Бурение льда

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 нейтрино обнаружение .
Множество различных методов использовалось с 1840 года, когда первая научная экспедиция по бурению льда попыталась пробурить Унтераарглетчер 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 тому, что в 1950-х и 1960-х годах были разработаны буры для отбора керна, 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 ненарушенная стратиграфическая для точного датирования информации, полученной со льда, необходима последовательность.
Цели ледобурения
[ редактировать ]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 достигнуто путем размещения кольев в отверстиях, пробуренных в леднике, и отслеживания их движения с окружающей горы. [ 2 ] Бурение ледников с целью определения их толщины и проверки теорий движения и структуры ледников в течение некоторого времени продолжало вызывать интерес. [ 5 ] но толщина ледника измеряется сейсмографическими методами с 1920-х годов. [ 6 ] [ 7 ] Хотя больше нет необходимости бурить ледник, чтобы определить его толщину, ученые все еще бурят во льду дыры 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 скважины на разных глубинах может предоставить информацию о климате прошлого . [ 10 ] В скважину можно опустить и другие инструменты, например 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 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 толще. [ 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 покровом привело к предположениям о существовании уникальной микробной среды, которая была изолирована от остальной биосферы потенциально 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, когда лед в них выпал в виде снега, они полезны для реконструкции климата прошлого, а анализ ледяных кернов включает изучение изотопного состава, механических свойств, растворенных примесей и пыли, захваченных образцов атмосферы и следовых радионуклидов. . [ 18 ] Данные ледяных кернов можно использовать для определения прошлых изменений солнечной активности. [ 19 ] и играет важную роль в построении 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 ]
Рекомендации по проектированию бурения
[ редактировать ]Ограничения, связанные с конструкцией ледобуров, можно разделить на следующие широкие категории.
Метод удаления льда и логистика проекта
[ редактировать ]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 неэффективен 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 распространены 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 лед непосредственно 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 ]
Вырубки и талая вода
[ редактировать ]
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 действия 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 зачерпнуть 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 путем 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 будет нагреваться при сжатии, и перед закачкой в скважину его необходимо охладить, иначе это приведет к расплавлению стенок скважины и керна. [ 34 ] [ 35 ] Если воздух циркулирует путем создания вакуума, а не нагнетания воздуха, окружающий воздух уносит шлам, поэтому охлаждение не требуется. [ 36 ]
Для циркуляции бурового шлама от долота можно использовать жидкость или жидкость может растворять шлам. Вращательное бурение полезных ископаемых (сквозь 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 ]
Логистика бурильной колонны
[ редактировать ]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, поскольку каждая длина бурильной колонны или труба добавляется или удаляется. [ 40 ] [ 32 ] Если глубина скважины составляет всего несколько метров, механическая помощь может не потребоваться, но бурильные колонны могут оказаться очень тяжелыми для глубоких скважин, и поэтому должна быть установлена лебедка или другая подъемная система, способная поднимать и опускать ее. [ 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 яму и выхода из нее; Для конструкции сверла важно минимизировать время срабатывания, особенно для колонковых сверл, поскольку они должны совершать ход для каждого керна. [ 42 ]
Стабильность и проницаемость скважины
[ редактировать ]Давление вскрышных пород в глубокой скважине из-за веса льда наверху приведет к медленному закрытию скважины, если не принять меры для противодействия 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 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 ]
Мощность, крутящий момент, противодействующий момент и нагрев
[ редактировать ]Инструменты могут быть спроектированы так, чтобы их можно было вращать вручную с помощью скобы или Т-образной рукоятки. [ 32 ] или ручная кривошипная передача, [ 45 ] или прикреплен к ручной дрели. [ 46 ] Для буровых установок с приводным вращением требуется наличие электродвигателя на буровой площадке, у которого обычно должно быть топливо, хотя, по крайней мере, в одном случае проект бурения был организован достаточно близко к постоянной исследовательской станции, чтобы проложить кабель к исследовательскому зданию для подачи электроэнергии. [ 45 ] Вращение может быть применено на поверхности с помощью поворотного стола с использованием ведущей ведущей трубы . [ 47 ] или с помощью двигателя в буровой головке для дрелей 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 за счет 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 ] солнечную энергию . Также можно использовать [ 28 ]
Направленное управление
[ редактировать ]Некоторые дрели, которые предназначены 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 ] Для других буров контроль направления может быть полезен при прокладке дополнительных скважин на глубине, например, для извлечения дополнительных ледяных кернов. [ 52 ]
Температура
[ редактировать ]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, работающие в погруженном состоянии в талую воду, которую они производят, и любой метод бурения, который приводит к воды в скважине, использовать 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 скважины, замедляя бурение. [ 55 ]
Извлечение ядра
[ редактировать ]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 керн от плавления, вызванного теплом, выделяемым 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 метод разлома его на нижнем конце и захвата его, чтобы он не выпал из колонкового ствола при подаче. 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 по сегментам, 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 прямо на поверхность без необходимости вытаскивать бурильную колонну. После извлечения керна колонковый ствол опускается на дно скважины и снова прикрепляется к буру. [ 59 ]
Хрупкий лед
[ редактировать ]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 поместить 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 сетку 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 сухой скважины. [ 64 ]
Ударные дрели
[ редактировать ]Ударная дрель проникает в лед, многократно ударяя по нему, разрушая и фрагментируя его. Режущий инструмент монтируется в нижней части бурильной колонны (обычно соединенных металлических стержней). [ 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 ямы. [ 24 ] или лунку можно держать полной воды, чтобы лед всплывал к вершине лунки, хотя это замедляет импульс сверла, ударяющего по льду, снижая 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 состоит в том, чтобы оставить бурильную колонну на забое 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, чтобы просверлить ямы в Унтераарглетчере , в Альпах , летом 1840 года. [ 2 ] В последнее время для бурения льда стали использовать 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 подходов не использовался. 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 ]
Ручные механические дрели
[ редактировать ]Ложки
[ редактировать ]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 ] Похожая 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, вставленные в основание цилиндра таким образом, чтобы ледяная крошка могла скапливаться в цилиндре над лезвиями. [ 68 ] [ 69 ] [ примечание 2 ]
Некорневые шнеки
[ редактировать ]
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 использование 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 отверстий 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 лунок диаметром от 4,5 до 10 дюймов. Для лунок глубиной более 2 м можно использовать штатив, чтобы вытащить шнек из лунки. Распространена складная ручка-скоба со смещением; это позволяет обеим рукам вносить свой вклад в крутящий момент. [ 70 ]
Корончатые шнеки
[ редактировать ]
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. Бурение на глубину более 6 м требует участия 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, на спуск для 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 скважина, пробуренная вручную с помощью шнека, составила 55 м на шельфовом леднике Уорд-Хант на острове Элсмир в 1960 году. Обычно скважину глубиной более 30 м бурят другими методами из-за веса бурильной колонны и требуется длительное время поездки. [ 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 ] (FEL) армии США В конце 1940-х годов Лаборатория воздействия мороза разработала комплект для испытаний механики льда, который включал в себя керноотборник; 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 полярного ледового керна (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 ] США В 2009 году группа по проектированию и эксплуатации ледового бурения (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 придется повторно просверливать этот шлам. [ 78 ] Внешний цилиндр также делает шнек эффективным на теплом льду, что может легко привести к заклиниванию шнека без внешнего цилиндра. [ 71 ] Наружный ствол луговой собачки имеет такой же диаметр, как и диаметр шнека PICO, и поскольку противодействующие лопасти луговой собачки плохо работают на мягком снегу и фирне, обычно яму начинают с помощью шнека PICO, а затем продолжите его с Луговой собачкой, как только достигнете плотного фирна. [ 79 ] Луговая собачка относительно тяжелая, и для ее извлечения из лунки могут потребоваться два бурильщика. [ 71 ] IDDO содержит дрель Prairie Dog для использования в исследовательских программах США по бурению льда. [ 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 ] 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 ]
Поршневые дрели
[ редактировать ]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 ]
Ручные дрели и мини-дрели
[ редактировать ]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 маленький бур, известный как «Бурундук-бур», был разработан IDDO для использования в рамках проекта в Западной Гренландии в 2003 и 2004 годах, а затем использовался на Южном полюсе в 2013 году. [ 86 ]
Роторные буровые установки с использованием бурильных труб
[ редактировать ]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 верхний привод [ 88 ] или поворотный стол и ведущая ведущая труба. [ 89 ] По мере углубления скважины бурение периодически приостанавливается для добавления новой 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 ]
Сухое бурение
[ редактировать ]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 станции Centrale в глубине страны, достигнув глубины 126 м и 151 м. [ 91 ] было пробурено несколько неглубоких скважин Тем летом на Баффиновом острове 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 глубины 100 м в одной скважине. [ 93 ] Последней экспедицией, предпринявшей попытку сухого бурения льда, 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 от сухого бурения отказались, поскольку другие методы бурения оказались более эффективными. [ 87 ]
Циркуляция воздуха
[ редактировать ]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 ходе 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 помощью роторных буровых установок предпринимались американскими, советскими и бельгийскими экспедициями, при этом максимальная глубина скважины 411 м была достигнута американской командой на Участке 2 в Гренландии в 1957 году. В последний раз в проекте использовалась обычная роторная буровая установка. с циркуляцией воздуха был 1961 год. [ 96 ]
Циркуляция жидкости
[ редактировать ]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 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 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 традиционной роторной буровой установке в конце 1958 года на Little America V, где дизельное топливо использовалось на последних нескольких метрах 254-метровой скважины. [ 96 ] [ 98 ]
Проводная связь
[ редактировать ]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 на кабеле был запланирован в 1970-х годах для Международного антарктического гляциологического проекта, но так и не был завершен. [ 99 ] а первый проект бурения льда на канате состоялся в 1976 году. [ примечание 3 ] в рамках проекта «Шельфовый ледник Росса» (RISP). [ 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 бурения на кабеле. [ 99 ] и несколько советских экспедиций 1980-х годов также использовали буры на канате, предварительно пробурив скважины шнековым буром и обсадив их. [ 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 ]
Оценка
[ редактировать ]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 площадки для 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 камней. [ 27 ] [ 103 ]
Гибкие буровые установки
[ редактировать ]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 ] Буровая колонна представляет собой шланг, по которому 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, включающая 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 «Радиорешетка Аскаряна» 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 отверстиях, 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 конструкции предлагалось использовать горячую воду для бурения через шланг и заменять буровую головку механической дрелью для отбора керна после достижения интересующей глубины, используя горячую воду как для гидравлического привода забойного двигателя, так и для таяния образовавшейся ледяной стружки. . [ 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 ]
Электромеханические дрели с тросовой подвеской
[ редактировать ]
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 циркуляция в ротационном буре перемещает жидкость полностью вниз, а затем вверх по скважине, бурам с подвеской на тросе требуется только циркуляция жидкости от буровой головки вверх в камеру для шлама. 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, как правило, внешний ствол вокруг него, 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 ] Буры, способные достигать глубины более 1500 м, известны как системы глубокого бурения; В целом они 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 стержня этих сверл варьировался от 50 мм до 132 мм, а длина стержня 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 отремонтированную дрель Арутунова в 1963 году. [ 109 ] [ 111 ] [ 112 ] модифицировал его для бурения во льду, а в 1966 году использовал его для расширения скважины в Кэмп-Сенчури в Гренландии до основания ледяной шапки на высоте 1387 м и на 4 м дальше в скальную породу. [ 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 на глубину до 600 метров. [ 113 ] Этот бур не собирает весь ледяной керн; вместо этого он будет собирать ледяные куски, [ 113 ] используя режущую головку, похожую на ложку. [ 114 ] Полученное отверстие доступа будет использоваться для профилирования температуры. [ 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 и получить максимально старый ненарушенный 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 дрели
[ редактировать ]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 ]
Дрели с горячей водой и паром
[ редактировать ]
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 потока, диаметр шланга является одним из ограничивающих факторов для водогрейной дрели. 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 желательна буровая установка с более высокой энергией и высоким расходом воды, поскольку это будет более эффективный. [ 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 выпадении. [ 124 ] Также можно использовать отдельный расширитель для горячей воды, направляющий горячую воду в сторону стенок скважины по мере ее прохождения. [ 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 заимствованы из 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 дне 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 ] Буры с горячей водой теперь способны бурить очень глубокие скважины и обеспечивать чистый доступ к подледниковым озерам: например, в период с 2012 по 2019 год в рамках проекта WISSARD/SALSA бур WISSARD, буровой станок среднего размера с горячей водой, пробурил чистый доступ. до 1 км у озера 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 отбора 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 применяют 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 сверления неглубоких отверстий. [ 133 ]
Горячие точки
[ редактировать ]Вместо использования струи горячей воды или пара тепловые буры также могут быть сконструированы так, чтобы обеспечивать нагрев прочной буровой головки, например, путем закачивания горячей воды вниз и обратно внутрь бурильной колонны и использования 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 ] Вместо этого некоторые дрели 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 сверл требуется кабель для подачи электроэнергии в скважину; контур можно завершить через бурильную трубу, если таковая имеется. [ 139 ] В узле дрели необходим трансформатор, поскольку кабель должен находиться под высоким напряжением во избежание рассеивания мощности. [ 140 ] Подвести электроэнергию в удаленном месте сложнее, 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 ] Первую настоящую горячую точку использовал 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 в Юнгфрауйох, [ 144 ] и с тех пор многими другими конструкциями сверл. Горячие точки не производят ядра, поэтому они используются в первую очередь для создания дыр доступа. [ 141 ]
Электротермические колонковые сверла
[ редактировать ]
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, как правило, 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 расплавляет 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. схему (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 буры, которые отсасывают талую воду для бурения сухой скважины, должны жертвовать большой секцией зонда для хранения талой воды. [ 147 ]
Тепловые буры, предназначенные для работы во льдах 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. Электротермическая дрель была запатентована в Швейцарии в мае 1946 года Рене Кёхлином и использовалась в Швейцарии. [ 150 ] [ 151 ] [ 152 ] а в 1948 году британская экспедиция в Юнгфрауйох пробурила дно ледника, используя электротермический метод. [ 3 ] В период с 1964 по 2005 год было разработано двадцать электротермических колонковых сверл, хотя от многих проектов отказались из-за более высоких характеристик сверл с ЭМ. [ 38 ]
Автономные зонды
[ редактировать ]
Если целью является получение показаний приборов изнутри льда и нет необходимости извлекать лед или буровую систему, то 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 ] 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 гляциологической экспедиции в Гренландии (EGIG). [ 155 ] [ 156 ]
Поскольку тепловые зонды 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 ] Альтернативно, зонд можно сконструировать так, чтобы он поддерживался льдом над его центром тяжести, обеспечив два нагревательных кольца, одно из которых расположено ближе к вершине 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 буровых установок 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 в полевых условиях на Шпицбергене , Норвегия, в 2001 году. Она проникла на глубину 23 м, успешно проходя сквозь 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 запаса энергии, 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 ]
Другие типы сверл
[ редактировать ]Пробоотборники снега
[ редактировать ]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 цилиндра, наполненного снегом, 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. Образцы 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 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. В каждом интересующем месте обычно снимают несколько показаний, а результаты усредняют. 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 ]
Тестеры на проникновение
[ редактировать ]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, 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 при использовании более легких молотков пенетрометры с поршнем с трудом различают тонкие слои снега, что ограничивает их полезность для изучения 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 ]
Роторно-шнековые установки
[ редактировать ]
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 по бурению 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 в рамках проекта. , хотя в случае, если проект был 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 коммерчески производились как в США, так и в СССР, но больше не используются. [ 70 ]
Огнеструйные дрели
[ редактировать ]использовался огнеметный бур, который чаще всего использовался для бурения кристаллических пород. Для бурения льда на шельфовом леднике Росса в 1970-х годах 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 ]
Вибрационные дрели
[ редактировать ]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 ]
Компоненты буровой системы
[ редактировать ]Резцы
[ редактировать ]
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 разные формы конца лезвия: плоская (наиболее распространенная форма), заостренная, закругленная и ковшовая. [ 177 ]
Резцы должны быть изготовлены из чрезвычайно прочных материалов, [ 178 ] Обычно их приходится затачивать 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 регулируется монтажными башмаками 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
[ редактировать ]Буровые растворы необходимы для устойчивости скважины при глубоких кернах, а также могут использоваться для отвода шлама от долота. Используемые жидкости включают воду, этанола /воды и воды/ этиленгликоля смеси , нефтяное топливо, неароматические углеводороды и н-бутилацетат .
- Вода – самый дешевый и чистый вариант; он может присутствовать на ледниковой поверхности или может быть создан в результате термического бурения. При холодном льду необходима некоторая форма антифриза или необходимо повторно подавать тепло, периодически расширяя отверстие. [ 180 ]
- Этанол и вода . Этанол действует как антифриз в воде; в достаточных концентрациях он может снизить температуру замерзания смеси значительно ниже любой температуры, которая может возникнуть при бурении льда. Концентрацию необходимо выбирать так, чтобы предотвратить замерзание жидкости, а также защитить скважину от давления покрывающего льда. Поскольку плотность смеси уменьшается с понижением температуры, в скважинах, где температура снижается с глубиной, по мере подъема более легкой смеси, будет развиваться вертикальная конвекция. Это приводит к образованию слякоти в скважине, хотя успешное бурение все еще возможно. [ 181 ] [ 182 ] Этанол — один из самых дешевых вариантов бурового раствора, и он требует меньше места для хранения, чем другие варианты, поскольку при использовании он разбавляется водой. [ 181 ] Советская экспедиция оставила в Антарктиде скважину глубиной 800 м, наполненную этанолом и водой при температуре льда -53 °C; через 11 месяцев скважина осталась открытой, и бурение было возобновлено без проблем. Проблема с этим вариантом заключается в том, что смесь проникнет в сердцевины с трещинами. [ 180 ]
- Этиленгликоль и вода использовались в Кэмп-Сенчури в 1966 году в нижней части скважины для растворения шлама. [ 183 ]
- Нефтяное топливо . Сюда входят дизельное топливо, топливо для реактивных двигателей и керосин. Они недороги, легко доступны и когда-то широко использовались; К недостаткам относятся воспламеняемость и содержащиеся в них ароматические вещества, представляющие опасность для здоровья. [ 180 ]
- Неароматические углеводороды . По состоянию на 2009 год они стали наиболее часто используемыми буровыми растворами; устранение ароматических веществ решило проблемы со здоровьем, связанные с этими жидкостями. Они значительно дороже, чем неочищенное нефтяное топливо. [ 180 ]
- н-Бутилацетат . Широко используемое топливо в 1990-х годах, поскольку оно близко по плотности к льду, сейчас оно непопулярно, поскольку растворяет многие материалы, что предотвращает их использование в буровом оборудовании, с которым оно контактирует. Он также легковоспламеняющийся и едкий, поэтому людям, подвергающимся его воздействию, может потребоваться защитная одежда и в некоторых случаях маски. [ 184 ]
- Жидкости на основе ESTISOL . ESTISOL представляет собой сложный эфир, подобный н-бутилацетату, но он не опасен для здоровья. [ 185 ]
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 ]
Анти-крутящий момент
[ редактировать ]
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 сверла 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 стабилизации 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 полной мощности. [ 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 прижимать лезвия 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 ]
Разрушение и сохранение сердечников
[ редактировать ]
При бурении ледяного керна, когда вокруг керна, подлежащего извлечению, 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 ледовой дрели 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 ядра и сердцевиной 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 изготовлены 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 сердечник. [ 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 сердечником 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 ]
Корпус
[ редактировать ]Обсадка 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 заклеены 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 ]
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ «Бурильная колонна» — это комплект оборудования в скважине; если для соединения буровой головки с поверхностью используются жесткие трубы или стержни, то все, что находится между буровой головкой и поверхностью, является бурильной колонной. [ 65 ]
- ^ Фон Дригальский называл устройство, которое он использовал в 1902 году, «Лёффельборером»; Талалай переводит это как «ложкобур». [ 68 ] [ 69 ]
- ^ Бентли и др. утверждают, что буровая установка, использованная Мейнардом Миллером на леднике Таку в 1950 году, была буровой установкой на канате, но Талалай дает подробное описание буровой установки и указывает, что она не проводная. [ 100 ] [ 43 ]
Ссылки
[ редактировать ] Эта статья была отправлена в WikiJournal of Science на внешнюю академическую рецензию в 2018 году ( отчеты рецензентов ). Обновленный контент был реинтегрирован на страницу Википедии по лицензии CC-BY-SA-3.0 ( 2019 ). Проверенная версия записи:
Майк Кристи; и др. (12 апреля 2019 г.). «Методы бурения льда» (PDF) . Викижурнал науки 2 (1): 2. дои : 10.15347/WJS/2019.002 . ISSN 2470-6345 . Викиданные Q6
- ^ Линия (1954), стр. 4–6.
- ^ Перейти обратно: а б с Кларк (1987), стр. 4–5.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Кларк (1987), стр. 11–12.
- ^ Десор (1844), стр. 292–293.
- ^ Блюмке и Гесс (1910), стр. 66–70.
- ^ Зюсстранк (1951), с. 313.
- ^ Барри и Ган (2011), стр. 85–86.
- ^ Бентли и др. (2009), с. 222.
- ^ Перейти обратно: а б с д Бентли и др. (2009), с. 285.
- ^ Элли (2000), стр. 65–67.
- ^ Икен и др. (1976), с. 143.
- ^ Хаббард и Глассер (2005), с. 126.
- ^ Перейти обратно: а б Бенсон и др. (2014), с. 105.
- ^ Шарп (1953), с. 182.
- ^ Найт (1999), стр. 34–35.
- ^ Национальный исследовательский совет национальных академий (2007), с. 1.
- ^ Талалай (2016), с. 2.
- ^ Перейти обратно: а б Найт (1999), стр. 206–208.
- ^ Брэдли (2015), с. 138.
- ^ Хэй (2015), с. 676.
- ^ «Белые книги IPICS» . СТРАНИЦЫ – Прошлые глобальные изменения. Архивировано из оригинала 11 октября 2017 года . Проверено 16 ноября 2017 г.
- ^ Элли (2000), стр. 48–50.
- ^ Перейти обратно: а б с д Талалай (2016), стр. 15–16.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Талалай (2016), стр. 53–56.
- ^ Перейти обратно: а б с д Талалай (2016), стр. 6–7.
- ^ Перейти обратно: а б Меркантон (1905), стр. 461–462.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Талалай (2016), с. 97.
- ^ Перейти обратно: а б Блейк и др. (1998), с. 175.
- ^ Талалай (2016), стр. 169–170.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Жилле (1975), стр. 171–174.
- ^ Перейти обратно: а б Талалай (2016), с. 27–28.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж Талалай (2016), с. 34–35.
- ^ Перейти обратно: а б Меллор и Селлманн (1976), стр. 81–82.
- ^ Перейти обратно: а б Талалай (2016), с. 72.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Талалай (2016), стр. 101–103.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Талалай (2016), с. 107.
- ^ Перейти обратно: а б с Талалай (2016), стр. 252–253.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Zagorodnov & Thompson (2014), pp. 322–325.
- ^ Перейти обратно: а б Меллор и Селлманн (1976), стр. 90–92.
- ^ Рэмси, Марк. «Промахи - Глоссарий нефтяных месторождений Schlumberger» . www.glossary.oilfield.slb.com . Шлюмберже . Проверено 19 ноября 2017 г. .
- ^ Рэмси, Марк. «Поездка - Глоссарий нефтяных месторождений Schlumberger» . www.glossary.oilfield.slb.com . Шлюмберже . Проверено 19 ноября 2017 г. .
- ^ Перейти обратно: а б с Шелдон и др. (2014), стр. 260–261.
- ^ Перейти обратно: а б Бентли и др. (2009), с. 223.
- ^ Талалай (2014), стр. 341–342.
- ^ Перейти обратно: а б Блюмке и Гесс (1899), стр. 33–34.
- ^ Талалай (2016), с. 30.
- ^ Рэмси, Марк. «поворотный стол – глоссарий Schlumberger Oilfield» . www.glossary.oilfield.slb.com . Шлюмберже . Проверено 19 ноября 2017 г. .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Талалай (2016), стр. 109–110.
- ^ Перейти обратно: а б с Суни, Джо. «О ледяных кернах :: Бурение ледяных кернов» . Icecores.org . Национальная лаборатория ледяных кернов . Проверено 19 ноября 2017 г. .
- ^ Берд (1976), с. 2.
- ^ Филберт (1972), с. 7.
- ^ Zagorodnov et al. (1992), p. 1.
- ^ Найт (1999), с. 2.
- ^ Патерсон (1981), с. 80.
- ^ Талалай (2016), стр. 266–269.
- ^ Хаббард и Глассер (2005), стр. 44–46.
- ^ Талалай (2014), с. 345.
- ^ Цао и др. (2015), стр. 78–85.
- ^ Перейти обратно: а б с Талалай (2016), с. 79.
- ^ Перейти обратно: а б с Суни и др. (2014), стр. 20–21.
- ^ Учида и др. (1994), с. 302.
- ^ Элли (2000), с. 50.
- ^ Талалай (2016), стр. 265–266.
- ^ Zagorodnov et al. (1998), p. 190.
- ^ Рэмси, Марк. «Бурильная колонна - Глоссарий нефтяных месторождений Schlumberger» . www.glossary.oilfield.slb.com . Шлюмберже . Архивировано из оригинала 8 марта 2018 года . Проверено 7 марта 2018 г.
- ^ Валло (1898), стр. 190–193.
- ^ «Предоставление широкого спектра инструментов для бурения почвы для вашего проекта» . www.ams-samplers.com . AMS Inc. Архивировано из оригинала 7 ноября 2017 года . Проверено 1 ноября 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Дрыгальского (1904), стр. 283–284.
- ^ Перейти обратно: а б Талалай (2016), с. 9.
- ^ Перейти обратно: а б с д Талалай (2016), стр. 31–33.
- ^ Перейти обратно: а б с д Талалай (2016), стр. 43–44.
- ^ Талалай (2016), стр. 37–39.
- ^ Талалай (2016), стр. 40–41.
- ^ Талалай (2016), стр. 42–43.
- ^ Goetz & Shturmakov (2013), p. 66.
- ^ Талалай (2016), стр. 45–46.
- ^ Аноним (2017), с. 8.
- ^ Кайн и МакКоннелл (2007), с. 99.
- ^ Бентли и др. (2009), стр. 258–259.
- ^ Анонимно (30 июня 2017 г.), Проектирование и эксплуатация ледового бурения: долгосрочный технологический план, стр. 10.
- ^ Бентли и др. (2009), с. 259.
- ^ Анонимно (30 июня 2017 г.), Проектирование и эксплуатация ледового бурения: долгосрочный технологический план, стр. 9.
- ^ Талалай (2016), с. 44.
- ^ Талалай (2016), с. 50.
- ^ Талалай (2016), стр. 45–51.
- ^ Анонимно (30 июня 2017 г.), Проектирование и эксплуатация ледового бурения: долгосрочный технологический план, стр. 7.
- ^ Перейти обратно: а б с д Талалай (2016), с. 59.
- ^ Рэмси, Марк. «Верхний привод – Глоссарий нефтяных месторождений Schlumberger» . www.glossary.oilfield.slb.com . Шлюмберже . Проверено 22 ноября 2017 г. .
- ^ Рэмси, Марк. «Поворотный стол – Глоссарий нефтяных месторождений Schlumberger» . www.glossary.oilfield.slb.com . Шлюмберже . Проверено 22 ноября 2017 г. .
- ^ Талалай (2016), стр. 59–99.
- ^ Анналы (2016), стр. 61–62.
- ^ Талалай (2016), стр. 62–63.
- ^ Талалай (2016), с. 63.
- ^ Талалай (2016), с. 64.
- ^ Талалай (2016), с. 71.
- ^ Перейти обратно: а б с Талалай (2016), стр. 60–61.
- ^ Талалай (2016), с. 77.
- ^ Талалай (2016), с. 75.
- ^ Перейти обратно: а б с Талалай (2016), стр. 80–81.
- ^ Талалай (2016), стр. 76–77.
- ^ Талалай (2016), стр. 82–83.
- ^ Анонимно (30 июня 2017 г.), Проектирование и эксплуатация ледового бурения: долгосрочный технологический план, стр. 19.
- ^ Талалай (2016), с. 88.
- ^ Перейти обратно: а б с Анонимно (30 июня 2017 г.), Проектирование и эксплуатация ледового бурения: долгосрочный технологический план, стр. 18.
- ^ Талалай (2016), с. 103.
- ^ Перейти обратно: а б Талалай (2016), стр. 104–105.
- ^ Талалай (2016), с. 110.
- ^ Перейти обратно: а б с д Бентли и др. (2009), стр. 226–227.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Талалай (2016), с. 179.
- ^ Перейти обратно: а б Бентли и др. (2009), стр. 227–228.
- ^ Перейти обратно: а б с Шумейкер (2002), с. 24.
- ^ Хансен (1994), с. 7.
- ^ Перейти обратно: а б с Талалай (2014), с. 340.
- ^ Перейти обратно: а б Мотор, Maxon (14 марта 2017 г.). «600 метров подо льдом» . www.designworldonline.com . Мир дизайна . Проверено 2 декабря 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б «RAID: Изотопные учения быстрого доступа – Проект – Британская антарктическая служба» . www.bas.ac.uk. Британская антарктическая служба . Проверено 2 декабря 2017 г.
- ^ Бентли и др. (2009), с. 263.
- ^ Перейти обратно: а б Хотя Икен и др. (1976), с. 145.
- ^ Перейти обратно: а б Бентли и др. (2009), стр. 264–265.
- ^ Бентли и др. (2009), с. 272.
- ^ Бентли и др. (2009), с. 273.
- ^ Бентли и др. (2009), с. 274.
- ^ Перейти обратно: а б Ховорка (1965), стр. 749–750.
- ^ Бентли и др. (2009), с. 265.
- ^ Перейти обратно: а б Бентли и др. (2009), с. 275.
- ^ Бентли и др. (2009), стр. 266–267.
- ^ Бентли и др. (2009), с. 271.
- ^ Перейти обратно: а б Бентли и др. (2009), с. 267.
- ^ Радо и др. (1987), стр. 236–238.
- ^ Бентли и др. (2009), с. 276.
- ^ Рейно и Курдуан (1962), стр. 813.
- ^ Перейти обратно: а б Бентли и др. (2009), с. 264.
- ^ Бенсон и др. (2014), с. 113.
- ^ Перейти обратно: а б Бентли и др. (2009), стр. 283–284.
- ^ Радо и др. (1987), с. 236.
- ^ Суни, Джо. «Термическое бурение: Программа ледового бурения США» . сайт Icedrill.org . Проверено 29 ноября 2017 г.
- ^ Ракт-Маду и Рейно (1951), с. 303.
- ^ Шрив (1962), стр. 151–152.
- ^ Уорд (1961), с. 537.
- ^ Шарп (1951), стр. 479–480.
- ^ Хансен (1994), стр. 5–6.
- ^ Перейти обратно: а б Бентли и др. (2009), с. 284.
- ^ Кассер (1960), стр. 99.
- ^ Рено и Меркантон (1950), стр. 67–68.
- ^ Джеррард и др. (1952), стр. 548–551.
- ^ Берд (1976), с. 1.
- ^ Лангвей (1967), стр. 101-1. 102–104.
- ^ Перейти обратно: а б Zagorodnov & Thompson (2014), pp. 324–325.
- ^ Zagorodnov & Thompson (2014), p. 323.
- ^ Кочи (2002), стр. 1–2.
- ^ Низери (1951), стр. 66–72.
- ^ Кехлин (1946), стр. 1–5.
- ^ Ременьерас и Терьер (1951), с. 255.
- ^ Перейти обратно: а б Фокс, Дуглас (22 января 2015 г.). «Изобретение этих священников когда-нибудь поможет нам проникнуть в ледяные инопланетные миры» . ПРОВОДНОЙ . Проверено 11 ноября 2017 г.
- ^ Аамот (1968a), с. 321.
- ^ Бентли и др. (2009), стр. 286–287.
- ^ Филберт (1976), с. 117.
- ^ Филберт (1972), с. 10.
- ^ Аамот (1967), с. 1.
- ^ Бентли и др. (2009), 288–289.
- ^ Карделл и др. (2004), стр. 1–2.
- ^ Бентли и др. (2009), с. 291.
- ^ Грейсиус, Тони (30 марта 2017 г.). «НАСА тестирует роботизированные ледогенераторы» . НАСА . Проверено 25 февраля 2018 г. .
- ^ Уилкокс, Б.Х.; Карлтон, Дж.А.; Дженкинс, Дж. М.; Портер, ФА (март 2017 г.). «Глубоководный подземный ледовый зонд для Европы». Аэрокосмическая конференция IEEE 2017 . стр. 1–13. дои : 10.1109/AERO.2017.7943863 . ISBN 978-1-5090-1613-6 . S2CID 24512089 .
- ^ «Что такое эквивалент снеговой воды? | NRCS Орегона» . www.nrcs.usda.gov . Министерство сельского хозяйства США . Проверено 27 октября 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б Талалай (2016), стр. 19–20.
- ^ Талалай (2016), стр. 16–18.
- ^ Перейти обратно: а б Талалай (2016), стр. 20–21.
- ^ Перейти обратно: а б с Талалай (2016), с. 24.
- ^ Перейти обратно: а б Талалай (2016), стр. 22–23.
- ^ Талалай (2016), стр. 64–71.
- ^ Талалай (2016), с. 68.
- ^ Пресс-служба БАС. «ПРЕСС-РЕЛИЗ: Миссия по бурению озера отменена – Новости – Британская антарктическая служба» . www.bas.ac.uk. Британская антарктическая служба . Проверено 22 ноября 2017 г. .
- ^ Зигерт и др. (2014), с. 63.
- ^ Бентли и др. (2009), с. 283.
- ^ Morev & Zagorodnov (1992), pp. 1–2.
- ^ Талалай (2012), стр. 18–19.
- ^ Перейти обратно: а б Талалай (2012), стр. 12–13.
- ^ Перейти обратно: а б Талалай (2012), стр. 20–21.
- ^ Талалай (2012), стр. 23–26.
- ^ Перейти обратно: а б с д Бентли и др. (2009), с. 293.
- ^ Перейти обратно: а б Уэда (2002), стр. 133–135.
- ^ Zagorodnov et al. (1998), pp. 193–194.
- ^ Бентли и др. (2009), с. 230.
- ^ Бентли и др. (2009), с. 294.
- ^ Перейти обратно: а б Талалай (2014), с. 342.
- ^ Бентли и др. (2009), стр. 294–295.
- ^ Перейти обратно: а б Талалай и др. (2014), с. 211.
- ^ Перейти обратно: а б Талалай и др. (2014), стр. 207.
- ^ Верле (1985), стр. 196–198.
- ^ Перейти обратно: а б с Талалай и др. (2014), стр. 208–209.
- ^ Ри (1984), стр. 69–72.
- ^ Талалай и др. (2014), стр. 209–210.
- ^ Талалай и др. (2014), стр. 208.
- ^ Талалай и др. (2014), стр. 210.
- ^ Талалай (2016), с. 146.
- ^ Талалай и др. (2014), стр. 210–211.
- ^ Перейти обратно: а б Талалай (2012), стр. 29–30.
- ^ Перейти обратно: а б Талалай (2012), стр. 28–29.
- ^ Талалай (2012), стр. 31–32.
- ^ Талалай (2012), с. 35.
- ^ Перейти обратно: а б Талалай (2014), с. 341.
Источники
[ редактировать ]- Аамот, Хальдор WC (июль 1967 г.). Управление маятником для тепловых зондов в ледниках (Отчет). Ганновер, Нью-Гэмпшир: Исследовательская и инженерная лаборатория холодных регионов.
- Аамот, Хальдор WC (1968). «Приборы и методы: инструментальные зонды для глубинных ледниковых исследований» (PDF) . Журнал гляциологии . 7 (50): 321–328. дои : 10.3189/s0022143000031087 .
- Элли, Ричард Б. (2000). Машина времени на две мили . Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. ISBN 0-691-10296-1 .
- Анонимно (30 июня 2017 г.). План технологии дальнего бурения (отчет). Мэдисон, Висконсин: Проектирование и эксплуатация ледового бурения.
- Барри, Роджер; Ган, Тиан Ю (2011). Глобальная криосфера: прошлое, настоящее и будущее . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-76981-5 .
- Бенсон, Т.; Червинка, Дж.; Дювернуа, М.; Эльшейх, А.; Фейзи, Ф.; Гринлер, Л.; Хауген, Дж.; Карл, А.; Маллиган, М.; Паулос, Р. (2014). «Описание работы усовершенствованной дрели с горячей водой IceCube» (PDF) . Анналы гляциологии . 55 (68): 105–114. Бибкод : 2014АнГла..55..105Б . дои : 10.3189/2014AoG68A032 . S2CID 129980432 . Архивировано из оригинала (PDF) 1 декабря 2017 года . Проверено 29 ноября 2017 г.
- Бентли, Чарльз Р.; Кочи, Брюс Р.; Огюстен, Лоран Ж.-М.; Болси, Робин Дж.; Грин, Джеймс А.; Кайн, Джей Д.; Лебар, Дональд А.; Мейсон, Уильям П.; Штурмаков Александр Юрьевич; Энгельхардт, Герман Ф.; Харрисон, Уильям Д.; Хехт, Майкл Х.; Загороднов, Виктор (2009). «Бурение и отбор керна льда». В Бар-Коэне, Крис; Закни, Крис (ред.). Бурение в экстремальных условиях . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40852-8 .
- Берд, Ян Г. (1976). «Термальное бурение льда: австралийские разработки и опыт». В Splettstoesser, Джон Ф. (ред.). Ледяное бурение . Линкольн, Небраска: Издательство Университета Небраски. стр. 1–18. ISBN 0-8032-5843-7 .
- Блейк, Эрик В.; Уэйк, Кэмерон П.; Герасимов, Майкл Д. (1998). «Установка ECLIPSE: портативная полевая буровая установка для отбора керна льда средней глубины» (PDF) . Журнал гляциологии . 44 (146): 175–178. Бибкод : 1998JGlac..44..175B . дои : 10.3189/S0022143000002471 .
- Блюмке, Адольф; Гесс, Ганс (1899). Расследования Хинтерайсфернера (на немецком языке). Мюнхен: Немецко-австрийская альпийская ассоциация.
- Блюмке, Адольф; Гесс, Ганс (1910). «Глубокое бурение на леднике Хинтерейс в 1909 году» . В Брюкнере, Эдуард (ред.). Журнал гляциологии, исследований ледникового периода и истории климата (на немецком языке). Том IV Гренобль, Франция: Гебрюдер Борнтрегер. стр. 66–70.
- Брэдли, Рэймонд С. (2015). Палеоклиматология: реконструкция климата четвертичного периода . Амстердам: Академическая пресса. ISBN 978-0-12-386913-5 .
- Цао, Пинлу; Чен, Баойи; Лю, Чунпэн; Талалай, Павел; Ян, Ченг (2015). «Экспериментальное исследование температуры резания при бурении льда». Наука и технологии холодных регионов . 116 (116): 78–85. Бибкод : 2015CRST..116...78C . doi : 10.1016/j.coldregions.2015.04.008 . \
- Карделл, Г.; Хехт, Миннесота; Карси, Флорида; Энгельхардт, Х.; Фишер, Д.; Террелл, К.; Томпсон, Дж. (2004). Зонд подповерхностного льда (SIPR): маломощный тепловой зонд для исследования слоистых полярных отложений Марса (PDF) . Лунная и планетарная наука XXXV (Отчет). Лунно-планетарный институт . Проверено 16 марта 2018 г.
- Кларк, Гарри КС (1987). «Краткая история научных исследований ледников» . Журнал гляциологии . Спецвыпуск (S1): 4–24. Бибкод : 1987JGlac..33S...4C . дои : 10.3189/s0022143000215785 .
- Десор, Пьер (1845) [1844]. Новые экскурсии и пребывания в ледниках и высокогорных районах Альп г-на Агассиса и его попутчиков (на французском языке). Париж: Л. Мезон.
- Джеррард, JAF; и др. (22 июля 1952 г.). «Измерение распределения скорости по вертикали через ледник». Труды Лондонского королевского общества . 213 (1115): 546–558. Бибкод : 1952RSPSA.213..546G . дои : 10.1098/rspa.1952.0144 . JSTOR 72546791 . S2CID 129112214 .
- Жилле, Ф. (1975). «Приборы и методы: паровые, водогрейные и электротермические буры для ледников умеренного пояса» (PDF) . Журнал гляциологии . 14 (70): 171–179. дои : 10.3189/s0022143000013484 .
- Гетц, Джей Джей; Штурмаков, А.Ю. (2013). «Проектирование нового ручного бура IDDO». 7-й международный семинар по технологиям ледобурения . Мэдисон, Висконсин: Университет Висконсина. п. 66.
- Хансен, Б. Лайл (1994). «Глубокое колонковое бурение во льду» . Мемуары Национального института полярных исследований . 49 (Специальный): 5–8.
- Хэй, Уильям В. (2015). Эксперименты на маленькой планете . Берлин: Шпрингер. ISBN 978-3-319-27402-7 .
- Ховорка, Ф. (1965). «Приборы и методы: паровая дрель для установки абляционных стоек на ледниках» (PDF) . Журнал гляциологии . 5 (41): 749–750. дои : 10.3189/s002214300001875x .
- Хаббард, Брин; Глассер, Нил (2005). Полевые методы в гляциологии и ледниковой геоморфологии . Чичестер, Великобритания: Wiley. ISBN 978-0-470-84427-4 .
- Икен, А.; Ретлисбергер, Х.; Хаттер, К. (1976). «Глубокое бурение струей горячей воды». Журнал ледниковой науки и ледниковой геологии . 12 (2): 143–156.
- Кассер, П. (1960). «Легкий термоледобур как вспомогательное устройство для установки абляционных стержней на ледниках». Чистая и прикладная геофизика (на немецком языке). 45 (1): 97–114. Стартовый код : 1960ГеоПА..45...97К . дои : 10.1007/bf01996577 . S2CID 129372044 .
- Найт, Питер (1999). Ледники . Челтнем, Великобритания: Стэнли Торнс. ISBN 0-7487-4000-7 .
- Кочи, Брюс Р. (2002). «Обзор высотного бурения» . Мемуары Национального института полярных исследований . 56 (Специальный): 1–4.
- Кехлин, Рене: Патент CH240634 (A) – Способ исследования ледников и установка для его реализации. Европейское патентное ведомство, 1 мая 1946 г.
- Кин, Джей; МакКоннелл, Джо (2007). «The PrairieDog: двухствольный колонковый бур для «ручного» бурения» . Анналы гляциологии . 47 (1): 99–100. Бибкод : 2007АнГла..47...99К . дои : 10.3189/172756407786857703 .
- Лангвей, CC (май 1967 г.). Стратиграфический анализ глубокого ледяного керна Гренландии (Отчет). Ганновер, Нью-Гэмпшир: Исследовательская и инженерная лаборатория холодных регионов.
- Линелл, Кеннет (1954). «Оборудование для бурения и бурения льда». Материалы Восточной снежной конференции . 2 : 4–6.
- Меллор, Малькольм; Селлманн, Пол В. (1976). «Общие соображения по проектированию буровой системы». В Splettstoesser, Джон Ф. (ред.). Ледяное бурение . Линкольн, Небраска: Издательство Университета Небраски. стр. 77–111. ISBN 0-8032-5843-7 .
- Меркантон, П.-Л. (1905). «Ледниковое бурение» . Архивы физических и естественных наук (на французском языке). 19 : 367–379, 451–471.
- Морев, В.А.; Загороднов В.С. (1992). Бурение скважин большого диаметра в снегу и фирне (Отчет). Фэрбенкс, Аляска: Офис по отбору кернов полярного льда.
- Национальный исследовательский совет национальных академий (2007 г.). Исследование подледниковой водной среды Антарктики: охрана окружающей среды и наука . Вашингтон, округ Колумбия: Издательство национальных академий. ISBN 978-0-309-10635-1 .
- Низери, А. (февраль 1951 г.). «Электротермическая установка для бурения ледников». Сделки, Американский геофизический союз . 32 (1): 66–72. Бибкод : 1951ТрАГУ..32...66Н . дои : 10.1029/TR032i001p00066 .
- Патерсон, WSB (1981). Физика ледников (2-е изд.). Оксфорд: Пергамон Пресс. ISBN 0-08-024004-6 .
- Филберт, К. (октябрь 1972 г.). Стабилизация хода термозонда (Доклад). Ганновер, Нью-Гэмпшир: Исследовательская и инженерная лаборатория холодных регионов. Оригинальная публикация как Филберт, К. (февраль 1966 г.). «О стабилизации хода термощупа». Труды Академии наук (на французском языке). 262 (6): 456–459. Перевод Объединенной службы исследований публикаций США.
- Филберт, Карл (1976). «Метод глубокого сверления с термозондом, использованный EGIG в 1968 году на станции Ярл-Жосет, центральная Гренландия». В Splettstoesser, Джон Ф. (ред.). Ледяное бурение . Линкольн, Небраска: Издательство Университета Небраски. стр. 117–132. ISBN 0-8032-5843-7 .
- Ракт-Маду, М .; Рейно, Л. (1951). «Углубленное изучение ледников» (PDF) . Ла Уй Бланш (на французском языке). 37 (Специальный): 299–308. Бибкод : 1951LHBl...37S.299R . дои : 10.1051/lhb/1951009 .
- Радо, Клод; Жирар, Клод; Перрин, Джеки (1987). «Приборы и методы: самопромывной аппарат для бурения горячей водой ледников с обломками» (PDF) . Журнал гляциологии . 33 (114): 236–238. дои : 10.3189/s0022143000008741 .
- Рих, Н. (1984). «Листовые рессоры с противодействующим моментом: руководство по проектированию листовых рессор с противодействующим моментом для ледобуров» . В Холдсворте, Г.; Куйвинен, К.Ц.; Рэнд, Дж. Х. (ред.). Технология бурения льда . Ганновер, Нью-Гэмпшир: Исследовательская и инженерная лаборатория холодных регионов. стр. 69–72.
- Ременирас, Г.; Терьер, М. (1951). «Электротермический зонд EDF для бурения ледников» (PDF) . Генеральная ассамблея Брюсселя: Том I (на французском языке). Брюссель: Международная ассоциация научной гидрологии. стр. 254–260. Архивировано из оригинала (PDF) 10 февраля 2018 года . Проверено 10 февраля 2018 г.
- Рено, А.; Меркантон, Польша (1948) Сейсмические исследования Швейцарской комиссии по ледникам . Публикации Международного центрального сейсмологического бюро, Научные труды, Серия А. Документ 17, Доклады, представленные на конференции Международного союза геодезии и геофизики в Осло, август 1948 г.
- Рейно, Л.; Курдуан, П. (1962). «Распознавание подледного тальвега Мер-де-Глас с целью создания водозабора» (PDF) . Белый Уголь . 48 (Специальный): 808–816. Бибкод : 1962LHBl...48S.808R . дои : 10.1051/lhb/1962014 .
- Шарп, Роберт П. (1951). «Термический режим фирна на Верхнем леднике Сьюард, территория Юкон, Канада» . Журнал гляциологии . 1 (9): 476–487. Бибкод : 1951JGlac...1..476S . дои : 10.1017/S0022143000026460 .
- Шарп, Роберт П. (1953). «Деформация вертикальной скважины в леднике Пьемонта» (PDF) . Журнал гляциологии . 2 (13): 182–184. Бибкод : 1953JGlac...2..182S . дои : 10.1017/S0022143000025685 .
- Шелдон, Саймон Г.; и др. (2014). «Перспективные новые скважинные жидкости для бурения ледяных кернов на высокогорном плато Восточной Антарктики» (PDF) . Анналы гляциологии . 55 (68): 260–270. Бибкод : 2014АнГла..55..260С . дои : 10.3189/2014AoG68A043 . S2CID 130184013 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 сентября 2017 года . Проверено 18 ноября 2017 г.
- Шрив, Р.Л. (1962). «Теория эффективности бурения изотермических горячих точек с твердым носом в умеренном льду» (PDF) . Журнал гляциологии . 4 (32): 151–160. Бибкод : 1962JGlac...4..151S . дои : 10.1017/S0022143000027362 .
- Зигерт, Мартин Дж.; Макинсон, Кейт; Блейк, Дэвид; Моулем, Мэтт; Росс, Нил (2014). «Оценка глубокого бурения с горячей водой как средства проведения прямых измерений и отбора проб из подледниковых озер Антарктики: опыт и уроки, извлеченные из полевого сезона 2012/13 года на озере Элсуорт» (PDF) . Анналы гляциологии . 55 (65): 59–73. Бибкод : 2014АнГла..55...59С . дои : 10.3189/2014AoG65A008 . S2CID 131514388 . Архивировано из оригинала (PDF) 1 декабря 2017 года . Проверено 22 ноября 2017 г. .
- Суни, Джозеф М.; Твиклер, Марк С.; Харгривз, Джеффри М.; Бенсивенго, Брайан М.; Киппенхан, Мэтью Дж.; Джонсон, Джей А.; Крейвенс, Эрик Д.; Нефф, Питер Д.; Нанн, Ричард М.; Орси, Анаис Дж.; Попп, Тревор Дж.; Роудс, Джон Ф.; Вон, Брюс Х.; Фойгт, Дональд Э.; Вонг, Гиффорд Дж.; Тейлор, Кендрик К. (31 декабря 2014 г.). «Обработка и обработка керна для проекта по сбору ледяных кернов WAIS Divide» . Анналы гляциологии . 55 (68): 15–26. Бибкод : 2014АнГла..55...15С . дои : 10.3189/2014AoG68A008 .
- Зюсстранк, А. (1951). «Исследование ледника сейсмическим методом» (PDF) . Белый Уголь . 37 (Специальный): 309–318. Бибкод : 1951LHBl...37S.309S . дои : 10.1051/lhb/1951010 .
- Талалай, Павел Георгиевич (апрель 2012 г.). Буровые головки электромеханических буров для глубокого льда (Отчет). Университет Цзилинь, Китай: Центр полярных исследований.
- Талалай, Павел Георгиевич (2014). «Перспективы развития технологии колонкового бурения: дискуссия» (PDF) . Анналы гляциологии . 55 (68): 339–350. Бибкод : 2014АнГла..55..339Т . дои : 10.3189/2014AoG68A007 . S2CID 131606358 . Архивировано из оригинала (PDF) 1 декабря 2017 года . Проверено 19 ноября 2017 г. .
- Талалай, Павел Георгиевич (2016). Технология механического бурения льда . Springer (Сингапур) и Геологическое издательство (Пекин)). ISBN 978-981-10-0559-6 .
- Талалай, Павел Г.; Фань, Чжэн, Чжичуань; Чжан, Нань, Юй, Дахуэй; Чжан, Юньлун; Чжан, Дундун; Чжан, Дживэй (2014). «Противокрутящие системы электромеханических буров с тросовой подвеской и результаты испытаний» . Анналы гляциологии . 55 (68): 207–218. Bibcode : 2014AnGla..55..207T . дои : 10.3189/2014AoG68A025 .
- Учида, Цутому; Дюваль, П.; Липенков В.Я.; Хоно, Т.; Мэй, С.; Сёдзи, Х. (1994). «Зона хрупкости и газогидратообразование в полярных ледниковых щитах» . Мемуары Национального института полярных исследований . 49 : 298–305.
- Уэда, Херб (23 октября 2002 г.). «Интервью Херба Уэды» . Университет штата Огайо - Университетские библиотеки (интервью). Беседовал Шумейкер Брайан. hdl : 1811/44677 .
- Уэда, Герберт Т. (2002). «Некоторые мысли по проектированию систем глубокого колонкового бурения» . Мемуары Национального института полярных исследований . 56 (Специальный): 126–135.
- Валло, Дж. (1898). «Исследование мельниц ледяного моря: Бурение господина Эмиля Валло» . В Штайнхайле, Г. (ред.). Летопись Физической и ледниковой метеорологической обсерватории Монблана (на французском языке). Полет. 3. Париж. стр. 190–193.
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - Дрыгальский, Эрих (1904). Немецкая южнополярная экспедиция (на немецком языке). Берлин: Георг Раймер.
- Уорд, WH (1961). «Эксперименты с электротермическими ледобурами на Аустердальсбре, 1956–59» (PDF) . Хельсинкская Генеральная Ассамблея: Комиссия по снегу и льду . Гентбрюгге, Бельгия: Международная ассоциация научной гидрологии. стр. 532–542. Архивировано из оригинала (PDF) 21 октября 2017 года . Проверено 21 октября 2017 г.
- Верле, Э. (1985). «Механический ледобур для сбора керна». В Джеке, TH (ред.). Примечания к исследованиям ANARE 28 . Кингстон, Тасмания: Австралийские национальные антарктические исследовательские экспедиции. стр. 196–201.
- Загороднов В.; Келли, Джей-Джей; Кочи, Б.; Стэнфорд, КЛ; Коллинз, Дж. (май 1992 г.). Наклонно-направленное бурение (Отчет). Фэрбенкс, Аляска: Офис по отбору кернов полярного льда.
- Загороднов В.; Томпсон, LG (2014). «Термические электрические кернобуры: история и новые варианты конструкции для бурения средней глубины» . Анналы гляциологии . 55 (68): 322–330. Бибкод : 2014АнГла..55..322Z . дои : 10.3189/2014AoG68A012 .
- Загороднов В.; Томпсон, LG; Келли, Джей-Джей; Кочи, Б.; Михаленко, В. (1998). «Термическое бурение ледяных кернов с антифризом: эффективный подход к получению ледяных кернов». Наука и технологии холодных регионов . 116 (28): 189–202. Бибкод : 1998CRST...28..189Z . дои : 10.1016/s0165-232x(98)00019-6 .