一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置，簡易封隔器系統的端口插入井筒系統的管內鑲嵌，通過螺釘鉚接牢固，形成整體筒狀結構。整體筒狀結構通過鉆孔埋入地層，其內部導管穿過簡易封隔器預留的小孔，與U型管地下液體進樣系統連接。導管穿過第一簡易封隔器預留的小孔與土壤氣取樣系統的氣相過濾器和氣相單向閥連接，該導管穿過第一簡易封隔器與地面的針閥、液體取樣容器連接。設置在地面井口處的氣體推動式地面液體取樣系統通過穿過第一簡易封隔器預留的小孔與U型管地下液體進樣系統連接。該取樣裝置結構巧妙新穎；成本低廉、耐久性優越；場地適應性強；應用領域廣泛，工程需求強勁，具有良好的應用前景和商業價值。
【專利說明】一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及淺部地層地下流體取樣領域，更具體涉及一種淺層井內基于氣體推動式原理對地下水和土壤氣分層進行取樣的裝置。
【背景技術】
[0002]地下流體是關系到地球演化和地表生物生存的重要因素。地下流體取樣，通過同位素追蹤、地層殘余氣分析、化學成分測試、微生物群落特征等分析方法能連續提供大量關于地層的物理、化學和微生物信息，是對工程開展和環境安全評估有重要指導意義的監測手段之一。
[0003]要對地下流體進行分析，首先要獲得地下流體樣品。根據工作原理分類，國內外開發的各式各樣地下流體取樣技術主要分為三種(陳禮賓.美國地下水監測的一些方法和儀器.地下水，1988(01): 55~58):下井式定深取樣(劉景濤等.淺層地下水定深取樣器的研制.環境監測管理與技術，2008(05): 56飛8.)、泵式多級監測取樣(盧予北.國家級一孔多層地下水示范監測井鉆探技術與研究.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007(03):5^8.)、氣體推動式取樣技術。由于下井式定深取樣技術不能進行連續取樣；泵式多級監測井取樣技術對地層流體擾動過大，且不能很好適應野外場地(如無220V交流電源)。因此，結合工程實際的需求，選擇氣體推動式地下流體取樣技術。
[0004]美國伯克利實驗室Barry Freifeld開發的U型管取樣系統在美國Frio咸水層示范工程率先應用，單層取樣，深度達1513.9m。(Freifeld, B.M.The U-tube: A NewParadigm for Borehole Fluid Sampling.Scientific Drilling, 2009, 8(8): 41~45)適用于深部地層流體取樣，因此其結構復雜、操作繁瑣、成本高昂，對于淺部地層流體的取樣沒有必要使用這樣的取樣系統。
[0005]發明專利“井內分層氣液兩相流體保真取樣裝置”(授權專利號:20ala63499.7)公開了井內分層氣液兩相流體保真取樣裝置，該裝置可以精確控制地下流體取樣層位，實現不同層位的氣液的取樣，同時保證取樣過程中溫度、壓力與地下流體的溫度條件一致。但是主要針對深部地層流體的取樣。
[0006]發明專利“一種淺層井內分層氣液流體取樣裝置”(申請號:20a3a04034b5)公開了針對淺井的一孔多層地下流體取樣裝置，該裝置基于氣體推動式取樣技術，初步實現對多個地層進行長期連續取樣，可以精確控制取樣層位，能同時進行氣液取樣，結構簡單，成本低廉，具有很好的場地適應性(壓力源采用氮氣瓶，避免使用220V電源)。但仍存在若干技術難點，如泥沙顆粒或冬季結冰引起小孔堵塞，導致取樣系統失效；結構性設計造成井筒內原有空氣無法排除，造成內部超壓空氣與外部水頭壓差過早平衡，導致地層流體無法持續進入取樣系統；層間串水或井筒內長期殘留的流體，導致地面所取的樣品失去代表性，即無法實時反映指定地層流體粒子濃度的變化，使樣品質量大大降低。
[0007] 在保證多層取樣的功能要求和樣品的質量要求前提下，對于淺部地層流體的取樣裝置，其耐壓、耐溫等要求要比深部地層流體取樣低一些。因此，取樣系統的成本應該可以更低一些、取樣器的設計與操作應該可以更靈活一些。
【發明內容】
[0008]本發明克服現有地下流體取樣裝置的上述缺點和不足，是在于提供了一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置。該取樣裝置結構巧妙新穎；成本低廉、耐久性優越；場地適應性強；應用領域廣泛，工程需求強勁，具有良好的應用前景和商業價值。
[0009]為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置，它包括井筒系統、簡易封隔器系統、U型管地下液體進樣系統、氣體推動式地面液體取樣系統和土壤氣取樣系統。
[0010]各系統功能及連接方式描述如下:簡易封隔器系統的端口插入井筒系統的管內鍵嵌，并通過第一層螺釘、第二層螺釘、第三層螺釘、第四層螺釘、第五層螺釘、第六層螺釘、第七層螺釘、第八層螺釘、第九層螺釘、第十層螺釘鉚接牢固，形成一個外徑75mm，長約IOm的整體筒狀結構。該整體筒狀結構通過鉆孔埋入地層，其外側與地層直接接觸并接受地層水的緩慢滲入，其內部設置U型管地下液體進樣系統和土壤氣取樣系統。具體連接方式為導管穿過第一簡易封隔器、第二簡易封隔器、第三簡易封隔器、第四簡易封隔器、第五簡易封隔器預留的8_小孔，與U型管地下液體進樣系統連接。導管穿過第一簡易封隔器預留的8_小孔與土壤氣取樣系統的氣相過濾器和氣相單向閥連接，且該導管穿過第一簡易封隔器與地面的針閥、液體取樣容器連接。而設置在地面井口處的氣體推動式地面液體取樣系統通過穿過第一簡易封隔器預留的小孔與U型管地下液體進樣系統連接。在氮氣瓶加壓下，將井下U型管地下液體進樣系統滲入的流體壓送至地面的第一液體取樣容器、第二液體取樣容器、第三液體取樣容器，從而完成取樣。
[0011]所述的整體筒狀結構，其連接方式為自上而下第一簡易封隔器、第一井筒進樣段和第一濾網、第二簡易封隔器、第一井筒連接段、第三簡易封隔器、第二井筒進樣段和第二濾網、第四簡易封隔器、第二井筒連接段、第五簡易封隔器、第三井筒進樣段和第三濾網、第六簡易封隔器依次連接，如圖2和圖3所示。其中第一簡易封隔器、第二簡易封隔器、第三簡易封隔器、第四簡易封隔器、第五簡易封隔器、第六簡易封隔的端口插入第一井筒進樣段、第二井筒進樣段、第三井筒進樣段或第一井筒連接段、第二井筒連接段的管內鑲嵌，并通過沿圓周均布的第一層螺釘、第二層螺釘、第三層螺釘、第四層螺釘、第五層螺釘、第六層螺釘、第七層螺釘、第八層螺釘、第九層螺釘、第十層螺釘鉚接緊固。而第一濾網側面沿圓周黏貼在第一井筒進樣段外管管壁，第一濾網的上下兩端分別通過第一層螺釘和第二層螺釘鉚固緊密；第二濾網側面沿圓周黏貼在第二井筒進樣段外管管壁，第二濾網的上下兩端分別通過第五層螺釘和第六層螺釘鉚固緊密；第三濾網側面沿圓周黏貼在第三井筒進樣段外管管壁，第三濾網的上下兩端分別通過第九層螺釘和第十層螺釘鉚固緊密。
[0012]所述的井筒系統包含井筒進樣段、井筒連接段、螺釘和濾網。所述的井筒進樣段，其特征在于長度按實際取樣容量計算、沿圓周均布約60個2mm小孔，且在其側壁設置一層尼龍材質的過濾網(濾網規格由地層土體顆粒粒徑分布決定，此處為200目)，此處為直徑75mm、長約0.5m的PVC-U管。所述的井筒連接段，其特征在于長度依據實際地層深度設計，此處為直徑75mm、長4m的PVC-U管。井筒進樣段和井筒進樣段通過螺釘連接；
所述的簡易封隔器系統，其特征在于不透水堵頭中間穿孔(數量由實際導管數決定)，其中第六簡易封隔器為錐形。所述的簡易封隔器系統，其作用在于:其上下兩端通過螺釘與井筒系統連接，其中間穿孔允許U型管地下液體進樣系統的導管通過，其中其功能不允許地層水穿透,其材質為耐久性好的PVC塑料；
所述的U型管地下液體進樣系統包含儲流容器、三通、液相單向閥和濾芯，其連接結構為:濾芯連接液相單向閥，單向閥通過三通與儲流容器和導管連接。所述的儲流容器，其作用在于井下儲存滲入的地下流體，其特征在于直徑(12mm)大于導管(8mm)，長度依實際所需取水容量決定。所述的濾芯其作用在于過濾地下流體和保護單向閥，其特征在于其形狀為圓盤，其濾網規格為500目；
所述的氣體推動式地面液體取樣系統包含球閥、液體取樣容器、減壓閥和氮氣瓶，其連接結構為:U型管地下液體進樣系統從井下通往地面的兩根導管均設置球閥，一根導管的球閥后端設置液體取樣容器，另一根導管的球閥后端設置減壓閥。取樣操作時，減壓閥連接移動式氮氣瓶；
所述的土壤氣取樣系統包含氣相過濾器、氣相單向閥、針閥和氣體取樣容器，其連接結構在于地下的氣相過濾器連接氣相單向閥，并通過導管與地面的針閥和氣體取樣容器連接。所述的氣體取樣容器，其特征在于其結構為活塞式，具有抽氣功能，類似醫用注射器，其容積大小由實際所需的土壤氣量決定；
利用本發明進行淺層井內分層流體取樣的方法如下:
1、按照本發明組裝取樣裝置，根據地下水位深度設置井筒進樣段長度，根據指定目標地層的深度設計井筒連接段對應的長度。
[0013]2、將取樣裝置放入正在清水置換的鉆孔內，然后進行回填。其中井筒進樣段對應的深度回填透水性強的石英砂，井筒連接段部分回填透水性極差的膨脹土或原狀粘土，以隔斷不同層位地下流體的聯系。
[0014]3、分別開啟氣體推動式地面液體取樣系統中與液體取樣容器和壓力源相連接的球閥，通過減壓閥逐漸增大氮氣瓶的出氣壓力(其值不大于液相單向閥的容許壓力)，使地下流體緩慢排出，直至U型管地下液體進樣系統的流體排盡，由此完成洗井操作，關閉氮氣瓶和減壓閥。
[0015]4、完成上述第3步洗井操作后，開啟氮氣瓶和減壓閥。地下流體，由于液相單向閥的流向限制，緩慢進入液體取樣容器。達到所需容量后，液體取樣完畢，關閉各球閥、減壓閥和氮氣瓶。
[0016]5、重復上述過程3和4，可以對不同層位進行多次液體取樣。
[0017]6、開啟土壤氣取樣系統中與氣體取樣容器連接的針閥，采用活塞式氣體取樣容器將殘留在井筒內的氣體抽走，空氣因氣相單向閥的流向限制，不會回流入井筒。由此完成氣體取樣前的洗井，關閉針閥；
7、完成上述第6步洗井操作一段時間后，打開針閥，氣體取樣容器抽取指定容量的新鮮土壤氣樣品，從而實現土壤氣樣品取樣。
[0018]8、重復上述過程6和7，可以進行多次土壤氣取樣。
[0019]9、取樣完畢后，檢查關閉取樣裝置的各個球閥、針閥、減壓閥，保持安置狀態直到下個周期取樣。
[0020]本發明具有以下優點和積極效果: 取樣裝置結構巧妙新穎，克服了若干技術難點；安裝、操作方便；成本低廉、耐久性優越；場地適應性強；應用領域廣泛，工程需求強勁，具有良好的應用前景和商業價值。
[0021]1、一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置，該裝置通過巧妙新穎的結構設計，克服若干技術難點，盡可能保證了所取樣品的真實代表性，一定程度地延長了取樣裝置的使用年限:
a)井筒進樣段設計長0.5m，其容積約等于U型管地下液體進樣系統容積的兩倍。該結構保證了洗井操作完成后取樣的流動性和樣品質量，而不必像其它取樣裝置采用電動泵清空殘余液；
b)針對井筒內空氣無法排除的問題，結構設計為:井筒進樣段上下兩端設置簡易封隔器止水，沿井筒進樣段圓周全長均布數個2_的進水小孔，不留空隙；
c)為減輕泥沙顆粒引起的堵塞，對于井筒進樣段沿圓周均布設置的2mm小孔，因地制宜地設計過濾方案。按工程土體顆粒粒徑分布(如d95為0.068-0.071mm)選取對應規格的濾網(篩孔尺寸0.075mm對應200目)；
d)為防止冬季系統的管道結冰堵塞，對井筒側壁(除了進樣段)包裹多層防寒止水帷幕，并沿線纏繞發熱電絲保護。在冬季取樣前，對地表處預留的電極通電保溫進行解凍；
2、一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置，安裝和取樣操作均簡單方便。
[0022]3、一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置，該裝置所用材料為普通PVC、尼龍等塑膠材料、成本低廉，有效地降低了裝置的成本，并一定程度地提高了裝置(長埋于地下水位以下的地層)的耐久性。
[0023]4、一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置，壓力源采用移動式氮氣瓶，整套取樣裝置無需提供220V交流電源，能適應各種極端條件野外場地；
5、該裝置可廣泛應用于不同領域、不同工程目的淺層地下水和土壤氣的環境監測，特別適用于碳捕集、利用與封存(CCUS)領域(咸水層封存、酸氣回注、二氧化碳驅替增采石油CO2-EOR, 二氧化碳驅替增采天然氣C02-EGR、二氧化碳驅替增采煤層氣C02-ECBM、二氧化碳驅替增采頁巖氣CO2-ESG等)的C02/H2S/CH4泄漏監測及其對淺層地下環境的影響，廣泛適用于廢棄物地下封存領域(垃圾填埋處置、核廢料處置、礦床浸潤法開采等)、淺層地下水動態監測領域(污染源追蹤、微生物群落分析等)，實際工程需求強勁，具有良好的應用前景和商業價值。
[0024]如上所述，本發明重點克服各式現有地下流體取樣裝置在樣品高保真度、泥沙堵塞、水合物結垢或結冰堵塞、層間串水、耐久性等方面存在的技術難點，提供了一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置。該取樣裝置結構巧妙新穎、安裝及操作簡便、制作成本低、耐久性優越、場地適應強，可對長期對淺部地層的地下流體和土壤氣進行分層取樣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置整體結構示意圖；
圖2為一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置-井筒系統示意圖；
圖3為一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置-簡易封隔器系統示意圖 圖4為一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置-U型管地下液體進樣系統示意圖 圖5為一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置-氣體推動式地面液體取樣系統示意圖 圖6為一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置-土壤氣取樣系統示意圖其中:10—井筒系統，包括:11一井筒進樣段(PVC-U管，直徑75mm，壁厚4.5mm，長度根據實際取樣量計算得到，此處為0.5m) ;lla—第一井筒進樣段(PVC-U管，直徑75mm，壁厚4.5mm，長度根據地層深度關系調整，此處為4m) ； Ilb—第二井筒進樣段；llc一第三井筒進樣段；12—井筒連接段；12a—第一井筒連接段；12b—第二井筒連接段。13—螺釘；
13a—第一層螺釘(普通螺絲釘，用于連接井筒系統與簡易封隔器系統，沿井筒進樣樣段或井筒連接段的圓周均勻分布，一組四個);
13b—第二層螺釘(普通螺絲釘，用于連接井筒系統與簡易封隔器系統，沿井筒進樣樣段或井筒連接段的圓周均勻分布，一組四個);
13c—第三層螺釘(普通螺絲釘，用于連接井筒系統與簡易封隔器系統，沿井筒進樣樣段或井筒連接段的圓周均勻分布，一組四個);
13d—第四層螺釘(普通螺絲釘，用于連接井筒系統與簡易封隔器系統，沿井筒進樣樣段或井筒連接段的圓周均勻分布，一組四個)
13e—第五層螺釘(普通螺絲釘，用于連接井筒系統與簡易封隔器系統，沿井筒進樣樣段或井筒連接段的圓周均勻分布，一組四個；
13f—第六層螺釘(普通螺絲釘，用于連接井筒系統與簡易封隔器系統，沿井筒進樣樣段或井筒連接段的圓周均勻分布，一組四個);
13g—第七層螺釘(普通螺絲釘，用于連接井筒系統與簡易封隔器系統，沿井筒進樣樣段或井筒連接段的圓周均勻分布，一組四個);
13h—第八層螺釘(普通螺絲釘，用于連接井筒系統與簡易封隔器系統，沿井筒進樣樣段或井筒連接段的圓周均勻分布，一組四個);
13i—第九層螺釘(普通螺絲釘，用于連接井筒系統與簡易封隔器系統，沿井筒進樣樣段或井筒連接段的圓周均勻分布，一組四個);
13j—第十層螺釘(普通螺絲釘，用于連接井筒系統與簡易封隔器系統，沿井筒進樣樣段或井筒連接段的圓周均勻分布，一組四個);
14 一濾網；
14a—第一層濾網(尼龍材質，200目)；
14b—第二層濾網(尼龍材質，200目)；
14c一第三層濾網(尼龍材質，200目)；
20—簡易封隔器系統，包括:
20a—第一簡易封隔器(PVC棒材加工定制,外徑68mm,中間穿8mm的小孔7個)；
20b—第二簡易封隔器(PVC棒材加工定制,外徑68mm,中間穿8mm的小孔4個)；
20c—第三簡易封隔器(PVC棒材加工定制,外徑68mm,中間穿8mm的小孔3個)；
20d—第四簡易封隔器(PVC棒材加工定制，外徑68mm，中間穿8mm的小孔2個)；
20e—第五簡易封隔器(PVC棒材加工定制,外徑68mm,中間穿8mm的小孔I個)；
20f—第六簡易封隔器(PVC棒材加工定制，外徑68mm，中間穿8mm的小孔O個)； 上述簡易封隔器本領域的普通技術人員均能制備；
30—U型管地下液體進樣系統，包括:
31—儲流容器 31a—第一儲流容器(直徑12mm的導管，長度取決于實際取樣容量)；
31b—第二儲流容器(直徑12mm的導管，長度取決于實際取樣容量，此處1.Sm)； 31c—第三儲流容器(直徑12_的導管，長度取決于實際取樣容量，此處0.6m)；
32—二通
32a一第一三通(塑料材質,8mm卡套接口)；
32b—第二三通(塑料材質，8mm卡套接口)；
32c—第三三通(塑料材質，8mm卡套接口)；
33—液相單向閥
33a—第一液相單向閥(啟動壓力2psi，彈簧式塑料單向閥)；
33b—第二液相單向閥(啟動壓力2psi，彈簧式塑料單向閥)；
33c—第三液相單向閥(啟動壓力2psi，彈簧式塑料單向閥)；
34一濾芯
34a一第一濾芯(加工定制,濾網規格500目，圓盤形)；
34b—第二濾芯(加工定制,濾網規格500目，圓盤形)；
34c一第三濾芯(加工定制,濾網規格500目，圓盤形，
上述濾芯本領域的普通技術人員均能制備；
40—氣體推動式地面液體取樣系統 41 一球閥
41a一第一球閥(塑料球閥,8mm卡套接口)；
41b一第二球閥(塑料球閥,8mm卡套接口)；
41c一第三球閥(塑料球閥,8mm卡套接口)；
41d—第四球閥(塑料球閥,8mm卡套接口)；
41e一第五球閥(塑料球閥,8mm卡套接口)；
41f一第六球閥(塑料球閥,8mm卡套接口)；
42—液體取樣容器
42a—第一液體取樣容器(容積500ml的塑料瓶或玻璃瓶)；
42b—第二液體取樣容器(容積500ml的塑料瓶或玻璃瓶)；
42c—第三液體取樣容器(容積500ml的塑料瓶或玻璃瓶)；
43—減壓閥
43a—第一減壓閥(控制氮氣瓶出口端壓力，防止液相單向閥過壓失效)；
43b—第二減壓閥(控制氮氣瓶出口端壓力，防止液相單向閥過壓失效)；
43c—第三減壓閥(控制氮氣瓶出口端壓力，防止液相單向閥過壓失效)；
44 一壓力源(氮氣瓶)；
50—土壤氣取樣系統
51—氣體過濾器(過濾顆粒、粉塵，保護后端的氣相單向閥)；
52—氣相單向閥(隔膜式氣相單向閥，8mm卡套接口)；
53一氣體取樣容器(容積1L,活塞式結構)；
54—針閥(塑料材質,8mm卡套接口)。
[0026]上述其它部件，均可在市場上購置。【具體實施方式】
[0027]實施例1:
下面結合附圖對本發明進一步詳細說明:
根據圖1可知，一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置，它包括井筒系統10、簡易封隔器系統20、U型管地下液體進樣系統30、氣體推動式地面液體取樣系統40和土壤氣取樣系統50。
[0028]各系統功能及連接方式描述如下:簡易封隔器系統20的端口插入井筒系統10的管內鑲嵌，并通過第一層螺釘13a、第二層螺釘13b、第三層螺釘13c、第四層螺釘13d、第五層螺釘13e、第六層螺釘13f、第七層螺釘13g、第八層螺釘13h、第九層螺釘131、第十層螺釘13j鉚接牢固，形成一個外徑75mm，長約IOm的整體筒狀結構。該整體筒狀結構通過鉆孔埋入地層，其外側與地層直接接觸并接受地層水的緩慢滲入，其內部設置U型管地下液體進樣系統30和土壤氣取樣系統50。具體連接方式為導管穿過第一簡易封隔器20a、第二簡易封隔器20b、第三簡易封隔器20c、第四簡易封隔器20d、第五簡易封隔器20e預留的8mm小孔，與U型管地下液體進樣系統30連接。導管穿過第一簡易封隔器20a預留的8mm小孔與土壤氣取樣系統50的氣相過濾器51和氣相單向閥52連接，且該導管穿過第一簡易封隔器20a與地面的針閥54、液體取樣容器53連接。而設置在地面井口處的氣體推動式地面液體取樣系統40通過穿過第一簡易封隔器20a預留的小孔與U型管地下液體進樣系統30連接。在氮氣瓶44加壓下，將井下U型管地下液體進樣系統30滲入的流體壓送至地面的第一液體取樣容器42a、第二液體取樣容器42b、第三液體取樣容器42c，從而完成取樣。
[0029]所述的整體筒狀結構，其連接方式為自上而下第一簡易封隔器20a、第一井筒進樣段Ila和第一濾網14a、第二簡易封隔器20b、第一井筒連接段12a、第三簡易封隔器20c、第二井筒進樣段Ilb和第二濾網14b、第四簡易封隔器20d、第二井筒連接段12b、第五簡易封隔器20e、第三井筒進樣段Ilc和第三濾網14c、第六簡易封隔器20f依次連接，如圖2和圖3所示。其中第一簡易封隔器20a、第二簡易封隔器20b、第三簡易封隔器20c、第四簡易封隔器20d、第五簡易封隔器20e、第六簡易封隔20f的端口插入第一井筒進樣段11a、第二井筒進樣段lib、第三井筒進樣段Ilc或第一井筒連接段12a、第二井筒連接段12b的管內鑲嵌，并通過沿圓周均布的第一層螺釘13a、第二層螺釘13b、第三層螺釘13c、第四層螺釘13d、第五層螺釘13e、第六層螺釘13f、第七層螺釘13g、第八層螺釘13h、第九層螺釘131、第十層螺釘13j鉚接緊固。而第一濾網14a側面沿圓周黏貼在第一井筒進樣段Ila外管管壁，第一濾網14a的上下兩端分別通過第一層螺釘13a和第二層螺釘13b鉚固緊密；第二濾網14b側面沿圓周黏貼在第二井筒進樣段Ilb外管管壁，第二濾網14b的上下兩端分別通過第五層螺釘13e和第六層螺釘13f鉚固緊密；第三濾網14c側面沿圓周黏貼在第三井筒進樣段Ilc外管管壁，第三濾網14c的上下兩端分別通過第九層螺釘13i和第十層螺釘13 j鉚固緊
LU O
[0030]根據圖2可知，所述的井筒系統10包括第一井筒進樣段11a、第一井筒進樣段lib、第一井筒進樣段11c，其特征在于:第一井筒進樣段11a、第一井筒進樣段lib、第一井筒進樣段Ilc沿其管壁圓周鉆取60個2mm的小孔，并沿全長均勻布置，使內部空氣在地下流體滲流進入時能自由排出。且第一井筒進樣段11a、第二井筒進樣段lib、第三井筒進樣段Ilc周圍纏繞一層200目規格的第一過濾網14a、第二過濾網14b、第三過濾網14c，盡量減少泥沙顆粒通過小孔滲入，其中濾網規格依據實際土體顆粒粒徑分布選定；其特征還在于:第一井筒進樣段11a、第二井筒進樣段lib、第三井筒進樣段Ilc的允許滲入容積等于U型管地下液體進樣系統30實際儲水容積的2倍，保證地面所取的樣品能實時代表指定層位的地下流體；其特征還在于第一井筒連接段12a、第二井筒連接段12b的長度由現場地層層厚關系決定，并在第一井筒連接段12a、第二井筒連接段12b外側充填不透水的原狀粘土或膨脹土，防止不同層位的地下水互串混合。
[0031]根據圖3可知，所述的簡易封隔器系統20包括第一簡易封隔器20a、第二簡易封隔器20b、第三簡易封隔器20c、第四簡易封隔器20d、第五簡易封隔器20e、第六簡易封隔器20f,其特征在于:第一簡易封隔器20a穿8mm的小孔7個，第二簡易封隔器20b穿8mm的小孔4個，第三簡易封隔器20c穿8mm的小孔3個、第四簡易封隔器20d穿8mm的小孔3個，第五簡易封隔器20e穿8mm的小孔I個，第六簡易封隔器20f不穿孔且底端為錐形，便于取樣裝置埋入地層；其特征還在于第一簡易封隔器20a、第二簡易封隔器20b、第三簡易封隔器20c、第四簡易封隔器20d、第五簡易封隔器20e、第六簡易封隔器20f上下端的外徑等于第一井筒進樣段11a、第一井筒進樣段lib、第一井筒進樣段Ilc和第一井筒連接段12a、第二井筒連接段12b的內徑，便于鑲嵌套入管內，鉚接緊固；其中間段的外徑等于第一井筒進樣段11a、第一井筒進樣段lib、第一井筒進樣段Ilc和第一井筒連接段12a、第二井筒連接段12b的外徑。其特征還在于第一簡易封隔器20a、第二簡易封隔器20b、第三簡易封隔器20c、第四簡易封隔器20d、第五簡易封隔器20e中間預留的8mm小孔均由8mm的導管穿過，而其獨特的內部設計保證由導管穿過的第一簡易封隔器20a、第二簡易封隔器20b、第三簡易封隔器20c、第四簡易封隔器20d、第五簡易封隔器20e均不透水。
[0032]根據圖4可知，所述的U型管地下液體進樣系統30包括儲流容器31、三通32、液相單向閥33、濾芯34，其中儲流容器31包括第一儲流容器31a、第二儲流容器31b、第三儲流容器31c，三通32包括第一三通32a、第二三通32b、第三三通32c，液相單向閥33包括第一液相單向閥33a、第二液相單向閥33b、第三液相單向閥33c，濾芯34包括第一濾芯34a、第二濾芯34b、第三濾芯34c，其特征在于分三層獨立取樣:第一層連接方式由下至上依次為第一濾芯34a、第一三通33a、第一液相單向閥32a和第一儲流容器31a,中間均米用導管連接，布置于地下埋深2m的地層中，如圖4 ;第二層由下至上依次為第二濾芯34b、第二三通33b、第二液相單向閥32b和第二儲流容器31b，中間均采用導管連接，布置于地下埋深6m的地層中；第三層連接方式由下至上依次為第三濾芯34c、第三三通33c、第三液相單向閥32c和第三儲流容器31c，中間均采用導管連接，布置于地下埋深IOm的地層中。
[0033]根據圖5可知，所述的氣體推動式地面液體取樣系統40包括球閥41、液體取樣容器42、減壓閥43、氮氣瓶44,其中球閥41包括第一球閥41a、第二球閥41b、第三球閥41c、第四球閥41d、第五球閥41e、第六球閥41f，液體取樣容42包括第一液體取樣容器42a、第二液體取樣容器42b、第三液體取樣容器42c，減壓閥43包括第一減壓閥43a、第二減壓閥43b、第三減壓閥43c，其連接結構為:從井下通往地面連接著U型管地下液體進樣系統30的導管均設置第一球閥41a、第二球閥41b、第三球閥41c、第四球閥41d、第五球閥41e、第六球閥41f。連接第一儲流容器31a的導管后端設置第一球閥41a和第一液體取樣容器42a，連接第一三通32a的導管后端設置第四球閥41d和第一減壓閥43a ;連接第二儲流容器31b的導管后端設置第二球閥41b和第二液體取樣容器42b，連接第二三通32b的導管后端設置第五球閥41e和第二減壓閥43b ;連接第三儲流容器31c的導管后端設置第三球閥41c和第三液體取樣容器42c，連接第三三通32c的導管后端設置第六球閥41f和第三減壓閥43c。取樣操作時，第一減壓閥43a、第二減壓閥43b、第三減壓閥43c連接移動式氮氣瓶44 ；根據圖6可知，所述的土壤氣取樣系統50包括氣體過濾器51、氣相單向閥52、氣體取樣容器53、針閥54，其特征在于:氣相過濾器51與氣相單向閥52連接，通過導管穿過第一簡易封隔器20a傳輸至地面與針閥54、氣體取樣容器53連接。其特征在于選用針閥54來控制氣體流速，其特征還在于氣體取樣容器53為活塞式結構。
[0034]利用本發明進行淺層井內分層流體取樣的方法如下:
1、按照本發明組裝取樣裝置，根據地下水位深度設置井筒進樣段Ila-1lc長度，根據指定目標地層的深度設計井筒連接段12a_12c對應的長度。
[0035]2、將取樣裝置放入正在清水置換的鉆孔內，然后進行回填。其中井筒進樣段Ila-1lc對應的深度回填透水性強的石英砂，井筒連接段12a_12c部分回填透水性極差的膨脹土或原狀粘土，以隔斷不同層位地下流體的聯系。
[0036]3、分別開啟氣體推動式地面液體取樣系統40中與液體取樣容器42a或42b或42c和壓力源相連接的球閥41a-41f，通過減壓閥43a-43c逐漸增大氮氣瓶44的出氣壓力(其值不大于液相單向閥的容許壓力)，使地下流體緩慢排出，直至U型管地下液體進樣系統30的流體排盡，由此完成洗井操作，關閉氮氣瓶44和減壓閥43a-43c。
[0037]4、完成上述第3步洗井操作后，開啟氮氣瓶44和減壓閥43a_43c。地下流體，由于液相單向閥33a-33c的流向限制，緩慢進入液體取樣容器42a_42c。達到所需容量后，液體取樣完畢，關閉各球閥41a-41f、減壓閥43a-43c和氮氣瓶44。
[0038]5、重復上述過程3和4，可以對不同層位進行多次液體取樣。
[0039]6、開啟土壤氣取樣系統50中與氣體取樣容器53連接的針閥54，采用活塞式氣體取樣容器將殘留在井筒內的氣體抽走，空氣因氣相單向閥52的流向限制，不會回流入井筒，由此完成氣體取樣前的洗井，關閉針閥54 ；
7、完成上述第6步洗井操作一段時間后，打開針閥54，氣體取樣容器53抽取指定容量的新鮮土壤氣樣品，從而實現土壤氣樣品取樣。
[0040]8、重復上述過程6和7，可以進行多次土壤氣取樣。
[0041]9、取樣完畢后，檢查關閉取樣裝置的各個球閥41a_41f、針閥54、減壓閥43a_43c，保持安置狀態直到下個周期(如一個星期、一個月或半年)的取樣。
【權利要求】
1.一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置，它包括井筒系統(10)、簡易封隔器系統(20)、U型管地下液體進樣系統(30)、氣體推動式地面液體取樣系統(40)和土壤氣取樣系統(50)，其特征在于:簡易封隔器系統(20)的端口插入井筒系統(10)的管內鑲嵌，通過第一層螺釘(13a)、第二層螺釘(13b)、第三層螺釘(13c)、第四層螺釘(13d)、第五層螺釘(136)、第六層螺釘(13丨)、第七層螺釘(138)、第八層螺釘(131!)、第九層螺釘(13丨)、第十層螺釘(13j)鉚接，形成一個外徑75mm，長IOm的整體筒狀結構，導管穿過第一簡易封隔器(20a)、第二簡易封隔器(20b)、第三簡易封隔器(20c)、第四簡易封隔器(20d)、第五簡易封隔器(20e)預留的孔，與U型管地下液體進樣系統(30)連接，導管穿過第一簡易封隔器(20a)預留的孔與土壤氣取樣系統(50)的氣相過濾器(51)和氣相單向閥(52)連接，導管穿過第一簡易封隔器(20a)與地面的針閥(54)、液體取樣容器(53)連接，設置在地面井口處的氣體推動式地面液體取樣系統(40)通過穿過第一簡易封隔器(20a)預留的孔與U型管地下液體進樣系統(30)連接； 整體筒狀結構為自上而下第一簡易封隔器(20a)、第一井筒進樣段(Ila)和第一濾網(14a)、第二簡易封隔器(20b)、第一井筒連接段(12a)、第三簡易封隔器(20c)、第二井筒進樣段(Ilb)和第二濾網(14b)、第四簡易封隔器(20d)、第二井筒連接段(12b)、第五簡易封隔器(20e)、第三井筒進樣段(Ilc)和第三濾網(14c)、第六簡易封隔器(20f)依次連接，其中第一簡易封隔器(20a)、第二簡易封隔器(20b)、第三簡易封隔器(20c)、第四簡易封隔器(20d)、第五簡易封隔器(20e)、第六簡易封隔(20f)的端口插入第一井筒進樣段(11a)、第二井筒進樣段(lib)、第三井筒進樣段(Ilc)或第一井筒連接段(12a)、第二井筒連接段(12b)的管內鑲嵌，第一濾網(14a)側面沿圓周黏貼在第一井筒進樣段(Ila)外管管壁，第一濾網(14a)的上下兩端分別通過第一層螺釘(13a)和第二層螺釘(13b)鉚固；第二濾網(14b)側面沿圓周黏貼在第二井筒進樣段(Ilb)外管管壁，第二濾網(14b)的上下兩端分別通過第五層螺釘(13e )和第六層螺釘(13f)鉚固；第三濾網(14c)側面沿圓周黏貼在第三井筒進樣段(I Ic)外管管壁，第三濾網(14c)的上下兩端分別通過第九層螺釘(13i )和第十層螺釘(13j)鉚固緊密。
2.根據權利要求1所述的一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置，其特征在于:所述的井筒系統(10)包括第一井筒進樣段(11a)、第二井筒進樣段(lib)、第三井筒進樣段(11c)，第一井筒連接段(12a)、第二井筒連接段(12b)，沿其管壁圓周鉆取60個2mm的孔，第一井筒進樣段(11a)、第二井筒進樣段(lib)、第三井筒進樣段(Ilc)周圍分別纏繞一層200目的第一過濾網(14a)、第二過濾網(14b)、第三過濾網(14c)。
3.根據權利要求1所述的一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置，其特征在于:所述的簡易封隔器系統(20)包括第一簡易封隔器(20a)、第二簡易封隔器(20b)、第三簡易封隔器(20c)、第四簡易封隔器(20d)、第五簡易封隔器(20e)、第六簡易封隔器(20f)，第一簡易封隔器(20a)穿8mm的孔，第二簡易封隔器(20b)穿8mm的孔，第三簡易封隔器(20c)穿8mm的孔、第四簡易封隔器(20d)穿8mm的孔，第五簡易封隔器(20e)穿8mm的孔，第六簡易封隔器(20f)不穿孔底端為錐形，第一簡易封隔器(20a)、第二簡易封隔器(20b)、第三簡易封隔器(20c)、第四簡易封隔器(20d)、第五簡易封隔器(20e)、第六簡易封隔器(20f)上下端的外徑等于第一井筒進樣段(11a)、第二井筒進樣段(lib)、第三井筒進樣段(Ilc)和第一井筒連接段(12a)、第二井筒連接段(12b)的內徑，鑲嵌套入管內，鉚接，第一簡易封隔器(20a)、第二簡易封隔器(20b)、第三簡易封隔器(20c)、第四簡易封隔器(20d)、第五簡易封隔器(20e)中間預留的8mm孔均由8mm的導管穿過。
4.根據權利要求1所述的一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置，其特征在于:所述的U型管地下液體進樣系統(30)包括儲流容器(31)、三通(32)、液相單向閥(33)、濾芯(34)，儲流容器(31)包括第一儲流容器(31a)、第二儲流容器(31b)、第三儲流容器(31c)，三通(32)包括第一三通(32a)、第二三通(32b)、第三三通(32c)，液相單向閥(33)包括第一液相單向閥(33a)、第二液相單向閥(33b)、第三液相單向閥(33c)，濾芯(34)包括第一濾芯(34a)、第二濾芯(34b)、第三濾芯(34c)，第一層連接方式由下至上依次為第一濾芯(34a)、第一三通(33a)、第一液相單向閥(32a)和第一儲流容器(31a),米用導管連接,第二層由下至上依次為第二濾芯(34b)、第二三通(33b)、第二液相單向閥(32b)和第二儲流容器(31b)，采用導管連接，第三層由下至上依次為第三濾芯(34c)、第三三通(33c)、第三液相單向閥(32c )和第三儲流容器(31c)，采用導管連接。
5.根據權利要求1所述的一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置，其特征在于:所述的氣體推動式地 面液體取樣系統(40)包括球閥(41)、液體取樣容器(42)、減壓閥(43)、氮氣瓶(44)，球閥(41)包括第一球閥(41a)、第二球閥(41b)、第三球閥(41c)、第四球閥(41d)、第五球閥(41e)、第六球閥(41f)，液體取樣容器42包括第一液體取樣容器42a、第二液體取樣容器42b、第三液體取樣容器42c，減壓閥(43)包括第一減壓閥(43a)、第二減壓閥(43b)、第三減壓閥(43c)，從井下通往地面連接著U型管地下液體進樣系統(30)的導管設置第一球閥(41a)、第二球閥(41b)、第三球閥(41c)、第四球閥(41d)、第五球閥(41e)、第六球閥(41f)，連接第一儲流容器(31a)的導管后端設置第一球閥(41a)和第一液體取樣容器(42a)，連接第一三通(32a)的導管后端設置第四球閥(41d)和第一減壓閥(43a);連接第二儲流容器(31b)的導管后端設置第二球閥(41b)和第二液體取樣容器(42b)，連接第二三通(32b)的導管后端設置第五球閥(41e)和第二減壓閥(43b);連接第三儲流容器(31c)的導管后端設置第三球閥(41c)和第三液體取樣容器(42c)，連接第三三通(32c)的導管后端設置第六球閥(41f )和第二減壓閥(43c),第一減壓閥(43a)、第二減壓閥(43b)、第二減壓閥(43c)連接移動式氮氣瓶(44)。
6.根據權利要求1所述的一種氣體推動式地下流體分層取樣裝置，其特征在于:所述的土壤氣取樣系統(50)包括氣體過濾器(51)、氣相單向閥(52)、氣體取樣容器(53)、針閥(54)，氣相過濾器(51)與氣相單向閥(52)連接，通過導管穿過第一簡易封隔器(20a)傳輸至地面與針閥(54)、氣體取樣容器(53)連接。
【文檔編號】E21B49/08GK103967486SQ201410197719
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月12日 優先權日:2014年5月12日
【發明者】李小春, 劉學浩, 李琦, 方志明 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所