用于原位测量海底含气土中气体含量的装置及其测量方法与流程

本发明属于海床土体力学特性探测的技术领域，涉及一种用于原位测量海底含气土中气体含量的装置及其测量方法。

背景技术：

全球70％以上的油气资源蕴藏在海底。油气的勘探、开采完全依赖于海上钻井平台。钻井平台承受着海上台风、巨浪等荷载。这些荷载通过钻井平台的桩基础或锚泊定位系统传递给海床。因此，钻井平台的稳定性取决于海床的力学特性(特别是强度、刚度)。我国的珠三角、长三角、渤海湾等海域广泛分布富含生物气的软弱海床(即海床土体中含有大量的孤立气泡)。气体含量是决定含气土强度和刚度的关键控制因素，进而直接决定了海上钻井平台的安全性与稳定性。

含气量的测定必须要在海底原位进行测试。如果将含气土从海床中取出到陆地上的试验室测量，土中的气泡体积将随着土体外压的骤降而急剧扩大，使得测量结果不能真实反映原位含气量。传统的原位含气测试手段(基于声波在海底含气土中传播的速度经验估算含气量)属于间接测试方法，该方法存在不确定性强、误差无法量化的问题。目前还没有可以直接在海底原位精确测量含气土中气体气量的仪器。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于原位测量海底含气土中气体含量的装置及其测量方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种用于原位测量海底含气土中气体含量的装置，包括金属外壳、金属内胆、上顶板、位移传感器、液压千斤顶、电动机、活动门、液压泵、单片机；所述金属外壳的下部为圆锥状，上部为圆柱状，金属外壳的侧壁开有入土口；所述金属内胆、上顶板、位移传感器、液压千斤顶、电动机、活动门均安装在金属外壳内；其中，所述金属内胆安装在金属外壳的入土口处，用于容纳含气土；所述金属外壳和金属内胆之间设置有活动门；所述液压泵与液压千斤顶相连，所述液压千斤顶的油缸固定在金属外壳的顶端，所述上顶板固定安装在液压千斤顶的活塞杆上，上顶板随着液压千斤顶的活塞杆的伸缩，沿金属内胆上下移动；所述电动机安装在上顶板上，电动机通过传动装置带动活动门上下移动；所述位移传感器安装在金属内胆外伸出的薄壁上，用于测量上顶板的位移；所述液压泵、电动机、位移传感器均与单片机相连。

进一步地，所述金属内胆的底部安装有超声波发射端，所述上顶板安装有超声波接收端；所述超声波发射端和超声波接收端相对布置；所述超声波发射端和超声波接收端均与单片机相连。

进一步地，所述传动装置包括齿轮和齿条；所述齿轮安装在电动机的输出轴上，所述齿条安装在活动门上，所述齿轮与齿条啮合传动，实现活动门的上下移动。

进一步地，所述上顶板和金属内胆之间通过密封圈进行密封；所述上顶板和活动门之间也通过密封圈进行密封。

一种用于原位测量海底含气土中气体含量的装置的测量方法，该方法具体为：

(1)把发明装置插入含气土海床：

将整个装置连接于现有海洋工作平台上的双自由度加载系统，并通过双自由度加载系统将整个发明装置垂直向下插入到含气土海床中；

(2)原位测量海底含气土中声波速度：

开启活动门，通过双自由度加载系统使金属外壳水平移动，直到金属内胆内充满含气土，再关闭活动门；活动门关闭后超声波发射端向含气土中发射压缩波，超声波接收端接收土体压缩波，超声波发射端和超声波接收端将波束信号传递给单片机，单片机计算可得压缩波束穿过含气土所用的最短时间t；根据时间t以及超声波发射端和超声波接收端之间的距离h，即可由下式计算得到含气土中压缩波的传播速度：

土体压缩波速＝传播距离h/传播时间t；

(3)原位测量海底含气土中气体含量：

液压泵驱动液压千斤顶慢慢推动上顶板压缩金属内胆内的含气土，直到含气土无法再被压缩；基于位移传感器测得的竖向压缩量Δh和金属内胆初始高度h，该含气土中气泡的体积百分比即可通过如下公式计算获得：

与背景技术相比，本发明的有益效果是：海底含气土中气体含量是决定海床的刚度和强度的关键因素，是安全设计海洋基础(用于支撑海上油气平台、海上风电机组等)的重要参数。本发明首次提出一种在海底原位直接测量含气土中气体含量的装置及其测量方法。这解决了传统的间接测试方法(基于声波在海底含气土中传播的速度经验估算含气量)不确定性强、误差无法量化的问题。

本发明公开的装置除了可以直接测量气体含量，也同时带有声波测试模块， 可以获得声波在海床含气土中传播的速度。基于测得的含气量和声波速度，可以建立两者之间的关系，评价并改进现有的“含气量-波速”之间的半理论半经验关系。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明测量海底含气土中气体含量的过程示意图；

图中，金属外壳1、金属内胆2、上顶板3、密封圈4、位移传感器5、液压千斤顶6、电动机7，超声波接收端8、活动门9、超声波发射端10。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括金属外壳1、金属内胆2、上顶板3、密封圈4、位移传感器5、液压千斤顶6、电动机7、超声波接收端8、活动门9、超声波发射端10、液压泵、单片机；所述空心金属外壳1的下部为圆锥状，上部为圆柱状，金属外壳1的侧壁开有入土口；所述金属内胆2、上顶板3、位移传感器5、液压千斤顶6、电动机7、活动门9均安装在金属外壳1内；其中，所述金属内胆2安装在金属外壳1的入土口处，用于容纳含气土；所述金属外壳1和金属内胆2之间设置有活动门9；所述液压泵与液压千斤顶6相连，所述液压千斤顶6的油缸通过焊接方式固定在金属外壳1的顶端，所述上顶板3也通过焊接固定安装在液压千斤顶6的活塞杆上，上顶板3随着液压千斤顶6的活塞杆的伸缩，沿金属内胆2上下移动；所述电动机7安装在上顶板3上，电动机7的输出轴上安装有齿轮，所述活动门9上安装有齿条，所述齿轮与齿条啮合传动，实现活动门9的上下移动；所述位移传感器5安装在金属内胆2外伸出的薄壁上，用于测量上顶板3的位移；所述上顶板3和金属内胆2之间通过密封圈进行密 封；所述上顶板3和活动门9之间也通过密封圈进行密封。

所述金属外壳1通过加长杆与船上或海上平台上的双自由度(上下，前后)加载系统相连，用于控制整个触探装置的上下和水平移动。

所述金属内胆2的底部中央处安装有超声波发射端10，所述上顶板3的中央处安装有超声波接收端8，超声波发射端10和超声波接收端8相对布置。

所述液压泵、电动机7、位移传感器5、超声波发射端10和超声波接收端8均与单片机相连，用以驱动相关部件(驱动上顶板3的下压、活动门9的开关)，记录相关数据(声波在含气土中的传波速度和含气土中气体的含量)。

本发明的工作过程如下：

(1)把发明装置插入含气土海床

将整个装置连接于现有海洋工作平台上双自由度加载系统(控制上下、前后两个方向的自由度)，并通过该加载系统将整个发明装置垂直向下插入到含气土海床中，如图2(a)所示；

(2)原位测量海底含气土中声波速度

开启活动门9，如图2(b)。通过海洋工作平台上的双自由度加载系统使金属外壳1水平移动，水平移动距离达约1.5倍的金属外壳1的直径，以确保金属内胆2内充满含气土，如图2(c)；关闭活动门9，如图2(d)所示。

活动门9关闭后，超声波发射端10向含气土中发射压缩波束，超声波接收端8接收土体压缩波束(如图2(e))，超声波发射端10和超声波接收端8将波束信号传递给单片机，单片机计算可得压缩波束穿过含气土所用的最短时间t；根据时间t以及超声波发射端10和超声波接收端8之间的距离h(已知)，即可由下式计算得到该含气土中压缩波的传播速度：

土体压缩波速＝传播距离h/传播时间t

(3)原位测量海底含气土中气体含量

单片机控制液压泵，驱动液压千斤顶6慢慢推动上顶板3压缩金属内胆2内的含气土，直到含气土无法再被压缩(即位移传感器5的读数不再变化)，如图2(f)和图2(g)；此时认为含气土中的气泡已经被完全压扁或在高压下溶于土体中的水里，而金属内胆2中只剩下土颗粒和水(这两者一般近似假设不可压缩)。

基于位移传感器5测得的竖向压缩量Δh和金属内胆2初始高度h，该含气土中气泡的体积百分比即可通过如下公式计算获得：