Устройство отбора проб воды из скважины для инженерных изысканий
WELL WATER SAMPLING DEVICE FOR ENGINEERING SURVEYS

Устройство отбора проб воды из скважины для инженерных изысканий Изобретение относится к области инженерных изысканий, в частности для инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, и может быть использовано для отбора проб воды из водоносных горизонтов в геологической скважине для последующего химического, микробиологического, геохимического и прочих анализов.
При выполнении инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий для разработки проектно-сметной документации объектов гражданского и промышленного строительства, а также для других задач, очень часто возникает необходимость отбора проб грунтовых вод из водоносных слоев геологического разреза. Отбор проб воды необходим для выполнения стандартного анализа в лабораторных условиях, например для определения степени жесткости воды, ее минерализации, способности воды оказывать разрушающее действие на стройматериалы. Поэтому важны чистота и достоверные данные о свойствах грунтовой воды, а, значит, необходимо предотвратить попадание в пробу грунтовых масс при погружении пробоотборника в скважину и его извлекании.
Из уровня техники известно устройство для отбора проб воды (патент на полезную модель RU №154264, МПК G01N 1/10, опубл. 20.08.2015, Бюл. №23), которое состоит из цилиндрического водозаборника из нержавеющей стали и лебедки для спуска и подъема водозаборника. Лебедка для спуска и подъема водозаборника выполнена с ручным приводом и телескопической треногой, с грузонесущим металлическим тросом и двумя карабинами. Нижняя часть водозаборника изготовлена в виде стакана, а верхняя часть в виде сужающейся горловины с отверстием для выхода воздуха, двумя боковыми отверстиями для заполнения пробы воды и двумя отверстиями для крепления карабинов грузонесущего троса лебедки.
Недостатком устройства является сложность и невозможность его использования в скважинах без обсадки, особенно в скважинах с оплывшими стенками, так как при погружении цилиндрического корпуса водозаборника велика вероятность его застревания в стволе скважины на участке с оплывшими стенками. Помимо этого, боковые отверстия цилиндрического корпуса не защищены от проникновения частиц и фрагментов грунта из наблюдаемой скважины.
Известно устройство для отбора проб жидкости из скважин (авторское свидетельство SU №891900, МПК Е21В 49/08, опубл. 23.12.1981, Бюл. №47), которое содержит обсадную колонну с приемными отверстиями, расположенными на уровне исследуемых горизонтов и размещенную в ней пробоотборную колонну. Внутри обсадной колонны с возможностью аксиального перемещения размещены кольцевые заслонки, перекрывающие приемные отверстия. Каждая заслонка подпружинена дугообразной пружиной. Один конец пружины закреплен на кольцевой заслонке, а другой - на внутренней стенке обсадной колонны. Устройство обеспечивает многократный отбор проб с любого интервала продуктивного пласта в любой последовательности.
Однако, наличие пружин, заслонок усложняет устройство для отбора проб жидкости, к тому же для доставки отобранной пробы на поверхность в дополнение к этому устройству требуется дополнительное устройство. Недостатком является также то, что при такой конструкции устройства не исключено попадание частиц и фрагментов грунта в отбираемую пробу.
Наиболее близким известным устройством, принятым за прототип, является устройство для отбора проб жидкости из скважин (авторское свидетельство SU №1242606, МПК Е21В 49/08, опубл. 07.07.1986, Бюл. №25).
Устройство содержит обсадную колонну с приемными отверстиями, расположенными на уровне исследуемых горизонтов и перекрытыми снаружи фильтрами. В обсадной колонне с возможностью вращения установлена внутренняя водозаборная труба. По длине водозаборной трубы выполнены сквозные продольные прорези, сообщающиеся при ее повороте с приемными отверстиями обсадной колонны. Продольные прорези являются приемными отверстиями водозаборной трубы, при их совмещении с приемными отверстиями обсадной трубы происходит наполнение внутреннего пространства водозаборной трубы водой. В полости водозаборной трубы размещена пробоотборная колонна, выполненная в виде трубы. Она снабжена пропущенной в нее тягой с нижним поршнем на конце и закрепленным в нижней части верхним поршнем с обратным клапаном, сообщающим межпоршневое пространство внутренней водозаборной трубы с пробоотборной колонной. При этом тяга выполнена полой и сообщена верхним концом с атмосферой, а нижним - с подпоршневым пространством нижнего поршня.
Для повышения достоверности опробования исследуемых горизонтов, во-первых, предварительно из скважины с помощью нижнего поршня удаляется излишняя вода из внутритрубного пространства, тем самым исключается поступление воды из нижележащих водоносных слоев. Во-вторых, поворотом внутренней водозаборной трубы обеспечивается перекрытие телом обсадной колонны ее приемных отверстий и повышается надежность измерения количества воды, поступившей за определенное время.
Недостатком прототипа является его сложность, наличие сложных деталей и узлов, требующих высокой точности изготовления, что ведет к удорожанию конструкции и повышению трудоемкости его изготовления. Предварительное удаление излишней воды из внутритрубного пространства с помощью нижнего поршня усложняет процесс отбора проб воды из водоносных слоев грунта. К тому же отбор проб возможен только при наличии в составе устройства обсадной трубы, которую нужно будет извлекать при
необходимости дальнейшего углубления скважины. При извлечении пробоотборника из скважины известная конструкция не исключает засорение пробы частицами и фрагментами грунта, а, значит, снижает достоверность результата исследуемой пробы воды.
Задача изобретения - упростить конструкцию устройства и технологию отбора проб воды в скважинах для последующего ее исследования. Одновременно при простоте конструкции устройства повысить надежность устройства, обеспечить чистоту и качество отбираемой устройством пробы.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении достоверности результатов анализа проб воды из водоносных горизонтов в геологической или гидрогеологической скважине, в том числе и при отборе проб воды в скважинах без обсадных труб.
Задача и технический результат достигаются следующим образом.
Устройство отбора проб воды из скважины для инженерных изысканий, как и прототип, содержит водозаборную трубу с водоприемными отверстиями, которые перекрыты снаружи фильтром, и пробоотборник, выполненный в виде трубы.
В отличие от прототипа водозаборная труба в заявляемом устройстве расположена сверху пробоотборника. Нижняя часть водозаборной трубы надета на пробоотборник, соединена с последним посредством резьбового соединения и упирается внутренним выступом, выполненным в стенке, на торец пробоотборника. Отверстие пробоотборника, сообщающееся с водозаборной трубой, закрыто фильтрационной сеткой, зафиксированной между торцом пробоотборника и упирающимся в него внутренним выступом водозаборной трубы. Нижняя часть пробоотборника выполнена конусообразной и снабжена патрубком с внешней резьбой и накрученной на его резьбу крышкой. Отличием от прототипа является также то, что водозаборная труба закрыта сверху крышкой с воздуховыпускными отверстиями. Крышка внутри водозаборной трубы закреплена с помощью резьбы, а сверху выступает за пределы водозаборной трубы, нижний край водозаборной трубы выполнен отогнутым наружу. Наружный фильтр для перекрытия приемных отверстий выполнен в виде цилиндрической сетки, которая надета на водозаборную трубу и концами зафиксирована между выступающими наружу частями крышки и водозаборной трубы. Помимо этого, на крышке заявляемого устройства жестко установлен хвостовик с отверстием. Он предназначен для соединения устройства с буровой штангой буровой установки.
Среди известных технических решений не обнаружены устройства, совокупность признаков которых идентична всем признакам заявляемого устройства, что подтверждает новизну изобретения.
Заявляемое устройство явным образом не следует из уровня техники, поскольку не выявлены устройства для отбора проб воды из скважины, в которых водозаборная и пробоотборная части были бы выполнены, взаиморасположены и соединены так же, как и в заявляемом устройстве. Также не выявлены устройства, которые без наличия обсадной трубы обеспечивали бы возможность и чистоту отбираемой пробы воды в инженерно-геологической или гидрогеологической скважине.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведено заявляемое устройство в собранном виде, на фиг. 2 приведен продольный разрез А-А фиг. 1, на фиг. 3 приведен поперечный разрез Б-Б фиг. 1, на фиг. 4 приведен поперечный разрез В-В фиг. 1.
Устройство для отбора проб воды из скважины состоит из пробоотборника 1, водозаборной трубы 2, нижней крышки 3 пробоотборника 1, верхней крышки 4 водозаборной трубы 2, наружного фильтра 5 на водозаборной трубе 2, внутренней фильтрационной сетки 6, установленной между пробоотборником 1 и водозаборной трубой 2 и хвостовика 7 для крепления устройства к буровой штанге буровой установки (буровая штанга на чертежах не показана). Пробоотборник 1 выполнен в виде полой цилиндрической трубы, нижняя часть 8 которой имеет конусообразную форму и содержит выпускной патрубок 9 с наружной резьбой 10. Патрубок 9 предназначен для слива отобранной пробы воды. На резьбу 10 выпускного патрубка 9 закручена нижняя крышка 3, выполненная с внутренней резьбой и предотвращающая слив воды в момент ее забора из водоносного слоя геологической скважины и в момент подъема и извлечения пробоотборника из скважины. В верхней части пробоотборника 1 имеется водоприемное отверстие 11, через которое поступает вода из водозаборной трубы 2.
Водозаборная труба 2, нижней частью закреплена на верхней части пробоотборника 1 посредством резьбового соединения 12. Внутренняя фильтрационная сетка 6 фиксируется между верхним торцом пробоотборника 1 и нижним, упирающимся на указанный торец, внутренним выступом 13 водозаборной трубы 2. На боковой поверхности водозаборной трубы 2 имеются водоприемные отверстия 14. Нижняя часть водозаборной трубы 2 отогнута наружу, образуя таким образом наружное ограничительное кольцо 15.
Верхняя крышка 4 закреплена внутри на водозаборной трубе 2 посредством резьбового соединения 16. В верхней крышке 4 имеются воздуховыпускные отверстия 17 для отвода воздуха при наполнении пробоотборника 1 водой. Хвостовик 7 закреплен на верхней крышке 4 с помощью болтового соединения 18. Он может быть выполнен четырехгранным, шестигранным, или иного сечения в зависимости от применяемой конструкции буровой штанги. В хвостовике 7 имеется отверстие 19, размеры и расположение которого также зависят от конструкции буровой штанги. Верхняя часть верхней крышки 4 выступает за пределы внешнего диаметра водозаборной трубы 2, образуя наружное ограничительное кольцо 20. Между ограничительным кольцом 15 водозаборной трубы 2 и ограничительным кольцом 20 верхней крышки 4 расположен наружный фильтр 5, который выполнен в виде фильтрационной сетки замкнутой цилиндрической формы. Наружный фильтр 5 надет на водозаборную трубу 2.
Изобретение промышленно применимо. Его изготовление не вызывает трудностей у специалистов. Оно может быть многократно изготовлено, и при его использовании достигается указанный выше технический результат.
Для изготовления устройства отбора проб воды из скважины для инженерных изысканий используют известные материалы, например стальной прокат, и известные механические методы обработки и изготовления. На выпускной патрубок 9, установленный в нижней конусной части 8 пробоотборника 1, посредством резьбового соединения 10 закрепляют нижнюю крышку 3. Непосредственно на верхний торец пробоотборника 1 укладывают внутреннюю фильтрационную сетку 6, перекрывая водоприемное отверстие 11. Закрепляя водозаборную трубу 2 с помощью резьбового соединения 12 на верхней части пробоотборника 1, плотно прижимают фильтрационную сетку 6 выступом 13 на внутренней стенке водозаборной трубы 2 к торцу пробоотборника 1. На водозаборную трубу 2 сверху надевают наружный фильтр 5. Затем на водозаборную трубу 2 устанавливают крышку 4 с предварительно закрепленным на ней хвостовиком 7 и закрепляют ее с помощью резьбы 16, обеспечивая тем самым надежную при закручивании крышки 4 фиксацию наружного фильтра 5 на водозаборной трубе 2.
Отбор проб производят следующим образом. Хвостовик 7 жестко соединяют с буровой штангой, для чего в отверстие 19 и в отверстие на крепежной детали буровой штанги вставляют стальной «палец» (на чертежах не показано). Способ его крепления зависит от конкретной конструкции буровой штанги. Далее устройство опускается буровой установкой вместе с буровой штангой в водоносный слой грунта в геологической скважине. Жесткое крепление устройства к буровой штанге и сама конструкция устройства позволяют буровой установке «протолкнуть» устройство через участки скважины с оплывшим грунтом, при этом отсутствует необходимость установки обсадной трубы в скважине. В водозаборную трубу 2 через наружный фильтр 5 и водоприемные отверстия 14 поступает вода, которая стекает в пробоотборник 1 через фильтрационную сетку 6. При этом воздух, находящийся в пробоотборнике 1, выходит через воздуховыпускные отверстия 17 крышки 4. После установленного технологией отбора проб воды времени устройство извлекают из скважины путем подъема буровых штанг. Откручивают с патрубка 9 крышку 3 и отобранную пробу воды сливают в специальную тару для временного хранения с целью последующей передачи в химическую или иную лабораторию для анализа. Наличие наружного фильтра 5 предотвращает попадание в пробу воды частиц и фрагментов грунта из скважины, наличие внутренней фильтрационной сетки 6 дополнительно исключает попадание в пробу воды частиц и фрагментов грунта. Тем самым обеспечивается чистота и качество отбираемой устройством пробы воды и, как результат, происходит повышение достоверности результатов анализа проб воды из водоносных горизонтов в геологической скважине, в том числе и в скважине без использования обсадных труб. Наружный фильтр 5 и внутренняя фильтрационная сетка 6 могут использоваться с различными размерами ячейки. Размер ячейки подбирается экспериментально до нужной чистоты отобранной пробы воды. Необходимый объем отбираемой пробы воды за одно погружение устройства можно регулировать высотой пробоотборника 1, который можно изготавливать разной высоты. Как видно, конструкция устройства простая и одновременно прочная и надежная, что позволяет использовать ее и в необсаженой скважине при оплывших стенках скважины. К тому же расположение пробоотборника 1 ниже водозаборной трубы 2 исключает засорение проб воды при подъеме устройства из скважины.