Бурение льда позволяет ученым, изучающим ледники и ледяные щиты , получить доступ к тому, что находится подо льдом, проводить измерения внутри льда и извлекать образцы. В просверленные отверстия можно поместить инструменты для регистрации температуры, давления, скорости, направления движения, а также для других научных исследований, таких как обнаружение нейтрино .
Множество различных методов использовалось с 1840 года, когда первая научная экспедиция по бурению льда попыталась пробурить Унтераарглетшер в Альпах . Двумя ранними методами были ударный метод, при котором лед дробился и измельчался, и роторное бурение, метод, часто используемый при разведке полезных ископаемых для бурения горных пород. В 1940-е годы начали использовать термические буры; эти сверла растапливают лед, нагревая сверло. Вскоре последовали буровые установки, в которых используются струи горячей воды или пара для пробивания льда. Растущий интерес к ледяным кернам , используемым для палеоклиматологических исследований, привел к разработке сверл для отбора керна в 1950-х и 1960-х годах, и в настоящее время используется множество различных кернов. Для получения ледяных кернов из глубоких скважин большинство исследователей используют электромеханические буры с подвеской на тросе, в которых бронированный кабель передает электроэнергию к механическому буру на дне скважины.
В 1966 году команда США успешно пробурила ледниковый щит Гренландии в Кэмп Сенчури на глубине 1387 метров (4551 фут). С тех пор многим другим группам удалось достичь коренных пород через два крупнейших ледниковых щита — в Гренландии и Антарктиде . Недавние проекты были сосредоточены на поиске мест бурения, которые дадут ученым доступ к очень старому ненарушенному льду на дне скважины, поскольку для точного датирования информации, полученной со льда, необходима ненарушенная стратиграфическая последовательность.
Первые научные экспедиции по бурению льда, возглавляемые Луи Агассисом с 1840 по 1842 год, преследовали три цели: доказать, что ледники текут, [2] измерить внутреннюю температуру ледника на разных глубинах, [3] и измерить толщину ледника. ледник. [4] Доказательство движения ледника было получено путем размещения кольев в отверстиях, пробуренных в леднике, и отслеживания их движения с окружающей горы. [2] Бурение ледников для определения их толщины и проверки теорий движения и структуры ледников продолжало представлять интерес в течение некоторого времени, [5] но толщина ледников измерялась сейсмографическими методами с 1920-х годов. [6] [7] Хотя больше нет необходимости бурить ледник, чтобы определить его толщину, ученые все еще бурят во льду отверстия для сейсмических исследований. [8] [9] Измерения температуры продолжаются и по сей день: [3] моделирование поведения ледников требует понимания их внутренней температуры, [3] а в ледяных щитах температура скважин на разных глубинах может предоставить информацию о прошлом климате . [10] В скважину могут быть опущены и другие инструменты, такие как пьезометры для измерения давления во льду, [11] или камеры для визуального обзора стратиграфии. [12] IceCube , крупный астрофизический проект, требовал размещения многочисленных оптических датчиков в ямах глубиной 2,5 км, пробуренных на Южном полюсе. [13]
Наклон скважины и изменение угла наклона с течением времени можно измерить в обсаженной скважине, в которой полая труба помещена в качестве « облицовки », чтобы держать скважину открытой. Это позволяет периодически картировать трехмерное положение скважины, выявляя движение ледника не только на поверхности, но и по всей его толщине. [14] Чтобы понять, сокращается или растет ледник, необходимо измерить баланс его массы : это чистый эффект от прироста свежего снега за вычетом потерь от таяния и сублимации. Самый простой способ определить эти эффекты на поверхности ледника — установить колья (известные как абляционные колышки) в отверстия, пробуренные на поверхности ледника, и наблюдать за ними с течением времени, чтобы увидеть, не накапливается ли больше снега, закапывая кол или все больше и больше кола становится видно по мере того, как снег вокруг него исчезает. [15] Открытие слоев водной воды и нескольких сотен нанесенных на карту подледниковых озер под антарктическим ледниковым щитом привело к предположению о существовании уникальной микробной среды, которая была изолирована от остальной биосферы , возможно, в течение миллионов лет. . Эти среды можно исследовать путем бурения. [16] [17]
Ледяные керны являются одним из наиболее важных мотивов для бурения во льду. Поскольку ледяные керны сохраняют экологическую информацию о том времени, когда лед в них выпал в виде снега, они полезны для реконструкции климата прошлого, а анализ ледяных кернов включает исследования изотопного состава , механических свойств, растворенных примесей и пыли, захваченных образцов атмосферы и следовых радионуклидов. . [18] Данные ледяных кернов могут быть использованы для определения прошлых изменений солнечной активности, [19] и важны для построения морских изотопных стадий , одного из ключевых инструментов палеоклиматического датирования. [20] Ледяные керны также могут предоставить информацию о скорости движения и накопления ледников . [18] IPICS (Международное партнерство в области исследований ледяных кернов) ведет список ключевых целей исследований ледяных кернов. В настоящее время им предстоит получить ядро возрастом 1,5 миллиона лет; получить полную информацию о последнем межледниковье ; использовать ледяные керны для понимания изменений климата в долгосрочных масштабах ; получить подробный пространственный массив климатических данных ледяного керна за последние 2000 лет; и продолжить разработку передовых технологий бурения колонкового льда. [21]
Ограничения, связанные с конструкцией ледобуров, можно разделить на следующие широкие категории.
Лед необходимо прорезать, разбить или растопить. Инструменты можно заталкивать непосредственно в снег и фирн (снег, который спрессовался, но еще не превратился в лед, что обычно происходит на глубине от 60 метров (200 футов) до 120 метров (390 футов)); [22] этот метод не эффективен во льду, но вполне достаточен для получения проб из самых верхних слоев. [23] Для льда есть два варианта: ударное бурение и роторное бурение. При ударном бурении используется острый инструмент, например долото, который ударяет по льду, разрушая и фрагментируя его. [24] Более распространенными являются вращающиеся режущие инструменты, которые имеют вращающееся лезвие или набор лезвий на дне скважины для срезания льда. Для небольших инструментов вращение можно обеспечить вручную, используя Т-образную рукоятку или столярную скобу . Некоторые инструменты также можно настроить для использования обычных бытовых электродрелей или они могут включать в себя двигатель для вращения. Если крутящий момент подается с поверхности, то вся бурильная колонна должна быть жесткой, чтобы ее можно было вращать; но также возможно разместить двигатель чуть выше нижней части бурильной колонны и обеспечить подачу питания непосредственно на буровое долото . [25]
Если лед нужно растопить, а не разрезать, необходимо генерировать тепло. Электрический нагреватель, встроенный в бурильную колонну, может нагревать непосредственно лед или материал, в который он встроен, что, в свою очередь, нагревает лед. Тепло также может передаваться по бурильной колонне; горячую воду или пар, закачиваемые с поверхности, можно использовать для нагрева металлической буровой головки, или можно позволить воде или пару выйти из буровой головки и непосредственно растопить лед. [25] По крайней мере в одном случае в проекте бурения экспериментировали с нагревом буровой головки на поверхности, а затем опусканием ее в скважину. [26]
Многие места бурения льда очень труднодоступны, поэтому буры должны быть спроектированы так, чтобы их можно было транспортировать к месту бурения. [27] Оборудование должно быть максимально легким и портативным. [27] [28] Полезно, если оборудование можно разобрать, чтобы отдельные компоненты можно было переносить отдельно, что снижает нагрузку на переноску вручную, если это необходимо. [29] Топливо для паровых или водогрейных буров или для генератора, обеспечивающего электроэнергию, также необходимо перевозить, и этот вес также необходимо учитывать. [30]
При механическом бурении образуются куски льда либо в виде стружек, либо в виде зернистых фрагментов, которые необходимо удалять со дна лунки, чтобы они не мешали режущему или ударному действию сверла. [25] Шнек , используемый в качестве режущего инструмента , естественным образом перемещает ледяные куски вверх по винтовым виткам. [31] Если в результате воздействия бура на поверхности бура остаются кусочки льда, их можно удалить, просто периодически поднимая бур на поверхность. [32] В противном случае их можно поднять на поверхность, опустив инструмент, чтобы выкопать их, или яму можно держать полной воды, и в этом случае черенки естественным образом всплывут наверх ямы. Если стружка не удалена, ее необходимо утрамбовать в стенки скважины и в керн, если керн извлекается. [33]
Выбуренную породу также можно перемещать на поверхность за счет циркуляции сжатого воздуха через скважину, либо путем нагнетания воздуха через бурильную трубу и наружу через буровую головку, заставляя стружку подниматься в пространство между бурильной колонной и стенкой скважины, либо путем обратного потока воздуха. циркуляция, при которой воздух течет вверх по бурильной колонне. [33] Сжатый воздух нагревается при сжатии, и перед закачкой в скважину его необходимо охладить, иначе это приведет к расплавлению стенок скважины и керна. [34] [35] Если воздух циркулирует за счет создания вакуума, а не закачки воздуха, окружающий воздух переносит шлам, поэтому охлаждение не требуется. [36]
Для циркуляции бурового шлама от долота можно использовать жидкость или жидкость может растворять шлам. Роторное бурение полезных ископаемых (через горную породу) обычно обеспечивает циркуляцию жидкости через всю скважину и отделяет твердые частицы от жидкости на поверхности перед закачкой жидкости обратно вниз. [36] При бурении глубокого льда обычно жидкость циркулирует только на забое скважины, собирая шлам в камере, которая является частью скважинной компоновки. При использовании колонкового бура камера для шлама может опорожняться каждый раз, когда бур поднимается на поверхность для извлечения керна. [37]
Термические буры производят воду, поэтому нет необходимости утилизировать шлам, но бур должен быть способен работать при погружении в воду, иначе бур должен иметь метод удаления и хранения талой воды во время бурения. [38]
Буровой механизм должен быть соединен с поверхностью, а также должен быть предусмотрен способ подъема и опускания бура. [39] Если бурильная колонна состоит из труб или стержней, которые необходимо свинчивать вместе или собирать иным образом по мере того, как скважина становится глубже и бурильная колонна удлиняется, то должен быть способ удерживать бурильную колонну на месте по мере каждой длины. стержень или труба добавляется или удаляется. [40] [32] Если глубина скважины составляет всего несколько метров, механическая помощь может не потребоваться, но бурильные колонны могут стать очень тяжелыми для глубоких скважин, поэтому необходимо иметь лебедку или другую подъемную систему, способную поднимать и опуская его. [39]
Под «спуском» при бурении понимается задача полного вытягивания бурильной колонны из скважины (спуска), а затем повторной установки ее обратно в скважину (спуска). [41] Время спуска – это время, необходимое для входа в скважину и выхода из нее; Для конструкции сверла важно минимизировать время срабатывания, особенно для колонковых сверл, поскольку они должны совершать ход для каждого керна. [42]
Давление вскрышных пород в глубокой яме из-за веса льда наверху приведет к медленному закрытию скважины, если не принять меры по противодействию этому, поэтому глубокие скважины заполняются буровым раствором, плотность которого примерно равна плотности окружающего льда. , например, топливо для реактивных двигателей или керосин. [25] Жидкость должна иметь низкую вязкость , чтобы сократить время срабатывания . Поскольку для извлечения каждого сегмента керна требуется поездка, более медленная скорость движения через буровой раствор может значительно увеличить время проекта — год или больше для глубокой скважины. Жидкость должна как можно меньше загрязнять лед; он должен иметь низкую токсичность , обеспечивать безопасность и минимизировать воздействие на окружающую среду; он должен быть доступен по разумной цене; и его должно быть относительно легко транспортировать. [42] Глубина, на которой закрытие скважины предотвращает сухое бурение, сильно зависит от температуры льда; в леднике умеренного пояса максимальная глубина может составлять 100 метров (330 футов), но в очень холодных условиях, таких как некоторые части Восточной Антарктиды, может быть возможно сухое бурение до глубины 1000 метров (3300 футов). [43]
Снег и фирн проницаемы для воздуха, воды и буровых растворов, поэтому любой метод бурения, требующий наличия жидкости или сжатого воздуха в скважине, должен предотвращать их выход в поверхностные слои снега и фирна. Если жидкость используется только в нижней части скважины, проницаемость не является проблемой. Альтернативно, дыру можно обсадить ниже точки, где фирн превращается в лед. Если в качестве бурового раствора использовать воду, то при достаточно низких температурах она превратится в лед в окружающем снеге и фирне и закроет дыру. [44]
Инструменты могут быть спроектированы так, чтобы их можно было вращать вручную с помощью распорки или Т-образной рукоятки [32] или ручного кривошипного механизма [45] или прикреплять к ручной дрели. [46] Буровые установки с приводным вращением требуют наличия на буровой площадке электродвигателя, который, как правило, должен иметь топливо, хотя, по крайней мере, в одном случае буровой проект был организован достаточно близко к постоянной исследовательской станции, чтобы проложить кабель к исследовательскому зданию для власть. [45] Вращение может осуществляться на поверхности с помощью поворотного стола с использованием ведущей ведущей трубы [47] или с помощью двигателя в буровой головке для буров с тросовой подвеской; в последнем случае кабель должен передавать мощность на буровую головку, а также выдерживать ее вес. Для роторных дрелей необходима передача, чтобы уменьшить скорость вращения двигателя до подходящей для бурения скорости. [48]
Если крутящий момент подается на дне отверстия, двигатель, передающий его на буровое долото под ним, будет иметь тенденцию вращаться вокруг своей оси, а не сообщать вращение буровому долоту. Это связано с тем, что буровое долото будет иметь сильное сопротивление вращению, поскольку оно режет лед. Чтобы предотвратить это, должен быть предусмотрен какой-либо механизм противодействия крутящему моменту, обычно обеспечивающий некоторое сцепление двигателя со стенками скважины. [49]
Термическая дрель, использующая электричество для нагрева буровой головки и растапливания льда, должна подавать энергию в скважину, как и роторная дрель. [50] Если буровая головка нагревается путем перекачки воды или пара на забой скважины, то скважинная мощность не требуется, но для подачи горячей воды требуется насос на поверхности. Воду или пар можно нагреть на поверхности с помощью котла, работающего на топливе. [30] Также можно использовать солнечную энергию . [28]
Некоторые дрели, предназначенные для опирания на наконечник во время бурения, наклоняются в одну сторону в скважине, и скважина, которую они просверливают, постепенно смещается к горизонтали, если не предусмотрен какой-либо метод противодействия этой тенденции. [51] В других буровых установках управление направлением может быть полезно для запуска дополнительных скважин на глубине, например, для извлечения дополнительных ледяных кернов. [52]
Многие ледники относятся к умеренному поясу, то есть содержат «теплый лед»: лед, температура таяния которого повсюду (0 °C). [53] Талая вода в скважинах с теплым льдом не замерзнет повторно, но для более холодного льда талая вода может вызвать проблемы и может заморозить бур на месте, поэтому термические буры, которые работают погруженными в талую воду, которую они производят, и любой метод бурения что приводит к попаданию воды в скважину, использовать их в таких условиях затруднительно. [54] Буровые растворы или антифризные добавки к талой воде должны выбираться так, чтобы поддерживать температуру жидкости в скважине. [38] В теплом льду лед имеет тенденцию образовываться на резцах и буровой головке и скапливаться в пространствах на дне лунки, замедляя бурение. [55]
Чтобы извлечь керн, необходимо удалить кольцо льда вокруг цилиндрического керна. [56] Сердечник должен быть целым, а это означает, что вибрации и механические удары должны быть сведены к минимуму, а также следует избегать изменений температуры, которые могут вызвать тепловой удар сердечника. [57] Необходимо предохранять сердечник от плавления, вызванного теплом, генерируемым либо механически в процессе бурения, [58] от тепла сжатого воздуха, если в качестве бурового раствора используется воздух, [34] [35] или от термической дрели. и не должны быть загрязнены буровым раствором. [42] Когда керн собирается извлечь, он все еще связан со льдом под ним, поэтому необходимо предусмотреть какой-то способ сломать его на нижнем конце и захватить его, чтобы он не упал из колонкового ствола, как его выносят на поверхность, что необходимо сделать как можно быстрее и безопаснее. [49]
Большинство колонковых буров предназначены для извлечения кернов длиной не более 6 метров (20 футов), поэтому бурение необходимо прекращать каждый раз, когда глубина скважины увеличивается на эту величину, чтобы можно было извлечь керн. [49] Бурильная колонна, которую необходимо собирать и разбирать на сегменты, например, секции труб, которые необходимо свинчивать вместе, требует много времени для спуска и спуска; кабель, который можно непрерывно поднимать лебедкой, или бурильная колонна, достаточно гибкая, чтобы ее можно было сматывать, значительно сокращают время спуска. [48] [35] Буровые установки с канатным приводом оснащены механизмом, который позволяет отсоединить колонковый ствол от буровой головки и поднять лебедкой непосредственно на поверхность без необходимости вытаскивать бурильную колонну. После извлечения керна колонковый ствол опускается на дно скважины и снова прикрепляется к буру. [59]
На глубине, известной как зона хрупкого льда, пузырьки воздуха задерживаются во льду под большим давлением. Когда керн выносят на поверхность, пузырьки могут оказывать напряжение, превышающее предел прочности льда, что приводит к образованию трещин и отколов . [60] На большей глубине структура кристаллов льда меняется с гексагональной на кубическую, а молекулы воздуха движутся внутри кристаллов, образуя структуру, называемую клатратом . Пузырьки исчезают, и лед снова становится устойчивым. [60] [61] [62]
Из зоны хрупкого льда обычно возвращаются образцы более низкого качества, чем из остальной части керна. Можно предпринять некоторые шаги, чтобы облегчить проблему. Внутри бурового ствола можно разместить облицовки, чтобы изолировать керн до того, как он будет поднят на поверхность, но это затрудняет очистку бурового раствора. При бурении полезных ископаемых специальная техника может доставлять образцы керна на поверхность при забойном давлении, но это слишком дорого для труднодоступных мест большинства буровых площадок. Поддержание перерабатывающих предприятий при очень низких температурах ограничивает термические удары. Керны наиболее хрупкие на поверхности, поэтому другой подход — разбить их в яме на отрезки длиной 1 м. Выдавливание керна из бурового ствола в сеть помогает сохранить его целостность, если он разобьется. Хрупкие керны также часто оставляют на хранение на буровой площадке в течение некоторого времени, вплоть до года между сезонами бурения, чтобы лед постепенно расслабился. [60] [63] Качество керна в зоне хрупкого льда значительно улучшается при использовании бурового раствора, в отличие от бурения сухих скважин. [64]
Ударная дрель проникает в лед, многократно ударяя по нему, разрушая и фрагментируя его. Режущий инструмент монтируется в нижней части бурильной колонны (обычно соединенные металлические стержни [примечание 1] ), и должны быть предусмотрены некоторые средства передачи ему кинетической энергии. Штатив, установленный над отверстием, позволяет установить шкив, а затем использовать трос для многократного подъема и опускания инструмента. Этот метод известен как сверление канатным инструментом . Для создания необходимого импульса также можно использовать груз, неоднократно сбрасываемый на жесткую бурильную колонну. [24] Распыленный лед собирается на дне скважины и его необходимо удалить. Его можно собрать с помощью инструмента, способного зачерпнуть его со дна лунки, [24] или же лунку можно держать полной воды, чтобы лед всплывал к верху лунки, хотя это замедляет импульс удары бура по льду, снижающие его эффективность. [66] Инструмент для ударного бурения, не имеющий механического привода, требует определенного способа подъема бура, чтобы его можно было высвободить и упасть на лед. Чтобы сделать это эффективно с помощью ручного труда, обычно устанавливают треногу или другую поддерживающую подмостку, а также блок, позволяющий поднимать бурильную колонну с помощью веревки. Это устройство, известное как буровая установка с тросовым инструментом, также может использоваться для механического бурения, когда двигатель поднимает бурильную колонну и позволяет ей опускаться. [3] [24] Альтернативный подход заключается в том, чтобы оставить бурильную колонну на дне скважины, а затем поднять и упасть на бурильную колонну груз молота. [24]
Самая ранняя научная экспедиция по бурению льда использовала ударное бурение; Луи Агассис использовал железные стержни для бурения лунок в Унтераарглетчере в Альпах летом 1840 года. [2] В последнее время для бурения льда стали использоваться канатные установки; Советские экспедиции 1960-х годов вели бурение с помощью канатных буровых установок на Кавказе и в Тянь-Шаньском хребте, а в рамках американских проектов бурение проводилось на Голубом леднике в Вашингтоне в период с 1969 по 1976 год и на леднике Блэк-Рапидс на Аляске в 2002 году. [24]
Были опробованы два других метода перкуссии. Пневматические буры использовались для бурения неглубоких лунок во льду с целью установки взрывных зарядов, а роторные ударные буры (тип бурового инструмента, когда-то широко использовавшийся в горнодобывающей промышленности) также использовались для бурения взрывных скважин, но ни один из этих подходов не дал результатов. использовался для научных исследований льда. Ударное бурение в настоящее время редко используется для научного бурения льда, его вытеснили более эффективные методы бурения как льда, так и полезных ископаемых. [24]
Шнек для отбора проб почвы содержит пару лопастей в нижней части закрытого цилиндра; его можно приводить в движение и вращать вручную, чтобы собирать мягкую почву. [67] Подобная конструкция, называемая буром-ложкой, использовалась для бурения льда, хотя она не эффективна на твердом льду. [68] Версия, использованная Эрихом фон Дригальским в 1902 году, имела два режущих лезвия в форме полумесяца, установленные в основании цилиндра таким образом, чтобы позволить кускам льда накапливаться в цилиндре над лезвиями. [68] [69] [примечание 2]
Шнеки издавна использовались для бурения льда при зимней рыбалке . Шнеки можно вращать вручную, используя такой механизм, как Т-образная рукоятка или насадка-скоба, или прикрепив их к ручной дрели с электроприводом. [70] Научное применение шнеков без керна включает установку датчиков и определение толщины льда. Шнеки имеют винтовую лопасть вокруг главной оси бурения; это лезвие, называемое «летящим», переносит ледяную крошку вверх со дна лунки. [31] Для бурения более глубоких скважин к шнеку можно добавить удлинители, но по мере того, как шнек становится длиннее, его становится все труднее вращать. С такой платформой, как стремянка, более длинный шнек можно повернуть выше над землей. [70]
Имеющиеся в продаже ледобуры для зимней рыбалки, работающие на бензине, пропане или аккумуляторе, доступны для диаметров лунок от 4,5 до 10 дюймов. Для лунок глубиной более 2 м можно использовать штатив, чтобы вытащить шнек из лунки лебедкой. Распространена складная ручка-скоба со смещением; это позволяет обеим рукам вносить свой вклад в крутящий момент. [70]
Шнеки, способные извлекать ледяные керны, аналогичны шнекам без керна, за исключением того, что лопасти расположены вокруг полой бочки. Разработаны шнеки, состоящие из винтовых режущих лезвий и полости для стержня без центрального опорного цилиндра, но их трудно сделать достаточно жесткими. Керновые шнеки обычно производят керны диаметром 75–100 мм и длиной до 1 м. Первоначально шнеки для отбора керна были предназначены для вращения вручную, но со временем их адаптировали для использования с ручными дрелями или небольшими двигателями. [32]
Как и в случае со шнеками без керна, для более глубокого бурения можно добавить удлинители. Для бурения на глубину более 6 м требуется более одного человека из-за веса бурильной колонны. Зажим, расположенный на поверхности, полезен для поддержки веревки, а штатив, блок и снасть также можно использовать для поддержки и увеличения веса веревки, с которой можно справиться. По мере того, как бурильная колонна становится длиннее, для завершения спуска и извлечения керна требуется больше времени, поскольку каждый удлинительный стержень должен быть отделен от бурильной колонны при спуске и повторно прикреплен при спуске. [32]
Бурение с помощью треноги или другой метод обращения с длинной бурильной колонной значительно расширяет предел глубины для использования кернового шнека. [32] [71] Самая глубокая яма, пробуренная вручную с помощью шнека, составила 55 м на шельфовом леднике Уорд-Хант на острове Элсмир в 1960 году. Обычно лунку глубже 30 м пробуют другими методами из-за веса бурильной колонны и требуемое длительное время спуска. [32]
Современные шнеки для отбора керна мало изменились за десятилетия: шнек для отбора керна для льда, запатентованный в США в 1932 году, очень похож на шнеки для отбора керна, использовавшиеся восемьдесят лет спустя. [32] В конце 1940-х годов Лаборатория морозных эффектов армии США (FEL) разработала комплект для испытаний механики льда, который включал в себя керноотборочный шнек; Научно-исследовательский институт снега , льда и вечной мерзлоты (SIPRE), организация-преемник, усовершенствовал конструкцию в начале 1950-х годов, и получившийся в результате шнек, известный как шнек SIPRE, до сих пор широко используется. В 1960-х годах он был немного модифицирован Лабораторией исследований и инженерии холодных регионов (CRREL), другой организацией-преемником, и по этой причине его иногда называют шнеком CRREL. [72] Шнек, разработанный в 1970-х годах Управлением по керну полярного льда (PICO), базировавшимся тогда в Линкольне, штат Небраска , также до сих пор широко используется. [73] Буровой шнек, разработанный в Копенгагенском университете в 1980-х годах, был впервые использован в лагере «Сенчури» и с тех пор часто использовался в Гренландии. [74] В 2009 году группа по проектированию и эксплуатации ледового бурения США (IDDO) начала работу над улучшенной конструкцией ручного шнека, и одна из версий была успешно испытана в полевых условиях в течение полевого сезона 2012–2013 годов на WAIS Divide . [75] [76] По состоянию на 2017 год IDDO поддерживает версии нового шнека диаметром 3 и 4 дюйма для использования в исследовательских программах ледового бурения в США, и в настоящее время это наиболее востребованные ручные шнеки, предоставляемые IDDO. [77]
Шнек Prairie Dog, разработанный в 2007 году, добавляет внешний ствол к базовой конструкции шнека для отбора керна. Шлам захватывается между витками шнека и внешним стволом, который имеет секцию противодействия крутящему моменту, предотвращающую его вращение в скважине. [71] Целью внешнего ствола является повышение эффективности сбора стружки, поскольку часто можно увидеть, как стружка от ручного шнека падает обратно в отверстие из витков шнека, а это означает, что при следующем проходе необходимо повторно просверлить эти шнеки. черенки. [78] Внешний цилиндр также делает шнек эффективным на теплом льду, что может легко привести к заклиниванию шнека без внешнего цилиндра. [71] Внешний ствол Prairie Dog имеет такой же диаметр, как и шнек PICO, и, поскольку антикрутящие лезвия Prairie Dog не работают хорошо на мягком снегу и фирне, яму обычно начинают с помощью PICO. шнеком, а затем продолжите его с помощью Луговой собачки, как только будет достигнут плотный фирн. [79] Луговая собачка относительно тяжелая, и для ее извлечения из ямы могут потребоваться два бурильщика. [71] IDDO поддерживает буровую установку Prairie Dog для использования в исследовательских программах США по ледовому бурению. [80]
IDDO также предлагает подъемную систему для использования с ручными шнеками, известную как Sidewinder. Он приводится в движение ручной электрической дрелью, которая может питаться от генератора или солнечных батарей. [81] Устройство Sidewinder наматывает веревку на ручной бур, когда он опускается в яму, и помогает поднять шнек обратно из ямы. Это увеличивает максимальную практическую глубину ручного бурения примерно до 40 м. Сайдвиндеры оказались популярными среди исследователей. [82] [83]
Поршневое сверло состоит из плоского диска в нижней части длинного стержня с тремя или четырьмя радиальными прорезями в диске, каждая из которых имеет режущую кромку. Стержень поворачивается вручную с помощью рукоятки-раскоса; лед проходит через щели и скапливается на поверхности диска. При вытягивании сверла из скважины шлам поднимается на диск. В 1940-х годах в Швеции и США было зарегистрировано несколько патентов на конструкции поршневых сверл, но сейчас эти сверла используются редко. Они менее эффективны, чем шнековые буры, так как бур необходимо периодически вынимать из скважины, чтобы избавиться от шлама. [32] [84]
Некоторые ручные дрели предназначены для извлечения керна без использования шнеков для транспортировки шлама в скважину. Эти буры обычно имеют колонковый ствол с зубьями на нижнем конце и вращаются с помощью распорки, Т-образной рукоятки или небольшого двигателя. Сам ствол можно не использовать, так что сверло состоит только из кольца с режущей прорезью для вырезания кольцевого пространства вокруг сердечника и вертикального стержня для крепления кольца к поверхности. Пара небольших ручных дрелей, или мини-дрелей, предназначена для быстрого отбора образцов керна длиной до 50 см. Трудность всех этих конструкций заключается в том, что как только образуются стружки, если их не удалить, они будут мешать режущему действию сверла, делая эти инструменты медленными и неэффективными в использовании. [85] Очень маленькое сверло, известное как «Бурундук-бур», было разработано IDDO для использования в проекте в Западной Гренландии в 2003 и 2004 годах, а затем использовалось на Южном полюсе в 2013 году. [86]
В роторных буровых установках, используемых при бурении полезных ископаемых, используется колонна бурильных труб, соединенная с буровым долотом на дне скважины и с поворотным механизмом наверху скважины, [ 87] , например, с верхним приводом [88] или поворотным столом и ведущей трубкой. . [89] По мере углубления скважины бурение периодически приостанавливается для добавления новой длины бурильной трубы в верхней части бурильной колонны. Эти проекты обычно реализуются с использованием имеющихся в продаже роторных буровых установок, изначально предназначенных для бурения полезных ископаемых, с адаптацией для особых потребностей бурения льда. [90]
При бурении во льду лунку можно пробурить всухую, без механизма утилизации шлама. В снегу и фирне это означает, что шлам просто уплотняется в стенках скважины; а в колонковых бурах они еще и уплотняются в керне. Во льду шлам накапливается в пространстве между бурильной трубой и стенкой скважины и со временем начинает закупоривать долото, обычно после прохождения не более 1 м. Это увеличивает крутящий момент, необходимый для сверления, замедляет процесс и может привести к потере сверла. При сухом колонковом бурении обычно образуется керн низкого качества, который разбивается на куски. [87]
В 1950 году французская экспедиция Polaires Françaises (EPF) пробурила две сухие скважины в Гренландии с использованием роторной буровой установки: в лагере VI на западном побережье и на центральной станции в глубине страны, достигнув глубины 126 м и 151 м. [91] Тем летом на Баффиновом острове также было пробурено несколько неглубоких лунок с использованием колонкового бура, [92] а в Антарктике Норвежско-Британско-Шведская антарктическая экспедиция (NBSAE) пробурила несколько лунок в период с апреля 1950 года по следующий год. в итоге достигая 100 м в одной лунке. [93] Последней экспедицией, предпринявшей попытку сухого бурения во льду, была 2-я Советская антарктическая экспедиция (САЭ), которая пробурила три скважины в период с июля 1957 года по январь 1958 года. [94] С тех пор сухое бурение было прекращено, поскольку доказали свою эффективность другие методы бурения. чтобы быть более эффективным. [87]
Во льду было пробурено несколько скважин с использованием прямой циркуляции воздуха, при которой сжатый воздух подается по бурильной трубе, выходит через отверстия в буровом долоте и возвращается вверх в кольцевое пространство между буровым долотом и скважиной, унося с собой шлам. Впервые этот метод был опробован в составе 1-й советской антарктической экспедиции в октябре 1956 года. Были проблемы с плохим удалением шлама и образованием льда в скважине, но буру удалось достичь глубины 86,5 м. [95] Дальнейшие попытки использовать циркуляцию воздуха с роторными буровыми установками предпринимались американскими, советскими и бельгийскими экспедициями, при этом максимальная глубина скважины составляла 411 м, чего группа из США достигла на Участке 2 в Гренландии в 1957 году. В последний раз в проекте использовалась обычная роторная установка с циркуляцией воздуха 1961 года выпуска. [96]
При разведке полезных ископаемых наиболее распространенным методом бурения является роторная установка, в которой жидкость циркулирует по бурильной трубе и обратно между бурильной трубой и стенкой скважины. Жидкость выносит шлам на поверхность, где шлам удаляется, а переработанная жидкость, известная как буровой раствор, возвращается в скважину. Первым проектом бурения льда, в котором был опробован этот подход, была экспедиция Американского географического общества на ледник Таку в 1950 году. В качестве бурового раствора использовалась пресная вода, взятая из ледника, и были пробурены три скважины на максимальную глубину 89 м. . Керны были извлечены, но в плохом состоянии. [97] Морскую воду также пробовали использовать в качестве бурового раствора. [59] Впервые жидкость, отличная от воды, использовалась в обычной роторной буровой установке в конце 1958 года на Little America V, где дизельное топливо использовалось на последних нескольких метрах 254-метровой скважины. [96] [98]
В канатном бурении используется циркуляция воздуха или жидкости, а также имеется инструмент, который можно опустить в бурильную трубу для извлечения керна без снятия бурильной колонны. Инструмент, называемый овершотом, фиксируется на колонковом стволе и вытягивает его на поверхность. После извлечения керна колонковый ствол опускается обратно в скважину и снова прикрепляется к буру. [59] Проект колонкового бурения с использованием троса был запланирован в 1970-х годах для Международного антарктического гляциологического проекта, но так и не был завершен, [99] а первый проект ледового бурения с использованием троса состоялся в 1976 году [примечание 3] в рамках ледового проекта Росса. Шельфовый проект (РИСП). [96] Бурение скважины было начато в ноябре того же года с помощью канатного бурения, вероятно, с использованием циркуляции воздуха, но проблемы с промахом вынудили проект переключиться на термическое бурение, когда скважина достигла глубины 103 м. [99] В следующем сезоне проект RISP достиг глубины более 170 м с помощью еще одного канатного бурения, [99] и несколько советских экспедиций 1980-х годов также использовали канатные буры после запуска скважин с помощью шнекового бура и обсадки скважин. [101] Буровая установка Agile Sub-Ice Geological (ASIG), разработанная IDDO для сбора подледных кернов, представляет собой новейшую проводную систему; Впервые он был использован в полевых условиях в сезоне 2016–2017 гг. в Западной Антарктиде. [102]
Использование обычных роторных буровых установок для бурения льда имеет множество недостатков. Когда для отбора керна используется обычная роторная установка, всю бурильную колонну необходимо поднимать из скважины каждый раз при извлечении керна; каждый отрезок трубы по очереди необходимо отвинтить и переложить. По мере того, как яма становится глубже, это занимает очень много времени. [87] Обычные буровые установки очень тяжелые, и поскольку многие места бурения льда труднодоступны, эти буровые установки создают большую логистическую нагрузку на проект бурения льда. Для глубоких скважин необходим буровой раствор для поддержания давления в скважине и предотвращения закрытия скважины из-за давления, под которым находится лед; буровой раствор требует дополнительного тяжелого оборудования для циркуляции и хранения раствора, а также для отделения циркулирующего материала. Любая система циркуляции также требует обсадной трубы в верхней части отверстия, через снег и фирн, поскольку циркулирующий воздух или жидкость могут выйти через что-то более проницаемое, чем лед. Коммерческие роторные буровые установки не рассчитаны на экстремально низкие температуры, и помимо проблем с такими компонентами, как гидравлика и системы управления жидкостью, они предназначены для работы на открытом воздухе, что непрактично в экстремальных условиях, таких как бурение в Антарктике. [27]
Коммерческие роторные буровые установки могут быть эффективны для бурения скважин большого диаметра, а также могут использоваться для подледного бурения горных пород. [27] Их также с некоторым успехом использовали для исследования каменных ледников, бурение которых затруднено, поскольку они содержат неоднородную смесь льда и камня. [27] [103]
В установках с гибкой бурильной колонной используется непрерывная бурильная колонна, поэтому ее не нужно собирать или разбирать, штанга за штангой или труба за трубой, при спуске или спуске. Бурильная колонна также является гибкой, поэтому после извлечения из скважины ее можно хранить на барабане. Бурильная колонна может представлять собой армированный шланг, стальную или композитную трубу, и в этом случае она называется буровой установкой с гибкими трубами. Установки, спроектированные по этому принципу, начали появляться в 1960-х и 1970-х годах при бурении полезных ископаемых и стали коммерчески жизнеспособными в 1990-х годах. [35]
Только одна такая установка, система быстрого движения воздуха (RAM), разработанная в Университете Висконсин-Мэдисон компанией Ice Coring and Drilling Services (ICDS), использовалась для бурения льда. [36] [35] Бур RAM был разработан в начале 2000-х годов и изначально предназначался для бурения взрывных скважин в целях сейсморазведки. [35] [104] Бурильная колонна представляет собой шланг, через который закачивается воздух; воздух приводит в движение турбину, которая приводит в действие долото ротационного бурения. Ледяная крошка удаляется отработанным воздухом и фонтаном выходит из лунки. Компрессор повышает температуру воздуха примерно на 50°, и он снова охлаждается перед закачкой в скважину, при этом конечная температура примерно на 10° выше, чем окружающий воздух. Это означает, что его нельзя использовать при температуре окружающей среды выше -10 °C. Чтобы избежать образования льда в шланге, в сжатый воздух добавляется этанол. [35] Система, которая включает в себя лебедку для удержания 100 м шланга, а также два воздушных компрессора, установлена на салазках. [9] Он успешно пробурил сотни лунок в Западной Антарктиде и легко смог пробурить глубину 90 м всего за 25 минут, что сделало его самым быстрым ледовым буром. [35] [9] Он также использовался в проекте Аскарянской радиорешетки в 2010–2011 годах на Южном полюсе, но не смог пробурить там глубину ниже 63 м из-за различий в местных характеристиках льда и фирна. [36] [104] Его нельзя использовать в скважинах, заполненных жидкостью, что ограничивает максимальную глубину отверстия для этой конструкции. [9] Основная проблема с буровой установкой RAM — это потеря циркуляции воздуха в фирне и снеге, которую можно решить, используя обратную циркуляцию воздуха с помощью вакуумного насоса, втягивающего воздух через шланг. [36] С 2017 года IDDO планирует изменить конструкцию бура RAM, чтобы уменьшить вес бура, который в настоящее время составляет 10,3 тонны. [35] [104]
Рассматривались и в некоторых случаях тестировались другие конструкции гибкой бурильной колонны, но по состоянию на 2016 год ни одна из них не была успешно использована в полевых условиях. [36] В одной из конструкций предлагалось использовать горячую воду для бурения через шланг и заменять буровую головку механическим сверлом для бурения керна после достижения интересующей глубины, используя горячую воду как для гидравлического привода забойного двигателя, так и для плавления керна. образовавшиеся ледяные куски. [105] Другая конструкция, сверло RADIX, производит очень узкое отверстие (20 мм) и предназначено для быстрого сверления отверстий доступа; он использует небольшой гидравлический двигатель на узком шланге. Он был испытан в 2015 году, но обнаружил, что у него возникли трудности с транспортировкой шлама, вероятно, из-за очень узкого пространства между шлангом и стенкой скважины. [106]
Колтюбинговые конструкции никогда не применялись успешно для бурения льда. Операции по отбору керна будут особенно трудными, поскольку керновое сверло должно выдвигаться и заходить для каждого керна, что приведет к усталости ; Срок службы трубки обычно рассчитан всего на 100–200 поездок. [106]
Буровая установка с подвеской на тросе имеет скважинную систему, известную как зонд, для бурения скважины. [48] [108] Зонд соединен с поверхностью бронированным кабелем, который обеспечивает питание и позволяет поднимать и вытаскивать бур с помощью лебедки. [48] Электромеханические (ЭМ) дрели с тросовой подвеской имеют режущую головку с лезвиями, которые сбривают лед при вращении, как столярный рубанок. Глубина проникновения реза регулируется устройством, называемым башмаком, которое является частью режущей головки. Ледяная крошка хранится в камере зонда либо в колонковом стволе над керном, либо в отдельной камере, расположенной дальше по буровой установке.
Шлам можно транспортировать шнековыми шнеками или циркуляцией жидкости. Буры, в которых используются шнековые витки и которые не предназначены для работы в скважинах, заполненных жидкостью, ограничены глубинами, на которых закрытие скважины не является проблемой, поэтому они известны как неглубокие буры. [108] Более глубокие скважины необходимо бурить с буровым раствором, но в то время как в роторном бурении жидкость перемещается вниз, а затем вверх по скважине, в бурах с подвеской на тросе жидкость требуется только для циркуляции жидкости от буровой головки вверх к скважине. черенковая камера. Это известно как забойная циркуляция. [48]
Верхняя часть зонда имеет систему противодействия крутящему моменту, которая чаще всего состоит из трех или четырех пластинчатых пружин, прижимающихся к стенкам скважины. Острые края листовых пружин цепляются за стенки и оказывают необходимое сопротивление, предотвращающее вращение этой части сверла. В месте соединения кабеля с зондом большинство сверл имеют контактное кольцо , позволяющее сверлу вращаться независимо от кабеля. Это необходимо для предотвращения повреждения кабеля крутящим моментом в случае выхода из строя системы противодействия крутящему моменту. Керновые сверла также могут иметь груз, который можно использовать в качестве молотка, помогающего разбить керн, и камеру для любых необходимых инструментов или датчиков. [48] [108]
В нижней части зонда находится режущая головка, а над ней — колонковый ствол с витками шнека вокруг него на неглубоких бурах и обычно вокруг него внешний ствол, обычно с внутренними вертикальными ребрами или каким-либо другим способом обеспечения дополнительного импульса для направленные вверх черенки на пролетах. Если имеется отдельная камера для стружки, она будет располагаться над колонковым стволом. Двигатель с подходящей передачей также находится над колонковым стволом. [48]
Неглубокие буры могут извлекать керны на глубину до 300–350 м, но качество керна значительно улучшается в присутствии бурового раствора, поэтому некоторые неглубокие буры были разработаны для работы во влажных скважинах. Испытания, проведенные в 2014 году, показали, что мокрое бурение с уровнем верхнего слоя бурового раствора не глубже 250 м обеспечивает хорошее качество керна. [48]
Буровые растворы необходимы для бурения глубоких скважин, поэтому в бурах с подвеской на тросе, которые используются для этих проектов, используется насос, обеспечивающий циркуляцию жидкости для удаления шлама из долота. [37] Некоторые буры, предназначенные для использования с буровым раствором, также имеют шнековые лопасти на внутреннем стволе. [108] Как и в случае с неглубокими сверлами, шлам хранится в камере над керном. Циркуляция может осуществляться в любом направлении: вниз по внутренней части бурильной колонны и вверх между колонковым стволом и стенкой скважины или в обратном направлении, что стало предпочтительным подходом при проектировании бурильных установок, поскольку оно обеспечивает лучшее удаление шлама за меньшая скорость потока. [37] Буровые установки, способные достигать глубины более 1500 м, известны как системы глубокого бурения; они в целом имеют конструкцию, аналогичную промежуточным системам, которые могут бурить на глубину от 400 м до 1500 м, но должны иметь более тяжелые и надежные системы, такие как лебедки, а также более длинные буры и большие укрытия для бурения. [109] Диаметр сердечника этих сверл варьировался от 50 мм до 132 мм, а длина сердечника от 0,35 м до 6 м. Общей конструктивной особенностью этих глубоких сверл является то, что их можно наклонить горизонтально, чтобы облегчить удаление керна и шлама. Это уменьшает требуемую высоту мачты, но требует вырезания во льду глубокой прорези, чтобы освободить место для подъема зонда. [110]
Первая электромеханическая дрель с тросовой подвеской была изобретена Армаисом Арутуновым для бурения полезных ископаемых; он был испытан в 1947 году в Оклахоме, но показал себя не очень хорошо. [109] [111] CRREL приобрела отремонтированное бурение Арутунова в 1963 году, [109] [111] [112] модифицировала его для бурения во льду, а в 1966 году использовала его для расширения скважины в лагере Сенчури в Гренландии до основания ледяная шапка на высоте 1387 м и на 4 м дальше в скалу. [109] [111]
Многие другие упражнения с тех пор были основаны на этой базовой конструкции. [109] Недавним вариантом базовой конструкции ЭМ бура является изотопное бурение быстрого доступа, разработанное Британской антарктической службой для бурения сухих скважин глубиной до 600 метров. [113] Это упражнение не позволяет собрать полный ледяной керн; вместо этого он будет собирать куски льда, [113] используя режущую головку, похожую на ложку. [114] Полученное отверстие доступа будет использоваться для составления температурного профиля, [113] и наряду с результатами изотопов, которые будут указывать на возраст льда, данные будут использоваться для моделирования профиля льда вплоть до коренной породы, чтобы определить лучшее место для бурения, чтобы получить самый старый нетронутый базальный лед. [115] [114] Ожидается, что буровая установка достигнет глубины 600 м за 7 дней бурения, а не за 2 месяца, которые потребуются для бурения керна; Скорость обусловлена тем, что фрезы могут быть более агрессивными, поскольку качество керна не является проблемой, а также тем, что скважина узкая, что снижает требования к мощности для лебедки. [115]
Термические буры работают, нагревая лед на дне скважины, чтобы растопить его. Термические буры в целом способны успешно бурить лед умеренного пояса, где электромеханический бур подвержен риску заклинивания из-за образования льда в скважине. [38] При использовании в более холодном льду в скважину, вероятно, будет введена некоторая форма антифриза, чтобы предотвратить замерзание талой воды в буре. [38]
Горячую воду можно использовать для сверления льда, прокачивая ее через шланг с насадкой на конце; струя горячей воды быстро образует дыру. Если дать шлангу свободно свисать, получится прямое отверстие; по мере того, как яма становится глубже, вес шланга затрудняет управление вручную, и на глубине около 100 м становится необходимо пропустить шланг через шкив и использовать какой-либо метод, помогающий опускать и поднимать шланг, обычно состоящий из катушка для шланга, шпиль или какой-либо вспомогательный шланг. [117] Поскольку давление в шланге пропорционально квадрату расхода, диаметр шланга является одним из ограничивающих факторов для дрели с горячей водой. Чтобы увеличить скорость потока сверх определенной точки, необходимо увеличить диаметр шланга, но это потребует значительного увеличения производительности в других частях конструкции бура. [118] Шланги, которые обертываются вокруг барабана перед подачей давления, будут оказывать на барабан сжимающую силу, поэтому барабаны должны иметь прочную конструкцию. [119] Шланги при наматывании должны быть аккуратно свернуты во избежание повреждений; для небольших систем это можно сделать вручную, но для очень больших буровых установок необходимо использовать систему выравнивания ветра. [120] В идеале шланг должен обладать прочностью на растяжение, чтобы выдерживать его вес при намотке в отверстие, но для очень глубоких отверстий может потребоваться использование поддерживающего троса для поддержки шланга. [121]
Вместо горячей воды также можно использовать пар, и его не нужно перекачивать. Ручная паровая дрель способна быстро просверливать короткие отверстия, например, для абляционных кольев, а паровые и водогрейные дрели можно сделать достаточно легкими, чтобы их можно было носить в руках. [30] Для поддержания прямолинейности скважины можно использовать направляющую трубку. [122]
В холодном льду скважина, пробуренная с горячей водой, закроется по мере замерзания воды. Чтобы избежать этого, бур можно спустить обратно в скважину, нагревая воду и, следовательно, окружающий лед. Это форма реаминга . Повторные расширения повысят температуру окружающего льда до такой степени, что скважина будет оставаться открытой в течение более длительных периодов времени. [123] Однако, если целью является измерение температуры в скважине, то лучше прикладывать как можно меньше дополнительного тепла к окружающему льду, а это означает, что желательно использовать бур с более высокой энергией и высоким расходом воды, поскольку это будет более эффективно. [118] Если существует риск замерзания сверла, в конструкцию можно включить «обратное сверло». Это механизм, который перенаправляет струю горячей воды вверх, если сверло встречает сопротивление при выпадении. [124] Также можно использовать отдельный расширитель для горячей воды, который по мере прохождения струей горячей воды направляет ее на стенки скважины вбок. [124]
Скважины, пробуренные с горячей водой, имеют довольно неправильную форму, что делает их непригодными для некоторых видов исследований, таких как определение скорости закрытия скважины или инклинометрических измерений. Теплая вода из сопла будет продолжать плавить стенки скважины по мере ее подъема, и это будет иметь тенденцию придавать скважине конусообразную форму, если скважина бурится в месте без поверхностного снега или фирна, например в зоне абляции. в леднике, то этот эффект сохранится до верха скважины. [30]
Водоснабжение буровой установки с горячей водой может осуществляться из воды на поверхности, если таковая имеется, или из талого снега. Талую воду в скважине можно использовать повторно, но сделать это можно только после того, как скважина проникнет ниже фирна до непроницаемого слоя льда, поскольку выше этого уровня талая вода уходит. Насос для возврата талой воды на поверхность должен быть расположен ниже этого уровня, и, кроме того, если есть вероятность того, что скважина проникнет до основания льда, в проекте бурения необходимо предусмотреть вероятность того, что это изменится. уровень воды в отверстии и убедитесь, что насос находится ниже минимально возможного уровня. [125] Системы отопления обычно создаются на основе нагревателей, используемых в моечных машинах высокого давления. [126]
При использовании любого метода термического бурения в грязном льду мусор скапливается на дне скважины и начинает мешать бурению; достаточное количество мусора в виде песка, гальки или большого камня может полностью остановить прогресс. [127] Один из способов избежать этого – расположить сопло под углом 45°; использование этого сопла создаст боковой канал, в который будут попадать препятствия. Затем вертикальное бурение можно начать снова, минуя обломки. [117] Другой подход заключается в рециркуляции воды на забое скважины с помощью электрического нагревателя, встроенного в буровую головку, и фильтров в системе циркуляции. Это позволит удалить большую часть мелкого мусора, мешающего работе буровой головки. [128]
Другая проблема с нечистым льдом связана с привнесенными в результате проекта загрязнителями, такими как одежда и древесные волокна, пыль и песок. Использование снега вокруг лагеря для снабжения бура водой часто необходимо в начале бурения, поскольку лунка еще не достигла непроницаемого льда, поэтому воду невозможно закачать обратно со дна лунки; Если сгребать этот снег в систему подачи воды буровой установки, эти загрязнения пройдут через механизм буровой машины и могут повредить насосы и клапаны. Чтобы избежать этих проблем, необходим фильтр тонкой очистки. [127] [129]
Первая экспедиция с использованием буров с горячей водой состоялась в 1955 году на Мер-де-Глас ; Électricité de France использовала горячую воду, чтобы добраться до подножия ледника, а также использовала оборудование, которое распыляло несколько струй одновременно, чтобы создать туннель подо льдом. [130] Дальнейшие разработки были проведены в 1970-х годах. [131] [30] Буровые установки с горячей водой теперь способны бурить очень глубокие скважины и обеспечить чистый доступ к подледниковым озерам: например, в период с 2012 по 2019 год в рамках проекта WISSARD/SALSA буровая установка WISSARD, буровая установка среднего размера с горячей водой бурение воды, пробурен чистый доступ на глубину до 1 км на озере Мерсер в Антарктиде; а в период с 2004 по 2011 год на Южном полюсе с помощью большого бура с горячей водой было пробурено 86 скважин на глубину 2,5 км для установки цепочек датчиков в скважинах для проекта IceCube . [13] [132] Также были разработаны буры для бурения керна с горячей водой, но они чувствительны к обломкам, которые останавливают движение вперед в грязном льду. [131]
Первая паровая дрель была разработана Ф. Ховоркой в начале 1960-х годов для работы в Альпах. [122] Паровые буры не используются для скважин глубиной более 30 м, так как они весьма неэффективны [133] из-за тепловых потерь по шлангу и потерь давления с увеличением глубины под водой. [134] В основном они используются для быстрого бурения неглубоких отверстий. [133]
Вместо использования струи горячей воды или пара тепловые буры также могут быть сконструированы так, чтобы обеспечивать нагрев прочной буровой головки, например, закачивая горячую воду вниз и обратно внутрь бурильной колонны, и использовать ее для растапливания льда. [30] Современные тепловые дрели вместо этого используют электрическую энергию для нагрева сверлильной головки. [135]
Возможно бурение с использованием горячей точки, состоящей из электрического нагревательного элемента, непосредственно контактирующего со льдом; это означает, что элемент должен иметь возможность работать под водой. [136] Некоторые дрели вместо этого встраивают нагревательный элемент в такой материал, как серебро или медь, который быстро передает тепло к поверхности горячей точки; [137] они могут быть сконструированы таким образом, чтобы электрические соединения не подвергались воздействию воды. [138] Для электротермических буров требуется кабель для подачи электроэнергии в скважину; контур можно завершить через бурильную трубу, если таковая имеется. [139] В буровой установке необходим трансформатор, так как кабель должен выдерживать высокое напряжение во избежание рассеивания мощности. [140] Подвести электроэнергию в удаленном месте труднее, чем вырабатывать тепло с помощью газового котла, поэтому буры с горячей точкой используются только для скважин глубиной до нескольких сотен метров. [141]
Самая ранняя попытка использовать тепло для бурения льда была предпринята в 1904 году, когда К. Бернар, буря на леднике Тет-Рус , попытался использовать для бурения нагретые железные стержни. Концы стержней нагревали до накаливания и опускали в скважину. [26] Первая настоящая горячая точка была использована Марио Кальчати в 1942 году на леднике Хосанд. Кальчати перекачивал горячую воду с поверхности вниз по бурильной колонне и обратно после того, как она прошла через буровую головку. [142] [143] В других конструкциях с горячей точкой для нагрева буровой головки использовался электрический нагрев; это было сделано в 1948 году британской экспедицией на Юнгфрауйох [144] и с тех пор многими другими проектами буровых установок. Горячие точки не производят ядра, поэтому они используются в первую очередь для создания дыр доступа. [141]
Разработка в 1960-х годах кернов для термического бурения скважин средней глубины была вызвана проблемами, связанными с вращающимися колонковыми бурами, которые были слишком дорогими для использования для кернов полярного льда из-за логистических проблем, вызванных их весом. [145] [146] Компоненты термобура в целом такие же, как и у ЭМ-бура с подвеской на тросе: оба имеют мачту и лебедку, а также бронированный кабель для подачи питания на скважинный зонд, который включает в себя колонковый ствол. Для термической дрели не требуется система противодействия крутящему моменту, и вместо двигателя, обеспечивающего крутящий момент, мощность используется для выработки тепла в режущей головке, которая имеет кольцеобразную форму и растапливает кольцо льда вокруг сердечника. Некоторые буры также могут иметь центратор, позволяющий удерживать зонд в середине скважины. [38]
Зонд электротермической буровой установки, предназначенный для работы в талой воде, может почти полностью состоять из колонкового ствола и нагретой режущей головки (диаграмма (а) на рисунке справа). Альтернативные конструкции для использования в более холодном льду (см. диаграмму (b) справа) могут иметь отсек над колонковым стволом и трубы, спускающиеся чуть выше режущей головки; талую воду всасывает вакуумный насос. В этих буровых установках талую воду необходимо сливать на поверхность в конце каждого отбора керна. [147]
Другой подход (см. (c) справа) заключается в использовании бурового раствора, представляющего собой смесь этанола и воды, точные пропорции которых определяются температурой льда. В этих бурах поршень находится над колонковым стволом, и в начале спуска поршень находится в нижней части зонда, а пространство над ним заполнено буровым раствором. Когда сверла режут вниз, сердечник толкает поршень вверх, перекачивая жидкость вниз и наружу вокруг режущей головки, где она смешивается с талой водой и предотвращает ее замерзание. Поршень — единственная подвижная часть, что упрощает конструкцию; и колонковый ствол может занимать большую часть длины зонда, тогда как буровые установки, которые отсасывают талую воду для бурения сухой скважины, должны жертвовать большой секцией зонда для хранения талой воды. [147]
Тепловые буры, предназначенные для льдов умеренного пояса, легки и просты в эксплуатации, что делает их пригодными для использования на высокогорных ледниках, однако при этом требуется также возможность разборки бура на компоненты для транспортировки человеком в самые труднодоступные места, поскольку вертолеты возможно, не смогут достичь самых высоких ледников. [148] [149]
Конструкции электротермических сверл появились в 1940-х годах. Электротермическое бурение было запатентовано в Швейцарии в мае 1946 года Рене Кехлином и использовалось в Швейцарии, [150] [151] [152] , а в 1948 году британская экспедиция в Юнгфрауйох пробурила дно ледника с использованием электротермической конструкции. [3] В период с 1964 по 2005 год было разработано двадцать электротермических колонковых сверл, хотя от многих проектов отказались из-за более высокой производительности сверл с ЭМ. [38]
Если целью является получение показаний приборов изнутри льда и нет необходимости извлекать лед или буровую систему, можно использовать зонд, содержащий длинную катушку кабеля и горячую точку. Горячая точка позволяет зонду растопить лед, разматывая за собой кабель. Талая вода снова замерзнет, поэтому зонд невозможно будет восстановить, но он может продолжать проникать сквозь лед до тех пор, пока не достигнет предела кабеля, который он несет, и отправлять показания прибора обратно по кабелю на поверхность. [153] Эти устройства , известные как зонды Филберта, [154] были разработаны Карлом и Бернхардом Филбертами в 1960-х годах как способ хранения ядерных отходов в Антарктике, но никогда не использовались для этой цели. [153] Вместо этого они были адаптированы для использования в гляциологических исследованиях, достигая глубины 1005 метров и отправляя информацию о температуре обратно на поверхность во время испытаний в 1968 году в рамках Международной гляциологической экспедиции в Гренландии (EGIG). [155] [156]
Поскольку термозонды опираются своим весом на лед на дне скважины, они слегка отклоняются от вертикали, а это означает, что у них есть естественная тенденция отклоняться от вертикальной скважины к горизонтальной. Для решения этой проблемы были предложены различные методы. Конусообразный наконечник со слоем ртути над наконечником вызовет дополнительную передачу тепла к нижней стороне наклонной скважины, увеличивая скорость плавления на этой стороне и возвращая скважину в вертикальное положение. [157] В альтернативном варианте зонд можно сконструировать так, чтобы он поддерживался льдом над его центром тяжести, обеспечив два нагревательных кольца, одно из которых расположено в верхней части зонда и имеет больший диаметр, чем остальная часть зонда. Придание этому верхнему кольцу немного меньшей мощности нагрева приведет к тому, что зонд будет оказывать большее опорное давление на верхнее кольцо, что придаст ему естественную тенденцию возвращаться в вертикальное положение, если ствол скважины начнет отклоняться. Этот эффект называется поворотом маятника по аналогии с тенденцией маятника всегда возвращаться в вертикальное положение. [158]
В 1990-х годах НАСА объединило конструкцию зонда «Филберт» с идеями, почерпнутыми из буров с горячей водой, чтобы разработать криоробот -зонд, который помимо носовой части с горячей точкой имел струи горячей воды. Как только зонд погружался в тонкий слой талой воды, вода втягивалась и повторно нагревалась, выходя из носовой части в виде струи. Эта конструкция была призвана помочь отодвинуть твердые частицы от носовой части, как это обычно бывает с дрелью с горячей водой. Версия без аналитических инструментов на борту была построена и испытана на Шпицбергене , Норвегия, в 2001 году. Она проникла на глубину 23 м, успешно преодолевая слои твердых частиц. [159]
Криоботы остаются в хорошем тепловом контакте с окружающим льдом на протяжении всего спуска, а в очень холодном льду это может истощить значительную часть их энергетического баланса, который ограничен, поскольку они должны носить с собой источник энергии. Это делает их непригодными для исследования марсианской полярной ледяной шапки . Вместо этого НАСА добавило в конструкцию криобота насос, который поднимает талую воду на поверхность, чтобы зонд, известный как SIPR (от Subsurface Ice Probe), опускался в сухую яму. Более низкая гравитация на Марсе означает, что давление покрывающих пород на ледяную шапку намного меньше, и ожидается, что открытая скважина будет стабильной до глубины 3 км, ожидаемой глубины ледяной шапки. Затем талую воду можно анализировать на поверхности. Прокачка через вертикальную трубку приведет к перемешиванию, поэтому для обеспечения дискретности проб для анализа на поверхности используются трубки большого и малого диаметра; трубка малого диаметра используется для отбора проб, а затем ее содержимое возвращается в зонд и закачивается обратно в трубку большого диаметра для использования в экспериментах, не зависящих от стратиграфии, таких как поиск живых организмов. Оставление аналитических инструментов на поверхности уменьшает необходимый размер зонда, что помогает сделать эту конструкцию более эффективной. [160]
Наряду с трубками для транспортировки воды, нагретый провод гарантирует, что вода остается жидкой на всем пути к поверхности, а электроэнергия и телеметрия также передаются с поверхности. Чтобы сохранить отверстие в вертикальном положении, зонд может определять его отклонение, и струи горячей воды корректируются для компенсации. Ожидается, что дрель будет использовать в работе солнечную энергию, а это означает, что она должна быть в состоянии работать при мощности менее 100 Вт при солнечном свете. Полностью построенная версия зонда была успешно испытана в Гренландии в 2006 году, пробурев на глубину 50 метров. [161] НАСА предложило аналогичную конструкцию для бурения льда на Европе , спутнике Юпитера. [162] Любой такой зонд должен выдерживать температуру 500 °C во время стерилизации, чтобы избежать биологического загрязнения целевой среды. [163]
Пробы снега отбираются для измерения глубины и плотности снежного покрова на определенной территории. Измерения глубины и плотности можно преобразовать в число водного эквивалента снега (SWE), которое представляет собой глубину воды, полученную в результате преобразования снега в воду. [164] Пробоотборники снега обычно представляют собой полые цилиндры с зубчатыми концами, помогающими им проникать в снежный покров; их используют, заталкивая их в снег, а затем вытаскивая вместе со снегом в цилиндре. [23] Взвешивание полного снега цилиндра и вычитание веса пустого цилиндра дает вес снега; пробоотборники обычно имеют продольные прорези, позволяющие также регистрировать глубину снега, хотя пробоотборник, сделанный из прозрачного материала, делает это ненужным. [23] [165]
Пробоотборник должен достаточно хорошо захватывать снег, чтобы удерживать снег внутри цилиндра, пока он отделяется от снега, чего легче достичь с помощью цилиндра меньшего диаметра; однако больший диаметр дает более точные показания. Пробы не должны уплотнять снег, поэтому они имеют гладкие внутренние поверхности (обычно из анодированного алюминиевого сплава, а иногда дополнительно покрыты воском), чтобы предотвратить захват снегом стенок цилиндра при его вдавливании. Пробоотборник может проникать сквозь легкий снег под собственный вес; более плотный снежный покров, фирн или лед могут потребовать от пользователя осторожно повернуть пробоотборник, чтобы режущие зубья вошли в зацепление. Слишком сильное нажатие без успешного разрезания плотного слоя может привести к тому, что образец протолкнет слой вниз; Эту ситуацию можно определить, поскольку уровень снега внутри пробоотборника будет ниже, чем окружающий снег. В каждом интересующем месте обычно снимается несколько показаний, а результаты усредняются. Точность пробоотборников снега обычно составляет около 5–10%. [23]
Первый пробоотборник снега был разработан Дж. Э. Черчем зимой 1908/1909 года, а наиболее распространенный современный пробоотборник снега, известный как Федеральный пробоотборник снега, основан на конструкции Черча с некоторыми модификациями Джорджа Д. Клайда и Почвенного управления США. Служба охраны природы в 1930-е годы. Его можно использовать для отбора проб снега с глубины до 9 м. [166]
Испытание на проникновение включает в себя введение зонда в снег для определения его механических свойств. Опытные снегомеры могут использовать обычную лыжную палку для проверки твердости снега, воткнув ее в снег; результаты записываются на основе изменения сопротивления, ощущаемого при вставке шеста. Более научный инструмент, изобретенный в 1930-х годах, но до сих пор широко используемый, — это поршневой пенетрометр . Он имеет форму стержня с конусом на нижнем конце. Верхний конец стержня проходит через груз, служащий молотком; груз поднимается, отпускается и ударяется о наковальню - выступ вокруг стержня, через который он не может пройти, - который вбивает стержень в снег. Для проведения измерения стержень кладут на снег и опускают молоток один или несколько раз; регистрируется полученная глубина проникновения. На мягком снегу для получения более точных результатов можно использовать более легкий молоток; Вес молотка варьируется от 2 кг до 0,1 кг. [167] Даже с более легкими молотками пенетрометры с поршнем испытывают трудности с различением тонких слоев снега, что ограничивает их полезность в отношении исследований лавин, поскольку тонкие и мягкие слои часто участвуют в образовании лавин. [167] [168]
Широко используются два легких инструмента, которые более чувствительны, чем поршневые пенетрометры. Снежный микропенетрометр использует двигатель, который вбивает стержень в снег, измеряя необходимую силу; он чувствителен к 0,01–0,05 ньютона в зависимости от прочности снега. Зонд SABRE состоит из стержня, который вручную вставляется в снег; Показания акселерометра затем используются для определения проникающей силы, необходимой на каждой глубине, и сохраняются в электронном виде. [168] [169]
Для испытания плотного полярного снега используется конусный пенетрометр (CPT), основанный на эквивалентных устройствах, используемых для испытания почвы . Измерения CPT можно использовать в твердом снегу и фирне на глубине 5–10 м. [168] [169]
Коммерчески доступные роторные буровые установки использовались с большими шнеками для бурения льда, как правило, для строительства или для проделывания лунок, чтобы получить доступ подо льдом. Хотя они не способны производить керны, они периодически использовались американскими и советскими научными экспедициями в Антарктике. [170] В 2012 году экспедиция Британской антарктической службы с целью бурения озера Эллсворт , находящегося в двух милях ниже поверхности антарктического льда, использовала австралийский земляной бур, приводимый в движение верхним приводом, установленным на грузовике, чтобы пробурить две 300-метровые скважины. проекта, хотя в случае, если проект будет отложен. [171] [172] [173]
Шнеки с электроприводом, предназначенные для бурения больших лунок во льду для зимней рыбалки, можно устанавливать на снегоход, трактор или сани; Диаметр отверстий может достигать 350 мм. Эти установки производились коммерчески как в США, так и в СССР, но больше не используются. [70]
Для бурения льда на шельфовом леднике Росса в 1970-х годах использовался огнеметный бур, который чаще всего использовался для бурения кристаллических пород . Бур работает на мазуте и может работать под водой при наличии достаточного количества сжатого воздуха. Он сверлит быстро, но образует отверстие неправильной формы, загрязненное сажей и мазутом. [174]
В дрели советской разработки использовался двигатель, обеспечивающий вертикальную вибрацию ствола дрели с частотой 50 Гц; Внешний диаметр бура составлял 0,4 м, и в ходе испытаний на станции Восток в Антарктике была пробурена скважина диаметром 6,5 м, при этом бурение длиной 1,2 м занимало от 1 до 5 минут. Стальные кромки бура уплотняли снег в сердцевине, что помогало ему прилипать к внутренней части ствола, когда бур вытаскивали из ямы лебедкой. [165] [175]
Механические дрели обычно имеют три резца, равномерно расположенные вокруг сверлильной головки. Наличие двух резцов приводит к вибрации и ухудшению качества ледяного керна, а испытания буровых головок с четырьмя резцами показали неудовлетворительные результаты. Геометрическая конструкция различается, но угол рельефа α варьируется в пределах 5–15 °, причем наиболее распространенный диапазон для холодного льда составляет 8–10 °, а угол резания δ варьируется от 45 ° (наиболее распространенный для холодного льда). до 90°. Угол безопасности между нижней стороной режущего лезвия и льдом в успешных конструкциях буров может составлять всего 0,8°. [176] Были опробованы различные формы конца лезвия: плоская (наиболее распространенная конструкция), заостренная, закругленная и ковшовая. [177]
Резцы должны быть изготовлены из чрезвычайно прочных материалов [178] и обычно подлежат заточке после каждых 10–20 м бурения. [177] Инструментальные стали , содержащие углерод, не идеальны, поскольку углерод делает сталь хрупкой при температурах ниже -20 °C. Спеченный карбид вольфрама был предложен для использования в фрезах, поскольку он чрезвычайно твердый, но лучшие инструментальные стали более эффективны с точки зрения затрат: твердосплавные резцы крепятся к корпусу режущего инструмента путем холодного прессования или латунной пайки и их нелегко снять. и заточены в поле. [178]
Глубина резания контролируется с помощью монтажных башмаков на нижней части буровой головки; они скользят по поверхности льда и таким образом ограничивают глубину проникновения фрезы при каждом обороте бура. Чаще всего они устанавливаются сразу за фрезами, но такое положение может привести к скоплению льда в зазоре между фрезой и башмаком. Исправить это путем изменения конструкции обуви пока не удалось. [179]
Буровые растворы необходимы для устойчивости скважины при глубоких кернах, а также могут использоваться для отвода шлама от долота. Используемые жидкости включают воду, смеси этанола /воды и воды/ этиленгликоля , нефтяное топливо, неароматические углеводороды и н-бутилацетат .
Уплотнители используются в буровых растворах для регулировки плотности жидкости в соответствии с плотностью окружающего льда. Перхлорэтилен и трихлорэтилен часто использовались в ранних программах бурения в сочетании с нефтяным топливом. Они были постепенно отменены по состоянию здоровья. Фреон был временной заменой, но был запрещен Монреальским протоколом , как и ГХФУ-141b , гидрохлорфторуглеродный уплотнитель, использовавшийся после отказа от фреона. [186] Будущие варианты буровых растворов включают сложные эфиры с низкой молекулярной массой, такие как этилбутират , н-пропилпропионат , н-бутилбутират , н-амилбутират и гексилацетат ; смеси различных видов ЭСТИСОЛ; и диметилсилоксановые масла. [185]
Два основных требования к системе противодействия крутящему моменту заключаются в том, что она должна предотвращать вращение зонда и обеспечивать легкое перемещение бура вверх и вниз по скважине. [187] Были предприняты попытки спроектировать дрели с компонентами, вращающимися в противоположных направлениях, чтобы свести к минимуму общий крутящий момент, но они имели ограниченный успех. [188] [189] Для использования с сверлами EM с тросовой подвеской было разработано пять типов систем предотвращения крутящего момента, хотя не все из них используются в настоящее время, а в некоторых дрелях использовалась комбинация более чем одной конструкции. Первая дрель, для которой требовалась система предотвращения крутящего момента, была использована CRREL в Camp Century в 1966 году; Бур включал в себя набор шарнирных фрикционных лопастей, которые выдвигались из зонда при запуске двигателя бура. Было обнаружено, что они имеют очень слабое трение о стенку скважины и неэффективны; дрелью нужно было аккуратно управлять, чтобы не допустить перекручивания троса. Никакие другие учения не пытались использовать этот подход. [188]
Для следующего развертывания бура были установлены листовые рессоры, и эта конструкция оказалась более прочной. Они устанавливаются вертикально, изгибом наружу, так что они легко сжимаются стенкой скважины и могут скользить вверх и вниз при движении бура. Они легко проходят через любые неровности скважины, но края пружин врезаются в стенку скважины и препятствуют вращению. Листовые рессоры очень просты с механической точки зрения, а дополнительным преимуществом является простота регулировки путем изменения расстояния между конечными точками. Их можно разместить в любом месте бура, которое не вращается, чтобы не увеличивать длину зонда. [190] Форма обычно представляет собой параболу четвертого порядка, поскольку было установлено, что она обеспечивает наиболее равномерную нагрузку на стенку скважины. [190] [191] Было обнаружено, что листовые рессоры настолько эффективны, что могут предотвращать вращение даже тяжелых сеялок, работающих на полную мощность. [190]
Коньковые системы противодействия крутящему моменту имеют лопасти, прикрепленные к вертикальным стержням, которые прижимаются к стенке скважины; лезвия впиваются в стену и обеспечивают противодействие крутящему моменту. Коньки могут быть оснащены пружинами, которые позволяют им удерживать лопасти прижатыми к стене в скважине неправильной формы и предотвращать проблемы в более узких частях скважины. Хотя коньки являются популярной конструкцией для предотвращения крутящего момента и успешно используются, они с трудом предотвращают вращение в фирне и на границах между слоями различной плотности и могут вызвать проблемы при бурении с высоким крутящим моментом. Когда они выходят из строя, они действуют как развертки, удаляя со стены стружку, которая может упасть на сверло и помешать сверлению. [192]
В 1970-х годах группа Японской антарктической исследовательской экспедиции (JARE) разработала несколько сверл с использованием боковых фрез. Это зубчатые шестерни, которые приводятся в движение от вращения главного двигателя бура через спиральные шестерни под углом 45° ; ось их вращения горизонтальна, и они расположены так, что зубья прорезают четыре вертикальные прорези в стенке скважины. Направляющие ребра зонда, расположенные выше, перемещаются в этих пазах и создают противодействующий момент. Конструкция эффективно предотвращала вращение зонда, но оказалось практически невозможным совместить направляющие ребра с существующими пазами при спуске. Несоосность увеличивала вероятность застревания бура в скважине; а также существовал риск застревания ледяной стружки от фрез между буром и стенкой скважины, что приводило к застреванию бура. Система снова использовалась в буровой установке, разработанной в Китае в 1980-х и 1990-х годах, но проблемы, присущие этой конструкции, теперь считаются непреодолимыми, и она больше не используется. [194] [195]
В самой последней конструкции системы противодействия крутящему моменту используются U-образные лопасти, изготовленные из стали и закрепленные вертикально по бокам зонда. Первоначальные реализации столкнулись с проблемами: тонкие лопасти слишком легко сгибались, а толстые лопасти оказывали слишком большое сопротивление вертикальному движению зонда, но окончательная конструкция может создавать сильное сопротивление крутящему моменту как в фирне, так и во льду. [196]
Буры могут быть оснащены более чем одной системой стабилизации крутящего момента, чтобы использовать преимущества разных характеристик разных конструкций на разных типах снега и льда. Например, дрель может иметь коньки для использования в твердом фирне или льду, но также иметь систему пластинчатых рессор, которая будет более эффективной в мягком фирне. [187]
При бурении ледяного керна, когда вокруг извлекаемого керна просверлено кольцевое пространство, керн все еще прикреплен к ледяному покрову своим нижним концом, и это соединение необходимо разорвать, прежде чем керн можно будет извлечь. Один из вариантов — использовать цангу, представляющую собой коническое кольцо внутри режущей головки. Когда бур поднимают вверх, цанга сжимает керн и удерживает его, а застрявшие в нем кусочки льда увеличивают сжатие. Это разрушает сердечник и удерживает его в стволе после разрушения. Цанги эффективны в фирне, но менее эффективны во льду, поэтому для сбора ледяных кернов часто используются кернерные приспособления, также известные как керноуловители. [110]
Типичный керноотборник для ледового сверла имеет форму изогнутой ножки и встроен в буровую головку с возможностью вращения и с пружиной, оказывающей некоторое давление на керн. Когда сверло поднимается, острая часть собачки керна зацепляется и вращается, вызывая поломку керна. У некоторых основных собак есть плечо, которое предотвращает чрезмерное вращение. [198] Большинство буровых головок имеют три кернодержателя, хотя возможно использование только двух кернодержателей; асимметричная сила сдвига помогает сломать ядро. [198] Угол δ между точкой опоры сердечника и сердечником был предметом некоторых исследований; исследование 1984 года пришло к выводу, что оптимальный угол составляет 55 °, а более позднее исследование пришло к выводу, что угол должен быть ближе к 80 °. [197] Уловители сердцевины изготавливаются из закаленной стали и должны быть как можно более острыми. Сила, необходимая для разрушения керна, варьируется в зависимости от температуры и глубины, а в теплом льду кернодержатели могут проделать бороздки в керне, прежде чем они зацепятся и он сломается. [199] Некоторые дрели могут также включать в себя груз, который можно использовать в качестве молотка, чтобы оказать удар и помочь сломать керн. [48]
Для снега и фирна, где существует риск выпадения кернового материала со дна колонкового ствола, лучшим выбором будет корзиноуловитель. Эти ловители состоят из пружинной проволоки или тонких кусков листового металла, расположенных радиально вокруг нижней части колонкового ствола и прижимаемых стержнем к боковой части ствола, когда бур опускается вокруг него. Когда бур поднимают, концы ловителя входят в зацепление с керном, отрывают его от основания и действуют как корзина, удерживая его на месте, пока он поднимается на поверхность. [200]
Обсадная труба или футеровка скважины трубой необходима в тех случаях, когда операции бурения требуют изоляции скважины от окружающего проницаемого снега и фирна. Необсаженные скважины можно бурить с жидкостью, используя опущенный в скважину шланг, но это, скорее всего, приведет к повышенному расходу бурового раствора и загрязнению окружающей среды из-за утечек. Стальной корпус использовался в 1970-х годах, но ржавчина на корпусе привела к повреждению сверл, а корпус не был герметичен, что привело к утечкам жидкости. Также были проблемы с нецентрированием обсадных труб, что приводило к повреждению бурового долота при его опускании через обсадную колонну. Корпус из стекловолокна и полиэтилена высокой плотности стал более распространенным, места соединений загерметизированы тефлоновой лентой , но часты протечки. Возможным решением является сварка плавлением корпуса из полиэтилена высокой плотности. Чтобы герметизировать нижнюю часть обсадной колонны, можно закачать воду на дно скважины после установки обсадной колонны или использовать термоголовку для растапливания льда вокруг башмака обсадной колонны, создавая уплотнение, когда вода снова замерзнет. Другой подход заключается в использовании бура с горячей точкой, который насыщает снег и фирн талой водой, которая затем замерзает и закупоривает скважину. [201]
Низкотемпературные трубы из ПВХ не подходят для постоянной обсадной колонны, так как не могут быть герметизированы снизу, но могут использоваться для пропуска бурового раствора через проницаемую зону. Его преимущество заключается в том, что он не требует никаких соединений, поскольку для развертывания его можно намотать на катушку. [201]
Эта статья была отправлена в WikiJournal of Science на внешнюю академическую рецензию в 2018 году (отчеты рецензента). Обновленный контент был реинтегрирован на страницу Википедии по лицензии CC-BY-SA-3.0 ( 2019 ). Проверенная версия записи: Майк Кристи; и другие. (12 апреля 2019 г.). «Методы бурения льда» (PDF) . Викижурнал науки . 2 (1): 2. дои : 10.15347/WJS/2019.002. ISSN 2470-6345. Викиданные Q63133851.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )