CN109406223B - 一种用于浅层含气地层的原位气样采集探头及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于浅层含气地层的原位气样采集探头及采集方法，主要由探头第一部分、探头第二部分、探头第三部分、探头第四部分、探头第五部分从下至上依次密闭连接而成；探头第一部分包括探头管A和环状透水石，探头第二部分内部填充有海绵保护体A，海绵保护体A内部设有双头注射针A，探头第三部分内安装有双口铝制真空瓶，探头第四部分内部填充有海绵保护体B，海绵保护体B内部设有双头注射针B，探头第五部分的管腔顶部设有固定磁极板、活动磁极板和单口铝制真空瓶，单口铝制真空瓶底部为瓶口，固定磁极板顶部连接有电缆线。本发明具有结构简单、便于携带等优点，搭载普通的静力触探仪，即可获取预定含气层中的原位气样。

Description

一种用于浅层含气地层的原位气样采集探头及采集方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域中的岩土工程勘察领域，尤其涉及一种用于浅层含气地层的原位气样采集探头及采集方法，对于不同气体成分和不同土质的含气地层均可适用。

背景技术

浅层气泛指埋置于地表以下1500m以内的天然气(包含有机、无机或混合成因气)，富含浅层气的地层称为含气地层。含气地层普遍分布在沼泽湿地、河口、三角洲、湖泊和海底沉积物以及含油气资源相对丰富的浅部地层中。土层中的气体主要来源于有机质在厌氧菌作用下分解形成的生物成因气和深部油气、地幔气以及岩浆活动中所产生并通过渗漏和扩散作用后经向上运移被封闭于浅表地层中的气体。浅层气在我国的江浙沿海、长江三角洲、柴达木盆地、松辽盆地、渤海湾盆地与南方滇黔粤桂地区的中小型盆地中均有不同程度赋存，其中东南沿海、长江中下游地区包括苏、浙、沪、闽、粤、琼、湘、鄂、赣等的浅层气主要分布于沿海、沿江的第四系平原中。含气地层对土木工程而言，属于一种特殊的工程地质灾害，也即浅层气地质灾害。我国著名的杭州湾跨海大桥在前期的工程勘察过程中就曾出现过浅层气体喷发燃烧导致船损人伤的事故。随着我国对地下空间开发的深入，越来越多的工程遭遇到了地下浅层气，浅层气地质灾害问题愈发突出。当工程遭遇含气或含有害气体的地层时，首先要需要查明地层中气体的来源、主要贮存层位、分布范围等，而含气地层中原位气样的获取，对于反演所建工程场地中含气土层的产气环境、产气年代和气体运移聚集过程等十分重要。因此，原位气样样品的采集质量将直接影响到测试结果的准确性，进而影响反演的合理性推断。

目前，浅层气地质区域内的现场勘察，多依赖于原位静力触探、钻探或者石油天然气部门的专业采样器。取气样方式大多采用了先钻探成孔，成孔后在地表再将取样器放入钻孔内进行气样采集。这种方式由于预先钻孔，往往会造成地层沿不同深度层位的气体以及外界空气混入，从而导致所取气样并非完全是从所预定的含气地层中获取的，可能导致不准确的化验结果。另一方面石油天然气部门的专业采样器结构复杂、价格昂贵，笨重且携带不便，一般的岩土工程勘察单位很难具备这些专业采样装备。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种用于浅层含气地层的原位气样采集探头及采集方法，本原位气样采集探头具有结构简单、便于携带等优点，搭载普通的静力触探仪，即可获取预定含气层中的原位气样；解决了目前在含浅层气地质区进行岩土工程勘察中，缺乏简便的原位气样采集装置以及取气过程中容易混有其他杂质的难题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种用于浅层含气地层的原位气样采集探头，原位气样采集探头主要由探头第一部分、探头第二部分、探头第三部分、探头第四部分、探头第五部分从下至上依次密闭连接而成；所述探头第一部分包括探头管A和套装于探头管A外部的环状透水石，所述探头管A内部具有探头管腔，所述探头管A的管壁开有若干个与探头管腔相连通的通气孔洞，所述通气孔洞的进气端与环状透水石内壁相对应接触；所述探头第二部分包括探头管B，所述探头管B内部填充有海绵保护体A，所述海绵保护体A内部固定有双头注射针A，所述双头注射针A包括上部注射针A和下部注射针A，所述下部注射针A与探头管腔相对应；所述探头第三部分包括双口铝制真空瓶，所述双口铝制真空瓶的底部瓶口上密闭安装有与上部注射针A相对应的下部硅胶塞A，所述双口铝制真空瓶的顶部瓶口上密闭安装有上部硅胶塞A；所述探头第四部分包括探头管D，所述探头管D内部填充有海绵保护体B，所述海绵保护体B内部固定有双头注射针B，所述双头注射针B包括上部注射针B和下部注射针B，所述下部注射针B与探头第三部分内双口铝制真空瓶顶部瓶口的上部硅胶塞A相对应；所述探头第五部分包括探头管E，所述探头管E的管腔顶部固定有固定磁极板，所述探头管E的管腔顶部升降活动安装有活动磁极板，所述活动磁极板位于固定磁极板下方，所述活动磁极板与固定磁极板之间连接有弹簧，所述探头管E的管腔中安装有单口铝制真空瓶，单口铝制真空瓶底部为瓶口，单口铝制真空瓶顶部与活动磁极板连接，所述单口铝制真空瓶底部的瓶口上密闭安装有第二硅胶塞，所述上部注射针B与单口铝制真空瓶底部瓶口的第二硅胶塞相对应；所述固定磁极板顶部连接有电缆线。

为了更好地实现本发明，所述探头第四部分的探头管D内壁左右对称固定有一个固定弹片，所述双头注射针B中部向外凸起有与两个固定弹片相对应的凸起部，使用时，用力下压双头注射针B，双头注射针B的两个凸起部可以迈过或通过固定弹片，并且双头注射针B的两个凸起部被卡接于两个固定弹片处而不会回弹。

作为优选，本发明还包括探杆管，所述电缆线设置于探杆管的管腔中。

作为优选，所述固定磁极板与活动磁极板之间还连接有磁极板间连线。

作为优选，所述活动磁极板底部固定有卡接套，所述单口铝制真空瓶顶部配合卡接于卡接套中；所述固定磁极板与活动磁极板之间还连接有支撑杆。

作为优选，所述探头第一部分的探头管A顶部具有第一螺纹管柱，所述探头第二部分的探头管B底部与第一螺纹管柱螺纹连接，所述第一螺纹管柱内的探头管腔顶部密闭安装有第一硅胶塞；所述探头第二部分的探头管B顶部具有第二螺纹管柱，所述探头第三部分包括探头管C，所述双口铝制真空瓶配合安装于探头管C中，所述探头管C底部与第二螺纹管柱螺纹连接；所述探头管C顶部具有第三螺纹管柱，所述探头第四部分的探头管D顶部具有第四螺纹管柱，所述探头第四部分的探头管D底部与第三螺纹管柱螺纹连接，所述探头第五部分的探头管E底部与第四螺纹管柱螺纹连接，所述单口铝制真空瓶配合安装于探头管E中。

作为优选，所述探头第一部分的探头管A底部固定有锥形形状的探头锥体。

作为优选，所述通气孔洞呈圆形，所述通气孔洞沿着探头管A的管壁呈圆周设置，所有通气孔洞从探头管A的管壁底部至管壁顶部均匀层叠设置。

作为优选，本发明还包括静力触探探杆和静力触探仪，所述静力触探探杆顶部安装于静力触探仪上，静力触探探杆由若干节所述探杆管组装而成，所述静力触探探杆底部组装有所述原位气样采集探头。

本发明原位气样采集探头分为五部分，五部分从下至上依次为探头第一部分、探头第二部分、探头第三部分、探头第四部分、探头第五部分，探头第一部分由通气孔洞、探头管腔、环状透水石、探头锥体、第一硅胶塞组成。探头第一部分的外壁为环状透水石，环状透水石可以将含气层中的泥浆颗粒阻隔在外，并且使水和气自由进入探头第一部分的探头管腔中；该空腔可暂时贮存外部进入的水和气，并初步进行水气分离(由于气比水的重量轻)；在环状透水石与探头管腔之间挖出数个通气孔洞，预定含气层的原位水和气可以通过环状透水石进入通气孔洞，然后进入探头管腔中(多个通气孔洞可以防止某些孔洞被阻塞后，外部的水和气无法通过环状透水石进入探头第一部分的探头管腔内)；第一硅胶塞位于探头第一部分的探头管腔顶部，第一硅胶塞的功能是阻止探头第一部分的探头管腔中贮存的水和气渗入探头第二部分中；整个探头第一部分主要用来从预定含气层中收集并初步贮存原位水样和气样。

探头第二部分主要由双头注射针A、海绵保护体A组成。探头第二部分底端的螺纹可以与探头第一部分顶部的第一螺纹管柱互相拧紧，探头第二部分顶部的第二螺纹管柱可以与探头第三部分底部的螺纹拧紧；双头注射针A竖直放在探头第二部分中，当双头注射针A的下部注射针A插入探头第一部分中的第一硅胶塞，双头注射针A的上部注射针A插入探头第三部分的双口铝制真空瓶的下部硅胶塞A时，可以连通探头第一部分的探头管腔和探头第三部分的双口铝制真空瓶(重量轻且不易生锈)，从而将原位水样和气样吸入双口铝制真空瓶中；海绵保护体A填充在双头注射针A的周围，对双头注射针A起固定作用，防止其位置发生偏移，同时海绵保护体A还可以对双头注射针A起支撑作用，防止其针头提前插入靠近的硅胶塞中。

探头第三部分由硅胶塞、双口铝制真空瓶(重量轻且不易生锈)组成。探头第三部分下部的螺纹结构可以与探头第二部分顶部的第二螺纹管柱互相拧紧；双口铝制真空瓶竖直放置在探头第三部分的探头管C内；双口铝制真空瓶上、下两端瓶口分别密闭安装有上部硅胶塞A和下部硅胶塞A；双口铝制真空瓶内部真空可以在与下端双头注射针A对接后，将探头第一部分的原位水样和气样吸入双口铝制真空瓶中。双口铝制真空瓶还可以实现气水分离(由于气比水的重量轻，气在顶部，水在下部)，保证在与探头第四部分的双头注射针B对接后，单口铝制真空瓶可以采集到纯净的原位气样。

探头第四部分由双头注射针B、固定弹片、海绵保护体B组成。探头第四部分底部的螺纹结构可以和探头第三部分顶部的第三螺纹柱互相拧紧，探头第四部分顶部的第四螺纹柱可以和探头第五部分底端的螺纹结构相互拧紧。探头第四部分的探头管D中间竖直放置双头注射针B，双头注射针B底部可以插入探头第三部分双口铝制真空瓶的上部硅胶塞A中，双头注射针B顶部可以插入单口铝制真空瓶下部的第二硅胶塞中，将单口铝制真空瓶和双口铝制真空瓶连通；从而使双口铝制真空瓶中已经实现气水分离并聚集在顶部的纯净原位气样通过双头注射针B吸入探头第五部分中的单口铝制真空瓶中；海绵保护体B填充在双头注射针B的周围，对双头注射针B起固定作用，防止其位置发生偏移，同时海绵保护体B还可以对双头注射针B起支撑作用，防止其针头提前插入硅胶塞中。固定弹片固定在探头第四部分的管壁内，当采样完毕需要回收探头时，可将双头注射针B卡死在固定位置，使双头注射针B的上部注射针B与探头第五部分中单口铝制真空瓶的下部的第二硅胶塞完全分离，单口铝制真空瓶完成密封，保证在回收探头过程中，其他气体不会进入单口铝制真空瓶中，确保采集到的原位气样纯净。

探头第五部分由单口铝制真空瓶(重量轻且不易生锈)、活动磁极板、卡接套、磁极板间连线、弹簧、支撑杆、固定磁极板、电缆线组成。探头第五部分底部的螺纹结构可以与探头第四部分顶端的第四螺纹柱互相拧紧；单口铝制真空瓶紧紧地卡在活动磁极板底部的卡接套上，保持单口铝制真空瓶的瓶内真空可以在与探头第四部分的双头注射针B以及探头第三部分双口铝制真空瓶对接后，将双口铝制真空瓶内气水分离后的原位纯净气样收集进单口铝制真空瓶中。活动磁极板与固定磁极板之间有弹簧相连，在弹簧中还有一根支撑杆将上下磁极板连接在一起。支撑杆提供的抗拉极限稍大于弹簧压缩产生的弹力，使活动磁极板与固定磁极板之间的弹簧保持压缩状态；活动磁极板与固定磁极板在初期保持无磁性，电缆线连通固定磁级板和可移动磁极板并延伸至地表。接通电源后，通过在地表电源操作改变电极的方法，来改变固定磁极板的磁性，以而使固定磁级板与可活动磁级板之间产生斥力；通过电源操作改变电流大小的方法，来调节斥力大小；配合弹簧的弹力，使支撑杆的拉力极限不足以对抗弹簧的弹力和磁极之间的斥力时，支撑杆被拉断，而活动磁极板获得弹力和斥力提供的动力，协同单口铝制真空瓶一起向下运动，最终使单口铝制真空瓶、双头注射针B、双口铝制真空瓶、双头注射针A、探头第一部分的探头管腔连接一起，通过环状透水石进入内部空腔的原位水样和气样在双口铝制真空瓶中完成气水分离后，原位气样最终进入单口铝制真空瓶，完成对原位气样的采集。

一种用于浅层含气地层的原位气样采集方法，包括原位气样采集探头，其采集方法如下：

A、现场装置组装：首先组装原位气样采集探头的探头第一部分：将探头第一部分的环状透水石进行抽真空饱和，以排除其中的空气，然后将环状透水石安装固定在探头第一部分的探头管A外侧，确保环状透水石外表与探头第一部分衔接处平滑，使环状透水石的内壁与通气孔洞紧密贴合在一起，确保原位气样可通过环状透水石进入通气孔洞后进入探头第一部分的探头管腔中；然后组装探头第二部分：将探头第二部分底部与探头第一部分顶部之间螺纹拧紧，后将被海绵保护体A包裹的双头注射针A竖直放置在探头第二部分的探头管B内部；然后组装探头第三部分，首先把双口铝制真空瓶垂直放在探头第三部分的探头管C中，然后将探头第三部分底部与探头第二部分顶端螺纹拧紧；之后再组装探头第四部分，将探头第四部分底部与探头第三部分顶部螺纹拧紧，后将被海绵保护体B包裹的双头注射针B竖直放置在探头第四部分的探头管D内部；最后组装探头第五部分，首先将电缆线预先穿过探杆管，将单口铝制真空瓶紧紧地卡接在活动磁极板下端的卡接套上，然后向上推动活动磁极板、压缩弹簧，使支撑杆挂在固定磁极板下端，仔细检查确保牢固后，将探头第五部分下端与探头第四部分上端螺纹拧紧，此时探头已经全部组装完毕；将原位气样采集探头整体与探杆管拧紧，可以开始进行触探贯入试验；

B、气样采集：浅层含气地层从上至下依次包括地表耕植土层、盖层和含气层，地下水位位于盖层中，在静力触探仪上安装好原位气样采集探头和静力触探探杆后，静力触探探杆由若干节探杆管组装而成，开始贯入，速度控制在1～2cm/s；当达到预定的含气层后停止贯入，在地表电源操作更改固定磁极板的磁性，使固定磁极板与活动磁极板极性相同，固定磁极板与活动磁极板之间产生斥力，调节增大电流，以增大斥力，当同性磁极板之间的斥力、弹簧压缩产生的弹力之和大于支撑杆的抗拉极限时，支撑杆被拉断，活动磁极板就与固定磁极板分离，活动磁极板在弹力与斥力作用下协同单口铝制真空瓶向下运动，单口铝制真空瓶下部的第二硅胶塞被双头注射针B的上部注射针B插入，双头注射针B的下部注射针B插入双口铝制真空瓶上端的上部硅胶塞A中，并压迫双口铝制真空瓶一同向下运动，使双口铝制真空瓶下端的下部硅胶塞A被双头注射针A的上部注射针A插入，而双头注射针A的下部注射针A插入第一硅胶塞中，最终单口铝制真空瓶、双头注射针B、双口铝制真空瓶、双头注射针A与探头第一部分的探头管腔依次连通，预定含气层的原位气样即可通过环状透水石进入双口铝制真空瓶中，在双口铝制真空瓶中完成气水分离(气比水轻，气在顶部，水在下部)，在单口铝制真空瓶真空吸力作用下，纯净的原位气样通过探头第四部分中的双头注射针B被吸入单口铝制真空瓶中，操作时间应持续足够的长，以确保取到足够多的气样，黏性土中取样时间控制为60～180min，砂土中取样时间控制为5～20min；

C、设备回收：当在预定的含气层采集到足够的原位气样后，在地表电源操作更改固定磁极板的磁性，使固定磁极板与活动磁极板极性相反，产生吸力，调节增大电流以增大吸力，使活动磁极板在吸力作用下协同单口铝制真空向上运动，而双头注射针B将被固定弹片卡住，从而使单口铝制真空瓶与双头注射针B完成分离，在第二硅胶塞的密封下，确保单口铝制真空瓶内采集的气样不被混入其他杂质；然后通过静力触探仪将静力触探探杆的探杆管一节一节取回，当原位气样采集探头回收到地表时，快速将探头第四部分和探头第五部分螺纹拧开，将单口铝制真空瓶从活动磁极板下端的卡接套上取下，此时单口铝制真空瓶中即为收集到的纯净的含气层的原位气样，带回实验室内即可进行化验分析；将仪器各个部件拆除，收集装好，以便下次进行原位气样采集时重复使用。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明具有结构简单、便于携带等优点，搭载普通的静力触探仪，即可获取预定含气层中的原位气样。

(2)本发明解决了目前在含浅层气地质区进行岩土工程勘察中，现有技术缺乏简便的原位气样采集装置以及取气过程中容易混有其他杂质的难题。

附图说明

图1为本发明原位气样采集探头的结构示意图；

图2为本发明原位气样采集探头的安装使用示意图；

图3为探头第一部分的结构示意图；

图4为探头第二部分的结构示意图；

图5为探头第三部分的结构示意图；

图6为探头第四部分的结构示意图；

图7为探头第五部分的结构示意图；

图8为固定磁极板与活动磁极板之间的支撑杆断裂的使用状态示意图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

10－静力触探仪，20－地表耕植土层，30－盖层，40－含气层，50－原位气样采集探头，60－地下水位，70－静力触探探杆，1－探头第一部分，11－通气孔洞，12－环状透水石，13－第一螺纹管柱，14－第一硅胶塞,15－探头管腔，2－探头第二部分，21－双头注射针A，211－上部注射针A,212－下部注射针A，22－海绵保护体A，23－第二螺纹管柱，3－探头第三部分，31－双口铝制真空瓶，32－下部硅胶塞A,33－上部硅胶塞A,34－第三螺纹管柱，4－探头第四部分，41－双头注射针B，411－上部注射针B,412－下部注射针B，42－海绵保护体B，43－固定弹片，44－第四螺纹管柱，5－探头第五部分，51－单口铝制真空瓶，52－活动磁极板，521－卡接套，53－弹簧，54－支撑杆，55－固定磁极板，56－电缆线，57－磁极板间连线，58－第二硅胶塞，6－探杆管。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：

实施例

如图1～图8所示，一种用于浅层含气地层的原位气样采集探头，原位气样采集探头主要由探头第一部分1、探头第二部分2、探头第三部分3、探头第四部分4、探头第五部分5从下至上依次密闭连接而成。探头第一部分1包括探头管A和套装于探头管A外部的环状透水石12，探头管A内部具有探头管腔15，探头管A的管壁开有若干个与探头管腔15相连通的通气孔洞11，通气孔洞11的进气端与环状透水石12内壁相对应接触。探头第二部分2包括探头管B，探头管B内部填充有海绵保护体A22，海绵保护体A22内部固定有双头注射针A21，双头注射针A21包括上部注射针A211和下部注射针A212，下部注射针A212与探头第一部分1中探头管腔15顶部的第一硅胶塞14相对应。探头第三部分3包括双口铝制真空瓶31，双口铝制真空瓶31的底部瓶口上密闭安装有与上部注射针A211相对应的下部硅胶塞A32，双口铝制真空瓶31的顶部瓶口上密闭安装有上部硅胶塞A33。探头第四部分4包括探头管D，探头管D内部填充有海绵保护体B42，海绵保护体B42内部固定有双头注射针B41，双头注射针B41包括上部注射针B411和下部注射针B412，下部注射针B412与探头第三部分3中双口铝制真空瓶31顶部瓶口的上部硅胶塞A33相对应。探头第五部分5包括探头管E，探头管E的管腔顶部固定有固定磁极板55，探头管E的管腔顶部升降活动安装有活动磁极板52，活动磁极板52位于固定磁极板55下方，活动磁极板52与固定磁极板55之间连接有弹簧53，探头管E的管腔中安装有单口铝制真空瓶51，单口铝制真空瓶51底部为瓶口，单口铝制真空瓶51顶部与活动磁极板52底部的卡接套521连接，单口铝制真空瓶51底部的瓶口上密闭安装有第二硅胶塞58，上部注射针B411与单口铝制真空瓶51底部瓶口的第二硅胶塞58相对应。固定磁极板55顶部连接有电缆线56。

如图1、图6所示，探头第四部分4的探头管D内壁左右对称固定有一个固定弹片43，双头注射针B41中部向外凸起有与两个固定弹片43相对应的凸起部，使用时，用力下压双头注射针B41，双头注射针B41的两个凸起部可以迈过或通过固定弹片43，并且双头注射针B41的两个凸起部被卡接于两个固定弹片43处而不会回弹(如图6所示)。

本发明还包括探杆管6，电缆线56设置于探杆管6的管腔中。本发明还包括静力触探探杆70和静力触探仪10，静力触探探杆70顶部安装于静力触探仪10上，静力触探探杆70由若干节探杆管6组装而成，静力触探探杆70底部组装有原位气样采集探头50。

如图7、图8所示，本发明优选的固定磁极板55与活动磁极板52之间还连接有磁极板间连线57。

如图7所示，活动磁极板52底部固定有卡接套521，单口铝制真空瓶51顶部配合卡接于卡接套521中。固定磁极板55与活动磁极板52之间还连接有支撑杆54。

本发明优选的原位气样采集探头50从下至上连接结构如下：探头第一部分1的探头管A顶部具有第一螺纹管柱13，探头第二部分2的探头管B底部与第一螺纹管柱13螺纹连接，第一螺纹管柱13内的探头管腔15顶部密闭安装有第一硅胶塞14。探头第二部分2的探头管B顶部具有第二螺纹管柱23，探头第三部分3包括探头管C，双口铝制真空瓶31配合安装于探头管C中，探头管C底部与第二螺纹管柱23螺纹连接。探头管C顶部具有第三螺纹管柱34，探头第四部分4的探头管D顶部具有第四螺纹管柱44，探头第四部分4的探头管D底部与第三螺纹管柱34螺纹连接，探头第五部分5的探头管E底部与第四螺纹管柱44螺纹连接，单口铝制真空瓶51配合安装于探头管E中

如图3所示，探头第一部分1的探头管A底部固定有锥形形状的探头锥体，该探头锥体有利于贯入地表耕植土层20、盖层30、含气层40。

本发明优选的通气孔洞11呈圆形，通气孔洞11沿着探头管A的管壁呈圆周设置，所有通气孔洞11从探头管A的管壁底部至管壁顶部均匀层叠设置。

如图1～图8所示，一种用于浅层含气地层的原位气样采集方法，包括原位气样采集探头50，其采集方法如下：

A、现场装置组装：首先组装原位气样采集探头50的探头第一部分1：将探头第一部分1的环状透水石12进行抽真空饱和，以排除其中的空气，然后将环状透水石12安装固定在探头第一部分1的探头管A外侧，确保环状透水石12外表与探头第一部分1衔接处平滑，使环状透水石12的内壁与通气孔洞11紧密贴合在一起，确保原位气样可通过环状透水石12进入通气孔洞11后进入探头第一部分1的探头管腔15中。然后组装探头第二部分2：将探头第二部分2底部与探头第一部分1顶部之间螺纹拧紧，后将被海绵保护体A22包裹的双头注射针A21竖直放置在探头第二部分2的探头管B内部。然后组装探头第三部分3，首先把双口铝制真空瓶31垂直放在探头第三部分3的探头管C中，然后将探头第三部分3底部与探头第二部分2顶端螺纹拧紧。之后再组装探头第四部分4，将探头第四部分4底部与探头第三部分3顶部螺纹拧紧，后将被海绵保护体B42包裹的双头注射针B41竖直放置在探头第四部分4的探头管D内部。最后组装探头第五部分5，首先将电缆线56预先穿过探杆管6，将单口铝制真空瓶51紧紧地卡接在活动磁极板52下端的卡接套521上，然后向上推动活动磁极板52、压缩弹簧53，使支撑杆54挂在固定磁极板55下端，仔细检查确保牢固后，将探头第五部分5下端与探头第四部分4上端螺纹拧紧，此时探头已经全部组装完毕。将原位气样采集探头50整体与探杆管6拧紧，可以开始进行触探贯入试验。

B、气样采集：地层从上至下依次包括地表耕植土层20、盖层30和含气层40，地下水位60位于盖层30，在静力触探仪10上安装好原位气样采集探头50和静力触探探杆70后，静力触探探杆70由若干节探杆管6组装而成，开始贯入，速度控制在1～2cm/s。当达到预定的含气层40后停止贯入，在地表电源操作更改固定磁极板55的磁性，使固定磁极板55与活动磁极板52极性相同，固定磁极板55与活动磁极板52之间产生斥力，调节增大电流，以增大斥力，当同性磁极板之间的斥力、弹簧53压缩产生的弹力之和大于支撑杆54的抗拉极限时，支撑杆54被拉断，活动磁极板52就与固定磁极板55分离，活动磁极板52在弹力与斥力作用下协同单口铝制真空瓶51向下运动，单口铝制真空瓶51下部的第二硅胶塞58被双头注射针B41的上部注射针B411插入，双头注射针B41的下部注射针B412插入双口铝制真空瓶31上端的上部硅胶塞A33中，并压迫双口铝制真空瓶31一同向下运动，使双口铝制真空瓶31下端的下部硅胶塞A32被双头注射针A21的上部注射针A211插入，而双头注射针A21的下部注射针A212插入第一硅胶塞14中，最终单口铝制真空瓶51、双头注射针B41、双口铝制真空瓶31、双头注射针A21与探头第一部分1的探头管腔15依次连通，预定含气层40的原位气样和水样即可通过环状透水石12进入双口铝制真空瓶31中，在双口铝制真空瓶31中完成气水分离(气比水轻，气在顶部，水在下部)，在单口铝制真空瓶51真空吸力作用下，纯净的原位气样通过探头第四部分4中的双头注射针B41被吸入单口铝制真空瓶51中，操作时间应持续足够的长，以确保取到足够多的气样，黏性土中取样时间控制为60～180min，砂土中取样时间控制为5～20min。

C、设备回收：当在预定的含气层40采集到足够的原位气样后，在地表电源操作更改固定磁极板55的磁性，使固定磁极板55与活动磁极板52极性相反，产生吸力，调节增大电流以增大吸力，使活动磁极板52在吸力作用下协同单口铝制真空瓶51向上运动，而双头注射针B41将被固定弹片43卡住，从而使单口铝制真空瓶51与双头注射针B41完成分离，在第二硅胶塞58的密封下，确保单口铝制真空瓶51内采集的气样不被混入其他杂质。然后通过静力触探仪10将静力触探探杆70的探杆管6一节一节取回，当原位气样采集探头50回收到地表时，快速将探头第四部分4和探头第五部分5螺纹拧开，将单口铝制真空瓶51从活动磁极板52下端的卡接套521上取下，此时单口铝制真空瓶51中即为收集到的纯净的含气层40的原位气样，带回实验室内即可进行化验分析。将仪器各个部件拆除，收集装好，以便下次进行原位气样采集时重复使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于浅层含气地层的原位气样采集探头，其特征在于：原位气样采集探头主要由探头第一部分（1）、探头第二部分（2）、探头第三部分（3）、探头第四部分（4）、探头第五部分（5）从下至上依次密闭连接而成；所述探头第一部分（1）包括探头管A和套装于探头管A外部的环状透水石（12），所述探头管A内部具有探头管腔（15），所述探头管A的管壁开有若干个与探头管腔（15）相连通的通气孔洞（11），所述通气孔洞（11）的进气端与环状透水石（12）内壁相对应接触；所述探头第二部分（2）包括探头管B，所述探头管B内部填充有海绵保护体A（22），所述海绵保护体A（22）内部固定有双头注射针A（21），所述双头注射针A（21）包括上部注射针A（211）和下部注射针A（212），所述下部注射针A（212）与探头管腔（15）相对应；所述探头第三部分（3）包括双口铝制真空瓶（31），所述双口铝制真空瓶（31）的底部瓶口上密闭安装有与上部注射针A（211）相对应的下部硅胶塞A（32），所述双口铝制真空瓶（31）的顶部瓶口上密闭安装有上部硅胶塞A（33）；所述探头第四部分（4）包括探头管D，所述探头管D内部填充有海绵保护体B（42），所述海绵保护体B（42）内部固定有双头注射针B（41），所述双头注射针B（41）包括上部注射针B（411）和下部注射针B（412），所述下部注射针B（412）与双口铝制真空瓶（31）的顶部瓶口相对应；所述探头第五部分（5）包括探头管E，所述探头管E的管腔顶部固定有固定磁极板（55），所述探头管E的管腔顶部升降活动安装有活动磁极板（52），所述活动磁极板（52）位于固定磁极板（55）下方，所述活动磁极板（52）与固定磁极板（55）之间连接有弹簧（53），所述探头管E的管腔中安装有单口铝制真空瓶（51），单口铝制真空瓶（51）底部为瓶口，单口铝制真空瓶（51）顶部与活动磁极板（52）连接，所述单口铝制真空瓶（51）底部的瓶口上密闭安装有第二硅胶塞（58），所述上部注射针B（411）与单口铝制真空瓶（51）底部瓶口的第二硅胶塞（58）相对应；所述固定磁极板（55）顶部连接有电缆线（56）。

2.按照权利要求1所述的一种用于浅层含气地层的原位气样采集探头，其特征在于：所述探头第四部分（4）的探头管D内壁左右对称固定有一个固定弹片（43），所述双头注射针B（41）中部向外凸起有与两个固定弹片（43）相对应的凸起部。

3.按照权利要求1所述的一种用于浅层含气地层的原位气样采集探头，其特征在于：还包括探杆管（6），所述电缆线（56）设置于探杆管（6）的管腔中。

4.按照权利要求1所述的一种用于浅层含气地层的原位气样采集探头，其特征在于：所述固定磁极板（55）与活动磁极板（52）之间还连接有磁极板间连线（57）。

5.按照权利要求1或4所述的一种用于浅层含气地层的原位气样采集探头，其特征在于：所述活动磁极板（52）底部固定有卡接套（521），所述单口铝制真空瓶（51）顶部配合卡接于卡接套（521）中；所述固定磁极板（55）与活动磁极板（52）之间还连接有支撑杆（54）。

6.按照权利要求1所述的一种用于浅层含气地层的原位气样采集探头，其特征在于：所述探头第一部分（1）的探头管A顶部具有第一螺纹管柱（13），所述探头第二部分（2）的探头管B底部与第一螺纹管柱（13）螺纹连接，所述第一螺纹管柱（13）的管内腔中密闭安装有第一硅胶塞（14）；所述探头第二部分（2）的探头管B顶部具有第二螺纹管柱（23），所述探头第三部分（3）包括探头管C，所述双口铝制真空瓶（31）配合安装于探头管C中，所述探头管C底部与第二螺纹管柱（23）螺纹连接；所述探头管C顶部具有第三螺纹管柱（34），所述探头第四部分（4）的探头管D顶部具有第四螺纹管柱（44），所述探头第四部分（4）的探头管D底部与第三螺纹管柱（34）螺纹连接，所述探头第五部分（5）的探头管E底部与第四螺纹管柱（44）螺纹连接，所述单口铝制真空瓶（51）配合安装于探头管E中。

7.按照权利要求1所述的一种用于浅层含气地层的原位气样采集探头，其特征在于：所述探头第一部分（1）的探头管A底部固定有锥形形状的探头锥体。

8.按照权利要求1所述的一种用于浅层含气地层的原位气样采集探头，其特征在于：所述通气孔洞（11）呈圆形，所述通气孔洞（11）沿着探头管A的管壁呈圆周设置，所有通气孔洞（11）从探头管A的管壁底部至管壁顶部均匀层叠设置。

9.按照权利要求3所述的一种用于浅层含气地层的原位气样采集探头，其特征在于：还包括静力触探探杆（70）和静力触探仪（10），所述静力触探探杆（70）顶部安装于静力触探仪（10）上，静力触探探杆（70）由若干节所述探杆管（6）组装而成，所述静力触探探杆（70）底部组装有所述原位气样采集探头（50）。

10.一种用于浅层含气地层的原位气样采集方法，其特征在于：包括权利要求1所述的原位气样采集探头（50），其采集方法如下：

A、现场装置组装：首先组装原位气样采集探头（50）的探头第一部分（1）：将探头第一部分（1）的环状透水石（12）进行抽真空饱和，以排除其中的空气，然后将环状透水石（12）安装固定在探头第一部分（1）的探头管A外侧，确保环状透水石（12）外表与探头第一部分（1）衔接处平滑，使环状透水石（12）的内壁与通气孔洞（11）紧密贴合在一起，确保原位气样可通过环状透水石（12）进入通气孔洞（11）后进入探头第一部分（1）的探头管腔（15）中；然后组装探头第二部分（2）：将探头第二部分（2）底部与探头第一部分（1）顶部之间螺纹拧紧，后将被海绵保护体A（22）包裹的双头注射针A（21）竖直放置在探头第二部分（2）的探头管B内部；然后组装探头第三部分（3），首先把双口铝制真空瓶（31）垂直放在探头第三部分（3）的探头管C中，然后将探头第三部分（3）底部与探头第二部分（2）顶端螺纹拧紧；之后再组装探头第四部分（4），将探头第四部分（4）底部与探头第三部分（3）顶部螺纹拧紧，后将被海绵保护体B（42）包裹的双头注射针B（41）竖直放置在探头第四部分（4）的探头管D内部；最后组装探头第五部分（5），首先将电缆线（56）预先穿过探杆管（6），将单口铝制真空瓶（51）紧紧地卡接在活动磁极板（52）下端的卡接套（521）中，然后向上推动活动磁极板（52）、压缩弹簧（53），使支撑杆（54）挂在固定磁极板（55）下端，仔细检查确保牢固后，将探头第五部分（5）下端与探头第四部分（4）上端螺纹拧紧，此时探头已经全部组装完毕；将原位气样采集探头（50）整体与探杆管（6）拧紧，可以开始进行触探贯入试验；

B、气样采集：地层从上至下依次包括地表耕植土层（20）、盖层（30）和含气层（40），地下水位（60）位于盖层（30）中，在静力触探仪（10）上安装好原位气样采集探头（50）和静力触探探杆（70）后，静力触探探杆（70）由若干节探杆管（6）组装而成，开始贯入，速度控制在1～2cm/s；当达到预定的含气层（40）后停止贯入，在地表电源操作更改固定磁极板（55）的磁性，使固定磁极板（55）与活动磁极板（52）极性相同，固定磁极板（55）与活动磁极板（52）之间产生斥力，调节增大电流，以增大斥力，当同性磁极板之间的斥力、弹簧（53）压缩产生的弹力之和大于支撑杆（54）的抗拉极限时，支撑杆（54）被拉断，活动磁极板（52）就与固定磁极板（55）分离，活动磁极板（52）在弹力与斥力作用下协同单口铝制真空瓶（51）向下运动，单口铝制真空瓶（51）下部的第二硅胶塞（58）被双头注射针B（41）的上部注射针B（411）插入，双头注射针B（41）的下部注射针B（412）插入双口铝制真空瓶（31）上端的上部硅胶塞A（33）中，并压迫双口铝制真空瓶（31）一同向下运动，使双口铝制真空瓶（31）下端的下部硅胶塞A（32）被双头注射针A（21）的上部注射针A（211）插入，而双头注射针A（21）的下部注射针A（212）插入第一硅胶塞（14）中，最终单口铝制真空瓶（51）、双头注射针B（41）、双口铝制真空瓶（31）、双头注射针A（21）与探头第一部分（1）的探头管腔（15）依次连通，预定含气层（40）的原位气样和水样即可通过环状透水石（12）进入双口铝制真空瓶（31）中，在双口铝制真空瓶（31）中完成气水分离，在单口铝制真空瓶（51）真空吸力作用下，纯净的原位气样通过探头第四部分（4）中的双头注射针B（41）被吸入单口铝制真空瓶（51）中，操作时间应持续足够的长，以确保取到足够多的气样，黏性土中取样时间控制为60～180min，砂土中取样时间控制为5～20min；

C、设备回收：当在预定的含气层（40）采集到足够的原位气样后，在地表电源操作更改固定磁极板（55）的磁性，使固定磁极板（55）与活动磁极板（52）极性相反，产生吸力，调节增大电流以增大吸力，使活动磁极板（52）在吸力作用下协同单口铝制真空瓶（51）向上运动，而双头注射针B（41）将被固定弹片（43）卡住，从而使单口铝制真空瓶（51）与双头注射针B（41）完成分离，在第二硅胶塞（58）的密封下，确保单口铝制真空瓶（51）内采集的气样不被混入其他杂质；然后通过静力触探仪（10）将静力触探探杆（70）的探杆管（6）一节一节取回，当原位气样采集探头（50）回收到地表时，快速将探头第四部分（4）和探头第五部分（5）螺纹拧开，将单口铝制真空瓶（51）从活动磁极板（52）下端的卡接套（521）上取下，此时单口铝制真空瓶（51）中即为收集到的纯净的含气层（40）的原位气样，带回实验室内即可进行化验分析；将仪器各个部件拆除，收集装好，以便下次进行原位气样采集时重复使用。