Обоснование эффективной технологии экологически чистого скважинного отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов

Янкилевич, Светлана Валентиновна

Автореферат диссертации по теме "Обоснование эффективной технологии экологически чистого скважинного отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов"

На правах рукописи

ЯНКИЛЕВИЧ Светлана Валентиновна

ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО СКВАЖИННОГО ОТБОРА МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБ ИЗ ПОДЛЕДНИКОВЫХ ВОДОЕМОВ

Специальность 25.00.15- Технология бурения

и освоения скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2005

Работа выполнена на кафедре технологии и техники бурения скважин Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г.В. Плеханова (технического университета)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Никита Евгеньевич Бобин

Официальные оппоненты'. доктор технических наук

Александр Михайлович Шкурко, доктор географических наук

Лев Михайлович Саватюгин

Ведущая организация - Институт микробиологии

РАН

Защита диссертации состоится 17 ноября 2005 г. в 15 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.02 при Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 1303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан «17» октября 2005 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета,

д.т.н., профессор fófts^,*^^ ' н и- НИКОЛАЕВ

¿006-И

I ¡.94 ¡73

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из приоритетных направлений в антарктических исследованиях в ближайшие десятилетия будет комплексное изучение природы подледниковых водоемов, которые были обнаружены сравнительно недавно в Центральной Антарктиде под многокилометровым слоем льда.

Подледниковые водоемы находятся, как правило, ниже уровня моря во впадинах подледникового рельефа, а толщина льда над ними достигает 3-4 км. В настоящее время открыто 67 относительно небольших подледниковых озер и один крупный водоем. Длина этого подледникового водоема, получившего название «озеро Восток», составляет 300 км, а площадь - около 16 тыс.

Полученные в настоящее время характеристики подледникового озера Восток указывают наиболее благоприятное место проникновения в озеро - это станция Восток. Она имеет развитую инфраструктуру для выполнения различных видов научных исследований, в том числе микробиологических.

Наиболее удобной точкой для проникновения в озеро является скважина 5Г-1, пробуренная на станции Восток. Глубина скважины составляет 3623 м. Комплексные исследования отобранного здесь ледяного керна показали, что с глубины 3538 м и до забоя, ледниковая толща сложена конжеляционным льдом -продуктом длительного последовательного намерзания озерной воды на нижнюю поверхность ледника. Непробуренную часть ледникового покрова от забоя скважины до границы лед-поверхность озера слагает конжеляционный лед.

Во льду с глубин 3551м и 3607м были обнаружены три вида термофильных бактерий, аналоги которых развиваются в гидротермальных источниках активных областей океанов и континентов при температурах 40-60°С.

В связи с этим выдвигается гипотеза о существовании в подледниковых озерах простейших форм жизни, не требующих процесса фотосинтеза. Не исключается 5нару-

жения простейших микроорганизмов, попавших в озеро при таянии ледника с нижней его поверхности, возраст которого составляет несколько млн. лет. Наличие же живых микроорганизмов во льду в состоянии анабиоза экспериментально установлено и признано учеными практически всех стран, проводящих исследования в Антарктиде.

Доказательство существования жизни подо льдом возможно только путем решения ряда чисто технических задач, касающихся, прежде всего, вскрытия подледникового озера и проведения отбора проб подледниковой воды с соблюдением всех необходимых требований стерильности. На данном этапе общепризнанных методов отбора проб из подледниковых водоемов не существует. Этим объясняется актуальность работ по обоснованию и разработке эффективной технологии скважинного способа отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов, исключающих их загрязнение.

Исследования, проведённые автором, проводились на основе ряда госбюджетных и хоздоговорных тем:

• Госбюджетная научно-исследовательская работа 6.30.007. «Разработка новых методов бурения скважин с целью исследования подледниковых водоемов».

• Проект № 4 "Провести исследования подледникового озера Восток" в рамках подпрограммы "Изучение и исследование Антарктики" Федеральной Целевой программы "Мировой океан" на 2002-2007г.г.

Целью диссертационной работы является научное обоснование эффективной технологии и создание технических средств для экологически чистого скважинного отбора проб из подледниковых водоемов.

Идея работы состоит в осуществлении отбора микробиологических проб непосредственно в озере путем фильтрации подледниковой воды через биологический фильтр скважинного пробоотборника, конструкция которого обеспечивает изоляцию отбираемой пробы от окружающей среды.

Достижение поставленной цели требовало решения следующих задач:

1. Анализ существующих методов и вариантов асептического отбора микробиологических проб и оценка их применимости при исследовании подледниковых водоемов.

2. Разработка методики проведения экспериментов и обработки опытных данных по оценке влияния гидродинамических процессов на работу кассетного блока фильтров скважинного пробоотборника.

3. Разработка эффективной технологии и технических средств для отбора проб из подледниковых водоемов.

4. Разработка программы для ПК на основе полученных аналитических зависимостей и выполнение расчетного анализа степени влияния факторов, определяющих процесс отбора проб.

5. Обоснование рациональной конструкции скважинного пробоотборника и изготовление опытного макета кассетного блока биологических фильтров.

6. Определение оптимальных режимов отбора проб, обеспечивающих необходимые условия фильтрации больших объемов воды.

Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось методом математического и расчётного анализа, а также путём экспериментальных исследований в лабораторных условиях. Этапы выполнения исследований:

• обзор, анализ и обобщение материалов научных исследований по указанной проблеме, обоснование цели и задач исследования;

• обоснование способа экологически чистого отбора проб из подледниковых водоемов на примере подледникового озера Восток;

• построение и анализ математической модели гидродинамических процессов, в скважинном пробоотборнике при отборе проб;

• разработка конструкции основного узла пробоотборника - кассетного блока биологических фильтров и эффективных режимных параметров его работы;

• экспериментальные исследования гидродинамических процессов при работе кассетного блока биологических фильтров;

• компоновка пробоотборника и определения технологии отбора проб из подледниковых водоёмов по результатам экспериментальных исследований.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Технология отбора микробиологических проб скважин-ным пробоотборником, содержащим блок фильтров кассетного типа с параллельным подсоединением кассет, обеспечивает высокую эффективность опробования воды при минимально низком содержании в ней микрофлоры за счет увеличенной суммарной площади фильтров и увеличения объема исследуемой жидкости, многократно превышающей объем самого пробоотборника.

2. Обеспечение необходимого значения суммарной площади биологического фильтра может быть достигнуто за счет равномерного распределения потока исследуемой жидкости в параллельно подключенных кассетах при величине кольцевого зазора в пробоотборнике, пропорциональной корню кубическому из отношения объемного расхода потока к падению давления в кассетах.

Научная новизна заключается в теоретическом и технико-технологическом обосновании возможности экологически чистого непрерывного отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов, вскрытых глубокими скважинами, за счет применения скважинного пробоотборника, обеспечивающего пропускание объема опробуемой жидкости, многократно превышающего его внутренний объем.

Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом экспериментальных исследований в лабораторных условиях и удовлетворительным сходимостью расчётных и опытных данных.

Практическая ценность диссертации состоит в разработке скважинного пробоотборника и методики микробиологического опробования подледниковых водоемов.

Реализация результатов работы. Испытания экспериментального образца основного узла пробоотборника - блока биологических фильтров показали надёжность его работы при показателях, близких к расчётным, что позволяет подготовить пробоотборник для экологически чистого отбора микробиологических проб из подледникового озера на станции Восток в Антарктиде, запланированное на ближайший период работы Российской антарктической экспедиции.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования и разработке методов их решения, организации и выполнении теоретических и экспериментальных исследований, а также разработке технических средств и технологии.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертации докладывались на научных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПб, СПГГЩТУ), 1999-2002.); международной научной конференции «Исследования и охрана окружающей среды Антарктики» (СПб, ГНЦ РФ - ААНИИ, 2002.); научной конференции «Современное состояние и перспективы развития механизации и электрификации горного и нефтегазового производства» (СПб, СПГГЩТУ),2004.); «II Ферсмановской научной сессии Кольского отделения РМО» (Апатиты, 2005.); российско-французком семинаре «Восток-2005» (СПб, 2005.); кафедре техники и технологии бурения скважин СПГГИ (ТУ) (2004.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ. На технические решения получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 110 стр. машинописного текста, включает 25 рис., 5 табл., список использованной литературы из 85 наим., в том числе 18 зарубежных.

Во введении дается общая характеристика работы, обосновываются актуальность темы диссертации, цели и задачи исследования, формулируется научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводится обзор существующих способов исследования подледниковых водоемов путем непосредственного проникновения в эти водоемы с целью отбора проб подледнико-вой воды для микробиологических исследований, дается формулировка цели и задач исследований.

Вторая глава содержит теоретический анализ процесса отбора проб воды с помощью скважинного пробоотборника, содержащего блок фильтров кассетного типа, приводятся рекомендации по окончательной компоновке схемы пробоотборника.

В третьей главе изложена методика исследований, включающая теоретические и экспериментальные исследования, а также методика обработки данных экспериментов.

В четвёртой главе рассмотрены результаты экспериментальных исследований и опытно-конструкторских разработок по созданию технических средств для отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов и рекомендации по их использованию.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

На основании проведенных исследований сформулированы следующие научные положения:

1. Технология отбора микробиологических проб скважин-ным пробоотборником, содержащим блок фильтров кассетного типа с параллельным подсоединением кассет, обеспечивает высокую эффективность опробования воды при минимально низком содержании в ней микрофлоры за счет увеличенной суммарной площади фильтров и увеличения объема исследуемой жидкости, многократно превышающей объем самого пробоотборника.

Предложенная технология отбора проб предусматривает использование имеющейся скважины, пробуренной во льду, для проникновения в подледниковый водоем и отбора проб из него.

Для этой цели разработаны две конструктивные схемы скважин-ных пробоотборников на грузонесущем кабеле: ПСП-1 (рис.1) и ПСП-2 (рис. 2).

Пробоотборник ПСП-1 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 с целью выравнивания давлений в водоеме и столбе заливочной жидкости в скважине. Затем через скважину в исследуемый водоем посредством грузонесущего кабеля 4 опускается на заданную глубину устройство для отбора проб с предварительно простери-лизованным фильтровым блоком.

Так как за время спускоподъемных операций вода, поднявшаяся в скважину, может намерзнуть на стенках скважины, устройство опускают с включенным нижним нагревателем 3. На заданной глубине открываются электромагнитные клапаны 10, и через дроссель 8 исследуемая вода попадает в блок фильтров 7 и далее в приемную емкость 9, занимающую весь свободный внутренний объем устройства. Исследуемая вода подается через блок фильтров в приемную емкость за счет разницы давлений в водоеме и приемной емкости. После заполнения приемной емкости исследуемой водой электромагнитные клапаны 10 закрывают, и устройство извлекают из скважины.

При подъеме устройства включают верхний нагреватель 2, 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 фильтром 7 и передается для дальнейшего исследования.

Основным преимуществом пробоотборника ПСП-1 является относительная простота конструкции, фильтрация исследуемой воды осуществляется естественным образом за счет разницы давлений в подледниковом водоеме и внутренней полости пробоотборника без использования дополнительных технических средств и энергетических затрат.

Рис. 1. Схема скважгтного пробоотборника ПСП-1: 1

1-цилиндрический корпус; 2-верхний нагреватель; 3-нижний нагреватель; 4-грузонесущий кабель; 5-кабелъный замок; 6-блок электроразъемов; 7-блок с биологическим фильтром; 8~дросселъ; 9-приемная емкость; 10-электромагнитные клапаны

Но при использовании данного пробоотборника объем исследуемой пробы ограничен объемом внутренней полости самого пробоотборника. Это оказывает отрицательное влияние на эффективность пробоотбора и достоверность полученных результатов, так как подледниковый водоем имеет крайне низкий процент содержания микрофлоры.

Этого недостатка лишен пробоотборник ПСП-2 ( см. рис. 2.).

Отбор пробы с помощью ПСП-2 производится по следующей схеме. Предварительно простерилизованный и заполненный стерильной жидкостью пробоотборник на грузонесу-щем кабеле 1 опускается в скважину на заданную глубину. При этом блок биологических фильтров 7 изолируется от окружающей среды электромагнитными клапанами 6, нормальное положение которых - закрытое. По достижении заданной глубины клапаны открываются, и включается насос 8 для прокачки воды. По окончании пробоотбора электромагнитные клапаны закрываются, выключается насос и пробоотборник извлекается из скважины. Далее съемный блок фильтров извлекается из пробоотборника и передается в микробиологическую лабораторию.

Пробоотборник ПСП-2 позволяет проводить отбор проб под-ледниковой воды, находясь непосредственно в скважине, без подъема исследуемой жидкости на поверхность.

Рис.2. Схема скважинного пробоотборника ПСП-2: л

1 -ррузонесущий кабель; 2-кабельный замок; 3-электронагревателъ;

4-корпус; 5-блок электрических разъемов; 6-электромагнитный клапан; 7-кассетный блок биологических фильтров; 8-электронасос

Отбор микробиологического материала из пробы воды подледного озера осуществляется путем фильтрации данной пробы через биологический фильтр, который помещается в каждую кассету блока биологических фильтров (рис.3).

Рис. 3. Кассета блока биологических фильтров:

1-чашка в сборе; 2-крышка; 3-соединительная трубка; 4-сетка; 5-биологический фильтр; 6-уплотнительное кольцо

Далее необходимое количество кассет соединяется, образуя блок биологических фильтров, который при последовательном соединении кассет обеспечивает их параллельную работу, что ведет за собой увеличение площади биологического фильтра и тем самым обеспечивает возможность фильтрации проб жидко-

сти, объем которых многократно превышает объем пробоотборника и практически неограничен.

Из рассмотренных вариантов устройств следует отдать предпочтение пробоотборнику ПСП-2, основным преимуществом которого является возможность исследования пробы жидкости, многократно превышающей объем пробоотборника, что очень важно при ожидаемых крайне низких содержаниях биологического материала в подледниковых водоемах. 2. Обеспечение необходимого значения суммарной площади биологического фильтра может быть достигнуто за счет равномерного распределения потока исследуемой жидкости в параллельно подключенных кассетах при величине кольцевого зазора в пробоотборнике, пропорциональной корню кубическому из отношения объемного расхода потока к падению давления в кассетах.

Осуществление данного условия выполняется достижением приблизительного равенства объемов исследуемой воды, проходящей через каждую кассету пробоотборника, так чтобы перепады давления во всех кольцевых зазорах (рис. 4) были равны между собой.

Для равномерного прохождения потока воды через все фильтры, вне зависимости от его абсолютного давления, необходимо обеспечить равенство перепадов давления на каждой кассете. Это условие определяется из выражения

. „ (т-п + 1) А .1Ч

АР = -----г-= const, (1)

т (D2-Dl)z23n

где т - количество кассет в пробоотборнике, шт.; п - порядковый номер кассеты, начиная сверху; D - внутренний диаметр корпуса блока, м; Dn - наружный диаметр соответствующей кассеты, м; z-jn - величина эквивалентного зазора, м; А - сокращающий множитель:

А = 128^^ = const, ж

где V- кинематическая вязкость, м2/с; /> плотность воды при заданной температуре, кг/м3; ^-объемный расход воды, м3/с; Ь-длина канала для движения потока, м. Для обеспечения равенства перепадов давлений на всех кассетах есть только одна возможность - увеличение наружного диаметра каждой последующей сверху вниз кассеты.

Рис.4. Расчетная схема для определения конструктивных параметров кассет блока

При заранее заданном наружном диаметре верхней кассеты D] диаметры всех последующих кассет могут быть определены из соотношения:

m _ т-п+1

(Z>2-A2)zà {D*-DÎ)zi: К}

где п> 2 - (то же относится к искомым диаметрам £)„).

Если указанное условие будет выполнено, то перепады давления на всех кассетах при любом расходе воды будут равны.

Для определения диаметров кассет блока биологических фильтров с учетом вышеизложенных условий составлена программа на языке Microsoft Visual Basic.

Перепады давления на всех кассетах при любом расходе воды будут равны перепаду, выраженному формулой (1), и поэтому для общего перепада давления справедливо условие:

Po6m=J,APi+nAPM.

(3)

Это давление должно быть равно разряжению, создаваемому всасывающим насосом (см. рис.4). Для искомого разрежения при заданном расходе воды имеем:

Р =32

1 общ

VP п

л 1 1 1 А „ L

4—- + —In—+ 4w-

d 0Ъ d (D + Д )z

3

Э/

Q- (4)

Из выражения (4) для расчетного расхода воды при заданном разряжении насоса получим:

Q =

общ

32

vp

71

л 1 1 1 А „ 4—ч—г-In—+ 4т

d4 8Ъ d

(D + DJzl)

(5)

Заключение

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, содержится решение научно-технической задачи экологически чистого отбора проб из под-ледниковых водоемов путем использования скважинного пробоотборника, содержащего блок биологических фильтров кассетного типа, что имеет важное научное и социальное значение для микробиологической отрасли. На основании проведенных исследований сделаны следующие научные и практические выводы:

1. Разработанная технология отбора проб из подледникового водоема с помощью скважинных пробоотборников обеспечивает микробиологическое исследование проб воды неограниченного объема.

2. Предложенный способ экологически безопасного отбора проб из подледниковых водоемов может быть реализован на практике с помощью разработанного и защищенного патентом на изобретение №2244913, Б.И.№2, 2005 г., пробоотборника ПСП-2.

3. Разработаная математическая модель процесса отбора микробиологической пробы с помощью кассетного блока фильтров определяет режимы пробоотбора с учетом условий в подледниковых водоемах.

4. Проведенные исследования подтверждают эффективность отбора проб данным методом и позволяют наметить пути дальнейшего совершенствования скважинного пробоотборника и технологии отбора проб с его применением.

Содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Янкилевич C.B. Скважинный пробоотборник для микробиологического анализа подледных водоемов. Сборник СЗПИ «Проблемы машиноведения и машиностроения». Вып. 19, 2000.-С.95-96.

2. Янкилевич C.B. Разработка способов стерильного отбора проб из подледных водоемов // Сборник трудов молодых ученых государственного горного института (технического университета). -СПб: СПГГИ(ТУ), 2001. Вып.6,- С.9-10.

3. Янкилевич C.B. Происхождение жизни на земле в свете исследований на основе опыта сверхглубокого бурения в Антарктиде // Сборник трудов молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета). -СПб: СПГГИ(ТУ), 2001. Вып.6,- С. 169-171.

4. Абызов С.С. Способы асептического опробования под-ледниковых водоемов. /Абызов С.С., Бобин Н.Е., Мирохин М.Ю., Янкилевич C.B. // Сборник тезисов «Исследования и охрана окружающей среды Антарктики», СПб., 2002.- С.7.

5. Бобин Н.Е. Технические средства для исследования под-ледниковых водоемов на примере озера Восток в Антарктиде. /Бобин Н.Е., Талалай П.Г., Янкилевич C.B. Записки Горного института, т. 157, 2004,- С.147-149.

6. Бобин Н.Е. Основные варианты существующих технических средств для экологически чистого вскрытия и опробования подледниковых водоемов на примере озера Восток в Антарктиде. /Бобин Н.Е., Талалай П.Г., Янкилевич C.B. Тезисы докладов конференции «Новые идеи в науках о земле», Москва, МГИ, 2005.-С.17.

7. Пат. 2244913 РФ, МПК7 G 01 N 1/10,Устройство для отбора проб из подледных водоемов. /Н.Е. Бобин, C.B. Янкилевич (Российская Федерация). - №2003122308/12; Заявлено 16.07.03; Опубл. 20.01.05, Бюл. №2, Приоритет 16.07.03, - Зс.; 1 л.ил.

8. Бобин Н.Е. Антарктида - хранилище древней жизни. /Бобин Н.Е., Янкилевич C.B. Труды II Ферсмановской научной сессии Кольского отделения РМО «Минералогия во всем пространстве сего слова». Апатиты, 2005.- С.144-146.

РИЦ СПГГИ. 10.10.2005. 3.414. Т 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Р2 0 9 5 0

РНБ Русский фонд

2006-4 18901

~ Л

я /

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Янкилевич, Светлана Валентиновна

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ АСЕПТИЧЕСКОГО ОПРОБОВАНИЯ ЛЬДА И ПОДЛЕДНИКОВЫХ ВОДОЕМОВ В ЦЕЛЯХ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Научные и практические цели микробиологического изучения подледниковых водоемов.

1.2. Подледниковое озеро Восток (Антарктида).

1.3. Существующие способы стерильного отбора микробиологических проб изо льда и глубин моря.

1.3.1. Основные варианты разрабатываемых технических средств для изучения подледниковых водоемов.

Выводы по главе 1.

2. СПОСОБЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ОТБОРА МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБ ИЗ ПОДЛЕДНИКОВЫХ ВОДОЕМОВ.

2.1.Методы отбора микробиологических проб из подледникового озера Восток.

2.2. Пробоотборник ПСП-1.

2.2.1. Расчет параметров дросселя.

2.3. Пробоотборник ПСП-2.

2.3.1. Расчет диаметров кассет блока биологических фильтров.

2.3.2. Программа для выбора оптимальных конструктивных параметров блока биологических фильтров.

2.4. Процесс отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов.

2.4.1. Подготовка скважины для осуществления отбора пробы из подледникового водоема.

2.4.2. Стерилизация и сборка узлов пробоотборника.

2.4.3. Отбор микробиологических проб и подъем пробоотборника на поверхность.

2.5. Биологические находки из ледяного керна скважины 5Г-1 на станции Восток.

2.6. Анализ имеющихся биологических фильтров.

2.7. Методика проведения расчетов.

2.8. Результаты расчетов.

Выводы по главе 2.

3. СОДЕРЖАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Методика теоретических исследований.

3.2. Методика экспериментальных исследований.

3.2.1. Разработка испытательного стенда.

3.2.2. Методика обработки опытных данных.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1. Кассетный блок биологических фильтров.

4.2. Лабораторные испытания кассетного блока фильтров.

4.3. Экспериментальные исследования работы кассетного блока.

4.4. Сопоставление опытных данных с результатами расчетного анализа.

Выводы по главе 4.£.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование эффективной технологии экологически чистого скважинного отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов"

Актуальность темы: Одним из приоритетных направлений в антарктических исследованиях в ближайшие десятилетия будет комплексное изучение природы подледниковых водоемов, которые были обнаружены сравнительно недавно в Центральной Антарктиде под многокилометровым слоем льда.

Подледниковые водоемы находятся, как правило, ниже уровня моря во впадинах подледникового рельефа, а толщина льда над ними достигает 3-4 км. В настоящее время открыто 67 относительно небольших подледниковых озер и один крупный водоем. Длина этого подледникового водоема, получившего названия «озеро Восток», составляет 230 км, а площадь - около 16 тыс. км2.

Мощность ледника в районе станции Восток составляет 3750 м, а толща воды подо льдом - 670 м. Далее по разрезу между дном озера и поверхностью акустического фундамента наблюдается слой, отождествляемый с донными отложениями, которые имеют сложное строение и суммарную мощность от 90 до 330 м. Предполагается что, озеро пресное, изолированное от окружающей среды в течение миллионов лет, и поэтому оно может содержать живые реликтовые микроорганизмы.

Полученные в настоящее время характеристики подледникового озера Восток указывают наиболее благоприятное место проникновение в озеро. Это станция Восток, где относительно небольшая толщина ледника, значительный слой водной толщи и донных отложений, а также развитая инфраструктура станции для выполнения различных видов научных исследований, в том числе микробиологических.

Наиболее удобной точкой для проникновения в озеро является скважина 5Г-1, пробуренная на станции Восток. Глубина скважины составляет 3623 м. Комплексные исследования отобранного здесь ледяного керна показали, что с глубины 3538 м и до забоя ледниковая толща сложена конжеляционным льдом

- продуктом длительного последовательного намерзания озерной воды на нижнюю поверхность ледника. Непробуренную часть ледникового покрова от забоя скважины до границы лед-поверхность озера слагает конжеляционный лед.

По подсчетам российского гляциолога чл.-кор. РАН И.А. Зотикова на каждый квадратный километр тающей нижней поверхности льда будет выделяться около 20 тыс. м3 воздуха в год. Под действием давления более 30 МПа, возникающего из-за тяжести льда, весь воздух должен раствориться в воде и каждый литр ее будет содержать 0,1 л воздуха. Таким образом, в подледниковых водоемах создаются условия для поддержания жизни.

Во льду с глубин 3551м и 3607м были обнаружены три вида термофильных бактерий, аналоги которых развиваются в гидротермальных источниках активных областей океанов и континентов при температурах 40-60°С.

В связи с этим выдвигается гипотеза о существовании в подледниковых озерах простейших форм жизни, не требующих процесса фотосинтеза. Не исключается также возможность обнаружения простейших микроорганизмов, попавших в озеро при таянии ледника с нижней его поверхности, возраст которых составляет несколько млн. лет. Наличие же живых микроорганизмов во льду в состоянии анабиоза экспериментально установлено и признано учеными практически всех стран, проводящих исследования в Антарктиде.

Конечно, это только начальные результаты, но они позволяют предположить существование биологических процессов, протекающих в полностью изолированной экосистеме. Исследование подледниковых озер, в частности озера Восток, может послужить основой для формирования более полного представления о начальных этапах развития жизни на Земле и представить доказательства или опровергнуть ту или иную гипотезу о происхождении жизни на нашей планете. Они позволят исследовать возможность существования жизни в столь экстремальных условиях или убедиться в ее отсутствии в подледниковых водоемах. То есть озеро Восток это уникальная «капсула из далекого прошлого», открыв которую ученые смогли бы решить множество сложнейших нерешенных проблем в истории нашей планеты [8,21,23,29,38].

Доказательство существования жизни подо льдом возможно только путем решения ряда чисто технических задач, касающихся, прежде всего, вскрытия подледникового озера и проведения отбора проб подледниковой воды с соблюдением всех необходимых требований стерильности. На данном этапе общепризнанных методов отбора проб из подледниковых водоемов не существует. Этим объясняется актуальность работ по обоснованию и разработке эффективной технологии скважинного способа отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов, исключающих их загрязнение.

Цель работы - научное обоснование эффективной технологии и создание технических средств для экологически чистого скважинного отбора проб из подледниковых водоемов.

Идея работы состоит в осуществлении отбора микробиологических проб непосредственно в озере путем фильтрации подледниковой воды через биологический фильтр скважинного пробоотборника, конструкция которого обеспечивает изоляцию отбираемой пробы от окружающей среды.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих конкретных задач:

• анализ существующих методов и вариантов асептического отбора микробиологических проб и оценка их применимости при исследовании подледниковых водоемов;

• разработка методики проведения экспериментов и обработки опытных данных по оценке влияния гидродинамических процессов на работу кассетного блока фильтров скважинного пробоотборника;

• разработка эффективной технологии и технических средств для отбора проб из подледниковых водоемов;

• разработка программы для ПК на основе полученных аналитических зависимостей и выполнение расчетного анализа степени влияния факторов, определяющих процесс отбора проб;

• обоснование рациональной конструкции скважинного пробоотборника и изготовление опытного макета кассетного блока биологических фильтров;

• определение оптимальных режимов отбора проб, обеспечивающих необходимые условия фильтрации больших объемов воды.

Методика исследований. Решение поставленных задач осуществлялось методом математического и расчетного анализа, а также путем экспериментальных исследований в лабораторных условиях. Этапы выполнения исследований:

• обзор, анализ и обобщение материалов научных исследований по указанной проблеме, обоснование цели и задач исследования;

• обоснование способа экологически чистого отбора проб из подледниковых водоемов на примере подледникового озера Восток;

• построение и анализ математической модели гидродинамических процессов, происходящих в скважинном пробоотборнике при отборе проб;

• разработка конструкции основного узла пробоотборника -кассетного блока биологических фильтров и эффективных режимных параметров его работы;

• экспериментальные исследования гидродинамических процессов при работе кассетного блока биологических фильтров;

• компоновка пробоотборника и определение технологии отбора проб из подледниковых водоемов по результатам экспериментальных исследований.

Основные защищаемые положения:

1. Технология отбора микробиологических проб скважинным пробоотборником, содержащим блок фильтров кассетного типа с параллельным подсоединением кассет, обеспечивает высокую эффективность опробования воды при минимально низком содержании в ней микрофлоры за счет увеличенной суммарной площади фильтров и увеличения объема исследуемой жидкости, многократно превышающей объем самого пробоотборника.

2. Обеспечение необходимого значения суммарной площади биологического фильтра может быть достигнуто за счет равномерного распределения потока исследуемой жидкости в параллельно подключенных кассетах при величине кольцевого зазора в пробоотборнике, пропорциональной корню кубическому из отношения объемного расхода потока к падению давления в кассетах.

Научная новизна заключается в теоретическом и технико-технологическом обосновании возможности экологически чистого непрерывного отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов, вскрытых глубокими скважинами, за счет применения скважинного пробоотборника, обеспечивающего пропускание объема опробуемой жидкости, многократно превышающего его внутренний объем.

Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается достаточным объемом экспериментальных исследований в лабораторных условиях и удовлетворительной совпадением расчетных и опытных данных.

Практическая ценность диссертации состоит в разработке скважинного пробоотборника и методики микробиологического опробования подледниковых водоемов.

Реализация результатов работы. Испытания экспериментального образца основного узла пробоотборника - блока биологических фильтров показали надёжность его работы при показателях, близких к расчётным, что позволяет подготовить пробоотборник для экологически чистого отбора микробиологических проб из подледникового озера на станции Восток в Антарктиде, запланированное на ближайший период работы Российской антарктической экспедиции.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования и разработке методов их решения, организации и выполнении теоретических и экспериментальных исследований, а также разработке технических средств и технологии.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертации докладывались на научных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПб, СПГГИ(ТУ), 1999-2002.); международной научной конференции «Исследования и охрана окружающей среды Антарктики» (СПб, ГНЦ РФ - ААНИИ, 2002.); научной конференции «Современное состояние и перспективы развития механизации и электрификации горного и нефтегазового производства» (СПб, СПГГИ(ТУ),

2004.); «II Ферсмановской научной сессии Кольского отделения РМО» (Апатиты, 2005.); российско-французком семинаре «Восток 2005» (СПб,

2005.); кафедре техники и технологии бурения скважин СПГГИ (ТУ) (2004.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ. На технические решения получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 110 страницах машинописного текста, включает 25 рис., 5 табл., список использованной литературы из 85 наим., в том числе 18 зарубежных.

Заключение Диссертация по теме "Технология бурения и освоения скважин", Янкилевич, Светлана Валентиновна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработанная технология отбора проб из подледникового водоема с помощью скважинных пробоотборников обеспечивает исследование проб воды неограниченного объема.

2. Предложенный способ экологически безопасного отбора проб из подледниковых водоемов может быть реализован на практике с помощью разработанного и защищенного патентом на изобретение №2244913, Б.И.№2, пробоотборника ПСП-2.

3. Данные, полученные при проведении лабораторных исследований процесса отбора проб из подледниковых водоемов, свидетельствуют о достоверности полученного приближенного аналитического решения и пригодности разработанной на его основе методики расчетов для обоснования конструктивных параметров кассетного блока биологических фильтров и проектирования режимов пробоотбора.

4. Разработанная математическая модель процесса отбора микробиологической пробы с помощью кассетного блока фильтров определяет режимы пробоотбора с учетом условий в подледниковых водоемах.

5. Проведенные исследования подтверждают эффективность отбора проб данным методом и позволяют наметить пути дальнейшего совершенствования скважинного пробоотборника и технологии отбора проб с его применением.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Янкилевич, Светлана Валентиновна, Санкт-Петербург

1. Абызов С.С., Бобин Н.Е., Кудряшов Б.Б. Микробиологические исследования ледниковой толщи Центральной Антарктиды // Изв. АН СССР. Сер. биол., Вып.б., 1979 г.

2. Абызов С.С., Липенков В.Я., Бобин Н.Е., Кудряшов Б.Б. Микрофлора ледника Центральной Антарктиды и методы контроля стерильного отбора ледяного керна для микробиологических анализов // Изв. АН СССР. Сер. биол., Вып.4., 1982 г.

3. Абызов С.С., Бобин Н.Е., Кудряшов Б.Б. О возможности длительного пребывания жизнеспособных микроорганизмов в толще антарктического ледника. Эксперим. анабиоз: Тезисы докладов II Всесоюзной конференции по анабиозу, Рига, 1984 г.

4. Александров В.Л. Сборник по аэро и гидродинамике. 1933 г.

5. Александров В.Л. Техническая гидромеханика. Гостехиздат. 1946г.

6. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. 1973 г.

7. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. 1975 г.

8. Бернал Дж. Возникновение жизни / Пер. с англ. М., Мир 1969 г.

9. Бобин Н.Е., Кудряшов Б.Б., Абызов С.С. Устройство для отбора проб из образца твердого материала при микробиологических исследованиях. A.C. №527912, Б.И.№22, 1978 г.

10. Бобин Н.Е., Васильев Н.И., Кудряшов Б.Б. Механическое бурение во льду. Учебное пособие. ЛГИ., 1988 г.

11. Бобин Н.Е., Пашкевич В.М. Устройство для отбора жидких проб из ледовых массивов. A.C. № 1488717, Б.И.№23, 1989 г.

12. Бобин Н.Е., Кудряшов Б.Б., Пашкевич В.М. Способ стерильного отбора проб из льда. A.C. №1592761, Б.И.№34, 1990 г.

13. Бобин Н.Е. Механическое бурение скважин во льду. Учебное пособие. Изд. ЛГИ. 1988г.1. Jr.

14. Бобин H.E. Разработка породоразрушающего инструмента для бурения в ледниках Антарктиды. Изд. ВПО Союзгеотехника, 1983г.

15. Богородский В.В., Шереметьев А.Н. Подледниковые озера Антарктиды // Природа. -№12, 1981 г.

16. Булат С.А., Алехина И.А., Крыленков В.А., Лукин В.В. Молекулярно-биологические исследования микробиоты подледникового озера Восток. Антарктида //Успехи современной биологии. 2002 г., т. 122, с. 211-221.

17. Булат С.А., Васильева Л.П., Липенков В.Я., Алехина И.А. Молекулярно-биологические исследования ледяного керна со станции Восток /Арктика и Антарктика. М. 2003г., Вып. 2, с. 100-113.

18. Геофизические исследования подледникового озера Восток в Восточной Антарктиде. / В.Н. Масолов, В.В. Лукин, А.Н. Шереметьев, C.B. Попов./ Доклады Академии наук. 2001г, т.379, №5, с.680-685.

19. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы.: Учебник для машиностроительных вузов. / Т.М. Башта и др., 1982 г.

20. Гурфейн Л.А. Применение батометров для выемки проб при ^ микробиологических исследованиях. Дальневосточный медицинскийжурнал №1, 1935 г.

21. Жизнь микробов в экстремальных условиях / Под ред. Д. Кашнера; Пер. с англ.- М., Мир 1981 г.

22. Земцов A.A., Кудряшов Б.Б., Чистяков В.К., Шкур ко A.M. Скважинный газовый пробоотборник для изучения абсолютного возраста ледовых толщ с помощью изотопного углеродного анализа. Сб. «Антарктида» М. Наука. Вып.23, 1983г.

23. Зотиков И.А. Антарктический феномен озера Восток. Природа, №2, 2000г.-с.61-68.

24. Зотиков H.A., Капица А.П., Кудрявцев Е.В., Суханов A.A. Термическое бурение ледниковых покровов. Антарктида. Доклады комиссии АН СССР, Вып. 11, М.: Наука,1979г.25.