一种浅层气地层原位气体浓度量测装置

1.本实用新型涉及岩土工程勘察领域，尤其涉及一种浅层气地层原位气体浓度量测装置。


背景技术：

2.浅层气一般是指埋深浅于1500m，温度低于70℃地层中的各类天然气资源。地层沉积物中富含的有机质，在低温、未成熟、还原环境下经厌氧微生物降解而形成的富甲烷气体，是浅层气的主要成分。这种富含浅层气的地层被称为含浅层气地层。浅层气在世界范围内广泛分布，尤其是临江、临海的陆海交互环境中，在中国主要分布于长江中下游两岸、长江三角洲、珠江三角洲冲积平原地区等。近年来，随着工程建设的不断增多，不少工程处于含浅层气区域，由于气体埋深浅(10m～100m)，且成分主要为甲烷，因甲烷易燃、易爆，导致浅层气地质工程灾害问题愈发突出，给工程构成安全威胁。如：杭州地铁、杭州湾大桥建设过程中都遭遇到浅层气喷发和燃烧，引起过地面塌陷问题。上海地下空间开发利用过程中，也遇到浅层气释放、燃烧，引起恶性工程事故的例子，带来较大的经济损失。为保障人员的生命安全和工程项目的顺利开展，在工程勘察阶段查清含浅层气地层的分布层位、气体浓度等信息十分必要。
3.孔压静力触探(cptu)相对于钻孔勘探方式，有高效率、低成本的特点，可在现场连续获得实时数据。目前已有基于静力触探技术的浅层气地层原位气体浓度量测装置，如“海底沉积物中浅层气原位探测的探杆装置(cn111537464a)”。但由于含浅层气地层往往水、气同层，上述装置在量测过程中对探头的工作环境要求严苛，对地层水的抗干扰性较低。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服现有技术对浅层气地区岩土工程勘探中原位不间断获取含浅层气地层中气体浓度的技术难题，提供一种浅层气地层原位气体浓度量测装置，可配合普通静力触探设备在现场连续不间断获取沿地层竖向不同深度处各个含气层中的甲烷浓度，具有安装拆卸便捷、操作简便、抗水汽干扰性强等优点。
5.本实用新型的目的通过下述技术方案实现：
6.一种浅层气地层原位气体浓度量测装置，包括静力触探装置，所述静力触探装置包括探头和与探头连接的静力触探探杆筒，所述探头从下至上依次连接有金属杆a、金属杆b、探头外壳体和金属杆c，所述探头外壳体底部具有连接端头，探头外壳体内部具有储气筒腔，探头外壳体底部设有与储气筒腔相连通的气体通道，气体通道外部依次设有防水透气膜、圆筒状透水石，储气筒腔内部安装有带有数据传输线b的激光甲烷浓度传感器；所述金属杆c顶部安装有复合线缆转接头，金属杆c竖向开有与储气筒腔连通的线路通道b、排气通道，金属杆c顶部安装有与排气通道密闭连通的抽气管，所述数据传输线b与复合线缆转接头连接，向上连接有复合线缆。
7.为了更好地实现本实用新型，本实用新型还包括数据采集及气体循环系统，数据
采集及气体循环系统包括数据采集仪和气体循环泵，复合线缆与数据采集仪连接，所述抽气管与气体循环泵连接，抽气管上设有阀门。
8.优选地，所述金属杆a下部螺纹连接有锥头，锥头内部设有锥尖阻力量测模块，金属杆a与锥头之间安装有环状透水石，金属杆a内部设有与环状透水石相对应的孔隙水压力量测模块，金属杆a内部还设有侧壁摩阻力量测模块，锥尖阻力量测模块、孔隙水压力量测模块和侧壁摩阻力量测模块分别与数据传输线a连接，数据传输线a通过接线端子顺次连接复合线缆转接头、数据传输线c；所述金属杆b中部具有竖向的线路通道a，所述连接端头内部也设有与线路通道a等内径的线路中心通道。
9.优选地，所述金属杆a顶部具有外螺纹插柱a，所述金属杆b底部具有与外螺纹插柱a插接配合的内螺纹筒a，外螺纹插柱a外部设有螺纹a，内螺纹筒a内壁设有与螺纹a螺纹连接的螺纹b；所述金属杆b顶部具有带有螺纹c的内螺纹筒b，所述连接端头与内螺纹筒b配合螺纹插接，连接端头外部设有与螺纹c相配合的螺纹d。
10.优选地，所述金属杆b的内螺纹筒b顶部设有密封橡胶垫圈a，所述防水透气膜设于探头外壳体底部，所述防水透气膜包括内外两层防水透气膜，两层防水透气膜之间设有管状穿孔支撑钢板，管状穿孔支撑钢板顶部、圆筒状透水石顶部设有密封橡胶垫圈b。
11.优选地，所述探头外壳体顶端内侧设有螺纹e，所述金属杆c底部具有中空螺纹柱，中空螺纹柱外部设有与螺纹e螺纹连接配合的螺纹f，中空螺纹柱的中空内壁设有螺纹g，所述激光甲烷浓度传感器顶部具有螺纹插接柱，螺纹插接柱外部设有与螺纹g螺纹配合的激光甲烷浓度传感器连接螺纹。
12.优选地，所述金属杆c外侧壁设有螺纹h，所述静力触探探杆筒内壁设有与螺纹h螺纹连接的内螺纹，金属杆c螺纹安装于静力触探探杆筒内。
13.本实用新型较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
14.(1)本实用新型可配合普通静力触探设备在现场连续不间断获取沿地层竖向深度范围内各个含气层中的甲烷浓度，解决了目前对浅层气地区岩土工程勘探中原位不间断获取含浅层气地层中气体浓度的难题，具有安装拆卸便捷、操作简便、抗水汽干扰性强等优点。
15.(2)本实用新型在探头中安装激光甲烷浓度传感器，其不怕水汽干扰，可以同时获取锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力、原位浅层气甲烷浓度信息，增强了原位勘察获取浅层气地层信息的能力。
附图说明
16.图1为实施例中静力触探装置中探头的结构示意图；
17.图2为图1中探头第一部分的结构示意图；
18.图3为图1中探头第二部分的结构示意图；
19.图4为图1中探头第三部分的结构示意图；
20.图5为图1中探头第四部分的结构示意图；
21.图6为静力触探装置、数据采集及气体循环系统联合布设使用时的结构示意图。
22.其中，附图中的附图标记所对应的名称为：
23.1—探头，2—静力触探探杆筒，3—静力触探装置，4—静力触探仪，5—数据采集
仪，6—气体循环泵，7—阀门，8—数据采集及气体循环系统，9—地下水位线，10—杂填土层，11—封盖层，12—含气层，101—锥尖阻力量测模块，102—孔隙水压力量测模块，103—侧壁摩阻力量测模块，104—金属杆a，105—环状透水石，106—螺纹a，107—数据传输线a，108—接线端子，109—锥头，21—螺纹b，22—线路通道a，23—金属杆b，24—密封橡胶垫圈a，25—螺纹c，31—圆筒状透水石，32—防水透气膜，33—气体通道，34—管状穿孔支撑钢板，35—探头外壳体,351—连接端头，352—储气筒腔，36—密封橡胶垫圈b，37—螺纹d，38—螺纹e，41—激光甲烷浓度传感器，42—螺纹f，43—激光甲烷浓度传感器连接螺纹，44—线路通道b，45—排气通道，46—金属杆c，47—螺纹g，48—复合线缆转接头，49—数据传输线b，410—数据传输线c，411—复合线缆，412—抽气管，413—螺纹h。
具体实施方式
24.下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明：
25.实施例一
26.如图1～图6所示，一种浅层气地层原位气体浓度量测装置，包括静力触探装置3，静力触探装置3包括探头1和与探头1连接的静力触探探杆筒2，在一些实施例中，静力触探装置3还包括设置于静力触探探杆筒2顶部的静力触探仪4。探头1从下至上依次连接有金属杆a104、金属杆b23、探头外壳体35和金属杆c46。探头外壳体35底部具有连接端头351，探头外壳体35内部具有储气筒腔352，探头外壳体35底部设有与储气筒腔352相连通的气体通道33，气体通道33外部依次设有防水透气膜32、圆筒状透水石31，储气筒腔352内部安装有带有数据传输线b49的激光甲烷浓度传感器41。金属杆c46顶部安装有复合线缆转接头48，金属杆c46竖向开有与储气筒腔352连通的线路通道b44、排气通道45，金属杆c46顶部安装有与排气通道45密闭连通的抽气管412，数据传输线b49通过复合线缆转接头48上连接有复合线缆411。
27.在一些实施例中，如图6所示，本实用新型还包括数据采集及气体循环系统8，数据采集及气体循环系统8包括数据采集仪5和气体循环泵6，复合线缆411与数据采集仪5连接，抽气管412与气体循环泵6连接，抽气管412上设有阀门7。
28.在一些实施例中，如图2所示，金属杆a104下部螺纹连接有锥头109，锥头109内部设有与之对应的锥尖阻力量测模块101，金属杆a104与锥头109之间安装有环状透水石105，金属杆a104内部设有与环状透水石105相对应的孔隙水压力量测模块102，金属杆a104内部还设有与之对应的侧壁摩阻力量测模块103，锥尖阻力量测模块101、孔隙水压力量测模块102和侧壁摩阻力量测模块103分别与数据传输线a107连接，数据传输线a107通过接线端子108顺次连接复合线缆转接头48、数据传输线c410。金属杆b23中部具有竖向的线路通道a22，连接端头351内部也设有与线路通道a等内径的线路中心通道。
29.在一些实施例中，如图2、图3所示，金属杆a104顶部具有外螺纹插柱a，金属杆b23底部具有与外螺纹插柱a插接配合的内螺纹筒a，外螺纹插柱a外部设有螺纹a106，内螺纹筒a内壁设有与螺纹a106螺纹连接的螺纹b21。金属杆b23顶部具有带有螺纹c25的内螺纹筒b，连接端头351与内螺纹筒b配合螺纹插接，连接端头351外部设有与螺纹c25相配合的螺纹d37。
30.在一些实施例中，如图3、图4所示，金属杆b23的内螺纹筒b顶部设有密封橡胶垫圈
a24，探头外壳体35底部设有防水透气膜32，防水透气膜32包括内外两层防水透气膜，两层防水透气膜之间设有管状穿孔支撑钢板34，管状穿孔支撑钢板34顶部、圆筒状透水石31顶部设有密封橡胶垫圈b36。
31.在一些实施例中，如图4、图5所示，探头外壳体35顶端内侧设有螺纹e38，金属杆c46底部具有中空螺纹柱，中空螺纹柱外部设有与螺纹e38螺纹连接配合的螺纹f42，中空螺纹柱的中空内壁设有螺纹g47，激光甲烷浓度传感器41顶部具有螺纹插接柱，螺纹插接柱外部设有与螺纹g47螺纹配合的激光甲烷浓度传感器连接螺纹43。
32.在一些实施例中，金属杆c46外侧壁设有螺纹h413，静力触探探杆筒2内壁设有与螺纹h413螺纹连接的内螺纹，金属杆c46螺纹安装于静力触探探杆筒2内。
33.实施例二
34.如图1～图5所示，一种浅层气地层原位气体浓度量测装置，包括静力触探装置3，静力触探装置3包括探头1和与探头1连接的静力触探探杆筒2，探头1分为四部分，第一部分(如图2所示)由锥尖阻力量测模块101、孔隙水压力量测模块102、侧壁摩阻力量测模块103、金属杆a104、环状透水石105、螺纹a106、数据传输线a107、接线端子108组成。锥尖阻力量测模块101的主要作用是在贯入土体的过程中获取锥尖阻力；它的上部是孔隙水压力量测模块102，地层中的水透过环状透水石105进入孔隙水压力量测模块102，可获取对应深度土体内部的孔隙水压力；孔隙水压力量测模块102上部为侧壁摩阻力量测模块103，它的作用是在贯入土体的过程中同时获得探头1的侧壁摩阻力。金属杆a104通过螺纹106与探头1的第二部分连接，数据传输线a107通过接线端子108与探头1第四部分的数据传输线c410连接。整个探头1第一部分的主要作用是：贯入地层，获取锥尖阻力、孔隙水压力、侧壁摩阻力数据信息，连接探头1与第四部分的数据传输线c410。
35.探头1第二部分由螺纹b21、线路通道a22、金属杆b23、密封橡胶垫圈a24、螺纹c25组成。螺纹b21与探头1第一部分的螺纹a106连接，探头1第一部分的数据传输线a107和接线端子108通过线路通道a22与探头1第四部分的数据传输线c410连接。密封橡胶垫圈a24位于金属杆b23的顶端，与探头1第三部分的圆筒状透水石31、防水透气膜32、穿孔支撑钢板34接触，其作用是减少圆筒状透水石31、防水透气膜32、穿孔支撑钢板34与探头1第二部分的金属杆b23间的摩擦，并对探头1第三部分的防水透气膜32起到密封保护作用。整个探杆1第二部分的主要作用是：连接探头1的第一部分，为探头1第一部分的数据传输线a107提供传输通道。
36.探头1第三部分由圆筒状透水石31、防水透气膜32、气体通道33、穿孔支撑钢板34、探头外壳体35、密封橡胶垫圈b36、螺纹d37、螺纹e38组成。圆筒状透水石31和防水透气膜32将含气层12中的泥沙和水隔离在外，而使气体可进入气体通道33，到达探头外壳体35的内部空腔。管状穿孔支撑钢板34处于两层防水透气膜32之间，支撑外侧防水透气膜32。密封橡胶垫圈b36位于探头外壳体35与圆筒状透水石31、防水透气膜32、穿孔支撑钢板34之间，其作用是减少圆筒状透水石31、防水透气膜32、穿孔支撑钢板34与探头外壳体35之间的摩擦，并对防水透气膜32进行密封保护。探头外壳体35的内部空腔为探头1第四部分的数据传输线c410提供通道并且储存需要量测浓度的气体。探头1第三部分和第二部分通过螺纹d37与螺纹c25互相拧紧进行连接。整个探杆1第三部分的主要作用是：过滤出含气层12中的泥沙和水、使气体穿过气体通道33到达探头外壳体35的内部空腔，为探头1第四部分的数据传输
线c410提供传输通道，储存待量测浓度的气体，连接探头1的第二部分。
37.探头1第四部分由激光甲烷浓度传感器41、螺纹f42、激光甲烷浓度传感器连接螺纹43、线路通道b44、排气通道45、金属杆c46、螺纹g47、复合线缆转接头48、数据传输线b49、数据传输线c410、复合线缆411、抽气管412、螺纹413组成。将激光甲烷浓度传感器连接螺纹43与螺纹g47互相拧紧，使激光甲烷浓度传感器41与金属杆c46连接为一体。探头1第一部分量测的锥尖阻力、孔隙水压力、侧壁摩阻力数据信息通过数据传输线c410与激光甲烷浓度传感器41的气体浓度数据传输线b49汇合于线路通道b44，并通过复合线缆转接头48与复合线缆411连接。金属杆c46内预留的排气通道45与抽气管412连接，可把探头1第三部分的探头外壳体35内部空腔中的气体抽出。探头1的第四部分和探头1第三部分通过螺纹f42与螺纹e48互相拧紧完成连接，金属杆c46通过螺纹h413与静力触探探杆2连接。探头1第四部分的主要作用是：连接探头1的第三部分，为数据传输线b49和数据传输线c410提供传输通道，用激光甲烷浓度传感器41量测气体浓度，提供抽气通道，将数据传输线b49和数据传输线c410转接至复合线缆411，连接静力触探探杆2。
38.静力触探装置3由静力触探仪4和静力触探杆2组成。静力触探仪4固定在地面上，将探头1与静力触探探杆2连接，通过静力触探探杆2使静力触探仪4与探头1连接为一体，并通过静力触探探杆2把静力触探仪4提供的贯入力传递给探头1。通过静压的方式使静力触探探杆2和探头1进入地层，直至到达含气层12中的待量测深度。复合线缆411、抽气管412从静力触探杆2内部穿过分别与数据采集仪5、气体循环泵6相连接。
39.数据采集及气体循环系统8由数据采集仪5、气体循环泵6、复合线缆411、抽气管412、阀门7组成。复合线缆411一端连接数据采集仪5，另一端连接复合线缆转接头48，数据采集仪5对探头1传来的数字信号进行解译处理可以自动储存锥尖阻力值、孔隙水压力值、侧壁摩阻力值、气体浓度值并绘制出深度与量测值的关系图像。抽气管412一端和气体循环泵6连接，另一端和探头1第四部分的排气通道45连接，将阀门7打开后，气体循环泵6可抽出探头1第三部分的探头外壳体35内部空腔中已量测浓度的气体。
40.1、探头1组装：首先，取出探头1的第一部分(如图2所示)和第二部分(如图3所示)，将探头1的第一部分的数据传输线a107和接线端子108，穿过探头1第二部分的线路通道a22，再把螺纹a106与螺纹b21连接拧紧，完成探头1第一部分和第二部分的连接；组装探头1的第三部分(如图4所示)，先把密封橡胶垫圈b36垫在探头1第三部分的探头外壳体35下端，再将防水透气膜32、管状穿孔支撑钢板34、圆筒状透水石31按照顺序套在探头外壳体35下端预留的气体通道33上，完成探头1第三部分的组装。组装探头1的第四部分，首先把数据传输线b49、数据传输线c410与复合线缆转接头48连接，通过激光甲烷浓度传感器连接螺纹43与螺纹g47连接拧紧使激光甲烷浓度传感器41与金属杆c46连接为一个整体，抽气管412和复合线缆411通过复合线缆转接头48分别与排气通道45和数据传输线b49、数据传输线c410接通，完成探头1第四部分的组装。组装探头1，先将探头1第四部分的数据传输线c410穿过探头1第三部分的探头外壳体35内部空腔，再把螺纹e38与螺纹f42互相拧紧，完成探头1第三部分和第四部分的连接。把密封橡胶垫圈a24垫在探杆1第二部分的顶端，再通过端子接头108将数据传输线a107与数据传输线c410连接，把螺纹c25和螺纹d37拧紧，完成探杆1第二部分与第三部分的连接。最终完成探杆1的整体组装。
41.2、整体装备的安装：先把复合线缆411与抽气管412穿过静力触探探杆筒2内部孔
道，再利用螺纹h413将探头1与静力触探探杆筒2相互连接，最终复合线缆411和抽气管412分别连通至地表的数据采集仪5和气体循环泵6，连接完成后关闭阀门7，完成整体装备的安装。
42.3、地层信息及气体浓度的量测：完成设备整体的安装后，将静力触探仪4放置于待测位置，在静力触探仪上4安装探头1和静力触探探杆筒2，接通电源并打开数据采集仪5，在数据采集仪5显示正常后，开始以静压的方式使探头1和静力触探探杆筒2进入土层(穿过杂填土层10、封盖层11，让探头1置于含气层12中)。贯入过程中控制探杆的弯曲度对于前5m的探杆，弯曲度需小于等于0.05％；触探深度5-10m时，弯曲度需小于等于0.2％；深度大于10m时，弯曲度不得大于0.1％和贯入速度应控制在1-2cm/s，一般为2cm/s。探头1第一部分可量测地层的锥尖阻力、孔隙水压力和侧壁摩阻力信息，测得的信息通过数据传输线a107、数据传输线c410和线缆411传输至数据采集仪5，得到不同深度地层的锥尖阻力q
t
、孔隙水压力u2和侧壁摩阻力fs。当探头1到达待测深度后停止贯入，打开阀门7，启动气体循环泵6，先将贯入过程中进入到探头1第三部分的探头外壳体35内部空腔中的气体抽出，气体浓度显示为初始值c0后，关闭气体循环泵6，关闭阀门7，待测深度含气层中气体穿过探头1第三部分的圆筒状透水石101、防水透气膜102进入气体通道33，到达探头1第三部分的探头外壳体105内部空腔，并进入探头1第四部分的激光甲烷浓度传感器41的内部气室中。激光甲烷浓度传感器41测得气体浓度后，通过数据传输线b49和复合线缆411将量测结果传输至数据采集仪5，在显示值的读数稳定后，得到待测深度浅层气的浓度值c1。
43.4、进一步贯入：如需要继续贯入更深地层，在贯入前打开阀门7，启动气体循环泵6，通过排气通道45、抽气管412，将探头1第三部分的探头外壳体35内部空腔中的已量测气体抽出，气体浓度显示为初始值c0后，先关闭气体循环泵6，再关闭阀门7。然后，可以量测下一层位含气层中的气体浓度值。
44.5、设备回收：量测任务结束后，关闭数据采集仪5。使用静力触探仪4把静力触探探杆筒2拔起，最后取下探头1，拔下抽气管412和复合线缆411，对探头1进行清洗上油。拆下探头1第一部分的环状透水石105、第三部分的圆筒状透水石31和防水透气膜32并进一步清洁，如磨损严重再次使用时要更换新的透水石，拆下探头1中各部分结构元件后，需妥善保管，以便再次开展探测工作时可以正常使用。
45.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。