CN115615755A - 一种海底深层沉积物孔隙水原位采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底深层沉积物孔隙水原位采集装置及方法，包括采集管，所述采集管内部连接的第一限位板、第二限位板、第一滑轨、第二滑轨以及连通器，所述采集管底端连接的存储舱，所述采集管内安装有压杆，压杆上固定套接有限位帽，本发明中，采集装置贯入预定深度后，下入打捞器穿过内钻杆，施加压力在压杆矛头上，压杆向下运动带动滑块运动，滑块上的采集杆插入地层，采集杆将完全插入时，滑块挤压连通器上的弹簧阀门开关，打开连通器，沟通采集杆和储集罐，通过真空负压抽吸的原理，原位采集沉积物孔隙水，并保存在储集罐内，采集杆插入地层可增加孔隙水采集接触面积，减少采集装置压入地层造成的地层压实影响，提高采集速率。

Description

一种海底深层沉积物孔隙水原位采集装置及方法

技术领域

本发明涉及沉积物孔隙水原位采集技术领域，尤其涉及一种海底深层沉积物孔隙水原位采集装置及方法。

背景技术

海底沉积物孔隙水赋存在沉积物颗粒间隙中，孔隙水中溶解有多种气体分子，营养盐等，并有各类微生物生长，受到生物地球化学和地质过程的综合影响，海底沉积物孔隙水中的一些物质可以作为重要的指示性指标，通过对海底沉积物孔隙水成分、PH值等物化参数的测定，能够揭示大量的地球物化信息，因此，海底沉积物孔隙水采集与测试，广泛应用于海底矿产勘探，油气和天气水合物等能源调查，地球地质演变，生态环境变化等研究领域。

目前海底沉积物孔隙水采集主要包括两种方式：一种是利用重力活塞等取样器，获取海底沉积物，将沉积物提取到科考船后，通过离心、压榨或真空抽滤等方式从沉积物中采集孔隙水，沉积物从海底运送到科考船过程中，孔隙水难免受到扰动而被污染，同时对于较为疏松的海底沉积物层，沉积物取样率较低，取心深度受限，可能难以取到目的层沉积物；另一种是原位采集孔隙水，将采集装置下放至海底，通过静压压入海底，直接采集沉积物中的孔隙水，但受限于仪器装置，孔隙水采集深度局限于装置压入海底沉积物的深度，无法获取海底深层沉积物孔隙水。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种海底深层沉积物孔隙水原位采集装置及方法，用以解决通过静压压入海底，直接采集沉积物中的孔隙水，但受限于仪器装置，孔隙水采集深度局限于装置压入海底沉积物的深度，无法获取海底深层沉积物孔隙水的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种海底深层沉积物孔隙水原位采集装置，包括采集管，所述采集管内部连接的第一限位板、第二限位板、第一滑轨、第二滑轨以及连通器，所述采集管底端连接的存储舱，所述采集管内安装有压杆，压杆上固定套接有限位帽，压杆上套接有压缩弹簧，压杆的底端转动连接有连杆两个，两个连杆的底端均转动安装有滑块，两个滑块的一侧均连接有采集杆。

优选的，所述采集管的底端螺纹安装有存储舱，所述压杆上部固定安装有圆锥形矛头。

优选的，所述第一限位板和第二限位板中间开有圆形孔，压杆活动穿过第一限位板和第二限位板。

优选的，所述压杆在第一限位板和第二限位板之间位置固定连接有限位帽，第一限位板、第二限位板以及限位帽可以限制压杆上下活动范围，所述压缩弹簧套在压杆上，压缩弹簧一端与限位帽接触，压缩弹簧另一端与第二限位板接触。

优选的，所述滑块滑动安装在第一滑轨和第二滑轨之间，所述第一滑轨和第二滑轨中间开有槽口，所述滑块截面为“工”字形，所述第一滑轨和第二滑轨与滑块滑动连接，确保滑块左右顺畅滑动。

优选的，所述采集杆外部为圆柱形管柱，管柱管壁有割缝，割缝为孔隙水流动通道，所述采集管的两侧均开设有采集通孔，采集通孔与采集杆相对应设置。

优选的，所述连通器包括上接口和下接口，采集杆由软管穿过第二滑轨上的槽口，并与连通器上接口连接，连通器内部有控制上、下接口连通的弹簧阀门，弹簧阀门开关穿过第二滑轨的槽口，并略高于第二滑轨。

优选的，所述连通器的下接口与位于存储舱中的孔隙水储集罐相连，存储舱是上部为圆柱形，通过螺纹与采集管的底端连接，中间挖有凹槽用于存放孔隙水储集罐，存储舱底部为圆弧形，有利于孔隙水采集装置贯入预设深度地层。

一种海底深层沉积物孔隙水原位采集方法，所述原位采集方法包括以下步骤：

S1：装置安装：将孔隙水储集罐抽真空，关闭储集罐阀门，将储集罐安装在存储舱中，储集罐与下接口连接，保持弹簧阀门关闭，打开储集罐阀门，将存储舱通过螺纹与采集管连接，将采集管和不带打捞矛的内钻杆连接。

S2：装置置入：使用海底钻机钻进到所需采集沉积物孔隙水深度以上位置，将孔隙水原位采集装置投入到井筒内，使用加重取心钻具将采集装置压入地层预定深度，通过压入的方式避免了钻进过程对地层孔隙水的扰动和污染。

S3：原位采集：打捞器回收加重取心钻具，再下入打捞器穿过内钻杆，施加压力在矛头上，压杆向下运动带动滑块运动，滑块上的采集杆插入地层，采集杆将完全插入时，滑块挤压连通器上的弹簧阀门开关，打开连通器，沟通采集杆和储集罐，通过真空负压抽吸的原理，原位采集沉积物孔隙水，并保存在储集罐内，采集杆插入地层可增加孔隙水采集接触面积，减少采集装置压入地层造成的地层压实影响，提高采集速率。

S4：装置回收：采集一段时间后，待采集罐内基本无负压时，结束孔隙水采集，打捞器抓取矛头并上提，带动压杆向上运动，压杆带动滑块回收采集杆，当滑块移动后，连通器上的弹簧阀门关闭，采集罐处于密闭状态，确保采集罐中的孔隙水不受干扰，继续上提打捞器，将采集装置从井底回收。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、可以实现海底沉积物孔隙水原位采集，减少孔隙水采集过程中对孔隙水造成的污染，保持孔隙水的原始性。

2、可以实现海底任意目标位置的孔隙水采集，尤其是可以实现海底深层沉积物孔隙水采集。

3、采集装置全部为金属机械结构，无电子元件，提高了采集装置的稳定性。

附图说明

图1为本发明左视立体结构示意图；

图2为本发明右视立体的结构示意图；

图3为本发明剖视的结构示意图；

图4为本发明局部立体的结构示意图；

图5为本发明部分立体的结构示意图；

图6为本发明连通器正视的结构示意图。

图中：1、采集管；2、第一限位板；3、第二限位板；4、第一滑轨；5、第二滑轨；6、连通器；601、上接口；602、下接口；603、弹簧阀门；604、弹簧阀门开关；7、存储舱；8、压杆；801、矛头；9、限位帽；10、压缩弹簧；11、连杆；12、滑块；13、采集杆；14、割缝；15、槽口；16、采集通孔。

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。

实施例：参照图1-6，一种海底深层沉积物孔隙水原位采集装置，包括采集管1，采集管1内部连接的第一限位板2、第二限位板3、第一滑轨4、第二滑轨5以及连通器6，采集管1底端连接的存储舱7，采集管1内安装有压杆8，压杆8上固定套接有限位帽9，压杆8上套接有压缩弹簧10，压杆8的底端转动连接有连杆两个11，两个连杆11的底端均转动安装有滑块12，两个滑块12的一侧均连接有采集杆13。

进一步的，孔隙水原位采集装置所有部件均为高强度耐腐蚀不锈钢，以保证装置在高压海水环境中长时间正常使用。

进一步的，孔隙水原位采集装置与海底取心钻机配合使用，设定采集孔隙水地层深度后，海底取心钻机钻进到设定深度之上附近位置时，利用加重内钻杆将采集装置压入到预定地层深度，利用绳索打捞器给采集装置压杆8施加压力，开启孔隙水原位采集，通过采集装置和海底取心钻机的配合，可以实现海底任意深度沉积物孔隙水原位采集。

进一步的，海底取心钻机不是本发明的内容，但为便于理解本发明内容，阐述其基本情况，海底钻机通过顶部动力头带动外钻杆钻进，可以钻进任意深度地层，外钻杆为彼此螺纹连接的钢管，钻进后形成井筒，内钻杆外径略小于外钻杆内径，内钻杆为两端带螺纹的钢管，上部可以根据需求连接有打捞矛，钻机顶部有绳索取心打捞器，打捞器连接打捞矛可将内钻杆放入和提出井筒，打捞器外径小于内钻杆内径，可进入内钻杆。

进一步的，加重内钻杆为顶部带有打捞矛重量加大的内钻杆，采集管1外部为圆柱形管柱，采集管1外径和内钻杆外径相同，采集管1一端与内钻杆通过螺纹连接。

作为本发明的一种技术优化方案，采集管1的底端螺纹安装有存储舱7，压杆8上部固定安装有圆锥形矛头801，绳索取心打捞器施加压力在矛头801时，将采集杆13压入地层，采集完孔隙水后，上拉打捞器可以将孔隙水原位采集装置回收。

作为本发明的一种技术优化方案，第一限位板2和第二限位板3中间开有圆形孔，压杆8活动穿过第一限位板2和第二限位板3。

进一步的，压杆8外径略小于圆形孔直径，确保压杆8在限位板圆形孔内顺畅上下运动，但不发生晃动，限位板上围绕圆形孔圆周阵列分布有扇形孔。

作为本发明的一种技术优化方案，压杆8在第一限位板2和第二限位板3之间位置固定连接有限位帽9，第一限位板2、第二限位板3以及限位帽9可以限制压杆8上下活动范围，压缩弹簧10套在压杆8上，压缩弹簧10一端与限位帽9接触，压缩弹簧10另一端与第二限位板3接触。

进一步的，第一限位板2、限位帽9和第二限位板3使压缩弹簧10始终处于压缩状态，需要采集孔隙水时，压杆8受压向下运动，限位帽9进一步按压压缩弹簧10，直到第二限位板3限制压杆8向下运动，结束孔隙水采集时，卸去压杆8压力，被压缩的压缩弹簧10顶住限位帽9带动压杆8向上运动，直到第一限位板2限制压杆8向上运动。

作为本发明的一种技术优化方案，滑块12滑动安装在第一滑轨4和第二滑轨5之间，第一滑轨4和第二滑轨5中间开有槽口15，滑块12截面为“工”字形，第一滑轨4和第二滑轨5与滑块12滑动连接，确保滑块12左右顺畅滑动。

作为本发明的一种技术优化方案，采集杆13外部为圆柱形管柱，管柱管壁有割缝14，割缝14为孔隙水流动通道，采集管1的两侧均开设有采集通孔16，采集通孔16与采集杆13相对应设置，管柱内有半渗透性薄膜包裹的圆柱，半渗透性薄膜与所包裹的圆柱之间有间隙，可供进入薄膜内的孔隙水流动，半透性薄膜为常用真空采集孔隙水所用的滤膜，可以透过水但无法透过空气。

进一步的，采集杆13可顺畅通过采集管1管壁的圆形开孔，在压杆8受压向下运动到第二限位板3时，由压杆8带动滑块12，滑块12带动采集杆13插入地层，压杆8卸压向上运动到第一限位板2时，压杆8带动连杆11，连杆11带动滑块12向内收拢，采集杆13回收进采集管1内，采集杆13顶端刚好与采集管1外壁平齐。

作为本发明的一种技术优化方案，连通器6包括上接口601和下接口602，采集杆13由软管穿过第二滑轨5上的槽口15，并与连通器6上接口601连接，连通器6内部有控制上接口601、下接口602连通的弹簧阀门603，弹簧阀门开关604穿过第二滑轨5的槽口15，并略高于第二滑轨5，当滑块12运动将采集杆13完全插入地层时，滑块12压缩弹簧阀门开关604，打开连通器6上的弹簧阀门603，沟通连通器6的上接口601和下接口602，滑块12运动收回采集杆13时，弹簧阀门603关闭上接口601和下接口602。

作为本发明的一种技术优化方案，连通器6的下接口602与位于存储舱7中的孔隙水储集罐相连，存储舱7是上部为圆柱形，通过螺纹与采集管1的底端连接，中间挖有凹槽用于存放孔隙水储集罐，存储舱7底部为圆弧形，有利于孔隙水采集装置贯入预设深度地层。

进一步的，孔隙水储集罐，带阀门，气密性好，耐压性强，可以抽真空，采集孔隙水时，当采集杆13和储集罐之间的管路连通后，通过储集罐真空负压，从地层中抽吸沉积物孔隙水并保存。

一种海底深层沉积物孔隙水原位采集方法，原位采集方法包括以下步骤：

S1：装置安装：将孔隙水储集罐抽真空，关闭储集罐阀门，将储集罐安装在存储舱7中，储集罐与下接口602连接，保持弹簧阀门603关闭，打开储集罐阀门，将存储舱7通过螺纹与采集管1连接，将采集管1和不带打捞矛的内钻杆连接。

S2：装置置入：使用海底钻机钻进到所需采集沉积物孔隙水深度以上位置，将孔隙水原位采集装置投入到井筒内，使用加重取心钻具将采集装置压入地层预定深度，通过压入的方式避免了钻进过程对地层孔隙水的扰动和污染。

S3：原位采集：打捞器回收加重取心钻具，再下入打捞器穿过内钻杆，施加压力在矛头801上，压杆8向下运动带动滑块12运动，滑块12上的采集杆13插入地层，采集杆13将完全插入时，滑块12挤压连通器6上的弹簧阀门开关604，打开连通器6，沟通采集杆13和储集罐，通过真空负压抽吸的原理，原位采集沉积物孔隙水，并保存在储集罐内，采集杆13插入地层可增加孔隙水采集接触面积，减少采集装置压入地层造成的地层压实影响，提高采集速率。

S4：装置回收：采集一段时间后，待采集罐内基本无负压时，结束孔隙水采集，打捞器抓取矛头801并上提，带动压杆8向上运动，压杆8带动滑块12回收采集杆13，当滑块12移动后，连通器6上的弹簧阀门603关闭，采集罐处于密闭状态，确保采集罐中的孔隙水不受干扰，继续上提打捞器，将采集装置从井底回收。

在使用时：将孔隙水储集罐抽真空，关闭储集罐阀门，将储集罐安装在存储舱7中，储集罐与下接口602连接，保持弹簧阀门603关闭，打开储集罐阀门，将存储舱7通过螺纹与采集管1连接，将采集管1和不带打捞矛的内钻杆连接，使用海底钻机钻进到所需采集沉积物孔隙水深度以上位置，将孔隙水原位采集装置投入到井筒内，使用加重取心钻具将采集装置压入地层预定深度，通过压入的方式避免了钻进过程对地层孔隙水的扰动和污染，打捞器回收加重取心钻具，再下入打捞器穿过内钻杆，施加压力在矛头801上，压杆8向下运动带动滑块12运动，滑块12上的采集杆13插入地层，采集杆13将完全插入时，滑块12挤压连通器6上的弹簧阀门开关604，打开连通器6，沟通采集杆13和储集罐，通过真空负压抽吸的原理，原位采集沉积物孔隙水，并保存在储集罐内，采集杆13插入地层可增加孔隙水采集接触面积，减少采集装置压入地层造成的地层压实影响，提高采集速率，采集一段时间后，待采集罐内基本无负压时，结束孔隙水采集，打捞器抓取矛头801并上提，带动压杆8向上运动，压杆8带动滑块12回收采集杆13，当滑块12移动后，连通器6上的弹簧阀门603关闭，采集罐处于密闭状态，确保采集罐中的孔隙水不受干扰，继续上提打捞器，将采集装置从井底回收。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种海底深层沉积物孔隙水原位采集装置，包括采集管（1），其特征在于，所述采集管（1）内部连接的第一限位板（2）、第二限位板（3）、第一滑轨（4）、第二滑轨（5）以及连通器（6），所述采集管（1）底端连接的存储舱（7），所述采集管（1）内安装有压杆（8），压杆（8）上固定套接有限位帽（9），压杆（8）上套接有压缩弹簧（10），压杆（8）的底端转动连接有连杆两个（11），两个连杆（11）的底端均转动安装有滑块（12），两个滑块（12）的一侧均连接有采集杆（13）。

2.根据权利要求1所述的一种海底深层沉积物孔隙水原位采集装置，其特征在于，所述采集管（1）的底端螺纹安装有存储舱（7），所述压杆（8）上部固定安装有圆锥形矛头（801）。

3.根据权利要求1所述的一种海底深层沉积物孔隙水原位采集装置，其特征在于，所述第一限位板（2）和第二限位板（3）中间开有圆形孔，压杆（8）活动穿过第一限位板（2）和第二限位板（3）。

4.根据权利要求1所述的一种海底深层沉积物孔隙水原位采集装置，其特征在于，所述压杆（8）在第一限位板（2）和第二限位板（3）之间位置固定连接有限位帽（9），第一限位板（2）、第二限位板（3）以及限位帽（9）可以限制压杆（8）上下活动范围，所述压缩弹簧（10）套在压杆（8）上，压缩弹簧（10）一端与限位帽（9）接触，压缩弹簧（10）另一端与第二限位板（3）接触。

5.根据权利要求1所述的一种海底深层沉积物孔隙水原位采集装置，其特征在于，所述滑块（12）滑动安装在第一滑轨（4）和第二滑轨（5）之间，所述第一滑轨（4）和第二滑轨（5）中间开有槽口（15），所述滑块（12）截面为“工”字形，所述第一滑轨（4）和第二滑轨（5）与滑块（12）滑动连接，确保滑块（12）左右顺畅滑动。

6.根据权利要求1所述的一种海底深层沉积物孔隙水原位采集装置，其特征在于，所述采集杆（13）外部为圆柱形管柱，管柱管壁有割缝（14），割缝（14）为孔隙水流动通道，所述采集管（1）的两侧均开设有采集通孔（16），采集通孔（16）与采集杆（13）相对应设置。

7.根据权利要求1所述的一种海底深层沉积物孔隙水原位采集装置，其特征在于，所述连通器（6）包括上接口（601）和下接口（602），采集杆（13）由软管穿过第二滑轨（5）上的槽口（15），并与连通器（6）上接口（601）连接，连通器（6）内部有控制上、下接口（601、602）连通的弹簧阀门（603），弹簧阀门开关（604）穿过第二滑轨（5）的槽口（15），并略高于第二滑轨（5）。

8.根据权利要求2所述的一种海底深层沉积物孔隙水原位采集装置，其特征在于，所述连通器（6）的下接口（602）与位于存储舱（7）中的孔隙水储集罐相连，存储舱（7）是上部为圆柱形，通过螺纹与采集管（1）的底端连接，中间挖有凹槽用于存放孔隙水储集罐，存储舱（7）底部为圆弧形，有利于孔隙水采集装置贯入预设深度地层。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种海底深层沉积物孔隙水原位采集方法，该原位采集方法包括以下步骤：

S1：装置安装：将孔隙水储集罐抽真空，关闭储集罐阀门，将储集罐安装在存储舱（7）中，储集罐与下接口（602）连接，保持弹簧阀门（603）关闭，打开储集罐阀门，将存储舱（7）通过螺纹与采集管（1）连接，将采集管（1）和不带打捞矛的内钻杆连接；

S2：装置置入：使用海底钻机钻进到所需采集沉积物孔隙水深度以上位置，将孔隙水原位采集装置投入到井筒内，使用加重取心钻具将采集装置压入地层预定深度，通过压入的方式避免了钻进过程对地层孔隙水的扰动和污染；

S3：原位采集：打捞器回收加重取心钻具，再下入打捞器穿过内钻杆，施加压力在矛头（801）上，压杆（8）向下运动带动滑块（12）运动，滑块（12）上的采集杆（13）插入地层，采集杆（13）将完全插入时，滑块（12）挤压连通器（6）上的弹簧阀门开关（604），打开连通器（6），沟通采集杆（13）和储集罐，通过真空负压抽吸的原理，原位采集沉积物孔隙水，并保存在储集罐内，采集杆（13）插入地层可增加孔隙水采集接触面积，减少采集装置压入地层造成的地层压实影响，提高采集速率；

S4：装置回收：采集一段时间后，待采集罐内基本无负压时，结束孔隙水采集，打捞器抓取矛头（801）并上提，带动压杆（8）向上运动，压杆（8）带动滑块（12）回收采集杆（13），当滑块（12）移动后，连通器（6）上的弹簧阀门（603）关闭，采集罐处于密闭状态，确保采集罐中的孔隙水不受干扰，继续上提打捞器，将采集装置从井底回收。

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