一种冻土区浅层土壤取气设备制造技术

本发明专利技术提供了一种适用于冻土区浅层土壤中存在的游离态天然气气体采集的取气设备，能够避免气体混样，同时能够快速取气，满足地域性天然气水合物样本研究的需要，包括成孔器和取气器，所述成孔器，包括钻头和钻杆，所述钻头的尾端设有连接接头，所述连接接头为中空结构，其侧壁上设有进气孔，所述进气孔与所述连接接头的内腔连通；所述钻杆为圆筒结构，所述连接接头的延伸端插入所述钻杆与其套接；所述取气器，包括取气筒和抽真空筒，所述取气筒的进气端伸入所述钻杆，与所述连接接头连通，所述取气筒的出气端与所述抽真空筒连通。

A shallow soil gas extraction equipment in frozen soil area

The invention provides a gas acquisition device suitable for collecting free natural gas in shallow soil of permafrost region, which can avoid gas mixing, and can quickly take gas to meet the needs of regional natural gas hydrate sample research, including a hole-forming device and a gas-collecting device. The hole-forming device includes a drill bit and a drill pipe. The end of the drill bit is provided with a connecting joint, the connecting joint is a hollow structure, the side wall is provided with an air inlet hole, the air inlet hole is connected with the inner cavity of the connecting joint, the drill pipe is a cylindrical structure, the extension end of the connecting joint is inserted into the drill pipe and the sleeve is connected with the drill pipe, and the air extractor, including the air intake cylinder and the extractor. The air inlet end of the air intake cylinder extends into the drill pipe and is connected with the connecting joint, and the air outlet end of the air intake cylinder is connected with the vacuum suction cylinder.

【技术实现步骤摘要】
一种冻土区浅层土壤取气设备
本专利技术涉及天然气水合物采集用设备领域，具体涉及一种针对冻土区位于深层的天然气水合物分解产生的游离态气体进入浅层土壤后，对该游离态气体进行采集的设备，能够有效避免原位气体与外界空气的混样。
技术介绍
天然气水合物(简称GasHydrate)是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作"可燃冰"或者"固体瓦斯"和"气冰"，甲烷含量占80％～99.9％，燃烧污染比煤、石油、天然气都小得多，而且储量丰富，全球储量足够人类使用1000年，因而被各国视为未来石油天然气的替代能源。天然气水合物需要在高压低温环境下，才能稳定存在，当温度大于0-10℃时容易分解，其分解产物主要为甲烷。而分解后的天然气气体则成游离态进入浅层土壤内。以往，对于地域性天然气水合物的研究，通过对该区域的浅层土壤进行取样分析。近年来，随着地球化学勘探取样技术的不断进步，尤其是针对冻土区天然气水合物探取样，已经不仅仅满足于获取浅层的土样，而是要求能够获取原位的地下气体，通过对地下气样的分析，更准确地确定该地区天然气水合物中所含元素的含量以及该地区天然气水合物的运移情况。为此国内外开展了相关的取样方法及器具研究，目前研究的原位取气器具，为螺旋式钻头结构，中部为中空结构，在取气过程中，由于冲击进入土壤介质中的螺旋结构与周围的介质壁面之间的间隙较大，容易给天然气水合物层内引入外界空气，导致混样，影响分析测试结果。因此，研制一种能够确保天然气水合物的采样纯净度的取气用具，为本领域目前亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用于冻土区浅层土壤中存在的游离态天然气气体采集的取气设备，能够避免气体混样，同时能够快速取气，满足地域性天然气水合物样本研究的需要。为了达到上述目的，本专利技术的具体技术方案如下：一种冻土区浅层土壤取气设备，包括成孔器和取气器，所述成孔器，包括钻头和钻杆，所述钻头的尾端设有连接接头，所述连接接头为中空结构，其侧壁上设有进气孔，所述进气孔与所述连接接头的内腔连通；所述钻杆为圆筒结构，所述连接接头的延伸端插入所述钻杆与其套接；所述取气器，包括取气筒和抽真空筒，所述取气筒的进气端伸入所述钻杆，与所述连接接头连通，所述取气筒的出气端与所述抽真空筒连通。进一步地，所述进气孔沿所述连接接头的径向设置，与所述连接接头的轴线垂直；所述进气孔靠近所述钻头的一侧，设有防止外界土壤介质堵塞所述进气孔入口的密封圈。进一步地，所述钻头包括内钻头和外钻头，所述内钻头与所述连接接头连接，所述外钻头套设在所述连接接头上，其延伸端与所述钻杆连接；所述外钻头为两端开口的中空结构，其最大外径大于所述内钻头的外径；径向上，所述进气孔位于所述外钻头的中部，所述密封圈位于所述进气孔的一侧，靠近所述内钻头。进一步地，所述连接接头位于所述内钻头外的部分的剖面为“T”形结构，其最大外径与所述钻杆的内径相等，其最小外径与所述外钻头的内径相等；所述外钻头沿所述连接接头的外壁滑动，距离所述内接头最大位移处与所述连接接头的外壁卡接。进一步地，所述连接接头与所述钻头可拆卸连接。进一步地，所述连接接头的出气端设有密封塞，所述取气筒的进气端设有进气针，所述进气针穿过所述密封塞与所述连接接头的内腔连通。进一步地，所述取气筒的出气端设有密封塞，所述抽真空筒为针式抽真空筒，通过所述密封塞与所述取气筒连通。进一步地，所述密封塞为橡胶密封塞。进一步地，所述取气筒的外壁上设有防止所述取气筒倾斜的定位块。进一步地，所述取气筒包括一个或多个，多个所述取气筒贯通套接。本专利技术提供的一种冻土区浅层土壤取气设备，通过外部冲击器直接将钻头充入地下1-5米的深度，光滑外壁与外部土壤介质接触紧密，有效避免冲击取气过程中带入外部空气造成混样，同时保持取气筒为真空状态，促进地下游离态的原位气体快速进入取气筒内，提高取气效率。该设备能够满足浅层5m以内的土壤取气需要，满足地域性天然气水合物样品采集检测的需要。附图说明图1是本专利技术提供的冻土区浅层土壤取气设备中成孔器的结构示意图；图2是本专利技术提供的冻土区浅层土壤取气设备中取气器的结构示意图；图3a是本专利技术提供的冻土区浅层土壤取气设备在初始冲击后的状态结构示意图；图3b是图3a在冲击上提后的状态结构示意图；1.成孔器，11.内钻头，12.外钻头，13.钻杆，14.连接接头，141.第一密封塞，142.进气孔，15.密封圈；2.取气器，21.取气筒，211.第二密封塞，212.定位块，213.进气针；22.抽真空筒。具体实施方式通过参考示范性实施例阐明本专利技术技术问题、技术方案和优点。然而，本专利技术并不受限于以下所公开的示范性实施例，可以通过不同形式来对其加以实现。附图1为本专利技术提供的冻土区浅层土壤取气设备的结构示意图，下面，根据附图1至图3b所示结构，对本方案进行详细介绍。一种冻土区浅层土壤取气设备，包括成孔器1和取气器2，其中的成孔器1，如图1所示，包括钻头和钻杆13，钻头可选用市售的锥形钻头，钻头的尾端设有用于与钻杆13套接的连接接头14，钻杆13为中空的两端开口的圆筒结构，连接接头14的一端与钻头连接，另一端伸入钻杆13内，与钻杆13套接。连接接头14为中空结构，其侧壁上设有进气孔142，进气孔142与连接接头14的内腔连通。其中的取气器2，如图2所示，包括取气筒21和抽真空筒22，取气筒21的进气端伸入钻杆13，与连接接头14连通，取气筒21的出气端与抽真空筒22连通。如图3a所示，需要采样时，先使用冲击器冲击钻杆13，钻头深入预设深度后，将钻头上提5-10cm，如图3b所示，给土壤中气体向钻孔内逸散留出足够的空间。之后，将取气器2与成孔器1组装，取气筒21的下端与连接接头14连通，并推动取气筒21，通过连接接头14推动钻头下移，此时由于钻杆13与连接接头14仅为套接，钻头受迫力向下移动时，钻杆13受到外部介质的阻力相对上移，钻杆13持续上移过程中连接接头14上的进气孔142漏出，浅层的游离态气体通过进气孔142进入连接接头14内腔，此时，可以预先通过抽真空筒22将取气筒21内部预先抽成真空，游离态气体则直接快速进入取气筒21。或者也可以在游离态气体进入之后，再抽真空，此时进入取气筒21内的气体含有取气筒21中原始存在的环境空气，可以将取气筒21从连接接头14上取下，将其内的混合气体排出，之后再将取气筒21与连接接头14连接，在抽真空取气，此时进入取气筒21内的气体则为纯净的游离态气体。上述天然气水合物取气装置，尤其适用于浅层土壤中游离态天然气气体的采集研究，结构紧凑，能够有效避免在取气过程中混入环境气体导致混样，影响采样分析结果。同时，其中的取气器2能够将取气筒21内抽成真空状态，促使气体快速进入取气筒21内，提高取气效率。本专利技术的一种实施方式，优选设置进气孔142沿连接接头14的径向设置，该进气孔142为条形孔，与连接接头14的轴线垂直。该结构有助于提高进入进气筒的游离态气体的纯净度，避免外部土壤介质轻易进入进气孔142。为了避免钻头下移钻杆13上移的过程中，外部土壤介质可能将进气孔142的外部堵塞，优选在进气孔142靠近钻头的一侧，设有防本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冻土区浅层土壤取气设备，其特征在于，包括成孔器和取气器，所述成孔器，包括钻头和钻杆，所述钻头的尾端设有连接接头，所述连接接头为中空结构，其侧壁上设有进气孔，所述进气孔与所述连接接头的内腔连通；所述钻杆为圆筒结构，所述连接接头的延伸端插入所述钻杆与其套接；所述取气器，包括取气筒和抽真空筒，所述取气筒的进气端伸入所述钻杆，与所述连接接头连通，所述取气筒的出气端与所述抽真空筒连通。

【技术特征摘要】
1.一种冻土区浅层土壤取气设备，其特征在于，包括成孔器和取气器，所述成孔器，包括钻头和钻杆，所述钻头的尾端设有连接接头，所述连接接头为中空结构，其侧壁上设有进气孔，所述进气孔与所述连接接头的内腔连通；所述钻杆为圆筒结构，所述连接接头的延伸端插入所述钻杆与其套接；所述取气器，包括取气筒和抽真空筒，所述取气筒的进气端伸入所述钻杆，与所述连接接头连通，所述取气筒的出气端与所述抽真空筒连通。2.根据权利要求1所述的取气设备，其特征在于，所述进气孔沿所述连接接头的径向设置，与所述连接接头的轴线垂直；和/或，所述进气孔靠近所述钻头的一侧，设有防止外界土壤介质堵塞所述进气孔入口的密封圈。3.根据权利要求2所述的取气设备，其特征在于，所述钻头包括内钻头和外钻头，所述内钻头与所述连接接头连接，所述外钻头套设在所述连接接头上，其延伸端与所述钻杆连接；所述外钻头为两端开口的中空结构，其最大外径大于所述内钻头的外径；径向上，所述进气孔位于所述外钻头的中部，所述密封圈位于所述进气孔的一侧，靠近所述内钻头。4.根据权利要求3所述的取气...

【专利技术属性】
技术研发人员：张富贵，杨志斌，张舜尧，王成文，王惠艳，唐瑞玲，杨帆，
申请(专利权)人：中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，
类型：发明
国别省市：河北,13