[发明专利]便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置及方法

权利要求书

1.一种便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头，其特征在于：所述便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头包括水气采集部分、水气存储部分以及气体浓度测量部分；所述气体浓度测量部分、水气存储部分以及气体采集部分由上至下同轴相连且贯通。

2.根据权利要求1所述的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头，其特征在于：所述水气采集部分包括锥形头（a1）、多孔金属管（a4）、圆筒状透水石（b1）以及密封垫（b2）；所述多孔金属管（a4）与锥形头（a1）相连；所述圆筒状透水石（b1）套装在多孔金属管（a4）外部；所述密封垫（b2）设置在圆筒状透水石（b1）顶部与水气存储部分之间；所述多孔金属管（a4）侧壁上设置有贯穿管壁的圆形孔洞（a2）；所述圆形孔洞（a2）通过中空的多孔金属管（a4）与气体浓度测量部分内腔相贯通。

3.根据权利要求2所述的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头，其特征在于：所述水气存储部分包括第一探头外壳体（c2）、透气不透水膜（c3）以及排水管（e3）；所述第一探头外壳体（c2）内部设置有水、气流体存储空腔；所述透气不透水膜（c3）沿第一探头外壳体（c2）的径向置于第一探头外壳体（c2）顶部；所述排水管（e3）沿第一探头外壳体（c2）的轴向设置，排水管（e3）的一端伸入第一探头外壳体（c2）的空腔底部，另一端从第一探头外壳体（c2）顶部穿过透气不透水膜伸出。

4.根据权利要求3所述的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头，其特征在于：所述气体浓度测量部分包括第二探头外壳体（d1）、第三探头外壳体（e9）、排气管（e5）、气体浓度光纤传感器（e8）以及导线（e4）；所述第二探头外壳体（d1）以及第三探头外壳体（e9）均是中空的壳体结构；所述第一探头外壳体（c2）、第二探头外壳体（d1）以及第三探头外壳体（e9）自下而上依次轴向螺纹相连；所述透气不透水膜（c3）沿第一探头外壳体（c2）的径向置于第一探头外壳体（c2）以及第二探头外壳体（d1）之间；所述排水管（e3）的一端伸入第一探头外壳体（c2）的空腔底部，另一端依次贯穿透气不透水膜（c3）、第二探头外壳体（d1）以及第三探头外壳体（e9）后并从第三探头外壳体（e9）顶部伸出；所述排气管（e5）沿第三探头外壳体（e9）的轴向设置并从第三探头外壳体（e9）顶部伸入第三探头外壳体（e9）中；所述气体浓度光纤传感器（e8）置于第三探头外壳体（e9）内部；所述导线（e4）的一端与气体浓度光纤传感器（e8）相连，另一端从第三探头外壳体（e9）顶部伸出。

5.根据权利要求4所述的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头，其特征在于：所述第一探头外壳体（c2）与透气不透水膜（c3）之间设置有第二密封橡胶垫（c7）；所述透气不透水膜（c3）与第二探头外壳体（d1）之间设置有第一密封橡胶垫（c6）。

6.一种基于如权利要求5所述的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测探头而形成的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置，其特征在于：所述便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置包括静力触探杆（6）、循环泵及气体浓度光纤传感器控制系统（11）以及如权利要求6所述的探头（5）；所述静力触探杆（6）与探头（5）相连；所述探头（5）与循环泵（1）通过管路相连；所述探头（5）与气体浓度光纤传感器控制系统（11）电性相连。

7.根据权利要求6所述的便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置，其特征在于：所述循环泵及气体浓度光纤传感器控制系统（11）包括循环泵（1）和气体浓度光纤传感器控制设备（10）；所述循环泵（1）分别与探头（5）的排水管（e3）以及排气管（e5）相连；所述气体浓度光纤传感器控制设备（10）与探头（5）的导线（e4）相连。

8.一种便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置的量测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1）组装探头（5）：将多孔金属管（a4）与锥形头（a1）连接，再将圆筒状透水石（b1）套在多孔金属管（a4）上，把密封垫套（b2）在多孔金属管（a4）上，使密封垫（b2）位于圆筒状透水石（b1）的上表面；把第一探头外壳体（c2）底部旋拧在多孔金属管（a4）的顶端，并压紧密封垫（b2）；把第一密封橡胶垫（c6）套在第一螺纹杆（c4）和第二螺纹杆（c9）上，再把透气不透水膜（c3）置于第一密封橡胶垫（c6）和第二密封橡胶垫（c7）之间；将排水管（e3）的一端从第一探头外壳体（c2）顶部的排水管预留孔（c8）中伸入第一探头外壳体（c2）内部空腔的底部；将第二探头外壳体（d1）的底部安装在第二密封橡胶垫（c9）的上表面，旋拧螺母，使第二探头外壳体（d1）的底部压紧第二密封橡胶垫（c7）、透气不透水膜（c3）和第一密封橡胶垫（c6）；将气体浓度光纤传感器（e8）固定安装在第三探头外壳体（e9）的顶部，使得气体浓度光纤传感器（e8）感应头伸入到第三探头外壳体（e9）的底部；把导线（e4）的一端与气体浓度光纤传感器（e8）在第三探头外壳体（e9）壳体顶部的固定端相连；排水管（e3）的另外一端穿过中空的第二螺纹杆（c9），并从第三探头外壳体（e9）壳体顶部的第一开孔（e10）内部穿出；排气管（e5）的一端从第三探头外壳体（e9）壳体顶部的第二开孔（e11）伸入并置于气体量测部分的空腔；将第三探头外壳体（e9）与第二探头外壳体（d1）拧紧，至此，探头（5）组装完成；

2）组装便携式浅层含气地层原位气体浓度量测装置：首先，把导线（e4）、排气管（e5）以及排水管（e3）从中空的静力触探杆（6）内部穿出，把探头（5）和静力触探杆（6）连接，将导线（e4）连接到气体浓度光纤传感器控制设备（10）上，最后，再把排水管（e3）、排气管（e5）分别通过第二阀门（12）和第一阀门（9）后，连接到循环泵（1）上，并关闭第一阀门（9）和第二阀门（12）；

3）测量气体浓度；在静力触探仪（8）上安装好探头（5）和静力触探杆（6），通过静力触探仪（8）将探头（5）贯入地层中，速度是1cm/s—2cm/s；当达到预定的含气土层（4）后停止贯入；接通电源，打开循环泵（1）和第一阀门（9），通过排气管（e5）把第二探头外壳体（d1）和第三探头外壳体（e9）空腔内的空气排出，关闭第一阀门（9）；打开气体浓度光纤传感器控制设备（10），记录气体浓度值，然后进行气体浓度清零；打开第二阀门（12），通过排水管（e3）抽排第一探头外壳体（c2）的内部流体，在压差作用下含气土层（4）中的土颗粒被探头（5）的圆筒状透水石（b1）阻隔在外部，而含气土层（4）中的水、气混合流体则通过圆筒状透水石（b1）和多孔金属管（a4）的圆形孔洞（a2）进入第一探头外壳体（c2）的内部空腔内；水、气混合流体中的气体可通过透气不透水膜（c3）进入到第二探头外壳体（d1）的内部空腔中，而水则被阻隔在第一探头外壳体（c2）的内部空腔中；进入到第二探头外壳体（d1）内部空腔中的气体浓度值由气体浓度光纤传感器（e8）感应量测，信号通过导线（e4）传递至地表的气体浓度光纤传感器控制设备（10）中；关闭循环泵（1）和第二阀门（12），静置探头（5）一段时间，待气体浓度光纤传感器控制设备（10）显示的气体浓度值不变时，即得该含气土层（4）中的组分气体的浓度值；

4）当需要继续贯入下部地层，测量下一个深度处的含气土层（4）中的组分气体浓度前，开启第一阀门（9），启动循环泵（11），通过排气管（e5）把第二探头外壳体（d1）、第三探头外壳体（e9）内残留的气体排出；开启第二阀门（12），通过排水管（e3）把第一探头外壳体（c2）内残留的水和气混合物排出，随后关闭第二阀门（12）；通过气体浓度光纤传感器控制设备（10）进行浓度清零；重复步骤3）中探头（5）的贯入和量测过程，可得到下一个层位处含气土层（4）中的组分气体浓度值。