CN202002868U - 一种含水层渗透系数测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种含水层渗透系数测试系统，包括传感器、中央控制器、通讯模块和数据处理模块，其中，数据处理模块经由中央控制器连接传感器，控制传感器的启动；所述的传感器设于测井中，实时监测测井中的水位和示踪剂浓度，并通过通讯模块传送至数据处理模块，而数据处理模块则将传感器获取的电信号转换成相应的水位信号和示踪剂浓度信号，并据此计算获得含水层的渗透系数。此种测试系统克服现有技术需要配合套管使用的缺陷，将示踪技术和冲击试验技术有效地结合，可利用裸孔求得天然状态下含水层的渗透系数，便于携带，操作方便，且使用成本低。

Description

一种含水层渗透系数测试系统

技术领域

本实用新型属于地下水动力学参数的测量技术领域，特别涉及一种水文地质参数原位测试的系统。

背景技术

目前在地下水动力学参数的测量中，利用室内试验法和野外试验法均可获取水文地质参数，其中，室内试验法是在室内应用达西定理等求得野外原状土渗透系数，而野外试验法主要是利用抽水法和压水法求得含水层的渗透系数，所述的抽/压水法主要有定流量抽/压水法、定降深抽/压水法等，其中，定流量抽/压水法是以固定流量抽取测井中的水体(也即定流量往测井中注入水体)，使含水层与测井间的水流运动达到稳态，根据稳态情况的流量与降深关系获取含水层的渗透系数；而定降深抽/压水法是通过抽/压水使测井内的水位降深保持不变，根据流量与降深的关系求得含水层的渗透系数。

然而，现有的测试方法有其不足存在：室内试验法需要将原状土体取回试验室测量，这种方法破坏了土体的天然结构；而作为野外试验法的定降深抽/压水法虽然可在试验现场实施试验，求取含水层的水文地质参数，但是此种方法设备繁琐、操作复杂，需要消耗大量的人力、物力和财力，实施成本较高。

基于以上，国外研究出一种冲击试验法，它是一种野外试验法，实施时，主要是在测井中设置套管，将测井的内壁隔离，并在套管的特定位置设置过滤器，利用水位的变化来测试该处含水层的渗透系数，然而，此种测试方法仅适合引起的水位波动位于过滤器上部的情况下，若要用于螺孔测试，或者整孔都设置有过滤器的情况下，结果就会存在很大误差；另外，此种测试方法必须配合套管才能实现，从而限制了其应用范围。

基于以上分析，本设计人针对现有的渗透系数测试装置进行研究改进，本案由此产生。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种含水层渗透系数测试系统，其可利用裸孔求得天然状态下含水层的渗透系数，便于携带，操作方便，且使用成本低。

本实用新型为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：

一种含水层渗透系数测试系统，包括传感器、中央控制器、通讯模块和数据处理模块，其中，数据处理模块经由中央控制器连接传感器，控制传感器的启动；所述的传感器设于测井中，实时监测测井中的水位和示踪剂浓度，并通过通讯模块传送至数据处理模块，而数据处理模块则将传感器获取的电信号转换成相应的水位信号和示踪剂浓度信号，并据此计算获得含水层的渗透系数。

上述传感器包括可监测水压的压力传感器和可监测示踪剂浓度的浓度探测器，且压力传感器和浓度探测器均通过通讯模块连接数据处理模块，而数据处理模块根据水压计算得到测井水位数据。

采用上述方案后，本实用新型具有以下改进：

(1)本实用新型改变了现有的测试方式，将示踪技术和冲击试验技术有效地结合，利用测井中示踪剂浓度的变化来获取含水层的渗透系数，本实用新型适用于裸孔测试，克服了现有技术必须配合套管使用的缺陷，由于不再使用套管，对测井的要求相应降低，适用性广，同时也节省安装套管所需的人力、物力，减少使用成本；

(2)本实用新型操作方便，便于携带。

附图说明

图1是本实用新型的整体架构示意图；

图2是应用本实用新型的流程图；

图3是本实用新型的工作状态示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例对本实用新型的结构及工作原理进行详细说明。

首先参考图1所示，本实用新型提供一种含水层渗透系数测试系统，包括传感器1、中央控制器2、通讯模块3和数据处理模块4，其中，数据处理模块4连接中央控制器2，而所述的中央控制器2的输出端连接传感器1，数据处理模块4向中央控制器2发送测试命令，再由中央控制器2控制传感器1启动，开始进行数据监测；所述的传感器1包括压力传感器和浓度探测器，均设于测井中，分别用于监测测井中的水压和示踪剂的浓度，并通过通讯模块3传送至数据处理模块4，而数据处理模块4则将传感器1获取的电信号转换成相应的水压信号和示踪剂浓度信号，并根据水压计算得到水位数据，再据此计算获得含水层的渗透系数。

再请参考图2所示，是应用本实用新型的流程图，包括如下步骤：

(1)在需测试的含水层处开凿测井；

(2)将一定量的示踪剂溶解在一定体积的水中，混合均匀制作成示踪液，并快速注入测井中，使测井内瞬时产生一定的水头差；

(3)将传感器置入测井中，配合图3所示，此时测井中注入的示踪液为达到水压平衡，会向测井内壁渗透，在此过程中水位不断降低，而示踪剂的浓度也会减小；此时压力传感器和浓度探测器分别实时采集测井中的水压和示踪剂浓度，并以电信号的形式通过通讯模块发送至数据处理模块；

(4)数据处理模块将接收到的电信号分别转换为测井中的水压信号和示踪剂浓度信号，并将水压换算为水位信号，所述的水压换算公式为：

$H=\frac{p}{\mathrm{\ρg}}$

其中，H为相对于水平面的水位高度；

p为测得的水压值；

ρ为水的密度；

g为重力加速度。

然后，再根据裸孔冲击试验模型计算含水层的渗透系数，所述的裸孔冲击试验模型如下式：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\&PartialD;}^{2}h}{{\&PartialD;r}^2}+\frac{1}{r}\frac{\&PartialD;h}{\&PartialD;r}=\frac{S_s}{K}\frac{\&PartialD;h}{\&PartialD;t}\\ h(r,0)=0,r_w<r<\&infin;\\ H\left(0\right)=H_0\\ h(\&infin;,t)=0,t>0\\ h(r_w,t)=H\left(t\right),t>0\\ 2\mathrm{\&pi;}{r}_w\mathrm{KB}\frac{\&PartialD;h(r_w,t)}{\&PartialD;r}=Q_2\left(t\right)\end{array}\right.$

式中：h为含水层的水头降深；

r为径向距离；

Ss为储水率；

K为径向渗透系数；

t为时间；

H(t)为t时刻测井的水头降深；

H₀为测井内初始水头降深；

r_w为有效滤管半径；

B为含水层厚度；

Q₂(t)表示在试验过程中t时刻流入含水层的水量。

上述裸孔冲击试验模型的解析式如下所示：

$H\left(t\right)=\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&pi;}}^2{r}_w\mathrm{KB}}{\&Integral;}_0^{\&infin;}\frac{Y_0\left(r_{w}u\right)J_1\left(r_{w}u\right)-J_0\left(r_{w}u\right)Y_1\left(r_{w}u\right)}{Y_1{\left(r_{w}u\right)}^2+J_1{\left(r_{w}u\right)}^2}{\&Integral;}_0^t{Q}_2\left(\mathrm{\&tau;}\right)e^{{-\mathrm{\&alpha;u}}^2}\mathrm{d\&tau;du}$

上式中，参数Q₂(t)的表达式如下式所示：

$Q_2\left(t\right)=\mathrm{\&pi;}{r}^2[\&Integral;\frac{\frac{\&PartialD;c(h_0,t)}{\&PartialD;h}}{c(h_0,t)}{e}^{\&Integral;\frac{\frac{\&PartialD;c(h_0,t)}{\&PartialD;h}}{c(h_0,t)}\mathrm{dh}}\mathrm{dh})e^{-\&Integral;\frac{\frac{\&PartialD;c(0,t)}{\&PartialD;h}}{c(0,t)}\mathrm{dh}}-e^{-\&Integral;\frac{\frac{\&PartialD;c(0,t)}{\&PartialD;h}}{c(0,t)}\mathrm{dh}}\&Integral;\frac{\frac{\&PartialD;c(0,t)}{\&PartialD;h}}{c(0,t)}{e}^{\&Integral;\frac{\frac{\&PartialD;c(0,t)}{\&PartialD;h}}{c(0,t)}\mathrm{dh}}\mathrm{dh}]$

其中，c(h₀，t)为试验过程中t时刻，含水层的水头降深为h₀处示踪剂的浓度值。

因此，可得含水层渗透系数的表达式为：

$K=\frac{{\mathrm{\&alpha;r}}_w}{\mathrm{\&pi;H}\left(t\right)B}{\&Integral;}_0^{\&infin;}\frac{Y_0\left(r_{w}u\right)J_1\left(r_{w}u\right)-J_0\left(r_{w}u\right)Y_1\left(r_{w}u\right)}{Y_1{\left(r_{w}u\right)}^2+J_1{\left(r_{w}u\right)}^2}{\&Integral;}_0^t\begin{array}{c}[(\&Integral;\frac{\frac{\&PartialD;c(h_0,\mathrm{\&tau;})}{\&PartialD;h}}{c(h_0,\mathrm{\&tau;})}{e}^{\&Integral;\frac{\frac{\&PartialD;c(h_0,\mathrm{\&tau;})}{\&PartialD;h}}{c(h_0,\mathrm{\&tau;})}\mathrm{dh}}\mathrm{dh})e^{-\&Integral;\frac{\frac{\&PartialD;c(0,\mathrm{\&tau;})}{\&PartialD;h}}{c(0,\mathrm{\&tau;})}\mathrm{dh}}\\ {-e}^{-\&Integral;\frac{\frac{\&PartialD;c(0,\mathrm{\&tau;})}{\&PartialD;h}}{c(0,\mathrm{\&tau;})}\mathrm{dh}}\&Integral;\frac{\frac{\&PartialD;c(0,\mathrm{\&tau;})}{\&PartialD;h}}{c(0,\mathrm{\&tau;})}{e}^{\&Integral;\frac{\frac{\&PartialD;c(0,\mathrm{\&tau;})}{\&PartialD;h}}{c(0,\mathrm{\&tau;})}\mathrm{dh}}\mathrm{dh}]e^{-{\mathrm{\&alpha;u}}^2(t-\mathrm{\&tau;})}\end{array}\mathrm{d\&tau;du}$

综上所述，本实用新型一种含水层渗透系数的测试系统，重点在于将示踪技术和冲击试验技术相结合，将一定量的示踪剂溶解在一定体积的水中制作示踪液，将其快速注入测井中，使测井内瞬时产生一定的水头差，然后跟踪记录测井中水位的恢复过程以及测井中示踪剂浓度的变化过程，并利用裸孔冲击试验模型计算含水层的渗透系数。本实用新型可利用裸孔求得天然状态下含水层的渗透系数，方便快捷，使用成本低，无需套管的使用，适用性广。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定其保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (2)

1.一种含水层渗透系数测试系统，其特征在于：包括传感器、中央控制器、通讯模块和数据处理模块，其中，数据处理模块经由中央控制器连接传感器，控制传感器的启动；所述的传感器设于测井中，实时监测测井中的水位和示踪剂浓度，并通过通讯模块传送至数据处理模块。

2.如权利要求1所述的一种含水层渗透系数测试系统，其特征在于：所述传感器包括可监测水压的压力传感器和可监测示踪剂浓度的浓度探测器，且压力传感器和浓度探测器均通过通讯模块连接数据处理模块。

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