CN112033766B - 浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置及采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋岩土工程土工原位试验技术领域，涉及一种浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置及采集方法，该采样装置包括水下采集装置；水下采集装置包括集气罩支架、钢制漏斗、集气罩、采气导管、进气孔以及圆筒；集气罩支架是框架结构，集气罩支架下部焊接有两端开口的圆筒；集气罩置于圆筒顶部并与圆筒整体形成门洞型；钢制漏斗固定设置在集气罩顶部并通过设置在集气罩上的进气孔与圆筒相贯通；采气导管的一端从集气罩支架内部伸出，另一端与钢制漏斗顶部相贯通。本发明可直接在浅表沉积物中对赋存的泡状气体进行原位采集，为沉积物中气样分析试验提供高质量的样本。
Description
技术领域
本发明属于海洋岩土工程土工原位试验技术领域，涉及一种沉积物中气体的采样装置及采样方法，尤其涉及一种浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置及采集方法。
背景技术
浅层气主要指地表下2000米之内所聚集的天然气体，在陆域和水域环境中均有分布。在水域环境中，浅层气主要赋存于埋深1000米以内的沉积物中，常见于湖底、河口与陆架海区的浅部沉积层中，气体成分主要以CH4、N2、CO2或H2S等最为常见。气体在沉积物中的赋存形态常以游离气泡、溶解相或气水化合物态出现，而在江河湖底以及海底浅表沉积物中的赋存方式主要以游离态气泡为主。气泡中气体的来源主要有三类：（1）在厌氧环境下微生物活动而产生的生物气；（2）经过向上运移后赋存的深部热解油气、地幔及造岩运动所产气体；（3）天然气水合物的分解气等。准确获取水域环境下浅表沉积物中所赋存的游离态状气泡气体的组分特性，对于理解气体成因、追溯沉积地质活动和地壳运动、评价烃能源资源储量以及评估温室气体碳循环等均具有重要的意义。
浅表沉积物中所赋存的游离态状气泡，一般首先是气体在沉积物的孔隙水中溶解饱和后，然后才会出现游离态的气泡。气泡在水动力和浮力作用下，以及外界气压降低或温度升高等环境条件改变后，会自然的从沉积物中向上运移并脱离沉积物颗粒的束缚逃逸至水中，从而在水中形成“沸腾”式气柱上涌现象。利用这一特殊的气体迁移现象，过往对沉积物中所赋存气体样品的采集，多是在不接触沉积物条件下，直接对气柱进行捕获，然后进行水气分离后采集气样，但气泡在水中运移过程中会引起其组分的变化，进而会导致最终所测定的气体组分并不能有效代表沉积物中的原位特征。另外，也有采取钻孔方式，先将沉积物中的气-水-颗粒在气体压差作用下引喷至船甲板，然后再联通水-气-颗粒分离装置后对气样进行采集，这种方式需要沉积物中气体与大气压形成较大的压差，且采集过程容易混入大气中的空气，进而影响沉积物中原始赋存游离态气泡中气体组分的试验测试与分析。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种直接在浅表沉积物中对赋存的泡状气体进行原位采集以及为沉积物中气样分析试验提供更加有效的样本的浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置及采集方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置，其特征在于：所述浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置包括水下采集装置；所述水下采集装置包括集气罩支架、钢制漏斗、集气罩、采气导管、进气孔以及圆筒；所述集气罩支架是框架结构，所述集气罩支架下部焊接有两端开口的圆筒；所述集气罩置于圆筒顶部并与圆筒整体形成门洞型；所述钢制漏斗固定设置在集气罩顶部并通过设置在集气罩上的进气孔与圆筒相贯通；所述采气导管的一端从集气罩支架内部伸出，另一端与钢制漏斗顶部相贯通。
作为优选，本发明所采用的钢制漏斗包括大口端以及与大口端相对的小口端；所述钢制漏斗的大口端固定设置在集气罩顶部；所述钢制漏斗的小口端与采气导管相连通；所述钢制漏斗内设置有过滤网；作为优选，所述过滤网包括自上而下依次设置的上部滤网以及下部滤网。
作为优选，本发明所采用的水下采集装置还包括置于圆筒内部并与圆筒固定连接的气泡脱离装置；所述气泡脱离装置包括电机、十字钢架、潜水搅拌机以及螺帽；所述电机置于集气罩支架外部；所述十字钢架沿圆筒的径向置于圆筒中；所述潜水搅拌机通过螺帽固定在十字钢架上；所述电机与潜水搅拌机相连并驱动潜水搅拌机工作。
作为优选，本发明所采用的水下采集装置还包括导线孔、导线以及PVC导管；所述集气罩上开设有导线孔；所述导线从导线孔伸入；所述导线与导线孔之间的缝隙密封；所述电机通过导线与潜水搅拌机相连；所述采气导管通过PVC导管与钢制漏斗的小口端相贯通。
作为优选，本发明所采用的浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置还包括与水下采集装置相连的水上采集装置。
作为优选，本发明所采用的水上采集装置包括方形钢结构框架、木板、可拆卸固定杆、集气瓶、长玻璃管、短玻璃管以及瓶塞；所述方形钢结构框架通过可拆卸固定杆与集气罩支架相连；所述木板沿方形钢结构框架的径向置于方形钢结构框架内并与方形钢结构框架相连；所述集气瓶通过木板倒立设置在方形钢结构框架上；所述集气瓶的瓶口处设置有瓶塞；所述集气瓶在使用前是充满水的；所述长玻璃管的一端从瓶塞伸入集气瓶并留置在集气瓶瓶底处，另一端与采气导管相连通；所述短玻璃管的一端从瓶塞伸入集气瓶并留置在集气瓶瓶口处，另一端从方形钢结构框架底部伸出并埋置于水面之下。
作为优选，本发明所采用的水上采集装置还包括泡沫板，所述泡沫板和木板自上而下依次固定设置在方形钢结构框架内部；所述集气瓶通过泡沫板和木板倒立设置在方形钢结构框架上；所述电机通过泡沫板定位，并通过泡沫板和木板设置在方形钢结构框架上。
作为优选，本发明所采用的水上采集装置还包括漂浮球以及出水导管；所述漂浮球螺纹连接于方形钢结构框架四边立杆的底部；所述短玻璃管的另一端从集气瓶伸出，并通过连接出水导管置于水面之下。
一种基于如前所述的浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置的采样方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1）组装浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置；
2）将组装好的浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置放入水中，水上采集装置在漂浮球的浮力作用下浮在水面上，水下采集装置靠分节安装可拆卸固定杆被逐步送入水底，尽量让集气罩支架底部的圆筒和潜水搅拌机垂直插入水底浅表沉积物中；待所有装置稳定后，打开电机，通过潜水搅拌机缓慢搅动沉积物，原始赋存在沉积物中的气泡在浮力的作用下向上运移，依次通过进气孔、下部滤网、钢制漏斗、上部滤网、PVC导管、采气导管、长玻璃管，最终进入到集气瓶中开始排水收集；在这一过程中，通过下部滤网和上部滤网将因搅拌而悬浮起的沉积物泥沙颗粒过滤掉；
3）集气瓶中的水逐步被气体排出，待所采集气体的体积量满足试验要求时，即当集气瓶内收集的气体高度达到h时，关闭电机，停止潜水搅拌机搅拌；将集气瓶从泡沫板中取出，将其放置在水中，将采气导管和出水导管取下，并在水中对瓶塞进行密封处理；然后，将集气瓶移入实验室内，进行气体样品的组分分析。
作为优选，本发明所采用的步骤1）的具体实现方式是：
1.1）将集气瓶和采气导管、出水导管中充满无气水，将出水导管埋入水中；
1.2）将集气瓶放在泡沫板内，同时把集气瓶的瓶口穿过木板预留的卡口；
1.3）将电机也放入在泡沫板里面，并与导线连接好；
1.4）把已经焊接好的钢制漏斗、集气罩和圆筒与PVC管进行密封连接，PVC管的上部与采气导管密封连接；
1.5）将潜水搅拌机通过螺帽固定在圆筒内部的十字钢架上，导线通过导线孔，连接好上部的电机；
1.6）将可拆卸固定杆通过螺纹连接在集气罩支架上，并根据现场水深对可拆卸固定杆进行连接；
作为优选，所述步骤3）之后还包括：
4）停止气体采集之后，将装置进行拆卸，用绳索缠绕好可拆卸固定杆，向上拉起浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置，先将上部集气系统直接取下，再对可拆卸固定杆分节拆卸，直到拆卸到下部采集系统，在船甲板上将固定在圆筒内部的潜水搅拌机拆下进行检查，确保无问题后，储存好所有装置，以备下次采样使用。
本发明的优点是：
本发明提供了一种浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置，包括水下采集装置；水下采集装置包括集气罩支架、钢制漏斗、集气罩、采气导管、进气孔以及圆筒；集气罩支架是框架结构，集气罩支架下部焊接有两端开口的圆筒；集气罩置于圆筒顶部并与圆筒整体形成门洞型；钢制漏斗固定设置在集气罩顶部并通过设置在集气罩上的进气孔与圆筒相贯通；采气导管的一端从集气罩支架内部伸出，另一端与钢制漏斗顶部相贯通。直接在沉积物中进行气体样品的采集，避免了沉积物上覆水体和外界大气对原位样品的稀释或污染，有效的提高水底浅表沉积物中起泡气体的样品采集质量，拓展了作业水深范围，可适用于水深≤50m内的水底浅表沉积物中气泡气体的原位样品采集。
附图说明
图1是本发明所提供的浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置的结构示意图；
图2是本发明所提供的浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置在使用过程中的结构示意图；
其中：
1-方形钢结构框架；2-电机；3-泡沫板；4-木板；5-漂浮球；6-导线；7-水；8-集气罩支架；9-钢制漏斗；10-导线孔；11-集气罩；12-十字钢架；13-潜水搅拌机；14-可拆卸固定杆；15-集气瓶；16-长玻璃管；17-短玻璃管；18-瓶塞；19-出水导管；20-采气导管；21-PVC导管；22-上部滤网；23-下部滤网；24-进气孔；25-圆筒；26-螺帽。
具体实施例
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明的实施方式和操作过程进行详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面，以附图结合具体实施例来对本发明的结构组成、工作原理和应用方法加以说明。
参见图1以及图2，本发明是一种浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置，主要由上部的浮力集气系统和下部的气体采集系统两部分组成。
上部的浮力集气系统是由方形钢结构框架1、集气瓶15、泡沫板3、木板4、电机2、漂浮球5、可拆卸式固定杆14组成。其中集气瓶15是采用排水法收集气体，长玻璃管16是进气口，短玻璃管17是出水口，长玻璃管16和短玻璃管17通过瓶塞18密封插入集气瓶15中，其中集气瓶15在采样前是充满水的，气体从采气导管20进入集气瓶15中，将瓶中的水通过短玻璃管17和出水导管19排出。采气导管20和出水导管19采用胶质软管，方便连接上部的长玻璃管16、短玻璃管17和下部的PVC导管21。上部的泡沫板3和木板4的作用是为了固定集气瓶15和电机2的位置，并保护集气瓶15避免受到外力破坏，避免电机2落入水中。其中可拆卸式固定杆14在方形钢结构框架1的正中间，方形钢结构框架1对可拆卸式固定杆14起到固定作用；可拆卸式固定杆14为分节结构，便于根据沉积物的不同水深调节杆长，每节杆长1.0～1.5m，杆与杆之间通过端头螺纹连接固定，方便安装与拆卸。漂浮球5螺纹连接在方形钢结构框架1的四边的四根立杆的底部，起到在水中漂浮方形钢结构框架1和可拆卸式固定杆14的作用，保证装置不下沉和平稳性。
下部的气体采集系统是由集气罩支架8、PVC导管21、和钢制漏斗9、集气罩11、圆筒25、潜水搅拌机13构成。其中集气罩支架8为方型钢框架结构，圆筒25采用防腐蚀钢制品，通过集气罩支架8的杆件焊接在集气罩支架8的底部；PVC导管21用来连接采气导管20和钢制漏斗9，钢制漏斗9内设置有上部滤网22和下部滤网23，钢制漏斗9和集气罩11上部进行密封性连接。同时在集气罩11的上部开孔，其中进气孔24若干个，1个导线孔10用于连接潜水搅拌机13，集气罩11的下部和圆筒25进行密封焊接，在圆筒25的内部焊接一个十字钢架12并用螺帽26对潜水搅拌机13进行固定；潜水搅拌机13通过导线6与上部的集气系统中的电机2相连通；电机2开闭可以操作和控制潜水搅拌机13的转动和转速。同时，集气罩支架8也采用焊接的方式与圆筒25的外部进行连接，保证其刚度。可拆卸固定杆14与集气罩支架8通过螺纹连接。
该装置在采集气体的过程中，可以根据浅表沉积物中所赋存的气泡量的多少来考虑是否要安装潜水搅拌机13，潜水搅拌机13的目的在于通过缓慢搅动沉积物，使气泡状气体脱离沉积物颗粒的束缚，在浮力作用下气体不断的向集气罩11的顶部汇聚，并通过进气孔24，再经过钢制漏斗9的下部滤网23和上部滤网22，上部滤网22和下部滤网23可将因搅拌而悬浮起的泥沙过滤掉，保证采气导管20的通畅性，在集气瓶15中采用排水法收集气体。在气体的采集过程中，一定要保证出水导管19埋没在水下，不能与大气相连通，避免集气瓶15内因吸入空气而与所采集的气体相混，破坏气体样品的原状组分。
本发明在提供上述内容的同时，还提供了一种基于该浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置的采集方法，为收集水域环境下浅表沉积物中赋存的气泡气体样本，具体采集方法是：
1）水域环境下，水深50m以内，肉眼观测或记录有间歇性气泡冒出水面，为获得水下沉积物中释放气泡的气体样品，提前准备好本发明所需要的装置。
2）将1根可拆卸固定杆14穿过泡沫板3和木板4固定在焊接好的方形钢结构框架1的中间位置，并在方形钢结构框架1四边四根立杆的底部安装好漂浮球5，确保方形钢结构框架1在水中不下沉且平稳。
3）将集气瓶15和采气导管20、出水导管19中充满无气水，将出水导管19放入水7中一定深度，避免因为风浪导致出水导管19跑出水面，而在集气瓶15中引入空气。
4）将集气瓶15放在泡沫板3的气瓶固定位置上，同时把集气瓶15的瓶口穿过木板4预留的卡口，保证其不发生剧烈晃动。
5）将电机2也放入在泡沫板3里的电机固定位置上，并与导线6连接好。
6）把已经焊接好的钢制漏斗9、集气罩11和圆筒25与PVC导管21进行密封连接，PVC导管21的上部与采气导管20密封连接。
7）将潜水搅拌机13通过螺帽26固定在圆筒25内部的十字钢架12上，导线6通过导线孔10，连接好上部的电机2。
8）将可拆卸固定杆14通过螺纹连接在集气罩支架8上，并根据水深对可拆卸固定杆14进行分节连接。
9）将组装好的装置放入水中，方形钢结构框架1在漂浮球5的浮力作用下漂浮于水面，分节安装可拆卸固定杆14，将集气罩支架8连同底部的圆筒25和潜水搅拌机13尽可能保证垂直送入水底浅表沉积物中；待所有装置稳定后，打开电机2，潜水搅拌机13开始缓慢搅动沉积物，沉积物的颗粒骨架被搅散，原始赋存的气泡逃脱骨架颗粒的束缚，在浮力的作用下向上运移，依次通过进气孔24、下部滤网23、钢制漏斗9、上部滤网22、PVC导管21、采气导管20、长玻璃管16，最终进入到集气瓶15中，开始排水收集气体。在这一过程中，下部滤网23和上部滤网22可以将因搅拌而悬浮起的沉积物泥沙颗粒过滤掉，确保采气导管20内的畅通。
10）集气瓶15中的水逐步被气体排出，待所采集气体的体积量满足试验要求时，即当集气瓶15内收集的气体高度达到h时，关闭电机2，停止潜水搅拌机13搅拌。将集气瓶15从泡沫板3中取出，将其放置在水中，将采气导管20和出水导管19取下，并在水下对瓶塞18进行密封。然后，将集气瓶15移入实验室内，对所采集气体样品的组分进行分析检验。
11）停止气体采集之后，将装置进行拆卸，用绳索缠绕好可拆卸固定杆14，向上拉起装置，先将上部集气系统取下，再对可拆卸固定杆14分节拆卸，直到拆卸到下部采集系统，在船甲板上将固定在圆筒25内部的潜水搅拌机13拆下进行检查，确保无问题后，储存好所有装置，以备下次采样使用。
Claims (4)
1.一种浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置，其特征在于：所述浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置包括水下采集装置；所述水下采集装置包括集气罩支架（8）、钢制漏斗（9）、集气罩（11）、采气导管（20）、进气孔（24）以及圆筒（25）；所述集气罩支架（8）为框架结构，所述集气罩支架（8）下部焊接有两端开口的圆筒（25）；所述集气罩（11）置于圆筒（25）顶部并与圆筒（25）整体形成门洞型；所述钢制漏斗（9）固定设置在集气罩（11）顶部并通过设置在集气罩（11）上的进气孔（24）与圆筒（25）相贯通；所述采气导管（20）的一端从集气罩支架（8）内部伸出，另一端与钢制漏斗（9）顶部相贯通；
所述钢制漏斗（9）包括大口端以及与大口端相对的小口端；所述钢制漏斗（9）的大口端固定设置在集气罩（11）顶部；所述钢制漏斗（9）的小口端与采气导管（20）相连通；所述钢制漏斗（9）内设置有过滤网；所述过滤网包括自上而下依次设置的上部滤网（22）以及下部滤网（23）；
所述水下采集装置还包括置于圆筒（25）内部并与圆筒（25）固定连接的气泡脱离装置；所述气泡脱离装置包括电机（2）、十字钢架（12）、潜水搅拌机（13）以及螺帽（26）；所述电机（2）置于集气罩支架（8）外部；所述十字钢架（12）沿圆筒（25）的径向置于圆筒（25）中；所述潜水搅拌机（13）通过螺帽（26）固定在十字钢架（12）上；所述电机（2）与潜水搅拌机（13）相连并驱动潜水搅拌机（13）工作；
所述水下采集装置还包括导线孔（10）、导线（6）以及PVC导管（21）；所述集气罩（11）上开设有导线孔（10）；所述导线（6）从导线孔（10）伸入；所述导线（6）与导线孔（10）之间的缝隙密封；所述电机（2）通过导线（6）与潜水搅拌机（13）相连；所述采气导管（20）通过PVC导管（21）与钢制漏斗（9）的小口端相贯通；
所述浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置还包括与水下采集装置相连的水上采集装置；
所述水上采集装置包括方形钢结构框架（1）、木板（4）、可拆卸固定杆（14）、集气瓶（15）、长玻璃管（16）、短玻璃管（17）以及瓶塞（18）；所述方形钢结构框架（1）通过可拆卸固定杆（14）与集气罩支架（8）相连；所述木板（4）沿方形钢结构框架（1）的径向置于方形钢结构框架（1）内并与方形钢结构框架（1）相连；所述集气瓶（15）通过木板（4）倒立设置在方形钢结构框架（1）上；所述集气瓶（15）的瓶口处设置有瓶塞（18）；所述集气瓶（15）在使用前是充满水的；所述长玻璃管（16）的一端从瓶塞（18）伸入集气瓶（15）并留置在集气瓶（15）瓶底处，另一端与采气导管（20）相连通；所述短玻璃管（17）的一端从瓶塞（18）伸入集气瓶（15）并留置在集气瓶（15）瓶口处，另一端从方形钢结构框架（1）底部伸出并埋置于水面之下；
所述水上采集装置还包括泡沫板（3），所述泡沫板（3）和木板（4）自上而下依次固定在方形钢结构框架（1）内部；所述集气瓶（15）通过泡沫板（3）和木板（4）倒立设置在方形钢结构框架（1）上；
所述水上采集装置还包括漂浮球（5）以及出水导管（19）；所述漂浮球（5）螺纹连接于方形钢结构框架（1）底部；所述短玻璃管（17）的另一端从集气瓶（15）伸出并通过出水导管（19）置于水面之下。
2.一种基于如权利要求1所述的浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置的采样方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1）准备如权利要求1所述的浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置；
2）将组装好的浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置放入水中，水上采集装置在漂浮球（5）的浮力作用下浮在水面上，水下采集装置靠分节安装可拆卸固定杆（14）被逐步送入水底，集气罩支架（8）底部的圆筒（25）和潜水搅拌机（13）尽可能垂直插入水底浅表沉积物中；待所有装置稳定后，打开电机（2），通过潜水搅拌机（13）缓慢搅动沉积物，原始赋存在沉积物中的气泡在浮力作用下向上运移，依次通过进气孔（24）、下部滤网（23）、钢制漏斗（9）、上部滤网（22）、PVC导管（21）、采气导管（20）、长玻璃管（16），最终进入到集气瓶（15）中开始排水收集；在这一过程中，通过下部滤网（23）和上部滤网（22）将因搅拌而悬浮起的沉积物泥沙颗粒过滤掉；
3）集气瓶（15）中的水逐步被气体排出，待所采集气体的体积量满足试验要求时，即当集气瓶（15）内收集的气体高度达到h时，关闭电机（2），停止潜水搅拌机（13）搅拌；将集气瓶（15）从泡沫板（3）中取出，将其放置在水中，将采气导管（20）和出水导管（19）取下，并在水下对瓶塞（18）进行密封；然后，将集气瓶（15）移入实验室内，进行气体样品的组分分析。
3.根据权利要求2所述的采样方法，其特征在于：所述步骤1）的具体实现方式是：
1.1）将集气瓶（15）和采气导管（20）、出水导管（19）中充满无气水，将出水导管（19）埋入水（7）中；
1.2）将集气瓶（15）放在泡沫板（3）内，同时把集气瓶（15）的瓶口穿过木板（4）预留的卡口；
1.3）将电机（2）也放入在泡沫板（3）里面，并与导线（6）连接好；
1.4）把已经焊接好的钢制漏斗（9）、集气罩（11）和圆筒（25）与PVC导管（21）进行密封连接，PVC导管（21）的上部与采气导管（20）密封连接；
1.5）将潜水搅拌机（13）通过螺帽（26）固定在圆筒（25）内部的十字钢架（12）上，导线（6）通过导线孔（10），连接好上部的电机（2）；
1.6）将可拆卸固定杆（14）通过螺纹连接在集气罩支架（8）上，并根据水深对可拆卸固定杆（14）进行分节连接。
4.根据权利要求3所述的采样方法，其特征在于：所述步骤3）之后还包括：
4）停止气体采集之后，将装置进行拆卸，用绳索缠绕好可拆卸固定杆（14），向上拉起浅表沉积物中起泡气体的原位采样装置，先将上部集气系统直接取下，再对可拆卸固定杆（14）分节拆卸，直到拆卸到下部采集系统，在船甲板上将固定在圆筒（25）内部的潜水搅拌机（13）拆下进行检查，确保无问题后，储存好所有装置，以备下次采样使用。
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