一种含浅层气地层的勘探孔内简易气样采集装置及方法与流程

本发明属于土木工程领域中的岩土工程勘察领域，涉及一种简易气样采集装置及采集方法，尤其涉及一种含浅层气地层的勘探孔内简易气样采集装置及方法。

背景技术

浅层气泛指埋置于地表以下1500m以内的浅层天然气。富含浅层气的地层称为含气层。含气层普遍分布在沼泽湿地、河口、三角洲、湖泊和海床沉积物以及含油气资源相对丰富的浅部地层中。土层中的气体主要源于有机质在厌氧菌作用下分解形成和生物成因气和深部油气、地幔气以及岩浆造岩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，属于一种特殊的地质灾害——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，浅层气灾害地质问题愈发突出。对于工程而言，当遭遇含气地层时，首先需要查明地下有害气体的主要赋存层位、气层分布面积和厚度，同时也需要搞清气体的主要类型、成分、产气阶段和年代等信息，用于推断所建工程场地内含气地层的赋存状态、气源和聚气过程，以及评估对工程的可能危害程度。这就需要在勘察工作中，对含气地层中赋存的气体进行现场原位采样，然后带入实验室内进行气样化验分析。因此，所采集气体样品的质量直接影响着测试结果的准确性，进而影响对工程的合理判断。

目前，现场勘察中对含气地层中的气体样品采集，多依赖于原位静力触探或石油天然气部门的专业采样器。原位静力触探的方法是将触探杆压入含气层内，气体通过中空的触探杆溢出地表，在静力触探杆的出口端安装气体采样袋或采样瓶进行气样采集。由于含气地层往往水气同产，喷出静力触探杆的也往往是水、气、土颗粒一起喷出，严重干扰出口端采集的气体的纯度；同时，静力触探杆密封性较差，且在含气层中气体喷出地面之前，杆内已混入较多的空气，导致在出口端所采集的气体样品因混入空气而不具备代表性，不能真实反映原始地层中的气体成分，从而导致不准确的气样化验分析结果。此外，对于埋深相对较深或有较硬上覆封盖层的含气地层，静力触探很难压入并抵达目标层位进行采气。另一方面，石油天然气部门的专业采样器结构复杂、价格高昂，岩土工程勘察单位一般都不具备这些专业采样装备。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于地质勘探钻孔、不受含气层埋置深度的限制以及采气过程不易混入空气或杂质的含浅层气地层的勘探孔内简易气样采集装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种含浅层气地层的勘探孔内简易气样采集装置，其特征在于：所述含浅层气地层的勘探孔内简易气样采集装置包括漏斗、软管、隔膜泵、气液分离容器、排浆阀、微型抽气泵以及真空集气袋；所述漏斗通过软管与隔膜泵相连通；所述隔膜泵通过软管与气液分离容器相连通；所述气液分离容器的顶部以及底部分别设置有微型抽气泵以及排浆阀；所述微型抽气泵与真空集气袋相连通。

上述含浅层气地层的勘探孔内简易气样采集装置还包括配重；所述配重是中空的柱状结构、中空的锥状结构、实心的块状结构或实心的盘状结构；所述配重是中空的柱状结构或中空的锥状结构时，所述配重套装在漏斗上；所述配重是实心的块状结构或实心的盘状结构时，所述配重设置在漏斗上。

上述漏斗包括窄口以及与窄口相对的宽口；所述漏斗的窄口通过软管与隔膜泵相连通；所述配重通过漏斗的窄口套装在漏斗上。

上述漏斗的宽口设置有滤网。

上述含浅层气地层的勘探孔内简易气样采集装置还包括设置在漏斗和隔膜泵之间的止逆阀。

上述含浅层气地层的勘探孔内简易气样采集装置还包括设置在微型抽气泵与真空集气袋之间的硅胶管；所述微型抽气泵通过硅胶管与真空集气袋相连通；所述硅胶管上设置有进气阀。

上述真空集气袋是一个或多个。

上述含浅层气地层的勘探孔内简易气样采集装置还包括设置在气液分离容器上的负压表。

一种含浅层气地层的勘探孔内简易气样采集方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)组装含浅层气地层的勘探孔内简易气样采集装置：将漏斗和软管通过管箍紧密连接，并将配重设置在漏斗上部；然后依次将止逆阀和隔膜泵通过软管连接，确保止逆阀设置于隔膜泵的进口端一侧；最后将隔膜泵与气液分离容器通过软管连接；气液分离容器的顶部安装有负压表，底部安装有排浆阀，气液分离容器的顶部通过硅胶管与微型抽气泵以及真空集气袋相连；硅胶管上设置有进气阀；

2)开始气样采集前，先进行整个装置的气密性检查；关闭排浆阀以及进气阀；打开隔膜泵，将气液分离容器内以及从漏斗至气液分离容器之间的管路中充满除气蒸馏水；关闭隔膜泵，打开气液分离容器下部的排浆阀，在自重作用下，气液分离容器内的除气蒸馏水排出，负压表中显示气液分离容器顶部的负压值；待排出气液分离容器内的水达到其容积约一半时，关闭排浆阀，观察并记录负压表的读数，直至负压表的读数不发生变化时进行步骤3)；

3)将漏斗缓慢放入勘探孔中，确保漏斗不发生侧翻；在配重的重力作用下，漏斗缓慢置于含气层的层位处，并浸没于勘探孔内的孔内气液混合浆液的液面以下不少于1m；

4)打开隔膜泵并控制隔膜泵的转速，隔膜泵将气液混合浆液通过漏斗以及软管泵入气液分离容器中，待气液分离容器内集满气液混合浆液后，关闭隔膜泵；将气液分离容器静置，直至气液混合浆液中的土颗粒、水和气体自动分离并分层；

5)打开进气阀，开启微型抽气泵，采集聚集在气液分离容器顶部的气体，气体经由硅胶管进入真空集气袋中，直至采集气样的样品数量满足要求为止。

上述方法在步骤5)之后还包括：

6)待气样采集完毕后，关闭进气阀；将软管缓慢上提，使漏斗提升至高于勘探孔内的气液混合浆液的液面不少于1m处，开启隔膜泵，将残留于管路内的气液混合浆液全部抽入气液分离容器内；打开气液分离容器底部的排浆阀，使气液分离容器内的泥浆和水在自重作用下全部排出，关闭隔膜泵；再将漏斗从勘探孔内全部提出，放置于装有清水的容器中，再次开启隔膜泵，将整个系统的管路和气液分离容器清洗不少于三遍，确认气液分离容器中无残留泥浆。

本发明的优点是：

本发明提供了一种含浅层气地层的勘探孔内简易气样采集装置及方法，该装置包括漏斗、软管、隔膜泵、气液分离容器、排浆阀、微型抽气泵以及真空集气袋；漏斗通过软管与隔膜泵相连通；隔膜泵通过软管与气液分离容器相连通；气液分离容器的顶部以及底部分别设置有微型抽气泵以及排浆阀；微型抽气泵与真空集气袋相连通。本发明所采用的漏斗为该装置的进口端，其直径略小于勘探孔的直径，用于增大采集进口端与勘探孔孔内气液混合浆液的接触面积。在漏斗上增加的配重可以确保在软管下放入勘探孔时，维持漏斗的姿态而不发生偏转，也可以保证在隔膜泵抽取气液混合浆液的过程中，漏斗口始终位于勘探孔内的气液混合浆液的液面以下。在隔膜泵的进口端设置的止逆阀，防止在抽取的气液混合浆液倒流。气液分离容器，用于自动分离在采气过程中抽取的气液混合浆液中的土颗粒、水和气体，使分离后的气体聚集在气液分离容器的顶部，土颗粒和水聚集在气液分离容器的底部。本发明不受含气层埋置深度的限制，解决了目前岩土工程勘察领域中缺乏简易的采气设备、采气过程易混入空气或杂质而不具备代表性的难题；该装置具有构造简单、原理明确、组拆装和操作方便、材料易于获取、便于推广的优点。

附图说明

图1是本发明所提供的含浅层气地层的勘探孔内简易气样采集装置的构造示意图；

图2是本发明所提供的含浅层气地层的勘探孔内简易气样采集装置的工作示意图；

其中：

1-气液混合浆液；2-含气层；3-封盖层；4-地表耕植土层；5-勘探孔；6-漏斗；7-软管；8-止逆阀；9-配重；10-隔膜泵；11-排浆阀；12-气液分离容器；13-负压表；14-硅胶管；15-微型抽气泵；16-真空集气袋；17-进气阀。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种含浅层气地层的勘探孔内简易气样采集装置，包漏斗6、软管7、止逆阀8、配重9、隔膜泵10、排浆阀11、气液分离容器12、负压表13、硅胶管14、微型抽气泵15、真空集气袋16和进气阀17。

其中，漏斗6为该装置的进口端，其直径略小于勘探孔5的直径，用于增大采集进口端与勘探孔5孔内气液混合浆液1的接触面积。配重9设置于漏斗6上部，在隔膜泵10抽取气液混合浆液1的过程中，与软管7紧密接触，可以确保在软管7下放入勘探孔5时，维持漏斗6的姿态而不发生偏转，也可以保证在隔膜泵10抽取气液混合浆液1的过程中，漏斗6口始终位于勘探孔5内的气液混合浆液1的液面以下；在隔膜泵10的进口端设有一个止逆阀8，防止抽取的气液混合浆液1倒流。隔膜泵10具有可以处理勘探孔5中所产生的具有较高含量砂砾和固体含量的气液混合浆液1的优点。

气液分离容器12用于自动分离在采气过程中抽取的气液混合浆液1中的土颗粒、水和气体，使分离后的气体聚集在气液分离容器12的顶部，土颗粒和水聚集在气液分离容器12的底部；气液分离容器12的顶部设有一个负压表13和一个微型抽气集气系统；负压表13用于检测整个装置的气密性。

微型抽气集气系统用于将聚集在气液分离容器12顶部的气体采集入真空集气袋16内，而不混入外界空气或杂质；微型抽气集气系统由硅胶管14、进气阀17、微型抽气泵15和真空集气袋16所构成；微型抽气泵15用抽取气液分离容器12内的气体送入真空集气袋16中；在气液分离容器12的底部设置有一个排浆阀11，用于排出在聚集在气液分离容器12底部的土颗粒和水，以及在清洗整个装置中聚集在气液分离容器12底部的泥水；利用隔膜泵10来抽取含浅层气地层勘探孔5内的气液混合浆液1，隔膜泵10可以处理污泥和泥浆，并且不发生堵塞现象。利用气液分离容器12自动分离抽取出的气液混合浆液1中的土颗粒、水和气体，分离后的气体聚集在气液分离容器12的顶部，而土颗粒和水则聚集在气液分离容器12的底部；在气液分离容器12顶部设有一个负压表13，用于采气前检测整个装置和管路的气密性；微型抽气集气系统，这一系统由进气阀17、微型抽气泵15、真空采气袋16和硅胶管14组成；利用这一系统，可以将聚集在气液分离容器12顶部的气体采入真空集气袋16中，确保收集到纯净的气体。

参见图2，本发明所提供的含浅层气地层的勘探孔内简易气样采集装置，在使用时，应该按照下列工作步骤进行：

1)准备工作。首先应在含浅层气场地内进行勘探钻孔工作。勘探孔5必须贯穿地表耕植土层4和地下浅层气的封盖层3，进入浅层气的含气层2一定深度，初步确定浅层气含气层2所处的深度位置，并确定钻孔内有持续不断的气体冒出(肉眼观察孔内有气泡溢出)，持续时间应大于30min，可判定该勘探孔5适合进行地下浅层气的气样采集。

2)现场组装气样采集装置。将漏斗6和软管7通过管箍紧密连接，并将配重9固定于漏斗6上部；然后依次将止逆阀8和隔膜泵10通过软管7连接起来，并且仔细检查，确保止逆阀8设置于隔膜泵10的进口端一侧；最后将隔膜泵10与气液分离容器12通过软管7连接起来。气液分离容器12的顶部安装有负压表13，底部安装有排浆阀11，气液分离容器12的顶部还通过硅胶管14连接有微型抽气集气系统。微型抽气集气系统由进气阀17、微型抽气泵15和真空集气袋16组成，真空集气袋16通过硅胶管14与微型抽气泵15连接，微型抽气泵15通过硅胶管14和进气阀17与气液分离容器12的顶部相连。

3)现场气样采集。开始气样采集前，应先进行整个装置的气密性检查。关闭排浆阀11以及微型抽气集气系统的进气阀17。打开隔膜泵10，将气液分离容器12内以及从漏斗6至气液分离容器12之间的管路中充满除气蒸馏水。关闭隔膜泵10，打开气液分离容器12下部的排浆阀11，在自重作用下，气液分离容器12内的除气蒸馏水排出，负压表13中显示气液分离容器12顶部的负压值。待排出气液分离容器12内的水达到其容积约一半时，关闭排浆阀11，观察并记录负压表13的读数。待30min后，若负压表13的读数不发生变化，则说明整个装置气密性良好，可开始下一步的气样采集工作。否则，需仔细检查整个装置的管路接头是否有渗漏，进行修补，并重复以上气密性检查过程，直至整个装置满足气密性要求后，方可进行下一步的气样采集工作。

4)将漏斗6缓慢放入勘探孔5中，在整个过程应保持软管7缓慢下放，确保漏斗6不发生侧翻。在配重9的重力作用下，漏斗6缓慢置于含气层2的层位处，并浸没于勘探孔5内的孔内气液混合浆液1的液面以下不少于1m。

5)由于含气层2中赋存的浅层气具有压力，其不断地释放进入勘探孔5内，与孔内的泥浆水形成孔内气液混合浆液1。打开隔膜泵10，并控制隔膜泵10的转速，用来控制勘探孔5内的孔内气液混合浆液1的抽取速率，待气液分离容器12内集满气液混合浆液1后，关闭隔膜泵10。将气液分离容器12静置15min，由于气液混合浆液1中的土颗粒、水和气体的重量不同，气体、水和土颗粒自动分离并分层。气体由于最轻，聚集在气液分离容器12的顶部，土颗粒和水聚集在气液分离容器12的底部。

6)打开微型抽气集气系统上的进气阀17，开启微型抽气泵15，采集聚集在气液分离容器12顶部的气体，气体经由硅胶管14进入真空集气袋16中。当一只真空集气袋16采满气样后，关闭微型抽气泵15，移除该真空集气袋16，连接另一只真空集气袋16。重复本步骤工作，直至采集气样的样品数量满足要求为止。

7)待气样采集完毕后，关闭微型抽气集气系统上的进气阀17。将软管7缓慢上提，使漏斗6提升至高于勘探孔5内的气液混合浆液1的液面不少于1m处，开启隔膜泵10，将残留于管路内的气液混合浆液1全部抽入气液分离容器12内。打开气液分离容器12底部的排浆阀11，使气液分离容器12内的泥浆和水在自重作用下全部排出，关闭隔膜泵10。再将漏斗6从勘探孔5内全部提出，放置于装有清水的容器中，再次开启隔膜泵10，将整个系统的管路和气液分离容器12清洗不少于三遍，确认气液分离容器12中无残留泥浆后，可停止清洗工作。

8)将仪器各个部件拆除，收集装好，以便下次进行气样采集时重复使用。