從井中提取無砂淨水的方法及裝置的製作方法

2023-10-06 22:44:54

專利名稱:從井中提取無砂淨水的方法及裝置的製作方法
本發明涉及從井中提取無砂淨水的方法及相應的裝置。
周知的抽水方法是利用水泵或其它抽水裝置從有許多均勻分布孔的豎直雙層管中抽水。然而，如果要求抽取無砂水，即不從儲水層中抽出超過一定尺寸的砂粒，則這種方法提供的抽吸能力是很低的。
採用這種裝置的方法，即所謂水流收集抽取法(簡稱SCC)已由德國專利2，401，327公布。按照這一專利，SCC的收集部件由具有均勻分布但長度不同的橫向槽的兩根不同直徑同心管組成，兩管之間的中空園柱形縫隙充有細顆粒物質。
這種結構想要得到這樣一個結果，即在收集部件整個有效垂直長度上，即所謂引流長度LE上，使臨界點Rk(圖1)處的水平流入速度近似為一常數。測量表明，德國專利2，401，327給出的收集部件無法在整個引流長度上獲得均勻的水平流入速度，如果整個收集部件的引流長度在臨界點Rk保持均勻流入速度，就會導致在一定抽水速度時，仍會吸入和抽出一定量的砂粒。
因此，本發明的目的是在一定的抽水速度下提供從井中抽取無砂淨水的方法及有關裝置。在做到這一點的同時，與不用SCC的常規抽水法相比，在井區地下水位更低時，可以減少能量消耗。
按照本發明提供的方法導致了特殊的優點，即在臨界點Rk(圖2)處，對某一特定流速，在整個引流長度產生均勻的流動斷面，並且導致臨界顆粒度以上的砂粒不會被抽出。
此外，所用泵比按照德國專利2，401，327的常規SCC所用的泵要求的驅動功率低，這是因為在儲水層中平均流入速度較低，且收集部件只由一根有水平槽，直徑儘可能大的薄壁單管組成，因而在這管的徑向不會產生明顯的壓力損失。
按照本發明的一個最佳實施例，通過使長度單元△x，流入收集部件壁的槽及有關區域的流速(有關區域涉及SCC長度單元△x的面積)、水通道面積a(x)的乘積為一常數，即可在SCC的整個引流長度範圍內在Rk點處取得均勻的流動斷面。這就是說，在引流長度LE的每一個長度單元△x上有相同的水量△v徑向流入SCC。這在流量科學中可以解釋為，通過SCC壁的徑向壓降從上到下以一特定方式降低，因而正比於壓降的水通道的流速從上到下相應變小。因此，為了使傳送速率△v＝常數，相應地要從上到下增大水的通道(圖3)。
如果水的通道面積以一種特定的方式，以無限小的前長從上到下地增加，理論上會導致斷面上流量在Rk點絕對均勻(圖2)。從理論上講，從上到下使槽面積連續增加的唯一可能性，是通過連續的軸向槽或以一種特定方式把沿表面分段配置的槽的寬度從上到下連續增加後者和橫向以無限小步長的開槽，由於製造的原因，實際上是不能以合理的成本製成。然而，在實地試驗中發現，在引流長度上的Rk點，可以通過以有限小步長增加的水通道來獲得均勻流量斷面。可以相信，多個步長的長度△x可以根據需要選得很小，且只受到製造費用的限制。無論在任何情況下，步長△x相對於整個引流長度LE來說只是一個很小的值。
特殊的優點在於，按照本發明，為在Rk點獲得一定的傳輸速率 (從儲水層到砂石層的傳輸)而採取的措施，可以獲得低於臨界砂粒夾帶速度的流速Vk。所謂夾帶速度是指使特定尺寸的砂粒剛剛開始流動的臨界水流速度。然而，如果在這一點的流速已經低於夾帶砂粒的臨界速度，則由於線性降低的連續原理，在儲水層內它將大大低於夾帶速度。因此，臨界尺寸的砂粒不再由水流帶動也不會由水泵抽出。
由按照本發明而在Rk處獲得均勻斷面以及由此產生的低平均速度Vk帶來了以下實際優點因為在儲水層的流量損失實際上確定了水位降(圖2，在靜態與運轉時鑽孔中水位高度的差別h1)，由於在引流長度LE上的平均流速Vk進一步降低，水位降也相應的降低。這與常規SCC相比，導致泵的能耗降低。
對於橫向槽而言，槽的因子取決於幾種可能性即槽寬(切線方向)、槽高(軸向)和槽分散度(軸向槽的間距)。由於管子橢園度不同，對第一種可能性就產生了如何準確地保持每一步指定的槽的寬度亦即通道區域大小的困難。就第二種可能性而言，由於槽的高度和所用鋸條的厚度逐步變化，所以製造費用很高。對第三種可能性來說，製造不同間隔槽的技術是最省錢的製造技術，因而構成下列說明的基礎。
以同樣方法，槽因子也可隨縱向開槽而改變，其在效果上是相同的，但考慮到槽因子分級很細，所以槽寬自然對其施加了限制。
本發明的其它優點，詳細介紹和特性在下面解釋本發明的實施例時參照附圖將給予更詳細說明其中圖1表示運行中的常規SCC的斷面圖，圖2表示依照本發明在運行中的SCC斷面圖，
圖3表示槽因子a(x)和槽速度Vscc(x)在引流長度LE範圍內的函數關係曲線，圖4表示在引流長度LE上，在控制部件內垂直流速與x的函數關係。
圖1表明在整個引流長度LE上，在收集部件的槽處;流量的不均勻分布。它將不可避免的導致在RK處，槽因子相同時，整個引流長度的流量不均勻分布。
在圖2中描述了按照本發明裝備起來的井中的流量關係。在儲水層，本發明的收集部件13配置在過濾管11內，過濾管周圍是一層滲濾礫石12。
管子上有多個水平橫向槽14，它們沿園周與管壁結合一起成為園弧形槽，並排列在收集部件13的外表面上。在槽之間的壁部分保證了收集部件13的堅固性。所有這些槽14具有相同的寬度、長度和高度。只有在軸向上，槽的間距按照下面的計算從上而下減小。水泵15裝在連續管16中，收集管13連接在16的下部，其位置在井孔中並且即使在最大抽吸功率時，它也在17表示的工作水位的下面。後者位於靜止水位18的下方h1處。
按照本發明所得到的流量效應是由下面數學推導出的。按照上述解釋，在任選的點x處，流過單位面積△A＝π·Di·△X (1)的流量△
＝△A·a(x)·VS(x)＝常數 (2)其中Di＝收集部件13的內徑;
a(x)＝△As(x)/△A槽因子，它在引流長度LE上是可變的。
△As(x)＝在單位面積△A中槽的總面積，它依賴於x;
VSCC(x)＝槽中的流速，它在引流長度LE上是變量。
按照德國專利2，401，327，在SCC中利用一適當的SCC壁結構人為地增加流動阻力，企圖在引流長度LE上使VSCC(x)為一常數。這時，也可以使a(x)保持常數來滿足方程(2)。然而，本發明的研究表明，它沒有正確地滿足VSCC＝常數這一條件按照德國專利2，401，327，在SCC內管中垂直方向的流量損失與SCC壁的徑向流動阻力相比是絕對不能忽略的，結果當水進入SCC槽及上升到泵時沿各流線產生隨x變化的流量損失，這些損失不可避免地導致不均勻流量。
從這裡得到的結論是，所要求的效果只能通過在引流長度LE上槽的不同分布來獲得。只有知道流速VSCC(x)，才能確定這一分布。下面計算VSCC(x)按照能量原理，下面公式適用於有摩擦作用的流量(1+)Kh(L)2=Pa(L)-Pi(L)......(3)]]>這裡ζ表示收集部件13壁中槽14的流動阻力。ζ取決於槽的形狀和收集部件13的壁厚，對薄壁管來說約為0.5。常數。K＝ (ν)/(2g) 是水的比重與重力加速度的商。Vh(L)代表在x＝L點處，水在槽中的水平流動速度。收集部件13的垂直位置是由連續坐標x表示的，在收集部件13的低端，x＝0，在上端，即收集部件13有效引流長度LE的泵端，x＝L。Pa代表收集部件13外面的壓力，而Pi是其內部的壓力。
下式可以求出Pa(x)和Pi(x)Pa(x)＝Pa(L)+ν(L-X) (4)
Pi(x)＝Pi(L)+ν(L-x)+△Pνν(x)+△Pdynv(x)(5)在這些方程中ν(L-X)表示在點L和點X之間水的靜態壓力差，△Pvv(x)表示在開槽管中從x到L垂直流量的摩擦損失，△Pdynv(x)表示由於水流向管子上端(x＝L)的加速作用而引起開槽管中垂直流動的動態壓差。
因為方程(3)不僅適用於x＝L而且適用於任選x值，所以可以把它改寫為(1+ξ) (ν)/(2g) Vh2(x)＝Pa(L)-Pi(L)-△Pdynv(x)-△Pνv(x)再利用方程(3)，取ξ＝0.5，解出Vh(x)Vh(x) =Vh (L)2-△ PVV (X )- △ PdynV (X)1.5K(6)]]>為了確定在引流長度上槽中的水平流動速度，需要計算由於在收集部件內垂直流動摩擦損失引起的壓差△Pνv(x)和動態壓差△Pdynv(x)。然而，這不能用解析式準確地表示出來，因為阻力係數λ(對特定管流和長度其通常為一常數)在目前情況下取決於x和收集部件13內的垂直流量-它也隨x而變化。這是由於，一方面，對每一長度單元△x，一定量的水△
流入收集部件13的內部，另一方面，通過槽14進入收集部件13內部的水的密度和在垂直水流中產生渦流從而使壁的粗糙度λ明顯的水流衝擊在長度x內是變化的。
因此，在收集部件13內的垂直流速及正比於λ的摩擦損失隨x的增加而增加。
在本發明範圍內進行的長期研究表明，必須根據收集部件尺寸和輸送速率V，用實驗方法確定λ值。
通過求解上述方程及經過幾次變換可得
經過相應的變換可得
如果，設
為0.07m3/S，Di為0.25m，L為6m，則△Pdynv(x＝0)
2.1·△Pνv(x＝0)，其時平均阻力係數在收集部件長度上取0.06。
為了獲取一理想的流量分布，也有必要確定水平流速Vh在x＝0時與x＝L時的比值b。在最接近泵的槽中，即在x＝L處，水平流速Vh(x＝L)明顯大於在收集部件低端即x＝0處槽中的值，這就導出Vh(x＝0)＜Vh(x＝L)，因而可以認為b＜1。利用方程(7)和(8)，在x＝0時可以從方程(6)得到
現在，最大速度Vh(L)已經知道了，水平流動速度Vh(x)在整個運行長度x上的分布也可以通過把方程(7)、(8)和(9)代入方程(6)而予確定，從而得到下式
現在想要計算實際的槽分布。如前面所述，對槽14在垂直運行長度上的分布的假定包括這樣一點，即每一個單元△x的進水量△V相同。在確定槽因子a(x)時，由於以下這一事實，即起液壓作用的槽的通道面積比槽的幾何面積小，所以應該打一折和。這是由於水噴經各個槽14時的壓縮效應，因此相應地考慮將減少單位面積流量的壓縮係數α加到方程中，應用下式△
＝π·Di·△x·Vh(x)·a(x)·α (11)因為微分流量對所研究的任何面積單元都應該是常數，這就出現了槽因子對水平流速的直接依賴。槽因子a(x)現在可以針對任何面積單元分開計算。例如，在收集部件13的有效引流長度為3m，分15步時，相應的步長△x＝0.2m。所需要的15個不同的槽因子值可以利用方程11毫無困難地加以確定。尤其第i個槽因子為
圖3用圖解的方式給出了在收集部件13的長度上槽斷面和在Di點的水平流速Vscc(x)的槽速度斷面，它們可以用上述公式來計算。
為了簡單明了，下面給出了該點的一計算例。
假定
L＝6mλ＝0.06Vh(L)＝2.5m/s其中，LE上的平均阻力係數取為λ＝0.06，Vh(L)的值接近實驗確定的值。在用方程(9)求b時代入上述數值可得b＝0.506 ( )/ Vh(x＝0)＝1.265m/s因此在收集部件13低端槽區水平流速約為其上部流速的一半。
方程10可以改寫為Vh(x) = AB-C (L3- X3) -D(1-X2L2)]]>其中
B＝ 1/(1－b2) ( (λ·L)/(4.5·Di) +0.667)C＝ (λ)/(4.5·DiL2)D＝ 1/1.5 ＝0.667代入數值後得A＝2.072，B＝1.454，C＝0.00193。在本例中，對任選x值，可給出Vh做為x函數的閉合解。
為在該點得到槽斷面，必須規定每一步長△x的值。儘管可以任選一小分度，然而，在現舉的例子中選△x＝0.4m是合適的，結果L＝15·△x＝6m。至於每一步必須吸出的水量△V，可用下式計算△
＝0.06/15＝0.004m3/s方程(12)所示的第i步的槽因子現在可以寫成如下方式ai＝E· (l)/(Vh(xi))其中α≌0.6(矩形入口，參見專有文獻)E＝ (△V)/(π·Di·△x·α)在本例中，E＝0.276m/s為了強度的原因，如前面所解釋的，各個槽被對稱地沿垂直方向分成幾排，其間的堅固部分做為收集部件13的壁的一部分。槽的面積As(l)因此可以表示為As(l)＝β·π·Di·S，其中S代表槽高且在本例中選為S＝1mm。β是在高度x處，園弧形槽總長與收集部件外園周長之比，在這裡取0.6。結果As(l)＝0.000362m2，且每一步長△x面積上的槽數Z(不要與園弧形槽混淆)為Z=a(x)As(1)(m2)]]>利用上述數值計算得到的槽模式從下表中可以看的很清楚。
x Vh(x) a(x)＝ (E)/(Vh(x)) Z＝ (a(x))/(As(l))0.2 1.26 0.02187 60.5 底0.6 1.2726 0.0217 601.0 1.273 0.0213 591.4 1.3295 0.021 581.8 1.377 0.02 552.2 1.436 0.0192 532.6 1.5074 0.0183 50.53.0 1.53 0.0174 483.4 1.6835 0.0164 453.8 1.787 0.0155 434.2 1.9 0.0145 404.6 2.02 0.0137 385.0 2.15 0.013 365.4 2.28 0.0121 33.55.8 2.43 0.0114 31.5 頂最好在園周上配置4到6排圓弧形槽。
新研製方法也可以直接用到井的過濾管上並取得類似的效果。即不用常規的井過濾管，在儲水層，鑽孔中套以新型結構的開槽管，即在井過濾管中，水的通道從上到下以特定方式增加。在這一例子中，井的結構完全是常規的，即在新的井過濾管周圍，用常規方式堆積滲濾礫石，一個連續的常規結構的井管在新的過濾管上端與之連接，水泵的安裝沒有按SCC方式，而是使其底邊精確地位於連續井管與過濾管之間焊縫的平面上。在Rk點，從儲水層到礫石填充物都可有要求的均勻流速斷面。
按照本發明的實施例，在收集部件13外面附有一外管。外管有許多大面積的槽，使外管的通水區域大大超過收集部件13。其兩者的比率在10～15∶1時證明最為合適。
有了這一附加外管，在井的過濾管區域中，水流的均勻性還可以增加，結果更接近於層流。
權利要求
1.從井中抽取無砂水的方法，所用裝置中有備有開口或槽以用做水通路的收集部件和設置在與收集部件連接的管中的水泵，其特徵在於利用單壁管做為收集部件且在收集部件所在的整個區域，水通路所佔份額與收集部件實壁表面所佔份額相比是從上至下增加的。
2.按照權利要求
1的方法，其特徵在於，收集部件的水通路面積是分為每一長度單元來計算的，且收集部件的總長度分為若干部分(步)，對每一步計算水通路面積。
3.按照權利要求
1或2的方法，其特徵在於收集部件的每一小部分，有關的水通路面積、有關水通路面積中的流速的乘積在收集部件的每一小部分處相同，因此，在收集部件全長範圍內流入每一小部分的水量是一常數。
4.按照權利要求
1到3的方法，其特徵在於，每一小部分水通路面積可以藉助於公式
來計算。其中ai表示相應的收集部件第i個部分的水通路的面積，i表示相應序號，
是整個收集部件總的輸送或抽吸速率，△
是某小部分的輸送率，△xi，△x是某小部分的高度，Di是收集部件的內徑，Vh(xi)是流經第i部分△xi水通路區域的平均流速，α是壓縮係數，它取決於槽或開口的結構，其大約為0.6。
5.按照權利要求
4的方法，其特徵在於，第i個小部分△xi的槽或開口的數目Z可藉助於公式Z＝ (ai)/(AS(1))來計算。其中As(1)表示一個槽或開口的有效面積。
6.按照上述權利要求
的任何一個的方法，其特徵在於收集部件採用儘可能薄的管壁以降低通過開口或槽的流動阻力。
7.按照上述權利要求
中任何一項的方法，其特徵在於為了降低內部軸向流動損失，收集部件內徑儘可能地大。
8.從常規結構的井中製取無砂水的方法，其中，採用適當配置的水泵(沒有scc)和井過濾管以及連續管子，其特徵在於井過濾管在儲水層區間以一種特殊方式從上至下開槽，也就是說，井過濾管每一部分面積上的水通路面積的份額從上至下連續或分步減小。
9.從貯液器，特別是井中，抽取流動介質特別是水的裝置，具有管狀結構，其上有切口，流動介質可以通過它們進入管狀結構內部，和有一個置於與管狀結構相連的罩中的泵，且有一個低於流動介質工作水平面的吸出點，其特徵在於管狀結構製成單壁收集部件(13)，且在收集部件跨越的區域內，每一收集面積單元上切口面積的份額(相應的水通道面積)從上到下增加。
10.從井中抽水的裝置，具有置於儲水層內的井過濾管，該管有可以讓水進入井過濾管內部的切口，具有不備有scc的泵，放置在連續井管的端部，其下邊在連續井管與井過濾管的焊縫處，其並有一低於水的工作水位的吸水點，其特徵在於井過濾管(11)上切口在所研究的面積單元上的份額從上至下連續地或分步地增加。
11.按照權利要求
9或10的裝置，其特徵在於在收集部件周圍備有帶切口的外管，切口有相當大的，例如是大於收集部件(13)或井過濾管(11)10至15倍的水通路面積，其切口均勻分布在收集部件(13)或井過濾管(11)的長度上，外管使流速更趨一致。
專利摘要
在有過濾管和滲濾礫石層的井中，形成吸管的收集部件的槽斷面在下面有比上面大的抽吸切口，它們使流入滲濾礫石層的水流速相等，這一結論是建立在計算和實驗研究相結合的基礎上的。
文檔編號E03BGK86103990SQ86103990
公開日1987年2月4日 申請日期1986年6月12日
發明者魯多爾夫·彼爾澤 申請人:電纜橡膠製造有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan