一种温泉逸出气体取样装置及取样方法

本发明涉及地热气体研究领域，特别是涉及一种温泉逸出气体取样装置及取样方法。

背景技术：

1、我国陆续开展了全国地热资源调查评价工作，并在局部重点地区进行了详查，建设了地热开发利用与科学研究示范基地，地球物理、地球化学等探测技术发挥了重要作用。其中，地热水、气体与岩石土壤等介质的测试分析是开展地热能成因机制研究、热储特征评价以及开发利用区划制定不可或缺的技术手段。

2、地热气体是地球内部物质和能量的信息载体，是地热研究的重要对象。在各种水热活动和温泉中均不同程度地伴有气体的生成、析出和排放。地热水中的气体来源于大气溶解、深部构造气流的引入、含水层岩石吸附气体的溶解以及岩石与水发生化学反应产生气体的加入等。气体成分主要有n2、co2、ch4、o2、h2、he、ar、h2s，有时还含有co、so2等。温泉气的种类和含量还取决于断裂及地下水热流体循环涉及到的深度和层位。不同时代含水层中气体成分有很大的差异。地下热水与第四系冷水中气体成分明显不同，具有n2、o2低，co2、ch4、he、h2较高的特点。这方面与含水层岩性有关，但也与热水循环深度大、部分气体来源于地壳深部有关。

3、运用装置将地热水中的气体提取出来进行化学成分测试分析，是地热资源勘查与开发利用的基础性工作。因地制宜开发利用地热资源是加快能源结构转型、促进绿色发展以及实现“双碳”目标的重要途径。目前常用的温泉气体采集方法包括排水法、抽气法等(李军杰等，2016；尹成兵等，2020；张晖等，2021)，所采集的均是地热水中的溶解气体，需要先采集地热水到特定的容器中，再利用大气压强变化以抽气等方式提取溶解气。该方法的优势在于应用范围广，对地热井水、无逸出气体的温泉水都能够进行水气分离操作。但也存在明显的如下缺点：1)取气装置由多个部件组成并相互连接，组装和拆卸的操作复杂繁琐。2)易受空气污染，多部件连接形成的密闭空间存在泄露的可能性；采集热水后暴露于空气中，温压的变化容易造成溶解气体的自然析出以及空气成分的混入；此外，人为操作的过程也容易引入空气污染，影响测试分析结果，造成人工与经费的浪费，且由于送样及测试之间存在一定的周期，测试结果的失准还将严重拖慢整体的工作进度。3)采集效率低，完成单个样品的采集(50ml×2)需要约45～60分钟，工作效率低下。

4、由此可见，上述现有的温泉逸出气体取样装置及取样方法在结构、方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种新的温泉逸出气体取样装置及取样方法，使其适于在野外温泉直接采集逸出气体，不仅操作简单方便，采样效率高，还使采集的气体更接近地热流体真实情况，更大程度降低空气污染，纯净度更高，为地热研究提供坚实支持。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种温泉逸出气体取样装置，使其适于在野外温泉直接采集逸出气体，不仅操作简单方便，采样效率高，还使采集的气体更接近地热流体真实情况，更大程度降低空气污染，纯净度更高，为地热研究提供坚实支持，从而克服现有的地热气体取样装置的不足。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种温泉逸出气体取样装置，包括取样单元和集气单元，所述取样单元包括支架杆和设在所述支架杆前端的卡箍，所述集气单元包括集气瓶、集气漏斗和集气瓶密封盖，所述卡箍用于固定所述集气瓶，取样时所述集气漏斗用于密封设置在所述集气瓶的开口端，通过所述支架杆将集气瓶和集气漏斗伸入温泉水面以下，装满水后将所述集气漏斗的敞口端位于温泉逸出气体的正上方，由所述集气瓶采集逸出气体，所述集气漏斗上还设有密封机构，用于在采集气体完毕后暂时密封所述集气瓶中的气体，所述集气瓶密封盖用于在取样完毕后密封所述集气瓶。

3、进一步改进，所述卡箍的内侧设有硅胶软垫，所述卡箍通过固定螺杆与所述支架杆的前端内螺纹孔螺纹旋转连接。

4、进一步改进，所述支架杆由至少两根支杆连接而成，所述支杆连接处通过螺栓和元宝螺母紧固连接，两两相邻的所述支杆之间的夹角可调节。

5、进一步改进，所述支架杆由三根支杆连接而成，与所述卡箍连接的第一支杆长度为40-80mm，与所述第一支杆连接的第二支杆长度为200-400mm。

6、进一步改进，所述支架杆采用可调节长度的伸缩杆。

7、进一步改进，所述密封机构为设置在所述集气漏斗颈部的四氟活塞机构。

8、进一步改进，所述密封机构包括锥形套体和铰接设置在所述锥形套体上边缘的金属盖板，所述锥形套体的上边缘还设有磁铁，使用时所述锥形套体套设在所述集气漏斗的锥形斗外侧，采集气体时所述金属盖板打开，采集气体结束后关闭所述金属盖板，通过磁铁吸附实现所述金属盖板对所述集气漏斗的密封。

9、进一步改进，所述密封机构还包括用于控制所述金属盖板关闭的牵引机构，所述牵引机构包括牵引绳、牵引钩和设置在所述金属盖板上的挂钩锚点，以及牵引控制单元，所述牵引绳穿过所述支架杆外侧的定位环可活动的设置在所述支架杆外侧，其前端连接所述牵引钩，其末端从所述支架杆的末端把手伸出，所述牵引绳末端设有防脱扣，所述牵引控制单元设置在所述末端把手处，其包括牵引绳导向柱、牵引绳卡槽和牵引绳锁扣，所述牵引绳导向柱设置在把手空腔前端，用于将牵引绳导引至所述牵引绳卡槽和牵引绳锁扣之间，所述牵引绳卡槽设置在把手空腔内的顶部，所述牵引绳锁扣包括卡凸和设在所述卡凸下部的弹簧，所述弹簧下部固定在所述末端把手的可动握杆上，使用时所述牵引绳处于放松状态，所述牵引钩勾住所述挂钩锚点，在采集气体完毕后拉所述防脱扣，使牵引绳牵引所述金属盖板完成所述集气漏斗的密封，再将所述末端把手的可动握杆捏紧，实现所述牵引绳锁扣与牵引绳卡槽的配合，达到固定所述牵引绳的目的。

10、进一步改进，所述牵引钩带弹簧锁止机构，所述支架杆的末端设有防脱绳套，所述集气瓶密封盖包括硅胶垫片和设置在其外侧的密封铝盖，所述取样装置还包括水封氟化瓶。

11、作为本发明的又一改进，本发明还提供一种温泉逸出气体取样方法，所述取样方法采用上述的温泉逸出气体取样装置，所述方法包括如下步骤：

12、(1)将所述集气瓶通过所述卡箍安装在所述支架杆的前端，并通过硅胶垫圈将所述集气漏斗连接在所述集气瓶的开口端，并将所述集气漏斗的密封机构设置成开启状态；

13、(2)通过所述支架杆将所述集气瓶和集气漏斗放入温泉水中，保证所述集气瓶和集气漏斗中充满水，无残留气泡，然后将所述集气瓶倒置，使所述集气漏斗的敞口端置于温泉气泡正上方，根据气泡密度调整集气瓶位置，开始采集逸出气体；

14、(3)当收集的逸出气体达到规范要求时，操作所述密封机构使所述集气瓶中的气体实现暂时密封；

15、(4)根据温泉泉口温度，直接在温泉水中通过所述集气瓶密封盖完成对所述集气瓶开口端的密封，或者将暂时密封的所述集气瓶和集气漏斗置于冷却后的温泉水中，再通过所述集气瓶密封盖完成对所述集气瓶开口端的密封，即完成温泉逸出气体的取样。

16、采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

17、1.本发明温泉逸出气体取样装置通过支架杆、集气瓶和集气漏斗的模块化组装设置，部件少，结构简单，连接方便、牢固，并易于携带，对于高度分散流动的温泉调查工作，优化了现有先取水再抽气的操作流程，大大提高取样效率。还由于取样装置在操作时集气漏斗与集气瓶均位于水面以下，相当于将气体采集完全置于接近真空状态，最大程度上隔绝了水面之上的空气污染源，使采集到的气体更接近地热流体真实情况，更大程度降低空气污染，样品纯净度更高。

18、2.还通过对支架杆的改进，使其具有调节长度和调整角度的功能，利于根据具体的温泉泉口类型、水面高度等具体情况，实现对支架杆长度和角度的调节，还利于将集气瓶置于温泉中有气泡冒出的正上方，以更好的收集逸出气体。还通过卡箍与支架杆采用螺纹连接，能实现集气瓶角度的多方位调节，进一步满足取样角度的要求。

19、3.还通过采用四氟活塞的密封机构，便于用于温泉泉口开放且水面距离采样平台近、以及水温不高的温泉取样，在采集气体达到要求后直接通过手动旋转四氟活塞即可实现集气瓶和集气漏斗的暂时密封，灵活方便，快捷可靠。还通过所述取样装置中各种硅胶垫片的设置，增强了各部件之间以及操作过程中的密封性，进一步提高了气体样品的纯净度。

20、4.还通过锥形套体与金属盖板的配合，利用磁铁和牵引机构的固定结构，能保证集气漏斗的密封性能，适合用于温泉泉口水面半封闭或距离较大的温泉，或温泉水水温较高的情况，使野外调查人员能够克服环境因素，且避免直接接触源头的地热流体，有效减少了高温带来的安全隐患。

21、5.本发明温泉逸出气体取样方法操作简便，适用范围广，能针对不同类型和环境的温泉泉口进行取样，取样效率高，且安全可靠。