Бурение льда позволяет ученым, изучающим ледники и ледяные щиты , получить доступ к тому, что находится подо льдом, провести измерения внутри льда и извлечь образцы. В просверленные отверстия можно поместить приборы для регистрации температуры, давления, скорости, направления движения и для других научных исследований, таких как обнаружение нейтрино .
Начиная с 1840 года, когда первая научная экспедиция по бурению льда попыталась пробурить Унтераарглетчер в Альпах , использовалось множество различных методов . Двумя ранними методами были ударное бурение, при котором лед дробится и измельчается, и вращательное бурение, метод, часто используемый при разведке полезных ископаемых для бурения горных пород. В 1940-х годах начали использоваться термические буры; эти буры плавят лед, нагревая бур. Вскоре появились буры, которые используют струи горячей воды или пара для бурения льда. Растущий интерес к ледяным кернам , используемым для палеоклиматологических исследований, привел к разработке буров для бурения ледяных кернов в 1950-х и 1960-х годах, и в настоящее время используется множество различных буров для бурения. Для получения ледяных кернов из глубоких скважин большинство исследователей используют электромеханические буры с подвесным кабелем, которые используют бронированный кабель для подачи электроэнергии к механическому буру на дне скважины.
В 1966 году американская группа успешно пробурила ледяной щит Гренландии в Кэмп Сенчури на глубине 1387 метров (4551 фут). С тех пор многим другим группам удалось достичь коренной породы через два крупнейших ледяных щита, в Гренландии и Антарктиде . Недавние проекты были сосредоточены на поиске мест бурения, которые дадут ученым доступ к очень старому нетронутому льду на дне скважины, поскольку для точной датировки информации, полученной из льда, требуется нетронутая 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. [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 ледника продолжало представлять интерес в течение некоторого времени, [5] но толщина ледника измерялась сейсмографическими методами с 1920-х годов. [6] [7] Хотя больше нет необходимости бурить ледник, чтобы определить его толщину, ученые все еще сверлят скважины во льду для этих 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 скважины на разных глубинах может предоставить информацию о прошлом климате . [10] Другие приборы могут быть опущены в скважину, такие как пьезометры , для измерения давления внутри льда, [11] или камеры, чтобы обеспечить визуальный обзор стратиграфии. [12] IceCube , крупный астрофизический проект, потребовал размещения многочисленных оптических датчиков в скважинах глубиной 2,5 км, пробуренных на Южном полюсе. [13]
Наклон скважины и изменение наклона с течением времени можно измерить в обсаженной скважине, в которую в качестве « вкладыша » помещена полая труба, чтобы отверстие оставалось открытым. 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 его баланс массы : это чистый эффект прироста от свежего снега за вычетом потерь от таяния и сублимации. Простой способ определить эти эффекты на поверхности ледника — установить колья (известные как абляционные колья) в отверстия, пробуренные в поверхности ледника, и следить за ними с течением времени, чтобы увидеть, накапливается ли больше снега, закапывая кол, или становится ли все больше и больше кола видимым по мере исчезновения снега вокруг него. [15] Открытие слоев водной воды и нескольких сотен картированных подледниковых озер под антарктическим ледяным щитом привело к предположениям о существовании уникальных микробных сред, которые были изолированы от остальной биосферы , потенциально в течение миллионов лет. Эти среды можно исследовать путем бурения. [16] [17]
Ледяные керны являются одной из важнейших мотиваций для бурения льда. Поскольку ледяные керны сохраняют экологическую информацию о времени, когда лед в них выпадал в виде снега, они полезны для реконструкции прошлых климатов, а анализ ледяных кернов включает исследования изотопного состава, механических свойств, растворенных примесей и пыли, захваченных атмосферных образцов и следов радионуклидов . [18] Данные из 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 течения и накопления ледников . [18] IPICS (Международное партнерство в области изучения ледяных кернов) ведет список основных целей для исследований ледяных кернов. В настоящее время они заключаются в получении керна возрастом 1,5 миллиона лет; получении полной записи о последнем межледниковом периоде ; использовании ледяных кернов для содействия пониманию изменений климата в длительных временных масштабах ; получить подробный пространственный массив климатических данных ледяных кернов за последние 2000 лет; и продолжить разработку передовой технологии бурения ледяных кернов. [21]
Ограничения, накладываемые на конструкции ледовых буров, можно разделить на следующие основные категории.
Лед должен быть прорезан, раздроблен или растоплен. Инструменты можно напрямую вставлять 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 неэффективен во льду, но он вполне подходит для получения образцов из самых верхних слоев. [23] Для льда есть два варианта: ударное бурение и вращательное бурение. При ударном бурении используется острый инструмент, такой как долото, который ударяет по льду, чтобы разбить и раздробить 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 может осуществляться вручную с помощью Т-образной ручки или плотницкой скобы . Некоторые инструменты также можно настроить на использование обычных бытовых электрических дрелей, или они могут включать двигатель для приведения вращения в действие. Если крутящий момент подается с поверхности, то вся бурильная колонна должна быть жесткой, чтобы ее можно было вращать; но также можно разместить двигатель чуть выше нижней части бурильной колонны и подавать питание непосредственно на буровое долото . [25]
Если лед нужно растопить, а не разрезать, то необходимо вырабатывать тепло. Электрический нагреватель, встроенный в буровую колонну, может нагревать лед напрямую или может нагревать материал, в который он встроен, что в свою очередь нагревает лед. Тепло также можно направлять вниз по буровой колонне; горячая вода или пар, закачиваемые с поверхности, могут использоваться для нагрева металлической буровой головки, или вода или пар могут выходить из буровой головки и расплавлять лед напрямую. [25] По крайней мере в одном случае в проекте по бурению экспериментировали с нагревом буровой головки на поверхности, а затем опусканием ее в скважину. [26]
Многие места бурения льда очень труднодоступны, и 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, тем самым уменьшая нагрузку на ручную переноску, если это необходимо. [29] Топливо для паровых или водогрейных буров или для генератора, обеспечивающего электроэнергию, также необходимо транспортировать, и этот вес также следует учитывать. [30]
Механическое бурение производит куски льда, либо в виде шлама, либо в виде гранулированных фрагментов, которые должны быть удалены со дна скважины, чтобы они не мешали режущему или ударному действию сверла. [25] Шнек , используемый в качестве режущего инструмента, естественным образом перемещает ледяную стружку вверх по своим винтовым лопастям. [31] Если действие сверла оставляет ледяную стружку наверху сверла, ее можно удалить, просто периодически поднимая сверло на поверхность. [32] Если нет, их можно вынести на поверхность, опустив инструмент, чтобы вычерпать их, или скважину можно поддерживать полной воды, в этом случае шлам естественным образом всплывет наверх скважины. Если стружку не удалять, ее необходимо утрамбовать в стенки скважины и в керн, если керн извлекается. [33]
Шлам также можно перемещать на поверхность путем циркуляции сжатого воздуха через скважину, либо путем закачивания воздуха через бурильную трубу и выхода из буровой головки, заставляя стружку подниматься в пространство между бурильной колонной и стенкой скважины, либо путем обратной циркуляции воздуха, при которой воздух течет вверх через бурильную колонну. [33] Сжатый воздух будет нагреваться за счет сжатия, и его необходимо охладить перед закачкой в скважину, иначе это приведет к расплавлению стенок скважины и керна. [34] [35] Если воздух циркулирует путем создания вакуума, а не закачивания воздуха, окружающий воздух переносит шлам, поэтому охлаждение не требуется. [36]
Жидкость может использоваться для циркуляции шлама от долота, или жидкость может растворять шлам. Вращательное бурение минералов (сквозь скалу) обычно циркулирует жидкость по всему отверстию и отделяет твердые частицы от жидкости на поверхности перед тем, как закачать жидкость обратно вниз. [36] При глубоком бурении льда обычно циркулирует жидкость только на дне отверстия, собирая шлам в камере, которая является частью скважинной компоновки. Для кернового бура камера для шлама может опорожняться каждый раз, когда бур поднимается на поверхность для извлечения керна. [37]
Тепловые буры будут производить воду, поэтому не будет необходимости утилизировать шлам, но бур должен быть способен работать, будучи погруженным в воду, или же бур должен иметь способ удаления и хранения талой воды во время бурения. [38]
Механизм бурения должен быть соединен с поверхностью, и должен быть способ подъема и опускания бура. [39] Если бурильная колонна состоит из труб или стержней, которые должны быть свинчены вместе или иным образом собраны по мере того, как скважина становится глубже и бурильная колонна удлиняется, то должен быть способ удерживать бурильную колонну на месте, когда каждая длина стержня или трубы 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, и должна быть установлена лебедка или другая подъемная система, способная поднять и опустить ее. [39]
«Спуск» в бурении относится к задаче полного извлечения бурильной колонны из скважины (выход из скважины) и ее последующей повторной установки обратно в скважину (вход в скважину). [41] Время спуска — это время, необходимое для входа в скважину и выхода из нее; для конструкции бура важно минимизировать время спуска, особенно для колонкового бурения, поскольку они должны выполнять спуск для каждого керна. [42]
Давление на поверхность в глубокой скважине от веса льда сверху приведет к медленному закрытию скважины, если не предпринять никаких мер для противодействия этому, поэтому глубокие скважины заполняются буровой жидкостью , которая имеет примерно такую же плотность, как и окружающий лед, например, реактивным топливом или керосином. [25] Жидкость должна иметь низкую вязкость , чтобы сократить время спуска . Поскольку извлечение каждого сегмента керна требует спуска, более медленная скорость перемещения через буровую жидкость может значительно увеличить время проекта — год или больше для глубокой скважины. Жидкость должна загрязнять лед как можно меньше; она должна иметь низкую токсичность для безопасности и минимизации воздействия на окружающую среду; она должна быть доступна по разумной цене; и ее должно быть относительно легко транспортировать. [42] Глубина, на которой закрытие скважины предотвращает сухое бурение, сильно зависит от температуры льда; В умеренном леднике максимальная глубина может составлять 100 метров (330 футов), но в очень холодной среде, такой как части Восточной Антарктиды, сухое бурение может быть до 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 отверстии, должен предотвращать их утечку в поверхностные слои снега и фирна. Если жидкость используется только в нижней части отверстия, проницаемость не является проблемой. В качестве альтернативы отверстие можно обсадить ниже точки, где фирн превращается в лед. Если в качестве бурового раствора используется вода, при достаточно низких температурах она превратится в лед в окружающем снеге и фирне и запечатает отверстие. [44]
Инструменты могут быть спроектированы так, чтобы вращаться вручную, с помощью скобы или Т-образной рукоятки [32] или ручного привода [45] или прикреплены к ручной дрели. [46] Для дрелей с приводным вращением требуется электродвигатель на месте установки, 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 питания. [45] Вращение может осуществляться на поверхности, с помощью роторного стола , с использованием келли [47] или с помощью двигателя в буровой головке для подвесных буров; в последнем случае кабель должен передавать питание на буровую головку , а также поддерживать ее вес. Для роторных буров требуется передача, чтобы уменьшить вращение двигателя до подходящей скорости для бурения. [48]
Если крутящий момент подается на дно скважины, двигатель, подающий его на буровую коронку под ней, будет иметь тенденцию вращаться вокруг своей оси, а не передавать вращение буровой коронке. Это происходит потому, что буровая коронка будет иметь сильное сопротивление вращению, поскольку она режет лед. Чтобы предотвратить это, должен быть предусмотрен какой-либо механизм противодействия крутящему моменту, обычно путем придания двигателю некоторого сцепления со стенками скважины. [49]
Тепловой бур, который использует электричество для нагрева буровой головки, чтобы она расплавила лед, должен подавать энергию вниз по скважине, как и роторные буры. [50] Если буровая головка нагревается путем закачивания воды или пара на дно скважины, то не требуется никакой скважинной энергии, но для 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 сверла, которые спроектированы так, чтобы опираться на свой наконечник во время бурения, будут наклоняться в одну сторону в скважине, и просверленное ими отверстие будет постепенно смещаться к горизонтали, если не будет предусмотрен какой-либо метод противодействия этой тенденции. [51] Для других сверл контроль направления может быть полезен для начала бурения дополнительных отверстий на глубине, например, для извлечения дополнительных ледяных кернов. [52]
Многие ледники имеют умеренный климат, что означает, что они содержат «теплый лед»: лед, который находится при температуре плавления (0 °C) на всем протяжении. [53] Талая вода в скважинах в теплом льду не замерзнет снова, но для более холодного льда талая вода, вероятно, вызовет проблему и может заморозить бур на месте, поэтому термические буры, которые работают погруженными в талую воду, которую они производят, и любой метод бурения, который приводит к появлению воды в скважине, трудно использовать в таких условиях. [54] Буровые растворы или антифризные добавки к талой воде должны быть выбраны для поддержания жидкой жидкости при температурах, обнаруженных в скважине. [38] В теплом льду лед имеет тенденцию образовываться на резцах и буровой головке и скапливаться в пространствах на дне скважины, замедляя бурение. [55]
Для извлечения керна необходимо удалить кольцевой слой льда вокруг цилиндрического керна. [56] Керн должен быть целым, что означает, что вибрации и механические удары должны быть сведены к минимуму, а также необходимо избегать изменений температуры, которые могут вызвать тепловой удар керна. [57] Керн необходимо предохранять от таяния, вызванного теплом, выделяемым механически в процессе бурения, [58] от тепла сжатого воздуха, если воздух используется в качестве бурового раствора, [34] [35] или от термического бурения, и не должен быть загрязнен буровым раствором. [42] Когда керн собираются извлечь, он все еще соединен со льдом под ним, поэтому необходимо предусмотреть какой-то способ его разрушения на нижнем конце и захвата, чтобы он не выпал из керноприемника, когда его вынесут на поверхность, что должно быть сделано как можно быстрее и безопаснее. [49]
Большинство буровых установок для бурения кернов предназначены для извлечения кернов длиной не более 6 метров (20 футов), поэтому бурение должно останавливаться каждый раз, когда глубина скважины увеличивается на эту величину, чтобы можно было извлечь керн. [49] Буровая колонна, которую необходимо собирать и разбирать по сегментам, например, секции труб, которые необходимо скреплять вместе, занимает много времени для спуска и подъема; трос, который можно непрерывно поднимать лебедкой, или буровая колонна, которая достаточно гибкая для сворачивания, значительно сокращают время спуска. [48] [35] Буровые установки с канатным приводом имеют механизм, который позволяет отсоединять керновый ствол от буровой головки и поднимать его непосредственно на поверхность без необходимости поднимать буровую колонну. После извлечения керна керновый ствол опускается на дно скважины и снова прикрепляется к буру. [59]
В диапазоне глубин, известном как зона хрупкого льда, пузырьки воздуха заперты во льду под большим давлением. Когда ядро выносится на поверхность, пузырьки могут оказывать напряжение, превышающее предел прочности льда на разрыв, что приводит к трещинам и отколам . [60] На больших глубинах структура кристаллов льда меняется с гексагональной на кубическую, и молекулы воздуха перемещаются внутри кристаллов в структуре, называемой клатратом . Пузырьки исчезают, и лед снова становится стабильным. [60] [61] [62]
Зона хрупкого льда обычно возвращает образцы худшего качества, чем остальная часть керна. Некоторые шаги могут быть предприняты для смягчения проблемы. Внутри ствола бура можно разместить вкладыши, чтобы закрыть керн перед тем, как он будет выведен на поверхность, но это затрудняет очистку от бурового раствора. При бурении полезных ископаемых специальная техника может выводить образцы керна на поверхность под давлением на забое скважины, но это слишком дорого для недоступных мест большинства буровых площадок. Поддержание обрабатывающих установок при очень низких температурах ограничивает тепловые удары. Керны наиболее хрупкие на поверхности, поэтому другой подход заключается в том, чтобы разбить их на куски длиной 1 м в скважине. Выдавливание керна из ствола бура в сетку помогает сохранить его целостность, если он разобьется. Хрупкие керны также часто оставляют на хранении на буровой площадке в течение некоторого времени, вплоть до целого 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 всухую. [64]
Ударный бур проникает в лед, многократно ударяя по нему, чтобы разбить и раздробить его. Режущий инструмент устанавливается в нижней части буровой колонны (обычно соединенные металлические стержни [примечание 1] ), и должны быть предусмотрены некоторые средства придания ему кинетической энергии. Тренога, установленная над отверстием, позволяет установить шкив, а затем трос может использоваться для многократного подъема и опускания инструмента. Этот метод известен как бурение с помощью тросового инструмента . Груз, многократно сбрасываемый на жесткую буровую колонну, также может использоваться для обеспечения необходимого импульса. [24] Измельченный лед собирается на дне скважины и должен быть удален. Его можно собрать с помощью инструмента, способного зачерпнуть его со дна скважины, [24] или скважина может быть заполнена водой, так что лед всплывет наверх скважины, хотя это замедляет импульс бура, ударяющего по льду, снижая его эффективность. [66] Ударный буровой инструмент, который не имеет механического привода, требует некоторого метода подъема бура, чтобы его можно было отпустить и упасть на лед. Чтобы сделать это эффективно с помощью ручного труда, обычно устанавливают треногу или другие поддерживающие леса и шкив, чтобы буровую колонну можно было поднять с помощью троса. Такое устройство, известное как установка с тросовым инструментом, также может использоваться для механического бурения, когда двигатель поднимает буровую колонну и позволяет ей падать. [3] [24] Альтернативный подход заключается в том, чтобы оставить буровую колонну на дне скважины и поднять и опустить на нее молотковый груз. [24]
Самая ранняя научная экспедиция по бурению льда использовала ударное бурение; Луи Агассис использовал железные пруты для бурения отверстий в Унтераарглетчере , в Альпах , летом 1840 года. [2] Буровые установки с тросовым инструментом использовались для бурения льда в более позднее время; советские экспедиции в 1960-х годах бурили с помощью буровых установок с тросовым инструментом на Кавказе и в горах Тянь-Шаня , а американские проекты бурили на Голубом леднике в Вашингтоне между 1969 и 1976 годами и на леднике Блэк-Рапидс на Аляске в 2002 году. [24]
Были опробованы два других метода ударного бурения. Пневматические буры использовались для бурения неглубоких отверстий во льду с целью установки взрывных зарядов, а вращающиеся ударные буры, тип бурового инструмента, который когда-то широко использовался в горнодобывающей промышленности, также использовались для бурения взрывных отверстий, но ни один из подходов не использовался для научных исследований льда. Ударное бурение в настоящее время редко используется для научного бурения льда, будучи вытесненным более эффективными методами как для бурения льда, так и для бурения минералов. [24]
Шнек для отбора проб почвы содержит пару лезвий в нижней части закрытого цилиндра; его можно приводить в движение и вращать вручную, чтобы захватить мягкую почву. [67] Похожая конструкция, называемая ложкобуром, использовалась для бурения льда, хотя она неэффективна в твердом льду. [68] Версия, использованная Эрихом фон Дригальским в 1902 году, имела два режущих лезвия в форме полумесяца, установленных в основании цилиндра таким образом, чтобы позволить ледяной стружке накапливаться в цилиндре над лезвиями. [68] [69] [примечание 2]
Буры уже давно используются для бурения льда для подледной рыбалки . Буры можно вращать вручную, используя механизм, такой как Т-образная рукоятка или скоба, или прикрепляя их к ручным бурам с электроприводом. [70] Научное применение буров без керна включает установку датчиков и определение толщины льда. Буры имеют винтовую лопасть вокруг главной оси бурения; эта лопасть, называемая «вихрем», переносит ледяную стружку вверх со дна отверстия. [31] Для бурения более глубоких отверстий к буру можно добавить удлинители, но по мере того, как шнек становится длиннее, его становится труднее вращать. С помощью платформы, такой как стремянка, более длинный шнек можно вращать с большей высоты над землей. [70]
Коммерчески доступные ледовые буры для зимней рыбалки, работающие на бензине, пропане или аккумуляторе, доступны для диаметров отверстий от 4,5 до 10 дюймов. Для отверстий глубже 2 м можно использовать штатив, чтобы вытащить бур из отверстия. Распространена складная рукоятка со смещенной конструкцией; это позволяет обеим рукам вносить вклад в крутящий момент. [70]
Буры, способные извлекать ледяные керны, похожи на буры без керна, за исключением того, что витки установлены вокруг полого ствола керна. Были разработаны буры, которые состоят из винтовых режущих лезвий и пространства для керна, без центрального поддерживающего цилиндра, но их трудно сделать достаточно жесткими. Буры для керна обычно производят керны диаметром в диапазоне 75–100 мм и длиной до 1 м. Буры для керна изначально были разработаны для ручного вращения, но со временем они были адаптированы для использования с ручными дрелями или небольшими двигателями. [32]
Как и в случае с некерновыми бурами, для более глубокого бурения можно добавлять удлинители. Бурение глубже 6 м требует более одного человека из-за веса буровой колонны. Зажим, размещенный на поверхности, полезен для поддержки колонны, а штатив и блок и полиспасты также могут использоваться для поддержки и увеличения веса колонны, с которой можно работать. По мере того, как буровая колонна становится длиннее, требуется больше времени для завершения спуска для извлечения керна, поскольку каждый удлинительный стержень должен быть отделен от буровой колонны при подъеме и повторно прикреплен при подъеме. [32]
Бурение с помощью штатива или другого метода управления длинной буровой колонной значительно расширяет предельную глубину для использования бурового керноотборника. [32] [71] Самая глубокая скважина, пробуренная вручную с помощью бура, составила 55 м на шельфовом леднике Уорд-Хант на острове Элсмир в 1960 году. Обычно скважины глубже 30 м бурят другими методами из-за веса буровой колонны и длительного времени, необходимого для спуска. [32]
Современные буровые керноотборники мало изменились за десятилетия: буровой керноотборник, запатентованный в США в 1932 году, очень похож на буровые керноотборники, используемые восемьдесят лет спустя. [32] Лаборатория по изучению воздействия мороза (FEL) армии США разработала комплект для испытаний механики льда, который включал буровой керноотборник в конце 1940-х годов; Исследовательский центр по снегу, льду и вечной мерзлоте (SIPRE), организация-преемник, усовершенствовал конструкцию в начале 1950-х годов, и получившийся бур, известный как бур SIPRE, до сих пор широко используется. Он был немного модифицирован Лабораторией исследований и инжиниринга холодных регионов (CRREL), другой организацией-преемником, в 1960-х годах и иногда известен как бур CRREL по этой причине. [72] Бур, разработанный в 1970-х годах Polar Ice Core Office (PICO), тогда базировавшимся в Линкольне, штат Небраска , также до сих пор широко используется. [73] Бур для бурения, разработанный в Копенгагенском университете в 1980-х годах, был впервые использован в лагере Кэмп-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 усовершенствованной конструкцией ручного бура, и одна из версий была успешно испытана в полевых условиях в течение полевого сезона 2012–2013 годов в WAIS Divide . [75] [76] По состоянию на 2017 год IDDO поддерживает версии нового бура диаметром 3 и 4 дюйма для использования в исследовательских программах США по ледовому бурению, и в настоящее время это самые востребованные ручные буры, предоставляемые IDDO. [77]
Бур Prairie Dog, разработанный в 2007 году, добавляет внешний ствол к базовой конструкции бурового керноотборника. Шлам захватывается между лопастями шнека и внешним стволом, который имеет секцию противокрутящего момента, чтобы предотвратить его вращение в отверстии. [71] Цель внешнего ствола — повысить эффективность сбора стружки, поскольку часто можно увидеть, как стружка от ручного бура падает обратно в отверстие со лопастей шнека, что означает, что следующему проходу приходится заново бурить через этот шлам. [78] Внешний ствол также делает шнек эффективным в теплом льду, что может легко привести к заклиниванию шнека без внешнего ствола. [71] Внешний ствол Prairie Dog такой же, как диаметр бура PICO, и поскольку антикрутящие лезвия Prairie Dog не очень хорошо работают в мягком снегу и фирне, обычно начинают бурение скважины с помощью бура PICO, а затем продолжают бурение с помощью Prairie Dog, как только будет достигнут плотный фирн. [79] Prairie Dog относительно тяжелый, и для его перемещения из скважины может потребоваться два бурильщика. [71] IDDO поддерживает бур Prairie Dog для использования в исследовательских программах США по бурению льда. [80]
IDDO также предоставляет подъемную систему для использования с ручными бурами, известную как Sidewinder. Она приводится в действие электрической ручной дрелью, которая может питаться от генератора или солнечных батарей. [81] Sidewinder наматывает веревку вокруг ручного бура, когда он опускается в скважину, и помогает поднять шнек обратно из скважины. Это увеличивает максимальную практическую глубину для ручного бурения примерно до 40 м. Sidewinder оказались популярными среди исследователей. [82] [83]
Поршневой бур состоит из плоского диска в нижней части длинного стержня с тремя или четырьмя радиальными прорезями в диске, каждая из которых имеет режущую кромку. Стержень вращается вручную с помощью рукоятки скобы; лед проходит через прорези и скапливается на верхней части диска. Вытягивание бура из скважины поднимает шлам на диск. В 1940-х годах в Швеции и США были поданы некоторые патенты на конструкции поршневых буров, но сейчас эти буры используются редко. Они менее эффективны, чем шнековые буры, поскольку бур необходимо периодически извлекать из скважины, чтобы избавиться от шлама. [32] [84]
Некоторые ручные буры были разработаны для извлечения кернов без использования шнековых лопастей для транспортировки шлама вверх по скважине. Эти буры обычно имеют колонковый ствол с зубьями на нижнем конце и вращаются с помощью скобы или Т-образной рукоятки или небольшого двигателя. Сам ствол может быть опущен, так что бур состоит только из кольца с режущей прорезью для вырезания кольца вокруг керна и вертикального стержня для прикрепления кольца к поверхности. Несколько небольших ручных буров, или мини-буров, были разработаны для быстрого сбора образцов керна длиной до 50 см. Трудность всех этих конструкций заключается в том, что как только образуется шлам, если его не удалить, он будет мешать режущему действию бура, делая эти инструменты медленными и неэффективными в использовании. [85] Очень маленькая дрель, известная как «Бурундуковая дрель», была разработана IDDO для использования в проекте в Западной Гренландии в 2003 и 2004 годах, а затем использовалась на Южном полюсе в 2013 году. [86]
Роторные установки, используемые при бурении полезных ископаемых, используют колонну бурильных труб, соединенную с буровой коронкой на дне скважины и с роторным механизмом наверху скважины, [87] таким как верхний привод [88] или роторный стол и келли. [89] По мере углубления скважины бурение периодически приостанавливается, чтобы добавить новую длину бурильной трубы наверху бурильной колонны. Эти проекты обычно выполнялись с коммерчески доступными роторными установками, изначально разработанными для бурения полезных ископаемых, с адаптациями для удовлетворения особых потребностей бурения льда. [90]
При бурении во льду отверстие может быть пробурено всухую, без механизма утилизации шлама. В снегу и фирне это означает, что шлам просто уплотняется в стенки скважины; а в керновых бурах он также уплотняется в керн. Во льду шлам скапливается в пространстве между бурильной трубой и стенкой скважины и в конечном итоге начинает засорять буровое долото, обычно не более чем через 1 м продвижения. Это увеличивает крутящий момент, необходимый для бурения, замедляет продвижение и может привести к потере бура. Сухое бурение керна обычно дает керн низкого качества, который разбивается на куски. [87]
В 1950 году французская полярная французская экспедиция (EPF) пробурила две сухие скважины в Гренландии с помощью роторной установки в лагере VI на западном побережье и на станции Centrale в глубине страны, достигнув 126 м и 151 м. [91] Несколько неглубоких скважин были пробурены тем летом на Баффиновой Земле с помощью колонкового бура, [92] а в Антарктике норвежско-британско-шведская антарктическая экспедиция (NBSAE) пробурила несколько скважин в период с апреля 1950 года по следующий год, в конечном итоге достигнув 100 м в одной скважине. [93] Последней экспедицией, которая пыталась использовать сухое бурение во льду, была 2-я советская антарктическая экспедиция (SAE), которая пробурила три скважины в период с июля 1957 года по январь 1958 года. [94] С тех пор сухое бурение было прекращено, поскольку другие методы бурения оказались более эффективными. [87]
Несколько отверстий были пробурены во льду с использованием прямой циркуляции воздуха, при которой сжатый воздух закачивается вниз по бурильной трубе, чтобы выйти через отверстия в буровой коронке и вернуться вверх по кольцевому пространству между буровой коронкой и скважиной, унося с собой шлам. Впервые этот метод был опробован 1-й Советской антарктической экспедицией в октябре 1956 года. Возникли 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 установками были предприняты американскими, советскими и бельгийскими экспедициями, при этом максимальная глубина скважины в 411 м была достигнута американской командой на Участке 2 в Гренландии в 1957 году. Последний раз проект использовал обычную роторную установку с циркуляцией воздуха в 1961 году. [96]
При разведке полезных ископаемых наиболее распространенным методом бурения является роторная установка с циркулирующей жидкостью по бурильной трубе и обратно между бурильной трубой и стенкой скважины. Жидкость переносит шлам на поверхность, где шлам удаляется, а переработанная жидкость, известная как буровой раствор, возвращается в скважину. Первым проектом по бурению 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 было пробурено три скважины на максимальную глубину 89 м. Керны были извлечены, но в плохом состоянии. [97] Морская вода также была опробована в качестве бурового раствора. [59] Впервые жидкость, отличная от воды, использовалась с обычной роторной установкой в конце 1958 года на месторождении Little America V, где дизельное топливо использовалось для последних нескольких метров 254-метровой скважины. [96] [98]
Буровая установка с канатным буром использует циркуляцию воздуха или жидкости, но также имеет инструмент, который можно опустить в бурильную трубу для извлечения керна без снятия бурильной колонны. Инструмент, называемый овершотом, защелкивается на керновом стволе и вытягивает его на поверхность. Когда керн извлекается, керновой ствол опускается обратно в скважину и снова присоединяется к буру. [59] Проект бурения керна с канатным буром был запланирован в 1970-х годах для Международного антарктического гляциологического проекта, но так и не был завершен, [99] а первый проект бурения льда с канатным буром состоялся в 1976 году, [примечание 3] как часть проекта по шельфовому леднику Росса (RISP). [96] Скважина была начата в ноябре того же года с помощью буровой установки с канатным буром, вероятно, с использованием циркуляции воздуха, но проблемы с овершотом вынудили проект перейти на термическое бурение, когда глубина скважины достигла 103 м. [99] Проект RISP достиг более 170 м с другим кабельным бурением в следующем сезоне, [99] и несколько советских экспедиций 1980-х годов также использовали кабельные буры, после начала скважин с помощью шнекового бура и обсадки скважин. [101] Бур Agile Sub-Ice Geological (ASIG), разработанный IDDO для сбора подледниковых кернов, является новой кабельной системой; она была впервые использована в полевых условиях в сезоне 2016–2017 годов в Западной Антарктиде. [102]
Использование обычных роторных установок для бурения льда имеет много недостатков. Когда обычная роторная установка используется для бурения, вся бурильная колонна должна быть поднята из скважины каждый раз, когда извлекается керн; каждая труба в свою очередь должна быть отвинчена и установлена на стойку. По мере того, как скважина становится глубже, это становится очень трудоемким. [87] Обычные установки очень тяжелые, и поскольку многие места бурения льда нелегко доступны, эти установки накладывают большую логистическую нагрузку на проект бурения льда. Для глубоких скважин требуется 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 жидкости, а также для разделения циркулирующего материала. Любая циркуляционная система также требует, чтобы верхняя часть скважины, через снег и фирн, была обсажена, поскольку циркулирующий воздух или жидкость будут выходить через что-либо более проницаемое, чем лед. Коммерческие роторные установки не рассчитаны на экстремально низкие температуры, и в дополнение к проблемам 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 установки могут быть эффективны для скважин большого диаметра, а также могут использоваться для подледникового бурения в скале. [27] Они также с некоторым успехом использовались для каменных ледников, бурение которых представляет собой сложную задачу, поскольку они содержат неоднородную смесь льда и скалы. [27] [103]
Гибкие буровые установки используют бурильную колонну, которая является непрерывной, так что ее не нужно собирать или разбирать, штанга за штангой или труба за трубой, при спуске или подъеме. Бурильная колонна также является гибкой, так что при извлечении из скважины ее можно хранить на катушке. Бурильная колонна может быть армированным шлангом или это может быть стальная или композитная труба, в этом случае она известна как буровая установка с гибкими трубами. Буровые установки, разработанные по этим линиям, начали появляться в 1960-х и 1970-х годах в области бурения полезных ископаемых и стали коммерчески жизнеспособными в 1990-х годах. [35]
Только одна такая установка, система быстрого перемещения 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 для сейсмической разведки. [35] [104] Буровая штанга представляет собой шланг, по которому прокачивается воздух; воздух приводит в действие турбину, которая приводит в действие вращающееся буровое долото. Ледяная стружка удаляется отработанным воздухом и фонтанирует из скважины. Компрессор повышает температуру воздуха примерно на 50°, и он снова охлаждается перед закачкой в скважину, при этом конечная температура примерно на 10° выше, чем у окружающего воздуха. Это означает, что его нельзя использовать при температуре окружающей среды выше -10 °C. Чтобы избежать образования льда в шланге, в сжатый воздух добавляют этанол. [35] Система, включающая лебедку для удержания 100 м шланга, а также два воздушных компрессора, установлена на салазках. [9] Она успешно пробурила сотни отверстий в Западной Антарктиде и легко смогла пробурить до 90 м всего за 25 минут, что сделало ее самой быстрой ледовой дрелью. [35] [9] Она также использовалась в проекте Askaryan Radio Array в 2010–2011 годах на Южном полюсе, но не смогла пробурить там глубже 63 м из-за различий в местных характеристиках льда и фирна. [36] [104] Ее нельзя использовать в заполненном жидкостью отверстии, что ограничивает максимальную глубину отверстия для этой конструкции. [9] Основная проблема с дрелью RAM — потеря циркуляции воздуха в фирне и снеге, которую можно решить, используя обратную циркуляцию воздуха с помощью вакуумного насоса, всасывающего воздух через шланг. [36] С 2017 года IDDO планирует пересмотреть конструкцию буровой установки RAM, чтобы уменьшить ее вес, который в настоящее время составляет 10,3 тонны. [35] [104]
Были рассмотрены и в некоторых случаях испытаны другие конструкции гибкой бурильной колонны, но по состоянию на 2016 год ни одна из них не была успешно использована в полевых условиях. [36] Одна из конструкций предлагала использовать горячую воду для бурения через шланг и заменить буровую головку механическим сверлом для бурения керна по достижении интересующей глубины, используя горячую воду как для гидравлического питания забойного двигателя, так и для расплавления образующегося ледяного шлама. [105] Другая конструкция, сверло RADIX, создает очень узкое отверстие (20 мм) и предназначено для быстрого бурения отверстий доступа; оно использует небольшой гидравлический двигатель на узком шланге. Оно было испытано в 2015 году, но было обнаружено, что возникли трудности с транспортировкой шлама, вероятно, из-за очень узкого пространства между шлангом и стенкой скважины. [106]
Конструкции с гибкими трубами никогда не применялись для бурения льда. Операции по отбору керна были бы особенно трудными, поскольку бур должен был бы выходить и входить для каждого керна, что привело бы к усталости ; труба обычно рассчитана на срок службы всего от 100 до 200 поездок. [106]
Буровая установка с тросовым подвесом имеет скважинную систему, известную как зонд, для бурения скважины. [48] [108] Зонд соединен с поверхностью бронированным кабелем, который обеспечивает питание и позволяет поднимать и поднимать буровую установку с помощью лебедки. [48] Электромеханические (ЭМ) буровые установки с тросовым подвесом имеют режущую головку с лезвиями, которые срезают лед при вращении, как плотницкий рубанок. Глубина проникновения реза регулируется устройством, называемым башмаком, которое является частью режущей головки. Образцы льда хранятся в камере в зонде, либо в колонковой трубе, над керном, либо в отдельной камере, выше по буровой установке.
Шлам может транспортироваться шнеками или циркуляцией жидкости. Буры, которые полагаются на шнеки и которые не предназначены для работы в заполненном жидкостью отверстии, ограничены глубиной, на которой закрытие ствола скважины не является проблемой, поэтому они известны как неглубокие буры. [108] Более глубокие отверстия необходимо бурить с помощью бурового раствора, но в то время как циркуляция в роторном буре переносит жидкость полностью вниз, а затем вверх по стволу скважины, буры с подвесным тросом должны только циркулировать жидкость от буровой головки до камеры шлама. Это известно как циркуляция в забое скважины. [48]
Верхняя часть зонда имеет систему противокрутящего момента, которая чаще всего состоит из трех или четырех пластинчатых пружин, которые прижимаются к стенкам скважины. Острые края пластинчатых пружин зацепляются за стенки и обеспечивают необходимое сопротивление, чтобы предотвратить вращение этой части бура. В точке, где кабель соединяется с зондом, большинство буров включают в себя скользящее кольцо , чтобы бур мог вращаться независимо от кабеля. Это необходимо для предотвращения повреждения кабеля крутящим моментом, если система противокрутящего момента выйдет из строя. Буры для кернования также могут иметь груз, который можно использовать в качестве молотка для облегчения разрушения керна, и камеру для любых необходимых приборов или датчиков. [48] [108]
Внизу зонда находится режущая головка, а над ней — керноприемник с шнековыми витками вокруг него на неглубоких бурах, и, как правило, наружный ствол вокруг него, обычно с внутренними вертикальными ребрами или каким-либо другим способом придания дополнительного импульса восходящим шламовым отходам на витках. Если есть отдельная камера для стружки, она будет над керноприемником. Двигатель с подходящим редуктором также находится над керноприемником. [48]
Мелкие буры могут извлекать керны глубиной до 300–350 м, но качество керна значительно улучшается, если присутствует буровой раствор, поэтому некоторые мелкие буры были разработаны для работы в мокрых скважинах. Испытания, проведенные в 2014 году, показали, что мокрое бурение, при котором верхняя часть бурового раствора не глубже 250 м, сохранит хорошее качество керна. [48]
Буровые растворы необходимы для бурения глубоких скважин, поэтому подвесные буры, которые используются для этих проектов, используют насос для обеспечения циркуляции жидкости, чтобы удалить шлам из долота. [37] Несколько буров, предназначенных для использования с буровым раствором, также имеют шнековые витки на внутреннем стволе. [108] Как и в случае с неглубокими бурами, шлам хранится в камере над керном. Циркуляция может происходить в любом направлении: вниз по внутренней части бурильной колонны и вверх между колонковой трубой и стенкой скважины, или в обратном направлении, что стало предпочтительным подходом при проектировании буров, поскольку обеспечивает лучшее удаление шлама при более низкой скорости потока. [37] Буры, способные достигать глубины более 1500 м, известны как системы глубокого бурения; они имеют, как правило, аналогичную конструкцию промежуточным системам, которые могут бурить от 400 м до 1500 м, но должны иметь более тяжелые и надежные системы, такие как лебедки, а также иметь более длинные буры и большие укрытия для бурения. [109] Диаметры керна для этих буров варьировались от 50 мм до 132 мм, а длина керна от 0,35 м до 6 м. Общей конструктивной особенностью этих глубоких буров является то, что они могут наклоняться в горизонтальное положение, чтобы облегчить удаление керна и шлама. Это уменьшает требуемую высоту мачты, но требует прорезания глубокой щели во льду, чтобы освободить место для подъема зонда. [110]
Первая электромеханическая буровая установка с подвесным тросом была изобретена Армаисом Арутюновым для использования при бурении полезных ископаемых; она была испытана в 1947 году в Оклахоме, но не показала хороших результатов. [109] [111] CRREL приобрела отремонтированную буровую установку Арутюнового в 1963 году, [109] [111] [112] модифицировала ее для бурения во льду и в 1966 году использовала ее для расширения скважины в Кэмп-Сенчури в Гренландии до основания ледяного покрова на глубине 1387 м и на 4 м глубже в коренную породу. [109] [111]
С тех пор многие другие буры были основаны на этой базовой конструкции. [109] Недавней вариацией базовой конструкции бура ЭМ является бур Rapid Access Isotope Drill, разработанный Британской антарктической службой для бурения сухих скважин глубиной до 600 м. [113] Этот бур не собирает полный ледяной керн; вместо этого он собирает ледяную стружку, [113] используя режущую головку, похожую на ложковый бур. [114] Полученное отверстие доступа будет использоваться для температурного профилирования, [113] и вместе с результатами изотопного анализа, которые укажут возраст льда, данные будут использоваться для моделирования профиля льда вплоть до коренной породы, чтобы определить наилучшее место для бурения, чтобы получить максимально старый нетронутый базальный лед. [115] [114] Ожидается, что бур достигнет 600 м за 7 дней бурения, а не за 2 месяца, которые потребовались бы для бурения керна; скорость обусловлена тем, что резцы могут быть более агрессивными, поскольку качество керна не является проблемой, а также тем, что скважина узкая, что снижает требования к мощности лебедки. [115]
Термические буры работают, применяя тепло ко льду на дне скважины, чтобы расплавить его. Термические буры в целом способны успешно бурить в умеренных льдах, где электромеханический бур рискует заклинить 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 бурения льда, закачивая ее в шланг с насадкой на конце; струя горячей воды быстро создаст отверстие. Если позволить шлангу свободно свисать, получится прямое отверстие; по мере того, как отверстие становится глубже, вес шланга затрудняет ручное управление, и на глубине около 100 м становится необходимым пропустить шланг через шкив и задействовать какой-либо метод, помогающий опускать и поднимать шланг, обычно состоящий из шланговой катушки, кабестана или какого-либо типа вспомогательного шланга. [117] Поскольку давление в шланге пропорционально квадрату потока, диаметр шланга является одним из ограничивающих факторов для бура с горячей водой. Чтобы увеличить скорость потока сверх определенной точки, диаметр шланга должен быть увеличен, но это потребует значительного увеличения мощности в других местах конструкции бура. [118] Шланги, которые обматываются вокруг барабана перед тем, как попасть под давление, будут оказывать сжимающее усилие на барабан, поэтому барабаны должны иметь прочную конструкцию. [119] Шланги должны быть аккуратно намотаны при наматывании, чтобы избежать повреждений; это можно сделать вручную для небольших систем, но для очень больших буров необходимо использовать систему равномерной намотки. [120] В идеале шланг должен иметь прочность на разрыв, чтобы выдерживать его вес при наматывании в отверстие, но для очень глубоких отверстий может потребоваться использовать поддерживающий трос для поддержки шланга. [121]
Пар также можно использовать вместо горячей воды, и его не нужно закачивать. Ручная паровая дрель способна быстро сверлить короткие отверстия, например, для абляционных кольев, и как паровые, так и водогрейные дрели можно сделать достаточно легкими, чтобы их можно было переносить вручную. [30] Направляющая трубка может использоваться для поддержания прямой скважины. [122]
В холодном льду скважина, пробуренная с горячей водой, закроется, когда вода замерзнет. Чтобы избежать этого, сверло можно спустить обратно в скважину, нагревая воду и, следовательно, окружающий лед. Это форма расширения . Повторное расширение повысит температуру окружающего льда до точки, при которой скважина будет оставаться открытой в течение более длительного времени. [123] Однако, если цель состоит в том, чтобы измерить температуру в скважине, то лучше подавать как можно меньше дополнительного тепла на окружающий лед, что означает, что желательно использовать сверло с более высокой энергией и высоким расходом воды, так как это будет более эффективно. [118] Если есть риск замерзания сверла, в конструкцию можно включить «обратное сверло». Это механизм, который перенаправляет струю горячей воды вверх, если сверло встречает сопротивление при подъеме. [124] Также можно использовать отдельный расширитель с горячей водой, который подает струю горячей воды сбоку на стенки скважины по мере ее прохождения. [124]
Скважины, пробуренные горячей водой, довольно нерегулярны, что делает их непригодными для определенных видов исследований, таких как скорость закрытия скважины или измерения инклинометрии. Теплая вода из сопла будет продолжать плавить стенки скважины по мере ее подъема, и это будет иметь тенденцию делать отверстие конусообразным — если отверстие бурится в месте, где нет поверхностного снега или фирна, например, в зоне абляции в леднике, то этот эффект сохранится до верха скважины. [30]
Водоснабжение для бурения с горячей водой может осуществляться из воды на поверхности, если она доступна, или из растопленного снега. Талая вода в скважине может быть повторно использована, но это можно сделать только после того, как скважина проникнет под фирн в непроницаемый слой льда, потому что выше этого уровня талая вода улетучивается. Насос для подачи талой воды обратно на поверхность должен быть размещен ниже этого уровня, и, кроме того, если есть вероятность, что скважина проникнет к основанию льда, проект бурения должен планировать вероятность того, что это изменит уровень воды в скважине, и гарантировать, что насос находится ниже самого низкого вероятного уровня. [125] Системы отопления обычно адаптированы из нагревателей, используемых в отрасли мойки высокого давления. [126]
При использовании любого метода термического бурения в грязном льду мусор будет скапливаться на дне скважины и начнет препятствовать бурению; достаточное количество мусора в виде песка, гальки или большого камня может полностью остановить продвижение. [127] Один из способов избежать этого — иметь насадку, наклоненную под углом 45°; использование этой насадки создаст боковой канал, в который попадут препятствия. Затем вертикальное бурение можно начать снова, обходя мусор. [117] Другой подход — рециркуляция воды на дне скважины с помощью электрического нагревателя, встроенного в буровую головку, и фильтров в циркуляции. Это может удалить большую часть мелкого мусора, который мешает буровой головке. [128]
Другая проблема с нечистым льдом возникает из-за загрязняющих веществ, приносимых проектом, таких как одежда и древесные волокна, пыль и песок. Использование снега вокруг лагеря для снабжения бура водой часто необходимо в начале бурения, так как отверстие еще не достигнет непроницаемого льда, поэтому вода не может быть закачана обратно со дна отверстия; забрасывание этого снега в водоснабжение бура пропустит эти загрязняющие вещества через механизм бура и может повредить насосы и клапаны. Для предотвращения этих проблем требуется фильтр тонкой очистки. [127] [129]
Ранняя экспедиция с использованием буров с горячей водой состоялась в 1955 году на леднике Мер-де-Глас ; компания Électricité de France использовала горячую воду, чтобы достичь основания ледника, а также использовала оборудование, которое распыляло несколько струй одновременно, чтобы создать туннель подо льдом. [130] Дополнительные работы по разработке проводились в 1970-х годах. [131] [30] Буры с горячей водой теперь способны бурить очень глубокие отверстия и обеспечивать чистый доступ к подледниковым озерам: например, в период с 2012 по 2019 год в рамках проекта WISSARD/SALSA бур WISSARD, бур среднего размера с горячей водой, пробурил чистый доступ до 1 км в озере Мерсер в Антарктиде; а в период с 2004 по 2011 год большой бур с горячей водой на Южном полюсе использовался для бурения 86 отверстий на глубину 2,5 км для установки рядов датчиков в скважинах для проекта IceCube . [13] [132] Также были разработаны буры с горячей водой, но они восприимчивы к мусору, который мешает движению вперед в грязном льду. [131]
Ранний паровой бур был разработан 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 довольно неэффективны [133] из-за тепловых потерь вдоль шланга и потерь давления с увеличением глубины под водой. [134] Они в основном используются для быстрого бурения неглубоких скважин. [133]
Вместо использования струи горячей воды или пара, термобуры также могут быть сконструированы для подачи тепла в прочную буровую головку, например, путем закачивания горячей воды вниз и обратно внутри буровой колонны, и использования ее для растапливания льда. [30] Современные термобуры вместо этого используют электроэнергию для нагрева буровой головки. [135]
Можно бурить с помощью hotpoint, который состоит из электрического нагревательного элемента, непосредственно контактирующего со льдом; это означает, что элемент должен быть способен работать под водой. [136] Вместо этого некоторые буры встраивают нагревательный элемент в материал, такой как серебро или медь, который будет быстро проводить тепло к поверхности hotpoint; [137] они могут быть сконструированы так, чтобы электрические соединения не подвергались воздействию воды. [138] Электротермическим бурам требуется кабель для подачи питания в скважину; цепь может быть замкнута через бурильную трубу, если она имеется. [139] В сборке бура необходим трансформатор, поскольку кабель должен выдерживать высокое напряжение, чтобы избежать рассеивания мощности. [140] Сложнее организовать электропитание в удаленном месте, чем генерировать тепло с помощью газового котла, поэтому hotpoint буры используются только для скважин глубиной до нескольких сотен метров. [141]
Самая ранняя попытка использования тепла для бурения льда была в 1904 году, когда C. Bernard, буря на леднике Tête Rousse , попытался использовать нагретые железные прутки для бурения. Концы прутков нагревались добела и опускались в скважину. [26] Первая настоящая горячая точка была использована Марио Кальчиати в 1942 году на леднике Hosand. Кальчиати закачивал горячую воду с поверхности вниз по буровой штанге и обратно после того, как она прошла через буровую головку. [142] [143] Другие конструкции горячих точек использовали электрический нагрев для нагрева буровой головки; это было сделано в 1948 году британской экспедицией на Юнгфрауйох, [144] и многими другими конструкциями буров с тех пор. Горячие точки не производят керны, поэтому они используются в основном для создания отверстий доступа. [141]
Разработка в 1960-х годах термобуров для скважин средней глубины была вызвана проблемами, связанными с роторными бурами, которые были слишком дорогими для использования для полярных ледяных кернов из-за логистических проблем, вызванных их весом. [145] [146] Компоненты термобура, как правило, такие же, как и для ЭМ-бура с кабельным подвесом: оба имеют мачту и лебедку, а также армированный кабель для подачи питания в скважину к зонду, который включает керноприемник. Для термобура не требуется система противодействия крутящему моменту, и вместо двигателя, который обеспечивает крутящий момент, мощность используется для генерации тепла в режущей головке, которая имеет кольцевую форму, чтобы расплавить кольцевое пространство льда вокруг керна. Некоторые буры также могут иметь центратор, чтобы удерживать зонд в середине скважины. [38]
Зонд электротермического бурения, предназначенный для работы под водой в талой воде, может почти полностью состоять из керноприемника и нагреваемой режущей головки (диаграмма (a) на рисунке справа). Альтернативные конструкции для использования в более холодном льду (см. диаграмму (b) справа) могут иметь отсек над керноприемником и трубки, которые спускаются вниз до уровня чуть выше режущей головки; вакуумный насос всасывает талую воду. В этих бурах талая вода должна быть слита на поверхность в конце каждого прохода по керноприемнику. [147]
Другой подход (см. (c) справа) заключается в использовании бурового раствора, представляющего собой смесь этанола и воды, с точными пропорциями, определяемыми температурой льда. В этих бурах над колонковой трубой находится поршень, и в начале прохода поршень находится в нижней части зонда, а пространство над ним заполнено буровой жидкостью. Когда буры режут вниз, керн толкает поршень вверх, перекачивая жидкость вниз и наружу вокруг режущей головки, где она смешивается с талой водой и предотвращает ее замерзание. Поршень является единственной движущейся частью, что упрощает конструкцию; и колонковая труба может занимать большую часть длины зонда, тогда как буры, которые отсасывают талую воду, чтобы пробурить сухую скважину, должны жертвовать большой частью зонда для хранения талой воды. [147]
Тепловые буры, предназначенные для умеренных льдов, легкие и простые в эксплуатации, что делает их пригодными для использования на высокогорных ледниках, хотя для этого также требуется, чтобы бур можно было разобрать на компоненты для транспортировки с помощью человека в самые труднодоступные места, поскольку вертолеты могут не достичь самых высоких ледников. [148] [149]
Электротермические конструкции буров датируются 1940-ми годами. Электротермическое сверло было запатентовано в Швейцарии в мае 1946 года Рене Кёхлином и использовалось в Швейцарии, [150] [151] [152] а в 1948 году британская экспедиция на Юнгфрауйох пробурила ложе ледника, используя электротермическую конструкцию. [3] Двадцать электротермических керновых буров были разработаны между 1964 и 2005 годами, хотя многие конструкции были заброшены из-за более высокой производительности EM керновых буров. [38]
Если цель состоит в том, чтобы получить показания приборов изнутри льда, и нет необходимости извлекать ни лед, ни систему бурения, то можно использовать зонд, содержащий длинную катушку кабеля и горячую точку. Горячая точка позволяет зонду протапливать свой путь сквозь лед, разматывая кабель позади себя. Талая вода снова замерзнет, поэтому зонд нельзя будет извлечь, но он может продолжать проникать сквозь лед, пока не достигнет предела кабеля, который он несет, и отправлять показания приборов обратно через кабель на поверхность. [153] Известные как зонды Филберта, [154] эти устройства 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 ледниковой экспедиции в Гренландию (EGIG). [155] [156]
Поскольку тепловые зонды поддерживают свой вес на льду на дне скважины, они слегка отклоняются от вертикали, и это означает, что они имеют естественную тенденцию 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 таяния на этой стороне и возвращая скважину в вертикальное положение. [157] В качестве альтернативы зонд может быть сконструирован так, чтобы поддерживаться льдом выше его центра тяжести, путем установки двух нагревательных колец, одно из которых находится ближе к 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 иметь большее опорное давление на верхнее кольцо, что даст ему естественную тенденцию к возврату в вертикальное положение, если скважина начнет отклоняться. Эффект называется маятниковым управлением, по аналогии с тенденцией маятника всегда возвращаться в вертикальное положение. [158]
В 1990-х годах NASA объединило конструкцию зонда Philberth с идеями, почерпнутыми из буров с горячей водой, чтобы разработать зонд -криобот , который имел струи горячей воды в дополнение к носу с горячей точкой. После того, как зонд погружался в тонкий слой талой воды, вода втягивалась и нагревалась, выходя на носу в виде струи. Эта конструкция была предназначена для того, чтобы помочь отодвинуть твердые частицы от носа, как это обычно происходит с буром с горячей водой. Версия без аналитических инструментов на борту была построена и испытана в полевых условиях на Шпицбергене , Норвегия, в 2001 году. Она проникла на глубину 23 м, успешно пройдя через слои твердых частиц. [159]
Криоботы остаются в хорошем тепловом контакте с окружающим льдом на протяжении всего спуска, и в очень холодном льду это может истощать значительную часть их энергетического бюджета, который конечен, поскольку они должны нести свой источник питания с собой. Это делает их непригодными для исследования марсианской полярной ледяной шапки . Вместо этого NASA добавило насос в конструкцию криобота, чтобы поднимать талую воду на поверхность, так что зонд, известный как SIPR (Subsurface Ice Probe), спускается в сухую скважину. Более низкая гравитация на Марсе означает, что давление горных 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 будет проанализировать на поверхности. Прокачка через вертикальную трубку приведет к перемешиванию, поэтому для обеспечения дискретных образцов для анализа на поверхности используются трубки большого и малого диаметра; трубка с малым диаметром используется для отбора проб, а затем ее содержимое возвращается в зонд и закачивается обратно в трубку с большим диаметром для использования в экспериментах, которые не зависят от стратиграфии, например, поиски 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 обеспечивает, чтобы вода оставалась жидкой на всем пути к поверхности, а питание и телеметрия также передаются с поверхности. Чтобы поддерживать вертикальность отверстия, зонд может определять, когда оно отклоняется, и струи горячей воды регулируются для компенсации. Ожидается, что бур будет использовать солнечную энергию в работе, то есть он должен быть способен функционировать при мощности менее 100 Вт при солнечном свете. Полностью построенная версия зонда была успешно испытана в Гренландии в 2006 году, пробурив скважину на глубину 50 м. [161] НАСА предложило аналогичную конструкцию для бурения во льду на Европе , спутнике Юпитера. [162] Любой такой зонд должен был бы выдерживать температуру 500 °C, будучи стерилизованным, чтобы избежать биологического загрязнения целевой среды. [163]
Образцы снега берутся для измерения глубины и плотности снежного покрова в заданной области. Измерения глубины и плотности могут быть преобразованы в число эквивалента воды в снеге (SWE), которое представляет собой глубину воды, которая получится в результате преобразования снега в воду. [164] Снеговые пробоотборники, как правило, представляют собой полые цилиндры с зубчатыми концами, которые помогают им проникать в снежный покров; их используют, вдавливая их в снег, а затем вытаскивая их вместе со снегом в цилиндре. [23] Взвешивание цилиндра, полного снега, и вычитание веса пустого цилиндра дает вес снега; пробоотборники обычно имеют продольные щели, 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 по мере его извлечения из снега, что проще сделать с цилиндром меньшего диаметра; однако, большие диаметры дают более точные показания. Образцы должны избегать уплотнения снега, поэтому они имеют гладкие внутренние поверхности (обычно из анодированного алюминиевого сплава, а иногда дополнительно натертые воском), чтобы предотвратить захват снегом стенок цилиндра при его проталкивании. Пробоотборник может проникать в легкий снег под собственным весом; более плотный снежный покров, фирн или лед, могут потребовать от пользователя осторожного вращения пробоотборника, 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. Обычно в каждом интересующем месте снимаются множественные показания, и результаты усредняются. Пробоотборники снега обычно имеют точность в пределах около 5–10%. [23]
Первый пробоотборник снега был разработан Дж. Э. Чёрчем зимой 1908/1909 года, а наиболее распространенный современный пробоотборник снега, известный как федеральный пробоотборник снега, основан на конструкции Чёрча с некоторыми модификациями Джорджа Д. Клайда и Службы охраны почв США в 1930-х годах. Его можно использовать для отбора проб снега глубиной до 9 м. [166]
Испытание на проникновение включает в себя введение зонда в снег для определения механических свойств снега. Опытные снегомеры могут использовать обычную лыжную палку для проверки твердости снега, вдавливая ее в снег; результаты регистрируются на основе изменения сопротивления, ощущаемого при введении палки. 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, который используется как молоток; груз поднимается и отпускается и ударяется о наковальню — выступ вокруг стержня, через который он не может пройти, — что вбивает стержень в снег. Чтобы провести измерение, стержень кладут на снег, и молоток роняют один или несколько раз; полученная глубина проникновения регистрируется. В мягком снегу можно использовать более легкий молоток для получения более точных результатов; вес молотка варьируется от 2 кг до 0,1 кг. [167] Даже при использовании более легких молотков, трамбовочные пенетрометры с трудом различают тонкие слои снега, что ограничивает их полезность в отношении изучения лавин, поскольку тонкие и мягкие слои часто участвуют в формировании лавин. [167] [168]
Широко используются два легких инструмента, которые более чувствительны, чем пенетрометры с трамбовкой. Снежный микропенетрометр использует двигатель для перемещения стержня в снег, измеряя требуемую силу; он чувствителен к 0,01–0,05 ньютона, в зависимости от прочности снега. Зонд SABRE состоит из стержня, который вручную вставляется в снег; затем показания акселерометра используются для определения необходимой силы проникновения на каждой глубине и сохраняются в электронном виде. [168] [169]
Для тестирования плотного полярного снега используется тест конусного пенетрометра (CPT), основанный на эквивалентных устройствах, используемых для тестирования почвы . Измерения CPT могут использоваться в твердом снегу и фирне на глубине 5–10 м. [168] [169]
Коммерчески доступные роторные установки использовались с большими шнеками для бурения льда, как правило, для строительства или для отверстий, чтобы получить доступ подо льдом. Хотя они не могут производить керны, они периодически использовались американскими и советскими научными экспедициями в Антарктику. [170] В 2012 году экспедиция Британской антарктической службы для бурения до озера Эллсворт , на две мили ниже поверхности антарктического льда, использовала австралийский земляной шнек, приводимый в движение смонтированным на грузовике верхним приводом, чтобы помочь пробурить две 300-метровые скважины в рамках проекта, хотя на случай, если проект будет отложен. [171] [172] [173]
Механизированные буры, предназначенные для бурения больших отверстий во льду для зимней рыбалки, могут быть установлены на снегоходе, тракторе или санях; диаметр отверстий может достигать 350 мм. Эти установки производились серийно как в США, так и в СССР, но больше не используются повсеместно. [70]
Пламенно-реактивный бур, который обычно используется для бурения кристаллических пород, использовался для бурения льда на шельфовом леднике Росса в 1970-х годах. Бур работает на топливе и может работать под водой, пока доступно достаточно сжатого воздуха. Он бурит быстро, но производит неровное отверстие, загрязненное сажей и топливом. [174]
Советская конструкция бура использовала двигатель для обеспечения вертикальной вибрации ствола бура с частотой 50 Гц; бур имел внешний диаметр 0,4 м, и в ходе испытаний на станции Восток в Антарктиде пробурил скважину глубиной 6,5 м, при этом проход глубиной 1,2 м занимал от 1 до 5 минут. Стальные края бура уплотняли снег в сердечнике, что помогало ему прилипать к внутренней части ствола, когда бур вытаскивали из скважины. [165] [175]
Механические буры обычно имеют три резака, равномерно расположенных вокруг головки бура. Два резака приводят к вибрации и ухудшению качества ледяного керна, а испытания буровых головок с четырьмя резаками показали неудовлетворительную производительность. Геометрическая конструкция различается, но угол наклона, α, варьируется от 5 до 15°, причем 8–10° является наиболее распространенным диапазоном для холодного льда, а угол резания, δ , варьируется от 45° (наиболее распространенный для холодного льда) до 90°. Безопасный угол между нижней стороной режущего лезвия и льдом может составлять всего 0,8° в успешных конструкциях бура. [176] Были опробованы различные формы конца лезвия: плоская (наиболее распространенная конструкция), заостренная, закругленная и в форме совка. [177]
Резцы должны быть изготовлены из чрезвычайно прочных материалов, [178] и обычно должны затачиваться после каждых 10–20 м бурения. [177] Инструментальные стали, содержащие углерод, не являются идеальными, поскольку углерод делает сталь хрупкой при температурах ниже −20 °C. Спеченный карбид вольфрама был предложен для использования в резцах, поскольку он чрезвычайно твердый, но лучшие инструментальные стали более экономичны: твердосплавные резцы крепятся к корпусу режущего инструмента путем холодного прессования или пайки латунью, и их нельзя легко демонтировать и заточить в полевых условиях. [178]
Глубина резания контролируется установкой башмаков на нижней части головки бура; они скользят по поверхности льда и, таким образом, ограничивают глубину проникновения резака за каждый оборот бура. Чаще всего их устанавливают сразу за резаками, но такое положение может привести к накоплению льда в зазоре между резаком и башмаком. До сих пор не удалось исправить это путем изменения конструкции башмака. [179]
Буровые растворы необходимы для устойчивости ствола скважины в глубоких кернах, а также могут использоваться для циркуляции 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 окружающим льдом. Перхлорэтилен и трихлорэтилен часто использовались в ранних программах бурения в сочетании с нефтяным топливом. Они были постепенно выведены из эксплуатации по соображениям безопасности для здоровья. Фреон был временной заменой, но был запрещен Монреальским протоколом , как и HCFC-141b , гидрохлорфторуглеродный уплотнитель, использовавшийся после того, как фреон был отменен. [186] Будущие варианты для буровых растворов включают низкомолекулярные эфиры, такие как этилбутират , н-пропилпропионат , н-бутилбутират , н-амилбутират и гексилацетат ; смеси различных видов ESTISOL; и диметилсилоксановые масла. [185]
Два основных требования к системе противокрутящего момента заключаются в том, что она должна предотвращать вращение зонда и обеспечивать легкое перемещение бура вверх и вниз по скважине. [187] Были предприняты попытки спроектировать буры с компонентами, вращающимися в противоположных направлениях, чтобы свести к минимуму общий крутящий момент, но они имели ограниченный успех. [188] [189] Было разработано пять видов систем противокрутящего момента для использования с кабельными ЭМ-бурами, хотя не все из них используются в настоящее время, и некоторые буры использовали комбинацию более чем одной конструкции. Первая буровая установка, требующая системы противокрутящего момента, была использована в Кэмп-Сенчури компанией CRREL в 1966 году; буровая установка включала в себя набор шарнирных фрикционных лопастей, которые выдвигались из зонда при запуске двигателя буровой установки. Было обнаружено, что они имеют очень слабое трение о стенку скважины и были неэффективны; буровую установку приходилось тщательно контролировать, чтобы не допустить скручивания кабеля. Никакие другие буровые установки не пытались использовать этот подход. [188]
Для следующего развертывания буровой установки были установлены листовые пружины, и это оказалось более прочной конструкцией. Они устанавливаются вертикально, с изгибом наружу, так что они легко сжимаются стенкой скважины и могут скользить вверх и вниз при движении буровой установки. Они легко проходят через любые неровности в буровой установке, но края пружин врезаются в стенку буровой установки и предотвращают вращение. Листовые пружины очень просты механически, с дополнительным преимуществом в том, что их легко регулировать, изменяя расстояние между конечными точками. Их можно разместить в любом месте буровой установки, которое не вращается, поэтому они не увеличивают длину зонда. [190] Форма обычно представляет собой параболу четвертого порядка, поскольку было определено, что это обеспечивает наиболее равномерную нагрузку на стенку буровой установки. [190] [191] Было обнаружено, что листовые пружины настолько эффективны, что они могут предотвратить вращение даже в тяжелых буровых установках, работающих на полной мощности. [190]
Системы противокрутящего момента Skate имеют лезвия, прикрепленные к вертикальным стержням, которые прижимаются к стенке скважины; лезвия врезаются в стенку и обеспечивают противокрутящий момент. Коньки могут быть построены с пружинами, которые позволяют им удерживать лезвия прижатыми к стенке в нерегулярной скважине и предотвращать проблемы в более узких частях скважины. Хотя коньки являются популярной конструкцией для противокрутящего момента и использовались с успехом, они с трудом предотвращают вращение в фирне и на границах между слоями различной плотности и могут вызывать проблемы при бурении с высоким крутящим моментом. Когда они выходят из строя, они действуют как расширители, удаляя стружку со стены, которая может упасть на сверло и помешать бурению. [192]
В 1970-х годах группа Японской антарктической исследовательской экспедиции (JARE) спроектировала несколько буров с использованием боковых фрез. Это зубчатые шестерни, которые приводятся в действие вращением главного двигателя бура через спиральные шестерни с углом 45° ; их ось вращения горизонтальна, и они размещены так, что зубья вырезают четыре вертикальных паза в стенке скважины. Направляющие ребра, расположенные выше на зонде, движутся в этих пазах и обеспечивают противокрутящий момент. Конструкция была эффективна для предотвращения вращения зонда, но оказалось практически невозможным повторно выровнять направляющие ребра с существующими пазами при спуске. Несоосность увеличивала вероятность застревания бура в скважине; также существовал риск застревания ледяной стружки от фрез между буром и стенкой скважины, что приводило к застреванию бура. Система была снова использована в буре, разработанной в Китае в 1980-х и 1990-х годах, но проблемы, присущие конструкции, в настоящее время считаются непреодолимыми, и она больше не используется. [194] [195]
Самая последняя конструкция системы против крутящего момента представляет собой использование U-образных лопастей, изготовленных из стали и закрепленных вертикально по бокам зонда. Первоначальные реализации столкнулись с проблемами, когда тонкие лопасти слишком легко сгибались, а толстые лопасти оказывали слишком большое сопротивление вертикальному перемещению зонда, но окончательная конструкция может создавать сильное сопротивление крутящему моменту как в фирне, так и во льду. [196]
Сверла могут быть спроектированы с более чем одной системой антикрутящего момента, чтобы использовать преимущества различных характеристик различных конструкций в различных типах снега и льда. Например, сверло может иметь коньки для использования в твердом фирне или льду, но также иметь систему листовых пружин, которая будет более эффективна в мягком фирне. [187]
При бурении ледяных кернов, когда вокруг керна, который нужно извлечь, пробурено кольцевое пространство, керн все еще прикреплен к ледяному щиту на своем нижнем конце, и это соединение должно быть разорвано, прежде чем керн можно будет извлечь. Одним из вариантов является использование цанги, которая представляет собой коническое кольцо внутри режущей головки. Когда бур поднимается, цанга сжимает керн и удерживает его, а свободные ледяные осколки, заклиненные в нем, увеличивают сжатие. Это разбивает керн и удерживает его в стволе после того, как он сломался. Цанги эффективны в фирне, но менее эффективны во льду, поэтому для ледяных кернов часто используются захваты керна, также известные как керноуловители. [110]
Типичная собачка для ледяного бура имеет форму изящной лапы и будет встроена в головку бура с возможностью вращения и с пружиной, оказывающей некоторое давление на сердечник. Когда бур поднимается, острый конец собачки сердечника входит в зацепление и вращается вокруг, заставляя сердечник ломаться. Некоторые собачки сердечника имеют уступ, чтобы не допустить их чрезмерного вращения. [198] Большинство головок бура имеют три собачки сердечника, хотя возможно наличие только двух собачек сердечника; асимметричная сила сдвига помогает сломать сердечник. [198] Угол δ между вершиной собачки сердечника и сердечником был предметом некоторых исследований; исследование, проведенное в 1984 году, пришло к выводу, что оптимальный угол составляет 55°, а более позднее исследование пришло к выводу, что угол должен быть ближе к 80°. [197] Керноуловители изготавливаются из закаленной стали и должны быть максимально острыми. Усилие, необходимое для слома сердечника, зависит от температуры и глубины, и в теплом льду собачки сердечника могут прорезать канавки в сердечнике, прежде чем они зацепятся и он сломается. [199] Некоторые дрели также могут включать в себя груз, который можно использовать в качестве молотка, чтобы обеспечить удар, помогающий разбить ядро. [48]
Для снега и фирна, где материал сердечника может выпасть из нижней части кернового ствола, лучшим выбором будет корзиночный ловитель. Эти ловители состоят из пружинной проволоки или тонких кусков листового металла, размещенных радиально вокруг нижней части кернового ствола и прижатых к боковой стороне ствола сердечником, когда бур опускается вокруг него. Когда бур поднимается, концы ловителя входят в зацепление с сердечником и отрывают его от основания, и действуют как корзина, удерживая его на месте, пока он поднимается на поверхность. [200]
Обсадка или облицовка отверстия трубой необходима всякий раз, когда буровые работы требуют изоляции скважины от окружающего проницаемого снега и фирна. Необсаженные отверстия можно бурить с помощью жидкости, используя шланг, опущенный в отверстие, но это, вероятно, приведет к увеличению расхода буровой жидкости и загрязнению окружающей среды из-за утечек. Стальная обсадка использовалась в 1970-х годах, но ржавчина от обсадки повредила сверла, а обсадка не была герметичной, что привело к утечкам жидкости. Также были проблемы с тем, что обсадные трубы не были отцентрированы, что привело к повреждению бурового долота при его опускании через обсадную трубу. Стекловолоконная и HDPE обсадка стала более распространенной, с соединениями, запечатанными лентой PTFE , но утечки случаются часто. Термосварка плавлением для HDPE обсадки является возможным решением. Чтобы герметизировать дно обсадки, можно закачать воду на дно отверстия после установки обсадки или использовать термоголовку для расплавления льда вокруг башмака обсадной трубы, создавая уплотнение, когда вода снова замерзает. Другой подход заключается в использовании бура с горячей точкой, который насыщает снег и фирн талой водой, которая затем замерзает и запечатывает скважину. [201]
Низкотемпературная ПВХ- трубка не подходит для постоянной обсадки, так как ее невозможно загерметизировать в нижней части, но ее можно использовать для пропускания бурового раствора через проницаемую зону. Ее преимущество в том, что она не требует соединений, так как ее можно намотать на катушку для развертывания. [201]
Эта статья была отправлена в WikiJournal of Science для внешнего академического рецензирования в 2018 году (отчеты рецензентов). Обновленный контент был повторно интегрирован на страницу Википедии по лицензии CC-BY-SA-3.0 ( 2019 ). Версия записи, на которой она была проверена: Mike Christie; et al. (12 апреля 2019 г.). "Методы бурения льда" (PDF) . WikiJournal of Science . 2 (1): 2. doi : 10.15347/WJS/2019.002 . ISSN 2470-6345. Wikidata Q63133851.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )