本發(fā)明屬于海床土體力學特性探測的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于原位測量海底含氣土中氣體含量的裝置及其測量方法。

背景技術(shù)：

全球70％以上的油氣資源蘊藏在海底。油氣的勘探、開采完全依賴于海上鉆井平臺。鉆井平臺承受著海上臺風、巨浪等荷載。這些荷載通過鉆井平臺的樁基礎(chǔ)或錨泊定位系統(tǒng)傳遞給海床。因此，鉆井平臺的穩(wěn)定性取決于海床的力學特性(特別是強度、剛度)。我國的珠三角、長三角、渤海灣等海域廣泛分布富含生物氣的軟弱海床(即海床土體中含有大量的孤立氣泡)。氣體含量是決定含氣土強度和剛度的關(guān)鍵控制因素，進而直接決定了海上鉆井平臺的安全性與穩(wěn)定性。

含氣量的測定必須要在海底原位進行測試。如果將含氣土從海床中取出到陸地上的試驗室測量，土中的氣泡體積將隨著土體外壓的驟降而急劇擴大，使得測量結(jié)果不能真實反映原位含氣量。傳統(tǒng)的原位含氣測試手段(基于聲波在海底含氣土中傳播的速度經(jīng)驗估算含氣量)屬于間接測試方法，該方法存在不確定性強、誤差無法量化的問題。目前還沒有可以直接在海底原位精確測量含氣土中氣體氣量的儀器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于原位測量海底含氣土中氣體含量的裝置及其測量方法。

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：一種用于原位測量海底含氣土中氣體含量的裝置，包括金屬外殼、金屬內(nèi)膽、上頂板、位移傳感器、液壓千斤頂、電動機、活動門、液壓泵、單片機；所述金屬外殼的下部為圓錐狀，上部為圓柱狀，金屬外殼的側(cè)壁開有入土口；所述金屬內(nèi)膽、上頂板、位移傳感器、液壓千斤頂、電動機、活動門均安裝在金屬外殼內(nèi)；其中，所述金屬內(nèi)膽安裝在金屬外殼的入土口處，用于容納含氣土；所述金屬外殼和金屬內(nèi)膽之間設(shè)置有活動門；所述液壓泵與液壓千斤頂相連，所述液壓千斤頂?shù)挠透坠潭ㄔ诮饘偻鈿さ捻敹?，所述上頂板固定安裝在液壓千斤頂?shù)幕钊麠U上，上頂板隨著液壓千斤頂?shù)幕钊麠U的伸縮，沿金屬內(nèi)膽上下移動；所述電動機安裝在上頂板上，電動機通過傳動裝置帶動活動門上下移動；所述位移傳感器安裝在金屬內(nèi)膽外伸出的薄壁上，用于測量上頂板的位移；所述液壓泵、電動機、位移傳感器均與單片機相連。

進一步地，所述金屬內(nèi)膽的底部安裝有超聲波發(fā)射端，所述上頂板安裝有超聲波接收端；所述超聲波發(fā)射端和超聲波接收端相對布置；所述超聲波發(fā)射端和超聲波接收端均與單片機相連。

進一步地，所述傳動裝置包括齒輪和齒條；所述齒輪安裝在電動機的輸出軸上，所述齒條安裝在活動門上，所述齒輪與齒條嚙合傳動，實現(xiàn)活動門的上下移動。

進一步地，所述上頂板和金屬內(nèi)膽之間通過密封圈進行密封；所述上頂板和活動門之間也通過密封圈進行密封。

一種用于原位測量海底含氣土中氣體含量的裝置的測量方法，該方法具體為：

(1)把發(fā)明裝置插入含氣土海床：

將整個裝置連接于現(xiàn)有海洋工作平臺上的雙自由度加載系統(tǒng)，并通過雙自由度加載系統(tǒng)將整個發(fā)明裝置垂直向下插入到含氣土海床中；

(2)原位測量海底含氣土中聲波速度：

開啟活動門，通過雙自由度加載系統(tǒng)使金屬外殼水平移動，直到金屬內(nèi)膽內(nèi)充滿含氣土，再關(guān)閉活動門；活動門關(guān)閉后超聲波發(fā)射端向含氣土中發(fā)射壓縮波，超聲波接收端接收土體壓縮波，超聲波發(fā)射端和超聲波接收端將波束信號傳遞給單片機，單片機計算可得壓縮波束穿過含氣土所用的最短時間t；根據(jù)時間t以及超聲波發(fā)射端和超聲波接收端之間的距離h，即可由下式計算得到含氣土中壓縮波的傳播速度：

土體壓縮波速＝傳播距離h/傳播時間t；

(3)原位測量海底含氣土中氣體含量：

液壓泵驅(qū)動液壓千斤頂慢慢推動上頂板壓縮金屬內(nèi)膽內(nèi)的含氣土，直到含氣土無法再被壓縮；基于位移傳感器測得的豎向壓縮量Δh和金屬內(nèi)膽初始高度h，該含氣土中氣泡的體積百分比即可通過如下公式計算獲得：

與背景技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：海底含氣土中氣體含量是決定海床的剛度和強度的關(guān)鍵因素，是安全設(shè)計海洋基礎(chǔ)(用于支撐海上油氣平臺、海上風電機組等)的重要參數(shù)。本發(fā)明首次提出一種在海底原位直接測量含氣土中氣體含量的裝置及其測量方法。這解決了傳統(tǒng)的間接測試方法(基于聲波在海底含氣土中傳播的速度經(jīng)驗估算含氣量)不確定性強、誤差無法量化的問題。

本發(fā)明公開的裝置除了可以直接測量氣體含量，也同時帶有聲波測試模塊， 可以獲得聲波在海床含氣土中傳播的速度?；跍y得的含氣量和聲波速度，可以建立兩者之間的關(guān)系，評價并改進現(xiàn)有的“含氣量-波速”之間的半理論半經(jīng)驗關(guān)系。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明測量海底含氣土中氣體含量的過程示意圖；

圖中，金屬外殼1、金屬內(nèi)膽2、上頂板3、密封圈4、位移傳感器5、液壓千斤頂6、電動機7，超聲波接收端8、活動門9、超聲波發(fā)射端10。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明包括金屬外殼1、金屬內(nèi)膽2、上頂板3、密封圈4、位移傳感器5、液壓千斤頂6、電動機7、超聲波接收端8、活動門9、超聲波發(fā)射端10、液壓泵、單片機；所述空心金屬外殼1的下部為圓錐狀，上部為圓柱狀，金屬外殼1的側(cè)壁開有入土口；所述金屬內(nèi)膽2、上頂板3、位移傳感器5、液壓千斤頂6、電動機7、活動門9均安裝在金屬外殼1內(nèi)；其中，所述金屬內(nèi)膽2安裝在金屬外殼1的入土口處，用于容納含氣土；所述金屬外殼1和金屬內(nèi)膽2之間設(shè)置有活動門9；所述液壓泵與液壓千斤頂6相連，所述液壓千斤頂6的油缸通過焊接方式固定在金屬外殼1的頂端，所述上頂板3也通過焊接固定安裝在液壓千斤頂6的活塞桿上，上頂板3隨著液壓千斤頂6的活塞桿的伸縮，沿金屬內(nèi)膽2上下移動；所述電動機7安裝在上頂板3上，電動機7的輸出軸上安裝有齒輪，所述活動門9上安裝有齒條，所述齒輪與齒條嚙合傳動，實現(xiàn)活動門9的上下移動；所述位移傳感器5安裝在金屬內(nèi)膽2外伸出的薄壁上，用于測量上頂板3的位移；所述上頂板3和金屬內(nèi)膽2之間通過密封圈進行密 封；所述上頂板3和活動門9之間也通過密封圈進行密封。

所述金屬外殼1通過加長桿與船上或海上平臺上的雙自由度(上下，前后)加載系統(tǒng)相連，用于控制整個觸探裝置的上下和水平移動。

所述金屬內(nèi)膽2的底部中央處安裝有超聲波發(fā)射端10，所述上頂板3的中央處安裝有超聲波接收端8，超聲波發(fā)射端10和超聲波接收端8相對布置。

所述液壓泵、電動機7、位移傳感器5、超聲波發(fā)射端10和超聲波接收端8均與單片機相連，用以驅(qū)動相關(guān)部件(驅(qū)動上頂板3的下壓、活動門9的開關(guān))，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)(聲波在含氣土中的傳波速度和含氣土中氣體的含量)。

本發(fā)明的工作過程如下：

(1)把發(fā)明裝置插入含氣土海床

將整個裝置連接于現(xiàn)有海洋工作平臺上雙自由度加載系統(tǒng)(控制上下、前后兩個方向的自由度)，并通過該加載系統(tǒng)將整個發(fā)明裝置垂直向下插入到含氣土海床中，如圖2(a)所示；

(2)原位測量海底含氣土中聲波速度

開啟活動門9，如圖2(b)。通過海洋工作平臺上的雙自由度加載系統(tǒng)使金屬外殼1水平移動，水平移動距離達約1.5倍的金屬外殼1的直徑，以確保金屬內(nèi)膽2內(nèi)充滿含氣土，如圖2(c)；關(guān)閉活動門9，如圖2(d)所示。

活動門9關(guān)閉后，超聲波發(fā)射端10向含氣土中發(fā)射壓縮波束，超聲波接收端8接收土體壓縮波束(如圖2(e))，超聲波發(fā)射端10和超聲波接收端8將波束信號傳遞給單片機，單片機計算可得壓縮波束穿過含氣土所用的最短時間t；根據(jù)時間t以及超聲波發(fā)射端10和超聲波接收端8之間的距離h(已知)，即可由下式計算得到該含氣土中壓縮波的傳播速度：

土體壓縮波速＝傳播距離h/傳播時間t

(3)原位測量海底含氣土中氣體含量

單片機控制液壓泵，驅(qū)動液壓千斤頂6慢慢推動上頂板3壓縮金屬內(nèi)膽2內(nèi)的含氣土，直到含氣土無法再被壓縮(即位移傳感器5的讀數(shù)不再變化)，如圖2(f)和圖2(g)；此時認為含氣土中的氣泡已經(jīng)被完全壓扁或在高壓下溶于土體中的水里，而金屬內(nèi)膽2中只剩下土顆粒和水(這兩者一般近似假設(shè)不可壓縮)。

基于位移傳感器5測得的豎向壓縮量Δh和金屬內(nèi)膽2初始高度h，該含氣土中氣泡的體積百分比即可通過如下公式計算獲得：