КОМПЛЕКС ДЛЯ ОТБОРА ПРОБ ВОДЫ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
WATER SAMPLING COMPLEX AND ITS OPERATING METHOD

Изобретение относится к технике определения расходов и периодического отбора проб воды с различных фиксированных по глубине горизонтов торфяной залежи.
Известно устройство для отбора проб жидкости из скважин (патент RU №2289691, МПК Е 21 В 49/08, G01N1/10,  от 20.12. 2006 г.), включающее канатную подвеску, шток с диафрагмами, корпус цилиндрической формы, выполненный в виде последовательно установленных друг над другом цилиндров, оснащенных снизу каналами с клапанами. Корпус сверху оснащен камерой низкого давления и соединен с канатной подвеской. Снизу корпус снабжен полым хвостовиком с технологическим пазом на наружной поверхности, а снаружи - втулкой с пружинными центраторами и штифтом снизу. Штифт взаимодействует с пазом. Шток установлен герметично и жестко в корпусе. Диафрагмы в виде кольцевых поршней установлены внизу каждого цилиндра корпуса. Подпоршневая полость цилиндров через канал с клапаном сообщена с внутренним пространством скважины, надпоршневая полость - через сквозные отверстия штока с камерой низкого давления.
Недостаток устройства - сложность конструкции, наличие большого количества технологически сложных деталей, требующих высокой точности изготовления.
Известно устройство для отбора проб жидкости из скважин (патент RU №2289692, МПК Е 21 В 49/08, G01N1/10,  от 20.12. 2006 г.), включающее канатную подвеску, шток с диафрагмами в виде пробок, корпус цилиндрической формы, установленный с внешней стороны верхней диафрагмы с возможностью продольного перемещения. Шток снаружи сверху оснащен упором. Между упором и верхней диафрагмой на наружной поверхности штока - кольцевые выборки. Корпус вверху оснащен отверстиями. Пружина снизу уперта в наружную кольцевую выборку корпуса. В отверстия корпуса установлены шарики, взаимодействующие в транспортном положении с кольцевыми выборками штока и внутренней поверхностью втулки, а в рабочем положении - с наружной поверхностью штока и кольцевой проточкой втулки. Вверху корпуса установлена цилиндрическая камера с технологической проточкой снаружи, соединенная сверху с канатной подвеской, под которой выполнены технологические отверстия, а снизу - со штоком с возможностью ограниченного перемещения вверх. Снаружи камеры установлен стакан, взаимодействующий с проточкой. Проточка выполнена в виде последовательно удлиняемых вниз продольных пазов, соединенных фигурным пазом.
Недостаток устройства - сложность конструкции, в связи с чем снижается надежность работы пробоотборника.
Известен пробоотборник (АС SU №924362, МПК 7 Е 21 В 49/08, опубл. БИ №16 от 30.04.1982 г.). Пробоотборник содержит корпус, приемную камеру, подпружиненные верхний и нижний клапаны и герметичную рабочую камеру. Он снабжен двумя поршнями, жестко связанными штоками с клапанами и установленными в рабочей камере, заполненной газом под атмосферным давлением. Приемная камера заполнена сжатым газом. Нижний поршень имеет канал для сообщения рабочей камеры с внешней средой при верхнем положении поршня и ограничитель рабочего хода поршня, выполненный в виде втулки, закрепленной срезной чекой на штоке.
Недостаток устройства - сложность конструкции, обусловленная наличием большого количества узлов и технически сложных деталей, что снижает надежность его работы.
Известны батометры (В.С.Самарина. Гидрохимическое опробование подземных вод, Изд-во Ленинградского Университета, 1958, с 61-65).
Батометром Симонова производят опробование водоносного горизонта по вертикали водоносного слоя. Батометр содержит цилиндрический сосуд, имеющий козырек внизу сосуда и воронкообразное расширение сверху. На тросе укреплен груз. Шарик закрывает отверстие выводного канала в грузе. Патрубок, расположенный в грузе, служит для выливания воды из батометра.
Способ работы батометра основан на том, что к опущенному на тросе грузу опускают емкость-цилиндр. Во время движения по тросу он промывается водой, а в момент достижения груза герметизируется этим же грузом и этим же тросом проба воды в емкости-цилиндре, закупоренном этим грузом, поднимается на поверхность.
Опробование водоносного горизонта по вертикали водоносного слоя производят при помощи бутылки Майера. Этот батометр, как и батометр Симонова, позволяет открывать его для заполнения водой на нужной глубине.
Общий недостаток при применении этих приборов и способов их работы - взятие проб из неглубоких скважин, а если скважины не эксплуатационные, необходима откачка застоявшейся воды.
Известно устройство для отбора проб воды (авторское свидетельство SU 367358 A, МПК G01N1/14, опубл. 01.01.1973).Устройство содержит станину с тросом, стеклянный сосуд с пробкой с отверстиями, через которые введены в сосуд две разные по длине стеклянные трубки с надетыми на них сверху упругими шлангами. Для упрощения конструкции устройства упругие шланги соединены стеклянной трубкой-перемычкой, а станина снабжена поперечной планкой, на которую опирается трубка-перемычка и к которой крепится трос станины.
При работе устройство устанавливают вертикально, для прохождения жидкости оно имеет односторонний вход, осуществляемый сверху, поэтому пригодно только для отбора пробы воды, находящейся в глубине. Слив взятой пробы воды из емкости батометра в другую емкость происходит при контакте с атмосферным воздухом.
Недостатки устройства и способа - устройство не пригодно для отбора достоверной пробы воды с небольших глубин или непосредственно со дна. Перед погружением устройства необходимо менять трубку-перемычку, а емкость для отбора и трубка-перемычка хрупкие, выполнены из стекла.
Наиболее близким устройством по технической сущности и достигаемому результату является установка для полевого отбора проб болотных вод на химический анализ, состоящая из обсадной трубы, выполняющей функцию скважины, насоса для откачки воды из скважины с двухходовым краном, стеклянного сосуда-водоприемника с двумя резиновыми шлангами.
Обсадная труба представляет собой частично перфорированную винипластовую трубу диаметром 50-65 мм (90-100 мм для маломощных торфяных залежей), нижний конец которой имеет вид конуса. Такие обсадные трубы-скважины устанавливают в весенне-летний период в отверстия, пробуренные торфяным буром. Пробы воды отбирают в сосуд-водоприемник путем создания в нем вакуума. Поступившую в сосуд-приемник по силиконовому шлангу воду переливают в полиэтиленовые бутыли, предварительно ополоснутые отобранной болотной водой («Наставления гидрометеорологическим станциям и постам». Выпуск 8, Гидрометеоиздат, 1990 г.)
Недостатком установки является трудоемкость отбора проб, несоответствие технических характеристик предъявляемым требованиям.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ для полевого отбора проб болотных вод на химический анализ.
Для отбора проб болотных вод на болотных станциях структуры Росгидромета устанавливают специально изготовленную обсадную трубу, выполняющую функцию скважины. Перед отбором проб из скважины насосом полностью удаляют застоявшуюся воду, а пробу объемом не менее 2 л отбирают после заполнения скважины. Ориентировочное время заполнения такого объема в скважине составляет от 15 минут до двух часов. Пробы отбирают путем откачивания воды насосом непосредственно в стеклянный сосуд-приемник, затем воду переливают в полиэтиленовые бутыли, предварительно ополоснутые отобранной болотной водой. В качестве сосуда-приемника используют стеклянную бутыль с резиновой трубкой, в которой проделаны отверстия для двух стеклянных трубок, к которым подсоединены резиновые шланги. Один шланг длиной 1,5-2 м осторожно, чтобы не взмутить отстоявшийся слой, опускают в скважину, другой подсоединяют к крану насоса. При отборе необходимо соблюдать осторожность, чтобы не нарушить растительный покров вокруг скважины («Наставления гидрометеорологическим станциям и постам». Выпуск 8, Гидрометеоиздат 1990 г.).
Поставлена задача - создать комплекс и способ его работы для обеспечения периодического отбора проб воды с фиксированных глубин, расположенных по высоте торфяной залежи.
Комплекс для отбора проб воды состоит из обсадной трубы с конусным наконечником, выполняющей функцию скважины, и пробоотборника.
Обсадная труба - скважина - это трубы от единицы до N, соединенные между собой наружными резьбовыми муфтами и боковыми отверстиями, выполненными по длине труб.
Пробоотборник содержит цилиндрический корпус, на котором расположены две эластичные резиновые манжеты с диаметром, равным внутреннему диаметру скважины. В стенке цилиндрического корпуса выполнены боковые отверстия. Среднее отверстие для приема воды из рабочего горизонта расположено между двумя манжетами. Верхнее расположено над верхней манжетой. Нижнее - под нижней манжетой. Верхнее и нижнее отверстия - транзитные - и соединены между собой трубкой, проходящей внутри цилиндрического корпуса пробоотборника. Нижняя часть цилиндрического корпуса соединена с водоприемником через фланец. Верхняя часть цилиндрического корпуса соединена с кронштейном для подъема пробоотборника и соединенного с ним водоприемника. Диаметр водоприемника меньше, чем внутренний диаметр скважины.
В способе отбора проб воды из торфяной залежи обсадные трубы, являющиеся составными частями скважины, методом ударного вдавливания устанавливают в торфяную залежь. По мере углубления они соединяются между собой наружными муфтами с резьбой. Известным устройством, создающим вакуум, проверяют герметичность интервалов в скважине. При необходимости производят откачку воды измеряемого интервала скважины. Затем опускают пробоотборник в трубу скважины на измеряемый интервал, фиксируют его на нужной апробируемой глубине.
Вода с измеряемого интервала торфяной залежи в течение контрольного времени поступает в водоприемник через среднее боковое отверстие цилиндрического корпуса пробоотборника.
Пробоотборник с поступившей в него водой поднимают на поверхность и по отношению объема поступившей в водоприемник воды и времени ее наполнения устанавливают расход воды в измеряемом интервале торфяной толщи. В соответствии с расходом определяется время наполнения пробы воды требуемого объема, после чего пробоотборник опускают в трубу скважины и фиксируют его.
Пробоотборник с отобранной пробой поднимают на поверхность. Корпус водоприемника на поверхности отделяют от пробоотборника, герметично закрывают крышкой и отправляют на исследования. К пробоотборнику присоединяют сменный корпус водоприемника и аналогичным образом последовательно отбирают пробы воды со следующих интервалов торфяной залежи.
На фиг.1 изображен комплекс для отбора проб воды в продольном разрезе.
На фиг. 2 изображен пробоотборник.
Комплекс для отбора проб воды состоит из обсадной трубы - скважины и пробоотборника.
Пробоотборник содержит цилиндрический корпус 1, на котором расположены две эластичные резиновые манжеты 2. В стенке корпуса выполнены боковые отверстия. Среднее отверстие 3 - для приема воды из рабочего горизонта расположено между двумя манжетами. Верхнее 4 расположено над верхней манжетой, нижнее 5 - под нижней манжетой. Верхнее и нижнее отверстия - транзитные и соединены между собой трубкой 6, проходящей внутри цилиндрического корпуса 1 пробоотборника. Нижняя часть цилиндрического корпуса соединена с водоприемником 7 через фланец 8, прикрепленный к цилиндрическому корпусу 1 гайками 9. К верхней части цилиндрического корпуса с помощью гаек 10 прикреплен кронштейн 11 для подъема пробоотборника и соединенного с ним водоприемника 7. Диаметр водоприемника 7 меньше, чем внутренний диаметр трубы-скважины.
Обсадная труба-скважина 12 представляет собой соединенное между собой наружными резьбовыми муфтами в одну N-количество труб. Нижняя часть первой трубы оснащена конусом-наконечником 13, облегчающим ее вхождение в грунт. По их длине расположены боковые отверстия 14 с одинаковым диаметром, по которым вода поступает в скважину. Обсадная труба-скважина принимает поступающую через отверстия воду. Оптимальный для условий исследования диаметр отверстий определяется опытным путем. Интервал расположенных по длине трубы отверстий определяют размерами пробоотборника, а также сопоставлением с существующими методиками.
В установленную методом ударного вдавливания в торфяную залежь скважину, состоящую из обсадных труб, по мере углубления соединенных между собой наружными муфтами с резьбой помещают пробоотборник. Под действием тяжести гнетущего груза на прикрепленном подъемном тросе пробоотборник опускают в скважину и фиксируют на нужной глубине. После установки пробоотборника на нужный интервал устье скважины закрывают для предотвращения попадания мусора, пыли, дождевой воды и т.п. Глубину опускания пробоотборника определяют по разметкам (маркам), нанесенным на подъемном тросе.
После контрольного времени нахождения в апробируемом интервале пробоотборник подъемным тросом поднимают на поверхность и по градации, нанесенной на прозрачный пластиковый корпус водоприемника, определяют объем поступившей воды с данного интервала торфяной залежи, по отношению объема воды, поступившей в водоприемник, устанавливают расход воды. В соответствии с расходом поступившей воды определяют время наполнения пробы воды требуемого объема. После чего пробоотборник опускают в трубу скважины и фиксируют его. Пробоотборник с отобранной пробой в водоприемнике поднимают на поверхность.
Затем корпус водоприемника отделяют от пробоотборника и герметично закрывают крышкой. К пробоотборнику присоединяют сменный корпус водоприемника и подобным образом отбирают пробу воды со следующей глубины скважины.
Комплекс для отбора проб воды, показанный на фиг.1 и 2, надежен, поскольку его работа не зависит от внешних факторов.
Комплекс позволяет:
- Отбирать пробу воды с заданной вертикальной глубины торфяной толщи или через определенные заданные интервалы. Их определяют положением расположенных отверстий по длине обсадной трубы-скважины.
- Конструкция комплекса исключает возможность поступления в водоприемник воды из выше- и нижерасположенных отверстий и обеспечивает поступление воды только с одного вертикального интервала непосредственно в водоприемник.
- Отбирать пробы воды с минимизацией ее взаимодействия с воздухом.
- Изучать гидравлический режим болотных вод по толщине торфяной залежи.
- Наблюдать за интегральным уровнем болотных вод.
Преимущества комплекса скважина-пробоотборник для отбора воды:
- Отбор пробы воды происходит непосредственно путем фильтрации из нужного вертикального интервала водоносного горизонта, где вода еще не имела контакта с внешней средой и не изменила своих физических свойств и химического состава.
- Пробоотборник позволяет в заданном рабочем положении изолировать поступление воды из соседних, по вертикали, глубин водоносного горизонта.
- Возможность проследить, как меняется, в частности, химический состав воды в различных вертикальных интервалах водоносного горизонта.
- Пробу воды берут непосредственно из каждого исследуемого горизонта водоносного слоя. Тем самым полученный химический состав проб воды однородно характерный по движению фильтрации воды, расположенной на высоте данного водоносного слоя.
- Конструктивная особенность комплекса и принцип, на котором построен отбор проб, - непосредственная фильтрация в водоприемник пробоотборника из горизонта водоносного слоя, что позволяет сравнивать гидродинамический режим болотных вод по исследуемым глубинам торфяной залежи.
Комплекс скважина-пробоотборник для отбора воды используется для отбора воды и исследования гидродинамического режима в апробируемых горизонтах торфяной залежи.
Пример конкретного выполнения
Испытания комплекса скважина - пробоотборник проводились на участке Тимирязевского болота в рамках проводимых исследований по изучению связи гидродинамического режима болотных вод и их химического состава.
В слое торфяной залежи мощностью 4,76 м установили наблюдательную скважину.
Обсадную трубу - скважину с расположенными боковыми отверстиями по длине труб, в нижней части выполненную конусом, устанавливают отрезками по 2 метра. Наружный диаметр труб - 42 мм, толщина стенок - 2,5 мм.
Обсадную трубу устанавливают в торфяную залежь без предварительного бурения методом ударного вдавливания в грунт. По мере углубления трубы соединяют между собой наружными муфтами с резьбой. Обсадная труба проходит вертикально через торфяную залежь мощностью 4,76 м и входит в минеральный грунт подстилающего дна болота, что обеспечивает фиксацию высотного положения устья скважины длиной 5,7 метров. Уровень воды определяют расстоянием от положения поверхности воды в скважине до ее устья.
Герметичность интервалов проверяют любым известным устройством, например газоотборником, который создает вакуум и изолирует отверстие апробируемого вертикального интервала от других, линейно расположенных по длине скважины. Газоотборник опускают на нужную глубину, фиксируют в скважине посредством его перевода в рабочее положение, после чего производят откачку воздуха. Наличие вакуума характеризует герметичность тестируемого интервала.
Вода поступает в скважину через боковые отверстия диаметром 5 мм, выполненные по всей длине через 25 см, что определяет «разрешающую» способность исследования изменчивости химического состава болотных вод по глубине торфяной залежи.
Проведенные полевые экспериментальные работы показывают, что при более крупных диаметрах отверстий интенсивность фильтрации поступающей воды в скважину через некоторое время, в пределах суток, снижалась в 1.5 - 2 раза. Для уменьшения транспортирующей способности фильтрационного потока диаметр боковых отверстий, расположенных по их длине, был уменьшен до эксплуатационного размера, составившего 5 мм. Были созданы оптимальные условия, в которых скорость движения воды к скважине имеет скорость естественного фильтрационного потока. Опытным путем было установлено, что расходы поступающей в скважину воды при таких условиях во времени остаются постоянными. Отверстия сделаны одним диаметром и откалиброваны.
Отбор проб воды из скважины произведен разработанным пробоотборником в соответствии с разработанным для этого способом. Пробоотборник опускают в скважину под действием тяжести гнетущего груза, через который проходит трос.
Пробы отбирают с интервалом в 0.5 метра по всей высоте торфяной толщи. Для определения расхода поступающей в пробоотборник воды и ее химического состава отбирали пробы воды с восьми вертикальных интервалов.
С помощью пробоотборника определяют скорость поступления воды в водоприемник с исследуемой глубины отбора пробы. Время отбора пробы воды на различных вертикальных интервалах торфяной залежи было определено опытным путем. При этом одновременно с отбором пробы воды решалась задача приближенной оценки интенсивности фильтрации в исследуемом горизонте. Пробоотборник помещают в скважину на требуемый интервал в соответствии с линейно расположенными по трубе боковыми отверстиями. Пробоотборник находится на требуемом вертикальном интервале в течение 15 минут, затем его поднимают на поверхность и по градации, нанесенной на прозрачный пластиковый корпус водоприемника, определяют объем поступившей воды с данного интервала торфяной залежи.
По времени наполнения водоприемника пробоотборника на измеряемом интервале и поступившему за это время объему воды устанавливают расход воды в этом интервале торфяной толщи.
Затем водоприемник отделяют от пробоотборника, плотно закрывают крышкой и тщательно взбалтывают для равномерного распределения по всему объему взвеси, находящейся в воде.
Воду из водоприемника переливают в мерный цилиндр с точностью измерения 0.2 мл и еще раз определяют объем взятой пробы. Измеренные объемы сравнивают, исключая возможную ошибку, допущенную при измерении. По среднему значению этих измерений вычисляют окончательный объем. По отношению объема отобранной в водоприемник воды и времени отбора этого объема рассчитывают расход воды на этом интервале торфяной толщи в мл/мин.
Для отбора проб воды на определение концентрации основных компонентов минерального состава (суммы главных ионов): катионов (кальция, магния, калия, натрия); анионов (сульфатов, хлоридов, гидрокарбонатов) и физико-химических свойств поступления воды из апробируемого фиксированного интервала рассчитывают время наполнения требуемого объема. В рассчитанное время пробоотборник извлекают из скважины, водоприемник отделяют от пробоотборника, плотно закрывают крышкой и доставляют в лабораторию.
На полученных результатах химического анализа и полученных измерением расходах отрабатывается метод изучения происходящих изменений химического состава и водного режима по глубине торфяной залежи в разные периоды времени от внешних погодно-сезонно-климатических условий.
Преимущества способа отбора проб воды:
- Основное отличие заключается в том, что отбор пробы воды происходит не из водной массы с какой-либо глубины, как при использовании всех существующих пробоотборников, батометров и т.п., а непосредственно путем фильтрации из нужного вертикального интервала водоносного горизонта. Исключен контакт с внешней средой, что является условием неизменности ее физических свойств и химического состава.
- Поступление воды в водоприемник путем непосредственной фильтрации из исследуемых горизонтов исключает возможность контакта с водой других горизонтов. Это дает возможность изучать изменчивость распределения химического состава воды по толщине торфяной залежи.
- Пробу воды берут непосредственно из каждого исследуемого горизонта водоносного слоя. Тем самым полученный химический состав проб воды считается однородно характерным по содержащему его видовому слою торфа, распределенного по высоте торфяной залежи.
- Особенность комплекса и способ его работы позволяет определить распределение относительной интенсивности фильтрации по горизонтам отбора проб воды.