CN118327552B - 一种用于多层含水层的地下水气压力监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下工程和地下水监测技术领域，具体涉及一种用于多层含水层的地下水气压力监测装置及方法，所述监测装置包括钻头、监测组件、密封组件、钻杆和地面主机，监测组件下方连接钻头，监测组件上方连接钻杆，监测组件和钻杆的连接处设置密封组件；监测组件包括渗压外壳，渗压外壳内部的下方设置驱动电机，驱动电机连接钻头并驱动钻头旋转；监测组件内部还设置传感器；密封组件包括橡胶垫，橡胶垫边缘弯折，橡胶垫上方设置伸缩室。本发明能够实现钻进的同时，对多层含水层进行地下水气压力监测，能够在一口钻井，利用一套监测组件实现多个位置的地下水参数监测，不仅保证了探测精度，而且减少了监测成本和监测时间。

Description

一种用于多层含水层的地下水气压力监测装置及方法

技术领域

本发明涉及地下工程和地下水监测技术领域，具体涉及一种用于多层含水层的地下水气压力监测装置及方法。

背景技术

地下水按照含水介质类型的不同分为孔隙水、裂隙水和岩溶水，孔隙水为主要赋存在松散沉积物颗粒间孔隙中的地下水；裂隙水为存在于岩石裂隙中的地下水，与孔隙水相比较，裂隙水分布不均匀，往往无统一的水力联系；岩溶水为主要赋存于岩溶空隙中的水，水量丰富但是分布不均一，同时在不均一中又有相对均一的地段。三种不同含水介质类型的地下水，特点相差较大。对于地下水的监测主要包括压力（水位、水头）、温度和电导率等，水质方面仍然以样品采集测试为主。目前地下水监测不论是潜水含水层还是承压含水层，大多数都是针对孔隙水的监测，对于裂隙水和岩溶水的监测则很少，主要因为这两种含水介质中地下水的分布具有较强的空间异质性，监测结果误差较大。

但是对于裂隙水以及岩溶水的监测对于地下工程而言非常重要，裂隙水是丘陵、山区等地供水的重要水源，裂隙水的监测利于对于该地区的水资源利用。而岩溶水的监测对于岩溶坍塌等突发性灾害至关重要。因此对于裂隙水和岩溶水同样需要精度高的地下水监测装置。

目前测量岩体中地下水压力的常用方法是采用在钻孔中埋设渗压计的方法，即先在待检测区域钻孔，然后将渗压计置入钻孔中，再进行钻口水泥浆液回填灌浆封堵施工，以防止孔口漏水进而影响测量精度，另外还需要在渗压计顶端回填反滤材料，使得地下水汇入渗压计测量位置，保证渗压计有效测量。这种测量方式对于水泥浆液回填灌浆质量要求较高，如果灌浆质量得不到保证，则可能会导致测量失败，并且这种方式无法循环使用，一个钻孔只能埋设一个渗压计，对于具有多个含水层的钻孔，需要钻进多个不同深度的钻孔，不仅工程成本较高，而且测量位置也不同，尤其对于裂隙水和岩溶水，其测量结果误差更大。

现有技术CN107036756A公开了一种后埋入式可多点测量地下水渗流压力的监测装置，主要包括测量单元和封隔单元，所述测量单元是由渗压测量单元外管、顶端隔离支架、中部支架、密封材料、过线管、渗压计主体、透水石、渗压计数据线组成；所述封隔单元是由封隔单元主管、橡胶囊、灌浆管、排气管组成；测量单元和封隔单元可通过连接头和连接螺栓进行扩展，实现多点同时测量，对不同含水层或者同一含水层不同位置的地下水渗流压力进行测量和监测。该监测装置可以通过后期钻孔埋入需要测量和监测的位置，对地下水压力进行测量和监测，可满足不同含水层分布和测量位置的需求，可同时进行多层多位置的渗流压力测量和监测，安装简单，方便可靠。

但是上述监测装置需要监测多个水位的压力时，就需要重复连接多个测量单元和封隔单元，不仅设备越来越笨重复杂，而且需要提前知晓钻孔内的含水层。

因此，有必要提供一种用于多层含水层的地下水气压力监测装置及方法，实现实时钻进且监测地下水参数。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种用于多层含水层的地下水气压力监测装置及方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于多层含水层的地下水气压力监测装置，包括钻头、监测组件、密封组件、钻杆和地面主机，所述监测组件下方连接钻头，所述监测组件上方连接钻杆，所述监测组件和所述钻杆的连接处设置密封组件，所述监测组件通过线缆连接地面主机；所述监测组件包括渗压外壳，所述渗压外壳内部的下方设置驱动电机，所述驱动电机连接钻头并驱动钻头旋转实现钻进；所述监测组件内部还设置传感器组件；所述密封组件包括橡胶垫，所述橡胶垫边缘弯折，所述橡胶垫上方设置伸缩室，所述伸缩室连接驱动泵。

进一步地，所述传感器组件包括透水石和渗压计，所述透水石设置于渗压计上方，所述渗压外壳上设置若干透水孔。

进一步地，所述传感器组件还包括温度传感器和电导率传感器。

进一步地，所述渗压外壳内部还设置过线管，所述过线管内部设置线缆。

进一步地，所述钻头为牙轮钻头。

进一步地，所述橡胶垫边缘向上弯折，所述驱动泵未启动时，所述橡胶垫的外边缘直径小于钻孔直径。

进一步地，所述橡胶垫下方设置限位板，所述限位板的外径小于所述钻孔直径。

进一步地，所述伸缩室包括外壳和内壳，所述内壳位于所述外壳下方且所述内壳伸入所述外壳内部，所述外壳与所述内壳之间密封设置，所述外壳与所述内壳构成密闭空间，所述密闭空间通过管道连接驱动泵；当驱动泵向密闭空间内注入气体或液体时，所述内壳向下运动挤压橡胶垫。

进一步地，所述伸缩室为封闭的可压缩波纹管，可压缩波纹管通过管道连接驱动泵；当驱动泵向可压缩波纹管内注入气体或液体时，所述可压缩波纹管向下运动挤压橡胶垫。

本发明还提供一种用于多层含水层的地下水气压力监测方法，使用上述的用于多层含水层的地下水气压力监测装置，具体包括：

S1、启动驱动电机，进行钻孔；

S2、随着钻孔的钻进，观测监测组件内渗压计测量的地下水压力，待渗压计采集到压力后，继续向下钻进设定深度，停止钻进；

S3、启动驱动泵，促使伸缩室向下挤压橡胶垫，橡胶垫被挤压后展平并被压缩，进而封堵钻孔；

S4、通过地面主机观测渗压计采集的压力数据。

进一步地，地下水气压力监测方法还包括：

S5、采集设定时间的压力数据后，利用抽气泵或液泵将伸缩室内气体或液体抽出，使橡胶垫恢复初始状态；

S6、启动驱动电机，继续进行钻孔，并循环步骤S2-S4，实现不同含水层的地下水气压力监测。

进一步地，所述钻头与所述驱动电机通过过渡杆连接，所述过渡杆下端设置内螺纹，所述钻头上端设置外螺纹，所述过渡杆与所述钻头螺纹连接；所述过渡杆上端与所述驱动电机通过联轴器连接；所述过渡杆表面设置扭矩传感器。

更进一步地，钻孔过程中，实时观测扭矩传感器采集的扭矩数据，根据扭矩数据调整钻头转速。

更进一步地，设定进行地表钻孔时的扭矩为，此时对应的钻速设定为，间隔设定采集周期后的扭矩为、……，对应的钻速设定为、……；

其中，若大于，则判定与的差值的大小,i=1、2……n-1，

如果-≥，则降低钻速，即＜，为第一扭矩判定阈值；

如果-＜，则判断扭矩为时刻的地下水温度与扭矩为时刻的地下水温度：如果-≥，则降低钻速，即＜；如果-＜，则保持钻速不变，为温度判定阈值；

若等于，则保持钻速不变；

若小于，则判定与的差值的大小，

如果-≥，则提高钻速，即＞，为第二扭矩判定阈值；

如果-＜，则观测压力数据，比较扭矩为时刻的压力数据与扭矩为时刻的压力数据，如果-≥，则降低钻速继续钻进；如果-＜，则钻速降为零，持续采集压力数据，为第一压力判定阈值。

更进一步地，当渗压计采集的压力数据由零转变为正数的压力数据时，驱动泵启动，直至驱动泵的泵入量达到设定泵入量为止。

更进一步地，当驱动泵的泵入量达到设定泵入量时，若此时压力数据大于第二压力判定阈值，则按照预设泵入量继续使橡胶垫压缩。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的用于多层含水层的地下水气压力监测装置，为钻探、密封、监测一体式设计，能够实现钻进的同时，对多层含水层进行地下水气压力监测，另外，密封组件能够收缩实现循环使用，进而能够在一口钻井，利用一套监测组件实现多个位置的地下水参数监测，不仅保证了探测精度，而且减少了监测成本和监测时间，大大提高监测效率。

另外，本发明无需提前利用其他设备探测地层岩石情况，只需对地表介质进行探测即可，设定好初始钻速后，根据采集的压力、温度以及扭矩数据及时调整钻头钻速，避免钻头损坏，并且可以提高钻进效率，初步判断地下水深度，使用方便的同时，进一步缩短施工周期和施工成本。

附图说明

图1为本发明提供的用于多层含水层的地下水气压力监测装置结构示意图。

图2为所述伸缩室的结构示意图。

附图标记说明：

1、钻头，2、驱动电机，3、地面主机，4、渗压外壳，5、橡胶垫，6、伸缩室，601、外壳，602、内壳，7、过线管，8、堵头，9、传感器组件，10、限位板，11、钻杆。

具体实施方式

下面将结合附图说明对本发明的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不是本发明的全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

需要说明的是，除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式不应被理解为对本发明范围的限制。

以下对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，在任何意义上都不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。这里对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和装置可能不作详细讨论，但在适用这些技术、方法和装置情况下，这些技术、方法和装置应当被视为本说明书的一部分。

实施例一

本发明提供一种用于多层含水层的地下水气压力监测装置，如图1所示，包括钻头1、监测组件、密封组件、钻杆11和地面主机3，所述监测组件下方连接钻头1，所述监测组件上方连接钻杆11，所述监测组件和所述钻杆11的连接处设置密封组件，所述监测组件通过线缆连接地面主机3；所述监测组件包括渗压外壳4，所述渗压外壳4内部的下方设置驱动电机2，所述驱动电机2连接钻头1并驱动钻头1旋转实现钻进；所述监测组件内部还设置传感器组件9；所述密封组件包括橡胶垫5，所述橡胶垫5边缘弯折，所述橡胶垫5上方设置伸缩室6，所述伸缩室6连接驱动泵（图中未示出）。

所述传感器组件9包括透水石和渗压计，所述透水石设置于渗压计上方，所述渗压外壳4上设置若干透水孔，地下水通过透水孔渗入渗压外壳4内部，并通过透水石和渗压计监测水压。透水石和渗压计均采用现有技术，其内部结构在此不作赘述。

另外，所述传感器组件9还包括温度传感器和电导率传感器，温度传感器用于监测地下水的温度，电导率传感器用于监测地下水的电导率。传感器组件9与驱动电机2之间设置堵头8，堵头8能够实现驱动电机2与传感器组件9的隔离，避免驱动电机2损坏。

所述渗压外壳4内部还设置过线管7，所述过线管7内部设置线缆。线缆设置在过线管7内避免线缆浸泡在水中，导致线缆失效或腐蚀。另外，本发明中使用的钻头1为牙轮钻头，牙轮钻头能够适应于多种地质。

所述橡胶垫5边缘向上弯折，所述驱动泵未启动时，所述橡胶垫5的外边缘直径小于钻孔直径。进而避免钻进过程中橡胶垫5与钻孔内壁摩擦导致橡胶垫磨损。所述橡胶垫5下方设置限位板10，所述限位板10的外径小于所述钻孔直径。利用限位板10进一步限制橡胶垫5滑动。

所述伸缩室6包括外壳601和内壳602，如图2所示，所述内壳602位于所述外壳601下方且所述内壳602伸入所述外壳601内部，外壳601固定设置于渗压外壳4上，内壳602与渗压外壳4之间密封且能够滑动连接；所述外壳601与所述内壳602之间密封设置，例如内壳602与外壳601之间设置密封圈，内壳602与外壳601之间还设置弹性件，例如弹簧。所述外壳601与所述内壳602构成密闭空间，所述密闭空间通过管道连接驱动泵；当驱动泵向密闭空间内注入气体或液体时，所述内壳602向下运动挤压橡胶垫5。当密闭空间内压力减少时，利用弹簧将内壳602复位。

在其他实施例中，所述伸缩室6还可以为封闭的可压缩波纹管，可压缩波纹管通过管道连接驱动泵；可压缩波纹管上端固定，下端与渗压外壳滑动连接；当驱动泵向可压缩波纹管内注入气体或液体时，所述可压缩波纹管下端向下运动挤压橡胶垫。

实施例二

本发明还提供一种用于多层含水层的地下水气压力监测方法，使用实施例一提供的用于多层含水层的地下水气压力监测装置，具体包括：

S1、启动驱动电机2，进行钻孔；

S2、随着钻孔的钻进，观测监测组件内渗压计测量的地下水压力，待渗压计采集到压力后，继续向下钻进设定深度，停止钻进；

S3、启动驱动泵，促使伸缩室6向下挤压橡胶垫5，橡胶垫5被挤压后展平并被压缩，进而封堵钻孔；

S4、通过地面主机3观测渗压计采集的压力数据。

S5、采集设定时间的压力数据后，利用抽气泵或液泵将伸缩室内气体或液体抽出，使橡胶垫5恢复初始状态；

S6、启动驱动电机2，继续进行钻孔，并循环步骤S2-S4，实现不同含水层的地下水气压力监测。

所述钻头1与所述驱动电机2通过过渡杆连接，所述过渡杆下端设置内螺纹，所述钻头1上端设置外螺纹，所述过渡杆与所述钻头1螺纹连接；所述过渡杆上端与所述驱动电机2通过联轴器连接；所述过渡杆表面设置扭矩传感器。

钻孔过程中，实时观测扭矩传感器采集的扭矩数据，根据扭矩数据调整钻头转速。设定进行地表钻孔时的扭矩为，此时对应的钻速设定为，间隔设定采集周期后的扭矩为、……，对应的钻速设定为、……；

其中，若大于，则判定与的差值的大小,i=1、2……n-1，

如果-≥，则降低钻速，即＜，为第一扭矩判定阈值；

如果-＜，则判断扭矩为时刻的地下水温度与扭矩为时刻的地下水温度：如果-≥，则降低钻速，即＜；如果-＜，则保持钻速不变，为温度判定阈值，的设置依据地质以及钻头的类型设定；地下水温度通过温度传感器测量获得；

若等于，则保持钻速不变；

若小于，则判定与的差值的大小，

如果-≥，则提高钻速，即＞，为第二扭矩判定阈值；

如果-＜，则观测压力数据，比较扭矩为时刻的压力数据与扭矩为时刻的压力数据，如果-≥，则降低钻速继续钻进；如果-＜，则钻速降为零，持续采集压力数据，为第一压力判定阈值。

当渗压计采集的压力数据由零转变为正数的压力数据时，驱动泵启动，直至驱动泵的泵入量达到设定泵入量为止。当驱动泵的泵入量达到设定泵入量时，若此时压力数据大于第二压力判定阈值，则按照预设泵入量继续使橡胶垫压缩。

以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种用于多层含水层的地下水气压力监测方法，使用用于多层含水层的地下水气压力监测装置，其特征在于，具体包括：

S1、启动驱动电机，进行钻孔；

S2、随着钻孔的钻进，观测监测组件内渗压计测量的地下水压力，待渗压计采集到压力后，继续向下钻进设定深度，停止钻进；

S3、启动驱动泵，促使伸缩室向下挤压橡胶垫，橡胶垫被挤压后展平并被压缩，进而封堵钻孔；

S4、通过地面主机观测渗压计采集的压力数据；

一种用于多层含水层的地下水气压力监测装置，包括钻头、监测组件、密封组件、钻杆和地面主机，所述监测组件下方连接钻头，所述监测组件上方连接钻杆，所述监测组件和所述钻杆的连接处设置密封组件，所述监测组件通过线缆连接地面主机；所述监测组件包括渗压外壳，所述渗压外壳内部的下方设置驱动电机，所述驱动电机连接钻头并驱动钻头旋转实现钻进；所述监测组件内部还设置传感器组件；所述密封组件包括橡胶垫，所述橡胶垫边缘弯折，所述橡胶垫上方设置伸缩室，所述伸缩室连接驱动泵；

所述钻头与所述驱动电机通过过渡杆连接，所述过渡杆下端设置内螺纹，所述钻头上端设置外螺纹，所述过渡杆与所述钻头螺纹连接；所述过渡杆上端与所述驱动电机通过联轴器连接；所述过渡杆表面设置扭矩传感器；

钻孔过程中，实时观测扭矩传感器采集的扭矩数据，根据扭矩数据调整钻头转速；

设定进行地表钻孔时的扭矩为，此时对应的钻速设定为，间隔设定采集周期后的扭矩为、……，对应的钻速设定为、……；

其中，若大于，则判定与的差值的大小,i=1、2……n-1，

如果-≥，则降低钻速，即＜，为第一扭矩判定阈值；

如果-＜，则判断扭矩为时刻的地下水温度与扭矩为时刻的地下水温度：如果-≥，则降低钻速，即＜；如果-＜，则保持钻速不变，为温度判定阈值；

若等于，则保持钻速不变；

若小于，则判定与的差值的大小，

如果-≥，则提高钻速，即＞，为第二扭矩判定阈值；

如果-＜，则观测压力数据，比较扭矩为时刻的压力数据与扭矩为时刻的压力数据，如果-≥，则降低钻速继续钻进；如果-＜，则钻速降为零，持续采集压力数据，为第一压力判定阈值。

2.根据权利要求1所述的地下水气压力监测方法，其特征在于，所述传感器组件包括透水石和渗压计，所述透水石设置于渗压计上方，所述渗压外壳上设置若干透水孔。

3.根据权利要求2所述的地下水气压力监测方法，其特征在于，所述传感器组件还包括温度传感器和电导率传感器。

4.根据权利要求2所述的地下水气压力监测方法，其特征在于，所述渗压外壳内部还设置过线管，所述过线管内部设置线缆。

5.根据权利要求1所述的地下水气压力监测方法，其特征在于，所述钻头为牙轮钻头。

6.根据权利要求1所述的地下水气压力监测方法，其特征在于，所述橡胶垫边缘向上弯折，所述驱动泵未启动时，所述橡胶垫的外边缘直径小于钻孔直径。

7.根据权利要求6所述的地下水气压力监测方法，其特征在于，所述橡胶垫下方设置限位板，所述限位板的外径小于所述钻孔直径。

8.根据权利要求1所述的地下水气压力监测方法，其特征在于，所述伸缩室包括外壳和内壳，所述内壳位于所述外壳下方且所述内壳伸入所述外壳内部，所述外壳与所述内壳之间密封设置，所述外壳与所述内壳构成密闭空间，所述密闭空间通过管道连接驱动泵；当驱动泵向密闭空间内注入气体或液体时，所述内壳向下运动挤压橡胶垫。

9.根据权利要求1所述的地下水气压力监测方法，其特征在于，所述伸缩室为封闭的可压缩波纹管，可压缩波纹管通过管道连接驱动泵；当驱动泵向可压缩波纹管内注入气体或液体时，所述可压缩波纹管向下运动挤压橡胶垫。

10.根据权利要求1所述的地下水气压力监测方法，其特征在于，地下水气压力监测方法还包括：

S5、采集设定时间的压力数据后，利用抽气泵或液泵将伸缩室内气体或液体抽出，使橡胶垫恢复初始状态；

S6、启动驱动电机，继续进行钻孔，并循环步骤S2-S4，实现不同含水层的地下水气压力监测。

11.根据权利要求10所述的地下水气压力监测方法，其特征在于，当渗压计采集的压力数据由零转变为正数的压力数据时，驱动泵启动，直至驱动泵的泵入量达到设定泵入量为止。

12.根据权利要求11所述的地下水气压力监测方法，其特征在于，当驱动泵的泵入量达到设定泵入量时，若此时压力数据大于第二压力判定阈值，则按照预设泵入量继续使橡胶垫压缩。