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CN116641687B - 利用二氧化碳驱动地下水流动的方法及装置 - Google Patents

利用二氧化碳驱动地下水流动的方法及装置 Download PDF

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CN116641687B CN202310634585.1A CN202310634585A CN116641687B CN 116641687 B CN116641687 B CN 116641687B CN 202310634585 A CN202310634585 A CN 202310634585A CN 116641687 B CN116641687 B CN 116641687B
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Abstract

本发明涉及地下水采集技术领域，具体地说，涉及利用二氧化碳驱动地下水流动的方法及装置。其包括通过调节注入井中的二氧化碳注入量，控制气液界面的位置；利用二氧化碳的高溶解度和地下水层中的压力差，实现二氧化碳在地下水层中的溶解和扩散。本发明利用二氧化碳驱动地下水流动，无需额外的能源投入，因此能够节约能源，降低能源成本，同时使用二氧化碳作为驱动介质，不会对地下水层造成破坏，同时减少了能源消耗，具有环保节能的特点，并通过控制二氧化碳注入量和流动速度，可以更加灵活地控制地下水采集过程，减少地下水过度抽采，有利于地下水资源的保护与管理。

Description

利用二氧化碳驱动地下水流动的方法及装置
技术领域
本发明涉及地下水采集技术领域，具体地说，涉及利用二氧化碳驱动地下水流动的方法及装置。
背景技术
地下水合理开采是以供水为目的，研究具有最大经济效益的开采利用地下水资源的方法，防止和避免地下水公害的发生，地下水合理开采是以供水为目的，研究具有最大经济效益的开采利用地下水资源的方法，防止和避免地下水公害的发生。
目前，地下水的开采和采集通常依赖于传统的泵送系统，然而，传统的泵送系统需要大量能源来驱动泵浦，且会导致地下水层的过度抽采和能源浪费，同时传统的地下水采集过程中，泵浦系统可能会对地下水层造成破坏，且消耗大量的能源，对环境产生负面影响，地下水采集方法常常会过度抽采地下水资源，导致地下水位下降和水质恶化。
为了应对上述问题，现亟需利用二氧化碳驱动地下水流动的方法及装置。
发明内容
本发明的目的在于提供利用二氧化碳驱动地下水流动的方法及装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明目的之一在于，提供了利用二氧化碳驱动地下水流动的方法，包括如下步骤：
S1、规划井下地下水层的注入井与采集井位置，按照规划位置进行钻井处理；
S2、将二氧化碳注入注入井，二氧化碳通过注入井渗入地下水层；
S3、二氧化碳与地下水层流经区域形成气液界面；
S4、通过调节注入井中的二氧化碳注入量，控制气液界面的位置；
S5、利用二氧化碳的高溶解度和地下水层中的压力差，实现二氧化碳在地下水层中的溶解和扩散；
S6、通过二氧化碳在地下水层中的扩散，驱动地下水流动至采集井；
S7、从采集井中采集地下水。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1中规划井下地下水层的注入井与采集井位置的方法包括如下步骤：
S1.1、选取地下水流淌上方同一平层区域，作为钻井区域；
S1.2、规划注入井与采集井相距位置范围，挑选硬质土壤区域作为钻井点；
S1.3、根据地下水流速与其流宽，规划适配的注入井与采集井面积。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1.3中的规划适配的注入井与采集井面积采用适宽算法，其算法公式如下：
其中Marea为注入井与采集井的适配面积，ρwater为地下水流密度，Svelocity为地下水流流速，Kwidth为地下水流流宽。
作为本技术方案的进一步改进，所述S4中控制气液界面的位置的方法包括如下步骤：
S4.1、确定注入井与地下水交汇区域；
S4.2、在交汇区域配送摄像监控设备，通过摄像监控设备实时监控地下水层气液界面状态；
S4.3、向注入井注入二氧化碳，通过摄像监控设备反馈的画面信息，调控注入井中的二氧化碳注入量。
作为本技术方案的进一步改进，所述S4中的摄像监控设备采用防水红外一体化摄像机。
作为本技术方案的进一步改进，所述S6中驱动地下水流动至采集井的方法包括如下步骤：
S6.1、扩散状态下的二氧化碳渗入地下水中；
S6.2、地下水的密度随着二氧化碳不断渗入而逐渐降低，产生密度差；
S6.3、在密度差的作用下，驱动地下水从注入井周围向采集井流动。
作为本技术方案的进一步改进，所述S7从采集井中采集地下水的方法包括如下步骤：
S7.1、标记采集井水位采集刻度点；
S7.2、确定采集井水位上涨速率，预测水位到达采集刻度点的时间。
作为本技术方案的进一步改进，所述S7.2中预测水位到达采集刻度点的时间采用水位预测算法，其算法公式如下：
Svelocity×Ttime＝πR2H；
其中Svelocity为地下水流流速，Ttime为地下水注入采集井的时间，R为采集井的半径，H为采集刻度点的高度。
本发明目的之二在于，提供了应用于利用二氧化碳驱动地下水流动的方法的装置，所述S1中注入井采用注入机构进行二氧化碳注入，所述注入机构底端与地下水层保持连通，所述S1中采集井采用采集机构进行地下水采集，所述采集机构底端与地下水层保持连通，所述注入机构与所述采集机构内侧均贴合有若干贴合环。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
该利用二氧化碳驱动地下水流动的方法及装置中，利用二氧化碳驱动地下水流动，无需额外的能源投入，因此能够节约能源，降低能源成本，同时使用二氧化碳作为驱动介质，不会对地下水层造成破坏，同时减少了能源消耗，具有环保节能的特点，并通过控制二氧化碳注入量和流动速度，可以更加灵活地控制地下水采集过程，减少地下水过度抽采，有利于地下水资源的保护与管理。
附图说明
图1为本发明实施例1的整体流程图；
图2为本发明实施例1的规划井下地下水层的注入井与采集井位置的方法流程图；
图3为本发明实施例1的控制气液界面的位置的方法流程图；
图4为本发明实施例1的驱动地下水流动至采集井的方法流程图；
图5为本发明实施例1的从采集井中采集地下水的方法流程图；
图6为本发明实施例1的整体结构示意图。
图中各个标号意义为：
10、注入机构；20、采集机构；30、贴合环。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
请参阅图1-图6所示，本实施例目的之一在于，提供了利用二氧化碳驱动地下水流动的方法，包括如下步骤：
S1、规划井下地下水层的注入井与采集井位置，按照规划位置进行钻井处理；
S2、将二氧化碳注入注入井，二氧化碳通过注入井渗入地下水层；
S3、二氧化碳与地下水层流经区域形成气液界面；
S4、通过调节注入井中的二氧化碳注入量，控制气液界面的位置；
S5、利用二氧化碳的高溶解度和地下水层中的压力差，实现二氧化碳在地下水层中的溶解和扩散；
S6、通过二氧化碳在地下水层中的扩散，驱动地下水流动至采集井；
S7、从采集井中采集地下水。
在进行地下水采集过程中，首先，规划井下地下水层的注入井与采集井位置，按照规划位置进行钻井处理，将注入井作为后期注入二氧化碳的输入端，而采集井作为地下水渗出的输出端，随后将二氧化碳注入注入井，二氧化碳通过注入井渗入地下水层，由于二氧化碳在水中具有高溶解性，但溶解量低于注入量，此时二氧化碳与地下水层流经区域形成气液界面，操作人云通过调节注入井中的二氧化碳注入量，控制气液界面的位置，随着二氧化碳的不断注入，利用二氧化碳的高溶解度和地下水层中的压力差，实现二氧化碳在地下水层中的溶解和扩散，由于二氧化碳在地下水中的溶解和扩散，形成的溶解态二氧化碳会减少地下水的密度，产生一个密度差，驱动地下水从注入井周围向采集井流动，采集井通过井筒与地下水层相连，地下水在压力和流动的作用下自动流入采集井，从而实现地下水的采集。
本发明利用二氧化碳驱动地下水流动，无需额外的能源投入，因此能够节约能源，降低能源成本，同时使用二氧化碳作为驱动介质，不会对地下水层造成破坏，同时减少了能源消耗，具有环保节能的特点，并通过控制二氧化碳注入量和流动速度，可以更加灵活地控制地下水采集过程，减少地下水过度抽采，有利于地下水资源的保护与管理。
进一步的，S1中规划井下地下水层的注入井与采集井位置的方法包括如下步骤：
S1.1、选取地下水流淌上方同一平层区域，作为钻井区域；
S1.2、规划注入井与采集井相距位置范围，挑选硬质土壤区域作为钻井点；
S1.3、根据地下水流速与其流宽，规划适配的注入井与采集井面积。
在进行注入井与采集井位置规划过程中，首先需要定位地下水流淌方向，根据地下水流淌方向，确定其地面对应的平层区域，即与地下水流向相同，随后选取地下水流淌上方同一平层区域，作为钻井区域，防止注入井与采集井井口出现高低差，影响后期的二氧化碳的注入，随后规划注入井与采集井相距位置范围，挑选硬质土壤区域作为钻井点，防止地质松散的区域进行钻井，很容易在注入二氧化碳过程中因压力差改变，导致出现注入井与采集井垮塌现象，随后根据地下水流速与其流宽，规划适配的注入井与采集井面积，从而提高注入井与采集井与地下水的适配效果，减少无关因素对地下水流产生的影响。
再进一步的，S1.3中的规划适配的注入井与采集井面积采用适宽算法，其算法公式如下：
其中Marea为注入井与采集井的适配面积，ρwater为地下水流密度，Svelocity为地下水流流速，Kwidth为地下水流流宽。
具体的，S4中控制气液界面的位置的方法包括如下步骤：
S4.1、确定注入井与地下水交汇区域；
S4.2、在交汇区域配送摄像监控设备，通过摄像监控设备实时监控地下水层气液界面状态；
S4.3、向注入井注入二氧化碳，通过摄像监控设备反馈的画面信息，调控注入井中的二氧化碳注入量。
在进行气液界面的位置控制过程中，首先需要确定注入井与地下水交汇区域，即注入井与地下水接通位置，随后在交汇区域配送摄像监控设备，通过摄像监控设备实时监控地下水层气液界面状态，调取对应的地下水气液界面实时图像，从而确定地下水气液界面状态，后期向注入井注入二氧化碳时，通过摄像监控设备反馈的画面信息，调控注入井中的二氧化碳注入量，保证二氧化碳注入量能够满足地下水气液界面状态，提高二氧化碳适配效果。
此外，S4中的摄像监控设备采用防水红外一体化摄像机，与传统摄像机相比，红外一体机体积小巧、美观，在安装方面具有优势，比较方便，其电源、视频、控制信号均有直接插口，不似传统摄像机有麻烦的连线，一体化摄像机室外型都具有防水功能，而传统摄像机需和云台、防护罩配合使用才可以达到防水的功能，在对交汇区域进行监控过程中，能够保证设备正常运行，实时采集交汇区域图像，防止漏水现象的发生。
除此之外，S6中驱动地下水流动至采集井的方法包括如下步骤：
S6.1、扩散状态下的二氧化碳渗入地下水中；
S6.2、地下水的密度随着二氧化碳不断渗入而逐渐降低，产生密度差；
S6.3、在密度差的作用下，驱动地下水从注入井周围向采集井流动。
由于二氧化碳在水中具有溶解性与扩散性，注入井内的二氧化碳会随着地下水水流方向流动，并不断融入地下水内，促使地下水与二氧化碳接触区域与未接触区域形成密度差，这个密度差会提供给地下水流流动一个趋向力，促使地下水顺着流动方向向采集井流动，随后操作人员观察采集井采集水流深度，及时对地下水进行采集处理。
进一步的，S7从采集井中采集地下水的方法包括如下步骤：
S7.1、标记采集井水位采集刻度点；
S7.2、确定采集井水位上涨速率，预测水位到达采集刻度点的时间。
在进行采集井地下水的采集工作中，首先，需要提前标记采集井水位采集刻度点，该刻度点即为地下水采集初始点，随后确定采集井水位上涨速率，预测水位到达采集刻度点的时间，提前准备采集设备，并在采集过程中保证采集水量始终与采集井水位上涨速率一致，维持采集井与地下水形成的压力差，保证采集井能够源源不断的接收地下水。
再进一步的，S7.2中预测水位到达采集刻度点的时间采用水位预测算法，其算法公式如下：
Svelocity×Ttime＝πR2H；
其中Svelocity为地下水流流速，Ttime为地下水注入采集井的时间，R为采集井的半径，H为采集刻度点的高度。
本实施例目的之二在于，提供了应用于利用二氧化碳驱动地下水流动的方法的装置，S1中注入井采用注入机构10进行二氧化碳注入，注入机构10底端与地下水层保持连通，S1中采集井采用采集机构20进行地下水采集，采集机构20底端与地下水层保持连通，注入机构10与采集机构20内侧均贴合有若干贴合环30，通过注入机构10以及采集机构20导通地面与地下水层，形成用于进行二氧化碳注入的注入井以及进行地下水流收集的采集井，当二氧化碳通过注入机构10注入至地下水流后，利用二氧化碳的高溶解度和地下水层中的压力差，实现二氧化碳在地下水层中的溶解和扩散，此时二氧化碳在地下水中的溶解和扩散，形成的溶解态二氧化碳会减少地下水的密度，产生一个密度差，驱动地下水从注入机构10周围向采集井流动，采集机构20通过井筒与地下水层相连，地下水在压力和流动的作用下自动流入采集机构20，同时注入机构10与采集机构20内侧均贴合有若干贴合环30，通过贴合环30对注入机构10与采集机构20内侧进行贴合，维持其内壁土壤紧度，防止发生塌方。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.利用二氧化碳驱动地下水流动的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、规划井下地下水层的注入井与采集井位置，按照规划位置进行钻井处理；
S2、将二氧化碳注入注入井，二氧化碳通过注入井渗入地下水层；
S3、二氧化碳与地下水层流经区域形成气液界面；
S4、通过调节注入井中的二氧化碳注入量，控制气液界面的位置；
S5、利用二氧化碳的高溶解度和地下水层中的压力差，实现二氧化碳在地下水层中的溶解和扩散；
S6、通过二氧化碳在地下水层中的扩散，驱动地下水流动至采集井；
S7、从采集井中采集地下水；
其中，二氧化碳在地下水中的溶解和扩散，形成的溶解态二氧化碳减少地下水的密度，产生一个密度差，驱动地下水从注入井周围向采集井流动，采集井通过井筒与地下水层相连，地下水在压力和流动的作用下自动流入采集井，以实现地下水的采集；
所述S1中规划井下地下水层的注入井与采集井位置的方法包括如下步骤：
S1.1、选取地下水流淌上方同一平层区域，作为钻井区域；
S1.2、规划注入井与采集井相距位置范围，挑选硬质土壤区域作为钻井点；
S1.3、根据地下水流速与其流宽，规划适配的注入井与采集井面积；
所述S1.3中的规划适配的注入井与采集井面积采用适宽算法，其算法公式如下：
；
其中Marea为注入井与采集井的适配面积，ρwater为地下水流密度，Svelocity为地下水流流速，Kwidth为地下水流流宽；
所述S7从采集井中采集地下水的方法包括如下步骤：
S7.1、标记采集井水位采集刻度点；
S7.2、确定采集井水位上涨速率，预测水位到达采集刻度点的时间；
所述S7.2中预测水位到达采集刻度点的时间采用水位预测算法，其算法公式如下：
Svelocity×Ttime＝πR2H；
；
其中Svelocity为地下水流流速，Ttime为地下水注入采集井的时间，R为采集井的半径，H为采集刻度点的高度。
2.根据权利要求1所述的利用二氧化碳驱动地下水流动的方法，其特征在于：所述S4中控制气液界面的位置的方法包括如下步骤：
S4.1、确定注入井与地下水交汇区域；
S4.2、在交汇区域配送摄像监控设备，通过摄像监控设备实时监控地下水层气液界面状态；
S4.3、向注入井注入二氧化碳，通过摄像监控设备反馈的画面信息，调控注入井中的二氧化碳注入量。
3.根据权利要求2所述的利用二氧化碳驱动地下水流动的方法，其特征在于：所述S4中的摄像监控设备采用防水红外一体化摄像机。
4.根据权利要求1所述的利用二氧化碳驱动地下水流动的方法，其特征在于：所述S6中驱动地下水流动至采集井的方法包括如下步骤：
S6.1、扩散状态下的二氧化碳渗入地下水中；
S6.2、地下水的密度随着二氧化碳不断渗入而逐渐降低，产生密度差；
S6.3、在密度差的作用下，驱动地下水从注入井周围向采集井流动。
5.应用于包括权利要求1-4中任意一项所述的利用二氧化碳驱动地下水流动的方法的装置，其特征在于：所述S1中注入井采用注入机构(10)进行二氧化碳注入，所述注入机构(10)底端与地下水层保持连通，所述S1中采集井采用采集机构(20)进行地下水采集，所述采集机构(20)底端与地下水层保持连通，所述注入机构(10)与所述采集机构(20)内侧均贴合有若干贴合环(30)。
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