵件滑动封闭通孔时，封堵件将通孔与外部隔离，从而使得取样容器内部空间与外部隔离，对取样容器封存。

所述驱动件包括壳体和滑动连接壳体的驱动板7，壳体配合驱动板形成连通管道的驱动腔，驱动腔通过第二气嘴5连通管道，驱动板一侧连接封堵件，另一侧通过位于驱动腔内的弹性件连接壳体内壁；

将流动介质注入驱动腔后，驱动腔整体发生膨胀，从而克服弹性件的拉力推动驱动板滑动，带动封堵件动作，开启取样容器，进行取样；在取样完成后，降低流动介质的压力，驱动板在弹性件的恢复力作用下反向滑动，反向带动封堵件动作，封堵取样容器，完成对取样的封存。

对于弹性件，可以选用拉簧、橡皮筋等弹性元件，还可以根据所需的触发压力选用不同弹力系数规格的弹簧，或改变所配置弹性元件的数目。

在本实施例中，为了方便对取样机构的配置，将取用机构的驱动件和取样容器配置在同一位置，管道位于相邻气囊之间的位置设有取样支架6，取样机构安装在取样支架上；

如图所示，管道在相邻气囊之间设置分流结构，利用管道本体形成取样支架，实现对驱动件、取样容器的安装，驱动件通过第一挡销8固定在取样支架上，取样容器通过第二挡销9固定在取样支架上；

取样容器和驱动件相对布置，驱动件的输出端连接封堵件，封堵件可以选用密封活塞，能够相对于取样容器开口进行滑动，又能够在滑动前后与取样容器开口形成良好的密封，避免水样的污染和泄露；

为了方便驱动件与取样容器的联动，对于驱动板与封堵件之间的连接件选用杆件，既能够承受轴向推力，也能够承受轴向的拉力，方便推拉封堵件实现开启封堵过程。

对于管道，管道一端开口，另一端封堵，开口端用于接入外部动力源，封堵端连接有配重块13；

管道可以采用硬质管道，也可以采用软质管道，能够保证良好的传输气压作用和提拉作用即可；

需要指出的是，在采用硬质管道时，由于其能够进行拉力和推力的传递，因此，可以不配置配重块，直接通过施加外力完成管道、气囊和取样机构的下放入井内；

在采用软质管道时，由于其只能承载轴向的拉力，因此，需要在其末端配置配重块，利用配重块的重力作用方便气囊、取样机构和管道的下放。

对于动力源，可以采用气体动力源，由气体作为介质，由气泵向管道内输入气流，并能够控制气流的压力，实现气囊的膨胀和取样容器的触发；

也可以采用液体动力源，由水、油等作为介质，由水泵向管道内输入液体，并控制输入流体的压力，实现气囊的膨胀和取样容器的触发；

需要指出的是，在采用液体动力源时，其仅采用液体作为气囊和取样容器共同的触发介质，在对其进行泄压时，可以对管路配置泄压阀进行泄压，方便驱动件内部流体的排出。

在本实施例中，考虑其可控性和安全性，优选为气体动力源。

当然，可以理解的是，根据不同的含水层深度，可以对管道的长度进行自由配置，延长或缩短管道的长度，提高管道对不同深度含水层的适应性；

改变管道对气囊和取样机构的下放深度，能够实现定层取水，取样特定某一含水层的水，并且能够实现同一水井分别采取不同含水层的水样，实现一井多用。

利用管道作为气囊和取样机构共同的动力源，配置气囊的膨胀封堵压力与取样机构触发压力存在压力差，通过控制输入管道内介质的压力，实现气囊和取样机构的分别动作，从而在隔离目标含水层后再开启取样装置进行取样，避免了多种动力源的复杂配置，并且保证了整体的密封性。

实施例2

本公开的另一典型实施方式中，如图所示，提出了一种基岩含水层取样方法，利用如实施例1所述的取样装置。

包括以下步骤：

根据钻孔资料，确定目标含水层层位及分布深度，调节与取样机构相邻的两个气囊的间距；

沿钻孔通过管路下放气囊及取样机构，直至取样机构整体位于目标含水层位置；

通过管道向气囊内注入介质并稳定，气囊膨胀贴合钻孔内壁以封堵其所在钻孔位置，使得两个气囊之间均处于目标含水层区域；

提升管道注入介质的体积，驱动件的触发压力大于气囊膨胀封堵钻孔时所需压力，触发驱动件带动封堵件移动，开启取样容器取水；

取水后通过管道降低介质的体积，驱动件带动封堵件移动，封堵取样容器后，气囊回缩，通过管道提压气囊及取样机构，完成取样。

进一步地，所述介质为流体介质，所述气囊为弹性气囊，在充入介质后发生膨胀贴合钻孔内壁阻隔气囊上下方水体交换，在抽出介质后通过弹性收缩。

进一步地，在气囊封堵钻孔后，静置设定时间待目标含水层内水充分循环后，开启取样容器取水。

具体的，以气体动力源为例，对上述工作过程进一步描述：

1、根据钻孔资料，确定目标含水层层位，调节上下气囊之间的高度，使之适合目标含水层。

2、将取样装置下入基岩水井目标含水层位置。

3、打开空压机，调节至气压M1，上下气囊打开膨胀，充满井管内壁，封闭目的含水层的上部和底部。

4、静置1-2天后，待含水层内水充分循环后，将空压机压力提高至M2压力，在M2压力下，驱动件带动封堵件移动，开启取样容器，取样容器进水。

5、降低压力，驱动件在弹簧作用下返回并带动封堵件上升，封闭取样容器的开口，对水样封存。

6、继续降低压力，气囊收缩，提出取样装置，完成取样。

利用管道作为气囊和取样机构共同的动力源，配置气囊的膨胀封堵压力与取样机构触发压力存在压力差，通过控制输入管道内介质的压力，实现气囊和取样机构的分别动作；

从而在隔离目标含水层后再开启取样装置进行取样，避免了多种动力源的复杂配置，并且保证了整体的密封性。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基岩含水层取样装置，其特征在于，包括管道、气囊和取样机构，沿管道轴向至少分布两个分别连通管道的气囊，取样机构包括取样容器、驱动件，取样容器位于相邻气囊之间，且其开口处设有封堵件，驱动件连通管道，驱动件输出端连接封堵件，驱动件用于在管道内介质的作用下带动封堵件开启或封堵取样容器。

2.如权利要求1所述的基岩含水层取样装置，其特征在于，所述气囊套设在管道外部，能够沿管道径向膨胀或收缩。

3.如权利要求1所述的基岩含水层取样装置，其特征在于，所述取样容器开口位置设有封堵筒，封堵件外壁与封堵筒内壁贴合且滑动连接，封堵筒壁上设有连通取样容器内部的通孔，封堵件能够相对于封堵筒滑动以封堵通孔或敞开通孔。

4.如权利要求1所述的基岩含水层取样装置，其特征在于，所述驱动件包括壳体和滑动连接壳体的驱动板，壳体配合驱动板形成连通管道的驱动腔，驱动板一侧连接封堵件，另一侧通过位于驱动腔内的弹性件连接壳体内壁。

5.如权利要求1所述的基岩含水层取样装置，其特征在于，所述管道一端开口，另一端封堵，开口端用于接入外部动力源，封堵端连接有配重块。

6.如权利要求1所述的基岩含水层取样装置，其特征在于，所述管道位于相邻气囊之间的位置设有取样支架，取样机构安装在取样支架上。

7.一种基岩含水层取样方法，利用如权利要求1-6任一项所述的基岩含水层取样装置，其特征在于，包括以下步骤：

确定目标含水层层位及分布深度，调节与取样机构相邻的两个气囊的间距；

沿钻孔通过管路下放气囊及取样机构，直至取样机构整体位于目标含水层位置；

通过管道向气囊内注入介质并稳定，气囊膨胀贴合钻孔内壁以封堵其所在钻孔位置，使得两个气囊之间均处于目标含水层区域；

提升管道注入介质的体积，触发驱动件带动封堵件移动，开启取样容器取水；

取水后通过管道降低介质的体积，驱动件带动封堵件移动，封堵取样容器后，气囊回缩，通过管道提压气囊及取样机构，完成取样。

8.如权利要求7所述的基岩含水层取样方法，其特征在于，所述介质为流体介质，所述气囊为弹性气囊，在充入介质后发生膨胀贴合钻孔内壁阻隔气囊上下方水体交换，在抽出介质后通过弹性收缩。

9.如权利要求7所述的基岩含水层取样方法，其特征在于，在气囊封堵钻孔后，静置设定时间待目标含水层内水充分循环后，开启取样容器取水。

10.如权利要求7所述的基岩含水层取样方法，其特征在于，驱动件的触发压力大于气囊膨胀封堵钻孔所需压力。

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