СПОСОБ БУРЕНИЯ И ВСКРЫТИЯ ПОДЛЕДНИКОВЫХ ОЗЕР Российский патент 2024 года по МПК E21B7/14 

Изобретение относится к области бурения скважин в ледниках и позволит обеспечить экологически чистый и быстрый доступ к подледниковым озерам в Антарктиде. На южном континенте обнаружено более 400 подледниковых озер. Вскрытие подледниковых озер должно проводиться в соответствии с кодексом поведения научного комитета по антарктическим исследованиям для разведки и исследования подледниковой водной среды (SCAR's Code of Conduct for the Exploration and Research of Subglacial Aquatic Environments) [1]. Предлагаемый способ может найти научно-практическое применение в лимнологии, микробиологии, геологоразведке, изучении палеоклимата Земли и других областях науки. Через полученную этим способом экологически чистую скважину можно проводить отбор проб воды, донных осадков, изучать формы жизни в экстремальных условиях подледниковых озер, проводить физико-химические измерения in situ. Способ может быть использован для изучения самого большого в Антарктиде подледникового озера Восток и для установки внутри льда мониторингового оборудования с целью изучения динамики ледников.

Известен способ бурения ледника толщиной 3280 метров горячей водой для отбора проб воды и донных пород из подледникового озера Ellsworth в западной Антарктиде. Статья: М. SIEGERT, К. MAKINSON, D. BLAKE, М. MOWLEM, N. ROSS. An assessment of deep hot-water drilling as a means to undertake direct measurement and sampling of Antarctic subglacial lakes: experience and lessons learned from the Lake Ellsworth field season 2012/13. Annals of Glaciology 55(65) 2014 doi: 10.3189/2014AoG65A008 [2]. Процесс бурения заключается в следующем.

Вода из резервуара на поверхности поступает в нагреватели, а затем насосами высокого давления подается в гибкий трубопровод, намотанный на катушку, с которой он вертикально опускается в скважину. Горячая вода по гибкому трубопроводу через сопло на его конце подается в забой скважины, что приводит к плавлению льда и углублению скважины. Вода поднимается по скважине и поступает в подледную полость большого объема, откуда погружным насосом подается обратно в поверхностный резервуар для повторной циркуляции. Чтобы исключить поступление воды, используемой для бурения, в озеро при его вскрытии, ее уровень должен поддерживаться ниже гидрологического уровня подледникового озера, который находится на глубине 270 метров. С этой целью рядом со скважиной внутри льда тем же способом проплавляется большая полость, которая соединяется со скважиной. Внутри полости размещается погружной насос для поднятия воды на поверхность и поддержания уровня ниже гидрологического. К недостаткам аналога можно отнести:

- попадание циркулирующей нагретой воды, подаваемой снаружи, в подледниковое озеро в момент его вскрытия, что нарушает его экологию и может привнести в изолированное озеро биоту из поверхностной среды;

- необходимость создания внутри льда полости большого объема, которая соединена со скважиной ниже гидрологического уровня воды, чтобы предотвратить попадание в озера большого количества наружной буровой воды и снизить негативное экологическое воздействие на подледниковое озеро;

- невозможность бурения глубоких скважин в ледниках, поскольку охлажденная поднимающаяся наверх вода намерзает на стенках в верхней наиболее холодной части скважины;

- невозможность остановки процесса бурения, что приведет к замерзанию воды в скважине;

Известен способ бурения и вскрытия подледниковых озер с применением теплового снаряда для бурения плавлением: патент на изобретение РФ №2700143 [3]. Устройство для бурения плавлением с одновременным или последующим расширением скважин во льду.

Процесс бурения заключается в следующем.

Тепловой снаряд для бурения плавлением включает коронку, выполненную в форме цилиндра с закругленными нижними краями и сплошной торцевой поверхностью из материала с высокой теплопроводностью. Внутри коронки выполнен коллектор. В нижней части коронки из коллектора выполнены дугообразные каналы, выходящие на поверхность коронки, расположенные диаметрально противоположно относительно друг друга. Внутри коронки жестко закреплен кольцевой нагревательный элемент. Верхняя часть коронки крепится к корпусу. Внутри корпуса устанавливается центральная двойная труба, состоящая из внутренней трубы, соединенной с коллектором и наружной трубы. На наружной трубе закреплен нагревательный элемент. К верхней части двойной трубы жестко закреплен насосный отсек, в котором установлен насос. Насосный отсек соединен с кабельным замком, в котором закреплен грузонесущий кабель.

После постановки снаряда на забой подается напряжение на кольцевой нагревательный элемент коронки при выключенном насосе, происходит контактное плавление льда. Когда талая вода в процессе углубки снаряда перекроет заборные окна над верхним торцом коронки, включается насос и нагревательный элемент. Вода, являющаяся теплоносителем, после подъема в зазоре двойной трубы подается насосом во внутреннюю трубу, из которой попадает в коллектор и выходит в затрубное пространство через дугообразные каналы. При циркуляции происходит постоянный нагрев теплоносителя. Ориентация именно дугообразных каналов обеспечивает закручивание потока воды вокруг оси скважины, что приводит к равномерному воздействию и распространению вихревых потоков (гидродинамических и тепловых) в призабойной зоне. При выключенном насосе устройством можно производить только бурение скважины без ее расширения. При стационарном размещении теплового снаряда на заданной глубине можно производить образование локальной полости (каверны), минимальной по высоте и максимальной по простиранию. Тепловой снаряд для бурения плавлением способен одновременно со стабильной проходкой скважины производить расширение ее сечения, а также вести образование локальных полостей.

К недостаткам аналога можно отнести невозможность бурения глубоких скважин, поскольку вода будет замерзать на стенках над тепловым буровым снарядом, что приведет к его блокированию в скважине. При большой толщине ледника тепловой снаряд может использоваться для вскрытия озера только после проходки льда другим способом, например, с заполнением скважины незамерзающей заливочной жидкостью.

Известен способ бурения и вскрытия подледниковых озер, описанный в патенте на изобретение РФ №2751030 «Способ бурения ледниковых скважин», рассмотренный в качестве прототипа [4].

Способ заключается в следующем.

В слой фирна устанавливается обсадная колонна, которая предотвращает утечку буровой силиконовой жидкости в проницаемый фирн. Погружной насос, установленный в емкости с незамерзающей силиконовой жидкостью, подает ее в насосную станцию высокого давления, откуда она поступает в устройство для нагрева жидкости, которое соединено с катушкой с присоединенным и намотанным на нее гибким трубопроводом. Гибкий трубопровод сматывается с катушки и через шкив опускается вертикально вниз. На конце гибкого трубопровода располагается сопло, выходя из которого струя нагретой силиконовой жидкости производит плавление льда в забое, формируя скважину. Образовавшаяся вода выносится силиконовой жидкостью по стволу скважины наверх, откуда смесь жидкости с водой насосом, установленном в обсадной колонне, подается в сепаратор, в котором вода отделяется, а прошедшая через скважину и охлажденная в ней силиконовая жидкость возвращается в емкость для последующей рециркуляции. С помощью насоса в обсадной колонне в процессе бурения в скважине поддерживается уровень, который обеспечивает давление в забое скважины меньше давления воды в озере на границе со льдом, что приводит к поступлению воды из озера в скважину на расчетную высоту в момент вскрытия озера. После окончания бурения гибкий трубопровод с буровым соплом на конце наматывается на катушку, а скважина остается заполненной незамерзающей экологически чистой силиконовой жидкостью. Достоинства способа-прототипа:

- использование теплоносителя с низкой температурой замерзания (- 70°С) и возможность бурения ледниковых скважин на большую глубину;

- возможность остановки процесса бурения на любой срок и на любой глубине с последующим возобновлением проходки скважины;

- многократное использование скважины.

Недостатки способа-прототипа заключаются в том, что существует потенциальная экологически опасная ситуация поступления в озеро теплоносителя в силу следующих обстоятельств.

В описании прототипа рассматривается ситуация и утверждается, что озерная вода в момент вскрытия попадает в скважину и поднимается в ней до уровня «Д», указанного в прототипе, при котором гидростатическое давление столба жидкости в скважине становится равным давлению в озере на границе со льдом. На уровне «Д» контакт силиконовой жидкости и озерной воды будет в пределах самой скважины, и в озеро силиконовая жидкость не попадает.

Однако, при использовании этого способа для вскрытия озера в момент вскрытия струей нагретой жидкости силиконовая жидкость может попасть в озеро до того, как вода из озера начнет подниматься в скважину.

Кроме того, при погружении пробоотборного оборудования в озеро через слой силиконовой жидкости в скважине возможно занесение чужеродной силиконовой жидкости в озеро, так как она может находиться на стенках и в полостях погружаемого оборудования.

Таким образом, способ - прототип обеспечивает недостаточно высокую степень экологической чистоты и защиты воды подледникового озера.

Кроме того, в прототипе при консервации скважины необходимо осуществить трудоемкую операцию по извлечению силиконовой жидкости из скважины для сохранения экологии окружающей среды.

Задача изобретения - осуществление бурения и вскрытия подледниковых озер более экологически чистым способом по сравнению с прототипом.

Технический результат заключается в реализации данной задачи.

Технический результат достигается тем, что в способе бурения и вскрытия подледникового озера, осуществляемого с применением горячей силиконовой жидкости, новым является то, что горячую силиконовую жидкость подают в герметичный теплообменник типа труба-в-трубе в его внутренний гибкий трубопровод, обеспечивая ее циркуляцию в теплообменнике в процессе бурения скважины горячей и создавая условия поддержания талой воды в скважине в жидком состоянии, причем бурение скважины и вскрытие подледникового озера осуществляют путем плавления льда тепловой буровой коронкой, закрепленной на конце герметичного теплообменника, а после вскрытия подледникового озера теплообменник с тепловой буровой коронкой извлекают из скважины, обеспечивая возможность заполнения скважины озерной водой.

В предложенном способе устранена экологически опасная ситуация поступления некоторого количества силиконовой жидкости в озеро на стадии вскрытия озера и при погружении в него оборудования за счет того, что созданы условия полной изоляции силиконовой жидкости от озерной воды при сохранении функции прогрева льда в скважине и поддержания талой воды в скважине в жидком состоянии.

На фиг. 1 представлен чертеж устройства, с помощью которого осуществляется заявляемый способ, где:

1. - наружный гибкий трубопровод, конец которого герметично закрыт;

2. - конусообразная тепловая буровая коронка с нагревательным элементом, которая закреплена на конце теплообменника

3. - внутренний гибкий трубопровод, расположенный с зазором и осесимметрично внутри наружного гибкого герметичного трубопровода 1;

4. - дистанционирующие упоры, обеспечивающие условия осесимметричности трубопроводов 1 и 3.

Наружный гибкий трубопровод 1 и внутренний гибкий трубопровод 2 образуют герметичный теплообменник типа труба-в-трубе.

Способ бурения заключается в следующем.

Разогрев буровой коронки осуществляется перед погружением ее в фирн и лед.

Перед погружением наружные поверхности тепловой буровой коронки и теплообменника проходят механическую и бактериологическую очистку. Цилиндрическая часть конусообразной тепловой буровой коронки 2 обеспечивает прямолинейность проходки скважины и формирует зазор для отвода воды, образовавшейся при плавлении льда нагретой тепловой буровой коронкой. Образовавшаяся при плавлении льда вода поддерживается в скважине в жидком состоянии теплом от горячей силиконовой жидкости, циркулирующей в герметичном теплообменнике.

Вода, образовавшаяся в скважине в процессе бурения, вытесняется теплообменником из объема скважины на поверхность. В момент вскрытия озера уровень воды в скважине снижается до гидрологического уровня, т.е. часть воды, образовавшаяся из расплавленного над озером льда, уходит в озеро. После вскрытия озера теплообменник с тепловой буровой коронкой извлекается из скважины, и в нее поступает вода из озера. По окончании процесса бурения и вскрытия озера скважина остается заполненной озерной водой до высоты гидрологического уровня, соответствующего равенству давления столба воды в скважине давлению в озере на границе со льдом. Созданы условия заполнения скважины озерной водой и исключена экологически опасная ситуация поступления некоторого количества силиконовой жидкости в озеро при его вскрытии и погружении в озеро оборудования.

После окончания процесса бурения и вскрытия скважины проводится спуск в озеро пробоотборного оборудования и/или научных приборов. При этом погружение предварительно очищенного оборудования в озеро будет проводится уже через скважину, в которую поступила озерная вода и в которой полностью отсутствует силиконовая жидкость. Таким образом, весь процесс осуществляется с применением операций, более экологически чистых по сравнению с прототипом.

Длительность работы в скважине определяется скоростью образования льда на ее стенках и зависит от температуры окружающего льда.

Литература

1. SCAR's Code of Conduct for the Exploration and Research of Subglacial Aquatic Environments.

2. M. SIEGERT, K. MAKINSON, D. BLAKE, M. MOWLEM, N. ROSS. An assessment of deep hot-water drilling as a means to undertake direct measurement and sampling of Antarctic subglacial lakes: experience and lessons learned from the Lake Ellsworth field season 2012/13. Annals of Glaciology 55(65) 2014 doi: 10.3189/2014AoG65A008.

3. Патент на изобретение РФ №2700143.

4. РФ №2751030. Способ бурения ледниковых скважин, прототип.

Способ бурения и вскрытия подледникового озера, осуществляемый с применением горячей силиконовой жидкости заключается в том, что горячую силиконовую жидкость подают в герметичный теплообменник типа труба-в-трубе в его внутренний гибкий трубопровод, обеспечивая ее циркуляцию в теплообменнике в процессе бурения скважины горячей и создавая условия поддержания талой воды в скважине в жидком состоянии. Причем бурение скважины и вскрытие подледникового озера осуществляют путем плавления льда тепловой буровой коронкой, закрепленной на конце герметичного теплообменника, а после вскрытия подледникового озера теплообменник с тепловой буровой коронкой извлекают из скважины, обеспечивая возможность заполнения скважины озерной водой. Обеспечивается создание экологически чистого доступа к подледниковым озерам в Антарктиде. 1 ил.

Способ бурения и вскрытия подледникового озера, осуществляемый с применением горячей силиконовой жидкости, отличающийся тем, что горячую силиконовую жидкость подают в герметичный теплообменник типа труба-в-трубе в его внутренний гибкий трубопровод, обеспечивая ее циркуляцию в теплообменнике в процессе бурения скважины горячей и создавая условия поддержания талой воды в скважине в жидком состоянии, причем бурение скважины и вскрытие подледникового озера осуществляют путем плавления льда тепловой буровой коронкой, закрепленной на конце герметичного теплообменника, а после вскрытия подледникового озера теплообменник с тепловой буровой коронкой извлекают из скважины, обеспечивая возможность заполнения скважины озерной водой.