CN211122858U - 一种浅层含气地层的便携式原位气体含量量测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种浅层含气地层的便携式原位气体含量量测装置，装置包括探头、静力触探装置以及压力管路循环供应及电机控制系统；探头包括探头外筒体、楔形开口、球阀、球阀开启驱动装置、存土装置、锥形活塞以及探头密封底座；探头密封底座、存土装置、球阀以及楔形开口自上而下依次连接；探头密封底座通过活塞杆与锥形活塞相连；探头密封底座通过限制和开放活塞杆运动来控制锥形活塞升降；静力触探装置与探头相连；压力管路循环供应及电机控制系统与球阀开启驱动装置、探头密封底座以及锥形活塞相连。本实用新型具有便于携带、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含量的浅层含气地层的优点。

Description

一种浅层含气地层的便携式原位气体含量量测装置

技术领域

本实用新型属于土木工程领域中的岩土工程勘察领域，涉及一种便携式原位勘察装置，尤其涉及一种浅层含气地层的便携式原位气体含量量测装置。

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，也即浅层气地质灾害。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，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、气体含量等信息，含气地层中原位土体中的含气量多少，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采样器。土层中浅层气气体压力一般较高，且易于逸散，通过保压采样器从地层中取回原状含气土样，再到实验室对其进行气体含量测量，不仅操作十分困难，而且代价昂贵。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原始气体的含量进行现场量测。

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种便于携带、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含量的浅层含气地层的便携式原位气体含量量测装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种浅层含气地层的便携式原位气体含量量测装置，其特征在于：所述浅层含气地层的便携式原位气体含量量测装置包括探头、静力触探装置以及压力管路循环供应及电机控制系统；所述探头包括探头外筒体、楔形开口、球阀、球阀开启驱动装置、存土装置、锥形活塞以及探头密封底座；所述探头密封底座、存土装置、球阀以及楔形开口自上而下依次连接并形成整体结构；所述整体结构的外部套装有探头外筒体；所述整体结构的内部沿整体结构的轴向设置有锥形活塞移动通道；所述探头密封底座与置于锥形活塞移动通道中的锥形活塞通过活塞杆相连；所述楔形开口内部设置有与锥形活塞移动通道相贯通的中空圆柱形空腔；所述探头密封底座内安装有夹持器；活塞杆从夹持器中穿过，夹持器通过夹持活塞杆限制或开放锥形活塞在中空圆柱形空腔中以及在锥形活塞移动通道中升降；所述静力触探装置与探头密封底座相连；所述球阀开启驱动装置与球阀相连并驱动球阀开启或关闭锥形活塞移动通道；所述压力管路循环供应及电机控制系统分别与球阀开启驱动装置、夹持器以及锥形活塞相连。

作为优选，本实用新型所采用的楔形开口是一个圆台形的壳体，所述探头外筒体的底部与楔形开口相连；所述楔形开口内部沿楔形开口的轴向设置有与锥形活塞移动通道相贯通的中空圆柱形空腔；所述锥形活塞从楔形开口的底部伸出，并通过活塞杆与置于存土装置顶部的探头密封底座相连。

作为优选，本实用新型所采用的球阀包括球阀壳体、球阀球体、密封垫圈、压力管连接孔以及连接器；所述球阀壳体设置有锥形活塞移动通道；所述球阀球体置于球阀壳体内部；所述球阀球体与球阀壳体之间设置有密封垫圈；所述球阀开启驱动装置通过连接器与球阀球体相连并带动球阀球体转动；所述球阀球体转动时封堵或开启锥形活塞移动通道；所述球阀壳体上部设置有与球阀壳体内部相贯通的压力管连接孔；所述压力管路循环供应及电机控制系统与压力管连接孔相连通。

作为优选，本实用新型所采用的球阀开启驱动装置包括步进电机、第一齿轮以及第二齿轮；所述压力管路循环供应及电机控制系统与步进电机相连，并驱动步进电机开启或关闭；所述步进电机通过第一齿轮与第二齿轮相连；所述第二齿轮与连接器相连并通过连接器带动球阀球体转动。

作为优选，本实用新型所采用的存土装置包括储土仓；所述储土仓与探头外筒体同轴；所述储土仓内部沿储土仓的轴向设置有锥形活塞移动通道；所述锥形活塞移动通道与楔形开口中的中空圆柱形空腔等径；所述储土仓的顶部固定安装有探头密封底座，储土仓安装在其下表面，储土仓顶部中心开有活塞杆开孔，可使活塞杆穿过，储土仓顶部中心一侧还开有与探头密封底座贯通的反压管开孔，储土仓底部与球阀螺纹相连；所述探头外筒体底部开有探头外筒体连接孔，通过将探头外筒体连接孔与位于楔形开口顶部的楔形开口端连接孔相对应，插入销钉可将探头外筒体底部与楔形开口相连；探头外筒体的顶部与探头密封底座通过螺纹相连。

作为优选，本实用新型所采用的锥形活塞包括活塞杆、多孔低进气值锥形滤头(陶土材料制成，其作用是让水通过，气体不可通过)、橡胶密封圈、进出水孔道、锥形活塞上部、锥形活塞下部；所述锥形活塞上部、锥形活塞下部以及多孔低进气值锥形滤头自上而下依次设置；所述活塞杆底部置于锥形活塞上部中并与锥形活塞上部通过锥形活塞连接螺纹固定连接；所述锥形活塞上部的外表面以及锥形活塞下部的外表面均设置有橡胶密封圈；所述多孔低进气值锥形滤头置于锥形活塞下部；所述锥形活塞的一侧设有贯穿锥形活塞上部和锥形活塞下部的进出水孔道，进出水孔道上部位于锥形活塞上部的上表面，进出水孔道下部与多孔低进气值锥形滤头相连通；所述压力管路循环供应及电机控制系统通过进出水孔道与多孔低进气值锥形滤头相连通；所述活塞杆上部穿过位于探头密封底座内的夹持器，夹持器开启或关闭，可以限制或开放活塞杆运动，进而控制锥形活塞在中空圆柱形空腔中以及在锥形活塞移动通道中的升降运动。

作为优选，本实用新型所采用的探头密封底座包括夹持器、底座体、夹持器导线、静力触探杆连接螺纹、反压管开孔、步进电机线开孔、活塞杆开孔和压力管开孔；所述探头密封底座置于探头外筒体的顶部并与探头外筒体螺纹相连；所述探头密封底座外部设有静力触探杆连接螺纹，通过螺纹将探头密封底座旋拧在静力触探杆的底部；所述探头密封底座内部中心安装有夹持器，活塞杆从夹持器中穿过，夹持器开启和关闭可限制或开放活塞杆的运动，进而控制锥形活塞头在中空圆柱形空腔中以及在锥形活塞移动通道中的升降运动；所述探头密封底座的底座体上开有与储土仓顶部相对应的反压管开孔，反压管在探头密封底座上表面与反压管开孔密闭接通；所述探头密封底座的底座体上还开有步进电机线开孔和压力管开孔，步进电机导线和压力管分别从步进电机线开孔和压力管开孔中穿过。

作为优选，本实用新型所采用的静力触探装置包括静力触探仪以及静力触探杆；所述静力触探仪通过静力触探杆与探头相连。

作为优选，本实用新型所采用的压力管路循环供应及电机控制系统包括体变管、第一调压阀、第二调压阀、减压阀、气压源、反压室、电机控制器、反压管以及压力管；所述电机控制器通过导线分别与步进电机导线以及夹持器导线相连；所述压力管的一端通过体变管、第一调压阀以及减压阀接入气压源，另一端与球阀上的压力管连接孔相连通；所述反压管的一端通过反压室以及第二调压阀接入减压阀，另一端与探头密封底座上的反压管开孔相连通。

本实用新型的优点是：

本实用新型提供了一种浅层含气地层的便携式原位气体含量量测装置，该装置包括探头、静力触探装置以及压力管路循环供应及电机控制系统；探头包括探头外筒体、楔形开口、球阀、球阀开启驱动装置、存土装置、锥形活塞以及探头密封底座；探头密封底座、存土装置、球阀和楔形开口自上而下依次连接并形成整体结构；整体结构的外部套装有探头外筒体；整体结构的内部沿整体结构的轴向设置有锥形活塞移动通道；探头密封底座内部安装有夹持器，存土装置顶部与探头密封装置紧密相连，楔形开口置于探头外筒体底部；楔形开口内部设置有与锥形活塞移动通道相贯通的中空圆柱形空腔；夹持器通过夹持或放开活塞杆，限制和开放锥形活塞在中空圆柱形空腔中以及在锥形活塞移动通道中升降；静力触探装置与探头密封底座螺纹相连；球阀开启驱动装置与球阀相连并驱动球阀开启或关闭锥形活塞移动通道；压力管路循环供应及电机控制系统分别与球阀开启驱动装置、夹持器以及锥形活塞相连。本实用新型解决了目前在岩土工程勘察过程中，针对含浅层气土层，缺乏原位量测含气土层中的气体含量设备的难题。该装置具有结构简单、原理明确、组拆装操作方便，搭载普通静力触探仪，易于推广的优点。

附图说明

图1是本实用新型所提供的浅层含气地层的便携式原位含气量量测装置的结构示意图；

图2是本实用新型所采用的压力管路循环供应及电机控制系统的结构示意图；

图3是本实用新型所采用的探头整体结构示意图；

图4是本实用新型所采用的探头第一部分的结构示意图；

图5是本实用新型所采用的探头第二部分的结构示意图；

图6是本实用新型所采用的探头第三部分的结构示意图；

图7是本实用新型所采用的探头第四部分的结构示意图；

图8是本实用新型所采用的探头第五部分的结构示意图；

其中：

1-静力触探仪；2-静力触探杆；4-体变管；5-第一调压阀；6-第二调压阀；7-减压阀；8- 气压源；9-反压室；10-杂填土层；11-气盖层；12-含气土层；13-探头；15-地下水位；16-电机控制器；20-导线；a1-楔形开口；a2-楔形开口端连接孔；a3-楔形开口螺纹；b1-压力管；b2- 球阀壳体；b3-球阀球体；b4-密封垫圈；b5-第一齿轮；b6-步进电机；b7-步进电机导线；b8- 第一球阀连接螺纹；b9-第二球阀连接螺纹；b10-压力管连接孔；b11-连接器；b12-第二齿轮；b13-球阀；c1-探头外筒体；c2-探头外筒体连接孔；c3-储土仓连接螺纹；c4-储土仓；c5-步进电机线开孔；c6-活塞杆开孔；c8-压力管开孔；c9-电机固定开孔；d0-锥形活塞；d1-活塞杆； d2-锥形活塞连接螺纹；d3-进出水孔道；d4-多孔低进气值锥形滤头；d5-锥形活塞下部；d6- 橡胶密封圈；d7-锥形活塞上部；e1-夹持器；e2-探头密封底座；e3-静力触探杆螺纹；e4-夹持器导线；e5-反压管开孔；e6-反压管；e7-底座体。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型提供了一种浅层含气地层的便携式原位含气量量测装置，该装置包括探头13、静力触探装置以及压力管路循环供应及电机控制系统组成。

参见图3，探头13的结构分为五部分，其中：

参见图4，探头第一部分为楔形开口a1，楔形开口a1是一个圆台形的壳体，主要作用是对含气土层12进行竖向切割。楔形开口a1外径较大的一端通过楔形开口螺纹a3与探头第二部分的球阀壳体b2一端的第二球阀连接螺纹b9连接，楔形开口a1上端的楔形开口端连接孔 a2与探头第三部分的探头外筒体c1下端的探头外筒体连接孔c2通过销钉连接；楔形开口a1 内部的空腔整体为圆柱体，其内径和储土仓c4的直径相同，锥形活塞d0(包括锥形活塞下部d5、锥形活塞上部d7、橡胶密封圈d6和多孔低进气值锥形滤头d4)通过活塞杆d1在其内部上下移动。

参见图5，探头第二部分由压力管b1、球阀壳体b2、球阀球体b3、密封垫圈b4、第一齿轮b5、步进电机b6、步进电机导线b7、第一球阀连接螺纹b8、第二球阀连接螺纹b9、压力管连接孔b10、连接器b11、第二齿轮b12以及球阀b13组成，其中球阀b13由球阀壳体 b2、球阀球体b3、密封垫圈b4以及连接器b11组成。球阀b13位于储土仓c4的下端，用于对储土仓c4进行密封。球阀球体b3位于球阀壳体b2的内部，球阀球体b3的中心为圆柱体空腔，空腔内径与储土仓c4内径相同，当球阀b13关闭时，可以切断进入储土仓c4内部的样品土体，并封闭储土仓c4底部；密封垫圈b4用来对球阀壳体b2和球阀球体b3之间进行密封，防止球阀b13漏水、漏气；球阀壳体b2的上端的第一球阀连接螺纹b8与储土仓c4下端的储土仓连接螺纹c3连接，球阀壳体b2下端的第二球阀连接螺纹b9与楔形开口a1上端的楔形开口螺纹a3连接。探头外筒体c1内的压力管b1和球阀壳体b2上端的压力管连接孔 b10连接，另一端穿过探头密封底座e2上的压力管开孔c8与外部的体变管4连接；压力管 b1用于提供水压力，达到对储土仓c4内的样品土体中的气体进行压缩的作用；第一齿轮b5 与球阀球体b3通过球阀壳体b2的连接器b11相互连接，并且再通过第二齿轮b12与步进电机b6相连；通过步进电机b6控制第一齿轮b5的旋转，达到开启或关闭球阀b13的作用。探头第二部分的主要作用是连接探头第一部分和探头第三部分、切断进入储土仓c4中的样品土体、对储土仓c4的下端进行密封，并对储土仓c4内部施加外部水压力。

参见图6，探头第三部分由探头外筒体c1、探头外筒体连接孔c2、储土仓连接螺纹c3、储土仓c4、探头密封底座e2、步进电机线开孔c5、活塞杆开孔c6、压力管开孔c8以及电机固定开孔c9。探头第三部分的外壁为探头外筒体c1，探头外筒体连接孔c2连接下部的楔形开口a1上端的楔形开口端连接孔a2，探头外筒体c1上的电机固定开孔c9固定探头第二部分的步进电机b6，探头外筒体c1和楔形开口a1构成探头13的整个外壳；储土仓c4的上端固定连接在探头密封底座e2的底面，且储土仓c4顶部中心开有活塞杆d1可穿过的活塞杆开孔c6，活塞杆开孔c6的一侧开有反压管开孔e5；探头密封底座e2内部安装有夹持器e1，活塞杆d1的上端可穿过夹持器e1的中心；探头密封底座e2对应开有贯穿底座的反压管开孔e5 和压力管开孔c8，储土仓c4下端通过储土仓连接螺纹c3与探头第二部分的球阀壳体b2上端的第一球阀连接螺纹b8连接。锥形活塞d0通过活塞杆d1在储土仓c4内部上下移动；探头密封底座e2和探头外筒体c1螺纹连接在一起，并且探头密封底座e2通过探杆连接螺纹c10 和静力触探杆2连接在一起。探头外筒体c1与储土仓c4之间留有一定的空间，用来穿过压力管b1和放置步进电机b6及步进电机导线b7。探头第三部分主要用来连接及放置探头第二部分、对其内部部件进行保护、把含气土层12的样品土体收集到内部的储土仓c4中。

参见图7，探头第四部分主要由活塞杆d1、锥形活塞连接螺纹d2、进出水孔道d3、多孔低进气值锥形滤头d4、锥形活塞下部d5、橡胶密封圈d6以及锥形活塞上部d7；锥形活塞d0包括锥形活塞下部d5、锥形活塞上部d7和多孔低进气值锥形滤头d4组成。锥形活塞d0外表面的凹槽内套有三个橡胶密封圈d6，使得锥形活塞d0表面能够和储土仓c4内表面紧密接触，确保不漏水、漏气。锥形活塞上部d7中心的内部设置有锥形活塞连接螺纹d2，用来拧紧固定活塞杆d1的下端，活塞杆d1在外力作用下可以带动锥形活塞d0在储土仓c4中上下移动。多孔低进气值锥形滤头d4位于锥形活塞下部d5的下端，构成整体的锥形活塞d0。锥形活塞下部d5和锥形活塞上部d7内部有贯穿其上表面和与多孔低进气值锥形滤头d4相连通的进出水孔道d3，进出水孔道d3的平面位置与探头密封底座e2上的反压管开孔e5相对应。因此，储土仓c4内部的脱气水可通过多孔低进气值锥形滤头d4(透水不透气)进入进出水孔道d3，再经过探头密封底座e2上的反压管开孔e5进入反压管e6，再流入反压室9中。活塞杆d1与探头第五部分的探头密封底座e2通过活塞杆开孔c6连接，其顶端穿过活塞杆开孔 c6和夹持器e1。探头第四部分的主要作用是密封储土仓c4的上部端口，并且为样品土体提供反压以及为样品土体中的超孔压消散提供过水通道。多孔低进气值锥形滤头d4的作用是让水通过，而气体通不过，起到过水不过气的作用。锥形活塞d0上的进出水孔道d3与储土仓顶部的反压管开孔e5的位置是一一对应的，作用是使得储土仓c4内土体样品中的水可以透过多孔低进气值锥形滤头d4、反压管e6排入地表上的反压室9中，而储土仓c4内土体样品中的气体不能排出。

参见图8，探头第五部分由探头密封底座e2、反压管e6、探头外筒体c1、储土仓c4、活塞杆d1、压力管b1、导线b7以及静力触探杆螺纹e3组成，其中：探头密封底座e2由底座体e7和夹持器e1组成，夹持器e1安装在底座体e7的中心。活塞杆d1顶部穿过探头密封底座e2中心的夹持器e1，夹持器e1开启或关闭，控制活塞杆d1和与活塞杆d1连接的锥形活塞d0可以在储土仓c4内上下移动。

参见图1，静力触探装置主要包括静力触探仪1和静力触探杆2组成。静力触探仪1安装在地表，它的主要作用是把静力触探杆2带着探头13送入到指定的含气土层12处；静力触探杆2为一节一节的管状体，每节长度2～3米，静力触探杆2的最上面一节与静力触探仪1相连，静力触探杆2的最下面一节与探头13相连。反压管e6、压力管b1、导线20可以从静力触探杆2内部穿过与压力管路循环供应及电机控制系统如图2所示相连接。

如图1以及图2所示，压力管路循环供应及电机控制系统由导线20、电机控制器16、反压管e6、压力管b1、体变管4、第一调压阀5、第二调压阀6、减压阀7、气压源8以及反压室9组成。导线20一端分别与步进电机导线b7和夹持器导线e4相连(步进电机导线b7连接步进电机b6，夹持器导线e4连接夹持器e1)，导线20另一端与电机控制器16相连，利用电机控制器16来控制探头13的步进电机b6以及夹持器e1的开启和关闭；反压管e6的一端与探头密封底座e2上的反压管开孔e5相连，另一端与反压室9的下端相连，反压室9的上端通过反压管e6与第二调压阀6相连，第二调压阀6再通过反压管e6与减压阀7相连；压力管b1的一端与球阀壳体b2上端的压力管连接孔b10连接，另一端与体变管4的下端连接，体变管4的上端通过压力管b1与第一调压阀5相连，第一调压阀5再通过压力管b1与减压阀7相连。减压阀7与气压源8相连。体变管4、反压管e6、反压室9和压力管b1内装有脱气水，体变管4能显示脱气水的水位，在气压源8提供的压力作用下体变管4内的脱气水的水位会发生变化；气压源8能够通过反压管e6给反压室9提供一定压力，反压室9再通过反压管e6为储土仓c4内部提供反压。

基于本实用新型所提供的浅层含气地层的便携式原位含气量量测装置在进行量测时，按照以下工作步骤进行：

1)现场探头13组装。首先，组装探头第一部分：将探头第一部分楔形开口a1上部的楔形开口螺纹a3与探头第二部分球阀壳体b2下部的第二球阀连接螺纹b9拧紧。其次，组装探头第二部分：首先将压力管b1的一端接到球阀壳体b2上的压力管接孔b10上，再利用连接器b11把第一齿轮b5与球阀球体b3连接在一起。再组装探头第三部分：将探头外筒体c1下部的探头外筒体连接孔c2与楔形开口端连接孔a2对齐，安装销钉，将探头外筒体c1与楔形开口a1连接起来；把步进电机b6固定到探头外筒体c1内壁预先设定好电机固定开孔c9上，步进电机b6上的第二齿轮b12正好和球阀b13上的第一齿轮b5紧密啮合；把探头第三部分的储土仓连接螺纹c3和探头第二部分的第一球阀连接螺纹b8连接；然后，组装探头第四部分：把活塞杆d1旋拧固定在锥形活塞上部d7上，把多孔低进气值锥形滤头d4与锥形活塞下部d5连接，把锥形活塞上部d7与锥形活塞下部d5连接在一起，再套上橡胶密封圈d6；把压力管b1安装到球阀b13上部的压力管连接孔b10上；将活塞杆d1连同锥形活塞d0从楔形开口a1底部沿内部轴向穿入，使得活塞杆d1上端从储土仓c4中轴穿过并穿过储土仓c4顶部的活塞杆开孔c6，而与活塞杆d1下端连接的锥形活塞d0恰好位于楔形开口a1的底部；最后，组装探头第五部分：将夹持器e1安装在探头密封底座e2上底座体e7的中部；把活塞杆 d1上端从夹持器e1的中部穿出；将压力管b1的另外一端从探头密封底座e2上预留的压力管开孔c8中穿出，步进电机导线b7从探头密封底座e2上的步进电机线开孔c5中穿出；储土仓c4顶部固定在探头密封底座e2的下部，同时将探头外筒体c1的上端旋拧固定在探头密封底座e2的下部；将反压管e6的下端与探头密封底座e2上表面的反压管开孔e5连接；将夹持器导线e4与探头密封底座e2上的夹持器相连接。至此，整个探头13组装完毕。

2)整个装置组装。首先，把压力管b1、反压管e6、夹持器导线e4、步进电机导线b7从中空的静力触探杆2中穿出，并把静力触探杆2下端通过探头密封底座e2上的静力触探杆连接螺纹e3与探头13固定连接起来；把步进电机导线b7和夹持器导线e4分别通过导线20与电机控制器16连接起来；手工调整锥形活塞d0的位置，并利用与电机控制器16相连的夹持器导线e4，通过开启电机控制器16，控制夹持器e1夹紧活塞杆d1的上端，由此，锥形活塞d0被固定在整个探头13的最前端；把压力管b1上端和体变管4下端以及第一调压阀5连接、把反压管e6上端和第二调压阀6以及反压室9连接，第一调压阀5和第二调压阀6再通过减压阀7和气压源8连接；

3)装置饱和。待步骤2)的组装完毕后，将压力管b1、反压管e6和整个探头13用脱气水饱和，并使储土仓c4内完全充满脱气水。

4)含气土体气体含量量测。在静力触探仪1上安装好探头13和静力触探探杆2后，开始贯入，速度在1cm/s-2cm/s；当达到预定的含气土层12内部30cm处后停止贯入；在人工操作下，将气压源8以及反压室9连接的第二调压阀6打开，通过气压源8对反压室9内的脱气水施加压力，脱气水通过反压管e6内传递压力，使得探头13的储土仓c4初始的内部压力保持为p_o。同时，通过电机控制器16关闭夹持器e1，使得探头13中的活塞杆d1脱离探头密封底座e2中夹持器e1的约束，使锥形活塞d0能够在储土仓c4内上下移动；将探头13继续向下缓慢贯入土体，利用楔形开口a1切割含气土层12土体，锥形活塞d0在储土仓c4里被切割进入储土仓c4内的土体推动向上移动，储土仓c4内部原有的脱气水受挤压通过储土仓c4顶部的反压管开孔e5，经由反压管e6退入反压室9内。当贯入深度与探头13长度相等时，停止继续贯入。此时，锥形活塞d0上部表面与储土仓c4顶部接触，锥形活塞d0上的进出水孔道d3恰好与位于储土仓c4顶部的反压管开孔e5对接。继续通过电机控制器16控制步进电机b6，关闭球阀球体b3，对进入储土仓c4内部的样品土体进行割断，使得被切断后的土体样品被完全密封在储土仓c4里；由于锥形活塞d0下部的低进气值锥形滤头d4过水不过气，使得土体样品因扰动而产生的超孔隙水压力可以依次透过低进气值锥形滤头d4、进出水孔道d3、探头密封底座e2上的反压管开孔e5、反压管e6排入反压室9内，而土体样品中的气体仍得以密闭在储土仓c4内。待与反压管e6相连的反压室9内脱气水水面稳定，反压室9内的压力恢复至p_o，说明土体样品中的超孔隙水压力消散完毕；关闭与反压室9连接的第二调压阀6，同时，打开第一调压阀5，记录体变管4的初始读数为V₁，再通过气压源8 对体变管4内的脱气水施加附加压力ΔP，使得体变管4内的脱气水通过球阀b13上的压力管连接孔b10进入储土仓c4中，将储土仓c4里的土体样品中的气体进行压缩；当体变管4 中脱气水液面变化稳定时，记录此时液体的体积读数V₂，通过体变管4两次记录的液体体积变化差值，得到ΔV＝|V₁-V₂|，可计算出土体样品中的气体的总体积，所述具体计算方式是：

在气体体积测量期间温度保持恒定不变，根据Boy-Mariotte定律，如果增大气体所受到的压力，那么气体的体积就会线性减小；因此通过以下方法计算进入储土仓c4中含气土层 12的土体样品中气体的总体积量：

V_v＝ΔV·k (1)

其中：

V_v是储土仓c4内土体样品中气体的总体积；

ΔV为体变管4内液体体积的变化量；

k是气体体积校正因子；

k＝(p_o+Δp)/Δp

其中：p_o为大气压、ΔP为储土仓c4里施加的额外压力；

5)设备回收，具体实现方式是：气体测量完毕后关闭第一调调压阀5和气压源8，然后通过静力触探仪1将静力触探杆2取回，将探头13从静力触探杆2上拧下来，拆探头第一部分的楔形开口a1，开启球阀b13，将储土仓c4下端打开，手工操作下压活塞杆d1，利用锥形活塞d0把土样从储土仓c4中推出，然后将样品土体在实验室中化验，利用常规土工试验方法，测得样品土体的颗粒比重d_s和干重度ρ_d，可得出土样的初始孔隙比e；由于储土仓c4 容积V已知，得到储土仓c4中土样中孔隙的总体积V_V，进而得出样品土体中的含气量S_g，具体是：

土体的孔隙比e：

其中：e是孔隙比；

d_s是土粒比重，

ρ_d是干密度，ρ_d是单位体积土样中土颗粒的质量，烘干法测得；

V_V是储土仓c4内土体样品中孔隙的总体积；

V储土仓的总容积；

土体中气体的含气量：

其中：S_g为含气量。

6)彻底检查和清洁球阀球体b3、密封垫圈b4和其他部件，将探头13各个部件拆除，收集装好，以便下次进行原位含气土层12中气体含量量测时重复使用。

Claims (8)

1.一种浅层含气地层的便携式原位气体含量量测装置，其特征在于：所述浅层含气地层的便携式原位气体含量量测装置包括探头（13）、静力触探装置以及压力管路循环供应及电机控制系统；所述探头（13）包括探头外筒体（c1）、楔形开口（a1）、球阀（b13）、球阀开启驱动装置、存土装置、锥形活塞（d0）以及探头密封底座（e2）；所述探头密封底座（e2）、存土装置、球阀（b13）以及楔形开口（a1）自上而下依次连接并形成整体结构；所述整体结构的外部套装有探头外筒体（c1）；所述整体结构的内部沿整体结构的轴向设置有锥形活塞移动通道；所述探头密封底座（e2）与置于锥形活塞移动通道中的锥形活塞（d0）通过活塞杆（d1）相连；所述楔形开口（a1）内部设置有与锥形活塞移动通道相贯通的中空圆柱形空腔；所述探头密封底座（e2）中心设置有贯穿探头密封底座（e2）的夹持器（e1），所述夹持器（e1）用于限制或开放活塞杆（d1）带动锥形活塞（d0）在中空圆柱形空腔中以及在锥形活塞移动通道中升降；所述静力触探装置与探头密封底座（e2）相连；所述球阀开启驱动装置与球阀（b13）相连并驱动球阀（b13）开启或关闭锥形活塞移动通道；所述压力管路循环供应及电机控制系统分别与球阀开启驱动装置、夹持器（e1）以及锥形活塞（d0）相连。

2.根据权利要求1所述的浅层含气地层的便携式原位气体含量量测装置，其特征在于：所述楔形开口（a1）是一个圆台形的壳体，所述探头外筒体（c1）的底部与楔形开口（a1）相连；所述楔形开口（a1）内部沿楔形开口的轴向设置有与锥形活塞移动通道相贯通的中空圆柱形空腔；所述锥形活塞（d0）从楔形开口（a1）的底部伸出，并通过活塞杆（d1）与置于存土装置顶部的探头密封底座（e2）相连。

3.根据权利要求2所述的浅层含气地层的便携式原位气体含量量测装置，其特征在于：所述球阀（b13）包括球阀壳体（b2）、球阀球体（b3）、密封垫圈（b4）、压力管连接孔（b10）以及连接器（b11）；所述球阀壳体（b2）设置有锥形活塞移动通道；所述球阀球体（b3）置于球阀壳体（b2）内部；所述球阀球体（b3）与球阀壳体（b2）之间设置有密封垫圈（b4）；所述球阀开启驱动装置通过连接器（b11）与球阀球体（b3）相连并带动球阀球体（b3）转动；所述球阀球体（b3）转动时封堵或开启锥形活塞移动通道；所述球阀壳体（b2）上设置有与球阀壳体（b2）内部相贯通的压力管连接孔（b10）；所述压力管路循环供应及电机控制系统与压力管连接孔（b10）相连通。

4.根据权利要求3所述的浅层含气地层的便携式原位气体含量量测装置，其特征在于：所述球阀开启驱动装置包括步进电机（b6）、第一齿轮（b5）以及第二齿轮（b12）；所述压力管路循环供应及电机控制系统与步进电机（b6）相连并驱动步进电机（b6）开启或关闭；所述步进电机（b6）通过第一齿轮（b5）与第二齿轮（b12）相连；所述第二齿轮（b12）与连接器（b11）相连并通过连接器（b11）带动球阀球体（b3）转动。

5.根据权利要求4所述的浅层含气地层的便携式原位气体含量量测装置，其特征在于：所述存土装置包括储土仓（c4）；所述储土仓（c4）与探头外筒体（c1）同轴；所述储土仓（c4）内部沿储土仓（c4）的轴向设置有锥形活塞移动通道；所述锥形活塞移动通道与楔形开口（a1）中的中空圆柱形空腔等径；所述探头密封底座（e2）置于储土仓（c4）顶部并与置于锥形活塞移动通道中的锥形活塞（d0）通过活塞杆（d1）相连。

6.根据权利要求5所述的浅层含气地层的便携式原位气体含量量测装置，其特征在于：所述锥形活塞（d0）包括活塞杆（d1）、多孔低进气值锥形滤头（d4）、橡胶密封圈（d6）、进出水孔道（d3）、锥形活塞上部（d7）以及锥形活塞下部（d5）；所述锥形活塞上部（d7）、锥形活塞下部（d5）以及多孔低进气值锥形滤头（d4）自上而下依次设置；所述活塞杆（d1）置于锥形活塞上部（d7）中并与锥形活塞上部（d7）固定连接；所述锥形活塞上部（d7）的外表面以及锥形活塞下部（d5）的外表面均设置有橡胶密封圈（d6）；所述进出水孔道（d3）自上而下依次贯穿锥形活塞上部（d7）以及锥形活塞下部（d5）后与多孔低进气值锥形滤头（d4）相连通；所述压力管路循环供应及电机控制系统通过进出水孔道（d3）与多孔低进气值锥形滤头（d4）相连通；所述夹持器（e1）与活塞杆（d1）相连并通过活塞杆（d1）限制或开放锥形活塞（d0）在中空圆柱形空腔中以及在锥形活塞移动通道中升降。

7.根据权利要求6所述的浅层含气地层的便携式原位气体含量量测装置，其特征在于：所述夹持器（e1）中心设置有活塞杆（d1）贯穿孔；所述探头密封底座（e2）上还设置有与活塞杆（d1）贯穿孔相并行的反压管开孔（e5）；所述探头密封底座（e2）的外边缘设置有静力触探杆螺纹（e3）；所述探头密封底座（e2）通过静力触探杆螺纹（e3）与静力触探杆（2）相连；所述探头密封底座（e2）与探头外筒体（c1）通过螺纹相连。

8.根据权利要求7所述的浅层含气地层的便携式原位气体含量量测装置，其特征在于：所述压力管路循环供应及电机控制系统包括体变管（4）、第一调压阀（5）、第二调压阀（6）、减压阀（7）、气压源（8）、反压室（9）、电机控制器（16）、压力管（b1）以及反压管（e6）；所述电机控制器（16）分别与步进电机（b6）以及夹持器（e1）通过导线（20）相连；所述压力管（b1）的一端通过体变管（4）、第一调压阀（5）以及减压阀（7）接入气压源（8），另一端与球阀（b13）上的压力管连接孔（b10）相连通；所述反压管（e6）的一端通过反压室（9）、第二调压阀（6）以及减压阀（7）接入气压源（8），另一端与设置在探头密封底座（e2）上的反压管开孔（e5）相连通。

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