专利名称:从井中提取无砂净水的方法及装置的制作方法
本发明涉及从井中提取无砂净水的方法及相应的装置。
周知的抽水方法是利用水泵或其它抽水装置从有许多均匀分布孔的竖直双层管中抽水。然而，如果要求抽取无砂水，即不从储水层中抽出超过一定尺寸的砂粒，则这种方法提供的抽吸能力是很低的。
采用这种装置的方法，即所谓水流收集抽取法(简称SCC)已由德国专利2，401，327公布。按照这一专利，SCC的收集部件由具有均匀分布但长度不同的横向槽的两根不同直径同心管组成，两管之间的中空园柱形缝隙充有细颗粒物质。
这种结构想要得到这样一个结果，即在收集部件整个有效垂直长度上，即所谓引流长度LE上，使临界点Rk(图1)处的水平流入速度近似为一常数。测量表明，德国专利2，401，327给出的收集部件无法在整个引流长度上获得均匀的水平流入速度，如果整个收集部件的引流长度在临界点Rk保持均匀流入速度，就会导致在一定抽水速度时，仍会吸入和抽出一定量的砂粒。
因此，本发明的目的是在一定的抽水速度下提供从井中抽取无砂净水的方法及有关装置。在做到这一点的同时，与不用SCC的常规抽水法相比，在井区地下水位更低时，可以减少能量消耗。
按照本发明提供的方法导致了特殊的优点，即在临界点Rk(图2)处，对某一特定流速，在整个引流长度产生均匀的流动断面，并且导致临界颗粒度以上的砂粒不会被抽出。
此外，所用泵比按照德国专利2，401，327的常规SCC所用的泵要求的驱动功率低，这是因为在储水层中平均流入速度较低，且收集部件只由一根有水平槽，直径尽可能大的薄壁单管组成，因而在这管的径向不会产生明显的压力损失。
按照本发明的一个最佳实施例，通过使长度单元△x，流入收集部件壁的槽及有关区域的流速(有关区域涉及SCC长度单元△x的面积)、水通道面积a(x)的乘积为一常数，即可在SCC的整个引流长度范围内在Rk点处取得均匀的流动断面。这就是说，在引流长度LE的每一个长度单元△x上有相同的水量△v径向流入SCC。这在流量科学中可以解释为，通过SCC壁的径向压降从上到下以一特定方式降低，因而正比于压降的水通道的流速从上到下相应变小。因此，为了使传送速率△v＝常数，相应地要从上到下增大水的通道(图3)。
如果水的通道面积以一种特定的方式，以无限小的前长从上到下地增加，理论上会导致断面上流量在Rk点绝对均匀(图2)。从理论上讲，从上到下使槽面积连续增加的唯一可能性，是通过连续的轴向槽或以一种特定方式把沿表面分段配置的槽的宽度从上到下连续增加后者和横向以无限小步长的开槽，由于制造的原因，实际上是不能以合理的成本制成。然而，在实地试验中发现，在引流长度上的Rk点，可以通过以有限小步长增加的水通道来获得均匀流量断面。可以相信，多个步长的长度△x可以根据需要选得很小，且只受到制造费用的限制。无论在任何情况下，步长△x相对于整个引流长度LE来说只是一个很小的值。
特殊的优点在于，按照本发明，为在Rk点获得一定的传输速率 (从储水层到砂石层的传输)而采取的措施，可以获得低于临界砂粒夹带速度的流速Vk。所谓夹带速度是指使特定尺寸的砂粒刚刚开始流动的临界水流速度。然而，如果在这一点的流速已经低于夹带砂粒的临界速度，则由于线性降低的连续原理，在储水层内它将大大低于夹带速度。因此，临界尺寸的砂粒不再由水流带动也不会由水泵抽出。
由按照本发明而在Rk处获得均匀断面以及由此产生的低平均速度Vk带来了以下实际优点因为在储水层的流量损失实际上确定了水位降(图2，在静态与运转时钻孔中水位高度的差别h1)，由于在引流长度LE上的平均流速Vk进一步降低，水位降也相应的降低。这与常规SCC相比，导致泵的能耗降低。
对于横向槽而言，槽的因子取决于几种可能性即槽宽(切线方向)、槽高(轴向)和槽分散度(轴向槽的间距)。由于管子椭园度不同，对第一种可能性就产生了如何准确地保持每一步指定的槽的宽度亦即通道区域大小的困难。就第二种可能性而言，由于槽的高度和所用锯条的厚度逐步变化，所以制造费用很高。对第三种可能性来说，制造不同间隔槽的技术是最省钱的制造技术，因而构成下列说明的基础。
以同样方法，槽因子也可随纵向开槽而改变，其在效果上是相同的，但考虑到槽因子分级很细，所以槽宽自然对其施加了限制。
本发明的其它优点，详细介绍和特性在下面解释本发明的实施例时参照附图将给予更详细说明其中图1表示运行中的常规SCC的断面图，图2表示依照本发明在运行中的SCC断面图，
图3表示槽因子a(x)和槽速度Vscc(x)在引流长度LE范围内的函数关系曲线，图4表示在引流长度LE上，在控制部件内垂直流速与x的函数关系。
图1表明在整个引流长度LE上，在收集部件的槽处;流量的不均匀分布。它将不可避免的导致在RK处，槽因子相同时，整个引流长度的流量不均匀分布。
在图2中描述了按照本发明装备起来的井中的流量关系。在储水层，本发明的收集部件13配置在过滤管11内，过滤管周围是一层渗滤砾石12。
管子上有多个水平横向槽14，它们沿园周与管壁结合一起成为园弧形槽，並排列在收集部件13的外表面上。在槽之间的壁部分保证了收集部件13的坚固性。所有这些槽14具有相同的宽度、长度和高度。只有在轴向上，槽的间距按照下面的计算从上而下减小。水泵15装在连续管16中，收集管13连接在16的下部，其位置在井孔中並且即使在最大抽吸功率时，它也在17表示的工作水位的下面。后者位于静止水位18的下方h1处。
按照本发明所得到的流量效应是由下面数学推导出的。按照上述解释，在任选的点x处，流过单位面积△A＝π·Di·△X (1)的流量△
＝△A·a(x)·VS(x)＝常数 (2)其中Di＝收集部件13的内径;
a(x)＝△As(x)/△A槽因子，它在引流长度LE上是可变的。
△As(x)＝在单位面积△A中槽的总面积，它依赖于x;
VSCC(x)＝槽中的流速，它在引流长度LE上是变量。
按照德国专利2，401，327，在SCC中利用一适当的SCC壁结构人为地增加流动阻力，企图在引流长度LE上使VSCC(x)为一常数。这时，也可以使a(x)保持常数来满足方程(2)。然而，本发明的研究表明，它没有正确地满足VSCC＝常数这一条件按照德国专利2，401，327，在SCC内管中垂直方向的流量损失与SCC壁的径向流动阻力相比是绝对不能忽略的，结果当水进入SCC槽及上升到泵时沿各流线产生随x变化的流量损失，这些损失不可避免地导致不均匀流量。
从这里得到的结论是，所要求的效果只能通过在引流长度LE上槽的不同分布来获得。只有知道流速VSCC(x)，才能确定这一分布。下面计算VSCC(x)按照能量原理，下面公式适用于有摩擦作用的流量(1+ζ)Kνh(L)2=Pa(L)-Pi(L)......(3)]]>这里ζ表示收集部件13壁中槽14的流动阻力。ζ取决于槽的形状和收集部件13的壁厚，对薄壁管来说约为0.5。常数。K＝ (ν)/(2g) 是水的比重与重力加速度的商。Vh(L)代表在x＝L点处，水在槽中的水平流动速度。收集部件13的垂直位置是由连续坐标x表示的，在收集部件13的低端，x＝0，在上端，即收集部件13有效引流长度LE的泵端，x＝L。Pa代表收集部件13外面的压力，而Pi是其内部的压力。
下式可以求出Pa(x)和Pi(x)Pa(x)＝Pa(L)+ν(L-X) (4)
Pi(x)＝Pi(L)+ν(L-x)+△Pνν(x)+△Pdynv(x)(5)在这些方程中ν(L-X)表示在点L和点X之间水的静态压力差，△Pvv(x)表示在开槽管中从x到L垂直流量的摩擦损失，△Pdynv(x)表示由于水流向管子上端(x＝L)的加速作用而引起开槽管中垂直流动的动态压差。
因为方程(3)不仅适用于x＝L而且适用于任选x值，所以可以把它改写为(1+ξ) (ν)/(2g) Vh2(x)＝Pa(L)-Pi(L)-△Pdynv(x)-△Pνv(x)再利用方程(3)，取ξ＝0.5，解出Vh(x)Vh(x) =Vh (L)2-△ PVV (X )- △ PdynV (X)1.5K(6)]]>为了确定在引流长度上槽中的水平流动速度，需要计算由于在收集部件内垂直流动摩擦损失引起的压差△Pνv(x)和动态压差△Pdynv(x)。然而，这不能用解析式准确地表示出来，因为阻力系数λ(对特定管流和长度其通常为一常数)在目前情况下取决于x和收集部件13内的垂直流量-它也随x而变化。这是由于，一方面，对每一长度单元△x，一定量的水△
流入收集部件13的内部，另一方面，通过槽14进入收集部件13内部的水的密度和在垂直水流中产生涡流从而使壁的粗糙度λ明显的水流冲击在长度x内是变化的。
因此，在收集部件13内的垂直流速及正比于λ的摩擦损失随x的增加而增加。
在本发明范围内进行的长期研究表明，必须根据收集部件尺寸和输送速率V，用实验方法确定λ值。
通过求解上述方程及经过几次变换可得
经过相应的变换可得
如果，设
为0.07m3/S，Di为0.25m，L为6m，则△Pdynv(x＝0)
2.1·△Pνv(x＝0)，其时平均阻力系数在收集部件长度上取0.06。
为了获取一理想的流量分布，也有必要确定水平流速Vh在x＝0时与x＝L时的比值b。在最接近泵的槽中，即在x＝L处，水平流速Vh(x＝L)明显大于在收集部件低端即x＝0处槽中的值，这就导出Vh(x＝0)＜Vh(x＝L)，因而可以认为b＜1。利用方程(7)和(8)，在x＝0时可以从方程(6)得到
现在，最大速度Vh(L)已经知道了，水平流动速度Vh(x)在整个运行长度x上的分布也可以通过把方程(7)、(8)和(9)代入方程(6)而予确定，从而得到下式
现在想要计算实际的槽分布。如前面所述，对槽14在垂直运行长度上的分布的假定包括这样一点，即每一个单元△x的进水量△V相同。在确定槽因子a(x)时，由于以下这一事实，即起液压作用的槽的通道面积比槽的几何面积小，所以应该打一折和。这是由于水喷经各个槽14时的压缩效应，因此相应地考虑将减少单位面积流量的压缩系数α加到方程中，应用下式△
＝π·Di·△x·Vh(x)·a(x)·α (11)因为微分流量对所研究的任何面积单元都应该是常数，这就出现了槽因子对水平流速的直接依赖。槽因子a(x)现在可以针对任何面积单元分开计算。例如，在收集部件13的有效引流长度为3m，分15步时，相应的步长△x＝0.2m。所需要的15个不同的槽因子值可以利用方程11毫无困难地加以确定。尤其第i个槽因子为
图3用图解的方式给出了在收集部件13的长度上槽断面和在Di点的水平流速Vscc(x)的槽速度断面，它们可以用上述公式来计算。
为了简单明了，下面给出了该点的一计算例。
假定
L＝6mλ＝0.06Vh(L)＝2.5m/s其中，LE上的平均阻力系数取为λ＝0.06，Vh(L)的值接近实验确定的值。在用方程(9)求b时代入上述数值可得b＝0.506 ( )/() Vh(x＝0)＝1.265m/s因此在收集部件13低端槽区水平流速约为其上部流速的一半。
方程10可以改写为Vh(x) = AB-C (L3- X3) -D(1-X2L2)]]>其中
B＝ 1/(1－b2) ( (λ·L)/(4.5·Di) +0.667)C＝ (λ)/(4.5·DiL2)D＝ 1/1.5 ＝0.667代入数值后得A＝2.072，B＝1.454，C＝0.00193。在本例中，对任选x值，可给出Vh做为x函数的闭合解。
为在该点得到槽断面，必须规定每一步长△x的值。尽管可以任选一小分度，然而，在现举的例子中选△x＝0.4m是合适的，结果L＝15·△x＝6m。至于每一步必须吸出的水量△V，可用下式计算△
＝0.06/15＝0.004m3/s方程(12)所示的第i步的槽因子现在可以写成如下方式ai＝E· (l)/(Vh(xi))其中α≌0.6(矩形入口，参见专有文献)E＝ (△V)/(π·Di·△x·α)在本例中，E＝0.276m/s为了强度的原因，如前面所解释的，各个槽被对称地沿垂直方向分成几排，其间的坚固部分做为收集部件13的壁的一部分。槽的面积As(l)因此可以表示为As(l)＝β·π·Di·S，其中S代表槽高且在本例中选为S＝1mm。β是在高度x处，园弧形槽总长与收集部件外园周长之比，在这里取0.6。结果As(l)＝0.000362m2，且每一步长△x面积上的槽数Z(不要与园弧形槽混淆)为Z=a(x)As(1)(m2‾)]]>利用上述数值计算得到的槽模式从下表中可以看的很清楚。
x Vh(x) a(x)＝ (E)/(Vh(x)) Z＝ (a(x))/(As(l))0.2 1.26 0.02187 60.5 底0.6 1.2726 0.0217 601.0 1.273 0.0213 591.4 1.3295 0.021 581.8 1.377 0.02 552.2 1.436 0.0192 532.6 1.5074 0.0183 50.53.0 1.53 0.0174 483.4 1.6835 0.0164 453.8 1.787 0.0155 434.2 1.9 0.0145 404.6 2.02 0.0137 385.0 2.15 0.013 365.4 2.28 0.0121 33.55.8 2.43 0.0114 31.5 顶最好在园周上配置4到6排圆弧形槽。
新研制方法也可以直接用到井的过滤管上并取得类似的效果。即不用常规的井过滤管，在储水层，钻孔中套以新型结构的开槽管，即在井过滤管中，水的通道从上到下以特定方式增加。在这一例子中，井的结构完全是常规的，即在新的井过滤管周围，用常规方式堆积渗滤砾石，一个连续的常规结构的井管在新的过滤管上端与之连接，水泵的安装没有按SCC方式，而是使其底边精确地位于连续井管与过滤管之间焊缝的平面上。在Rk点，从储水层到砾石填充物都可有要求的均匀流速断面。
按照本发明的实施例，在收集部件13外面附有一外管。外管有许多大面积的槽，使外管的通水区域大大超过收集部件13。其两者的比率在10～15∶1时证明最为合适。
有了这一附加外管，在井的过滤管区域中，水流的均匀性还可以增加，结果更接近于层流。
权利要求
1.从井中抽取无砂水的方法，所用装置中有备有开口或槽以用做水通路的收集部件和设置在与收集部件连接的管中的水泵，其特征在于利用单壁管做为收集部件且在收集部件所在的整个区域，水通路所占份额与收集部件实壁表面所占份额相比是从上至下增加的。
2.按照权利要求
1的方法，其特征在于，收集部件的水通路面积是分为每一长度单元来计算的，且收集部件的总长度分为若干部分(步)，对每一步计算水通路面积。
3.按照权利要求
1或2的方法，其特征在于收集部件的每一小部分，有关的水通路面积、有关水通路面积中的流速的乘积在收集部件的每一小部分处相同，因此，在收集部件全长范围内流入每一小部分的水量是一常数。
4.按照权利要求
1到3的方法，其特征在于，每一小部分水通路面积可以借助于公式
来计算。其中ai表示相应的收集部件第i个部分的水通路的面积，i表示相应序号，
是整个收集部件总的输送或抽吸速率，△
是某小部分的输送率，△xi，△x是某小部分的高度，Di是收集部件的内径，Vh(xi)是流经第i部分△xi水通路区域的平均流速，α是压缩系数，它取决于槽或开口的结构，其大约为0.6。
5.按照权利要求
4的方法，其特征在于，第i个小部分△xi的槽或开口的数目Z可借助于公式Z＝ (ai)/(AS(1))来计算。其中As(1)表示一个槽或开口的有效面积。
6.按照上述权利要求
的任何一个的方法，其特征在于收集部件采用尽可能薄的管壁以降低通过开口或槽的流动阻力。
7.按照上述权利要求
中任何一项的方法，其特征在于为了降低内部轴向流动损失，收集部件内径尽可能地大。
8.从常规结构的井中制取无砂水的方法，其中，采用适当配置的水泵(没有scc)和井过滤管以及连续管子，其特征在于井过滤管在储水层区间以一种特殊方式从上至下开槽，也就是说，井过滤管每一部分面积上的水通路面积的份额从上至下连续或分步减小。
9.从贮液器，特别是井中，抽取流动介质特别是水的装置，具有管状结构，其上有切口，流动介质可以通过它们进入管状结构内部，和有一个置于与管状结构相连的罩中的泵，且有一个低于流动介质工作水平面的吸出点，其特征在于管状结构制成单壁收集部件(13)，且在收集部件跨越的区域内，每一收集面积单元上切口面积的份额(相应的水通道面积)从上到下增加。
10.从井中抽水的装置，具有置于储水层内的井过滤管，该管有可以让水进入井过滤管内部的切口，具有不备有scc的泵，放置在连续井管的端部，其下边在连续井管与井过滤管的焊缝处，其并有一低于水的工作水位的吸水点，其特征在于井过滤管(11)上切口在所研究的面积单元上的份额从上至下连续地或分步地增加。
11.按照权利要求
9或10的装置，其特征在于在收集部件周围备有带切口的外管，切口有相当大的，例如是大于收集部件(13)或井过滤管(11)10至15倍的水通路面积，其切口均匀分布在收集部件(13)或井过滤管(11)的长度上，外管使流速更趋一致。
专利摘要
在有过滤管和渗滤砾石层的井中，形成吸管的收集部件的槽断面在下面有比上面大的抽吸切口，它们使流入渗滤砾石层的水流速相等，这一结论是建立在计算和实验研究相结合的基础上的。
文档编号E03BGK86103990SQ86103990
公开日1987年2月4日 申请日期1986年6月12日
发明者鲁多尔夫·彼尔泽 申请人:电缆橡胶制造有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan