一种防冻深水井.pdf

本发明公开一种防冻深水井，包括向下穿过多年冻土层(9)到达含水层的井壁管(6)、置于所述井壁管(6)内的抽水装置(7)、以及与抽水装置(7)的出口相通的供水阀(4)，还包括与所述抽水装置(7)出口相通的供气阀(2)，所述供气阀(2)的另一端与高压气源(1)相通。本发明的深水井，能简单、有效地防止其在多年冻土层中冻结。

1.  一种防冻深水井，包括向下穿过多年冻土层(9)到达含水层的井壁管(6)、置于所述井壁管(6)内的抽水装置(7)、以及与抽水装置(7)的出口相通的供水阀(4)，其特征在于：还包括与所述抽水装置(7)出口相通的供气阀(2)，所述供气阀(2)的另一端与高压气源(1)相通。

2.  根据权利要求1所述的防冻深水井，其特征在于：所述抽水装置(7)为深井潜水泵。

3.  根据权利要求2所述的防冻深水井，其特征在于：所述高压气源(1)为空气压缩机。

4.  根据权利要求2所述的防冻深水井，其特征在于：还包括放气阀(3)，所述放气阀(3)的进口与上端密闭的井壁管(6)相通，其出口与大气相通。

5.  根据权利要求1所述的防冻深水井，其特征在于：所述抽水装置(7)为气提取水机构。

6.  根据权利要求5所述的防冻深水井，其特征在于：所述气提取水机构包括取水管(71)、气提供气管(72)、气提供气阀(73)和空气压缩机(1)，所述气提供气管(72)一端与取水管(71)下部相通，另一端通过气提供气阀(73)与高压气源(1)相通。

一种防冻深水井
技术领域
本发明属于防冻取水装置技术领域，特别是一种防冻效果好、可靠性高的防冻深水井。
背景技术
随着我国西部大开发及边防建设的需要，在一些高海拔，冬季气候严寒，环境条件恶劣的地区，需要开设供水水源井。有些水源井需要穿过多年冻土层(永冻层)，以开采多年冻土层以下含水层中的水。这类水井多数是承压水井，水井的动、静水位会上升到多年冻土层范围内。当水井内水泵供水量超过用户用水需求时，为节约水资源、减少能耗，水泵会自动停止工作。当停泵时间较长时，由于井内水的热量不断向多年冻土层散失，导致多年冻土层区域井壁管、水泵或气提取水管、出水管整体冻结，无法出水。由于夏季的地表热量无法传递到多年冻土层，水井一旦结冰，往往无法修复。高原高寒地区打井造价很高，已发生多起造价百万元以上的水井结冰、报废的事故。
现有水井防冻方法主要是电伴热技术，如中国实用新型专利申请“基于微型计算机控制的油田水井防冻装置”(申请号：201420058022.9，公开日：2014.05.22),通过在水井出水管上加保温感应线圈，利用通电加热方式，解决现有油田水井的导出管容易在冬季发生冻堵事故的问题。中国发明专利申请“注水井测试配套用防喷管和电缆的防冻工艺”(申请号：201110222550.4，公开日：2012.01.11)，其基本原理也是通过通电加热来解决水井出水管的防结冰问题。现有水井防冻方法都是解决冬季暴露在空气中或埋在融冻层(即冬季结冻，夏季融冻，无多年冻土层地区一般也称冻土层，深度一般在2～3米以内)中管道的防冻问题。而多年冻土层的深度一般在几十至一、二百米。
现有技术存在的问题是：处在多年冻土层中的深水井防冻效果差、可靠性低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防冻深水井，防冻效果好、可靠性高。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种防冻深水井，包括向下穿过多年冻土层到达含水层的井壁管、置于所述井壁管内的抽水装置、以及与抽水装置的出口相通的供水阀，还包括与所述抽水装置出口相通的供气阀，所述供气阀的另一端与高压气源相通。
在抽水装置停止工作期间，利用高压气源，将抽水装置和井壁管内的水位压至多年冻土层以下。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
1、施工方便、造价低。如采用电伴热技术解决多年冻土层管井防冻，伴热电缆需埋设到地下几十至上百米，施工非常困难，造价高。本发明无需改变管井的结构和钻井工艺。
2、系统简单、运行费用低。电伴热技术的防冻原理是提供足够的热量来防冻，需要一直供电，耗电量大。本发明的防冻水井主要使用设备就是一台工程上常用的普通工作压力的空压机，系统简单，技术成熟可靠。空压机启动次数少，运行费用很低。
3、环境适应性强、管理方便。开采多年冻土层以下含水层水源的场合，往往因地理位置偏僻，市电供应困难，一般为自备柴油发电机组定时供电。电伴热技术需要保持电力的连续供应，对电力供应要求高。本发明设有储气罐，空压机短时间工作一次后，能满足较长时间内管井内空气隔断的需求，对供电要求低，环境适应性强。系统中阀门的启闭、水泵及空压机的启停等，很容易设计成自动运行模式，管理方便。
4、防冻效果好，可靠性高。本发明防冻深水井的防冻原理是隔离，即将可能结冻的管段在水井停止抽水期间，用压缩空气将位于水井出水管路中的水排尽，将位于多年冻土层中的水井管段中的水位压低至非多年冻土层。由于在多年冻土层区域没有了水，所以不会结冰。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明防冻深水井方案一水泵抽水时的水位状态。
图2为本发明防冻深水井方案一水泵停止工作后，水井中水位被压缩空气压至多年冻土层以下时的状态。
图3为本发明防冻深水井方案二气提取水时的水位状态。
图4为本发明防冻深水井方案二气提取水装置停止取水时，水井中水位被压缩空气压至多年冻土层以下时的状态。
图中，1高压气源，2供气阀，3放气阀，4供水阀，5出水管，6井壁管，7抽水装置，71取水管，72气提供气管，73气提供气阀，8融冻层，9多年冻土层，10含水 层，11不透水层，12井内水位线。
具体实施方式
本发明防冻深水井的基本原理在于：在抽水装置停止工作期间，利用高压气体，将水井内的水位压至多年冻土层以下。
为降低成本和使用方便，所述高压气体为压缩空气。
上述原理可以与深井泵或与气提取水装置配合使用。与深井泵配合使用实现方式如下：
如图1所示，本发明防冻深水井实现方案一，包括向下穿过多年冻土层9到达含水层的井壁管6、置于所述井壁管6内的深井泵7、以及与深井泵7的出口相通的供水阀4，还包括与所述深井泵7出口相通的供气阀2，所述供气阀2的另一端与高压气源-带储气罐空压机相通。还包括放气阀3，所述放气阀3的进口与上端密闭的井壁管6相通，其出口与大气相通。
所述空气压机1设有储气罐。高压气源也可采用其它能够提供高压气体的设备，如高压气瓶。
所述深井泵7可以是普通深井泵，也可以是深井潜水泵。
其工作过程如下：
如图1所示，当准备从水井抽水时，关闭供气阀2，打开放气阀3。待放气阀3中无空气排出后关闭。打开供水阀4。这时井内水位12在承压含水层水压的作用下上升，超过深井潜水泵7。启动深井潜水泵7，由于地下水有一定的温度，在水泵连续工作时，虽然井内水持续向多年冻土层散热，但由于不断有含水层中水的补充，散热不会致使井内水结冰，水泵能正常工作。水井内水位状态如图1所示。
如图2所示，当停止抽水，关闭深井潜水泵7后，关闭供水阀4，打开供气阀2，启动空压机1。压缩空气通过水泵出水管5及井壁管6进入水井内，将井内水位12压回至多年冻土层以下含水层。这时位于多年冻土层区域的深井潜水泵7、水泵出水管5及井壁管6内均无水，从而可防止结冻
与气体取水装置配合使用实现方式如下：
如图3所示，本发明防冻深水井实现方案二，包括向下穿过多年冻土层9到达含水层的井壁管6、置于所述井壁管6内的抽水装置7、以及与抽水装置7的出口管5相通 的供水阀4和供气阀2。
所述抽水装置7为气提取水机构。所述气提取水机构包括取水管71、气提供气管72、气提供气阀73和空气压缩机1，所述气提供气管72一端与取水管71下部相通，另一端通过气提供气阀73与空气压缩机1相通，所述供气阀2一端与所述取水管71的出口管5相通，其另一端与空气压缩机1相通。
其工作过程如如图3所示：
第一步，井内水位上升。供气阀2关闭、气提供气阀73关闭，供水阀4开启，井内水位12在承压含水层水压的作用下上升，淹没水井取水管下端口。
第二步，气提取水。供水阀4继续保持开启状态，供气阀2关闭、气提供气阀73开启，取水管下端的水与空气混合，比重减小，在井内水静压及空气压力的共同作用下上升至地面以上，实现水井取水。
第三步，停止取水，降低井内水位。供水阀4关闭，供气阀2、气提供气阀73开启，压缩空气通过取水管5和气提供气管72，将井内水位12压回至多年冻土层以下含水层，水井处于防冻状态。如图4所示。
空压机储气罐容积根据溶气损耗、气体管路损耗及水泵停止工作的最长周期计算确定。空压机的工作压力，主要取决于承压含水层在水压的作用下，在水井内上升的超过含水层上边界的高度，与水井所处的水文地质条件有关，但不等同于水井的深度。根据一般水井钻探经验，这个水位上升高度多数在20m～50m。为本发明配套的空压机需要的压力一般小于0.8MPa，属于普通压力空压机，设备容易选购，造价较低。空压机供气量根据冻土层以上井壁管内总容积及充气要求的时间计算确定。
空压机的启停，阀门的开关等，采用简单的压力开关等技术即可控制，属于比较传统、成熟的给水排水系统控制技术。
根据本发明的技术方案，在技术上是可行的，装置的造价也比较低，可以花较小的代价，解决大问题。