Устройство для отбора пробы воды из подледных водоемов
DEVICE FOR SAMPLING WATER FROM SUBGLACIAL WATER BODIES

Изобретение относится к устройствам для отбора проб из подледных водоемов для изучения микробиологического и геохимического состава воды.
Устройства такого назначения работают в особых условиях, особенно это касается работ, проводимых в Антарктиде при взятии проб из озер, покрытых толщей льда:
- скважина имеет небольшой диаметр (<150 мм) и глубину в несколько километров;
- скважина заполнена буровой жидкостью с температурой на несколько десятков градусов ниже температуры замерзания воды;
- давление в озере достигает нескольких сотен атмосфер;
- опускание устройства в скважину производится с помощью грузонесущего электрического кабеля.
К конструкции устройства предъявляются следующие требования:
- процесс отбора воды должен быть стерильным;
- попадание буровой жидкости в озеро и в пробу воды должно быть исключено;
- при подъеме пробы воды она не должна превращаться в лед;
- объем пробы воды должен быть более 1 литра.
Известно устройство по авторскому свидетельству №1488717 "Устройство для отбора жидких проб из ледовых массивов". Устройство предназначено для получения проб из льда для последующих микробиологического анализа и других видов исследований, требующих стерильности процесса отбора проб. Устройство состоит из узлов: отбора пробы, размыва, нагревателей, герметизации, блока управления.
Недостатком этого устройства является сложность конструкции и вероятность загрязнения подледных водоемов посторонней микрофлорой, а также то, что воду для анализа получают в виде проб из льда.
Известно устройство по патенту РФ №2182225 "Термобуровой пробоотборник" для взятия проб льда и воды при бурении скважин в ледниковых покровах, а также асептического вскрытия ледниковых водоемов с последующей надежной изоляцией от выше расположенного ствола скважины, заполненного заливочной жидкостью. [2]
Корпус пробоотборника представляет собой толстостенную трубу и связан с наземным пультом управления грузонесущим кабелем. Рабочие и контрольные жилы грузонесущего кабеля подключены к электронному блоку управления. Система датчиков и электронный блок обеспечивают необходимый режим и технологию отбора пробы, постоянный контроль за ходом процесса пробоотбора в скважине и возможность оперативного вмешательства оператора с наземного пульта в процессе пробоотбора. После проходки скважины в ледовой толще, для бурения оставшейся части до контакта с поверхностью подледникового озера, на забой скважины опускается термобуровой пробоотборник на грузонесущем кабеле. При бурении нижняя поверхность термоиглы и конусная поверхность тепловой коронки находится в постоянном контакте с ледяным забоем. Когда термоигла дойдет до поверхности озера, среагирует контактный датчик. Далее сигнал поступает на пульт управления и оттуда дается команда на выключение питания коронки и остановку процесса бурения. В тот же момент с помощью показаний специальных датчиков оценивается разность давлений между столбом заливочной жидкости в скважине и воды в озере. В случае, если давление заливочной жидкости меньше или равно давлению воды в озере, подъем воды в ствол скважины на заданную высоту происходит при подъеме пробоотборника. Если давление жидкости в скважине будет выше давления в озере, проводится ряд мероприятий по приведению имеющихся условий к требуемым, при этом процесс приведения контролируется оператором с помощью предусмотренных для этого датчиков. После создания условий превышения давления в озере над давлением в скважине пробоотборник поднимают на определенную высоту, и одновременно поднимается озерная вода в скважину. После чего работы в скважине прекращают на период замерзания поднявшейся в скважину озерной воды. Затем берут пробу льда, образовавшегося из озерной воды, электромеханическим буровым снарядом. Остаток льда не разбуривается, что обеспечивает полную изоляцию ствола скважины от поверхности озера и тем самым устраняется опасность его загрязнения.
Недостатки устройства следующие:
1) сложность конструкции пробоотборника, недостаточно проработанная технология отбора пробы, требующая впоследствии применения бурового снаряда для извлечения замерзшей воды в качестве пробы, что загрязняет отбираемую пробу;
2) невозможность отбора жидкой пробы воды, тогда как для микробиологических исследований особый интерес представляют пробы воды, не подвергавшиеся замораживанию.
В качестве прототипа рассмотрено устройство по патенту РФ №2244913 "Устройство для отбора проб из подледных водоемов" [3].
Устройство содержит: цилиндрический корпус, в котором смонтированы нижний и верхний нагреватели, грузонесущий кабель для выполнения спуско-подъемных операций, кабельный замок для крепления устройства на грузонесущем кабеле, блок электроразъемов, блок, содержащий набор параллельно соединенных кассет, в каждой из них находится микробиологический фильтр (например: поликарбонатный фильтр 0,23 мкм), два электромагнитных клапана для изоляции исследуемой пробы от окружающей среды и насос для прокачки исследуемой воды через блок, трубу для выливания отфильтрованной воды в озеро.
Устройство работает следующим образом. После проходки скважины через ледовую толщу и вскрытия скважиной подледного водоема буровой снаряд извлекается из скважины. При этом определенная часть воды поднимается в скважину до выравнивания давлений в водоеме и столба заливаемой жидкости в скважине. Затем через скважину в исследуемый водоем опускается устройство для отбора проб с предварительно простерилизованным блоком фильтров на заданную глубину, посредством грузонесущего кабеля. Так как за время спуско-подъемных операций вода, поднявшаяся в скважину, может намерзнуть на стенках скважины, устройство опускают с включенным нижним нагревателем. На заданной глубине, открываются электромагнитные клапаны, включают насос, обеспечивающий поступление подледниковой воды во внутренний сосуд, который прокачивает исследуемую воду через блок, содержащий набор параллельно соединенных кассет с микробиологическими фильтрами - (узел для приема пробы исследуемой воды),. При этом вода прокачивается через все кассеты этого блока фильтров параллельно, благодаря чему суммарная площадь фильтров при сравнительно небольшом диаметре пробоотборника позволяет значительно увеличить объем исследуемой пробы. Профильтрованная вода через трубу попадает обратно в озеро. По окончании процесса пробоотбора оба электромагнитных клапана закрывают, выключают насос, и устройство извлекают из скважины. При подъеме устройства включают верхний нагреватель, который калибрует скважину в случае намерзания воды, поднявшейся из подледного водоема в нижнюю часть скважины. После извлечения устройства из скважины из него вынимается блок с кассетами вместе с электромагнитными клапанами, находящимися в закрытом положении и передается для исследования специалистам.
Недостатки устройства.
1) Устройство не обеспечивает качественный отбор пробы. Это связано с наличием открытой полости перед впускным клапаном, которая при опускании устройства через скважину будет наполняться содержащейся в скважине буровой жидкостью. При открытии клапана и включении насоса порция буровой жидкости из полости поступит на стерильные фильтры и загрязнит их.
2) Порция буровой жидкости, содержащаяся в полости перед входным клапаном проходит через устройство и через насос и выпускной клапан поступает в озеро, что приведет к загрязнению подледного водоема.
3) Не предусмотрена очистка наружного корпуса устройства от следов буровой жидкости после прохождения устройством скважины, заполненной буровой жидкостью. Буровая жидкость с наружных стенок корпуса поступит в озеро, что приведет к загрязнению подледного водоема.
4) Наличие активных механических устройств: насоса и клапанов, снижает надежность устройства в условиях высокого давления в подледных водоемах.
Техническим эффектом заявляемого изобретения является обеспечение более качественного и экологически чистого отбора пробы воды из подледного водоема и доставку пробы на поверхность в жидком состоянии при отсутствии в конструкции электромеханических устройств и перепадов давлений на стенках устройства.
Технический эффект достигается за счет того, что в устройстве для отбора проб воды из подледных водоемов, включающем наружный корпус, расположенный внутри него внутренний сосуд для отбора пробы исследуемой воды, нагреватели, отверстия в наружном корпусе и внутреннем сосуде, причем верх наружного корпуса имеет средства для закрепления подъемного механизма, а отверстие в дне наружного корпуса предназначено для забора анализируемой воды, новым является то, что наружный корпус и внутренний сосуд установлены с некоторым зазором, а внутри сосуда для отбора пробы воды установлен поршень с электромагнитом, и на боковой поверхности в верхней части внутреннего сосуда выполнено отверстие для поступления анализируемой пробы воды внутрь сосуда, в дне внутреннего сосуда выполнено другое отверстие, предназначенное для слива воды в наружный корпус, причем внутренний сосуд снабжен крышкой с буртиком, герметично охватывающим наружную часть внутреннего сосуда, и крышка с буртиком установлена на внутреннем сосуде с образованием зазора вверху, а в зазоре между наружным корпусом и внутренним сосудом расположена трубка, которая является пробоотборной, один конец которой выведен с обеспечением герметичности наружу через отверстие в дне наружного корпусе, причем верхняя часть крышки внутреннего сосуда имеет два сквозных отверстия с заглушками, а внутри буртика крышки по всей его высоте выполнено сквозное вертикальное отверстие, в которое герметично входит второй конец пробоотборной трубки, и вбок от этого отверстия в буртике по направлению к внутреннему сосуду выполнено два отверстия, первое из которых совмещено с отверстием на стенке в верхней части внутреннего сосуда для поступления анализируемой пробы воды, а второе отверстие в буртике совмещено с верхним зазором между крышкой и краем внутреннего сосуда для обеспечением сообщения с зазором между внутренним сосудом и наружным корпусом, и нагревательные элементы установлены на наружной части пробоотборной трубки и в зазоре между наружным корпусом и внутренним сосудом, электромагнит поршня имеет кабель, выведенный на поверхность льда водоема.
В устройстве для отбора проб воды из подледных водоемов между наружным корпусом и внутренним сосудом предусмотрена теплоизоляция.
В устройстве для отбора проб воды из подледных водоемов одно из отверстий в верхней части крышки внутреннего сосуда обеспечивает подачу сверхчистого газа, например, аргона внутрь сосуда, а другое отверстие в верхней части крышки внутреннего сосуда обеспечивает стерильное удаление отобранной исследуемой пробы воды из внутреннего сосуда наружу.
На фиг. 1 - вид устройства перед забором пробы воды из озера (поршень вверху).
На фиг. 2 - вид устройства после забора пробы воды из озера (поршень внизу).
На фиг. 3 - вид устройства в момент удаления отобранной пробы из внутреннего сосуда (поршень внизу).
Устройство содержит: 1 - внутренний сосуд для отбора пробы воды; 2 - крышка на внутреннем сосуде, 2-а - буртик на крышке (крышка с буртиком герметично охватывет наружную часть внутреннего сосуда и установлена на внутреннем сосуде с обеспечением зазора вверху); 3 - отверстие с заглушкой на крышке для удаления пробы исследуемой воды из внутреннего сосуда (1); 4 - отверстие с заглушкой на крышке (2) для подачи газа во внутренний сосуд; 5 - магнит во внутреннем сосуде; 6 - поршень, установленный внутри внутреннего сосуда; 7 - отверстие в дне внутреннего сосуда; 8 - отверстие в верхней боковой части внутреннего сосуда; 9 - наружный корпус, наружный корпус и внутренний сосуд установлены с некоторым зазором; 10 - отверстие в дне наружного корпуса; 11 - пробоотборная трубка, расположенная в зазоре между наружным корпусом (9) и внутренним сосудом (1); 12 - второе боковое отверстие в буртике между крышкой (2) и краем внутреннего сосуда (1) для обеспечения связи с зазором между внутренним сосудом и наружным корпусом; 13 - первое боковое отверстие в буртике (2,а), совпадающее с боковым отверстием (8) на стенке внутреннего сосуде; 14 - температурный датчик; 15 - нагревательный элемент; 16 - наружный нагревательный элемент на конце пробоотборной трубки (11), проходящей через отверстие (10) в дне наружного корпуса (9); 17 - теплоизоляция.
Состояние устройства перед погружением в скважину представлено на фиг. 1. Предварительно все устройство (наружный корпус 9 и внутренний сосуд 1) проходит стерильную подготовку. Поршень 6 удерживается постоянным магнитом 5 в верхнем положении. Внутренний сосуд 1 и наружный корпус 9 наполняются сверхчистой водой. Вода через отверстие 4 поступает в боковое отверстие 12 в буртике (2,а) между крышкой (2) и краем внутреннего сосуда (1), необходимым для обеспечения сообщения с зазором между внутренним сосудом и наружным корпусом, откуда через отверстия 13 (в буртике) и 8 (внутренний сосуд) заливается во внутренний сосуд 1 и через отверстие 7 (в дне внутреннего сосуда) заполняет наружный корпус 9. При этом в процессе заполнения водой наружный конец пробоотборной трубки 11 закрыт.После заполнения водой на конце трубки 11 в месте расположения нагревателя 16 намораживается ледяная пробка для того, чтобы конец пробоотборной трубки во время погружения в скважину с буровой жидкостью был закрыт и оставался чистым. Расположение ледяной пробки на нагревателе 16 обеспечивает ее надежное удержание. Отверстие 4 в крышке закрывается пробкой. Наружный корпус 9 прикручивается к буровой трубе с несущим кабелем. Токопроводящие жилы несущего кабеля соединяются с проводами электрических нагревателей 15, 16 температурного датчика 14 и проводами магнита 5. После этого устройство готово к погружению в скважину.
Устройство предназначено для отбора пробы подледной воды, которая поступает из озера в нижнюю часть пробуренной скважины. Устройство не опускается в подледное озеро для отбора пробы воды, что обеспечивает сохранение экологической чистота водоема.
Для предотвращения замерзания воды в устройстве во время погружения в скважину при прохождения им холодной буровой жидкости с температурой значительно ниже температуры затвердевания воды внутри наружного сосуда 9 располагается теплоизоляция 17. Температура воды в устройстве в процессе опускания контролируется температурным датчиком 14, и по его сигналу производится включение и выключение нагревателя 15.
После доставки устройства в нижнюю часть скважины, которая заполнена водой из озера включается нагреватель 16 и производится плавление пробки на конце пробоотборной трубки 11. После расплавления пробки кратковременно подается напряжение на магнит 5, и поршень 6 собственным весом начинает опускаться внутри сосуда 1, выталкивая из него сверхчистую воду через отверстие 7 в дне сосуда 1 в наружный корпус 9 и всасывая озерную воду через пробоотборную трубку 11 через отверстия 8, 13 и 12 во внутренний сосуд 1. По достижении дна внутреннего сосуда 1 поршень 6 закрывает отверстие 7 на дне внутреннего сосуда, и процесс забора воды завершается. Пробоотборник готов к подъему. Состояние пробоотборника после забора пробы воды во внутренний сосуд представлено на фиг. 2. При нахождении устройства в скважине на элементах конструкции отсутствуют перепады давления, что снижает вес конструкции и позволяет опускать устройство на несущем кабеле на большие глубины - несколько километров.
Температура воды в устройстве в процессе подъема контролируется температурным датчиком 14, и по его сигналу производится включение и выключение нагревателя 15, т.е. вода не замораживается. Нагреватели 15 и 16 включены постоянно до момента извлечения пробоотборника из скважины. После извлечения пробоотборника из скважины производится отключение электрических проводов пробоотборника от жил несущего кабеля, отсоединение наружного корпуса 9 от буровой трубы с несущим кабелем. Пробоотборник переносится в чистое помещение для извлечения пробы озерной воды.
Работа устройства при удалении из него пробы воды представлено на фиг. 3.
Пробоотборная трубка 11 закрывается заглушкой 20. Из отверстия 3 удаляется заглушка и в него до поршня 6 погружается переливная трубка 18. Трубка 18 гибким шлангом соединяется со стерильной емкостью для отбираемой пробы воды. Из отверстия 4 удаляется заглушка и в него вставляется трубка подачи газа 19. Сверхчистый газ аргон подается из баллона через редуктор в трубку 19 и выдавливает воду из внутреннего сосуда 1 через переливную трубку 18 в стерильную емкость для воды. После завершения удаления озерной воды из внутреннего сосуда 1, трубки 18 и 19 удаляются, а отверстия 3 и 4 закрываются пробками.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает более качественный отбор воды поскольку в момент отбора пробы исключено попадание буровой жидкости с наружных стенок устройства в пробоотборный сосуд. Устройство не опускается в подледное озеро для отбора пробы воды, а отбирается из нижней части скважины, которая заполнена водой из озера, что обеспечивает сохранение экологической чистоты водоема.
Литература
1. Авторское свидетельство №1488717 "Устройство для отбора жидких проб из ледовых массивов". МПК G01N 1/10, опубл. БИ №23, 1989.
2. Патент РФ №2182225 «Термобуровой пробоотборник». МПК G01N 1/02, опубл. 10.05.2002.
3. Патент РФ №2244913. «Устройство для отбора проб из подледных водоемов». МПК G01N 1/10, G01N 1/02, опубл. 20.01.2005. – прототип.