CN110672613A - 便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程领域中的岩土工程勘察领域，涉及一种便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置及量测方法，该便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置包括静力触探仪、静力触探杆、循环泵及气体浓度光纤传感器控制系统以及探头；静力触探杆与探头相连；探头与循环泵通过管路相连；探头与气体浓度光纤传感器控制系统电性相连。本发明提供了一种结构简单、原理明确、组拆装操作方便以及易于推广的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置及量测方法。

Description

便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置及方法

技术领域

本发明属于土木工程领域中的岩土工程勘察领域，涉及一种气体浓度量测装置及方法，尤其涉及便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置及量测方法。

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和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贮存，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，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。其它国家也出现过由于含气土层中气体喷发，引起海上钻井平台发生倾覆的事故。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(组分一般以CH₄为主)，浅层气地质灾害问题愈发突出。当工程遭遇含气地层时，首先要需要查明地层中气体的来源、成分、主要贮存层位、分布范围、气体含量、气体压力、气体浓度等信息，含气地层中原位土体中的气体浓度大小，对于准确判断浅层气地层对工程的危害程度十分重要。

目前，浅层气地质区域内的岩土工程勘察，多依赖于原位静力触探、钻探或者石油天然气部门的专业设备。但目前，尚无相应的便携式勘察装置，可以实现在原位对含气地层中的原始气体浓度进行现场量测。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种结构简单、原理明确、组拆装操作方便以及易于推广的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置及量测方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头，其特征在于：所述便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头包括水气采集部分、水气存储部分以及气体浓度测量部分；所述水气采集部分、水气存储部分以及气体浓度测量部分由下至上同轴相连且贯通。

作为优选，本发明所采用的水气采集部分包括锥形头、多孔金属管、圆筒状透水石以及密封垫；所述多孔金属管与锥形头相连；所述圆筒状透水石套装在多孔金属管外部；所述密封垫设置在圆筒状透水石顶部与水气存储部分之间；所述多孔金属管侧壁上设置有贯穿管壁的圆形孔洞；所述圆形孔洞通过中空的多孔金属管与水气储存部分内腔相贯通。

作为优选，本发明所采用的水气存储部分包括第一探头外壳体、透气不透水膜以及排水管；所述第一探头外壳体内部设置有水、气流体存储空腔；所述透气不透水膜沿第一探头外壳体的径向置于第一探头外壳体顶部；所述排水管沿壳体的轴向设置，所述排水管的一端伸入第一探头外壳体的空腔底部，另一端从第一探头外壳体顶部穿过透气不透水膜伸出。

作为优选，本发明所采用的气体浓度测量部分包括第二探头外壳体、第三探头外壳体、排气管、气体浓度光纤传感器以及导线；所述第二探头外壳体以及第三探头外壳体均是中空的壳体结构；所述第一探头外壳体、第二探头外壳体以及第三探头外壳体自下而上依次轴向螺纹相连；所述透气不透水膜沿第一探头外壳体的径向置于第一探头外壳体以及第二探头外壳体之间；所述排水管的一端伸入第一探头外壳体的空腔底部，另一端依次贯穿透气不透水膜、第二探头外壳体以及第三探头外壳体后并从第三探头外壳体顶部伸出；所述排气管沿第三探头外壳体的轴向设置并从第三探头外壳体顶部伸入第三探头外壳体中；所述气体浓度光纤传感器置于第三探头外壳体内部；所述导线的一端与气体浓度光纤传感器相连，另一端从第三探头外壳体顶部伸出。

作为优选，本发明所采用的第一探头外壳体与透气不透水膜之间设置有第二密封橡胶垫；所述透气不透水膜与第二探头外壳体之间设置有第一密封橡胶垫。

一种基于如前所述的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头而形成的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置，其特征在于：所述便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置包括静力触探仪、静力触探杆、循环泵及气体浓度光纤传感器控制系统以及探头；所述静力触探杆与探头相连；所述探头与循环泵通过管路相连；所述探头与气体浓度光纤传感器控制系统电性相连。

作为优选，所述静力触探杆置于静力触探仪上，静力触探杆与探头相连。

作为优选，本发明所采用的循环泵及气体浓度光纤传感器控制系统包括循环泵以及气体浓度光纤传感器控制设备；所述循环泵分别与探头的排水管以及排气管相连；所述气体浓度光纤传感器控制设备与探头的导线相连。

一种基于便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置的量测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)组装探头：首先，将多孔金属管与锥形头连接，再将圆筒状透水石套在多孔金属管上，把密封垫套在多孔金属管上，使密封垫位于圆筒状透水石的上表面；把第一探头外壳体底部旋拧在多孔金属管的顶端，并压紧密封垫；把第一密封橡胶垫套在第一螺纹杆和第二螺纹杆上，再把透气不透水膜置于第一密封橡胶垫和第二密封橡胶垫之间；将排水管的一端从第一探头外壳体顶部的排水管预留孔中伸入第一探头外壳体内部空腔的底部；将第二探头外壳体的底部安装在第二密封橡胶垫的上表面，旋拧螺母，使第二探头外壳体的底部压紧第二密封橡胶垫、透气不透水膜和第一密封橡胶垫；将气体浓度光纤传感器固定安装在第三探头外壳体的顶部，使得气体浓度光纤传感器感应头伸入到第三探头外壳体的底部；把导线的一端与气体浓度光纤传感器在壳体顶部的固定端相连；排水管的另外一端穿过中空的第二螺纹杆，并从第一开孔内部穿出，排气管的一端从第三探头外壳体顶部第二开孔伸入并置于气体浓度量测部分的空腔；将第三探头外壳体的底部与第二探头外壳体的顶部拧紧连接，组装形成探头；

2)组装便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置：首先，把导线、排气管以及排水管从中空的静力触探杆内部穿出，把探头和静力触探杆连接，将导线连接到气体浓度光纤传感器控制设备上，最后，再把排水管、排气管分别通过第二阀门和第一阀门后，连接到循环泵上，并关闭第一阀门和第二阀门；

3)测量气体浓度；在静力触探仪上安装好探头和静力触探杆；通过静力触探仪将探头贯入地层中，速度是1cm/s—2cm/s；当达到预定的含气土层后停止贯入；接通电源，打开循环泵和第一阀门，通过排气管把第二探头外壳体、第三探头外壳体内的空气排出，关闭第一阀门；打开气体浓度光纤传感器控制设备，记录此时气体浓度值M_o，然后进行气体浓度清零。打开第二阀门，通过排水管抽排第一探头外壳体的内部流体，在压差作用下含气土层中的土颗粒被探头的圆筒状透水石阻隔在外部，而含气土层中的水、气混合流体则通过圆筒状透水石和多孔金属管的圆孔进入第一探头外壳体的内部空腔内；水、气混合流体中的气体可通过透气不透水膜进入到第二探头外壳体的内部空腔中，而水则被阻隔在第一探头外壳体的内部空腔中；进入到第二探头外壳体内部空腔中的气体浓度值由气体浓度光纤传感器感应量测，信号通过导线传递至地表的气体浓度光纤传感器控制设备中；关闭循环泵和第二阀门，静置探头一段时间，待气体浓度光纤传感器控制设备显示的气体浓度值不变时，即得该含气土层中的组分气体的浓度值M₁；

4)当需要继续贯入下部地层，测量下一个深度处的含气土层中的组分气体浓度前，开启第一阀门，启动循环泵，通过排气管把第二探头外壳体、第三探头外壳体内残留的气体排出；开启第二阀门，通过排水管把第一探头外壳体内残留的水和气混合物排出；通过气体浓度光纤传感器控制设备进行浓度清零；重复步骤3)中探头的贯入和量测过程，可得到下一个层位处含气土层中的组分气体浓度值。

本发明的优点是：

本发明提供了一种便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置及量测方法，包括首先提供的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头，该便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头包括水气采集部分、水气存储部分气体浓度测量部分；水气采集部分、水气存储部分与气体浓度测量部分由下至上同轴相连且贯通。其中，气体采集部分包括锥形头、多孔金属管、圆筒状透水石以及密封垫；多孔金属管与锥形头相连；圆筒状透水石套装在多孔金属管外部；密封垫设置在圆筒状透水石顶部与水气存储部分之间；多孔金属管侧壁上设置有贯穿其壁面的圆形孔洞；圆形孔洞通过中空的多孔金属管与水气储存部分内腔相贯通。水气存储部分包括壳体、透气不透水膜、排水管；壳体内部设置有水、气流体存储空腔；透气不透水膜沿壳体的径向置于壳体顶部；排水管沿壳体的轴向设置，排水管的一端伸入壳体的内部空腔底部，另一端从壳体顶部穿过透气不透水膜伸出。气体浓度测量部分包括壳体、排水管、排气管、气体浓度光纤传感器以及导线；壳体内部设置有存储气体和气体浓度测量用空腔；排水管沿壳体的轴向设置，排水管的一端由下部的水气存储部分伸入，另外一端由壳体的顶部伸出；排气管沿壳体的轴向设置并从壳体顶部伸入上部空腔中；气体浓度光纤传感器置于壳体上部空腔中；导线的一端与气体浓度光纤传感器相连，另一端从壳体顶部伸出。本发明在测量时，接通电源，打开气体浓度光纤传感器控制设备，记录浓度值M_o，进行浓度调零；通过静力触探仪将探头贯入地层中，当达到预定的含气土层后停止贯入；含气土层中的土颗粒被圆筒状透水石阻隔在外部，而含气土层中的水、气混合流体则通过探头第一部分的圆筒状透水石和多孔金属管的圆孔进入探头第三部分的内部空腔内；水、气混合流体中的气体可通过透气不透水膜进入到探头第四部分的内部空腔中，而水则被阻隔在探头第三部分的内部空腔中；进入到探头第四部分的内部空腔中的气体浓度值由气体浓度光纤传感器感应量测(如：CH₄浓度传感器)，信号通过导线传递至地表的气体浓度光纤传感器控制设备中，待气体浓度光纤传感器控制设备显示的气体浓度值不变时，即得该含气土层中的组分气体(如：CH₄)的浓度值M₁。本发明适用于浅层含气地层的便携式原位气体浓度量测装置，该装置结构简单、便于携带、搭载普通的静力触探仪，便可获取原位含气地层土体中的气体浓度值，解决了目前在含浅层气地质区进行岩土工程勘察中，缺乏便携式的原位含气土层气体浓度量测装置的难题。

附图说明

图1是本发明所提供的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置的整体结构示意图；

图2是本发明所采用的探头的整体结构示意图；

图3是本发明所采用的探头的第一部分结构示意图；

图4是本发明所采用的探头的第二部分结构示意图；

图5是本发明所采用的探头的第三部分结构示意图；

图6是本发明所采用的探头的第四部分结构示意图；

图7是本发明所采用的探头的第五部分结构示意图；

图中：

1-循环泵；2-杂填土层；3-气盖层；4-含气土层；5-探头；6-静力触探杆；7-地下水位；8-静力触探仪；9-第一阀门；10-气体浓度光纤传感器控制设备；11-循环泵及气体浓度光纤传感器控制系统；12-第二阀门；a1-锥形头；a2-圆形孔洞；a3-第一螺纹；a4-多孔金属管；b1-圆筒状透水石；b2-密封垫；c1-第二螺纹；c2-第一探头外壳体；c3-透气不透水膜；c4-第一螺纹杆；c5-螺母；c6-第一密封橡胶垫；c7-第二密封橡胶垫；c8-排水管预留孔；c9-第二螺纹杆；d1-第二探头外壳体；d2-预留孔洞；d3-第三螺纹；e1-第四螺纹；e2-钻杆连接螺纹；e3-排水管；e4-导线；e5-排气管；e6-第五螺纹；e7-气体浓度光纤传感器连接螺纹；e8-气体浓度光纤传感器；e9-第三探头外壳体；e10-第一开孔；e11-第二开孔。

具体实施例

参见图2，本发明提供了一种便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头，该探头5包括以下五个部分：

参见图3，第一部分由锥形头a1、多孔金属管a4、圆形孔洞a2、第一螺纹a3组成。锥形头a1主要作用是在探头5贯入地层时充当坚硬端头，它的上部连接的是多孔金属管a4，多孔金属管a4外表面与探头5第二部分圆筒状透水石b1紧密接触，含气土层4中的土颗粒被圆筒状透水石b1阻隔，而含气土层4中的地下水及气体可以透过圆筒状透水石b1和圆形孔洞a2自由进出多孔金属管a4，经过多孔金属管a4进入探头5第三部分的内部空腔里，多孔金属管a4上端通过第一螺纹a3与探头5的第三部分连接。整个探头5第一部分的主要作用是：贯入地层、过滤掉含气土层4中的土颗粒，把含气土层4中的地下水和气体输送到探头5第三部分的空腔里、连接探头5第三部分。

参见图4，探头5第二部分由圆筒状透水石b1、密封垫b2组成。圆筒状透水石b1用于过滤含气土层4中的土颗粒，使得含气土层4中的地下水和气体通过探头5第一部分的圆形孔洞a2自由进出多孔金属管a4的内部空腔，圆筒状透水石b1套在探头5第一部分的多孔金属管a4上。密封垫b2位于圆筒状透水石b1上部和探头5第三部分c2的底部之间，其主要作用是密封圆筒状透水石b1与探头5第三部分的第一探头外壳体c2底部，减少圆筒状透水石b1上部和探头5第三部分第一探头外壳体c2底部之间的摩擦。整个探头5第二部分的主要作用是：通过与探头5第一部分的多孔金属管a4紧密接触，过滤含气土层4中的土颗粒，使得含气土层4的地下水和气体能够通过圆形孔洞a2自由进出多孔金属管a4的内部空腔，从而被输送到探头5第三部分水气存储部分的空腔里。

参见图5，探头5第三部分由第二螺纹c1、第一探头外壳体c2、透气不透水膜c3、第一螺纹杆c4、螺母c5、第一密封橡胶垫c6、第二密封橡胶垫c7、排水管预留孔c8、第二螺纹杆c9、排水管e3组成。第一探头外壳体c2内部是一个空腔，其下端第二螺纹c1与第一部分多孔金属管a4上端的第一螺纹a3连接，上端为两个螺纹杆，即第一螺纹杆c4和第二螺纹杆c9，第一螺纹杆c4和第二螺纹杆c9上套有一个第一密封橡胶垫c6，第一密封橡胶垫c6上面安装有透气不透水膜c3，透气不透水膜c3上面再安装一层第二密封橡胶垫c7；透气不透水膜c3为耐高压材料制成，可使第一探头外壳体c2内部空腔内的气水混合流体中的气体透过，而水不透过，从而实现只让气体进入探头5第四部分的第二探头外壳体d1的内部空腔中。第一密封橡胶垫c6和第二密封橡胶垫c7对透气不透水膜c3起到密封和保护作用。第二螺纹杆c9内部挖有排水管预留孔c8，方便排水管e3从其内部穿过。第一螺纹杆c4和第二螺纹杆c9从探头5第四部分第二探头外壳体d1下端对应的预留孔洞d2内穿过，再把与第一螺纹杆c4和第二螺纹杆c9相匹配的螺母c5拧紧，以连接探头5第三部分与探头5第四部分。探头5第三部分的作用是：连接探头5第一部分和第四部分、储存进入探头5内部的水和气体、实现水、气分离，使得气体通过透气不透水膜c3进入探头5第四部分的内部空腔中，水留在探头5第三部分的第一探头外壳体c2内。

参见图6，探头5第四部分由第二探头外壳体d1、预留孔洞d2、第三螺纹d3组成。探头5第四部分第二探头外壳体d1内部为中空的空腔，方便从其内部用工具把螺母c5拧在第一螺纹杆c4和第二螺纹杆c9上，预留孔洞d2可使得第一螺纹杆c4和第二螺纹杆c9从其内部穿过，再把相匹配的螺母c5拧在第一螺纹杆c4和第二螺纹杆c9上，以连接探头5第三部分和探头5第四部分；第二探头外壳体d1的上端通过第三螺纹d3与探头5第五部分的第四螺纹e1连接。探头5第四部分的作用是：通过螺母c5与第一螺纹杆c4和第二螺纹杆c9，以连接探头5第三部分和探头5第四部分。

参见图7，探头5第五部分由第四螺纹e1、钻杆连接螺纹e2、排水管e3、导线e4、排气管e5、第五螺纹e6、气体浓度光纤传感器连接螺纹e7、气体浓度光纤传感器e8、第三探头外壳体e9、第一开孔e10、第二开孔e11组成。第三探头外壳体e9用于储存所要测量浓度的气体，第三探头外壳体e9下端的第四螺纹e1与探头5第四部分第二探头外壳体d1上端的第三螺纹d3互相拧紧，第三探头外壳体e9上端的钻杆连接螺纹e2与静力触探杆8下端相互拧紧，第三探头外壳体e9上部预留第一开孔e10、第二开孔e11以及气体浓度光纤传感器连接螺纹e7，排气管e5从第二开孔e11中穿过，排水管e3从第一开孔e10中穿过，气体浓度光纤传感器连接螺纹e7和气体浓度光纤传感器e8连接。探头5第五部分第三探头外壳体e9上端钻杆连接螺纹e2内部留有中空的空腔，方便气体浓度光纤传感器e8连接导线e4、排水管e3和排气管e5从其内部穿过。探头5第五部分的作用是：连接第四部分、储存进入其内部的气体、通过内部安装的气体浓度光纤传感器e8测量气体浓度。

参见图1，此外，本发明基于如上所提供的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头，还提供了一种基于该探头的量测装置，该量测装置包括：静力触探仪8、静力触探杆6、循环泵及气体浓度光纤传感器控制系统11以及如前所记载的探头5。

其中：静力触探仪8安装在地面上，主要作用是通过静力触探杆6把探头5静压贯入地层中，直到指定的含气土层4处；静力触探杆6为一节一节的管状体，每节长度2～3米，静力触探杆6的最上端一节与静力触探仪8相连，静力触探杆6的最下端一节与探头5相连。导线e4、排气管e5、排水管e3从静力触探杆6内部穿出，分别与气体浓度光纤传感器控制设备10和循环泵及气体浓度光线传感器控制系统11相连接。

循环泵及气体浓度光纤传感器控制系统11包括循环泵1、导线e4、排气管e5、排水管e3、气体浓度光纤传感器控制设备10、第一阀门9、第二阀门12。导线e4一端与气体浓度光纤传感器e8连接，另一端与气体浓度光纤传感器控制设备10相连，气体浓度光纤传感器控制设备10可对气体浓度光纤传感器e8初始值进行调试并自动记录气体浓度光纤传感器e8所测量的气体浓度值，气体浓度光纤传感器e8通过导线e4将信号传递到气体浓度光纤传感器控制设备10上。排气管e5一端穿过第二开孔e11伸入第三探头外壳体e9的内部空腔里，另一端与第一阀门9以及循环泵1相连，用于抽排出第二探头外壳体d1和第三探头外壳体e9内部的气体。排水管e3一端穿过第一开孔e10和排水管预留孔c8伸入到第一探头外壳体c2内部的空腔里，另一端与第二阀门12以及循环泵1相连，用于抽排出第一探头外壳体c2的气、水混合流体。

同时，本发明还提供了基于该量测装置的量测方法，该方法包括以下工作步骤进行：

1)探头5组装。首先，取出探头5的第一部分和探头5的第二部分，将探头5第二部分的圆筒状透水石b1套在探头5第一部分的多孔金属管a4上，然后再把探头5第二部分的密封垫b2套在探头5第一部分的多孔金属管a4上；组装探头5第三部分，首先把探头5第三部分的第一密封橡胶垫c6套在第一螺纹杆c4和第二螺纹杆c9上，再把透气不透水膜c3套在第一螺纹杆c4和第二螺纹杆c9上，使之位于第一密封橡胶垫c6上面，再把第二密封橡胶垫c7套在第一螺纹杆c4和第二螺纹杆c9上，使之位于透气不透水膜c3上；把排水管e3的一端从排水管预留孔c8内部穿过，伸入到第一外壳体c2的中部空腔内；再把探头5第三部分通过第一探头外壳体c2下端的第二螺纹c1和探头5第一部分的第一螺纹a3拧在一起，使得探头5第三部分和第一部分紧密连接；组装探头5的第四部分，首先，把探头5第四部分下端的预留孔洞d2套在第一螺纹杆c4和第二螺纹杆c9上，从探头5第四部分第二探头外壳体d1内部把螺母c5拧紧在第一螺纹杆c4和第二螺纹杆c9上，使探头5第四部分和探头5第三部分紧密连接，并压紧透气不透水膜c3；组装探头5第五部分，首先把气体浓度光纤传感器e8通过其端部的气体浓度光纤传感器连接螺纹e7和第五螺纹e6拧在一起，再把导线e4在第五螺纹e6处与气体光纤传感器e8相连通；排水管e3的另外一端穿过中空的第二螺纹杆c9，并从第一开孔e10内部穿出，排气管e5的一端从第二开孔e11内部穿过并伸入到第三探头外壳体e9的内部空腔里；最后，将探头5第五部分的第四螺纹e1与探头5第四部分的第三螺纹d3拧紧在一起。探头5组装完毕。

2)整个设备组装，首先，把导线e4、排气管e5以及排水管e3从静力触探杆6内部穿出，其长度和钻探深度相同或大于钻探深度，然后，把探头5第五部分上端的钻杆连接螺纹e2和静力触探杆6拧在一起；连接导线e4与气体浓度光纤传感器控制设备10，最后，把排水管e3、排气管e5分别通过第二阀门12和第一阀门9后，连接到循环泵1上，并关闭第一阀门9和第二阀门12。

3)气体浓度测量。在静力触探仪8上安装好探头5和静力触探杆6，通过静力触探仪8将探头5贯入地层中，速度宜在1cm/s—2cm/s。当达到预定的含气土层4后停止贯入。接通电源，打开循环泵1和第一阀门9，通过排气管e5把第二探头外壳体d1、第三探头外壳体e9内的空气排出，关闭第一阀门9；打开气体浓度光纤传感器控制设备10，记录浓度值M_o，进行浓度调零。打开第二阀门12，通过排水管e3抽排第一探头外壳体c2的内部流体，在压差作用下含气土层4中的水、气通过探头5第二部分的圆筒状透水石b1和探头5第一部分的多孔金属管a4的圆孔进入探头5第三部分的内部空腔内，气体则通过探头5第三部分的透气不透水膜c3进入到探头5第四部分的内部空腔，组分气体(如：CH₄)的浓度值由安装在探头5第四部分的内部空腔里的气体浓度光纤传感器e8(如CH₄浓度传感器)量测；关闭循环泵1和第二阀门12，静置探头5一段时间，待气体浓度光纤传感器控制设备10显示的气体(如：CH₄)浓度值不变时，即得该含气土层4中的组分气体(如：CH₄)浓度值M₁。

4)当需要继续贯入下部地层，测量下一深度处的含气土层4中的组分气体浓度前，连接排气管e5与第一阀门9和循环泵1；开启第一阀门9，启动循环泵1，通过排气管e5把第二探头外壳体d1、第三探头外壳体e9内残留的气体排出；开启第二阀门12，通过排水管e3把第一探头外壳体c2内残留的水和气混合物排出。通过气体浓度光纤传感器控制设备10进行浓度清零。然后，重复步骤3)中探头5的贯入和量测过程，可得到下一个层位处含气土层4中的组分气体(如：CH₄)浓度值。

5)设备回收。测量完毕后，关闭气体浓度光纤传感器控制设备10；通过静力触探仪8将静力触探杆6一节一节取回，将探头5从静力触探杆6上拧下，拆下探头5、导线c5、排气管e5、排水管e3。彻底清洁探头5内水、气以及圆筒状透水石b1外部的泥沙，并检查磨损的部件，然后，将仪器各个部件拆除，收集装好，以便下次进行原位气体压力量时重复使用。

Claims (8)

1.一种便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头，其特征在于：所述便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头包括水气采集部分、水气存储部分以及气体浓度测量部分；所述气体浓度测量部分、水气存储部分以及气体采集部分由上至下同轴相连且贯通。

2.根据权利要求1所述的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头，其特征在于：所述水气采集部分包括锥形头（a1）、多孔金属管（a4）、圆筒状透水石（b1）以及密封垫（b2）；所述多孔金属管（a4）与锥形头（a1）相连；所述圆筒状透水石（b1）套装在多孔金属管（a4）外部；所述密封垫（b2）设置在圆筒状透水石（b1）顶部与水气存储部分之间；所述多孔金属管（a4）侧壁上设置有贯穿管壁的圆形孔洞（a2）；所述圆形孔洞（a2）通过中空的多孔金属管（a4）与气体浓度测量部分内腔相贯通。

3.根据权利要求2所述的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头，其特征在于：所述水气存储部分包括第一探头外壳体（c2）、透气不透水膜（c3）以及排水管（e3）；所述第一探头外壳体（c2）内部设置有水、气流体存储空腔；所述透气不透水膜（c3）沿第一探头外壳体（c2）的径向置于第一探头外壳体（c2）顶部；所述排水管（e3）沿第一探头外壳体（c2）的轴向设置，排水管（e3）的一端伸入第一探头外壳体（c2）的空腔底部，另一端从第一探头外壳体（c2）顶部穿过透气不透水膜伸出。

4.根据权利要求3所述的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头，其特征在于：所述气体浓度测量部分包括第二探头外壳体（d1）、第三探头外壳体（e9）、排气管（e5）、气体浓度光纤传感器（e8）以及导线（e4）；所述第二探头外壳体（d1）以及第三探头外壳体（e9）均是中空的壳体结构；所述第一探头外壳体（c2）、第二探头外壳体（d1）以及第三探头外壳体（e9）自下而上依次轴向螺纹相连；所述透气不透水膜（c3）沿第一探头外壳体（c2）的径向置于第一探头外壳体（c2）以及第二探头外壳体（d1）之间；所述排水管（e3）的一端伸入第一探头外壳体（c2）的空腔底部，另一端依次贯穿透气不透水膜（c3）、第二探头外壳体（d1）以及第三探头外壳体（e9）后并从第三探头外壳体（e9）顶部伸出；所述排气管（e5）沿第三探头外壳体（e9）的轴向设置并从第三探头外壳体（e9）顶部伸入第三探头外壳体（e9）中；所述气体浓度光纤传感器（e8）置于第三探头外壳体（e9）内部；所述导线（e4）的一端与气体浓度光纤传感器（e8）相连，另一端从第三探头外壳体（e9）顶部伸出。

5.根据权利要求4所述的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头，其特征在于：所述第一探头外壳体（c2）与透气不透水膜（c3）之间设置有第二密封橡胶垫（c7）；所述透气不透水膜（c3）与第二探头外壳体（d1）之间设置有第一密封橡胶垫（c6）。

6.一种基于如权利要求5所述的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头而形成的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置，其特征在于：所述便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置包括静力触探杆（6）、循环泵及气体浓度光纤传感器控制系统（11）以及如权利要求6所述的探头（5）；所述静力触探杆（6）与探头（5）相连；所述探头（5）与循环泵（1）通过管路相连；所述探头（5）与气体浓度光纤传感器控制系统（11）电性相连。

7.根据权利要求6所述的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置，其特征在于：所述循环泵及气体浓度光纤传感器控制系统（11）包括循环泵（1）和气体浓度光纤传感器控制设备（10）；所述循环泵（1）分别与探头（5）的排水管（e3）以及排气管（e5）相连；所述气体浓度光纤传感器控制设备（10）与探头（5）的导线（e4）相连。

8.一种便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置的量测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1）组装探头（5）：将多孔金属管（a4）与锥形头（a1）连接，再将圆筒状透水石（b1）套在多孔金属管（a4）上，把密封垫套（b2）在多孔金属管（a4）上，使密封垫（b2）位于圆筒状透水石（b1）的上表面；把第一探头外壳体（c2）底部旋拧在多孔金属管（a4）的顶端，并压紧密封垫（b2）；把第一密封橡胶垫（c6）套在第一螺纹杆（c4）和第二螺纹杆（c9）上，再把透气不透水膜（c3）置于第一密封橡胶垫（c6）和第二密封橡胶垫（c7）之间；将排水管（e3）的一端从第一探头外壳体（c2）顶部的排水管预留孔（c8）中伸入第一探头外壳体（c2）内部空腔的底部；将第二探头外壳体（d1）的底部安装在第二密封橡胶垫（c9）的上表面，旋拧螺母，使第二探头外壳体（d1）的底部压紧第二密封橡胶垫（c7）、透气不透水膜（c3）和第一密封橡胶垫（c6）；将气体浓度光纤传感器（e8）固定安装在第三探头外壳体（e9）的顶部，使得气体浓度光纤传感器（e8）感应头伸入到第三探头外壳体（e9）的底部；把导线（e4）的一端与气体浓度光纤传感器（e8）在第三探头外壳体（e9）壳体顶部的固定端相连；排水管（e3）的另外一端穿过中空的第二螺纹杆（c9），并从第三探头外壳体（e9）壳体顶部的第一开孔（e10）内部穿出；排气管（e5）的一端从第三探头外壳体（e9）壳体顶部的第二开孔（e11）伸入并置于气体量测部分的空腔；将第三探头外壳体（e9）与第二探头外壳体（d1）拧紧，至此，探头（5）组装完成；

2）组装便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置：首先，把导线（e4）、排气管（e5）以及排水管（e3）从中空的静力触探杆（6）内部穿出，把探头（5）和静力触探杆（6）连接，将导线（e4）连接到气体浓度光纤传感器控制设备（10）上，最后，再把排水管（e3）、排气管（e5）分别通过第二阀门（12）和第一阀门（9）后，连接到循环泵（1）上，并关闭第一阀门（9）和第二阀门（12）；

3）测量气体浓度；在静力触探仪（8）上安装好探头（5）和静力触探杆（6），通过静力触探仪（8）将探头（5）贯入地层中，速度是1cm/s—2cm/s；当达到预定的含气土层（4）后停止贯入；接通电源，打开循环泵（1）和第一阀门（9），通过排气管（e5）把第二探头外壳体（d1）和第三探头外壳体（e9）空腔内的空气排出，关闭第一阀门（9）；打开气体浓度光纤传感器控制设备（10），记录气体浓度值，然后进行气体浓度清零；打开第二阀门（12），通过排水管（e3）抽排第一探头外壳体（c2）的内部流体，在压差作用下含气土层（4）中的土颗粒被探头（5）的圆筒状透水石（b1）阻隔在外部，而含气土层（4）中的水、气混合流体则通过圆筒状透水石（b1）和多孔金属管（a4）的圆形孔洞（a2）进入第一探头外壳体（c2）的内部空腔内；水、气混合流体中的气体可通过透气不透水膜（c3）进入到第二探头外壳体（d1）的内部空腔中，而水则被阻隔在第一探头外壳体（c2）的内部空腔中；进入到第二探头外壳体（d1）内部空腔中的气体浓度值由气体浓度光纤传感器（e8）感应量测，信号通过导线（e4）传递至地表的气体浓度光纤传感器控制设备（10）中；关闭循环泵（1）和第二阀门（12），静置探头（5）一段时间，待气体浓度光纤传感器控制设备（10）显示的气体浓度值不变时，即得该含气土层（4）中的组分气体的浓度值；

4）当需要继续贯入下部地层，测量下一个深度处的含气土层（4）中的组分气体浓度前，开启第一阀门（9），启动循环泵（11），通过排气管（e5）把第二探头外壳体（d1）、第三探头外壳体（e9）内残留的气体排出；开启第二阀门（12），通过排水管（e3）把第一探头外壳体（c2）内残留的水和气混合物排出，随后关闭第二阀门（12）；通过气体浓度光纤传感器控制设备（10）进行浓度清零；重复步骤3）中探头（5）的贯入和量测过程，可得到下一个层位处含气土层（4）中的组分气体浓度值。

Images