CN114034517A - 液压驱动型高分辨率深海沉积物孔隙水原位保真取样器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深海取样技术，旨在提供一种液压驱动型高分辨率深海沉积物孔隙水原位保真取样器。包括：取样插板单元、存样及连接单元、采样抽拉单元；取样插板单元包括：取样插板、防污染挡板和孔隙水取样器；所述取样插板呈竖向布置，在其表面均匀间隔地设有若干个水平凹槽，每个凹槽中布置一个孔隙水取样器；紧贴取样插板表面设有能够与之相对移动的防污染挡板，在防污染挡板上设置与水平凹槽相配合的若干个开孔；各孔隙水取样器通过存样及连接单元接至采样抽拉单元。本发明可同时获得若干个厘米级间隔的高分辨率孔隙水样本，最小程度降低对深海沉积物的扰动，增加孔隙水样品精度，并减小装置的体积；能避免取样前插入过程中孔隙水取样器被污染。

Description

液压驱动型高分辨率深海沉积物孔隙水原位保真取样器

技术领域

本发明涉及深海取样技术，特别涉及液压驱动型高分辨率深海沉积物孔隙水原位保真取样装置。该取样器能在维持原始环境的状态下，对深海沉积物孔隙水进行厘米级的高分辨率保真采样，从而获原位不同层位的保真孔隙水样品。

背景技术

深海沉积物孔隙水通常能够反映出天然气水合物的存在形式，通常通过检测孔隙水和表层海水中的甲烷(烃类气体)和硫化氢(其他气体)的异常标志来识别天然气水合物，这能够为天然气水合物高效、快捷的检测提供参考依据。同时，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。因此，深海沉积物孔隙水采样研究对于海洋油气资源勘查与开发具有重要的意义，尤其在海底天然气水合物勘查方面能够提供有效的地球化学特征信息。

在深海取样技术中，高分辨率取样通常是指在沉积物深度剖面上取样点位密度丰富。对于海底天然气水合物勘查而言，高分辨率取样可以更准确的提供海底沉积物孔隙水深度方面的地球化学信息。由于深海海底是一个高压、低温以及强腐蚀环境，并且海底地形较为复杂且周围海水又时刻处于动态变化的过程，故这些情况使得海底沉积物孔隙水的采集难度增加。

现有的深海孔隙水采样设备通常是基于重力或结合电机取样等传统的采样方式，采样设备结构复杂且采样深度及点位受限，不能同时兼顾取样密度丰富及样品量的问题。在应用于深海环境中时，由于深海环境复杂极容易出现难以保温保压等问题，难以实现深海沉积物孔隙水在高分辨率下的原位保真取样。

因此，研究一种高分辨率深海沉积物孔隙水原位保真取样器能够使其获得无扰动、无污染的高分辨率孔隙水样品是十分必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种液压驱动型高分辨率深海沉积物孔隙水原位保真取样器。以此解决采样深度、样品量和高分辨率难以同时兼顾的问题，实现无污染、高分辨率的深海沉积物原位孔隙水保真取样。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种液压驱动型高分辨率深海沉积物孔隙水原位保真取样器，包括取样插板单元、存样及连接单元、采样抽拉单元；其中，取样插板单元包括：取样插板、防污染挡板和孔隙水取样器；所述取样插板呈竖向布置，在其表面均匀间隔地设有若干个水平凹槽，每个凹槽中布置一个孔隙水取样器；紧贴取样插板表面设有能够与之相对移动的防污染挡板，在防污染挡板上设置与水平凹槽相配合的若干个开孔；各孔隙水取样器通过存样及连接单元接至采样抽拉单元。

作为优选方案，取样插板与防污染挡板之间为具有一定紧固力的活动连接，当取样插板向下位移时能够带动防污染挡板向下位移；防污染挡板的顶端通过钢丝绳连接至固定锚点(可以是单独的固定支架，或者是水下机器人上的支架)，且钢丝绳张紧时的最大拉伸长度与取样插板的最大行程之间具有差值；当取样插板带动防污染挡板向下位移至钢丝绳最大拉伸长度后，取样插板还能继续位移一段距离，使各孔隙水取样器与防污染挡板上对应的开孔位置相互重合，从而露出于开孔中(即，利用特定的行程差值使得两者发生相对移动，直至各孔隙水取样器由被遮蔽的防污染状态变成露出的可采样状态)。

作为优选方案，还包括一个竖向的固定支架，所述钢丝绳的固定锚点位于该固定支架的顶端，所述取样插板与防污染挡板安装在固定支架上的限位结构中。

作为优选方案，所述防污染挡板的上部顶端设有卡套结构；该卡套结构活动安装在取样插板上，或是活动安装在附着于取样插板的竖向滑杆上。

作为优选方案，所述取样插板的下部顶端设有铲形刀头。

作为优选方案，该取样器还包括固定板和驱动液压源；固定板呈水平布置，用于承载取样器各零部件及对外固定安装，取样插板垂直地活动嵌装在固定板上；驱动液压源通过连杆接至取样插板上的横向挡板，使取样插板能在垂直于固定板的方向上进行位移。

作为优选方案，所述驱动液压源是独立的驱动液压油缸，或者是取样器所处水下机器人中各设备共用的驱动液压油缸。

作为优选方案，所述存样及连接单元包括依次连接的单向阀、第一三通阀、存样管和第二三通阀；存样及连接单元的各部件均与孔隙水取样器具有相同的数量，且均按下述方式进行装配：单向阀接至孔隙水取样器，第二三通阀接至采样抽拉单元，两个三通阀的剩余接口分别接至各自的保压阀门。

作为优选方案，所述存样管为PEEK毛细管，盘放于存样管支架上；所述单向阀、第一三通阀、第二三通阀和保压阀门均固定在阀门布放支架上。

作为优选方案，所述采样抽拉单元包括采样液压油缸和保压筒，保压筒中设有活塞，采样液压油缸通过连接与活塞相连(由采样液压油缸驱动活塞的位移以实现孔隙水取样器的采样)。

作为优选方案，所述采样抽拉单元共有若干组，各组均由相同结构；所述各孔隙水取样器和存样及连接单元分为相同组数，分别接至各组采样抽拉单元。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用若干个平行间隔布置的孔隙水取样器，在维持深海孔隙水原状环境的情况下，对孔隙水进行厘米级精确气密采集，以获原位不同层位高分辨率的保真孔隙水样品。本发明对海底沉积物孔隙水的保真取样技术的发展在圈定天然气水合物蕴藏区以及评估天然气水合物资源方面等研究提供重要的技术手段支撑，可应用于海洋天然气水合物勘探和开采、海洋生态环境的监测等领域。

(2)本装置能够搭载深海移动平台进行深海3000米及以上的孔隙水取样。取样时，孔隙水取样器由采样液压油缸驱动保压筒内的活塞，为孔隙水取样器提供抽吸力实现取样；该原理简单，无需额外动力。

(3)采用孔亲水性滤膜制成的孔隙过滤毛细管，可以在原位采样时最小程度降低对深海沉积物的扰动，增加孔隙水样品精度，并减小装置的体积。

(4)利用在竖直方向的取样插板上间隔布放孔隙水取样器进行深海沉积物多层位保真取样，可同时获得若干个厘米级间隔的高分辨率孔隙水样本。

(5)本装置的存样管通过两个三通阀控制样品进出和储存，为样品的后续保压转移提供便利。

(6)取样插板与防污染挡板的配合及行程差设计，能够避免取样前的插入过程中孔隙水取样器被污染。取样插板底端的刀头为铲形结构，能够减小贯入海底时的阻力和对原位沉积物的扰动。

附图说明

图1是本发明的整体装置图；

图2是本发明取样插板装置正视图及侧视剖面图；

图3是本发明中阀门布放示意图；

图4是本发明中采样抽拉单元的示意图；

图5是本发明中存样及连接单元的示意图；

图6是实施例中所采用的Rhizon孔隙水取样器的结构示意图。

图中：1钢丝绳，2驱动液压油缸，3采样抽拉单元，4防污染挡板，5存样管支架，6阀门布放支架，7存样管支架，8卡套结构，9(防污染挡板的)开孔，10取样插板，11铲形刀头，12高压三通阀阀组，13高压单向阀阀组，14阀门布放支架，15采样液压油缸，16保压筒，17保压筒支架，18单向阀，19第一三通阀1，20第二三通阀2，21入样导管，22出样导管，23保压转移导管，24存样管，25保压转移导管，26多孔介质薄膜，27支撑金属丝，28PEEK毛细导管，29鲁尔转接头。

具体实施方式

结合附图，下面通过具体的实施方案对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的液压驱动型高分辨率深海沉积物孔隙水原位保真取样器，包括取样插板单元、存样及连接单元、采样抽拉单元；其中，取样插板单元包括：取样插板10、防污染挡板4和孔隙水取样器；固定板呈水平布置，用于承载取样器各零部件及对外(水下机器人)固定安装。

取样插板10呈竖向垂直地活动嵌装在固定板上，在其表面均匀间隔地设有若干个水平凹槽，每个凹槽中布置一个孔隙水取样器；紧贴取样插板10表面设有能够与之相对移动的防污染挡板4，在防污染挡板4上设置与水平凹槽相配合的若干个开孔9。取样器还包括驱动液压源；驱动液压源通过连杆接至取样插板10上的横向挡板，使取样插板10能在垂直于固定板的方向上进行位移。驱动液压源可以是独立的驱动液压油缸，也可以选用取样器所处水下机器人中各设备共用的驱动液压油缸。

取样插板10与防污染挡板4之间为具有一定紧固力的活动连接，当取样插板10向下位移时能够带动防污染挡板4向下位移。防污染挡板4的顶端通过钢丝绳1连接至固定锚点，且钢丝绳1张紧时的最大拉伸长度与取样插板4的最大行程之间具有差值；当取样插板10带动防污染挡板4向下位移至钢丝绳1最大拉伸长度后，取样插板10还能继续位移一段距离，使各孔隙水取样器与防污染挡板4上对应的开孔9的位置相互重合，从而露出于开孔9中。该取样器还包括一个竖向的固定支架，钢丝绳1的固定锚点位于该固定支架的顶端，取样插板10与防污染挡板4安装在固定支架上的限位结构中。防污染挡板4的上部顶端设有卡套结构8；该卡套结构8活动安装在取样插板10上(或是活动安装在附着于取样插板10的竖向滑杆上)。取样插板10的下部顶端设有铲形刀头。

各孔隙水取样器通过存样及连接单元接至采样抽拉单元。存样及连接单元包括依次连接的单向阀18、第一三通阀19、存样管24和第二三通阀20；存样及连接单元的各部件均与孔隙水取样器具有相同的数量，且均按下述方式进行装配：单向阀18接至孔隙水取样器，第二三通阀20接至采样抽拉单元，两个三通阀的剩余接口分别接至各自的保压阀门。存样管24为PEEK毛细管，盘放于存样管支架7上；单向阀18、第一三通阀19、第二三通阀20和保压阀门均固定在阀门布放支架6上。

采样抽拉单元3包括采样液压油缸15和保压筒16，保压筒16中设有活塞，采样液压油缸15通过连接与活塞相连。采样抽拉单元可以设置若干组，各组均由相同结构；所述各孔隙水取样器和存样及连接单元分为相同组数，分别接至各组采样抽拉单元。这样的设计可以使取样器小型化，方便安装维修。

更为具体的描述：

本实施例中，在取样插板10表面沿竖直方向上每隔2cm开设水平的小凹槽，共布放24个孔隙水取样器，并以卡装方式进行固定；孔隙水取样器可选择Rhizon公司的产品，其结构如图6所示。Rhizon孔隙水取样器采用平均孔径为0.15μm的白色多孔亲水性滤膜制成，可自动湿润并不产生吸附，对深海沉积物水力性质破坏最小，并能使深海沉积物很快恢复常态。

取样前，防污染挡板4的开孔9之间部分会将孔隙水取样器遮盖住，避免在插入海底时时沉积物污染孔隙水取样器。在插入过程即将结束时，钢丝绳利用与取样插板10的行程差，使防污染挡板8的开孔9位置与孔隙水取样器重合，处于可采样状态。因为最终的行程差位移量很小且位移速度慢，由此造成的扰动或污染可以忽略不计。铲形刀头1能够减小贯入海底时的阻力，避免对原位沉积物的扰动。

在存样及连接单元中，入样导管21、出样导管22和存样管24均以PEEK毛细管制成。PEEK是一种耐高温热塑性塑料，具有耐高温、自润滑和抗疲劳等特性，故将其用作优先材料。其中，存样管24长5米，盘放在存样管支架5上，用于储存抽取获得的孔隙水样。入样导管21与一个孔隙水取样器相接，出样导管22与采样抽拉单元3中的一路保压筒16连接。取样前两个三通阀均为关闭状态，取样时导通存样管24两端的第一三通阀19、第二三通阀20，孔隙水样品经孔隙水取样器流入存样管24内。取样结束后，将两三通阀的开关换向导通，转至保压转移导管23、25进行保压(其连接的阀门未在图6中示出)，待后续进行保压转移操作。

采样抽拉单元3由分为四组，每组均包括采样液压油缸15和保压筒16。每组均与每一层阀门支架相对应，便于更好的识别各个点位的样品。保压筒16内部活塞的抽拉动作由采样液压油缸15通过连杆进行驱动。取样前，活塞及连杆位于保压筒16的底端，排空保压筒16内的空气；取样时，采样液压油缸15向上驱动活塞及连杆至顶部，使保压筒16内形成真空环境，从而带动孔隙水经孔隙水取样器流入存样管24内。

采样过程说明：

整套采样装置搭载于水下机器人或可移动地面探测平台，通过驱动液压油缸2在深海浅表沉积物土层内布放取样插板10，以进行对海底浅层(50cm内)沉积物土层中孔隙水进行高分辨率采样。由于取样插板10贯入时不可避免的会对沉积物层产生扰动，故开始取样前需等待一段时间。等待外界土壤环境稳定后，通过最后一段的行程差使钢丝绳拉住防污染挡板8，孔隙水取样器与深海沉积物接触。取样开始前，存样管24的内部预先充入高压去离子水，两个三通阀处于导通状态，保压筒16内的活塞位于保压筒底端。取样动作开始，控制采样液压油缸15使保压筒内活塞上移，借助负压将存样管24中的去离子水吸入保压筒，深海沉积物中的孔隙水样品经孔隙水取样器流入存样管24内。由此，本实施例通过24个间隔2cm的孔隙水取样器密度构建海底多层位孔隙水样本，实现高分辨率立体取样。这样的存样方式简单可靠，并且可以分析孔隙水样品在时间序列上的变化关系。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种液压驱动型高分辨率深海沉积物孔隙水原位保真取样器，其特征在于，包括取样插板单元、存样及连接单元、采样抽拉单元；其中，取样插板单元包括：取样插板、防污染挡板和孔隙水取样器；

所述取样插板呈竖向布置，在其表面均匀间隔地设有若干个水平凹槽，每个凹槽中布置一个孔隙水取样器；紧贴取样插板表面设有能够与之相对移动的防污染挡板，在防污染挡板上设置与水平凹槽相配合的若干个开孔；各孔隙水取样器通过存样及连接单元接至采样抽拉单元。

2.根据权利要求1所述的取样器，其特征在于，取样插板与防污染挡板之间为具有一定紧固力的活动连接，当取样插板向下位移时能够带动防污染挡板向下位移；防污染挡板的顶端通过钢丝绳连接至固定锚点，且钢丝绳张紧时的最大拉伸长度与取样插板的最大行程之间具有差值；当取样插板带动防污染挡板向下位移至钢丝绳最大拉伸长度后，取样插板还能继续位移一段距离，使各孔隙水取样器与防污染挡板上对应的开孔位置相互重合，从而露出于开孔中。

3.根据权利要求2所述的取样器，其特征在于，还包括一个竖向的固定支架，所述钢丝绳的固定锚点位于该固定支架的顶端，所述取样插板与防污染挡板安装在固定支架上的限位结构中。

4.根据权利要求1所述的取样器，其特征在于，所述防污染挡板的上部顶端设有卡套结构；该卡套结构活动安装在取样插板上，或是活动安装在附着于取样插板的竖向滑杆上。

5.根据权利要求1所述的取样器，其特征在于，所述取样插板的下部顶端设有铲形刀头。

6.根据权利要求1所述的取样器，其特征在于，该取样器还包括固定板和驱动液压源；固定板呈水平布置，用于承载取样器各零部件及对外固定安装，取样插板垂直地活动嵌装在固定板上；驱动液压源通过连杆接至取样插板上的横向挡板，使取样插板能在垂直于固定板的方向上进行位移。

7.根据权利要求6所述的取样器，其特征在于，所述驱动液压源是独立的驱动液压油缸，或者是取样器所处水下机器人中各设备共用的驱动液压油缸。

8.根据权利要求1至7任意一项中所述的取样器，其特征在于，所述存样及连接单元包括依次连接的单向阀、第一三通阀、存样管和第二三通阀；存样及连接单元的各部件均与孔隙水取样器具有相同的数量，且均按下述方式进行装配：单向阀接至孔隙水取样器，第二三通阀接至采样抽拉单元，两个三通阀的剩余接口分别接至各自的保压阀门。

9.根据权利要求8所述的取样器，其特征在于，所述存样管为PEEK毛细管，盘放于存样管支架上；所述单向阀、第一三通阀、第二三通阀和保压阀门均固定在阀门布放支架上。

10.根据权利要求1至7任意一项中所述的取样器，其特征在于，所述采样抽拉单元包括采样液压油缸和保压筒，保压筒中设有活塞，采样液压油缸通过连接与活塞相连。

11.根据权利要求10所述的取样器，其特征在于，所述采样抽拉单元共有若干组，各组均由相同结构；所述各孔隙水取样器和存样及连接单元分为相同组数，分别接至各组采样抽拉单元。

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