小口径深井抽水试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及水文地质勘察领域，具体是一种小口径深井抽水试验装置。


背景技术：

2.钻孔(井)现场抽水试验是水文勘察的重要方法，是查明地质勘察孔(井) 含水层，判断储水量，计算地层渗透系数、影响半径等水文参数的的重要手段。目前国内抽水试验应用仅局限于大口径井(管井管径大于100mm)，井内水位深度不大于150m的水文孔(井)，究其应用受限原因是受抽水试验设备因素影响，目前国内抽水试验主要采用井内下入多级深井泵进行抽水，常用深井泵外径最小直径为90mm，最大扬程为200m，仅适用井径大于100mm，抽水深度在150m以内的勘察井(孔)。
3.根据目前矿山勘察需要，在指定位置施工一口水文地质勘察孔(井)，要求全面取芯钻探，查明地层情况，并在该孔(井)做水文勘察试验，查明含水层、储水量、渗透系数等相关水文参数。实际钻探孔(井)深度一般在1000m 以上，含水层在300m以下，地下静水位一般在200m以下，地层以基岩为主，通常最小钻探孔径为63mm，采用常规的抽水试验装置已无法满足要求。


技术实现要素：

4.本实用新型针对现有矿山勘察的要求设计了一种小口径深井抽水试验装置，该抽水试验设备充分利用国内现有先进空压机技术，釆用气动抽水方式，可以实现在矿山勘察中小口径钻孔(井)内以及超深孔(井)内抽水的目的，提高了抽水试验的适用范围。
5.为了达到上述技术目的，本实用新型提供了一种小口径深井抽水试验装置，其特征在于：该试验装置包括抽水系统、供气系统和气水混合器，所述抽水系统包括汽水分离箱和抽水管，汽水分离箱通过连接管与抽水管连接，所述气水混合器位于抽水管内的下部；所述供气系统包括中风压空压机、稳压气包和送气管，中风压空压机通过连接气管与稳压气包连接，所述送气管的进气端与稳压气包出气口连接，出气端伸入抽水管内，并与气水混合器连接，在送气管上设有气压表和第一气阀。
6.本实用新型进一步的技术方案：所述试验装置适用于直径小于90mm，深度大于250m的钻孔或钻井中，所述抽水管的直径小于钻孔或钻井的直径20～ 30mm，长度大于钻孔或钻井的深度，管间釆用无管箍直接法相连；所述送气管从抽水管位于钻孔或钻井地表以上的管口插入抽水管内，且送气管伸入钻孔或钻井的动水位以下与气水混合器连接，送气管与抽水管在钻孔或钻井的地表釆用密封相接。
7.本实用新型进一步的技术方案：所述试验装置还包括测量系统，所述测量系统包括设置在抽水管底部的进水口处设有压力计和设置在排水管上的流量计。
8.本实用新型进一步的技术方案：所述气水混合器为内径不大于送气管内径，外径与送气管外径相等的管状结构，其管底成密封状，管壁上开设有多个气孔。
9.本实用新型进一步的技术方案：所述中风压空压机的排气量控制0.5～ 3.0m3/
min，气压控制在1.5～5.0mpa。
10.本实用新型较优的技术方案：所述汽水分离箱为敞口式箱体，箱体内由中间隔板分隔成分离腔和储水腔两部分，且分离腔和储水腔的底部连通，在分离腔上部设有多层凝结网，所述抽水管通过连接管与分离腔连接，且连接管伸入分离腔的凝结网以下，排水管连接在储水腔的排水口处。
11.本实用新型较优的技术方案：所述送气管外径小于抽水管内径20mm以上，管间釆用无管箍直接法相连，其底部与混合器相接。
12.本实用新型较优的技术方案：在连接气管上设有第二气阀。
13.本实用新型较优的技术方案：所述压力计的测量精度在0.1pa以内，并具有自动实时读取数据及存储数据的功能；所述液体流量计的测量精度为
±ꢀ
0.5％r，适用工作温度范围在0～60℃，并具有自动实时读取数据并存储数据的能力。
14.本实用新型较优的技术方案：所述气水混合器上的气孔直径为3～5mm小孔，其开孔数量与所开气孔截面积之和在送气管内截面积的2～4倍范围内，气孔呈上疏下密形式布设，气孔法线与气水混合器的管壁呈63度夹角，气孔高处位于气水混合器管壁的外表面。
15.本实用新型的中风压空压机产生高压气体经气包稳压后通过送气管进入气水混合器，经气水混合器上的气孔射入抽水管内混合器以上部位的水体中，高速高压气流与水体充分混合后形成低密度汽水混合体，因汽水混合体密度显著降低，进而使流体压强显著减小，致使在抽水管内混合器处产生压力差，在压力差的作用下流体向压力小的上部移动，形成抽水现象。其运行原理符合流体力学流体运动理论。本实用新型适用于小口径深井勘察孔(井)的抽水试验，其原理可靠，技术成熟，测量精度与灵敏度高，获取参数自动化成度高。在具体实施时可将所有设备集成到一台货车箱内，便于运输及管理。
16.本实用新型的抽水过程钻孔(井)内水位不断下降，降到一定深度后形成稳定动水位，安装在抽水管底部的压力计实时记录水头压力值，在后续计算中将通过该压力值换算成实时水位值，利用水头值可进一步进行相关水文参数计算。抽水管内抽出的汽水混合体通过连接管输送到汽水分离箱的分离腔部分，汽水混合体在该处进行汽水分离，汽体逸散到大气中，水体落入箱内，因刚分离的汽体内含大量水汽，故应在该箱体敞口处设置多网孔较细的网状物，利于空气中的水汽迅速凝结，减少不必要的流量损失。
17.本实用新型充分利用国内现有先进空压机技术，釆用气动抽水方式解决了水文地质小口径深井抽水试验的问题，本实用新型通过改变常规抽水试验抽水方式实现了在矿山勘察中小口径钻孔(井)内以及超深孔(井)内抽水的目的，突破了常规抽水试验对钻孔(井)直径和深度的限制，提高了抽水试验的适用范围。
附图说明
18.图1是本实用新型的整体结构示意图；
19.图2是本实用新型中混合器结构示意图。
20.图中：1—空压机，2—第一气阀，3—稳压气包，4—气压表，5—送气管， 6—气水混合器，600—气孔，7—抽水管，8—连接管，9—第二气阀，10—汽水分离箱，11—连接气管，12—流量计，13—排水管，14—中间隔板，15—压力计，16—钻孔或钻井，17—凝结网。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。附图1至图2均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本实用新型实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本实用新型的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
22.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
23.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
24.实施例提供了一种小口径深井抽水试验装置，如图1所示，所述试验装置适用于直径小于90mm，深度大于250m的钻孔或钻井16中，包括抽水系统、测量系统、供气系统和气水混合器6，所述抽水系统包括汽水分离箱10和抽水管7，所述汽水分离箱10为敞口式箱体，箱体内由中间隔板14分隔成分离腔和储水腔两部分，且分离腔和储水腔的底部连通，在分离腔上部设有多层凝结网17，所述抽水管7通过连接管8与分离腔连接，且连接管8伸入分离腔的凝结网17以下，排水管13连接在储水腔的排水口处，所述气水混合器6 位于抽水管7内动水位以下的位置；所述供气系统包括中风压空压机1、稳压气包3和送气管5，所述中风压空压机1的排气量控制0.5～3.0m3/min，气压控制在1.5～5.0mpa。中风压空压机1通过连接气管11与稳压气包3连接，所述送气管5的进气端与稳压气包3出气口连接，出气端从抽水管7位于钻孔或钻井16地表以上的管口插入抽水管7内，且送气管5伸入钻孔或钻井16 的动水位以下与气水混合器6连接，送气管5与抽水管7在钻孔或钻井16地表釆用密封相接。所述抽水管7的直径小于钻孔或钻井16的直径10～30mm，长度大于钻孔或钻井16的深度，管间釆用无管箍直接法相连。所述送气管5 外径小于抽水管内径20mm以上，管间釆用无管箍直接法相连，其底部与混合器相接。在送气管5上设有气压表4和第一气阀2，气压表4可以记录空气管 5中的压力，判断气压大小，与设计值相比较以确定是否调节空压机输出压力，满足抽水所需。在连接气管11上设有第二气阀9。
25.实施例中的测量系统如图1所示，包括设置在抽水管7底部的进水口处设有压力计15和设置在排水管13上设的流量计12。压力计15将自动记录抽水过程中的水头压力值，根据压力值可换算出当时的水位面，液体流量计12 可实时读取排水流量并自动记录。所述压力计15的测量精度在0.1pa以内，并具有自动实时读取数据及存储数据的功能；所述液体流量计12的测量精度为
±
0.5％r，适用工作温度范围在0～60℃，并具有自动实时读取数据并存储数据的能力。
26.实施例中小口径深井抽水试验装置的气水混合器6如图2所示，为内径不大于送气
管5内径，外径与送气管5外径相等的管状结构，其管底成密封状，管壁上开设有多个3～5mm的气孔600。所述气水混合器6上的气孔600 开孔数量与所开气孔截面积之和在送气管5内截面积的2～4倍范围内，气孔 600呈上疏下密形式布设，气孔600法线与气水混合器6的管壁呈63度夹角，气孔600高处位于气水混合器6管壁的外表面。
27.本实用新型的抽水管7管径以小于钻孔(井)最小直径10～20mm为宜，深度以低于预估动水位100m～150m为宜；因不同地区水文地质条件的不同造成设计钻探孔直径及深度的不同，地下水赋存条件的不同造成下入抽水管深度的不同，因此需针对每根孔(井)设计相应规格的抽水管并配备相适应深度的抽水管。气管外径以小于抽水管外径20mm为宜，其深度以混合器底部高于抽水管底部50m为宜，因此气管规格及下入深应参照抽水管，针对每根单孔(井)单独设计。
28.空压机送气参数的估算具体如下：
29.空压机输出额定气体压力值可按公式(1)进行估算：
30.pe＝10-3
×
ρgh+δp
……………………………
(1)
31.式中：pe
‑‑‑‑
额定气压值(mpa)；ρ
‑‑‑‑
水的密度(g/cm3)；
32.g
‑‑‑‑‑
重力加速度(m/s2)；h
‑‑‑‑
混合器没入静水位以下深度(m)；
33.δp
‑‑‑‑
空气管道压力损失(mpa)；一般取值0.1～0.15mpa。
34.空压机输出额定供气量可按公式(2)进行估算：
35.qe＝(120～140)d2v
……………………………
(2)
36.式中：qe
‑‑‑‑
额定供气量m3/min；d
‑‑‑‑‑
抽水管内径(m)；
37.v
‑‑‑‑
抽水管内水流速度(m/s)，一般取值3～4m/s；
38.本实用新型的气水混合器6是将高压气体与水体进行充分混合的关键装置，其表面开许多孔的管，所开孔的面积之和大于气管内径面积的2～4倍，开孔呈上疏下密状，混合器长度可按表面开孔率在3～5％估算。
39.本实用新型的工作过程，参见图1，空压机1产生压力空气通过连接气管 11进入稳压气包3，稳压气包位于一个压力容器气包，在气包中形成稳定气压，空气压力大小根据需要可通过空压机1上的气压调节阀进行控制。压力空气通过气管5进入气水混合器6中，压力空气通过气水混合器6中的小气孔排出到抽水管7中的水体内，与该处的水体进行充分混合，形成汽水混合体，由于该汽水混合密度较混合前水体的密度低，形成局部压力差，致使混合器底部以下高压力的水体向压力小的上部运动，运动到混合器附近又迅速被空气混合形成密度低的汽水混合体，这样的循环就形成了一个在抽水管7 内的水不断向上运动，又不断被混合空气形成低密度的汽水混合体向上运动的过程，形成抽水现象。汽水混合体通过抽水管7向上运动到连接管9内并输送到到汽水分离箱10的分离腔，汽水混合体在该处进行汽水分离，汽体逸散到大气中，水体落入箱内，水箱内的水通过排水管13有序排入周边排水渠道中。因刚分离的汽体内含大量水汽，故应在该箱体敞口处设置多层网孔较细的凝结网17进行分离，利于空气中的水汽迅速凝结，减少不必要的流量损失。气压表4可以记录送气管5中的压力，判断气压大小，与设计值相比较以确定是否调节空压机输出压力，满足抽水所需。
40.本实用新型的抽水过程中钻孔(井)内水位不断下降，降到一定深度后形成稳定动水位，安装在抽水管底部的压力计15实时记录水头压力值。在后续计算中将通过该压力值
换算成实时水位值，利用水头值可进一步进行相关水文参数计算。液体流量计12可实时读取排水流量并自动记录。
41.本实用新型的抽水试验过程参考《抽水试验规程》执行，形成完整抽水试验记录。抽水试验结束后，将记录的水头压力值及流量记录输入到计算机，采用相应软件进行分析，计算出所需要的水文参数。
42.本实用新型的抽水试验设备适用抽水井井径范围：60mm～90mm，适用抽水扬程：150m～1200m。其原理可靠，技术成熟，测量精度与灵敏度高，获取参数自动化成度高，在具体实施时可将所有设备集成到一台货车箱内，便于运输及管理。
43.以上所述，只是本实用新型的一个实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。