CN211368656U - 便携式浅层含气地层原位气压量测探头及量测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于土木工程领域中的岩土工程勘察领域，涉及一种便携式浅层含气地层原位气压量测装置，便携式浅层含气地层原位气压量测装置包括静力触探仪、压力传感器控制系统、静力触探杆以及探头；静力触探仪与静力触探杆相连；静力触探杆与探头相连；探头与压力传感器控制系统相连。本实用新型提供了一种结构简单、原理明确、组拆装操作方便以及易于推广的便携式浅层含气地层原位压力量测装置。
Description
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，涉及一种原位气压测量装置，尤其涉及一种便携式浅层含气地层原位气压量测探头及便携式浅层含气地层原位气压量测装置。
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、成份、主要贮存层位、分布范围、气体含量、气体压力等信息，含气地层中原位土体中的气体压力大小，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设备。但目前，尚无相应的便携式勘察装置可以实现直接在原位对含气地层中的原始气体压力进行现场量测。
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结构简单、原理明确、组拆装操作方便以及易于推广的便携式浅层含气地层原位气压量测装置。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：
一种便携式浅层含气地层原位气压量测探头，其特征在于：所述便携式浅层含气地层原位气压量测探头包括气体采集部分以及与气体采集部分同轴相连且贯通的气体压力量测部分。
作为优选，本实用新型所采用的气体采集部分包括锥形头、多孔金属管、圆筒状透水石以及密封橡胶垫；所述气体采集部分通过多孔金属管与锥形头相连；所述圆筒状透水石套装在多孔金属管外部；所述密封橡胶垫设置在圆筒状透水石顶部与气体压力量测部分之间；所述多多孔金属管的侧壁上设置有贯穿管壁的圆形孔洞；所述圆形孔洞通过中空的多孔金属管与气体压力量测部分内腔相贯通。
作为优选，本实用新型所采用的气体采集部分还包括设置在多孔金属管顶部的第一螺纹；所述多孔金属管通过第一螺纹与气体压力量测部分螺纹相连。
作为优选，本实用新型所采用的气体压力量测部分包括第一探头外壳体、导线、密封橡胶囊、薄膜式传感器；所述第一探头外壳体是中空的腔体结构；所述密封橡胶囊置于第一探头外壳体的内腔中；所述密封橡胶囊内腔中充满有矿物油；所述薄膜式传感器置于密封橡胶囊的内腔中并浸没在矿物油中；所述导线穿过第一探头外壳体并与薄膜式传感器相连；所述第一探头外壳体与气体采集部分相连并与气体采集部分相贯通。
作为优选，本实用新型所采用的气体压力量测部分还包括设置在第一探头外壳体底部的第二螺纹；所述第二螺纹与气体采集部分的第一螺纹相连。
作为优选，本实用新型所采用的气体压力量测部分还包括设置在第一探头外壳体顶部的用于连接密封橡胶囊的密封橡胶囊连接螺纹、用于连接薄膜式传感器的薄膜式传感器连接螺纹；所述密封橡胶囊通过密封橡胶囊连接螺纹设置在第一探头外壳体内部；所述薄膜式传感器通过薄膜式传感器连接螺纹设置在第一探头外壳体顶部并置于密封橡胶囊内部。
一种基于如前所述的便携式浅层含气地层原位气压量测探头的便携式浅层含气地层原位气压量测装置，其特征在于：所述便携式浅层含气地层原位气压量测装置包括静力触探仪、压力传感器控制系统、静力触探杆以及如前所述的探头；所述静力触探仪与静力触探杆相连；所述静力触探杆与探头相连；所述探头还与压力传感器控制系统相连。
作为优选，本实用新型所采用的压力传感器控制系统包括压力传感器控制设备以及导线；所述探头通过导线与压力传感器控制设备相连。
作为优选，本实用新型所采用的便携式浅层含气地层原位气压量测装置还包括设置在气体压力量测部分与静力触探杆之间的转接头部分；所述转接头部分包括第二探头外壳体、钻杆连接螺纹以及第四螺纹；所述第二探头外壳体通过第四螺纹与气体压力量测部分的顶部相连；所述第二探头外壳体通过钻杆连接螺纹与静力触探杆底部相连。
本实用新型的优点是：
本实用新型提供一种便携式浅层含气地层原位气压量测装置，该量测装置包括静力触探仪、压力传感器控制系统、静力触探杆以及便携式浅层含气地层原位气压量测探头；该便携式浅层含气地层原位气压量测探头包括气体采集部分、气体压力量测部分和转换接头部分，其中，气体采集部分包括锥形头、多孔金属管、圆筒状透水石以及密封橡胶垫；气体采集部分通过多孔金属管与锥形头相连；圆筒状透水石套装在多孔金属管外部；密封橡胶垫设置在圆筒状透水石顶部与气体压力量测部分之间；多孔金属管上设置有贯穿其壁面的圆形孔洞；圆形孔洞通过中空的多孔金属管与气体压力量测部分内腔相贯通；气体压力量测部分包括第一探头外壳体、导线、密封橡胶囊、薄膜式传感器；第一探头外壳体是中空的腔体结构；密封橡胶囊置于第一探头外壳体的内腔中；密封橡胶囊内腔中充满有矿物油；薄膜式传感器置于密封橡胶囊的内腔中并浸没在矿物油中；导线穿过第一探头外壳体并与薄膜式传感器相连；第一探头外壳体与气体采集部分相连并与气体采集部分相贯通。转换接头部分包括第二探头外壳体、钻杆连接螺纹以及第四螺纹，第二探头外壳体的底部通过第四螺纹与气体压力量测部分顶部相连，而其顶部通过钻杆连接螺纹与静力触探杆底部相连。本实用新型所提供的量测装置在进行气体压力测量时，打开压力传感器控制设备，记录压力值po，进行压力调零，开始贯入，探头贯入速度宜在1cm/s—2cm/s。当达到预定的含气土层后停止贯入。此时，含气土层中的土颗粒被圆筒状透水石阻隔在外部，而含气土层中的水、气可透过圆筒状透水石和多孔金属管的圆孔进入第一探头外壳体内部空腔内；当气体不再进入时，探头第三部分的内部空腔的压力与含气土层的气体压力相等，探头第三部分的内部空腔的气、水混合物压力作用于密封橡胶囊，然后通过矿物油将压力均匀传递给内部的薄膜式压力传感器，测得的压力信号通过导线传递到地表的压力传感器控制设备，直到压力传感器控制设备上的数据不再变化，记录此时的压力值p1，即为该含气土层中的原始气压值。本实用新型所提供的便携式浅层含气地层原位气压量测装置及量测方法，该装置结构简单、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压力值，解决了目前在含浅层气地质区进行岩土工程勘察中，缺乏便携式原位含气土层气体压力量测装置的难题。
附图说明
图1是本实用新型所提供的便携式浅层含气地层原位气压量测装置的整体结构示意图；
图2是本实用新型所采用的探头的整体结构示意图；
图3是本实用新型所采用的探头的第一部分的结构示意图；
图4是本实用新型所采用的探头的第二部分的结构示意图；
图5是本实用新型所采用的探头的第三部分的结构示意图；
图6是本实用新型所采用的探头的第四部分的结构示意图；
图中：
1-压力传感器控制设备；2-杂填土层；3-气盖层；4-含气土层；5-探头；6-静力触探杆； 7-地下水位；8-静力触探仪；9-压力传感器控制系统；a1-锥形头；a2-圆形孔洞；a3-第一螺纹； a4-多孔金属管；b1-圆筒状透水石；b2-密封橡胶垫；c1-第二螺纹；c2-第一探头外壳体；c3- 矿物油；c4-密封橡胶囊连接螺纹；c5-导线；c6-薄膜式传感器连接螺纹；c7-密封橡胶囊；c8- 薄膜式传感器；c9-第三螺纹；d1-第二探头外壳体；d2-钻杆连接螺纹；d3-第四螺纹。
具体实施方式
参见图2，本实用新型首先提供了一种便携式浅层含气地层原位气压量测探头，该便携式浅层含气地层原位气压量测探头的结构如下：
探头5分为四部分，第一部分由锥形头a1、多孔金属管a4、圆形孔洞a2、第一螺纹a3组成。参见图3，锥形头a1主要作用是在探头5贯入地层时充当坚硬端头，它的上部分连接多孔金属管a4，多孔金属管a4外表面与探头5第二部分圆筒状透水石b1紧密接触，含气土层4中的水和气体可以透过圆形孔洞a2自由的进出中空的多孔金属管a4，从而进入探头5第三部分的内部空腔里，多孔金属管a4上端通过第一螺纹a3与探头5第三部分紧密连接；整个探头5第一部分主要作用是：贯入地层、把含气土层4中的水、气体输送到探头5第三部分的空腔里、连接探头5 第三部分。
参见图4，探头5第二部分由圆筒状透水石b1、密封橡胶垫b2组成。圆筒状透水石b1用于过滤含气土层4中的土颗粒，使得含气土层4中的地下水和气体可透过探头5第一部分的圆形孔洞a2自由进出其内部空腔，圆筒状透水石b1套在探头5第一部分上部的多孔金属管a4上。密封橡胶垫b2位于圆筒状透水石b1上部和探头5第三部分c2底部之间，其主要作用是密封圆筒状透水石b1与探头5第三部分第一探头外壳体c2底部，减少圆筒状透水石b1上部和探头5第三部分第一探头外壳体c2底部之间的摩擦。探头5第二部分的主要作用是：阻隔含气土层4中的土颗粒，使得含气土层4的地下水、气混合物能够透过圆形孔洞a2自由进出其内部空腔，从而被输送到探头5第三部分储存水、气混合物的空腔里。
参见图5，探头5第三部分由第二螺纹c1、第一探头外壳体c2、矿物油c3、密封橡胶囊连接螺纹c4、导线c5、薄膜式传感器连接螺纹c6、密封橡胶囊c7、薄膜式压力传感器c8、第三螺纹c9组成。第一探头外壳体c2内为一个空腔，其下端第二螺纹c1与探头5第一部分的多孔金属管a4上端的第一螺纹a3连接，上端第三螺纹c9与探头5第四部分下端的第四螺纹d3紧密连接。密封橡胶囊c7弹性较好，优选乳胶材料，其上端进油口镶嵌入密封橡胶囊连接螺纹c4里，密封橡胶囊c7内部充满矿物油(矿物油体积不可压缩且不受温度影响)。薄膜式压力传感器c8 浸没于矿物油c3的内部，用于测量外部流体对密封橡胶囊c7传递的压力，薄膜式压力传感器 c8上端与薄膜式压力传感器连接螺纹c6连接，并且，薄膜式压力传感器连接螺纹c6与密封橡胶囊连接螺纹c4连接，并与密封橡胶囊c7构成完整的密封空间；薄膜式压力传感器c8上端尾部的导线c5从薄膜式压力传感器连接螺纹c6内部穿过，并穿过探头5第四部分的内部，经静力触探杆6的内部，一直延伸并连接到地面上的压力传感器控制设备1。探头5第三部分的作用是：连接探头5第一部分和第四部分、储存进入探头5的水和气体、通过薄膜式压力传感器c8装置测量周围压力，即得到含气土层4中的气压值。
参见图6，探头5第四部分由第二探头外壳体d1、钻杆连接螺纹d2、第四螺纹d3组成。探头5第四部分第二探头外壳体d1内部为中空的空腔，其上端钻杆连接螺纹d2内部挖出孔洞，方便薄膜式传感器c8连接导线c5从其内部穿过。第二探头外壳体d1下端的第四螺纹d3和探头5第三部分第一探头外壳体c2上端互相拧紧，第二探头外壳体d1上端的第四螺纹d3和静力触探杆6 下端相互拧紧。探头5第四部分的作用是：连接探头5第三部分和静力触探杆6。
参见图1，本实用新型基于便携式浅层含气地层原位气压量测探头，还提供了一种便携式浅层含气地层原位气压量测装置，除了如前所记载的便携式浅层含气地层原位气压量测探头外，还包括静力触探仪8以及压力传感器控制系统9。
其中：静力触探仪8安装在地面上，作用是利用静力触探杆6将探头5送入到含气土层4处；静力触探杆6为一节一节的管状体，每节长度2～3米，静力触探杆6最上端一节与静力触探仪8 相连，静力触探杆6最下端一节与探头5相连。导线c5从静力触探杆6内部穿过，与压力传感器控制设备1相连接。
压力传感器控制系统9包括导线c5、压力传感器控制设备1。导线c5一端与薄膜式压力传感器c8连接，另一端与压力传感器控制系设备1连接，压力传感器控制设备1可对薄膜式压力传感器c8的初始值进行调零，薄膜式压力传感器c8接收到的压力信号，通过导线c5传递至压力传感器控制设备1。
基于本实用新型所提供的量测装置对浅层含气地层的原位气体压力进行量测时，具体方法按照以下工作步骤进行：
1)探头5现场组装。首先，取出探头5第一部分和探头5第二部分，将探头5第二部分的圆筒状透水石b1套在探头5第一部分的多孔金属管a4上，再把探头5第二部分的密封橡胶垫b2套在探头5第一部分的多孔金属管a4上；组装探头5第三部分，首先把导线c5与薄膜式压力传感器c8连接，再把薄膜式压力传感器c8插入密封橡胶囊c7里，把薄膜式压力传感器连接螺纹c6 与密封橡胶囊连接螺纹c4连接在一起，确保密封橡胶囊c7密封，再把密封橡胶囊连接螺纹c4 和探头5第三部分的第一探头外壳体c2拧紧；采用真空泵抽排除封橡胶囊c7内的空气，然后在密封橡胶囊c7内注满矿物油c3。最后，把组装好的探头5第三部分通过第一探头外壳体c2下端的第二螺纹c1和探头5第一部分多孔金属管a4上端的第一螺纹a3紧密的拧在一起，再组装探头 5第四部分。将探头5第四部分下端的第四螺纹d3和探头5第三部分第一探头外壳体c2上端拧紧，将连接薄膜式压力传感器c8的导线c5从钻杆连接螺纹d2预留的孔洞中穿过，再把探头5第四部分上端的第四螺纹d3和静力触探杆6紧密的拧在一起。至此，探头5组装完毕。
2)设备组装。把导线c5从静力触探杆6内部穿出并一直延伸到地面上，再将导线c5与压力传感器控制设备1连接，开始进行静力触探贯入试验。
3)气体压力测量。在静力触探仪8上安装好探头5和静力触探杆6后，接通电源，打开压力传感器控制设备1，记录压力值po，进行压力调零。开始贯入，探头5贯入速度宜在1cm/s—2cm/s。当达到预定的含气土层4后停止贯入。此时，含气土层4中的土颗粒被圆筒状透水石b1阻隔在外部，而含气土层4中的水和气通过探头5第二部分的圆筒状透水石b1和探头5 第一部分的多孔金属管a4的圆孔进入探头5第三部分的内部空腔内；当气体不再进入时，探头 5第三部分的内部空腔的压力与含气土层4的气体压力相等，探头5第三部分的内部空腔的气、水混合物压力作用于密封橡胶囊c7，然后通过矿物油c3将压力均匀传递给内部的薄膜式压力传感器c8，测得的压力信号通过导线c5传递到地表的压力传感器控制设备1，直到压力传感器控制设备1上的数据不再变化，记录此时的压力值p1，即为该含气土层4中的原始气压值。重复本步骤中的贯入和量测程序，可得到下一深度处含气土层4中的气压值。
4)设备回收。气体测量完毕后，关闭压力传感器控制设备1，然后通过静力触探仪8将静力触探杆6一节一节取回，将探头5从静力触探杆6上取下，拆下探头5和导线c5。彻底清洁探头5内的水、气以及圆筒状透水石b1外部的泥沙，并检查磨损的部件；将仪器各个部件拆除，收集装好，以便下次进行原位气压量测时重复使用。
Claims (8)
1.一种便携式浅层含气地层原位气压量测探头，其特征在于：所述便携式浅层含气地层原位气压量测探头包括气体采集部分以及与气体采集部分同轴相连且贯通的气体压力量测部分；所述气体压力量测部分包括第一探头外壳体（c2）、导线（c5）、密封橡胶囊（c7）、薄膜式传感器（c8）；所述第一探头外壳体（c2）是中空的腔体结构；所述密封橡胶囊（c7）置于第一探头外壳体（c2）的内腔中；所述密封橡胶囊（c7）内腔中充满矿物油（c3）；所述薄膜式传感器（c8）置于密封橡胶囊（c7）的内腔中并浸没在矿物油（c3）中；所述导线（c5）穿过第一探头外壳体（c2）并与薄膜式传感器（c8）相连；所述第一探头外壳体（c2）与气体采集部分相连并与气体采集部分相贯通。
2.根据权利要求1所述便携式浅层含气地层原位气压量测探头，其特征在于：所述气体采集部分包括锥形头（a1）、多孔金属管（a4）、圆筒状透水石（b1）以及密封橡胶垫（b2）；所述气体采集部分通过多孔金属管（a4）与锥形头（a1）相连；所述圆筒状透水石（b1）套装在多孔金属管（a4）外部；所述密封橡胶垫（b2）设置在圆筒状透水石（b1）顶部与气体压力量测部分之间；所述多孔金属管（a4）的侧壁上设置有贯穿管壁的圆形孔洞（a2）；所述圆形孔洞（a2）通过中空的多孔金属管（a4）与气体压力量测部分内腔相贯通。
3.根据权利要求2所述的便携式浅层含气地层原位气压量测探头，其特征在于：所述气体采集部分还包括设置在多孔金属管（a4）顶部的第一螺纹（a3）；所述多孔金属管（a4）通过第一螺纹（a3）与气体压力量测部分螺纹相连。
4.根据权利要求1或2或3所述的便携式浅层含气地层原位气压量测探头，其特征在于：所述气体压力量测部分还包括设置在第一探头外壳体（c2）底部的第二螺纹（c1）；所述第二螺纹（c1）与气体采集部分的第一螺纹（a3）相连。
5.根据权利要求4所述的便携式浅层含气地层原位气压量测探头，其特征在于：所述气体压力量测部分还包括设置在第一探头外壳体（c2）顶部的用于连接密封橡胶囊（c7）的密封橡胶囊连接螺纹（c4）、用于连接薄膜式传感器（c8）的薄膜式传感器连接螺纹（c6）；所述密封橡胶囊（c7）通过密封橡胶囊连接螺纹（c4）设置在第一探头外壳体（c2）内部；所述薄膜式传感器（c8）通过薄膜式传感器连接螺纹（c6）设置在第一探头外壳体（c2）顶部并置于密封橡胶囊（c7）内部。
6.一种基于如权利要求5所述的便携式浅层含气地层原位气压量测探头的便携式浅层含气地层原位气压量测装置，其特征在于：所述便携式浅层含气地层原位气压量测装置包括静力触探仪（8）、压力传感器控制系统（9）、静力触探杆（6）以及如权利要求5所述的探头（5）；所述静力触探仪（8）与静力触探杆（6）相连；所述静力触探杆（6）与探头（5）相连；所述探头（5）与压力传感器控制系统（9）相连。
7.根据权利要求6所述的便携式浅层含气地层原位气压量测装置，其特征在于：所述压力传感器控制系统（9）包括压力传感器控制设备（1）以及导线（c5）；所述探头（5）通过导线（c5）与压力传感器控制设备（1）相连。
8.根据权利要求6或7所述的便携式浅层含气地层原位气压量测装置，其特征在于：所述便携式浅层含气地层原位气压量测装置还包括设置在气体压力量测部分与静力触探杆（6）之间的转接头部分；所述转接头部分包括第二探头外壳体（d1）、钻杆连接螺纹（d2）以及第四螺纹（d3）；所述第二探头外壳体（d1）通过第四螺纹（d3）与气体压力量测部分的顶部相连；所述第二探头外壳体（d1）通过钻杆连接螺纹（d2）与静力触探杆（6）底部相连。
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| CN112082875B (zh) * | 2020-09-17 | 2021-11-05 | 大连理工大学 | 一种基于有压触探的原位土体参数测量装置 |
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