CN105954063A - 一种海底孔隙水采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海底孔隙水采集装置，包括：采样柱，由多个采样瓶首尾相连构成，每个采样瓶内部设置有两个密封且独立的储样室，每个储样室的一端设置有与采样瓶外部相通且受电磁阀控制的通道，在通道的开口端设置有过滤层；控制桶，安装在采样柱的一端，包括密封的操作室，和安装在操作室内的控制采样瓶工作的控制单元，以及为控制单元提供电力的蓄电单元；控制单元在取样时，根据预定条件控制每个采样瓶的两个电磁阀间隔一定时间打开，以实现依次取样。本发明通过两个储样室先后收集样品的方式，能够使第二个储样室内的样品避免受到海水的污染，提高孔隙水样品的分辨率，为精细探测天然气水合物地球化学特征提供技术支撑。

Description

一种海底孔隙水采集装置

技术领域

本发明涉及海底地质研究领域，特别是涉及一种能够提取海底无污染原位孔隙水的采集装置。

背景技术

在水合物成藏区，由于地下介质普遍存在压力和温度以及浓度和组分上的差异，水合物形成或分解过程中释放的烃类气体和流体通过动态运移，可在其上覆海底沉积物、孔隙水以及底层海水中形成烃类异常和其他地球化学异常效应，大量的实践证明孔隙水和底层海水中烃类气体(如甲烷)及其它气体(如H2S)的异常是识别天然气水合物存在的重要标识之一，通过现场跟踪海水和孔隙水中CH4、H2S等气体的异常分布和运动，可为快速、高效地探查天然气水合物资源提供线索和依据。

现有的采集装置一般包括一个用于收集孔隙水的采集腔，和受电磁阀控制与采集腔连接的进入口。这样的结构易受海水污染，不能保持原位孔隙水的纯度。此外，受材料和结构影响，电磁阀等部件也易受海水腐蚀，导致寿命较低。

发明内容

本发明的目的是要提供一种能够减少取样水污染的海底孔隙水采集装置。

特别地，本发明提供一种海底孔隙水采集装置，包括：

采样柱，由多个采样瓶首尾相连构成，每个所述采样瓶内部设置有两个密封且独立的储样室，每个所述储样室的一端设置有与所述采样瓶外部相通且受电磁阀控制的通道，在所述通道的开口端设置有过滤层；

控制桶，安装在所述采样柱的一端，包括密封的操作室，和安装在所述操作室内的控制所述采样瓶工作的控制单元，以及为所述控制单元提供电力的蓄电单元；

所述控制单元在取样时，根据预定条件控制每个所述采样瓶的两个电磁阀间隔一定时间打开，以实现依次取样。

进一步地，在所述控制桶的一侧设置有底水采样装置，所述底水采样装置包括多个并排固定且轴线与所述采样柱轴线垂直的采水瓶，和控制所述采水瓶内压力的压力平衡筒和负压筒，所述采水瓶包括空心的壳体，和分别位于所述壳体内两端的抽提活塞、缓冲活塞，在所述抽提活塞一端的壳体上设置有分别与所述壳体内相通的出水口和进水口，在所述抽提活塞和所述缓冲活塞之间的所述壳体上，设置有排出所述壳体内气体的排气口，和分别与所述压力平衡筒和所述负压筒连接的三通外压口。

进一步地，所述过滤层包括最外层的金属网层，和最内层的金属纤维烧结毡层，以及位于两层之间的聚合型复合过滤膜。

进一步地，所述控制桶的直径大于所述采样柱的直径，在所述控制桶与所述采样柱连接一端的外侧，安装有向所述采样柱方向凸出的稳定板，所述稳定板在所述控制桶的周长上间隔设置。

进一步地，在所述控制桶上设置有向所述采样柱方向延伸并与所述采样柱平行的触发杆，所述触发杆的长度大于所述稳定板的长度，所述触发杆内设置有霍尔触发装置，所述霍尔触发装置包括伸出所述触发杆顶端且可轴向运动的移动杆，在所述移动杆位于所述触发杆内部的一端端头上安装有磁铁，在所述触发杆内与所述磁铁相对的位置设置有霍尔开关元件，在所述触发杆内设置有对所述移动杆施加推向所述触发杆外部的弹簧，所述霍尔开关元件的信号线路与所述控制单元连接。

进一步地，所述储样室内与所述通道相对的一端设置有压力缓冲室，以调整所述储样室的内部压力，所述压力缓冲室包括调节活塞，和位于所述调节活塞与所述储样室的端头之间的调节弹簧。

进一步地，所述储样室的侧壁上设置有与所述采样瓶外部相通的取样孔，在所述取样孔内设置有真空阀。

进一步地，还包括取出所述采样瓶和所述取水瓶内样品的取样瓶，所述取样瓶包括盛装样品的瓶体和密封所述瓶体的瓶盖，在所述瓶盖上设置有三个分别与所述瓶体相通的连接口，包括用于抽真空的抽气口，用于和所述采样瓶或所述采水瓶连接的取样口，以及排出样品的排样口。

进一步地，在所述控制桶的外侧还设置有与所述控制单元连接的可视装置，所述可视装置包括能够监测采样过程的水下摄像机。

进一步地，在所述控制桶处还设置有维持平衡及增加重量的配重块。

本发明的采集装置可同时采集20个原位孔隙水样品，原位孔隙水采样深度不少于8m，采样间距0.4m，单个样品采样量不少于100ml。通过两个储样室先后收集样品的方式，能够使第二个储样室内的样品避免受到海水的污染，提高孔隙水样品的分辨率，为精细探测天然气水合物地球化学特征提供技术支撑。

此外，本发明还可以同时采集3个底层海水样品，实现海底以上0.6m原位分层底层水采集，采样间距0.3m，单个样品采样量不少于200ml。通过对海水异常的有效组分进行对比分析，可方便开展天然气水合物流体地球化学特征研究。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的海底孔隙水采集装置的结构示意图；

图2是图1中采样瓶的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的底水采样装置的结构示意图；

图4是图1中采水瓶的结构示意图；

图5是图1是霍尔触发装置结构示意图；

图6是根据本发明一个实施例的取样瓶的结构示意图；

图中：10-控制桶、11-操作室、12-稳定板、20-采样柱、21-过滤层、22-抱箍、30-采样瓶、31-储样室、32-电磁阀、33-取样孔、34-调节活塞、35-调节弹簧、36-通道、37-储样室、38-电磁阀、39-通道、40-采水瓶、41-壳体、411-进水口、412-出水口、413-排气口、414-外压口、415-工作腔、42-抽提活塞、421-储水室、43-缓冲活塞、431-缓冲弹簧、432-缓冲室、50-触发杆、60-负压筒、70-压力平衡筒、80-霍尔触发装置、81-移动杆、82-磁铁、83-弹簧、84-霍尔开关元件、85-阻尼板、90-取样瓶、91-瓶体、92-瓶盖、93-抽气口、94-取样口、95-排样口、100-海底孔隙水采集装置。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明一个实施例的海底孔隙水采集装置100一般性地可包括用于采集不同深度孔隙水的采样柱20，和控制采样柱20工作过程的控制桶10。

该采样柱20由多个采样瓶30首尾相连构成，每个采样瓶30内部设置有两个密封且独立的储样室31、37，每个储样室31的一端设置有与采样瓶30外部相通且分别受电磁阀32、38控制的通道36、39，在通道36、39的开口端设置有过滤层21。

控制桶10安装在采样柱20的一端，包括密封的操作室11，在操作室11内安装有控制采样瓶30工作的控制单元，和为控制单元提供电力的蓄电单元。

工作时，通过线缆与控制桶10连接，然后将海底孔隙水采集装置100投入待收集的海底处，采样柱20在重力及控制桶10的作用下插入海底，插入海底后的每个采样瓶30分别位于不同的深度。控制单元根据预设条件控制每个采样瓶30的两个电磁阀32间隔一定时间打开，以进行采样。当第一个电磁阀32打开时，置留在过滤层21、通道36、电磁阀32处的海水，以及被采样柱20带下的海水和一定的孔隙水，进入第一个储样室31，当第一个储样室31装满后，或是间隔一定时间后，控制单元再打开第二个电磁阀38，此时进入第二个储样室37的都是位于该采样瓶所处深度的孔隙水。采样结束后，控制单元关闭两个电磁阀32、38，将海底孔隙水采集装置100收回，即可得到此处海底不同深度孔隙水的样品，通过对样品的分析即可得到该处天然气水合物资源的分布情况或分析依据。

本实施例通过两个储样室31、37先后收集样品的方式，能够使第二个储样室37内的样品避免受到海水的污染，提高孔隙水样品的分辨率，为精细探测天然气水合物地球化学特征提供技术支撑。

控制单元可以是水下计算机，其通过设置在采样柱20内且穿过各采样瓶30的数据线分别控制各电磁阀，既可降低线路密封要求，又可避免影响采样柱20的插入海底。

本实施例中各采样瓶30通过抱箍22实现首尾连接，换箍22可加强采样柱20的强度，并提高配重，进而提高采样柱20的采样深度，同时拆卸方便。在采样时，可以根据对不同深度孔隙水的采集要求，连接相应数量的采样瓶30。本实施例中的采样柱20可以同时连接20个采样瓶，采样深度不少于8m，采样间距0.4m，每个采样瓶的采样量不少于100ml。电磁阀为采用防腐蚀的不锈钢软磁材料制作的直动式电磁阀。

进一步地，为维持采样瓶30内的压力平衡，可以在储样室31、37内与通道36、39相对的一端设置压力缓冲室，以自动调整储样室31、37与外界的压力。该压力缓冲室包括调节活塞34和位于调节活塞34与储样室端头的调节弹簧35，当储样室31内的压力发生变化时，调节活塞34会在压力下推动调节弹簧35向储样室端头移动，或被调节弹簧35的弹力推着向通道36一端靠近。

如图3、4所示，进一步地，在本发明的一个实施例中，海底孔隙水采集装置100还可以附带底水采样装置，底水采样装置用于采集位于采集点地层上方的海水。底水采样装置安装在控制桶10的一侧，其包括多个并排固定且轴线与采样柱20轴线垂直的采水瓶40，和控制采水瓶40内压力的压力平衡筒70和负压筒60。

每个采水瓶40都为一个气密圆筒，由空心的壳体41，分别位于壳体41内两端的抽提活塞42、缓冲活塞43构成。抽提活塞42和缓冲活塞43都可以在封闭壳体31两端的同时沿轴线运动，在抽提活塞43一端的壳体41上设置有分别与壳体41内相通的出水口411和进水口412，在抽提活塞42和缓冲活塞43之间的壳体41上，设置有排出壳体41内气体的排气口413，和分别与压力平衡筒70和负压筒60连接的三通外压口414。

抽提活塞42与其靠近一端的壳体端头之间，形成一个储水室421，用于存储采样水，在该端的进水口411与储水室412之间安装一个单向水阀并加微孔过滤芯。抽提活塞42与缓冲活塞43之间形成工作腔415，外压口414和排气口413开在工作腔415靠近缓冲活塞43的一端侧壁上。壳体41安装缓冲活塞43的一端形成缓冲室432，缓冲活塞43通过设置在壳体41一端与缓冲活塞43之间的缓冲弹簧431推动其轴向运动。压力平衡筒70灌满清水，对外开放即压力等于环境压力，或再加低水压；负压筒60灌满空气或抽真空。采水瓶40外压口414通过一个三通阀选择接入水箱、负压筒或关闭。

采样瓶40的工作过程如下：在下水采样前，通过给外压口414注水将抽提活塞42推到储水室421最右侧，下水后缓冲室421和工作腔415均与外部连通。到达采样位置后采水瓶40外压口414接通负压筒60，工作腔415内的水流入负压筒60形成负压，抽提活塞42在负压驱动下向左运动，抽提进水口411处的水通过过滤芯，顶开单向水阀进入储水室421，直到抽提活塞42到达储水室421左侧顶端，受到缓冲室432内缓冲活塞43的阻挡，采水过程结束。此时操纵三通阀，先将采水瓶40外压口414接通压力平衡筒70，再关闭外压口414，储水室421内压等于采水深度静水压强。将海底孔隙水采集装置100上提回收，随着水深减小，采水瓶40的缓冲室432内压力随外部压力降低，储水室421中压力较高的水推动缓冲活塞43左移，保持与外部压力的平衡。孔隙水样品中的水溶气因压力下降而可能释放出来的气体，也得以保存。

本实施例的采水瓶40能够实现海底以上0.6m原位分层底层水采集，采样间距0.3m，单个采水瓶40的采样量不少于200ml。

在本发明的一个实施例中，为提高过滤效果及防腐蚀，该过滤层21可以包括最外层的金属网层，和最内层的金属纤维烧结毡层，以及位于两层之间的聚合型复合过滤膜。

该金属网层可以采用材料1Cr18Ni9Ti，其对海水有很强的抗腐蚀能力，金属网层上面开有均匀的小孔，其主要作用是一方面对海底有机物或植物纤维起粗滤作用，另一方面可保护复合过滤层，以免在采样柱20下插的过程中，外环境对复合层造成损伤。

该聚合型复合过滤膜的材料有聚氯乙烯，聚脂，聚四氟乙烯，聚碳酸脂等多种聚合物。孔径可达0.01um，孔隙率最高达98％。为保证强度，本实施例中的聚合型复合过滤膜选用孔径为0.22um的带支撑的聚合膜，其过滤精度高，还具有良好的机械装配性能。

该金属纤维烧结毡层用不锈钢纤维烧结毡作为支撑层。支撑层纤维烧结毡是由316L不锈钢纤维经过高温、真空保护在烧结炉内烧结而成。经过烧结后的烧结毡强度高、结构稳定，抗腐蚀性好，因其还具有三维网状多孔结构，孔隙率高，表面积大，孔隙微小，分布均匀等特点。其可对中间层起衬托作用，有利于提高泥水分离过滤效率、加速孔隙水的流动速度、提高复合过滤层的使用寿命。

采样柱20插入海底后，控制桶10的直径大于采样柱20的直径，因此，控制桶10易受海水冲刷而带动采样柱20晃动，进而导致采样柱20的插入孔隙变大，从而沿缝隙灌入海水而污染采样水。为防止这种情况，在本发明的一个实施例中，该控制桶10的直径可以大于采样柱20的直径，在控制桶10与采样柱20连接一端的外侧，安装向采样柱20方向凸出的稳定板12，该稳定板12在控制桶10的周长上间隔设置。当采样柱20插入海底后，控制桶10下端的稳定板12即可插入海底，从而将控制桶10稳定住，防止控制桶10晃动。此外稳定板12还可以形成一个围绕采样柱20插入口的保护墙，以防止海水进入采样柱20下插后形成的孔内，避免孔隙水受到污染。

进一步地，在本实施例是中，还可以在控制桶10上设置维持平衡及重量的配重块。通过配重块即可以提高控制桶10的重量，避免被海水冲动，又可以控制采样柱20更好的扎入海底。

在本发明的一个实施例中，采样瓶30上的电磁阀受控制单元的控制开启，具体的开启方式，可以是根据海底孔隙水采集装置100落入海底后的预定时间确定，还可以是如下所限定的机械触发方式。

如图5所示，在控制桶10上设置向采样柱20方向延伸并与采样柱20平行的触发杆50，该触发杆50的长度可以大于稳定板12的长度。该触发杆50的内部设置有霍尔触发装置80，霍尔触发装置80包括伸出触发杆50顶端且可轴向运动的移动杆81，在移动杆81位于触发杆50内部的一端端头上设置有磁铁82，在触发杆50内与磁铁82相对的位置设置有霍尔开关元件84，在移动杆81上设置有对移动杆81施加推向触发杆50外部的弹簧83。该霍尔开关元件84的信号线路与控制单元连接。

当采样柱20插入海底沉积物前，移动杆81在弹簧83的弹力作用下下移伸出触发杆50外，其另一端的磁铁82距霍尔开关元件84较远，霍尔开关元件84处磁感应强度低于导通阈值BOP(工作点)，霍尔电路输出管未导通，输出高电平；当采样柱20插入海底沉积物，前端的移动杆81受到沉积物的阻挡后缩，移动杆81另一端的磁铁82上移，使霍尔开关元件84处磁感应强度高于导通阈值BOP，霍尔电路输出管导通输出低电平。霍尔电路输出管路接入控制单元的DI接口，高电平时DI＝0，低电平时DI＝1，控制单元将DI由0转成1识别为触发信号，控制单元可以根据该触发信号在预定时间后打开相应的电磁阀32、38。

当采样结束拔出采样柱20时，移动杆81在弹簧83的弹力作用下下移，磁铁82远离霍尔开关元件84，霍尔开关元件84处磁感应强度低于BRP(释放点)，电路截止输出高电平。

在本实施例中，磁铁82可以是永磁铁。移动杆81位于触发杆50外的一端可以设置直径大于移动杆81杆身或触发杆50杆身的阻尼板85，以更好的推动移动杆81运动。

为方便取出采样瓶30内的样品，可以在储样室31的侧壁上设置与采样瓶30外部相通的取样孔33，在取样孔33内设置有真空阀。当海底孔隙水采集装置100完成采集工作后，在地面上可以通过控制真空阀的开关将采样瓶30内部的样品导出。

进一步地，为防止采样瓶30在取出样品时，样品散失或被污染，可以设置取出采样瓶30和采水瓶40内样品的取样瓶90。该取样瓶90包括盛装样品的瓶体91和密封瓶体91的瓶盖92，在瓶盖92上设置有三个分别与瓶体91相通的连接口，包括用于抽真空的抽气口93，用于和采样瓶30或采水瓶40连接的取样口94，以及排出样品的排样口95。

取样瓶90在取样时，其通过取样口94与采样瓶30的取样孔33密封插接，然后利用抽气口93将取样瓶90内的空气完全抽出，此时排样口95为关闭状态，再打开取样孔33处的真空阀，采样瓶30内的样品在压力作用下，进入取样瓶90，取样完成后，再关闭取样口94，完成样品的转移。通过本实施例的取样瓶90，可以无损地将采样瓶30和采水瓶40内的孔隙水及气体转移出来，并保存。

进一步地，为方便观察取样过程，在本发明的一个实施例中，还可以在控制桶10的外侧设置与控制单元连接的可视装置(图中未示出)，该可视装置可以包括能够监测海底孔隙水采集装置100在海底下状态的水下摄像机。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种海底孔隙水采集装置，其特征在于，包括：

采样柱，由多个采样瓶首尾相连构成，每个所述采样瓶内部设置有两个密封且独立的储样室，每个所述储样室的一端设置有与所述采样瓶外部相通且受电磁阀控制的通道，在所述通道的开口端设置有过滤层；

控制桶，安装在所述采样柱的一端，包括密封的操作室，和安装在所述操作室内的控制所述采样瓶工作的控制单元，以及为所述控制单元提供电力的蓄电单元；

所述控制单元在取样时，根据预定条件控制每个所述采样瓶的两个电磁阀间隔一定时间打开，以实现依次取样。

2.根据权利要求1所述的海底孔隙水采集装置，其特征在于，

在所述控制桶的一侧设置有底水采样装置，所述底水采样装置包括多个并排固定且轴线与所述采样柱轴线垂直的采水瓶，和控制所述采水瓶内压力的压力平衡筒和负压筒，所述采水瓶包括空心的壳体，和分别位于所述壳体内两端的抽提活塞、缓冲活塞，在所述抽提活塞一端的壳体上设置有分别与所述壳体内相通的出水口和进水口，在所述抽提活塞和所述缓冲活塞之间的所述壳体上，设置有排出所述壳体内气体的排气口，和分别与所述压力平衡筒和所述负压筒连接的三通外压口。

3.根据权利要求1所述的海底孔隙水采集装置，其特征在于，

所述过滤层包括最外层的金属网层，和最内层的金属纤维烧结毡层，以及位于两层之间的聚合型复合过滤膜。

4.根据权利要求1所述的海底孔隙水采集装置，其特征在于，

所述控制桶的直径大于所述采样柱的直径，在所述控制桶与所述采样柱连接一端的外侧，安装有向所述采样柱方向凸出的稳定板，所述稳定板在所述控制桶的周长上间隔设置。

5.根据权利要求4所述的海底孔隙水采集装置，其特征在于，

在所述控制桶上设置有向所述采样柱方向延伸并与所述采样柱平行的触发杆，所述触发杆的长度大于所述稳定板的长度，所述触发杆内设置有霍尔触发装置，所述霍尔触发装置包括伸出所述触发杆顶端且可轴向运动的移动杆，在所述移动杆位于所述触发杆内部的一端端头上安装有磁铁，在所述触发杆内与所述磁铁相对的位置设置有霍尔开关元件，在所述触发杆内设置有对所述移动杆施加推向所述触发杆外部的弹簧，所述霍尔开关元件的信号线路与所述控制单元连接。

6.根据权利要求1所述的海底孔隙水采集装置，其特征在于，

所述储样室内与所述通道相对的一端设置有压力缓冲室，以调整所述储样室的内部压力，所述压力缓冲室包括调节活塞，和位于所述调节活塞与所述储样室的端头之间的调节弹簧。

7.根据权利要求2所述的海底孔隙水采集装置，其特征在于，

所述储样室的侧壁上设置有与所述采样瓶外部相通的取样孔，在所述取样孔内设置有真空阀。

8.根据权利要求7所述的海底孔隙水采集装置，其特征在于，还包括取出所述采样瓶和所述取水瓶内样品的取样瓶，所述取样瓶包括盛装样品的瓶体和密封所述瓶体的瓶盖，在所述瓶盖上设置有三个分别与所述瓶体相通的连接口，包括用于抽真空的抽气口，用于和所述采样瓶或所述采水瓶连接的取样口，以及排出样品的排样口。

9.根据权利要求1所述的海底孔隙水采集装置，其特征在于，

在所述控制桶的外侧还设置有与所述控制单元连接的可视装置，所述可视装置包括能够监测采样过程的水下摄像机。

10.根据权利要求1所述的海底孔隙水采集装置，其特征在于，

在所述控制桶处还设置有维持平衡及增加重量的配重块。