一种海底热流长期观测探针及其使用方法

摘要

本发明公开了一种海底热流长期观测探针，其包括探针仓体和探针长杆；探针仓体内部设有测温电路板，外部设有电缆接头出口和导热油灌油口；测温电路板通过电缆接头出口与外部主控系统相连；导热油灌油口通过灌油导管通向探针长杆内部；探针长杆为中空结构的圆柱，其一端与探针仓体通过螺纹连接，其另一端由可拆卸的圆锥状探针头封闭；探针长杆内部设有至少3个温度探头，并在探针长杆内部空间沿轴向等间距分布，温度探头的导线接入探针仓体内与测温电路板相连；在探针长杆内，每两个温度探头之间设置一个垂直于长杆轴的热对流屏蔽片。本发明还公开了一种海底热流探针的使用方法。本发明可以获得底水温度波动较大海域更准确、更可靠的海底热流数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种海底探测设备，具体涉及一种用于海底热流长期测量的探 针，及其使用方法。

背景技术

大地热流是地球内部热过程在海底的直接显示，不仅是了解地球热散失速 率的关键参数，而且是开展地球动力学研究与重建沉积盆地演化、油气与水合 物资源潜力评价的基础数据。因此研发设备开展海底热流测量具有国家战略意 义。

海底热流可以通过钻孔测温和海底热流探针进行测量。由于石油钻孔和大 洋钻探钻孔分布区域有限，而海底热流探针便于船载，作业相对灵活，费用较 低，且可根据实际科学问题和感兴趣海域进行精细量，因此海底热流探针是获 取海洋热流数据的重要手段。在20世纪50年代，研究学者利用设计的地热探 针在北大西洋海域成功地进行了地热探测，开辟了海底热流调查的时代。随着 热工测量理论的完善及其技术方法的进步，以及计算机技术和大规模集成电路 技术与存储技术的进步和普及应用，经过近半个多世纪的发展，海底热流探针 探测技术也得到迅速发展。当今国际上较成熟且被广泛使用的海底热流探针可 分为Ewing型和Lister型两类。传统的Ewing型探针把装有热敏电阻的小型探 针外挂在取样管或钢矛外壁的不同位置，只能实现海底沉积物的原位地温梯度 测量，热导率需要在室内对采集的沉积物样品进行单独测量获得。由于采集沉 积物样品时，样品原有结构和含水量不可避免地会有所破坏以及环境温度、压 力条件的变化而导致所测热导率误差较大，因此，实验室测得的沉积物热导率 一般都需要进行温度、压力及含水量校正。Lister型探针采用热脉冲技术，基于 瞬间加热无限长柱热源(IICS)简化理论模型，处理摩擦生热和热脉冲加热两阶段 的温度-时间数据来求解地温梯度和原位热导率，实现了脉冲式原位热流的测量。 该类型的探针也被称为“琴弓”型探针，其细管中安装加热丝，同时等间距的排列 多个(或组)热敏电阻，间隔一定距离固定在粗牢的加强管上。但是该类型的探针 较细长(半径一般达5.0mm，长达6.0m)，为尽量满足IICS简化理论模型，要求 脉冲加热后，探针在沉积物中需要静止停留25分钟甚至更长。

以上两种现有的探针可用于获取底水温度长期稳定或波动较小海域的海底 热流参数，而且是非常常用且重要的探测设备。但有些海域，其底水温度往往 出现较大的周期性波动，导致海底表层沉积物温度也受到周期性影响，使得同 一站位不同时间测量的地温梯度出现明显变化，无法真正反映该站位的热状态， 因此利用常规的海底热流探针(Ewing型和Lister型探针)在底水温度波动较大的 海域很难获取可靠的海底热流。因此有必要研发一种新的海底热流探针，进行 长期观测，以便获得更准确、更可靠的海底热流数据，以满足国家有关开展基 础研究和资源调查的战略需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的之一在于提供一种适用于海底热流数据 长期测量的海底热流探针，以便获得更准确、更可靠的海底热流长期观测数据。

本发明的另一个目的在于提供所述的海底热流长期观测探针的使用方法， 其通过在探针长杆中注入导热油，可进一步提高海底热流长期观测探针测试外 部温度的准确性，同时，可增强探针仓体的抗压性能。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

首先，提供一种海底热流长期观测探针，其包括探针长杆和探针仓体；其 中，所述的探针长杆为中空结构，该探针长杆的一端与所述的探针仓体通过螺 纹连接，其另一端由可拆卸的圆锥状探针头封闭；所述的探针仓体内部设有测 温电路板，其外部设有电缆接头出口和导热油灌油口；所述的海底热流长期观 测探针内部设有至少三个温度传感器，该至少三个温度传感器一端的温度探头 在所述的探针长杆内部空间沿探针长杆轴向等间距分布，其另一端深入所述的 探针仓体内固定并通过导线与测温电路板相连；在所述的探针长杆内，每两个 所述的温度探头之间设置至少一个沿探针长杆径向分布的热对流屏蔽片，所述 的测温电路板输出的信号通过电缆经由电缆接头出口与外部主控系统相连；所 述的导热油灌油口通过灌油导管通向所述的探针长杆内部。

本发明优选的海底热流长期观测探针结构中，所述的温度传感器可以是热 敏电阻或铂电阻；进一步优选Pt1000铂电阻，更适用于温度长期测量场合。

本发明优选的海底热流长期观测探针结构中，所述的热对流屏蔽片是以放 射状形式构成的圆片型毛刷结构，其材料可以是聚丙烯纤维、聚酰胺纤维或或 猪鬃中的任意一种。

本发明优选的海底热流长期观测探针结构中，所述的海底热流长期观测探 针进一步包括一固定杆，所述的固定杆包括杆体和中空螺栓，所述的杆体位于 探针长杆内部，所述的中空螺栓与探针仓体和探针长杆的连接处螺纹连接，所 述的杆体一端与探针头螺纹连接，其另一端固定于中空螺栓的内部，在该中空 螺栓的头部围绕所述杆体开设有与温度传感器数量相等的通孔，所述温度传感 器的另一端穿过相应的通孔延伸至探针仓体中，所述的热对流屏蔽片和温度探 头均固定在所述杆体上。

本发明进一步优选的海底热流长期观测探针结构中，所述杆体的外直径与 所述的探针长杆的内直径之间的比值小于1:2。

本发明进一步优选的海底热流长期观测探针结构中，所述温度探头使用扎 带固定在所述的杆体上；所述的热对流屏蔽片使用螺丝固定在所述的杆体上。

本发明优选的海底热流长期观测探针结构中，所述的探针长杆的长度与外 直径比为30～40:1；进一步优选30～37.5:1。

本发明进一步优选的海底热流长期观测探针结构中，所述的探针长杆的长 度150～200cm，外直径4～5cm，内直径2～3cm，其内部沿轴向等间距分布5～6 个温度探头，每两个相邻温度探头之间的间距为20～30cm，同时在其内部沿轴 向每隔10cm设置一个热对流屏蔽片。

本发明所述的海底热流长期观测探针结构中，所述的各螺纹连接处、电缆 接头出口、导热油灌油口、以及探针长杆内部与探针仓体内部之间的各种接口 处都进行水密处理。

其次，本发明还提供所述的海底热流长期观测探针的使用方法，在探测前， 先将本发明所述的海底热流长期观测探针平放，从所述的导热油灌油口经由灌 油导管向所述的探针长杆内部灌入导热油，同时打开所述的可拆卸的圆锥状探 针头，待导热油从探针头处溢出后关闭探针头；继续灌入导热油至整个探针长 杆内部空间充满导热油并从导热油灌油口溢出，封闭导热油灌油口，再将所述 的海底热流长期观测探针安装在自浮式海底热流长期观测基站的抛弃部分，用 于海底热流探测。

本发明所述的方法中，所述的导热油可以选自适合0～50℃温度范围内工作 的矿物型或合成型液相导热油。

与现有技术中的海底热流长期观测探针相比，本发明提供了一种全新结构 的海底热流长期观测探针及其使用方法，能够更加显著地提高热流数据测定的 准确性，主要基于以下几方面的机构特征：

1.温度传感器的分布设计

本发明所述的海底热流长期观测探针内部沿轴向等间距分布有3个以上的 温度传感器探头，这样使得探针能够同时测量不同深度沉积物的温度，方便科 研人员找到不同深度海底沉积物的温度规律。

2.热对流屏蔽片的设置

在海底热流长期观测探测中，探针插入海底沉积物中后，沉积物的不同深 度会存在温度差异，这样会导致导热油因温度差异而产生分子热运动，此时温 度测量的准确性大大下降。为此，本发明所述的海底热流长期观测探针结构中 特别设置了位于两个温度传感器探头之间的热对流屏蔽片，所述的热对流屏蔽 片是由纤维物质以放射状形态形成的，具有细密的缝隙，既可以允许导热油等 介质通过，又能够限制其两边的导热油等介质之间的分子间热运动，由此屏蔽 了不同区域的导热油等介质之间的热对流，从而进一步提高了温度测量的准确 性，特别是在探针长杆内部每隔10cm设置一个热对流屏蔽片时，能够最大程度 地避免其两侧导热油之间的热对流，达到非常高的测量精确度，同时也达到了 探针制造成本与测量准确性的最佳平衡状态。

3.导热油的应用

本发明的使用方法中，在事先安装有温度传感器的探针长杆内部进行灌导 热油的处理，还能够进一步提高海底热流长期观测探针测试外部温度的准确性。

附图说明

图1是本发明的海底热流长期观测探针整体结构示意图。

图2是探针长杆内部结构示意图。

图3是探针仓体内部结构示意图。

图4是固定杆结构的示意图。

图5是固定杆与探针的装配图。

图6是本发明海底热流长期观测探针灌入导热油方法示意图。

图中标记说明如下：

1、探针长杆；2、探针仓体；3、探针头；4、测温电路板；5、电缆接头出 口；6、导热油灌油口；7、温度传感器；8、温度探头；9、热对流屏蔽片；10、 灌油导管；11、固定杆；12、通孔。

具体实施方式

以下结合附图进一步详细说明本发明的海底热流长期观测探针及其使用方 法。

如图1所示，一种海底热流长期观测探针，它主要由探针长杆1和探针仓 体2构成；所述的探针长杆1为中空结构的圆柱，其一端与所述的探针仓体2 通过螺纹连接，其另一端由可拆卸的圆锥状探针头3封闭，采用圆锥状结构的 探针头3以便于深入到海底沉积物中；如图1和3所示，所述的探针仓体2内 部设有测温电路板4，外部设有电缆接头出口5和导热油灌油口6；如图2所示， 所述的热流探针内部设有至少4个温度传感器7，其一端的温度探头8在所述的 探针长杆1内部空间沿轴向等间距分布(每两个温度探头8之间间隔30cm)其 另一端深入所述的探针仓体2内固定并通过导线与测温电路板4相连(参见图1、 3、4)，以将温度传感器7所述测得的温度由测温电路板4进行输出；在所述的 探针长杆1内，每两个所述的温度探头8之间设置2个沿探针长杆1径向(即 垂直于探针长杆1的中轴)分布的热对流屏蔽片9(每两个相邻热对流屏蔽片9 之间间隔10cm)，所述的热对流屏蔽片9是聚丙烯纤维以放射状形式构成的圆 片型毛刷；所述的测温电路板4输出的温度数据通过电缆-电缆接头出口5-电缆 与外部主控系统相连；所述的导热油灌油口6通过灌油导管10通向所述的探针 长杆1内部。

在所述的海底热流长期观测探针内部进一步设置一的固定杆11，如图4和 5所示，所述的固定杆11是一端套有中空螺栓的细长杆，其无螺栓部分处于所 述的探针长杆1内部，贯穿整个探针长杆1(参见图1)并与所述的探针头3螺 纹连接(参见图2)，在另一端的螺栓头部围绕细长杆与螺栓头部连接的位置开 设与温度传感器7数量相等的通孔12；所述的中空螺栓与探针长杆1和探针仓 体2相连的位置通过螺纹连接(参见图3，可以是将中空螺栓和探针长杆1分别 与探针仓体2螺纹连接，也可以是中空螺栓穿过探针仓体2与探针长杆1连接， 即保证三者的探针长杆1的另一端连接即可)；所述的热对流屏蔽片9与温度传 感器7的温度探头8均固定在所述的固定杆的细长杆上，温度传感器的另一端 穿过所述通孔进入所述的探针仓体内(参见图3)。

所述的各螺纹连接处、所示的电缆接头出口、导热油灌油口、以及探针长 杆内部与探针仓体内部之间的各种接口处都进行水密处理，例如可以使用橡胶 密封圈、强力胶水等进行水密处理。

其使用方法是：在进行海底热流长期观测探测前，如图6所示，先将本发 明所述的海底热流长期观测探针平放，从所述的导热油灌油口6通过灌油导管 向所述的探针长杆1内部灌入导热油，同时打开所述的可拆卸圆锥状探针头3 (即将探针头3从探针长杆1取下)，待导热油从探针头3处溢出后关闭探针头 3(即将探针头3与探针长杆1紧固)，继续灌油至整个探针长杆1内部空间充 满导热油并从导热油灌油口6溢出，封闭导热油灌油口6，再按照常规方法将所 述的海底热流长期观测探针安装在自浮式海底热流长期观测基站的抛弃部分， 用于海底热流探测。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限 制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本 案的专利范围中。