CN112834281A - 一种沉积物孔隙水采样系统及其采样器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种沉积物孔隙水采样器，包括采样组件、孔隙水容置组件、固定框架和限位组件，采样组件中的取样导管能够插入沉积物中，在负压作用下，孔隙水由渗孔经由取样导管进入柱塞缸的内腔中，孔隙水充满柱塞缸的内腔时，第一活塞下行，孔隙水在压力作用下经由连通通道进入容置腔内，容置腔储水完成后，孔隙水容置组件向上运动，孔隙水容置组件与柱塞缸产生相对滑动，直至孔隙水容置组件与柱塞缸脱离，更换孔隙水容置组件后可进行新一轮的孔隙水取样，以实现对一点处沉积物孔隙水长期数据流的获取；且避免了往复进入对沉积物造成扰动，提高了样本采集纯度。本发明还提供一种沉积物孔隙水采样系统，包括浮标、电缆和上述采样器。

Description

一种沉积物孔隙水采样系统及其采样器

技术领域

本发明涉及孔隙水采样设备及其周边配套设施技术领域，特别是涉及一种沉积物孔隙水采样系统及其采样器。

背景技术

在天然气水合物成藏区，由于地下环境中普遍存在压力、温度、浓度和组分上的差异，烃类物质将从深部动态运移至表层，使得浅表层沉积物、孔隙水和底层水等介质中的地球化学特征发生变化，形成地球化学异常。其中海水-沉积物界面的甲烷渗漏、pH值、氧化还原电位和各种化学组成变化是天然气水合物勘探和海洋环境变化的重要依据，但相关的保真取样、测试技术和地质环境系统演化研究相对薄弱。深海沉积物孔隙水原位气密采样器的研制与开发是“十一五”863海洋高新技术重大项目“天然气水合物勘探开发关键技术”中“流体地球化学现场快速探测技术”研究项目的一个重要部分。海底沉积物孔隙水的原位采集及现场分析技术，可快速探测孔隙水中CH₄、H₂S等气体和Cl^-、

等离子的异常及其分布特征，为天然气水合物探查提供快速、高效的地球化学证据，同时，孔隙水原位采集技术还可广泛应用于海洋油气和海洋环境调查中。

现有技术中，沉积物孔隙水采样器在完成一次采样后，需要将采样机构拔出，再次采样时重新进入沉积物，无法进行同一点处的长期多次采样，采样效率较低；且再次进入沉积物时，会对沉积物造成扰动，降低采集样本的纯度。

因此，如何改变现有技术中，沉积物孔隙水采样器无法进行同一点处长期多次采样以及采样纯度较低的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种沉积物孔隙水采样系统及其采样器，以解决上述现有技术存在的问题，使采样器能够获取一点处孔隙水的长期数据流，并提高采集样本的纯度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种沉积物孔隙水采样器，包括：

采样组件，所述采样组件包括第一驱动元件、第一活塞、柱塞缸、取样导管，所述第一活塞可滑动地设置于所述柱塞缸内，所述第一驱动元件与所述第一活塞传动相连，所述第一驱动元件能够带动所述第一活塞往复运动，所述取样导管设置于所述柱塞缸的底部，所述取样导管与所述柱塞缸的内腔相连通，所述取样导管与所述柱塞缸之间设置单向阀，所述取样导管位于所述第一活塞的底部，所述取样导管具有渗孔，所述柱塞缸具有连通通道；

孔隙水容置组件，所述孔隙水容置组件可滑动地套装于所述柱塞缸的外部，所述孔隙水容置组件具有若干个容置腔，所述容置腔内设置有第二活塞，所述第二活塞可滑动地设置于所述容置腔内，所述容置腔能够与所述连通通道相连通，所述第二活塞位于所述连通通道的顶部，所述容置腔的顶部具有连通孔，所述连通孔与外部环境相连通，所述连通孔位于所述第二活塞的顶部；

固定框架，所述柱塞缸与所述固定框架相连，所述柱塞缸的一端穿过所述固定框架，所述取样导管位于所述固定框架的底部；

限位组件，所述限位组件包括压块和滑动杆，所述滑动杆可滑动地与所述固定框架相连，所述压块与所述滑动杆相连，所述压块与所述孔隙水容置组件相抵接，所述压块与所述固定框架之间设置弹性件，所述滑动杆与所述固定框架的相对滑动距离较所述孔隙水容置组件与所述柱塞缸的相对滑动距离大。

优选地，所述孔隙水容置组件具有多个所述容置腔，多个所述容置腔绕所述柱塞缸周状均布。

优选地，所述孔隙水容置组件包括多个容腔管，所述容腔管设置于所述容置腔的底部且二者相连通，所述容腔管的数量与所述容置腔的数量相一致且一一对应，所述容腔管能够与所述连通通道插接相连，所述连通通道的数量与所述容腔管的数量相一致且一一对应，所述容腔管与所述连通通道之间设置密封元件。

优选地，所述孔隙水容置组件包括连接管，所述连接管设置于所述容置腔的底部，所述柱塞缸具有与所述连接管相适配的连接凹槽，所述连接管能够与所述连接凹槽插接相连，所述连接管与所述柱塞缸同轴设置。

优选地，所述连接管与所述连接凹槽之间设置磁力导向块。

优选地，所述第一驱动元件为电机，所述第一驱动元件具有电机轴，所述第一活塞连接有活塞拉杆，所述电机轴与所述活塞拉杆螺纹连接，所述活塞拉杆连接有滑杆，所述柱塞缸的内壁上具有滑槽，所述滑杆的自由端可滑动地设置于所述滑槽内，所述滑杆、所述滑槽的相对滑动方向与所述第一活塞、所述柱塞缸的相对滑动方向相平行；所述第一活塞的底部设置有液位传感器。

优选地，所述固定框架包括底板、立柱和顶板，所述顶板设置于所述底板的顶部，所述立柱连接所述底板与所述顶板，所述柱塞缸固定于所述底板上，所述立柱的数量为四根，四根所述立柱的连线围成矩形，所述立柱的高度较所述柱塞缸与所述孔隙水容置组件的高度之和大。

优选地，所述限位组件还包括第二驱动元件，所述第二驱动元件固定于所述顶板上，所述第二驱动元件与所述滑动杆传动相连，所述第二驱动元件能够带动所述滑动杆往复运动，所述滑动杆穿过所述顶板与所述压块相连，所述弹性件为弹簧，所述弹性件套装于所述滑动杆的外部。

优选地，所述渗孔的数量为多组，每一组所述渗孔绕所述取样导管的轴线周状均布，多组所述渗孔沿所述取样导管的长度方向等间距均布；所述孔隙水容置组件还包括抓柄。

本发明还提供一种沉积物孔隙水采样系统，包括浮标、电缆和所述沉积物孔隙水采样器，所述电缆连接所述浮标与所述沉积物孔隙水采样器。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的沉积物孔隙水采样器，包括采样组件、孔隙水容置组件、固定框架和限位组件，采样组件中的取样导管能够插入沉积物中，第一驱动元件带动第一活塞向上运动，在负压作用下，孔隙水由渗孔经由取样导管进入柱塞缸的内腔中，孔隙水充满柱塞缸的内腔时，第一驱动元件驱动第一活塞下行，孔隙水在压力作用下经由连通通道进入容置腔内，取样导管与柱塞缸之间的单向阀能够避免孔隙水倒流，容置腔储水完成后，利用外部机械臂带动孔隙水容置组件向上运动，孔隙水容置组件与柱塞缸产生相对滑动，直至孔隙水容置组件与柱塞缸脱离，在脱离的同时，孔隙水容置组件需克服限位组件的限位作用，限位组件在孔隙水容置组件安装就位后能够对其压紧，提高装置的整体结构稳定性，更换孔隙水容置组件后可进行新一轮的孔隙水取样，取样导管插入沉积物中无须拔出，以实现对一点处沉积物孔隙水长期数据流的获取；且避免了往复进入对沉积物造成扰动，提高了样本采集纯度。本发明还提供一种沉积物孔隙水采样系统，包括浮标、电缆以及上述采样器，通过浮标对采样器进行定位，并通过电缆对采样器提供电力来源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的沉积物孔隙水采样系统的结构示意图；

图2为本发明的沉积物孔隙水采样器的结构示意图；

图3为本发明的沉积物孔隙水采样器的剖切结构示意图；

图4为本发明的沉积物孔隙水采样器的采样组件的部分结构示意图；

图5为本发明的沉积物孔隙水采样器的部分结构示意图；

其中，100为沉积物孔隙水采样器，200为浮标，300为电缆，1为采样组件，2为第一驱动组件，3为第一活塞，4为柱塞缸，5为取样导管，6为单向阀，7为渗孔，8为连通通道，9为孔隙水容置组件，10为容置腔，11为第二活塞，12为连通孔，13为固定框架，14为限位组件，15为压块，16为滑动杆，17为弹性件，18为容腔管，19为密封元件，20为连接管，21为连接凹槽，22为磁力导向块，23为电机轴，24为活塞拉杆，25为滑杆，26为液位传感器，27为底板，28为立柱，29为顶板，30为第二驱动元件，31为抓柄。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种沉积物孔隙水采样系统及其采样器，以解决上述现有技术存在的问题，使采样器能够获取一点处孔隙水的长期数据流，并提高采集样本的纯度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-5，其中，图1为本发明的沉积物孔隙水采样系统的结构示意图，图2为本发明的沉积物孔隙水采样器的结构示意图，图3为本发明的沉积物孔隙水采样器的剖切结构示意图，图4为本发明的沉积物孔隙水采样器的采样组件的部分结构示意图，图5为本发明的沉积物孔隙水采样器的部分结构示意图。

本发明提供一种沉积物孔隙水采样器100，包括：

采样组件1，采样组件1包括第一驱动元件2、第一活塞3、柱塞缸4、取样导管5，第一活塞3可滑动地设置于柱塞缸4内，第一驱动元件2与第一活塞3传动相连，第一驱动元件2能够带动第一活塞3往复运动，取样导管5设置于柱塞缸4的底部，取样导管5与柱塞缸4的内腔相连通，取样导管5与柱塞缸4之间设置单向阀6，取样导管5位于第一活塞3的底部，取样导管5具有渗孔7，柱塞缸4具有连通通道8；采样时，将取样导管5插入沉积物中，第一驱动元件2带动第一活塞3上行，将孔隙水抽到柱塞缸4的内腔中，第一活塞3下行时，将孔隙水通过连通通道8输出。

孔隙水容置组件9，孔隙水容置组件9可滑动地套装于柱塞缸4的外部，孔隙水容置组件9具有若干个容置腔10，容置腔10内设置有第二活塞11，第二活塞11可滑动地设置于容置腔10内，容置腔10能够与连通通道8相连通，第二活塞11位于连通通道8的顶部，容置腔10的顶部具有连通孔12，连通孔12与外部环境相连通，连通孔12位于第二活塞11的顶部；孔隙水由连通通道8进入容置腔10中，推动第二活塞11上升，连通孔12能够保证第二活塞11顺利上升。

固定框架13，柱塞缸4与固定框架13相连，柱塞缸4的一端穿过固定框架13，取样导管5位于固定框架13的底部；固定框架13为其他部件提供了稳定支撑，提高装置的结构稳定性。

限位组件14，限位组件14包括压块15和滑动杆16，滑动杆16可滑动地与固定框架13相连，压块15与滑动杆16相连，压块15与孔隙水容置组件9相抵接，压块15与固定框架13之间设置弹性件17，滑动杆16与固定框架13的相对滑动距离较孔隙水容置组件9与柱塞缸4的相对滑动距离大。在孔隙水容置组件9套装于柱塞缸4的外部，安装到位后，压块15能够压紧孔隙水容置组件9，提高装置整体的稳定性，在更换孔隙水容置组件9时，孔隙水容置组件9在机械臂的带动下上升，克服压块15的作用力，推动滑动杆16上升，直至孔隙水组件与柱塞缸4脱离，由固定框架13侧面脱离，更换孔隙水容置组件9时，同样推动滑动杆16上升，将孔隙水容置组件9套装于柱塞缸4外部后，在弹性件17恢复形变的作用力下，压块15推动孔隙水容置组件9安装到位。

本发明的沉积物孔隙水采样器100，包括采样组件1、孔隙水容置组件9、固定框架13和限位组件14，采样组件1中的取样导管5能够插入沉积物中，第一驱动元件2带动第一活塞3向上运动，在负压作用下，孔隙水由渗孔7经由取样导管5进入柱塞缸4的内腔中，孔隙水充满柱塞缸4的内腔时，第一驱动元件2驱动第一活塞3下行，孔隙水在压力作用下经由连通通道8进入容置腔10内，取样导管5与柱塞缸4之间的单向阀6能够避免孔隙水倒流，容置腔10储水完成后，利用外部机械臂带动孔隙水容置组件9向上运动，孔隙水容置组件9与柱塞缸4产生相对滑动，直至孔隙水容置组件9与柱塞缸4脱离，在脱离的同时，孔隙水容置组件9需克服限位组件14的限位作用，限位组件14在孔隙水容置组件9安装就位后能够对其压紧，提高装置的整体结构稳定性，更换孔隙水容置组件9后可进行新一轮的孔隙水取样，取样导管5插入沉积物中无须拔出，以实现对一点处沉积物孔隙水长期数据流的获取；且避免了往复进入对沉积物造成扰动，提高了样本采集纯度。

为了提高采样效率，孔隙水容置组件9具有多个容置腔10，多个容置腔10绕柱塞缸4周状均布，容置腔10与连通通道8之间设置电磁阀，当一个容置腔10中的孔隙水充满后，再将孔隙水输入其他的容置腔10中。

其中，孔隙水容置组件9包括多个容腔管18，容腔管18设置于容置腔10的底部且二者相连通，容腔管18的数量与容置腔10的数量相一致且一一对应，容腔管18能够与连通通道8插接相连，提高容置腔10与连通通道8的连接便捷性，连通通道8的数量与容腔管18的数量相一致且一一对应，容腔管18与连通通道8之间设置密封元件19，密封元件19可以采用O型圈，保证连接处的密封性，避免泄露。

具体地，孔隙水容置组件9包括连接管20，连接管20设置于容置腔10的底部，柱塞缸4具有与连接管20相适配的连接凹槽21，连接管20能够与连接凹槽21插接相连，连接管20与柱塞缸4同轴设置，连接管20与连接凹槽21相配合能够孔隙水容置组件9与柱塞缸4快速连接，避免孔隙水容置组件9错位。

为了进一步地实现孔隙水容置组件9与柱塞缸4快速连接，连接管20与连接凹槽21之间设置磁力导向块22，在磁力吸引导向作用下，实现孔隙水容置组件9快速安装到位。

在本具体实施方式中，第一驱动元件2为电机，第一驱动元件2具有电机轴23，第一活塞3连接有活塞拉杆24，电机轴23与活塞拉杆24螺纹连接，活塞拉杆24连接有滑杆25，柱塞缸4的内壁上具有滑槽，滑杆25的自由端可滑动地设置于滑槽内，滑杆25、滑槽的相对滑动方向与第一活塞3、柱塞缸的相对滑动方向相平行，第一驱动元件2带动电机轴23转动，电机轴23与活塞拉杆24螺纹连接，滑杆25于滑槽中往复滑动，继而将旋转运动转换为往复直线运动；第一活塞3的底部设置有液位传感器26，便于监测柱塞缸4内腔中采样的量。

更具体地，固定框架13包括底板27、立柱28和顶板29，顶板29设置于底板27的顶部，立柱28连接底板27与顶板29，柱塞缸4固定于底板27上，立柱28的数量为四根，四根立柱28的连线围成矩形，立柱28的高度较柱塞缸4与孔隙水容置组件9的高度之和大，避免顶板29影响孔隙水容置组件9的更换。

另外，限位组件14还包括第二驱动元件30，第二驱动元件30固定于顶板29上，第二驱动元件30与滑动杆16传动相连，第二驱动元件30能够带动滑动杆16往复运动，滑动杆16穿过顶板29与压块15相连，弹性件17为弹簧，弹性件17套装于滑动杆16的外部，弹性件17能够起到缓冲减少振动的作用，提高装置的安全系数。

进一步地，渗孔7的数量为多组，每一组渗孔7绕取样导管5的轴线周状均布，多组渗孔7沿取样导管5的长度方向等间距均布，通过渗孔7的合理布置，提高采样的均匀性和工作效率。还需要说明的是，孔隙水容置组件9还包括抓柄31，方便机械臂抓取更换或安装。

本发明还提供一种沉积物孔隙水采样系统，包括浮标200、电缆300和沉积物孔隙水采样器100，电缆300连接浮标200与沉积物孔隙水采样器100。沉积物孔隙水采样器100通过机械臂布放到海底，浮标200通过工程船布放到海面，沉积物孔隙水采样器100与浮标200通过电缆300连接，浮标200对采样器进行定位，并通过电缆300利用浮标200为沉积物孔隙水采样器100提供电能。沉积物孔隙水采样器100能够在浮标200的供持下独立长期工作，浮标200还能够向工作人员发送更换孔隙水容置组件9的信号，降低工作成本；沉积物孔隙水采样器100采集的孔隙水中不含提前注入的去离子水或采样位置的海水，提高采样纯度；孔隙水容置组件9包括多个容置腔10，能够采集到不同时间周期内的孔隙水。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种沉积物孔隙水采样器，其特征在于，包括：

采样组件，所述采样组件包括第一驱动元件、第一活塞、柱塞缸、取样导管，所述第一活塞可滑动地设置于所述柱塞缸内，所述第一驱动元件与所述第一活塞传动相连，所述第一驱动元件能够带动所述第一活塞往复运动，所述取样导管设置于所述柱塞缸的底部，所述取样导管与所述柱塞缸的内腔相连通，所述取样导管与所述柱塞缸之间设置单向阀，所述取样导管位于所述第一活塞的底部，所述取样导管具有渗孔，所述柱塞缸具有连通通道；

孔隙水容置组件，所述孔隙水容置组件可滑动地套装于所述柱塞缸的外部，所述孔隙水容置组件具有若干个容置腔，所述容置腔内设置有第二活塞，所述第二活塞可滑动地设置于所述容置腔内，所述容置腔能够与所述连通通道相连通，所述第二活塞位于所述连通通道的顶部，所述容置腔的顶部具有连通孔，所述连通孔与外部环境相连通，所述连通孔位于所述第二活塞的顶部；

固定框架，所述柱塞缸与所述固定框架相连，所述柱塞缸的一端穿过所述固定框架，所述取样导管位于所述固定框架的底部；

限位组件，所述限位组件包括压块和滑动杆，所述滑动杆可滑动地与所述固定框架相连，所述压块与所述滑动杆相连，所述压块与所述孔隙水容置组件相抵接，所述压块与所述固定框架之间设置弹性件，所述滑动杆与所述固定框架的相对滑动距离较所述孔隙水容置组件与所述柱塞缸的相对滑动距离大。

2.根据权利要求1所述的沉积物孔隙水采样器，其特征在于：所述孔隙水容置组件具有多个所述容置腔，多个所述容置腔绕所述柱塞缸周状均布。

3.根据权利要求2所述的沉积物孔隙水采样器，其特征在于：所述孔隙水容置组件包括多个容腔管，所述容腔管设置于所述容置腔的底部且二者相连通，所述容腔管的数量与所述容置腔的数量相一致且一一对应，所述容腔管能够与所述连通通道插接相连，所述连通通道的数量与所述容腔管的数量相一致且一一对应，所述容腔管与所述连通通道之间设置密封元件。

4.根据权利要求1所述的沉积物孔隙水采样器，其特征在于：所述孔隙水容置组件包括连接管，所述连接管设置于所述容置腔的底部，所述柱塞缸具有与所述连接管相适配的连接凹槽，所述连接管能够与所述连接凹槽插接相连，所述连接管与所述柱塞缸同轴设置。

5.根据权利要求4所述的沉积物孔隙水采样器，其特征在于：所述连接管与所述连接凹槽之间设置磁力导向块。

6.根据权利要求1所述的沉积物孔隙水采样器，其特征在于：所述第一驱动元件为电机，所述第一驱动元件具有电机轴，所述第一活塞连接有活塞拉杆，所述电机轴与所述活塞拉杆螺纹连接，所述活塞拉杆连接有滑杆，所述柱塞缸的内壁上具有滑槽，所述滑杆的自由端可滑动地设置于所述滑槽内，所述滑杆、所述滑槽的相对滑动方向与所述第一活塞、所述柱塞缸的相对滑动方向相平行；所述第一活塞的底部设置有液位传感器。

7.根据权利要求1所述的沉积物孔隙水采样器，其特征在于：所述固定框架包括底板、立柱和顶板，所述顶板设置于所述底板的顶部，所述立柱连接所述底板与所述顶板，所述柱塞缸固定于所述底板上，所述立柱的数量为四根，四根所述立柱的连线围成矩形，所述立柱的高度较所述柱塞缸与所述孔隙水容置组件的高度之和大。

8.根据权利要求7所述的沉积物孔隙水采样器，其特征在于：所述限位组件还包括第二驱动元件，所述第二驱动元件固定于所述顶板上，所述第二驱动元件与所述滑动杆传动相连，所述第二驱动元件能够带动所述滑动杆往复运动，所述滑动杆穿过所述顶板与所述压块相连，所述弹性件为弹簧，所述弹性件套装于所述滑动杆的外部。

9.根据权利要求1所述的沉积物孔隙水采样器，其特征在于：所述渗孔的数量为多组，每一组所述渗孔绕所述取样导管的轴线周状均布，多组所述渗孔沿所述取样导管的长度方向等间距均布；所述孔隙水容置组件还包括抓柄。

10.一种沉积物孔隙水采样系统，包括权利要求1-9任一项所述的沉积物孔隙水采样器，其特征在于：包括浮标、电缆和所述沉积物孔隙水采样器，所述电缆连接所述浮标与所述沉积物孔隙水采样器。

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