一种用于浅层含气地层的原位水样采集探头及采集方法与流程

本发明涉及土木工程领域中的岩土工程勘察领域，尤其涉及一种用于浅层含气地层的原位水样采集探头及采集方法，对于不同气体成分和不同土质的含气地层均可以适用。

背景技术：

浅层气泛指埋置于地表以下1500m以内的天然气体(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的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赋存，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。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。当工程遭遇含气或含有害气体的地层时，首先要需要查明地层中气体的来源、主要贮存层位、分布范围等，而含气地层中原位水样的获取，对于反演所建工程场地中含气土层的产气环境、产气年代和气体运移聚集过程等十分重要。因此，原位水样样品的采集质量将直接影响到测试结果的准确性，进而影响反演的合理性推断。

目前，浅层气地质区域内的现场勘察，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。取水样方式大多采用了先钻探成孔，成孔后在地表再将取样器放入钻孔内进行取水样采集。这种方式由于预先钻孔，往往会造成地层沿不同深度层位的地下水混合，从而导致所取水样并非完全是从所预定的含气地层中获取，而且钻探护壁泥浆会改变地下水的ph值，导致取样器获取的水样不具有代表性，不能真实直接反映原位地层中的水成分，可能导致不准确的化验结果。另一方面石油天然气部门的专业采样器结构复杂、价格昂贵，笨重且携带不便，一般的岩土工程勘察单位很难具备这些专业采样装备。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种用于浅层含气地层的原位水样采集探头及采集方法，原位水样采集探头具有结构简单、便于携带等优点，搭载普通的静力触探仪，即可获取预定含气层中的原位水样；解决了目前在含浅层气地质区进行岩土工程勘察中，缺乏简便的原位水样采集装置以及取水过程中容易混有其他杂质的难题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种用于浅层含气地层的原位水样采集探头，主要由探头第一部分、探头第二部分和探头第三部分从下至上依次密闭连接而成；所述探头第一部分包括探头管a和套装于探头管a外部的环状透水石，所述探头管a内部具有探头管腔，所述探头管a的管壁开有若干个与探头管腔相连通的通水孔洞，所述通水孔洞的进水端与环状透水石内壁相对应接触；所述探头第二部分包括探头管b，所述探头管b内部填充有海绵保护体，所述海绵保护体内部固定有双头注射针，所述双头注射针包括上部针头和下部针头，所述下部针头与探头管腔相对应；所述探头第三部分包括探头管c，所述探头管c的管腔顶部固定有固定带孔挡板，所述探头管c的管腔顶部升降活动安装有活动卡板，所述活动卡板位于固定带孔挡板下方，所述活动卡板与固定带孔挡板之间连接有弹簧，所述探头管c的管腔中安装有单口铝制真空瓶，单口铝制真空瓶底部为瓶口，单口铝制真空瓶顶部与活动卡板连接，所述单口铝制真空瓶底部的瓶口上密闭安装有第二硅胶塞，所述上部针头与单口铝制真空瓶底部的瓶口相对应；所述固定带孔挡板中心开有通孔，所述活动卡板顶部固定有拉杆，所述拉杆顶部穿过固定带孔挡板的通孔，所述固定带孔挡板顶部围绕通孔开有定位凹槽，所述拉杆上安装有与定位凹槽相对应的剪刀撑，所述拉杆顶部连接有绳索。

为了更好地实现本发明，本发明还包括静力触探探管，所述静力触探探管底部与探头第三部分顶部连接，所述绳索位于静力触探探管的管腔中。

作为优选，所述拉杆顶部固定有挂钩，所述绳索底部固定连接于挂钩上。

作为优选，所述活动卡板底部具有卡接套，所述单口铝制真空瓶顶部配合卡接于卡接套中。

作为优选，所述探头第一部分的探头管a底部固定有锥形形状的探头锥体。

作为优选，所述探头第一部分的探头管a顶部具有第一螺纹管柱，所述探头第二部分的探头管b底部与第一螺纹管柱螺纹连接，所述第一螺纹管柱的管内腔中密闭安装有第一硅胶塞；所述探头第二部分的探头管b顶部具有第二螺纹管柱，所述探头第三部分的探头管c底部与第二螺纹管柱螺纹连接；所述探头第三部分的探头管c顶部具有第三螺纹管柱，所述静力触探探管底部与探头管c的第三螺纹管柱螺纹连接。

作为优选，所述通水孔洞呈圆形，所述通水孔洞沿着探头管a的管壁呈圆周设置，所有通水孔洞从探头管a的管壁底部至管壁顶部均匀层叠设置。

作为优选，本发明还包括静力触探仪，所述静力触探探管顶部安装于静力触探仪上，静力触探探管由若干节探杆管组装而成。

作为优选，所述剪刀撑由两个撑杆在中部相互铰接而成，所述剪刀撑的两个撑杆以穿过中部铰接点的竖直线呈左右对称，所述剪刀撑的两个撑杆底部与固定带孔挡板顶部的定位凹槽相对应。

本发明原位水样采集探头由三部分组成，三部分从下至上依次为从探头第一部分、探头第二部分和探头第三部分，探头第一部分由通水孔洞、第一硅胶塞、探头锥体、环状透水石、探头管腔、第一螺纹管柱组成。探头第一部分的探头管a外壁套装有环状透水石，环状透水石可以将含气地层中的泥浆颗粒阻隔在外，并且使水自由进入探头第一部分的探头管a内部；探头第一部分的探头管a内部具有探头管腔，该探头管腔可暂时贮存外部进入的水和气，并初步进行水气分离(由于气比水的重量轻)；在环状透水石与探头管a的探头管腔之间开有数个通水孔洞，含气地层的原位水可以通过环状透水石进入通水孔洞，然后进入探头管a的探头管腔中，多个通水孔洞可以防止某些孔洞被阻塞后，外部的水无法通过环状透水石进入探头第一部分的探头管腔内；第一硅胶塞位于探头管a的探头管腔顶部，第一硅胶塞的功能是阻止探头管a的探头管腔中贮存的水和气渗入探头第二部分中；整个探头第一部分主要用来从预定含气地层中收集并初步贮存原位水。

探头第二部分主要由第二螺纹管柱、双头注射针、海绵保护体组成。探头第二部分底端与探头第一部分顶部的第二螺纹管柱螺纹拧紧，探头第二部分顶部的第二螺纹管柱与探头第三部分底部螺纹拧紧；双头注射针竖直放在探头第二部分中，当双头注射针的下部针头插入探头第一部分中的第一硅胶塞，上部针头插入探头第三部分的第二硅胶塞时，可以连通探头第一部分的探头管腔和探头第三部分的单口铝制真空瓶(重量轻且不易生锈)，从而将原位水吸入至单口铝制真空瓶中；海绵保护体填充在双头注射针的周围，对双头注射针起固定作用，防止其位置发生偏移，同时海绵保护体还可以对双头注射针起支撑作用，防止其针头提前插入硅胶塞中。

探头第三部分由第三螺纹管柱、活动卡板、卡接套、拉杆、弹簧、定位凹槽、固定带孔挡板、剪刀撑、单口铝制真空瓶(重量轻且不易生锈)、第二硅胶塞、挂钩、绳索组成；探头第三部分底部与探头第二部分顶部的第二螺纹管柱螺纹拧紧；卡接套固定于活动卡板底部，主要起固定单口铝制真空瓶的作用，活动卡板可以通过弹簧释放后的弹力作为初始动能，将单口铝制真空瓶的第二硅胶塞向下压入探头第二部分的双头注射针中；单口铝制真空瓶底端的第二硅胶塞用于密封，可以保持单口铝制真空瓶内真空；活动卡板之上为固定带孔挡板，在固定带孔挡板中间有一圆形的通孔，可以容纳拉杆穿过。在圆形的通孔两侧各有一个的定位凹槽。拉杆穿过固定带孔挡板的通孔与活动卡板连接在一起并可以随着活动卡板进行垂直方向的运动。活动卡板与固定带孔挡板之间用弹簧连接，拉杆上有一剪刀撑，当压缩弹簧将拉杆上的剪刀撑穿过固定带孔挡板的上部，用手把剪刀撑分开插入两侧固定带孔挡板的定位凹槽中，此时拉杆连同活动卡板即可固定；拉杆的顶部设有一挂钩，可将绳索连接在挂钩上。绳索从中空的静力触探探管内伸出地表，可以通过绳索在地表操作拉杆。当原位水样采集探头抵达预定的含气层准备取水时，向上提绳索，让剪刀撑脱离定位凹槽，剪刀撑在重力作用下会自然合闭，此时松开绳索，弹簧压缩产生的弹力为活动卡板提供动力，使活动卡板连同上部的拉杆、下部的单口铝制真空瓶一起垂直向下运动，从而使单口铝制真空瓶的第二硅胶塞与探头第二部分中双头注射针和探头第一部分中的探头管腔连通；在单口铝制真空瓶提供的吸力作用下，使探头第一部分中的原位水样通过双头注射针吸入单口铝制真空瓶中，从而完成对含气层原位水样的采集。探头第三部分顶端具有第三螺纹管柱，第三螺纹管柱可以与静力触探探管互相拧紧，静力触探探管可以搭载静力触探仪，从而普通静力触探仪均可搭载使用本发明的原位水样采集探头。

一种用于浅层含气地层的原位水样采集方法，包括原位水样采集探头，其采集方法如下：

a、现场装置组装：首先组装探头第一部分，将环状透水石进行抽真空饱和，以排除其中的空气，然后将环状透水石安装固定在探头第一部分的外侧，确保环状透水石外表与探头第一部分衔接处平滑，使环状透水石的内壁与所有通水孔洞紧密贴合在一起，确保原位水样可通过环状透水石经过通水孔洞后进入探头第一部分的探头管腔中；然后组装探头第二部分，将探头第二部分底部与探头第一部分顶部的第一螺纹管柱螺纹拧紧，后将被海绵保护体包裹的双头注射针竖直放置在探头第二部分的探头管b内部；然后组装探头第三部分，首先将挂钩上固定好绳索，并预先穿过静力触探探管内，将单口铝制真空瓶顶部紧紧地卡接在活动卡板的卡接套，然后拉动绳索让拉杆向上拉动，让带剪刀撑的部分出现在带孔固定挡板的上端，将剪刀撑撑开，使剪刀撑的两个撑杆底部分别插入带孔固定挡板通孔两侧的定位凹槽中，仔细检查并确保固定牢固后，将探头第三部分底部与探头第二部分顶部的第二螺纹管柱螺纹拧紧，此时原位水样采集探头完全组装完毕，将原位水样采集探头顶部与静力触探探管底部螺纹拧紧，可以开始进行触探贯入试验；

b、水样采集：地层从上至下依次包括地表耕植土层、盖层和含气层，地下水位位于盖层中，在地表耕植土层上固定静力触探仪，在静力触探仪上安装好静力触探探管和原位水样采集探头后，开始贯入，速度控制为1～2cm/s；当达到预定的含气层后停止贯入，在地表耕植土层上将绳索向上拉动约10cm，剪刀撑在自重作用下会向内闭合，静止5s后缓缓向下松开绳索，下放10cm左右，确保拉杆33上的剪刀撑部位通过固定带孔板的通孔，快速松开绳索，使活动卡板在自重力以及弹簧提供的弹力共同作用下带着单口铝制真空瓶向下运动，使单口铝制真空瓶的第二硅胶塞与双头注射针的上部针头紧密连接，并压迫双头注射针一起向下运动，最终双头注射针的下部针头与探头第一部分的第一硅胶塞相连接，而弹簧完全伸缩开后将会使单口铝制真空瓶、双头注射针、探头管腔相连通，此时，单口铝制真空瓶的负压将探头第一部分的探头管腔中的含气层中的原位水样通过双头注射针吸入单口铝制真空瓶中；从而使含气层中的原位水样完成从环状透水石、通水孔洞、探头管腔、双头注射针、单口铝制真空瓶依次连通并实现采样过程；操作时间应持续足够的长，以确保取到足够多的水样，具体为：黏性土中取样时间控制为60～180min，砂土中取样时间控制为5～20min；

c、设备回收：将静力触探探管一节一节取回，当原位水样采集探头回收到地表耕植土层时，快速将探头第三部分和探头第二部分螺纹拧开，将双头注射针与单口铝制真空瓶的第二硅胶塞分离，然后将单口铝制真空瓶从活动卡板的卡接套上取下，此时单口铝制真空瓶中即为收集到的纯净的含气层的原位水样，带回实验室即可进行室内化验分析；将仪器各个部件拆除，收集装好，以便下次进行水样采集时重复使用。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明具有结构简单、便于携带等优点，搭载普通的静力触探仪，即可获取预定含气层中的原位水样。

(2)本发明解决了目前在含浅层气地质区进行岩土工程勘察中，现有技术缺乏简便的原位水样采集装置以及取水过程中容易混有其他杂质的难题。

附图说明

图1为本发明原位水样采集探头的结构示意图；

图2为本发明探头第一部分的结构示意图；

图3为本发明探头第二部分的结构示意图；

图4为本发明探头第三部分的结构示意图；

图5为单口铝制真空瓶的结构示意图；

图6为剪刀撑的结构示意图；

图7为活动卡板与剪刀撑之间的工作原理示意图；

图8为本发明原位水样采集探头的安装使用示意图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

10－静力触探仪，20－地表耕植土层，30－盖层，40－含气层，50－原位水样采集探头，60－地下水位，1－探头第一部分，11－通水孔洞，12－环状透水石，13－第一硅胶塞，14－第一螺纹管柱，15－探头锥体，16－探头管腔，2－探头第二部分，21－双头注射针，211－上部针头,212－下部针头，22－海绵保护体,23第二螺纹管柱,3－探头第三部分，31－活动卡板，32－卡接套，33－拉杆，34－弹簧，35－定位凹槽，36－固定带孔挡板，37－剪刀撑，4－单口铝制真空瓶，41－第二硅胶塞，5－挂钩，6－绳索，7－静力触探探管。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：

实施例

如图1～图8所示，一种用于浅层含气地层的原位水样采集探头，主要由探头第一部分1、探头第二部分2和探头第三部分3从下至上依次密闭连接而成。探头第一部分1包括探头管a和套装于探头管a外部的环状透水石12，探头管a内部具有探头管腔16，探头管a的管壁开有若干个与探头管腔16相连通的通水孔洞11，通水孔洞11的进水端与环状透水石12内壁相对应接触。探头第二部分2包括探头管b，探头管b内部填充有海绵保护体22，海绵保护体22内部固定有双头注射针21，双头注射针21包括上部针头211和下部针头212，下部针头212与探头管腔16相对应。探头第三部分3包括探头管c，探头管c的管腔顶部固定有固定带孔挡板36，探头管c的管腔顶部升降活动安装有活动卡板31，活动卡板31位于固定带孔挡板36下方，活动卡板31与固定带孔挡板36之间连接有弹簧34，探头管c的管腔中安装有单口铝制真空瓶4，单口铝制真空瓶4底部为瓶口，单口铝制真空瓶4顶部与活动卡板31连接，单口铝制真空瓶4底部的瓶口上密闭安装有第二硅胶塞41，上部针头211与单口铝制真空瓶4底部的瓶口相对应。固定带孔挡板36中心开有通孔，活动卡板31顶部固定有拉杆33，拉杆33顶部穿过固定带孔挡板36的通孔，固定带孔挡板36顶部围绕通孔开有定位凹槽35，拉杆33上安装有与定位凹槽35相对应的剪刀撑37，拉杆33顶部连接有绳索6。

如图1所示，本发明还包括静力触探探管7，静力触探探管7底部与探头第三部分3顶部连接，绳索6位于静力触探探管7的管腔中。拉杆33顶部固定有挂钩5，绳索6底部固定连接于挂钩5上。

如图1、图4所示，活动卡板31底部具有卡接套32，单口铝制真空瓶4顶部配合卡接于卡接套32中。如图2所示，探头第一部分1的探头管a底部固定有锥形形状的探头锥体15，该探头锥体15有利于贯穿地表耕植土层20、盖层30、含气层40。

如图1所示，探头第一部分1的探头管a顶部具有第一螺纹管柱14，探头第二部分2的探头管b底部与第一螺纹管柱14螺纹连接，第一螺纹管柱14的管内腔中密闭安装有第一硅胶塞13。探头第二部分2的探头管b顶部具有第二螺纹管柱23，探头第三部分3的探头管c底部与第二螺纹管柱23螺纹连接。探头第三部分3的探头管c顶部具有第三螺纹管柱，静力触探探管7底部与探头管c的第三螺纹管柱螺纹连接。

如图1、图2所示，通水孔洞11呈圆形，通水孔洞11沿着探头管a的管壁呈圆周设置，所有通水孔洞11从探头管a的管壁底部至管壁顶部均匀层叠设置。

如图8所示，本发明还包括静力触探仪10，静力触探探管7顶部安装于静力触探仪10上，静力触探探管7由若干节探杆管组装而成。

如图6所示，剪刀撑37由两个撑杆在中部相互铰接而成，剪刀撑37的两个撑杆以穿过中部铰接点的竖直线呈左右对称，剪刀撑37的两个撑杆底部与固定带孔挡板36顶部的定位凹槽35相对应。

如图1～图8所示，一种用于浅层含气地层的原位水样采集方法，包括原位水样采集探头50，其采集方法如下：

a、现场装置组装：首先组装探头第一部分1，将环状透水石12进行抽真空饱和，以排除其中的空气，然后将环状透水石12安装固定在探头第一部分1的外侧，确保环状透水石12外表与探头第一部分1衔接处平滑，使环状透水石12的内壁与所有通水孔洞11紧密贴合在一起，确保原位水样可通过环状透水石12经过通水孔洞11后进入探头第一部分1的探头管腔16中。然后组装探头第二部分2，将探头第二部分2底部与探头第一部分1顶部的第一螺纹管柱14螺纹拧紧，后将被海绵保护体22包裹的双头注射针21竖直放置在探头第二部分2的探头管b内部。然后组装探头第三部分3，首先将挂钩5上固定好绳索6，并预先穿过静力触探探管7内，将单口铝制真空瓶4顶部紧紧地卡接在活动卡板31的卡接套32中，然后拉动绳索6让拉杆33向上拉动，让带剪刀撑37的部分出现在带孔固定挡板36的上端，将剪刀撑37撑开，使剪刀撑37的两个撑杆底部分别插入带孔固定挡板36通孔两侧的定位凹槽35中，仔细检查并确保固定牢固后，将探头第三部分3底部与探头第二部分2顶部的第二螺纹管柱23螺纹拧紧，此时原位水样采集探头50完全组装完毕，将原位水样采集探头50顶部与静力触探探管7底部螺纹拧紧，可以开始进行触探贯入试验。

b、水样采集：地层从上至下依次包括地表耕植土层20、盖层30和含气层40，地下水位60位于盖层30中，在地表耕植土层20上固定静力触探仪10，在静力触探仪10上安装好静力触探探管7和原位水样采集探头50后，开始贯入，速度为1～2cm/s。当达到预定的含气层40后停止贯入，在地表耕植土层20上将绳索6向上拉动约10cm，剪刀撑37在自重作用下会向内闭合，静止5s后缓缓向下松开绳索6，下放10cm左右，确保拉杆33上的剪刀撑37部位通过固定带孔板36的通孔，快速松开绳索6，使活动卡板31在自重力以及弹簧34提供的弹力共同作用下带着单口铝制真空瓶4向下运动，使单口铝制真空瓶4的第二硅胶塞41与双头注射针21的上部针头211紧密连接，并压迫双头注射针21一起向下运动，最终双头注射针21的下部针头212与探头第一部分1的第一硅胶塞13相连接，而弹簧34完全伸缩开后将会使单口铝制真空瓶4、双头注射针21、探头管腔16相连通，此时，单口铝制真空瓶4的负压将探头第一部分1的探头管腔16中的含气层40中的原位水样通过双头注射针21吸入单口铝制真空瓶4中。从而使含气层40中的原位水样完成从环状透水石12、通水孔洞11、探头管腔16、双头注射针21、单口铝制真空瓶4依次连通并实现采样过程。操作时间应持续足够的长，以确保取到足够多的水样，具体为：黏性土中取样时间控制为60～180min，砂土中取样时间控制为5～20min。

c、设备回收：将静力触探探管7一节一节取回，当原位水样采集探头50回收到地表耕植土层20时，快速将探头第三部分3和探头第二部分2螺纹拧开，将双头注射针22与单口铝制真空瓶4的第二硅胶塞41分离，然后将单口铝制真空瓶4从活动卡板31的卡接套32上取下，此时单口铝制真空瓶4中即为收集到的纯净的含气层40的原位水样，带回实验室即可进行室内化验分析。将仪器各个部件拆除，收集装好，以便下次进行水样采集时重复使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。