Термобуровой пробоотборник

 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при бурении скважин в ледовых покровах, для взятия проб, связанных с изучением природы подледниковых водоемов, их происхождения и прошлого состава вод, а также возможности существования в них каких-либо форм жизни. Техническим результатом является повышение надежности работы устройства и обеспечение экологической безопасности вскрытия подледниковых озер. Устройство содержит корпус с системой датчиков, тепловую коронку и кабельный замок, соединенный с пультом управления. Корпус снабжен двумя датчиками давления, расположенными внутри корпуса на разных уровнях, и пакером, размещенным на наружной поверхности корпуса между датчиками давления и соединенным через клапан с насосом. Тепловая коронка снабжена термоиглой с контактным датчиком-выключателем на ее верхнем конце и плавкой насадкой на нижнем, с которой соединен нижний датчик давления. Корпус коронки выполнен Т-образной формы с конусной нижней полочкой. Благодаря этому повышается надежность работы устройства, исключается загрязнение подледниковых водоемов. 2 ил.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано для взятия проб льда и воды при бурении скважин в ледниковых покровах, а также для асептического вскрытия подледниковых водоемов с последующей надежной изоляцией от вышерасположенного ствола скважины с заливочной жидкостью.

Известно устройство по авторскому свидетельству 1458756, G 01 N 1/02, публ. БИ 6, 1989, "Пробоотборник" для получения проб изо льда для последующих микробиологических или других видов исследований, связанных с изучением различных горизонтов ледниковых покровов и требующих стерильности процесса отбора проб.

Пробоотборник состоит из узлов: отбора пробы, размыва, нагревателей, стерилизации, блока управления. Недостатком этого устройства является сложность конструкции и опасность загрязнения подледниковых водоемов.

Известно также устройство для проникновения через ледяную оболочку в водную среду, принятое за прототип - криобот: В.X. Хэнкок, К.С. Куивинен, Дж. Р. Келти, Б. Л. Хансен. "Бурение методом горячей воды скважины доступа и технология термического зонда, разработанные в университете Небраска - Линкольн. " - Изучение озера Восток: научные задачи и технологии. Тезисы докладов Международного совещания (24-26 марта 1998 года, ААНИИ, Санкт-Петербург, Россия), 1998, с. 90.

Криобот, имеющий длину около 2 м при диаметре в 100-200 мм, связан со станцией, расположенной на поверхности, сверхтонким кабелем, выполняющим несущую и коммуникационную функции. Прохождение криобота вниз через ледяную толщу обеспечивается им самим в результате нагревания и плавления льда и благодаря собственному весу. При движении кабель будет разматываться с катушки, помещенной внутри криобота, и оставаться вмороженным в лед позади устройства. Внутри корпуса криобота находится гидробот, в котором размещается комплекс измерительной и аналитической техники, датчики, которые по ходу движения определяют основные характеристики ледовой толщи. В момент контакта криобота с водным слоем гидробот отделяется и начинает самостоятельные исследования водной толщи, передавая информацию на криобот по кабелю.

Для доставки криобота на максимально возможную глубину, чтобы сократить расстояние до поверхности озера, требуется бурение новой скважины. В противном случае в криоботе необходимо поместить катушку со сверхтонким многожильным кабелем. Мощность антарктического ледника в районе озера Восток 4000 м, однако возможность проникновения в озеро с помощью криобота даже с глубины 3000 м представляется крайне сомнительной не только из-за проблемы размещения в криоботе кабеля необходимой длины, но и из-за трудностей в обеспечении вертикальной направленности движения криобота, стабильности и эффективности процесса плавления льда под его рабочим торцом.

Недостатком устройства является сложная и недостаточно надежная конструкция и опасность загрязнения подледникового озера, так как по завершении исследований предполагается оставление гидробота в озере.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, то есть повышение надежности работы устройства, и обеспечение экологической безопасности вскрытия подледниковых озер.

Задача решается тем, что термобуровой пробоотборник, содержащий корпус с системой датчиков, тепловую коронку и кабельный замок, соединенный с пультом управления, характеризуется тем, что корпус снабжен двумя датчиками давления, расположенными внутри корпуса на разных уровнях, и пакером, размещенным на наружной поверхности корпуса между датчиками давления и соединенным через клапан с насосом, а тепловая коронка снабжена термоиглой с контактным датчиком-выключателем на ее верхнем конце и плавящей насадкой на нижнем, с которой соединен нижний датчик давления, причем корпус коронки выполнен Т-образной формы с конусной нижней полочкой.

Благодаря этому повышается качество отбираемой пробы и исключается загрязнение подледниковых водоемов.

Термобуровой пробоотборник поясняется чертежами, где на фиг.1 - продольный разрез термобурового пробоотборника; на фиг.2 - схема проникновения в подледниковое озеро термобуровым пробоотборником.

Термобуровой пробоотборник содержит тепловую коронку 1 с термоиглой 2, цилиндрический корпус 3 и кабельный замок 4.

Тепловая коронка включает термоиглу с контактным датчиком 5, состоящим из штока 6, пружины 7 и конечного выключателя 8. На нижнем конце термоигла имеет плавящую насадку 9.

В корпусе пробоотборника размещен пакер 10, насос 11, клапан 12, датчики давления 13, 14 и нагрузки 15, электронный блок 16 с электроотсеком 17. Корпус представляет собой толстостенную трубу, на его наружной поверхности между датчиками давления 13 и 14 находится пакер 10, приводимый в действие насосом 11 через клапан 12. В верхней части корпуса закреплен электроотсек 17 с датчиком нагрузки на забой 15 и электронный блок 16.

С наземным пультом управления пробоотборник соединен грузонесущим кабелем 18, который закреплен в кабельном замке 4. Рабочие и контрольные жилы 19 грузонесущего кабеля подключены к электронному блоку управления 16.

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 его ход.

Устройство работает следующим образом. После проходки скважины в ледовой толще ледника для бурения оставшейся части до контакта с поверхностью подледникового озера на забой скважины опускается термобуровой пробоотборник на грузонесущем кабеле 18. При бурении нижняя поверхность термоиглы 2 длиной, например, 2 метра и конусная поверхность тепловой коронки 1 находятся в постоянном контакте с ледяным забоем. Термоигла 2 формирует под термоотборником пилот-скважину, диаметр которой в 3-4 раза меньше, чем диаметр основной скважины. Когда термоигла 2 дойдет до поверхности озера, опора под ней исчезнет, на что среагирует контактный датчик 5. Шток 6 опустится вниз под действием собственного веса и усилия пружины 7, воздействуя на конечный выключатель 8. Сигнал от конечного выключателя 8 поступит через электронный блок 16 на пульт управления на поверхности и даст команду на вкючение пакера 10 для изоляции призабойной зоны от остальной части скважины с заливочной жидкостью, на выключение питания коронки и на приостановление движения пробоотборника. При этом произойдет немедленная остановка процесса бурения. В тот же момент в соответствии с показаниями датчиков (контактного 5, датчиков нагрузки на забой 15 и датчиков давления 13 и 14 под торцом термоиглы 2 и над пакером 10) будет оценена разность давления, создаваемого столбом заливочной жидкости в скважине и воды в озере.

В случае если давление заливочной жидкости меньше или равно давлению воды в озере (Р_ж≤Р₀), в момент контакта с поверхностью озера начнется движение воды вверх, вдоль поверхности термоиглы 2. Дальнейший подъем воды в ствол скважины на заданную высоту происходит при подъеме пробоотборника.

Если давление жидкости в скважине будет выше давления в озере (Р_ж>Р₀), датчик давления 13 под торцом термоиглы 2 покажет давление ниже, чем датчик давления 14 над пакером 10. При этом под действием разности давлений пробоотборник будет автоматически прижат к забою. Нижняя конусная поверхность тепловой коронки 1 будет придавлена к уступу забоя, и предлагаемое устройство сыграет роль клапана, изолирующего озеро от скважины. Пакер 10 в этом случае будет играть вспомогательную роль, повышая надежность изоляции озера от вышерасположенного ствола скважины с заливочной жидкостью. По показаниям датчиков давлений 13 и 14 будет определяться величина избытка давления столба заливочной жидкости. Для приведения ситуации к первому варианту (Р_ж≤Р₀), из скважины будет извлечена необходимая часть жидкости, что будет контролироваться показанием датчика давления 14 над пакером 10. После создания условий превышения давления в озере над давлением в скважине будет начат подъем пробоотборника с одновременным подъемом озерной воды в скважину на высоту, определяемую величиной недокомпенсации горного давления, после чего работы в скважине прекращаются на период замерзания внедрившейся в скважину озерной воды. Затем производится отбор части льда, образовавшегося из озерной воды, электромеханическим буровым снарядом. Остаток льда не разбуривается, что обеспечивает полную изоляцию ствола скважины от поверхности озера и устраняет опасность его загрязнения, чему способствует также очищение пробоотборника и кабеля талой водой в процессе протаивания льда пробоотборником и образования буферного слоя, столб которого располагается ниже заливочной жидкости.

Формула изобретения

Термобуровой пробоотборник, содержащий корпус с системой датчиков, тепловую коронку и кабельный замок, соединенный с пультом управления, отличающийся тем, что корпус снабжен двумя датчиками давления, расположенными внутри корпуса на разных уровнях, и пакером, размещенным на наружной поверхности корпуса между датчиками давления и соединенным через клапан с насосом, а тепловая коронка снабжена термоиглой с контактным датчиком-выключателем на ее верхнем конце и плавящей насадкой на нижнем, с которой соединен нижний датчик давления, причем корпус коронки выполнен Т-образной формы с конусной нижней полочкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2