一种冻土区天然气水合物地层稳定态监测用测斜仪探头论文和设计

全文摘要

本实用新型实施例公开了一种冻土区天然气水合物地层稳定态监测用测斜仪探头，包括探头护壳，探头护壳的顶端和底端分别安装有顶盖和快速进孔装置，探头护壳的中部设有环形透明壁窗和测斜空间，测斜空间内部安装有测斜装置和空气加热装置，顶盖的内部安装有孔内固定装置，孔内固定装置包括纵活塞管和横活塞管，纵活塞管顶部固定有电动伸缩杆，电动伸缩杆底端连接有第一活塞，横活塞管内部插设有两个第二活塞，第二活塞连接有插土杆和弹簧，快速进孔装置提高了探头进入钻孔的速度，孔内固定装置使探头能在钻孔内固定，测斜探测更稳定，监测结果准确性高，空气加热装置使测斜装置在一个合适的温度环境下工作，提高测斜装置寿命。

主设计要求

1.一种冻土区天然气水合物地层稳定态监测用测斜仪探头，其特征在于，包括探头护壳(1)，所述探头护壳(1)的顶端和底端分别安装有顶盖(2)和快速进孔装置(6)，所述探头护壳(1)的中部设有环形透明壁窗(3)和测斜空间，所述测斜空间内部安装有测斜装置(4)和空气加热装置(5)；所述顶盖(2)的内部安装有孔内固定装置(7)，所述孔内固定装置(7)包括安装在顶盖(2)内壁上的纵活塞管(8)和横活塞管(9)，所述纵活塞管(8)底端与横活塞管(9)中部相连接，所述纵活塞管(8)顶部固定有电动伸缩杆(81)，所述电动伸缩杆(81)底端连接有第一活塞(82)，所述横活塞管(9)内部插设有两个第二活塞(91)，所述第二活塞(91)连接有插土杆(92)，且第二活塞(91)还通过弹簧(93)与顶盖(2)内侧相连接。

设计方案

1.一种冻土区天然气水合物地层稳定态监测用测斜仪探头，其特征在于，包括探头护壳(1)，所述探头护壳(1)的顶端和底端分别安装有顶盖(2)和快速进孔装置(6)，所述探头护壳(1)的中部设有环形透明壁窗(3)和测斜空间，所述测斜空间内部安装有测斜装置(4)和空气加热装置(5)；

所述顶盖(2)的内部安装有孔内固定装置(7)，所述孔内固定装置(7)包括安装在顶盖(2)内壁上的纵活塞管(8)和横活塞管(9)，所述纵活塞管(8)底端与横活塞管(9)中部相连接，所述纵活塞管(8)顶部固定有电动伸缩杆(81)，所述电动伸缩杆(81)底端连接有第一活塞(82)，所述横活塞管(9)内部插设有两个第二活塞(91)，所述第二活塞(91)连接有插土杆(92)，且第二活塞(91)还通过弹簧(93)与顶盖(2)内侧相连接。

2.根据权利要求1所述的一种冻土区天然气水合物地层稳定态监测用测斜仪探头，其特征在于，所述空气加热装置(5)包括通过安装壳安装在测斜空间顶端的电机(51)，所述电机(51)的输出轴连接有扇叶(52)，所述扇叶(52)底端设有加热网(53)，所述加热网(53)通过筒形壳安装在安装壳的底端。

3.根据权利要求1所述的一种冻土区天然气水合物地层稳定态监测用测斜仪探头，其特征在于，所述探头护壳(1)与顶盖(2)之间螺纹咬合连接，且顶盖(2)的底端安装有密封垫，所述顶盖(2)顶端设有吊耳。

4.根据权利要求1所述的一种冻土区天然气水合物地层稳定态监测用测斜仪探头，其特征在于，所述快速进孔装置(6)包括安装在探头护壳(1)底端的锥形钻块(61)，所述锥形钻块(61)内部通过安装空间安装有微型振动电机(62)。

设计说明书

技术领域

本实用新型实施例涉及天然气水合物监测技术领域，具体涉及一种冻土区天然气水合物地层稳定态监测用测斜仪探头。

背景技术

天然气水合物是在低温高压下由水与小客体气体分子组成的类冰、非化学计量、笼形固体化合物，俗称“可燃冰”，因其中的气体成分主要为甲烷，故又称甲烷水合物。

地球上天然气水合物蕴藏量十分丰富，天然气体水合物广泛分布于多年冻土区、大陆架边缘的深海沉积物和深湖泊沉积物中，相当于全球已探明常规化石燃料总碳量的两倍以上。

由于天然气水合物可能带来的诸多不安全因素，广大学者在进行天然气水合物勘探开发过程中，表现的慎之又慎，亦在实验室内进行了大量的模拟、分析。但作为开采过程中可能带来的安全问题，在野外工作现场进行的安全性监测却很少。

在冻土区钻探和试采天然气水合物前需要对其土壤进行勘察和分析，而测量其天然气水合物地层必须用到测斜仪。

测斜仪是一种测定钻孔倾角和方位角的原位监测仪器。到目前为止，各种各样的测斜仪广泛应用于水利水电、矿产冶金、交通与城建岩土工程领域，在保证岩土工程设计、施工及其使用安全中，发挥了重要的作用。但现在的测斜仪在钻孔洞内不好固定，因此测量的数据不稳定不够准确，且在冻土内测量钻孔的倾斜度，电路器件容易因低温而冻住，影响仪器寿命和测试效率，若钻孔内有水或硬块等障碍物，测斜仪探头还不好进入钻孔，影响探测效率。

实用新型内容

为此，本实用新型实施例提供一种冻土区天然气水合物地层稳定态监测用测斜仪探头，快速进孔装置提高了探头进入钻孔的速度，使探头能伸入多种具有弯道的钻孔洞内进行监测，孔内固定装置使探头能在钻孔内固定，测斜探测更稳定，监测结果准确性高，空气加热装置使测斜装置在一个合适的温度环境下工作，提高测斜装置寿命，以解决现有技术中测斜仪监测准确率低、寿命短、测试效率低的问题。

为了实现上述目的，本实用新型的实施方式提供如下技术方案：

在本实用新型的实施方式的第一方面中，提供了一种冻土区天然气水合物地层稳定态监测用测斜仪探头，包括探头护壳，所述探头护壳的顶端和底端分别安装有顶盖和快速进孔装置，所述探头护壳的中部设有环形透明壁窗和测斜空间，所述测斜空间内部安装有测斜装置和空气加热装置；

所述顶盖的内部安装有孔内固定装置，所述孔内固定装置包括安装在顶盖内壁上的纵活塞管和横活塞管，所述纵活塞管底端与横活塞管中部相连接，所述纵活塞管顶部固定有电动伸缩杆，所述电动伸缩杆底端连接有第一活塞，所述横活塞管内部插设有两个第二活塞，所述第二活塞连接有插土杆，且第二活塞还通过弹簧与顶盖内侧相连接。

在本实用新型的另一实施例中，所述空气加热装置包括通过安装壳安装在测斜空间顶端的电机，所述电机的输出轴连接有扇叶，所述扇叶底端设有加热网，所述加热网通过筒形壳安装在安装壳的底端。

在本实用新型的另一实施例中，所述探头护壳与顶盖之间螺纹咬合连接，且顶盖的底端安装有密封垫，所述顶盖顶端设有吊耳。

在本实用新型的另一实施例中，所述快速进孔装置包括安装在探头护壳底端的锥形钻块，所述锥形钻块内部通过安装空间安装有微型振动电机。

本实用新型的实施方式具有如下优点：

探头护壳能有效保护测斜装置不受钻孔壁的摩擦损坏，降低了磨损，且测斜装置内部的安装空间密封性好，水或冷气不会进入探头内部，降低了环境对测斜装置寿命的影响。快速进孔装置通过振动电机催动圆锥钻块振动而扫除探头进入钻孔的速度，也使探头能伸入多种具有弯道的钻孔洞内进行监测，实用性广。孔内固定装置通过气压驱动的方式使插土杆插入钻孔壁冻土内完成对探头位置的固定，测斜探测更稳定，监测结果准确率更高。空气加热装置不仅能使测斜装置在一个合适的温度环境下工作，提高测斜装置寿命，而且还能起到除雾除冻的效果，提高了监测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本实用新型的实施例提供的测斜仪探头的结构示意图。

图中：

1-探头护壳；2-顶盖；3-环形透明壁窗；4-测斜装置；5-空气加热装置；6-快速进孔装置；7-孔内固定装置；8-纵活塞管；9-横活塞管；

51-电机；52-扇叶；53-加热网；

61-锥形钻块；62-微型振动电机；

81-电动伸缩杆；82-第一活塞；

91-第二活塞；92-插土杆；93-弹簧。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供了一种冻土区天然气水合物地层稳定态监测用测斜仪探头，包括探头护壳1，探头护壳1的顶端和底端分别安装有顶盖2和快速进孔装置6，探头护壳1与顶盖2之间螺纹咬合连接，顶盖2拆卸方便，便于对测斜装置4的安装和拆卸，也便于对测斜装置4的监测数据进行提取，提高了冻土区的天然气水合物地层的监测效率。顶盖2的底端安装有密封垫，提高了测斜空间密封性，水或冷气不会进入电力设备中，提高了测斜装置4的寿命。顶盖2顶端设有吊耳，吊耳上设有吊孔，将钢丝绳底端拴住吊耳后，便可将测斜仪探头放入钻孔内，放入和取出更加方便快捷。

顶盖2的内部安装有孔内固定装置7，孔内固定装置7包括安装在顶盖2内壁上的纵活塞管8和横活塞管9，纵活塞管8的顶端与顶盖2底端面固定连接，横活塞管9的两端均与顶盖2的内侧壁相连接，且活塞管的端面与顶盖2内壁之间无缝隙，避免了钻孔内的水或冷气进入测斜空间影响测斜装置4的监测。

纵活塞管8底端与横活塞管9中部相连接，纵活塞管8顶部固定有电动伸缩杆81，电动伸缩杆81底端连接有第一活塞82，横活塞管9内部插设有两个第二活塞91，第二活塞91连接有插土杆92，且第二活塞91还通过弹簧93与顶盖2内侧相连接。顶盖2与横活塞管9连接的部位设有杆孔，插土杆92可在杆孔内左右滑动，且杆孔的内径比横活塞管9的内径小。插土杆92朝向顶盖2外侧的一端形状为尖锐的圆锥形，便于插入钻孔壁的冻土内实现固定。

三个活塞之间的空间内部均是密封的，且三个活塞之间的活塞管内部空间均具有一定的气压，足以推动活塞移动并使弹簧93压缩，所以第一活塞81在纵活塞管8内部上下位移的时候，另两个第二活塞82也会由于气压或弹簧93弹力而在横活塞管9内部左右位移。

孔内固定装置7在钻孔内固定原理如下：

(1)在探头进入钻孔的过程中，电动伸缩杆81收缩，此时由于三个活塞之间空间大，气压小，因此在弹簧93的弹力作用下而使两个第二活塞82相互靠近，而插土杆92的端头收缩在顶盖2内部(插土杆92的长度小于顶盖的内径的一半)，不会影响探头的进入钻孔的进程。

(2)测斜仪探头到达钻孔内指定的深度或位置后，电动伸缩杆81启动伸长，使第一活塞杆82下降，三个活塞之间的密封空间减小，气压增大，从而使两个第二活塞杆91相互原理，两个插土杆92的一端均从顶盖2伸出并逐渐插入冻土中，完成对探头位置的固定。

优选的是，通过气压催动的方式使插土杆92插入冻土而完成对探头的固定，使探头后续的探测更加稳定，监测结果准确性更高。

探头护壳1的中部设有环形透明壁窗3和测斜空间，测斜空间内部安装有测斜装置4和空气加热装置5，测斜装置4可采用现有的测斜技术中的电路装置，将测斜的主要元件如倾角传感器、方位传感器集成安装在测斜空间内，环形透明窗3采用亚力克材料制作，强度和韧性好，不易破碎或磨花，有利于提高仪器对钻孔内的倾斜度的测量精准度。环形透明窗3位于测斜空间的外侧，透明的壁窗有利于传感器穿透而测量到钻孔内的倾斜度。

需补充说明的是，测斜装置4还连接有单片机，在进入钻孔内合适位置和深度后，单片机控制固定装置使探头固定，并控制测斜装置4工作，监测结果发送给单片机内部的存储器内部，在取出测斜仪探头后，将单片机的输出端口与数据读取设备连接，即可读取测斜装置4监测的数据。单片机还能控制空气加热装置5、快速进孔装置6工作，使探头能自动进入钻孔内并加热，提高测斜效率和稳定性。

空气加热装置5包括通过安装壳安装在测斜空间顶端的电机51，电机51的输出轴连接有扇叶52，扇叶52底端设有加热网53，加热网53通过筒形壳安装在安装壳的底端。电机启动后带动扇叶52旋转，将风吹出，风经过加热网53后被加热到一定温度，然后分散吹到测斜空间内部，从而使测斜装置4不会冻住，且在一个正常工作环境下进行钻孔的测斜和监测。

需补充说明的是，加热网53的温度可以调节，在钻孔内温度不低于0摄氏度时，加热空气的温度为10-20摄氏度即可，此时具有除雾效果，使透明壁窗更加清晰，提高了监测准确性。若钻孔内部温度影响测斜空间内部温度使其达到零摄氏度以下，此时加热空气的温度为20-30摄氏度，因为此时要避免测斜装置4以及其他电器元件被冻坏，且要对抗钻孔冻土的低温，因此此时加热网53的加热功率需适当提高。因此，加热网53可连接一个温度感应开关，以温度感应开关控制加热网53的加热温度，以保证测斜装置5的正常工作。

优选的是，空气加热装置5不仅能使测斜装置在一个合适的温度环境下工作，提高了测斜装置4使用寿命，而且还能起到除雾除冻的效果，提高了监测效率。

快速进孔装置6包括安装在探头护壳1底端的锥形钻块61，锥形钻块61内部通过安装空间安装有微型振动电机62。快速进孔装置6通过振动电机62催动圆锥钻块61振动而扫除探头进入钻孔的速度，也使探头能伸入多种具有弯道的钻孔洞内进行监测，实用性广。锥形钻块61的底端可采用配重块材料制作，强度高，使探头以正确姿势进入钻孔，配重块的存在也使锥形钻块61进入具有渗水的钻块内更加快捷方便，使钻块振动的设计也使探头具有了深入钻孔和扫除障碍的功能，避免了探头被钻孔内弯道、凸出障碍物阻挡而无法进入指定监测地点的情况的出现。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

设计图

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