nznistuНауки о Земле и недропользованиеEarth sciences and subsoil use2686-99932686-7931Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "Irkutsk National Research Technical University"10.21285/2686-9993-2021-44-3-333-343nznistu-169Research ArticleРазведка и разработка месторождений полезных ископаемыхExploration and Development of Mineral DepositsУстройство для бурения плавлением с одновременным или последующим расширением скважин во льдуDevice for fusion drilling with simultaneous or follow-up reaming of wells in icehttps://orcid.org/0000-0002-9855-7178СербинД. В.SerbinD. V.

Сербин Данил Васильевич, ведущий инженер НЦ «Арктика»

Санкт-Петербург

Danil V. Serbin, Leading Engineer of the Scientific Center Arctic

Saint-Petersburg

a2807970@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4615-3179ДмитриевН. Н.DmitrievA. N.

Дмитриев Андрей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры бурения скважин

Санкт-Петербург

Andrey N. Dmitriev, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Well Drilling

Saint-Petersburg

a2807970@mail.ruВасильевН. И.VasilievN. I.

Васильев Николай Иванович, доктор технических наук, старший научный сотрудник

Санкт-Петербург

Nikolay I. Vasiliev, Dr. Sci. (Eng.), Senior Scientific Researcher

Saint-Petersburg

Санкт-Петербургский горный университетРоссияSaint-Petersburg Mining UniversityRussian FederationSaint-Petersburg Mining University202130102021443333343Copyright © Сербин Д.В., Дмитриев Н.Н., Васильев Н.И., 20212021Сербин Д.В., Дмитриев Н.Н., Васильев Н.И.Serbin D.V., Dmitriev A.N., Vasiliev N.I.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nznj.ru/jour/article/view/169

Авторами рассматривается новая технология вскрытия подледниковых водоемов, обеспечивающая экологическую чистоту проведения геолого-разведочных работ, в основу которой заложены результаты первых вскрытий подледникового озера Восток в Антарктиде (февраль 2012 года и январь 2015 года). Первоочередной целью дальнейших исследований подледникового озера Восток является взятие чистых проб озерной воды и донных отложений, для этого необходимо прямое проникновение в озеро. Существует ряд условий, без соблюдения которых невозможно дальнейшее проведение исследований озера с использованием скважины чистого доступа на буровом комплексе «Восток». В статье обобщены главные результаты, в том числе технологические и технические решения, которые защищены патентом Российской Федерации. Подробно рассмотрено новое устройство для бурения плавлением с одновременным расширением ледовой скважины. Данное устройство объединяет два технологических процесса: бурение – за счет контактного плавления, а также увеличение диаметра скважины – за счет создания вихревого потока постоянно подогреваемого теплоносителя в призабойной зоне. Тепловой способ разрушения льда обеспечивает экологическую чистоту процесса вскрытия подледниковых водоемов и является приоритетным методом, выгодно отличающимся от существующих. Устройство получило название «тепловой буровой снаряд-расширитель». Во время сезонных работ 64-й Российской Антарктической экспедиции были проведены стендовые испытания такого устройства ТБСР 132/400, результаты которых подтвердили, что оно способно обеспечить бурение диаметром 132 мм с одновременным расширением до 400 мм.

The paper deals with a new opening technology for subglacial reservoirs, which ensures environmentally friendly geological exploration. The technology is based on the results of the first openings of the subglacial Lake Vostok in Antarctica (February 2012 and January 2015). The primary goal of further studies of the subglacial Lake Vostok is to take clean samples of lake water and bottom sediments, which requires direct penetration into the lake. There is a number of conditions to be met in order to conduct further studies of the lake using a clean access well at the Vostok drilling complex. The article summarizes the main results including technological and engineering solutions protected by the patent of the Russian Federation. A detailed consideration is given to a new device for fusion drilling with simultaneous reaming of an ice hole. This device combines two technological processes: drilling due to contact melting, and an increase in the diameter of the well due to the creation of a vortex flow of a continuously heated coolant in the bottomhole zone. The thermal method of ice breaking ensures the ecological cleanliness when opening subglacial reservoirs and is a priority method that favorably differs from the existing ones. The device was named a “thermal drill reamer” (TDR). During the seasonal work of the 64th Russian Antarctic Expedition bench tests of the TDR 132/400 were carried out, the results of which confirmed that the device is capable to ensure 132 mm drilling with simultaneous reaming up to 400 mm.

Антарктид подледниковое озеро Востоктермобуровой снаряд на грузонесущем кабелебурение плавлениембурение льдаAntarcticasubglacial Lake Vostokthermal drill on a load-bearing cablefusion drillingice drillingReferencesWright A., Siegert M. J. The identification and physiographical setting of Antarctic subglacial lakes: an update based on recent geophysical data, in Antarctic Subglacial Aquatic Environments // Proceedings of the Chapman Conference on the Exploration and Study of Antarctic Subglacial Aquatic Environments. Washington: AGU, 2011. P. 9–26.Wright A., Siegert M. J. The identification and physiographical setting of Antarctic subglacial lakes: an update based on recent geophysical data, in Antarctic Subglacial Aquatic Environments. Proceedings of the Chapman Conference on the Exploration and Study of Antarctic Subglacial Aquatic Environments. Washington: AGU; 2011. p.9–26.Siegert M. J., Ross N., Le Brocq A. M. Recent advances in understanding Antarctic subglacial lakes and hydrology // Philosophical Transactions of the Royal Society. A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2016. Vol. 374. Iss. 2059. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0306.Siegert M. J., Ross N., Le Brocq A. M. Recent advances in understanding Antarctic subglacial lakes and hydrology. Philosophical Transactions of the Royal Society. A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2016;374(2059). https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0306.Васильев Н. И., Большунов А. В., Дмитриев А. Н., Подоляк А. В., Сербин Д. В. Спускоподъемное устройство с полиспастной системой для исследования подледникового озера «Восток» // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 9. Ч. 2. С. 137–140. https://doi.org/10.18454/IRJ.2016.51.062.Vasilev N. I., Bolshunov A. V., Dmitriev A. N., Podoliak A. V., Serbin D. V. Pulling-and-running gear with reeving system for investigations of subglacial lake Vostok. Mezhdunarodnyi nauchno-issledovatel'skii zhurnal = International Research Journal. 2016;9(2):137-140. (In Russ.). https://doi.org/10.18454/IRJ.2016.51.062.McKay R. M., Barrett P. J., Levy R. S., Naish T. R., Golledge N. R., Pyne A. Antarctic Cenozoic climate history from sedimentary records: ANDRILL and beyond // Philosophical Transactions of the Royal Society. A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2016. Vol. 374. Iss. 2059. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0301.McKay R. M., Barrett P. J., Levy R. S., Naish T. R., Golledge N. R., Pyne A. Antarctic Cenozoic climate history from sedimentary records: ANDRILL and beyond. Philosophical Transactions of the Royal Society. A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2016;374(2059). https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0301.Bulat S. A., Alekhina I. A., Lipenkov V. Y., Lukin V. V., Marie D., Petit J. R. Cell concentrations of microorganisms in glacial and lake ice of the Vostok ice core, East Antarctica // Microbiology. 2009. Vol. 78. Iss. 6. P. 808– 810. https://doi.org/10.1134/S0026261709060216.Bulat S. A., Alekhina I. A., Lipenkov V. Y., Lukin V. V., Marie D., Petit J. R. Cell concentrations of microorganisms in glacial and lake ice of the Vostok ice core, East Antarctica. Microbiology. 2009;78(6):808-810. https://doi.org/10.1134/S0026261709060216.Алехина И. А., Васильев Н. И., Липенков В. Я. Проблемы защиты окружающей среды и экологического мониторинга в проектах изучения подледниковых озер Антарктиды // Лед и снег. 2012. Т. 52. № 4. С. 104– 114. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2012-4-104-114.Alekhina I. A., Vasiliev N. I., Lipenkov V. Y. Environment protection and environment monitoring issues in the projects of subglacial lakes studies in Antarctica. Led i sneg = Ice and Snow. 2012;52(4):104–114. (In Russ.). https://doi.org/10.15356/2076-6734-2012-4-104-114.Онищин В. П. Комплекс технических средств для изыскательских работ на шельфе арктических морей // Записки Горного института. 2012. Т. 197. С. 46–49.Onishchin V. P. Technical equipments for realization investigation works on shelf of arctic seas. Zapiski Gornogo instituta = Journal of Mining Institute. 2012;197:46-49. (In Russ.).Fricker H. A., Powell R., Priscu J., Tulaczyk S., Anandakrishnan S., Christner B., et al. Siple Coast subglacial aquatic environments: the Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling (WISSARD) project // Proceedings of the Chapman Conference on the Exploration and Study of Antarctic Subglacial Aquatic Environments. Washington: AGU, 2011. P. 199–220.Fricker H. A., Powell R., Priscu J., Tulaczyk S., Anandakrishnan S., Christner B., et al. Siple Coast subglacial aquatic environments: the Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling (WISSARD) project. Proceedings of the Chapman Conference on the Exploration and Study of Antarctic Subglacial Aquatic Environments. Washington: AGU; 2011. p.199–220.Christner B. C., Royston-Bishop G., Foreman C. M., Arnold B. R., Tranter M., Welch K. A., et al. Limnological conditions in Subglacial Lake Vostok, Antarctica // Limnology and Oceanography. 2006. Vol. 51. Iss. 6. P. 2485– 2501. https://doi.org/10.4319/lo.2006.51.6.2485.Christner B. C., Royston-Bishop G., Foreman C. M., Arnold B. R., Tranter M., Welch K. A., et al. Limnological conditions in Subglacial Lake Vostok, Antarctica. Limnology and Oceanography. 2006;51(6):2485-2501. https://doi.org/10.4319/lo.2006.51.6.2485.Methodology for clean access to the subglacial environment associated with the Whillans Ice Stream // ATCM IP 72. 34 Antarctic Treaty Consultative Meeting. Buenos Aires, 2011.Methodology for clean access to the subglacial environment associated with the Whillans Ice Stream. ATCM IP 72. 34 Antarctic Treaty Consultative Meeting. Buenos Aires; 2011.Priscu J. C., Powell R. D., Tulaczyk S. Probing subglacial environments under the Whillans Ice Stream // Eos (Transactions, American Geophysical Union). 2010. Vol. 91. Iss. 29. P. 253–254. https://doi.org/10.1029/2010EO290002.Priscu J. C., Powell R. D., Tulaczyk S. Probing subglacial environments under the Whillans Ice Stream. Eos (Transactions, American Geophysical Union). 2010;91 (29):253-254. https://doi.org/10.1029/2010EO290002.Масолов В. Н., Попов С. В., Лукин В. В., Попков А. М. Рельеф дна и водное тело подледникового озера Восток, Восточная Антарктида // Доклады Академии наук. 2010. Т. 433. № 5. С. 693–698.Masolov V. N., Popov S. V., Lukin V. V., Popkov A. M. Bottom relief and water body of the subglacial Lake Vostok, East Antarctica. Doklady Akademii nauk. 2010;433(5):693–698. (In Russ.).Васильев Н. И., Дмитриев А. Н., Блинов П. А. Бурение глубокой скважины на российской антарктической станции «Восток» // Вестник Отделения наук о Земле Российской академии наук. 2012. Т. 4. NZ2001. https://doi.org/10.2205/2012NZ000111.Vasiliev N. I., Dmitriev A. N., Blinov P. A. Drilling of a deep bore-hole at Vostok station (East Antarctica). Vestnik Otdeleniya nauk o Zemle Rossiiskoi akademii nauk. 2012;4:NZ2001. (In Russ.). https://doi.org/10.2205/2012NZ000111.Полякова Е. В. Статистическая обработка результатов микроструктурного анализа ледяных кернов из глубоких скважин на станции «Восток» (Центральная Антарктида) // Записки Горного института. 2007. Т. 173. С. 17–19.Polyakova E. V. Statistical processing of the results of microstructural analysis of ice cores from deep wells at Vostok station (Central Antarctica). Zapiski Gornogo instituta = Journal of Mining Institute. 2007;173:17- 19. (In Russ.).Полякова Е. В. Структурные особенности льда озера Восток (Центральная Антарктида) // Записки Горного института. 2009. Т. 182. С. 45–47.Polyakova E. V. Structural features of the Lake Vostok ice (Central Antarctica). Zapiski Gornogo instituta = Journal of Mining Institute. 2009;182:45-47. (In Russ.).Lukin V. V., Vasiliev N. I. Technological aspects of the final phase of drilling borehole 5G and unsealing Vostok Subglacial Lake, East Antarctica // Annals of Glaciology. 2014. Vol. 55. Iss. 65. P. 83–89. https://doi.org/10.3189/2014AoG65A002.Lukin V. V., Vasiliev N. I. Technological aspects of the final phase of drilling borehole 5G and unsealing Vostok Subglacial Lake, East Antarctica. Annals of Glaciology. 2014;55(65):83-89. https://doi.org/10.3189/2014AoG65A002.Литвиненко В. С. Уникальные техника и технологии бурения скважин во льдах Антарктиды // Записки Горного института. 2014. Т. 210. С. 5–10.Litvinenko V. S. Unique engineering and technology for drilling boreholes in Antarctic ice. Zapiski Gornogo instituta = Journal of Mining Institute. 2014;210:5–10. (In Russ.).Литвиненко В. С., Васильев Н. И. Разработка породоразрушающего инструмента для бурения скважин во льду // Записки Горного института. 2012. Т. 197. С. 15–20.Litvinenko V. S., Vasil'ev N. I. Rock-destroying tool development for ice well drilling. Zapiski Gornogo instituta = Journal of Mining Institute. 2012;197:15-20. (In Russ.).Липенков В. Я., Лукин В. В., Булат С. А., Васильев Н. И., Екайкин А. А., Лейченков Г. Л. [и др.]. Итоги исследования подледникового озера Восток в период МПГ // Вклад России в Международный полярный год 2007/08: полярная криосфера и воды суши / ред. В. М. Котляков. М. – СПб.: Паулсен, 2011. С. 17–45.Lipenkov V. Ya., Lukin V. V., Bulat S. A., Vasil'ev N. I., Ekaikin A. A., Leichenkov G. L., et al. The results of studying the subglacial Lake Vostok during the international polar year. In: Kotlyakov V. M. (ed.). Vklad Rossii v Mezhdunarodnyi polyarnyi god 2007/08: polyarnaya kriosfera i vody sushi = Contribution of Russia to the International polar year 2007/08: polar cryosphere and land waters. Moscow – Saint Petersburg: Paulsen; 2011. p.17–45. (In Russ.).Clow G. D, Koci B. R. A fast mechanical access drill for polar glaciology, paleoclimatology, geology, tectonics and biology // Memoirs of National Institute of Polar Research. 2002. Vol. 56. P. 5–37.Clow G. D, Koci B. R. A fast mechanical access drill for polar glaciology, paleoclimatology, geology, tectonics and biology. Memoirs of National Institute of Polar Research. 2002;56:5–37.Kennicutt M. C., Siegert M. J. Subglacial aquatic environments: a focus of 21st century Antarctic science // Antarctic subglacial aquatic environments / eds. M. Siegert, C. Kennicutt, B. Bindschadler. Washington: AGU, 2011. P. 1–8.Kennicutt M. C., Siegert M. J. Subglacial aquatic environments: a focus of 21st century Antarctic science. In: Siegert M., Kennicutt C., Bindschadler B. (eds.). Antarctic subglacial aquatic environments. Washington: AGU; 2011. p.1–8.Большунов А. В., Васильев Н. И., Дмитриев А. Н., Подоляк А. В., Сербин Д. В., Туркеев А. В. Особенности технологии экологически безопасного вскрытия озера Восток в Антарктиде и технические средства для ее реализации // Бурение в осложненных условиях: материалы Междунар. науч.-практ. конф. СПб.: ЛЕМА, 2016. С. 13–14.Bol'shunov A. V., Vasil'ev N. I., Dmitriev A. N., Podolyak A. V., Serbin D. V., Turkeev A. V. Technological features of environmentally safe opening of the Vostok Lake in Antarctica and technical equipment for its implementation. In: Burenie v oslozhnennykh usloviyakh: materialy Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii = Drilling in Complicated Conditions: materials of the International scientific and practical conference. Saint Petersburg: LEMA; 2016. p.13–14. (In Russ.).Барков Н. И. Первая скважина на станции Восток // Лед и снег. 2012. № 4. С. 9–11.Barkov N. I. First bore-hole at Vostok station. Led i sneg = Ice and Snow. 2012;4:9–11.Пат. № 2700143 С1, Российская Федерация, МПК E21B7/15. Тепловой снаряд для бурения плавлением / Н. И. Васильев, Д. В. Сербин, А. Н. Дмитриев, А. В. Большунов. Заявл. 15.04.2019; опубл. 12.09.2019. Бюл. № 26.Vasilev N. I., Serbin D. V., Dmitriev A. N., Bolshunov A. V. Thermal shell for melting drilling. Patent RF, no. 2700143 С1; 2019. (In Russ.).Сербин Д. В., Васильев Н. И., Дмитриев А. Н., Большунов А. В. Тепловой снаряд для бурения плавлением с одновременным расширением ледовых скважин // Новые идеи в науках о Земле: материалы XIV Междунар. науч.-практ. конф. М.: Изд-во МГРИ, 2019. С. 297–300.Serbin D. V., Vasil'ev N. I., Dmitriev A. N., Bol'shunov A. V. Тhermal drill for fusion drilling with simultaneous expansion of ice wells. Novye idei v naukakh o Zemle: materialy XIV Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii = New Ideas in the Earth Sciences: materials of the 14th International scientific and practical conference. Moscow: Sergo Ordzhonikidze Russian State University for Geological Prospecting; 2019. p.297–300. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.