CN105445053B - 一种浅表层球阀式保真深海沉积物取样器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地表钻进取样设备领域，旨在提供一种浅表层球阀式保真深海沉积物取样器。该种浅表层球阀式保真深海沉积物取样器包括重力取样机构、密封机构、缓冲机构，重力取样机构包括保压筒机构、锁舌机构、气体补偿筒机构，密封机构包括上封口密封机构、下球阀密封机构，缓冲机构包括承重底板和框架顶板。本发明将样品管置于保压筒内，简化了取样器结构，同时样品管上下两端具备密封功能，尤其是下端球阀式密封结构，利用机械原理触发，结构紧凑，工作稳定，操作难度大大降低，成功率大大提高。

Description

一种浅表层球阀式保真深海沉积物取样器

技术领域

本发明是关于地表钻进取样设备领域，特别涉及一种浅表层球阀式保真深海沉积物取样器。

背景技术

由于天然气水合物独特的物理性质，其勘探与开采一直是国际难题，国外已经进入商业开采阶段，而我国刚刚起步，尚处于勘探初期。在以往的取样过程中，水合物样品在到达水面之前已经部分或者全部分解。为对取回的水合物样品进行保存或者实验，在收集过程中，样品需保持取样处的温度和压力状态。为了满足以上保存条件，用于取样的设备和保存工具需要满足保温保压功能，即保真功能，因此对取样器的密封方式、密封强度、结构等提出了较高要求。

目前国内外常用保真取样技术主要包括：国际深海钻探计划的保压取样筒PCB、国际大洋钻探计划的保压取芯器PCS以及一体式深海沉积物取样器，现有取样器存在结构复杂，可操作性差等问题，不能满足我国海洋勘探工作的需要，因此设计一种适用于我国海洋勘探工作需要的深海沉积物取样器，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种将取样、密封、保真功能集中到一个筒体中，能解决实际取样要求，无需配置电机等机构，利用机械原理实现密封，非常适合取样深度较大工况的取样器。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种浅表层球阀式保真深海沉积物取样器，用于获取样品并进行保压，所述浅表层球阀式保真深海沉积物取样器包括重力取样机构、密封机构、缓冲机构；

所述重力取样机构包括保压筒机构、锁舌机构、气体补偿筒机构；所述保压筒机构包括外支撑筒、保压筒、样品管、卡爪机构、样品管通水盖、弹簧上座、阀座、档栅、框架支架、框架支脚、球阀托板、阀球；外支撑筒为周向开孔的圆柱筒，外支撑筒固定在弹簧上座与阀座之间，并在外支撑筒的两侧通过螺钉固定有左右档栅，档栅与设置在外部的框架支架相连；框架支脚与框架支架连接；

保压筒为空心圆柱筒，上端设有O型圈密封槽，下端设有用于设置锁舌机构的凹槽；保压筒固定在外支撑筒壁的内侧，且保压筒的下端固定在阀座上；所述阀座固定在球阀托板上，阀座内设有阀球；

样品管的上端设有样品管通水盖，用于和锁舌机构相连，样品管的下端设有台阶，用于固定卡爪机构；卡爪机构的主体为卡爪，卡爪固定在样品管下端的台阶上，取样时，样品能通过卡爪进入样品管，取样完毕，卡爪能切断样品并阻止样品回流；样品管设置在保压筒的下端，且与保压筒轴向固定，能实现竖直运动；

弹簧上座是四角为圆角的正方形板状结构，弹簧上座固定在保压筒的上端，弹簧上座的左右两端都设有突出圆环，用于固定弹簧的上端；

所述锁舌机构设置在保压筒下端的凹槽内，锁舌机构包括锁舌、锁舌推块，锁舌通过螺钉固定在保压筒的下端，锁舌推块固定在样品管通水盖的凹槽内侧，突出的锁舌能在取样时防止样品管上移，且在取样后，锁舌能通过锁舌推块顶开，使样品管上移；

所述气体补偿筒机构的主体为气体补偿筒，气体补偿筒固定在外支撑筒壁上，并与保压筒的内部相连，用于对样品管实现保压；

所述密封机构包括上封口密封机构、下球阀密封机构；

上封口密封机构包括密封圆柱体、O型圈、O型圈密封槽，密封圆柱体为锁舌推块的圆柱体部分，O型圈密封槽设在保压筒上端，O型圈置于O型圈密封槽内；上封口密封机构能实现轴向密封(利用锁舌推块的密封圆柱体作为封口，在样品管上升推力作用下，插入保压筒中心孔，通过O型圈密封)；

下球阀密封机构包括拔销顶托、拔销、弹簧、插销上块、球阀、阀球固定槽；拔销顶托为板状结构，拔销顶托的中心处设有中心通孔，中心通孔与保压筒的上端相连，拔销顶托的左右两端也分别设有侧通孔；拔销为长直圆柱体，拔销的上端固定于拔销顶托的侧通孔内，下端插入阀球支架上的凹槽中，其中阀球支架为阀球延伸部分；阀球的左右两端固定有排杆，弹簧的下端固定于排杆一端，弹簧的上端固定在弹簧上座的突出圆环上；阀球固定槽为中空的长方体固定槽，阀球固定槽的左右两侧分别设有通孔，用于固定阀球支架，阀球固定槽的下端固定于阀球托板，阀球固定槽的上端固定保压筒；下球阀密封机构能实现阀球触发密封(取样前，拔销底端插入阀球支架中，阀球支架两端排杆另一端与弹簧相连，弹簧上端固定在弹簧上座中，待样品进入样品管后，样品管通过锁舌进入保压筒中，待样品进入位置达到指定位置时，样品管下部锁舌关闭，阻止样品管向下滑落；同时样品管上端将拔销顶托顶出一定距离，拔销随拔销顶托上移，拔销下端脱离阀球支架，在弹簧预紧力作用下，阀球支架带动阀球翻转90度，实现下端密封)；

所述缓冲机构包括承重底板和框架顶板，承重底板通过框架顶板与框架支架相连，框架顶板与承重底板之间能灌充缓冲液，框架顶板的底部还设有小孔，用于提供缓冲。

作为进一步的改进，所述浅表层球阀式保真深海沉积物取样器还包括铅重，分别用于设置在球阀托板上、框架支脚处，用于为取样提供重力。

作为进一步的改进，所述样品管的管壁处涂有隔热材料，用于实现保温，且隔热材料采用陶瓷纤维(该材料具有重量轻、耐高温、隔热性能强等特点)。

作为进一步的改进，所述保压筒外部涂有隔热材料，用于实现保温，且隔热材料采用陶瓷纤维(该材料具有重量轻、耐高温、隔热性能强等特点)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明将样品管置于保压筒内，简化了取样器结构，同时样品管上下两端具备密封功能，尤其是下端球阀式密封结构，利用机械原理触发，结构紧凑，工作稳定，操作难度大大降低，成功率大大提高。

本发明能在海底获取样品并进行保压处理，当保压筒外部涂有隔热材料时，可同时实现保温功能。

本发明能利用绞车缆绳投放、回收，不需要提供其它动力源即可完成样品取样，使用成本较低，特别适合深海、远海等取样场合，实用性强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明取样后的结构示意图。

图3为本发明的球阀组件结构示意图。

图4为本发明的样品管组件结构示意图。

图中的附图标记为：1保压筒；2阀座；3阀球；4排杆；5固定螺钉；6弹簧；7弹簧上座；8插销上块；9锁舌；10样品管；11卡爪；12样品管通水盖；13锁舌推块；14框架支架；15球阀托板；16外支撑筒；17档栅；18拔销；19拔销顶托；20铅重；21承重底板；22框架顶板；23框架支脚；24球阀组件；25气体补偿筒。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1、图2所示的一种浅表层球阀式保真深海沉积物取样器，用于获取样品并进行保压，所述浅表层球阀式保真深海沉积物取样器包括重力取样机构、密封机构、缓冲机构。

所述重力取样机构包括保压筒机构、锁舌机构、气体补偿筒机构；所述保压筒机构包括外支撑筒16、保压筒1、样品管10、卡爪机构、样品管通水盖12、弹簧上座7、阀座2、档栅17、框架支架14、框架支脚23、球阀托板15、阀球3；所述外支撑筒16具体结构为周向开孔的圆柱筒，外支撑筒16固定在弹簧上座7与阀座2之间，并在外支撑筒16的两侧通过螺钉固定有左右档栅17，档栅17与设置在外部的框架支架14相连；框架支脚23处设有铅重20，用于为取样提供重力。

保压筒1具体结构为空心圆柱筒，上端设有O型圈密封槽，下端设有用于设置锁舌机构的凹槽机构，保压筒1固定在外支撑筒16壁的内侧，且保压筒1的下端固定在阀座2上；保压筒1外部涂有隔热材料，用于实现保温，且隔热材料采用陶瓷纤维，该材料具有重量轻、耐高温、隔热性能强等特点。

所述阀座2固定在球阀托板15上，阀座2内设有阀球3，球阀托板15上设有用于为取样提供重力的铅重20，具体可参考图3。

如图4所示，样品管10的上端设有样品管通水盖12，用于和锁舌机构相连，样品管10的下端设有台阶，用于固定卡爪机构；样品管10与保压筒1轴向固定，实现竖直运动。样品管10的管壁处涂有隔热材料，用于实现保温，且隔热材料采用陶瓷纤维，该材料具有重量轻、耐高温、隔热性能强等特点。

卡爪机构的主体为卡爪11，卡爪11固定在样品管10下端的台阶上；取样时，样品通过卡爪11进入样品管10，取样完毕，卡爪11能切断样品并阻止样品回流。

弹簧上座7为四角为圆角的正方形板状结构，固定于保压筒1上端，左右两端设有突出圆环，用以固定弹簧6上端。

所述锁舌机构设置在保压筒1下端的凹槽内，锁舌机构包括锁舌9、锁舌推块13，锁舌9通过螺钉固定在保压筒1的下端，锁舌推块13固定在样品管通水盖12的凹槽内侧，突出的锁舌9能在取样时防止样品管10上移，且在取样后，锁舌9能通过锁舌推块13顶开，使样品管10上移。

所述气体补偿筒机构的主体为气体补偿筒25，气体补偿筒25固定在外支撑筒16壁上，并与保压筒1的内部相连，用于对样品管10实现保压。

所述密封机构包括上封口密封机构、下球阀密封机构。上封口密封机构包括密封圆柱体、O型圈、O型圈密封槽，密封圆柱体为锁舌推块13圆柱体部分，O型圈密封槽设在保压筒1上端，O型圈置于O型圈密封槽内；此结构可实现轴向密封：利用锁舌推块13圆柱体作为封口，在样品管10上升推力作用下，插入保压筒1中心孔，通过O型圈密封。下球阀密封机构包括拔销顶托19、拔销18、弹簧6、插销上块8、密封球阀、阀球固定槽、阀球支架，拔销顶托19为板状结构，中心处设有通孔，与保压筒1相连，左右两端设有通孔，拔销18为长直圆柱体，上端固定于拔销顶托19通孔内，下端插入阀球支架上的凹槽中，其中阀球支架为阀球3延伸部分，阀球3左右两端固定有排杆4，弹簧6下端固定于排杆4一端。阀球固定槽为中空长方体，左右设有通孔，用以固定阀球支架，阀球固定槽下端固定于阀球托板，上端固定保压筒1；此机构可实现阀球触发密封：取样前，拔销18底端插入阀球支架中，阀球支架两端排杆4另一端与弹簧6相连，弹簧6上端固定在弹簧上座7中，待样品进入样品管10后，样品管10通过锁舌9进入保压筒1中，待样品进入位置达到指定位置时，样品管10下部锁舌9关闭，阻止样品管10向下滑落；同时样品管10上端将拔销顶托19顶出一定距离，拔销18随拔销顶托19上移，拔销18下端脱离阀球支架，在弹簧预紧力作用下，阀球3翻转90度，实现下端密封。

所述缓冲机构包括承重底板21和框架顶板22，样品管10上升预定距离后，框架支脚23接触海底，为防止样品管10与海底激烈碰撞，特别设计缓冲机构。承重底板21通过框架顶板22与框架支架14相连，框架顶板22与承重底板21之间预先充满缓冲液，框架顶板22的底部还设有小孔。在框架支脚23接触海底时，承重底板21与样品管10持续下沉，由于缓冲液的缓冲作用，下沉速度维持稳定，大大减少了突然减速对机构的损害。

本发明实现密封的关键技术为：

1、样品管上封口密封：上端采用轴向密封，利用锁舌推块13圆柱体作为封口，在样品管10上升推力作用下，插入保压筒1中心孔，通过O型圈密封。

2、样品管下封口密封：下端采用阀球3触发密封，待样品进入样品管10后，样品管通水盖12被锁舌9卡住，待样品塞满样品管10时，锁舌推块13上移，使得锁舌9打开，样品管10通过锁舌9进入保压筒1中，待进入位置达到指定位置时，样品管10下部锁舌9关闭，阻止样品管10向下滑落；同时样品管10上端将拔销顶托19顶出一定距离，拔销18随拔销顶托19上移，拔销18下端脱离阀球固定槽，在弹簧6预紧力作用下，阀球3翻转90度，实现下端密封。

3、缓冲液缓冲技术：为防止样品管10与海底激烈碰撞，特别设计缓冲机构。其中框架顶板22与承重底板21之间预先充满缓冲液，框架顶板22底部设有小孔，在框架支脚23接触海底时，承重底板21与样品管10持续下沉，由于缓冲液的缓冲作用，下沉速度维持稳定，大大减少了突然减速对机构的损害。

本发明工作时，具体过程如下：

将本发明垂直放入海面，在铅重20的作用下垂直下落，在样品管10到达海底后，触动样品管卡爪11张开取样，待样品进入样品管10后，样品管10上移，当上移至框架支脚23接触海底位置时，承重底板21与样品管10持续下沉，由于缓冲液的缓冲作用，下沉速度维持稳定。此后样品管通水盖12被锁舌9卡住，待样品塞满样品管10时，锁舌推块13上移，使得锁舌9打开，样品管10通过锁舌9进入保压筒1中，待进入位置达到指定位置时，锁舌推块13圆柱部分与到达O型圈密封槽位置实现上端密封。在设备下落过程以及取样过程中，作为压力补偿器的气体补偿筒25安装在外支撑筒16上与样品管10内部通过管路相连，以保证样品压力从而实现保真取样。在取样完成后，通过绞车回收样品管10，在将样品管10向上提起过程中，样品管10下端卡爪11合拢，将样品切断，使得样品与沉积物分离，样品管10下部锁舌9关闭，阻止样品管10向下滑落；同时样品管10上端将拔销顶托19顶出一定距离，拔销18随拔销顶托19上移，拔销18下端脱离阀球固定槽，在弹簧6预紧力作用下，阀球3翻转90度，实现下端密封，密封住上下两个封口，从而实现沉积物的保真取样。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种浅表层球阀式保真深海沉积物取样器，用于获取样品并进行保压，其特征在于，所述浅表层球阀式保真深海沉积物取样器包括重力取样机构、密封机构、缓冲机构；

所述重力取样机构包括保压筒机构、锁舌机构、气体补偿筒机构；所述保压筒机构包括外支撑筒、保压筒、样品管、卡爪机构、样品管通水盖、弹簧上座、阀座、档栅、框架支架、框架支脚、球阀托板、阀球；外支撑筒为周向开孔的圆柱筒，外支撑筒固定在弹簧上座与阀座之间，并在外支撑筒的两侧通过螺钉固定有左右档栅，档栅与设置在外部的框架支架相连；框架支脚与框架支架连接；

保压筒为空心圆柱筒，上端设有O型圈密封槽，下端设有用于设置锁舌机构的凹槽；保压筒固定在外支撑筒壁的内侧，且保压筒的下端固定在阀座上；所述阀座固定在球阀托板上，阀座内设有阀球；

样品管的上端设有样品管通水盖，用于和锁舌机构相连，样品管的下端设有台阶，用于固定卡爪机构；卡爪机构的主体为卡爪，卡爪固定在样品管下端的台阶上，取样时，样品能通过卡爪进入样品管，取样完毕，卡爪能切断样品并阻止样品回流；样品管设置在保压筒的下端，且与保压筒轴向固定，能实现竖直运动；

弹簧上座是四角为圆角的正方形板状结构，弹簧上座固定在保压筒的上端，弹簧上座的左右两端都设有突出圆环，用于固定弹簧的上端；

所述锁舌机构设置在保压筒下端的凹槽内，锁舌机构包括锁舌、锁舌推块，锁舌通过螺钉固定在保压筒的下端，锁舌推块固定在样品管通水盖的凹槽内侧，突出的锁舌能在取样时防止样品管上移，且在取样后，锁舌能通过锁舌推块顶开，使样品管上移；

所述气体补偿筒机构的主体为气体补偿筒，气体补偿筒固定在外支撑筒壁上，并与保压筒的内部相连，用于对样品管实现保压；

所述密封机构包括上封口密封机构、下球阀密封机构；

上封口密封机构包括密封圆柱体、O型圈、O型圈密封槽，密封圆柱体为锁舌推块的圆柱体部分，O型圈密封槽设在保压筒上端，O型圈置于O型圈密封槽内；上封口密封机构能实现轴向密封；

下球阀密封机构包括拔销顶托、拔销、弹簧、插销上块、球阀、阀球固定槽；拔销顶托为板状结构，拔销顶托的中心处设有中心通孔，中心通孔与保压筒的上端相连，拔销顶托的左右两端也分别设有侧通孔；拔销为长直圆柱体，拔销的上端固定于拔销顶托的侧通孔内，下端插入阀球支架上的凹槽中，其中阀球支架为阀球延伸部分；阀球的左右两端固定有排杆，弹簧的下端固定于排杆一端，弹簧的上端固定在弹簧上座的突出圆环上；阀球固定槽为中空的长方体固定槽，阀球固定槽的左右两侧分别设有通孔，用于固定阀球支架，阀球固定槽的下端固定于阀球托板，阀球固定槽的上端固定保压筒；下球阀密封机构能实现阀球触发密封；

所述缓冲机构包括承重底板和框架顶板，承重底板通过框架顶板与框架支架相连，框架顶板与承重底板之间能灌充缓冲液，框架顶板的底部还设有小孔，用于提供缓冲。

2.根据权利要求1所述的一种浅表层球阀式保真深海沉积物取样器，其特征在于，所述浅表层球阀式保真深海沉积物取样器还包括铅重，分别用于设置在球阀托板上、框架支脚处，用于为取样提供重力。

3.根据权利要求1所述的一种浅表层球阀式保真深海沉积物取样器，其特征在于，所述样品管的管壁处涂有隔热材料，用于实现保温，且隔热材料采用陶瓷纤维。

4.根据权利要求1所述的一种浅表层球阀式保真深海沉积物取样器，其特征在于，所述保压筒外部涂有隔热材料，用于实现保温，且隔热材料采用陶瓷纤维。