一种气体推动式地下流体分层取样装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种气体推动式地下流体分层取样装置，简易封隔器系统的端口插入井筒系统的管内镶嵌，通过螺钉铆接牢固，形成整体筒状结构。整体筒状结构通过钻孔埋入地层，其内部导管穿过简易封隔器预留的小孔，与U型管地下液体进样系统连接。导管穿过第一简易封隔器预留的小孔与土壤气取样系统的气相过滤器和气相单向阀连接，该导管穿过第一简易封隔器与地面的针阀、液体取样容器连接。设置在地面井口处的气体推动式地面液体取样系统通过穿过第一简易封隔器预留的小孔与U型管地下液体进样系统连接。该取样装置结构巧妙新颖；成本低廉、耐久性优越；场地适应性强；应用领域广泛，工程需求强劲，具有良好的应用前景和商业价值。
【专利说明】一种气体推动式地下流体分层取样装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及浅部地层地下流体取样领域，更具体涉及一种浅层井内基于气体推动式原理对地下水和土壤气分层进行取样的装置。
【背景技术】
[0002]地下流体是关系到地球演化和地表生物生存的重要因素。地下流体取样，通过同位素追踪、地层残余气分析、化学成分测试、微生物群落特征等分析方法能连续提供大量关于地层的物理、化学和微生物信息，是对工程开展和环境安全评估有重要指导意义的监测手段之一。
[0003]要对地下流体进行分析，首先要获得地下流体样品。根据工作原理分类，国内外开发的各式各样地下流体取样技术主要分为三种(陈礼宾.美国地下水监测的一些方法和仪器.地下水，1988(01): 55?58):下井式定深取样(刘景涛等.浅层地下水定深取样器的研制.环境监测管理与技术，2008(05): 56飞8.)、泵式多级监测取样(卢予北.国家级一孔多层地下水示范监测井钻探技术与研究.探矿工程(岩土钻掘工程)，2007(03):5^8.)、气体推动式取样技术。由于下井式定深取样技术不能进行连续取样；泵式多级监测井取样技术对地层流体扰动过大，且不能很好适应野外场地(如无220V交流电源)。因此，结合工程实际的需求，选择气体推动式地下流体取样技术。
[0004]美国伯克利实验室Barry Freifeld开发的U型管取样系统在美国Fr1咸水层示范工程率先应用，单层取样，深度达1513.9m。(Freifeld, B.M.The U-tube: A NewParadigm for Borehole Fluid Sampling.Scientific Drilling, 2009, 8(8): 41 ?45)适用于深部地层流体取样，因此其结构复杂、操作繁琐、成本高昂，对于浅部地层流体的取样没有必要使用这样的取样系统。
[0005]发明专利“井内分层气液两相流体保真取样装置”(授权专利号:20ala63499.7)公开了井内分层气液两相流体保真取样装置，该装置可以精确控制地下流体取样层位，实现不同层位的气液的取样，同时保证取样过程中温度、压力与地下流体的温度条件一致。但是主要针对深部地层流体的取样。
[0006]发明专利“一种浅层井内分层气液流体取样装置”(申请号:20a3a04034b5)公开了针对浅井的一孔多层地下流体取样装置，该装置基于气体推动式取样技术，初步实现对多个地层进行长期连续取样，可以精确控制取样层位，能同时进行气液取样，结构简单，成本低廉，具有很好的场地适应性(压力源采用氮气瓶，避免使用220V电源)。但仍存在若干技术难点，如泥沙颗粒或冬季结冰引起小孔堵塞，导致取样系统失效；结构性设计造成井筒内原有空气无法排除，造成内部超压空气与外部水头压差过早平衡，导致地层流体无法持续进入取样系统；层间串水或井筒内长期残留的流体，导致地面所取的样品失去代表性，即无法实时反映指定地层流体粒子浓度的变化，使样品质量大大降低。
[0007]在保证多层取样的功能要求和样品的质量要求前提下，对于浅部地层流体的取样装置，其耐压、耐温等要求要比深部地层流体取样低一些。因此，取样系统的成本应该可以更低一些、取样器的设计与操作应该可以更灵活一些。
【发明内容】
[0008]本实用新型克服现有地下流体取样装置的上述缺点和不足，是在于提供了一种气体推动式地下流体分层取样装置。该取样装置结构巧妙新颖；成本低廉、耐久性优越；场地适应性强；应用领域广泛，工程需求强劲，具有良好的应用前景和商业价值。
[0009]为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案:
[0010]一种气体推动式地下流体分层取样装置，它包括井筒系统、简易封隔器系统、U型管地下液体进样系统、气体推动式地面液体取样系统和土壤气取样系统。
[0011]各系统功能及连接方式描述如下:简易封隔器系统的端口插入井筒系统的管内键嵌，并通过第一层螺钉、第二层螺钉、第三层螺钉、第四层螺钉、第五层螺钉、第六层螺钉、第七层螺钉、第八层螺钉、第九层螺钉、第十层螺钉铆接牢固，形成一个外径75mm，长约1m的整体筒状结构。该整体筒状结构通过钻孔埋入地层，其外侧与地层直接接触并接受地层水的缓慢渗入，其内部设置U型管地下液体进样系统和土壤气取样系统。具体连接方式为导管穿过第一简易封隔器、第二简易封隔器、第三简易封隔器、第四简易封隔器、第五简易封隔器预留的8_小孔，与U型管地下液体进样系统连接。导管穿过第一简易封隔器预留的8_小孔与土壤气取样系统的气相过滤器和气相单向阀连接，且该导管穿过第一简易封隔器与地面的针阀、液体取样容器连接。而设置在地面井口处的气体推动式地面液体取样系统通过穿过第一简易封隔器预留的小孔与U型管地下液体进样系统连接。在氮气瓶加压下，将井下U型管地下液体进样系统渗入的流体压送至地面的第一液体取样容器、第二液体取样容器、第三液体取样容器，从而完成取样。
[0012]所述的整体筒状结构，其连接方式为自上而下第一简易封隔器、第一井筒进样段和第一滤网、第二简易封隔器、第一井筒连接段、第三简易封隔器、第二井筒进样段和第二滤网、第四简易封隔器、第二井筒连接段、第五简易封隔器、第三井筒进样段和第三滤网、第六简易封隔器依次连接，如图2和图3所示。其中第一简易封隔器、第二简易封隔器、第三简易封隔器、第四简易封隔器、第五简易封隔器、第六简易封隔的端口插入第一井筒进样段、第二井筒进样段、第三井筒进样段或第一井筒连接段、第二井筒连接段的管内镶嵌，并通过沿圆周均布的第一层螺钉、第二层螺钉、第三层螺钉、第四层螺钉、第五层螺钉、第六层螺钉、第七层螺钉、第八层螺钉、第九层螺钉、第十层螺钉铆接紧固。而第一滤网侧面沿圆周黏贴在第一井筒进样段外管管壁，第一滤网的上下两端分别通过第一层螺钉和第二层螺钉铆固紧密；第二滤网侧面沿圆周黏贴在第二井筒进样段外管管壁，第二滤网的上下两端分别通过第五层螺钉和第六层螺钉铆固紧密；第三滤网侧面沿圆周黏贴在第三井筒进样段外管管壁，第三滤网的上下两端分别通过第九层螺钉和第十层螺钉铆固紧密。
[0013]所述的井筒系统包含井筒进样段、井筒连接段、螺钉和滤网。所述的井筒进样段，其特征在于长度按实际取样容量计算、沿圆周均布约60个2mm小孔，且在其侧壁设置一层尼龙材质的过滤网(滤网规格由地层土体颗粒粒径分布决定，此处为200目)，此处为直径75mm、长约0.5m的PVC-U管。所述的井筒连接段，其特征在于长度依据实际地层深度设计，此处为直径75mm、长4m的PVC-U管。井筒进样段和井筒进样段通过螺钉连接；
[0014]所述的简易封隔器系统，其特征在于不透水堵头中间穿孔(数量由实际导管数决定)，其中第六简易封隔器为锥形。所述的简易封隔器系统，其作用在于:其上下两端通过螺钉与井筒系统连接，其中间穿孔允许U型管地下液体进样系统的导管通过，其中其功能不允许地层水穿透，其材质为耐久性好的PVC塑料；
[0015]所述的U型管地下液体进样系统包含储流容器、三通、液相单向阀和滤芯，其连接结构为:滤芯连接液相单向阀，单向阀通过三通与储流容器和导管连接。所述的储流容器，其作用在于井下储存渗入的地下流体，其特征在于直径(12mm)大于导管(8mm)，长度依实际所需取水容量决定。所述的滤芯其作用在于过滤地下流体和保护单向阀，其特征在于其形状为圆盘，其滤网规格为500目；
[0016]所述的气体推动式地面液体取样系统包含球阀、液体取样容器、减压阀和氮气瓶，其连接结构为:U型管地下液体进样系统从井下通往地面的两根导管均设置球阀，一根导管的球阀后端设置液体取样容器，另一根导管的球阀后端设置减压阀。取样操作时，减压阀连接移动式氮气瓶；
[0017]所述的土壤气取样系统包含气相过滤器、气相单向阀、针阀和气体取样容器，其连接结构在于地下的气相过滤器连接气相单向阀，并通过导管与地面的针阀和气体取样容器连接。所述的气体取样容器，其特征在于其结构为活塞式，具有抽气功能，类似医用注射器，其容积大小由实际所需的土壤气量决定；
[0018]利用本实用新型进行浅层井内分层流体取样的方法如下:
[0019]1、按照本实用新型组装取样装置，根据地下水位深度设置井筒进样段长度，根据指定目标地层的深度设计井筒连接段对应的长度。
[0020]2、将取样装置放入正在清水置换的钻孔内，然后进行回填。其中井筒进样段对应的深度回填透水性强的石英砂，井筒连接段部分回填透水性极差的膨胀土或原状粘土，以隔断不同层位地下流体的联系。
[0021]3、分别开启气体推动式地面液体取样系统中与液体取样容器和压力源相连接的球阀，通过减压阀逐渐增大氮气瓶的出气压力(其值不大于液相单向阀的容许压力)，使地下流体缓慢排出，直至U型管地下液体进样系统的流体排尽，由此完成洗井操作，关闭氮气瓶和减压阀。
[0022]4、完成上述第3步洗井操作后，开启氮气瓶和减压阀。地下流体，由于液相单向阀的流向限制，缓慢进入液体取样容器。达到所需容量后，液体取样完毕，关闭各球阀、减压阀和氮气瓶。
[0023]5、重复上述过程3和4，可以对不同层位进行多次液体取样。
[0024]6、开启土壤气取样系统中与气体取样容器连接的针阀，采用活塞式气体取样容器将残留在井筒内的气体抽走，空气因气相单向阀的流向限制，不会回流入井筒。由此完成气体取样前的洗井，关闭针阀；
[0025]7、完成上述第6步洗井操作一段时间后，打开针阀，气体取样容器抽取指定容量的新鲜土壤气样品，从而实现土壤气样品取样。
[0026]8、重复上述过程6和7，可以进行多次土壤气取样。
[0027]9、取样完毕后，检查关闭取样装置的各个球阀、针阀、减压阀，保持安置状态直到下个周期取样。
[0028]本实用新型具有以下优点和积极效果:
[0029]取样装置结构巧妙新颖，克服了若干技术难点；安装、操作方便；成本低廉、耐久性优越；场地适应性强；应用领域广泛，工程需求强劲，具有良好的应用前景和商业价值。
[0030]1、一种气体推动式地下流体分层取样装置，该装置通过巧妙新颖的结构设计，克服若干技术难点，尽可能保证了所取样品的真实代表性，一定程度地延长了取样装置的使用年限:
[0031]a)井筒进样段设计长0.5m，其容积约等于U型管地下液体进样系统容积的两倍。该结构保证了洗井操作完成后取样的流动性和样品质量，而不必像其它取样装置采用电动泵清空残余液；
[0032]b)针对井筒内空气无法排除的问题，结构设计为:井筒进样段上下两端设置简易封隔器止水，沿井筒进样段圆周全长均布数个2_的进水小孔，不留空隙；
[0033]c)为减轻泥沙颗粒引起的堵塞，对于井筒进样段沿圆周均布设置的2mm小孔，因地制宜地设计过滤方案。按工程土体颗粒粒径分布(如d95为0.068-0.071mm)选取对应规格的滤网(筛孔尺寸0.075mm对应200目)；
[0034]d)为防止冬季系统的管道结冰堵塞，对井筒侧壁(除了进样段)包裹多层防寒止水帷幕，并沿线缠绕发热电丝保护。在冬季取样前，对地表处预留的电极通电保温进行解冻；
[0035]2、一种气体推动式地下流体分层取样装置，安装和取样操作均简单方便。
[0036]3、一种气体推动式地下流体分层取样装置，该装置所用材料为普通PVC、尼龙等塑胶材料、成本低廉，有效地降低了装置的成本，并一定程度地提高了装置(长埋于地下水位以下的地层)的耐久性。
[0037]4、一种气体推动式地下流体分层取样装置，压力源采用移动式氮气瓶，整套取样装置无需提供220V交流电源，能适应各种极端条件野外场地；
[0038]5、该装置可广泛应用于不同领域、不同工程目的浅层地下水和土壤气的环境监测，特别适用于碳捕集、利用与封存(ecus)领域(咸水层封存、酸气回注、二氧化碳驱替增采石油co2-eor、二氧化碳驱替增采天然气co2-egr、二氧化碳驱替增采煤层气co2-ecbm、二氧化碳驱替增采页岩气CO2-ESG等)的C02/H2S/CH4泄漏监测及其对浅层地下环境的影响，广泛适用于废弃物地下封存领域(垃圾填埋处置、核废料处置、矿床浸润法开采等)、浅层地下水动态监测领域(污染源追踪、微生物群落分析等)，实际工程需求强劲，具有良好的应用前景和商业价值。
[0039]如上所述，本实用新型重点克服各式现有地下流体取样装置在样品高保真度、泥沙堵塞、水合物结垢或结冰堵塞、层间串水、耐久性等方面存在的技术难点，提供了一种气体推动式地下流体分层取样装置。该取样装置结构巧妙新颖、安装及操作简便、制作成本低、耐久性优越、场地适应强，可对长期对浅部地层的地下流体和土壤气进行分层取样。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1为一种气体推动式地下流体分层取样装置整体结构示意图；
[0041]图2为一种气体推动式地下流体分层取样装置-井筒系统示意图；
[0042]图3为一种气体推动式地下流体分层取样装置-简易封隔器系统-第一简易封隔器正视图；
[0043]图4为一种气体推动式地下流体分层取样装置-简易封隔器系统-第一简易封隔器仰视图；
[0044]图5为一种气体推动式地下流体分层取样装置-简易封隔器系统-第二简易封隔器正视图；
[0045]图6为一种气体推动式地下流体分层取样装置-简易封隔器系统-第二简易封隔器仰视图；
[0046]图7为一种气体推动式地下流体分层取样装置-简易封隔器系统-第三简易封隔器正视图；
[0047]图8为一种气体推动式地下流体分层取样装置-简易封隔器系统-第三简易封隔器仰视图；
[0048]图9为一种气体推动式地下流体分层取样装置-简易封隔器系统-第四简易封隔器正视图；
[0049]图10为一种气体推动式地下流体分层取样装置-简易封隔器系统-第四简易封隔器仰视图；
[0050]图11为一种气体推动式地下流体分层取样装置-简易封隔器系统-第五简易封隔器正视图；
[0051]图12为一种气体推动式地下流体分层取样装置-简易封隔器系统-第五简易封隔器仰视图；
[0052]图13为一种气体推动式地下流体分层取样装置-简易封隔器系统-第六简易封隔器正视图；
[0053]图14为一种气体推动式地下流体分层取样装置-简易封隔器系统-第六简易封隔器仰视图；
[0054]图15为一种气体推动式地下流体分层取样装置-U型管地下液体进样系统示意图；
[0055]图16为一种气体推动式地下流体分层取样装置-气体推动式地面液体取样系统示意图；
[0056]图17为一种气体推动式地下流体分层取样装置-土壤气取样系统示意图；
[0057]其中:10—井筒系统，包括:11一井筒进样段(PVC-U管，直径75mm，壁厚4.5mm，长度根据实际取样量计算得到，此处为0.5m);lla—第一井筒进样段(PVC-U管，直径75mm，壁厚4.5mm，长度根据地层深度关系调整，此处为4m) ； Ilb—第二井筒进样段；llc一第三井筒进样段；12—井筒连接段；12a—第一井筒连接段；12b—第二井筒连接段。13—螺钉；
[0058]13a—第一层螺钉(普通螺丝钉，用于连接井筒系统与简易封隔器系统，沿井筒进样样段或井筒连接段的圆周均匀分布，一组四个);
[0059]13b—第二层螺钉(普通螺丝钉，用于连接井筒系统与简易封隔器系统，沿井筒进样样段或井筒连接段的圆周均匀分布，一组四个);
[0060]13c—第三层螺钉(普通螺丝钉，用于连接井筒系统与简易封隔器系统，沿井筒进样样段或井筒连接段的圆周均匀分布，一组四个);
[0061]13d—第四层螺钉(普通螺丝钉，用于连接井筒系统与简易封隔器系统，沿井筒进样样段或井筒连接段的圆周均匀分布，一组四个)
[0062]13e—第五层螺钉(普通螺丝钉，用于连接井筒系统与简易封隔器系统，沿井筒进样样段或井筒连接段的圆周均匀分布，一组四个；
[0063]13f—第六层螺钉(普通螺丝钉，用于连接井筒系统与简易封隔器系统，沿井筒进样样段或井筒连接段的圆周均匀分布，一组四个);
[0064]13g—第七层螺钉(普通螺丝钉，用于连接井筒系统与简易封隔器系统，沿井筒进样样段或井筒连接段的圆周均匀分布，一组四个);
[0065]13h—第八层螺钉(普通螺丝钉，用于连接井筒系统与简易封隔器系统，沿井筒进样样段或井筒连接段的圆周均匀分布，一组四个);
[0066]13i—第九层螺钉(普通螺丝钉，用于连接井筒系统与简易封隔器系统，沿井筒进样样段或井筒连接段的圆周均匀分布，一组四个);
[0067]13j—第十层螺钉(普通螺丝钉，用于连接井筒系统与简易封隔器系统，沿井筒进样样段或井筒连接段的圆周均匀分布，一组四个);
[0068]14一滤网；
[0069]14a—第一层滤网(尼龙材质，200目)；
[0070]14b—第二层滤网(尼龙材质，200目)；
[0071]14c一第三层滤网(尼龙材质，200目)；
[0072]20—简易封隔器系统，包括:
[0073]20a一第一简易封隔器(PVC棒材加工定制,外径68mm,中间穿8_的小孔7个)；
[0074]20b—第二简易封隔器(PVC棒材加工定制，外径68mm，中间穿8mm的小孔4个)；
[0075]20c一第三简易封隔器(PVC棒材加工定制,外径68mm,中间穿8mm的小孔3个)；
[0076]20d一第四简易封隔器(PVC棒材加工定制,外径68mm,中间穿8mm的小孔2个)；
[0077]20e一第五简易封隔器(PVC棒材加工定制,外径68mm,中间穿8mm的小孔I个)；
[0078]20f一第六简易封隔器(PVC棒材加工定制,外径68mm,中间穿8mm的小孔O个)；
[0079]上述简易封隔器本领域的普通技术人员均能制备；
[0080]30—U型管地下液体进样系统，包括:
[0081 ] 31 一储流容器
[0082]31a—第一储流容器(直径12_的导管，长度取决于实际取样容量)；
[0083]31b一第二储流容器(直径12mm的导管,长度取决于实际取样容量,此处1.8m)；
[0084]31c一第三储流容器(直径12mm的导管,长度取决于实际取样容量,此处0.6m)；
[0085]32—二通
[0086]32a一第一三通(塑料材质,8mm卡套接口)；
[0087]32b—第二三通(塑料材质，8mm卡套接口)；
[0088]32c—第三三通(塑料材质，8mm卡套接口)；
[0089]33—液相单向阀
[0090]33a—第一液相单向阀(启动压力2psi，弹簧式塑料单向阀)；
[0091]33b—第二液相单向阀(启动压力2psi，弹簧式塑料单向阀)；
[0092]33c一第三液相单向阀(启动压力2psi,弹簧式塑料单向阀)；
[0093]34一滤芯
[0094]34a—第一滤芯(加工定制，滤网规格500目，圆盘形)；
[0095]34b—第二滤芯(加工定制，滤网规格500目，圆盘形)；
[0096]34c—第三滤芯(加工定制，滤网规格500目，圆盘形，
[0097]上述滤芯本领域的普通技术人员均能制备；
[0098]40—气体推动式地面液体取样系统
[0099]41 一球阀
[0100]41a一第一球阀(塑料球阀，8mm卡套接口)；
[0101]41b一第二球阀(塑料球阀,8mm卡套接口)；
[0102]41c一第三球阀(塑料球阀，8mm卡套接口)；
[0103]41d一第四球阀(塑料球阀,8mm卡套接口)；
[0104]41e一第五球阀(塑料球阀,8mm卡套接口)；
[0105]41f一第六球阀(塑料球阀，8mm卡套接口)；
[0106]42—液体取样容器
[0107]42a—第一液体取样容器(容积500ml的塑料瓶或玻璃瓶)；
[0108]42b—第二液体取样容器(容积500ml的塑料瓶或玻璃瓶)；
[0109]42c—第三液体取样容器(容积500ml的塑料瓶或玻璃瓶)；
[0110]43—减压阀
[0111]43a—第一减压阀(控制氮气瓶出口端压力，防止液相单向阀过压失效)；
[0112]43b—第二减压阀(控制氮气瓶出口端压力，防止液相单向阀过压失效)；
[0113]43c—第三减压阀(控制氮气瓶出口端压力，防止液相单向阀过压失效)；
[0114]44 一压力源(氮气瓶)；
[0115]50—土壤气取样系统
[0116]51—气体过滤器(过滤颗粒、粉尘，保护后端的气相单向阀)；
[0117]52—气相单向阀(隔膜式气相单向阀，8mm卡套接口)；
[0118]53一气体取样容器(容积1L,活塞式结构)；
[0119]54一针阀(塑料材质,8mm卡套接口)。
[0120]上述其它部件，均可在市场上购置。
【具体实施方式】
[0121]实施例1:
[0122]下面结合附图对本实用新型进一步详细说明:
[0123]根据图1可知，一种气体推动式地下流体分层取样装置，它包括井筒系统10、简易封隔器系统20、U型管地下液体进样系统30、气体推动式地面液体取样系统40和土壤气取样系统50。
[0124]各系统功能及连接方式描述如下:简易封隔器系统20的端口插入井筒系统10的管内镶嵌，并通过第一层螺钉13a、第二层螺钉13b、第三层螺钉13c、第四层螺钉13d、第五层螺钉13e、第六层螺钉13f、第七层螺钉13g、第八层螺钉13h、第九层螺钉131、第十层螺钉13j铆接牢固，形成一个外径75mm，长约1m的整体筒状结构。该整体筒状结构通过钻孔埋入地层，其外侧与地层直接接触并接受地层水的缓慢渗入，其内部设置U型管地下液体进样系统30和土壤气取样系统50。具体连接方式为导管穿过第一简易封隔器20a、第二简易封隔器20b、第三简易封隔器20c、第四简易封隔器20d、第五简易封隔器20e预留的8mm小孔，与U型管地下液体进样系统30连接。导管穿过第一简易封隔器20a预留的8mm小孔与土壤气取样系统50的气相过滤器51和气相单向阀52连接，且该导管穿过第一简易封隔器20a与地面的针阀54、液体取样容器53连接。而设置在地面井口处的气体推动式地面液体取样系统40通过穿过第一简易封隔器20a预留的小孔与U型管地下液体进样系统30连接。在氮气瓶44加压下，将井下U型管地下液体进样系统30渗入的流体压送至地面的第一液体取样容器42a、第二液体取样容器42b、第三液体取样容器42c，从而完成取样。
[0125]所述的整体筒状结构，其连接方式为自上而下第一简易封隔器20a、第一井筒进样段Ila和第一滤网14a、第二简易封隔器20b、第一井筒连接段12a、第三简易封隔器20c、第二井筒进样段Ilb和第二滤网14b、第四简易封隔器20d、第二井筒连接段12b、第五简易封隔器20e、第三井筒进样段Ilc和第三滤网14c、第六简易封隔器20f依次连接，如图2和图3所示。其中第一简易封隔器20a、第二简易封隔器20b、第三简易封隔器20c、第四简易封隔器20d、第五简易封隔器20e、第六简易封隔20f的端口插入第一井筒进样段11a、第二井筒进样段lib、第三井筒进样段Ilc或第一井筒连接段12a、第二井筒连接段12b的管内镶嵌，并通过沿圆周均布的第一层螺钉13a、第二层螺钉13b、第三层螺钉13c、第四层螺钉13d、第五层螺钉13e、第六层螺钉13f、第七层螺钉13g、第八层螺钉13h、第九层螺钉131、第十层螺钉13j铆接紧固。而第一滤网14a侧面沿圆周黏贴在第一井筒进样段Ila外管管壁，第一滤网14a的上下两端分别通过第一层螺钉13a和第二层螺钉13b铆固紧密；第二滤网14b侧面沿圆周黏贴在第二井筒进样段Ilb外管管壁，第二滤网14b的上下两端分别通过第五层螺钉13e和第六层螺钉13f铆固紧密；第三滤网14c侧面沿圆周黏贴在第三井筒进样段Ilc外管管壁，第三滤网14c的上下两端分别通过第九层螺钉13i和第十层螺钉13 j铆固紧
LU O
[0126]根据图2可知，所述的井筒系统10包括第一井筒进样段11a、第二井筒进样段lib、第三井筒进样段11c、第一井筒连接段12a和第二井筒连接段12b，其特征在于:第一井筒进样段11a、第二井筒进样段lib、第三井筒进样段Ilc沿其管壁圆周钻取60个2mm的小孔，并沿全长均匀布置，使内部空气在地下流体渗流进入时能自由排出。且第一井筒进样段11a、第二井筒进样段lib、第三井筒进样段Ilc周围缠绕一层200目规格的第一过滤网14a、第二过滤网14b、第三过滤网14c，尽量减少泥沙颗粒通过小孔渗入，其中滤网规格依据实际土体颗粒粒径分布选定；其特征还在于:第一井筒进样段11a、第二井筒进样段lib、第三井筒进样段Ilc的允许渗入容积等于U型管地下液体进样系统30实际储水容积的2倍，保证地面所取的样品能实时代表指定层位的地下流体；其特征还在于第一井筒连接段12a、第二井筒连接段12b的长度由现场地层层厚关系决定，并在第一井筒连接段12a、第二井筒连接段12b外侧充填不透水的原状粘土或膨胀土，防止不同层位的地下水互串混合。
[0127]根据图3-14可知，所述的简易封隔器系统20包括第一简易封隔器20a、第二简易封隔器20b、第三简易封隔器20c、第四简易封隔器20d、第五简易封隔器20e、第六简易封隔器20f，其特征在于:第一简易封隔器20a穿8mm的小孔7个，第二简易封隔器20b穿8mm的小孔4个，第三简易封隔器20c穿8mm的小孔3个、第四简易封隔器20d穿8mm的小孔3个，第五简易封隔器20e穿8mm的小孔I个，第六简易封隔器20f不穿孔且底端为锥形，便于取样装置埋入地层；其特征还在于第一简易封隔器20a、第二简易封隔器20b、第三简易封隔器20c、第四简易封隔器20d、第五简易封隔器20e、第六简易封隔器20f上下端的外径等于第一井筒进样段11a、第一井筒进样段lib、第一井筒进样段Ilc和第一井筒连接段12a、第二井筒连接段12b的内径，便于镶嵌套入管内，铆接紧固；其中间段的外径等于第一井筒进样段11a、第一井筒进样段lib、第一井筒进样段Ilc和第一井筒连接段12a、第二井筒连接段12b的外径。其特征还在于第一简易封隔器20a、第二简易封隔器20b、第三简易封隔器20c、第四简易封隔器20d、第五简易封隔器20e中间预留的8mm小孔均由8mm的导管穿过，而其独特的内部设计保证由导管穿过的第一简易封隔器20a、第二简易封隔器20b、第三简易封隔器20c、第四简易封隔器20d、第五简易封隔器20e均不透水。
[0128]根据图15可知，所述的U型管地下液体进样系统30包括储流容器31、三通32、液相单向阀33、滤芯34，其中储流容器31包括第一储流容器31a、第二储流容器31b、第三储流容器31c，三通32包括第一三通32a、第二三通32b、第三三通32c，液相单向阀33包括第一液相单向阀33a、第二液相单向阀33b、第三液相单向阀33c，滤芯34包括第一滤芯34a、第二滤芯34b、第三滤芯34c，其特征在于分三层独立取样:第一层连接方式由下至上依次为第一滤芯34a、第一三通33a、第一液相单向阀32a和第一储流容器31a,中间均米用导管连接，布置于地下埋深2m的地层中，如图4 ;第二层由下至上依次为第二滤芯34b、第二三通33b、第二液相单向阀32b和第二储流容器31b，中间均采用导管连接，布置于地下埋深6m的地层中；第三层连接方式由下至上依次为第三滤芯34c、第三三通33c、第三液相单向阀32c和第三储流容器31c，中间均采用导管连接，布置于地下埋深1m的地层中。
[0129]根据图16可知，所述的气体推动式地面液体取样系统40包括球阀41、液体取样容器42、减压阀43、氮气瓶44,其中球阀41包括第一球阀41a、第二球阀41b、第三球阀41c、第四球阀41d、第五球阀41e、第六球阀41f，液体取样容42包括第一液体取样容器42a、第二液体取样容器42b、第三液体取样容器42c，减压阀43包括第一减压阀43a、第二减压阀43b、第三减压阀43c，其连接结构为:从井下通往地面连接着U型管地下液体进样系统30的导管均设置第一球阀41a、第二球阀41b、第三球阀41c、第四球阀41d、第五球阀41e、第六球阀41f。连接第一储流容器31a的导管后端设置第一球阀41a和第一液体取样容器42a，连接第一三通32a的导管后端设置第四球阀41d和第一减压阀43a;连接第二储流容器31b的导管后端设置第二球阀41b和第二液体取样容器42b，连接第二三通32b的导管后端设置第五球阀41e和第二减压阀43b ;连接第三储流容器31c的导管后端设置第三球阀41c和第三液体取样容器42c，连接第三三通32c的导管后端设置第六球阀41f和第三减压阀43c。取样操作时，第一减压阀43a、第二减压阀43b、第三减压阀43c连接移动式氮气瓶44 ；
[0130]根据图17可知，所述的土壤气取样系统50包括气体过滤器51、气相单向阀52、气体取样容器53、针阀54，其特征在于:气相过滤器51与气相单向阀52连接，通过导管穿过第一简易封隔器20a传输至地面与针阀54、气体取样容器53连接。其特征在于选用针阀54来控制气体流速，其特征还在于气体取样容器53为活塞式结构。
[0131]利用本实用新型进行浅层井内分层流体取样的方法如下:
[0132]1、按照本实用新型组装取样装置，根据地下水位深度设置井筒进样段Ila-1lc长度，根据指定目标地层的深度设计井筒连接段12a_12c对应的长度。
[0133]2、将取样装置放入正在清水置换的钻孔内，然后进行回填。其中井筒进样段Ila-1lc对应的深度回填透水性强的石英砂，井筒连接段12a_12c部分回填透水性极差的膨胀土或原状粘土，以隔断不同层位地下流体的联系。
[0134]3、分别开启气体推动式地面液体取样系统40中与液体取样容器42a或42b或42c和压力源相连接的球阀41a-41f，通过减压阀43a-43c逐渐增大氮气瓶44的出气压力(其值不大于液相单向阀的容许压力)，使地下流体缓慢排出，直至U型管地下液体进样系统30的流体排尽，由此完成洗井操作，关闭氮气瓶44和减压阀43a-43c。
[0135]4、完成上述第3步洗井操作后，开启氮气瓶44和减压阀43a_43c。地下流体，由于液相单向阀33a-33c的流向限制，缓慢进入液体取样容器42a_42c。达到所需容量后，液体取样完毕，关闭各球阀41a-41f、减压阀43a-43c和氮气瓶44。
[0136]5、重复上述过程3和4，可以对不同层位进行多次液体取样。
[0137]6、开启土壤气取样系统50中与气体取样容器53连接的针阀54，采用活塞式气体取样容器将残留在井筒内的气体抽走，空气因气相单向阀52的流向限制，不会回流入井筒，由此完成气体取样前的洗井，关闭针阀54 ；
[0138]7、完成上述第6步洗井操作一段时间后，打开针阀54，气体取样容器53抽取指定容量的新鲜土壤气样品，从而实现土壤气样品取样。
[0139]8、重复上述过程6和7，可以进行多次土壤气取样。
[0140]9、取样完毕后，检查关闭取样装置的各个球阀41a_41f、针阀54、减压阀43a_43c，保持安置状态直到下个周期(如一个星期、一个月或半年)的取样。
【权利要求】
1.一种气体推动式地下流体分层取样装置，它包括井筒系统(10)、简易封隔器系统(20)、U型管地下液体进样系统(30)、气体推动式地面液体取样系统(40)和土壤气取样系统(50)，其特征在于:简易封隔器系统(20)的端口插入井筒系统(10)的管内镶嵌，通过第一层螺钉(13a)、第二层螺钉(13b)、第三层螺钉(13c)、第四层螺钉(13d)、第五层螺钉(136)、第六层螺钉(13丨)、第七层螺钉(138)、第八层螺钉(131!)、第九层螺钉(13丨)、第十层螺钉(13j)铆接，形成一个外径75mm，长10m的整体筒状结构，导管穿过第一简易封隔器(20a)、第二简易封隔器(20b)、第三简易封隔器(20c)、第四简易封隔器(20d)、第五简易封隔器(20e)预留的孔，与U型管地下液体进样系统(30)连接，导管穿过第一简易封隔器(20a)预留的孔与土壤气取样系统(50)的气相过滤器(51)和气相单向阀(52)连接，导管穿过第一简易封隔器(20a)与地面的针阀(54)、液体取样容器(53)连接，设置在地面井口处的气体推动式地面液体取样系统(40)通过穿过第一简易封隔器(20a)预留的孔与U型管地下液体进样系统(30)连接； 整体筒状结构为自上而下第一简易封隔器(20a)、第一井筒进样段(11a)和第一滤网(14a)、第二简易封隔器(20b)、第一井筒连接段(12a)、第三简易封隔器(20c)、第二井筒进样段(lib)和第二滤网(14b)、第四简易封隔器(20d)、第二井筒连接段(12b)、第五简易封隔器(20e)、第三井筒进样段(11c)和第三滤网(14c)、第六简易封隔器(20f)依次连接，其中第一简易封隔器(20a)、第二简易封隔器(20b)、第三简易封隔器(20c)、第四简易封隔器(20d)、第五简易封隔器(20e)、第六简易封隔(20f)的端口插入第一井筒进样段(11a)、第二井筒进样段(lib)、第三井筒进样段(11c)或第一井筒连接段(12a)、第二井筒连接段(12b)的管内镶嵌，第一滤网(14a)侧面沿圆周黏贴在第一井筒进样段(11a)外管管壁，第一滤网(14a)的上下两端分别通过第一层螺钉(13a)和第二层螺钉(13b)铆固；第二滤网(14b)侧面沿圆周黏贴在第二井筒进样段(lib)外管管壁，第二滤网(14b)的上下两端分别通过第五层螺钉(13e)和第六层螺钉(13f)铆固；第三滤网(14c)侧面沿圆周黏贴在第三井筒进样段(1 lc)外管管壁，第三滤网(14c)的上下两端分别通过第九层螺钉(13i )和第十层螺钉(13j)铆固紧密。
2.根据权利要求1所述的一种气体推动式地下流体分层取样装置，其特征在于:所述的井筒系统(10)包括第一井筒进样段(11a)、第二井筒进样段(lib)、第三井筒进样段(11c),第一井筒连接段(12a)、第二井筒连接段(12b)，沿第一井筒进样段(11a)、第二井筒进样段(lib)、第三井筒进样段(11c)管壁圆周钻取60个2mm的孔，并在该进样段管壁周围分别缠绕一层200目的第一过滤网(14a)、第二过滤网(14b)、第三过滤网(14c)。
3.根据权利要求1所述的一种气体推动式地下流体分层取样装置，其特征在于:所述的简易封隔器系统(20)包括第一简易封隔器(20a)、第二简易封隔器(20b)、第三简易封隔器(20c)、第四简易封隔器(20d)、第五简易封隔器(20e)、第六简易封隔器(20f)，第一简易封隔器(20a)穿8mm的孔，第二简易封隔器(20b)穿8mm的孔，第三简易封隔器(20c)穿8mm的孔、第四简易封隔器(20d)穿8mm的孔，第五简易封隔器(20e)穿8mm的孔，第六简易封隔器(20f)不穿孔底端为锥形，第一简易封隔器(20a)、第二简易封隔器(20b)、第三简易封隔器(20c)、第四简易封隔器(20d)、第五简易封隔器(20e)、第六简易封隔器(20f)上下端的外径等于第一井筒进样段(11a)、第二井筒进样段(lib)、第三井筒进样段(11c)和第一井筒连接段(12a)、第二井筒连接段(12b)的内径，简易封隔器系统镶嵌套入第一井筒进样段(11a)、第二井筒进样段(lib)、第三井筒进样段(Ilc)和第一井筒连接段(12a)、第二井筒连接段(12b)内，并用螺钉(13)铆接，第一简易封隔器(20a)、第二简易封隔器(20b)、第三简易封隔器(20c)、第四简易封隔器(20d)、第五简易封隔器(20e冲间预留的8mm孔均由8mm的导管穿过。
4.根据权利要求1所述的一种气体推动式地下流体分层取样装置，其特征在于:所述的U型管地下液体进样系统(30)包括储流容器(31)、三通(32)、液相单向阀(33)、滤芯(34)，储流容器(31)包括第一储流容器(31a)、第二储流容器(31b)、第三储流容器(31c)，三通(32)包括第一三通(32a)、第二三通(32b)、第三三通(32c)，液相单向阀(33)包括第一液相单向阀(33a)、第二液相单向阀(33b)、第三液相单向阀(33c)，滤芯(34)包括第一滤芯(34a)、第二滤芯(34b)、第三滤芯(34c)，第一层连接方式由下至上依次为第一滤芯(34a)、第一三通(33a)、第一液相单向阀(32a)和第一储流容器(31a),米用导管连接,第二层由下至上依次为第二滤芯(34b)、第二三通(33b)、第二液相单向阀(32b)和第二储流容器(31b)，采用导管连接，第三层由下至上依次为第三滤芯(34c)、第三三通(33c)、第三液相单向阀(32c )和第三储流容器(31c)，采用导管连接。
5.根据权利要求1所述的一种气体推动式地下流体分层取样装置，其特征在于:所述的气体推动式地面液体取样系统(40)包括球阀(41)、液体取样容器(42)、减压阀(43)、氮气瓶(44)，球阀(41)包括第一球阀(41a)、第二球阀(41b)、第三球阀(41c)、第四球阀(41d)、第五球阀(41e)、第六球阀(41f)，液体取样容器42包括第一液体取样容器42a、第二液体取样容器42b、第三液体取样容器42c，减压阀(43)包括第一减压阀(43a)、第二减压阀(43b)、第三减压阀(43c)，从井下通往地面连接着U型管地下液体进样系统(30)的导管设置第一球阀(41a)、第二球阀(41b)、第三球阀(41c)、第四球阀(41d)、第五球阀(41e)、第六球阀(41f)，连接第一储流容器(31a)的导管后端设置第一球阀(41a)和第一液体取样容器(42a)，连接第一三通(32a)的导管后端设置第四球阀(41d)和第一减压阀(43a);连接第二储流容器(31b)的导管后端设置第二球阀(41b)和第二液体取样容器(42b)，连接第二三通(32b)的导管后端设置第五球阀(41e)和第二减压阀(43b);连接第三储流容器(31c)的导管后端设置第三球阀(41c)和第三液体取样容器(42c)，连接第三三通(32c)的导管后端设置第六球阀(41f )和第二减压阀(43c),第一减压阀(43a)、第二减压阀(43b)、第二减压阀(43c)连接移动式氮气瓶(44)。
6.根据权利要求1所述的一种气体推动式地下流体分层取样装置，其特征在于:所述的土壤气取样系统(50)包括气体过滤器(51)、气相单向阀(52)、气体取样容器(53)、针阀(54)，气相过滤器(51)与气相单向阀(52)连接，通过导管穿过第一简易封隔器(20a)传输至地面与针阀(54)、气体取样容器(53)连接。
【文档编号】E21B49/08GK204098908SQ201420242152
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】李小春, 刘学浩, 李琦, 方志明 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所