УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ПРОБ КОМПОНЕНТОВ ЖИВЫХ СИСТЕМ В ЛЕДНИКОВЫХ И ПОДЛЕДНИКОВЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ

Полезная модель относится к буровой технике и может быть использована для проходки вертикальных, горизонтальных и наклонных скважин во льду сплошным забоем с отбором керна в ледовых толщах районов Арктики и Антарктики.
Известно устройство для бурения-плавления скважин во льду [1], выполненное в виде коронки, содержащей полый кольцевой корпус-нагреватель, пароподводящую и конденсатотводящую трубки. Однако в такой коронке наличие радиальных перегородок создает появление застойных непрогретых зон, вызывающих неравномерное распределение тепла по поверхности, что приводит к неравномерному протаиванию стенок скважины, искривлению ее ствола, малой скорости и глубины бурения, невозможности бурения наклонных и горизонтальных скважин.
Известно также устройство для электротермического бурения скважин во льду [2], которое содержит корпус, нагревательную коронку, в торцевой части которой расположены кольцевые и радиальные канавки, соединеные между собой. Однако известное устройство имеет сильное экранирующее действие водяной прослойки под торцом нагревателя в месте расположения кольцевых и радиальных канавок, вследствие того, что отвод тепла от нагревателя в воду весьма интенсивен за счет естественной конвенции, в связи с чем, происходит нерациональное использование тепла на протаивание стенок скважины. Это устройство, следует отнести, скорее всего, к устройствам, негативное влияющих на эффективность процесса бурения-плавления. Кроме того, известное устройство не позволяет, при повышении мощности нагревателя увеличить скорость и глубину бурения, бурить наклонные и горизонтальные скважины.
Известно также устройство [3], содержащее корпус с нагревательным элементом, кожух на корпусе-нагревателе с зазором L>0,02D, где D - диаметр коронки, с образованием внутренней полости, окна в нижней части кожуха для талой воды. Несмотря на снижение отвода тепла в стенки скважины и концентрацию тепловой энергии непосредственно на плавлении льда, в зоне забоя не удается уменьшить толщину и экранирующее действие водяной прослойки под торцом нагревателя, что снижает КПД устройства, приводит к искривлению скважины и, как следствие, к увеличению ее диаметра. Поэтому конструкция известного устройства не дает возможности увеличения скорость бурения. Кроме того, известное устройство ограничено в направлении бурения, т.к. его конструкция не позволяет бурить наклонные и горизонтальные скважины с отбором керна.
Известно устройство для электротермического бурения-плавления скважин во льду с отбором керна [4], которое является наиболее близким к заявляемой полезной модели, принятое в качестве прототипа. Устройство содержит корпус нагревателя в виде литого цилиндрического кольца с параболической формой нижней торцовой части, кольцевые канавки, каналы на цилиндре корпуса, соединенные с насосом через водоотводящие трубки.
Недостатком известного устройства является низкая скорость бурения в режиме сплошного бурения на задаваемую глубину для отбора керна за счет того, что кольцевая термоголовка протаивает лед только по узкому периметру керна и поэтому не способна эффективно растопить лед самого керна. Поэтому устройство может взять керн только из забоя заранее пробуренной скважины. Откачивание талой воды вверх из зоны забоя сопровождается двумя встречными потоками вниз с верхних поверхностей корпуса, что существенно уменьшает разряжение в зоне забоя и осевое давление на забой, незначительно повышает скорость проходки, несмотря на более совершенный литой корпус кольца нагревателя с параболической формой нижней торцовой части. Еще одним недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет самостоятельно бурить наклонные и горизонтальные скважины с отбором керна.
Заявляемая полезная модель свободна от указанных недостатков. Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение скорости бурения в режиме сплошного забоя для самостоятельной (первой, стерильной) проходки на заданную глубину с отбором керна, а также реализация возможности бурения горизонтальных и наклонных скважин во льду с отбором керна.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для отбора проб компонентов живых систем в ледниковых и подледниковых отложениях, включающем трубчатый корпус, выполненный в виде литого цилиндрического кольца с расположенными внизу корпуса водоотводящими отверстиями и нагревательным элементом, выполненным в виде кольцевой термоголовки с забирающими каналами, в соответствие с заявленной полезной моделью, в верхней части корпуса дополнительно установлен второй нагревательный элемент, выполненный в виде кольцевой термоголовки с внутренними параболическими конусами, между ним и блоком управления с энергоинформационным кабелем пульта управления расположен гидронасос, на внешней поверхности корпуса установлена эластичная манжета на уровне блока управления и гидронасоса, а между нагревательным элементом, выполненным в виде кольцевой термоголовки с забирающими каналами, и вторым нагревательным элементом, выполненным в виде кольцевой термоголовки с внутренними параболическими конусами, расположен керноприемник, внутри которого установлены храповики для удержания керна.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что керноприемник выполнен из двух коаксиальных труб с зазором между ними, эластичная манжета выполнена с возможностью обжатия скважины, из которой отбирают пробу, а храповики для удержания керна выполнены из плоских пружин.
При бурении скважины в режиме сплошного забоя второй (дополнительный) нагревательный элемент, выполненный в виде кольцевой термоголовки с внутренними параболическими конусами, расположенный внутри корпуса, топит лед, проходящий через керноприемник, что создает условия, позволяющие заявленному устройству самостоятельно произвести дальнейшее бурение (добуривание) до заданного горизонта, в котором запланирован отбор керна.
Значительное увеличение скорости бурения-плавления обеспечивается за счет многократного увеличения силы давления термоголовки на забой, по сравнению с силой давления веса устройства, что резко уменьшает ламинарный слой водяной прослойки под торцом нагревателя и позволяет повысить его мощность без угрозы перегорания. Увеличение давления обеспечивается за счет установки эластичной манжеты на внешней поверхности корпуса с обжатием скважины изнутри. Эластичная манжета перекрывает внешний (между корпусом и скважиной) обратный ток талой воды в сторону забоя при откачке ее гидронасосом внутри корпуса из зоны забоя и, тем самым, сохраняет разность давлений насоса по разные стороны. Большая скорость движения уменьшает отвод тепла в стенки скважины, что уменьшает искривление ствола скважины.
При выключенном гидронасосе сама по себе манжета практически не препятствует движению устройства в скважине, но после включения насоса она распрямляется и герметично обжимает скважину изнутри
Сохранность целостности керна при доставке его на поверхность скважины обеспечивает двойная стенка керноприемника. Подобно термосу, зазор двойной стенки керноприемника заполнен газом или вакуумом. Внутри керноприемника установлены храповики, которые обеспечивают удержание керна от выпадения при подъеме.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется Фиг.1, на которой представлена ее схема.
Заявляемая полезная модель (Фиг.1) состоит из трубчатого, выполненного в виде литого цилиндрического кольца корпуса 1, нагревательного элемента, выполненного в виде кольцевой термоголовки 2 с забирающими каналами 3, отводящими талую воду в кольцевой зазор 4 между корпусом и керноприемником 5. Кольцевой зазор 4 в верхней части керноприемника соединен с гидронасосом 6 через водоотводящие каналы второго нагревательного элемента, выполненного в виде Кольцевой термоголовки 7 с внутренними параболическими конусами 8. На внешней поверхности корпуса в пазе установлена эластичная манжета 9 из силикона. В пазе манжета выполнено несколько отверстий 10 для выравнивания давления внутри манжеты и корпуса выше выходного отверстия гидронасоса 11. Внутренний блок управления 12 через энергоинформационный кабель 13, выходящий через водоотводящее отверстие 14 в корпусе, соединен с системой управления на поверхности скважины. Для уменьшения теплопроводности стенок керноприемника и придания ему свойств термоса с целью сохранения целостности керна льда, керноприемник выполнен из двух коаксиальных труб заваренных с торцов, зазор 15 между ними заполнен газом или вакуумом, а внутри керноприемника предусмотрены храповики 16 для удержания керна.
Работа заявляемой полезной модели осуществляется следующим образом:
Для извлечения керна льда из ледяного массива на заданной глубине необходимо:
1. Пробурить устройством скважину на заданную глубину в режиме сплошного забоя.
2. На заданной глубине отделить керн от основного массива льда.
3. Поднять устройство на поверхность скважины с возможно минимальной деформацией керна.
В процессе бурения-плавления скважины включены гидронасос 6 и оба нагревательные элемента, один из которых выполнен в виде кольцевой термоголовки 2 с забирающими каналами, а второй в виде кольцевой термоголовки 7 с внутренними параболическими конусами. Талая вода из забоев работающих указанных нагревательных элементов перекачивается внутри корпуса насосом в скважину в сторону, противоположную движению. В скважине на противоположных концах устройства возникает перепад давления талой воды, который герметично прижимает эластичную манжету к стенке скважины и перекрывает внешний (между корпусом и скважиной) ток воды в сторону забоя. На заданном горизонте (заданной глубине бурения) отключают нагревательный элемент, выполненный в виде кольцевой термоголовки 7, и после ее остывания (порядка несколько минут) отключают гидронасос 6. Осевое давление на забой уменьшается в сотню раз (до веса устройства, если скважина вертикальная, или до нуля, если скважина горизонтальная) и устройство останавливается с керном в керноприемнике, при этом нагревательный элемент, выполненный в виде кольцевой термоголовки 2 с забирающими каналами и расположенный в нижней части корпуса, работает. Тепло от нее рассеивается в основном в поперечном сечении скважины, размывается каверна талой воды за счет естественной конвенции и керн отсоединяется от окружающего массива льда. После этого, отключают нижнюю термоголовку 2, а устройство с керном поднимают на поверхность скважины. Для исключения выпадения керна в нижней части керноприемника 5 установлены храповики 16, например, из плоских пружин, которые во время образования каверны дополнительно впаиваются в периметр керна и блокируют его от выпадения из керноприемника.
Заявленная полезная модель была апробирована в полевых условиях в режиме реального времени во время участия сотрудников Санкт-Петербургского государственного университета и Российской Антарктической экспедиции. В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата заявляемой полезной модели - повышение скорости и эффективности отбора проб компонентов живых систем на задаваемые глубины из ледниковых и подледниковых толщ Антарктиды.
Тестовые режимы работы устройства для отбора проб приведены в конкретных примерах.
Пример 1.
В зависимости от мощности насоса перепад давления может достигать десятков атмосфер. При этом термоголовки давят на забои с силой, равной произведению площади скважины на перепад давления насоса. Например, при давлении гидронасоса 10 атм. в скважинах диаметром 5 см и 10 см сила давления термоголовок на забой составила 200 кгс и 800 кгс, что почти в 100 раз превышает вес самого устройства, и гравитация практически не влияет на его движение. Это позволило бурить плавлением скважины во льду в любом направлении - вниз, горизонтально и под любыми углами. Благодаря почти 100 кратному увеличению силы давления (по сравнению с силой давления просто веса устройства) ламинарный слой водяной прослойки под торцами термоголовок стремился к нулю, что значительно повысило КПД термоголовки устройства и позволило значительно повысить мощность нагревателя.
Пример 2.
С учетом примера 1, после извлечения керна на поверхность скважины, устройство вновь опускали в скважину, включали насос, после чего устройство быстро достигало забоя, в конце которого отбирали новый керн.
Пример 3.
С учетом примеров 1 и 2, после отбора второго керна, устройство вновь опускали в скважину, что позволило достаточно быстро пробуриться до нового горизонта ледовой толщи с последующим извлечением нового керна.
Как показали результаты испытаний, проведенных во время экспедиции в реальных ледниковых условиях, заявляемая полезная модель позволяет получать керны льда с компонентами живых систем из мерзлых отложений с высокой скоростью, высокой эффективностью отбора проб, с низкими затратами энергии, что крайне важно в случае передвижных экспедиционных условий при перемещении, например, автопоездов Российской Антарктической экспедиции. Возможно также стационарное использование заявленного устройства для мониторинга развития гляциологических процессов на купольных ледниках в районах расположения полярной инфраструктуры.
Список использованной литературы;
1. SU №564419 (авторское свидетельство «Устройство для бурения скважин во льду с отбором керна»)
2. SU №1078068 (авторское свидетельство «Устройство для электротермического бурения скважин»)
3. RU №2209918 (патент РФ «Коронка для бурения-плавления льда»)
4. SU №1149670 (авторское свидетельство «Устройство для электротермического бурения-плавления скважин во льду с отбором керна») - прототип