устройство для водоподъема из глубоких артезианских скважин и способ водоподъема с его использованием

Формула изобретения

1. Устройство для водоподъема из глубоких артезианских скважин, характеризующееся тем, что оно состоит из обсадной колонны, в нижней части которой установлены тарельчатый клапан и перфорированный фильтр, сверху колонны установлено стальное днище с клапаном сброса давления из колонны, трубой впуска сжатого воздуха с клапаном, связанным с ресивером и воздушным компрессором, и герметичной съемной пробкой с тросом, прикрепленным к тарельчатому клапану с обеспечением возможности его открывания вручную при заедании, внутри колонны по всей ее длине установлена труба с клапаном вытеснения воды из колонны с обратным клапаном и запорным вентилем на выходе из скважины.

2. Способ водоподъема из глубоких артезианских скважин путем вытеснения воды сжатым воздухом с использованием устройства по п.1, характеризующийся тем, что под давлением динамического уровня артезианского горизонта наполняют обсадную колонну порцией воды, включают компрессор, наполняют ресивер сжатым воздухом, подают в колонну сжатый воздух с давлением, соответствующим сумме высот скважины и водонапорной башни, осуществляют вытеснение воды из колонны в водонапорную башню, переводят клапан впуска сжатого воздуха в положение «закрыто», воздух из колонны выпускают через клапан сброса давления, который закрывают по окончании выхода воздуха, далее процесс «наполнения - вытеснения» повторяют.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике водозаборных устройств, в частности к подъему воды из глубоких артезианских скважин.

Известны различные способы и устройства водоподъема из артезианских скважин погружными центробежными насосами типа ЭЦВ, SP и др., центробежным насосом и эжектором (заявка РФ на изобретение №93013430/29 от 16.03.93 В.С.Буриков) и др.

Однако эти способы и устройства в связи с наличием электрического кабеля и погружных электродвигателей сложны в эксплуатации, имеют невысокую надежность и обеспечивают напор не более 281 метра водяного столба. При больших подачах воды (до 160 м³/час) масса погружной системы составляет более 400 кг, что вызывает определенные трудности при подъеме и спуске насоса и обеспечении электропитания его электродвигателя.

Известен способ подъема воды при помощи вакуума с использованием механических клапанов и управляющего поплавка (Патент России №2135747 от 27.08.99 Г.И.Кабакова).

Задачей изобретения является разработка более надежного и высоконапорного способа водоподъема без использования погружного насоса с электродвигателем.

Задача решается путем создания наземным компрессором высокого (около 20 атм.) давления воздуха, с помощью которого осуществляется выдавливание воды из скважин в водонапорную башню.

Технический эффект изобретения заключается в том, что его реализация позволит существенно повысить надежность артезианских скважин, упростить их эксплуатацию и уменьшить стоимость.

Технический результат достигается за счет того, что устройство для водоподъема из глубоких артезианских скважин состоит из обсадной колонны, в нижней части которой установлены тарельчатый клапан и перфорированный фильтр, сверху колонны установлено стальное днище с клапаном сброса давления из колонны, трубой впуска сжатого воздуха с клапаном, связанным с ресивером и воздушным компрессором, и герметичной съемной пробкой с тросом, прикрепленным к тарельчатому клапану с обеспечением возможности его открывания вручную при заедании, внутри колонны по всей ее длине установлена труба с клапаном вытеснения воды из колонны с обратным клапаном и запорным вентилем на выходе из скважины.

Технический результат достигается так же за счет того, что по способу с использованием вышеуказанного устройства под давлением динамического уровня артезианского горизонта наполняют обсадную колонну порцией воды, включают компрессор, наполняют ресивер сжатым воздухом, подают в колонну сжатый воздух с давлением, соответствующим сумме высот скважины и водонапорной башни, осуществляют вытеснение воды из колонны в водонапорную башню, переводят клапан впуска сжатого воздуха в положение «закрыто», воздух из колонны выпускают через клапан сброса давления, который закрывают по окончании выхода воздуха, далее процесс «наполнения - вытеснения» повторяют.

Схема устройства показана на чертеже.

Оно состоит из обсадной колонны 1, на которой сверху установлено стальное днище 2, с трубой впуска сжатого воздуха 3 с клапаном 4, связанным с ресивером 5, воздушным компрессором 6, клапана вытеснения воды из колонны 7 с обратным клапаном 8 и запорным вентилем 9.

В нижней части обсадной колонны установлены тарельчатый клапан 10 и перфорированный фильтр 11.

Для забора воды при ее вытеснении из обсадной колонны установлена труба 12, связывающая ее верхнюю часть с нижней. Для сброса давления воздуха из обсадной колонны на ее верхнем днище установлен клапан 13.

На случай заедания тарельчатого клапана на верхнем днище установлена герметичная съемная пробка 14 с тросом 15, прикрепленным к тарельчатому клапану 10.

Таким образом, в предлагаемом устройстве все основные агрегаты артезианской скважины расположены у ее оголовка, а в водоносном артезианском пласте в автоматическом режиме работает тарельчатый клапан 10, который при длительных перерывах в работе скважины можно вручную подготавливать к работе при помощи приспособлений 14 и 15.

Устройство работает следующим образом.

Перед включением устройства клапан 10 закрыт, а вода в обсадной колонне занимает уровень, соответствующий динамическому давлению в артезианском горизонте. Для начала работы включают компрессор 6 и наполняют ресивер 5 сжатым воздухом. Открывают клапан 4 и под давлением сжатого воздуха вытесняют порцию воды из обсадной колонны через обратный клапан 8 и запорный вентиль 9 в водонапорную башню. После этого клапан 4 переводят из положения «открыто» в положение «закрыто» и сбрасывают давление в колонне через клапан 13. Под давлением горизонта клапан 10 открывают и наполняют обсадную трубу порцией воды. Далее процесс «наполнения - вытеснения» повторяют.

Предлагаемый способ заключается в следующем: под давлением динамического уровня артезианского горизонта наполняют обсадную колонну порцией воды. Затем включают компрессор, наполняют ресивер сжатым воздухом, подают в колонну сжатый воздух с давлением, соответствующим сумме высот скважины и водонапорной башни. Осуществляют вытеснение воды из колонны в водонапорную башню. Клапан впуска сжатого воздуха переводят в положение «закрыто». Воздух из колонны выпускают через клапан сброса давления, который закрывают по окончании выхода воздуха. Далее процесс «наполнения - вытеснения» повторяют.

Пример (расчетный)

Берут обсадную колонну внутренним диаметром 300 мм и высотой 100 м, оборудованную описанными элементами, установленными на верхнем и нижнем днище колонны. Давление в артезианском горизонте принимают равным 3 атм., что является средним значением для многих скважин.

Для расчета производительности устройства определяют временные характеристики:

а) Наполнение устройства водой.

Автоматически заполняют колонну водой до уровня 3 метров, что соответствует 210 литрам воды. Берут тарельчатый клапан диаметром 150 мм и площадью проходного сечения 0,0176 м². Определяют скорость истечения воды при наполнении через тарельчатый клапан по формуле

где - коэффициент гидравлического сопротивления, равный 0,8;

Р - перепад давления, равный 3 атм.;

- удельная масса воды, равная 1000 кг/м ³.

Подставляя, получим:

Вычисляют расход воды по формуле:

G _H=W_H·F_H · ,

где F_H - площадь проходного сечения тарельчатого клапана, равная 0,0176 м ².

Получают:

G_H=27.4·0.0176·1000=482 кг/сек.

Определяют время наполнения по формуле

где М - масса порции воды в колонне, равная 210 кг.

Получают:

б) Вытеснение воды из устройства.

Вытесняют воду из устройства при перепаде давления, равном 8 атм., при этом абсолютное давление в колонне равно 20 атм. (10 атм. - столб воды в колонне, 2 атм. - столб воды в водонапорной башне, 8 атм. - перепад давления).

Получают скорость истечения при вытеснении при =0,9

а расход воды через вытеснительную трубу диаметром 75 мм и проходным сечением 0,0044 м²

G_B=42·0.0044·1000=185 кг/сек.

при времени вытеснения

Таким образом, общее время процесса «наполнение-вытеснение» будет равно 1,56 сек.

Значит за один час устройство сделает - 3600: 1,56=2300 циклов.

Получают производительность устройства:

Артезианский центробежный насос типа ЭЦВ для обсадной колонны такого же диаметра, как в настоящей заявке, имеет производительность 160 м³/час, т.е. предлагаемое устройство имеет в 3 раза большую производительность, чем соответствующий насосный аналог.

При этом следует учитывать, что предлагаемое устройство характеризуется простотой конструкции и обслуживания и высокой надежностью в связи с отсутствием погружных электрических агрегатов.