[發(fā)明專利]便攜式淺層含氣地層原位氣體濃度量測裝置及方法

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• 申請日: 2019-11-01
• 公開（公告）號: CN110672613A
• 公開（公告）日: 2020-01-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王勇;孫富學(xué);孔令偉;鄭紅劍;肖飛;王艷麗;李好強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所
• 主分類號: G01N21/84
• 分類號: G01N21/84;G01N21/01
• 代理公司: 42001 武漢宇晨專利事務(wù)所
• 代理人: 余曉雪

1.一種便攜式淺層含氣地層原位氣體濃度量測探頭，其特征在于：所述便攜式淺層含氣地層原位氣體濃度量測探頭包括水氣采集部分、水氣存儲部分以及氣體濃度測量部分；所述氣體濃度測量部分、水氣存儲部分以及氣體采集部分由上至下同軸相連且貫通。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式淺層含氣地層原位氣體濃度量測探頭，其特征在于：所述水氣采集部分包括錐形頭（a1）、多孔金屬管（a4）、圓筒狀透水石（b1）以及密封墊（b2）；所述多孔金屬管（a4）與錐形頭（a1）相連；所述圓筒狀透水石（b1）套裝在多孔金屬管（a4）外部；所述密封墊（b2）設(shè)置在圓筒狀透水石（b1）頂部與水氣存儲部分之間；所述多孔金屬管（a4）側(cè)壁上設(shè)置有貫穿管壁的圓形孔洞（a2）；所述圓形孔洞（a2）通過中空的多孔金屬管（a4）與氣體濃度測量部分內(nèi)腔相貫通。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的便攜式淺層含氣地層原位氣體濃度量測探頭，其特征在于：所述水氣存儲部分包括第一探頭外殼體（c2）、透氣不透水膜（c3）以及排水管（e3）；所述第一探頭外殼體（c2）內(nèi)部設(shè)置有水、氣流體存儲空腔；所述透氣不透水膜（c3）沿第一探頭外殼體（c2）的徑向置于第一探頭外殼體（c2）頂部；所述排水管（e3）沿第一探頭外殼體（c2）的軸向設(shè)置，排水管（e3）的一端伸入第一探頭外殼體（c2）的空腔底部，另一端從第一探頭外殼體（c2）頂部穿過透氣不透水膜伸出。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的便攜式淺層含氣地層原位氣體濃度量測探頭，其特征在于：所述氣體濃度測量部分包括第二探頭外殼體（d1）、第三探頭外殼體（e9）、排氣管（e5）、氣體濃度光纖傳感器（e8）以及導(dǎo)線（e4）；所述第二探頭外殼體（d1）以及第三探頭外殼體（e9）均是中空的殼體結(jié)構(gòu)；所述第一探頭外殼體（c2）、第二探頭外殼體（d1）以及第三探頭外殼體（e9）自下而上依次軸向螺紋相連；所述透氣不透水膜（c3）沿第一探頭外殼體（c2）的徑向置于第一探頭外殼體（c2）以及第二探頭外殼體（d1）之間；所述排水管（e3）的一端伸入第一探頭外殼體（c2）的空腔底部，另一端依次貫穿透氣不透水膜（c3）、第二探頭外殼體（d1）以及第三探頭外殼體（e9）后并從第三探頭外殼體（e9）頂部伸出；所述排氣管（e5）沿第三探頭外殼體（e9）的軸向設(shè)置并從第三探頭外殼體（e9）頂部伸入第三探頭外殼體（e9）中；所述氣體濃度光纖傳感器（e8）置于第三探頭外殼體（e9）內(nèi)部；所述導(dǎo)線（e4）的一端與氣體濃度光纖傳感器（e8）相連，另一端從第三探頭外殼體（e9）頂部伸出。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的便攜式淺層含氣地層原位氣體濃度量測探頭，其特征在于：所述第一探頭外殼體（c2）與透氣不透水膜（c3）之間設(shè)置有第二密封橡膠墊（c7）；所述透氣不透水膜（c3）與第二探頭外殼體（d1）之間設(shè)置有第一密封橡膠墊（c6）。

6.一種基于如權(quán)利要求5所述的便攜式淺層含氣地層原位氣體濃度量測探頭而形成的便攜式淺層含氣地層原位氣體濃度量測裝置，其特征在于：所述便攜式淺層含氣地層原位氣體濃度量測裝置包括靜力觸探桿（6）、循環(huán)泵及氣體濃度光纖傳感器控制系統(tǒng)（11）以及如權(quán)利要求6所述的探頭（5）；所述靜力觸探桿（6）與探頭（5）相連；所述探頭（5）與循環(huán)泵（1）通過管路相連；所述探頭（5）與氣體濃度光纖傳感器控制系統(tǒng)（11）電性相連。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的便攜式淺層含氣地層原位氣體濃度量測裝置，其特征在于：所述循環(huán)泵及氣體濃度光纖傳感器控制系統(tǒng)（11）包括循環(huán)泵（1）和氣體濃度光纖傳感器控制設(shè)備（10）；所述循環(huán)泵（1）分別與探頭（5）的排水管（e3）以及排氣管（e5）相連；所述氣體濃度光纖傳感器控制設(shè)備（10）與探頭（5）的導(dǎo)線（e4）相連。

8.一種便攜式淺層含氣地層原位氣體濃度量測裝置的量測方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：

1）組裝探頭（5）：將多孔金屬管（a4）與錐形頭（a1）連接，再將圓筒狀透水石（b1）套在多孔金屬管（a4）上，把密封墊套（b2）在多孔金屬管（a4）上，使密封墊（b2）位于圓筒狀透水石（b1）的上表面；把第一探頭外殼體（c2）底部旋擰在多孔金屬管（a4）的頂端，并壓緊密封墊（b2）；把第一密封橡膠墊（c6）套在第一螺紋桿（c4）和第二螺紋桿（c9）上，再把透氣不透水膜（c3）置于第一密封橡膠墊（c6）和第二密封橡膠墊（c7）之間；將排水管（e3）的一端從第一探頭外殼體（c2）頂部的排水管預(yù)留孔（c8）中伸入第一探頭外殼體（c2）內(nèi)部空腔的底部；將第二探頭外殼體（d1）的底部安裝在第二密封橡膠墊（c9）的上表面，旋擰螺母，使第二探頭外殼體（d1）的底部壓緊第二密封橡膠墊（c7）、透氣不透水膜（c3）和第一密封橡膠墊（c6）；將氣體濃度光纖傳感器（e8）固定安裝在第三探頭外殼體（e9）的頂部，使得氣體濃度光纖傳感器（e8）感應(yīng)頭伸入到第三探頭外殼體（e9）的底部；把導(dǎo)線（e4）的一端與氣體濃度光纖傳感器（e8）在第三探頭外殼體（e9）殼體頂部的固定端相連；排水管（e3）的另外一端穿過中空的第二螺紋桿（c9），并從第三探頭外殼體（e9）殼體頂部的第一開孔（e10）內(nèi)部穿出；排氣管（e5）的一端從第三探頭外殼體（e9）殼體頂部的第二開孔（e11）伸入并置于氣體量測部分的空腔；將第三探頭外殼體（e9）與第二探頭外殼體（d1）擰緊，至此，探頭（5）組裝完成；

2）組裝便攜式淺層含氣地層原位氣體濃度量測裝置：首先，把導(dǎo)線（e4）、排氣管（e5）以及排水管（e3）從中空的靜力觸探桿（6）內(nèi)部穿出，把探頭（5）和靜力觸探桿（6）連接，將導(dǎo)線（e4）連接到氣體濃度光纖傳感器控制設(shè)備（10）上，最后，再把排水管（e3）、排氣管（e5）分別通過第二閥門（12）和第一閥門（9）后，連接到循環(huán)泵（1）上，并關(guān)閉第一閥門（9）和第二閥門（12）；

3）測量氣體濃度；在靜力觸探儀（8）上安裝好探頭（5）和靜力觸探桿（6），通過靜力觸探儀（8）將探頭（5）貫入地層中，速度是1cm/s—2cm/s；當(dāng)達(dá)到預(yù)定的含氣土層（4）后停止貫入；接通電源，打開循環(huán)泵（1）和第一閥門（9），通過排氣管（e5）把第二探頭外殼體（d1）和第三探頭外殼體（e9）空腔內(nèi)的空氣排出，關(guān)閉第一閥門（9）；打開氣體濃度光纖傳感器控制設(shè)備（10），記錄氣體濃度值，然后進(jìn)行氣體濃度清零；打開第二閥門（12），通過排水管（e3）抽排第一探頭外殼體（c2）的內(nèi)部流體，在壓差作用下含氣土層（4）中的土顆粒被探頭（5）的圓筒狀透水石（b1）阻隔在外部，而含氣土層（4）中的水、氣混合流體則通過圓筒狀透水石（b1）和多孔金屬管（a4）的圓形孔洞（a2）進(jìn)入第一探頭外殼體（c2）的內(nèi)部空腔內(nèi)；水、氣混合流體中的氣體可通過透氣不透水膜（c3）進(jìn)入到第二探頭外殼體（d1）的內(nèi)部空腔中，而水則被阻隔在第一探頭外殼體（c2）的內(nèi)部空腔中；進(jìn)入到第二探頭外殼體（d1）內(nèi)部空腔中的氣體濃度值由氣體濃度光纖傳感器（e8）感應(yīng)量測，信號通過導(dǎo)線（e4）傳遞至地表的氣體濃度光纖傳感器控制設(shè)備（10）中；關(guān)閉循環(huán)泵（1）和第二閥門（12），靜置探頭（5）一段時(shí)間，待氣體濃度光纖傳感器控制設(shè)備（10）顯示的氣體濃度值不變時(shí)，即得該含氣土層（4）中的組分氣體的濃度值；

4）當(dāng)需要繼續(xù)貫入下部地層，測量下一個(gè)深度處的含氣土層（4）中的組分氣體濃度前，開啟第一閥門（9），啟動循環(huán)泵（11），通過排氣管（e5）把第二探頭外殼體（d1）、第三探頭外殼體（e9）內(nèi)殘留的氣體排出；開啟第二閥門（12），通過排水管（e3）把第一探頭外殼體（c2）內(nèi)殘留的水和氣混合物排出，隨后關(guān)閉第二閥門（12）；通過氣體濃度光纖傳感器控制設(shè)備（10）進(jìn)行濃度清零；重復(fù)步驟3）中探頭（5）的貫入和量測過程，可得到下一個(gè)層位處含氣土層（4）中的組分氣體濃度值。