nznistuНауки о Земле и недропользованиеEarth sciences and subsoil use2686-99932686-7931Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "Irkutsk National Research Technical University"10.21285/2686-9993-2024-47-3-342-355NDJVMDnznistu-361Research ArticleГорнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недрApplied mining and petroleum field geology, geophysics, mine surveying and subsoil geometryСовременное состояние технологий колонкового бурения подледниковых горных породCurrent state of subglacial rock core drilling technologieshttps://orcid.org/0009-0002-2329-3435ШадринВ. С.ShadrinV. S.

Шадрин Вячеслав Сергеевич, аспирант

г. Санкт-Петербург

Vyacheslav S. Shadrin, Postgraduate Student

St. Petersburg

Shadrin_VS@pers.spmi.ruhttps://orcid.org/0009-0000-9023-9397КлимовВ. Я.KlimovV. Ya.

Климов Владимир Яковлевич, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник Лаборатории технологии и техники бурения скважин в условиях станции Восток, Научный центр «Арктика»

г. Санкт-Петербург

Vladimir Ya. Klimov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Senior Researcher of the Laboratory of Technology and Drilling Equipment in Vostok Station Conditions, Arktika Research Center

St. Petersburg

https://orcid.org/0000-0002-3879-7380БольшуновА. В.BolshunovA. V.

Большунов Алексей Викторович, кандидат технических наук, доцент, руководитель Лаборатории технологии и техники бурения скважин в условиях станции Восток, научный центр «Арктика»

г. Санкт-Петербург

Alexey V. Bolshunov, Cand. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory of Technology and Drilling Equipment in Vostok Station Conditions, Arktika Research Center, Associate Professor

St. Petersburg

Bolshunov_AV@pers.spmi.ruСанкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины IIРоссияEmpress Catherine II Saint Petersburg Mining UniversityRussian Federation202413112024473342355Copyright © Шадрин В.С., Климов В.Я., Большунов А.В., 20242024Шадрин В.С., Климов В.Я., Большунов А.В.Shadrin V.S., Klimov V.Y., Bolshunov A.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nznj.ru/jour/article/view/361

Цель данной работы заключается в представлении обзора проектов колонкового бурения подледниковых горных пород на островах Арктики и в Антарктиде, выполненных специалистами России, Соединенных Штатов Америки, Дании и Китая. Анализ результатов отечественных и зарубежных проектов позволил выявить геолого-технические особенности колонкового бурения подледниковых горных пород, достоинства и недостатки используемых технологий, определить оптимальный тип породоразрушающего инструмента и наметить одно из возможных направлений в совершенствовании существующих технологий. Авторами предлагается рассмотреть способ бурения базального льда и подледниковых горных пород, в основу которого заложен принцип возвратно-вращательного движения породоразрушающего инструмента. Первая апробация данного способа была проведена более десяти лет назад в Санкт-Петербургском горном университете и показала положительные результаты. Однако исследования были направлены на изучение процессов, протекающих в электромеханическом приводе, и не затрагивали режимов бурения горных пород. Авторами статьи планируется проведение комплекса научно-исследовательских работ, направленных на создание технологии колонкового бурения скважин в подледниковых горных породах, основанной на возвратно-вращательном движении породоразрушающего инструмента.

The purpose of the study is to make an overview of subglacial rock core drilling projects on Arctic and Antarctic islands, which have been carried out by the experts from Russia, the United States of America, Denmark and China. By analyzing the outcomes of Russian and international projects, it was possible to pinpoint the technical and geological aspects of subglacial core drilling, as well as the benefits and drawbacks of the various technologies employed. Additionally, it was possible to identify the best kind of rock-cutting tool and identify a potential direction for further advancement of currently available technologies.The authors propose to consider a method for drilling basal ice and subglacial rocks, which is based on the principle of reciprocating rotary motion of the rock-cutting tool. The first evaluation test of the method under discussion was carried out more than ten years ago at Saint Petersburg Mining University and the results were encouraging. However, the researches dealt mainly with the processes occurring in the electromechanical drive rather than rock drilling modes. The authors of the article intend to carry out a series of studies with the goal of developing a core drilling method based on the reciprocating rotary motion of the rock-cutting tool for wells in subglacial rocks.

Антарктида и Арктикаподледниковые горные породыколонковое бурениевозвратно-вращательное движениепородоразрушающий инструментAntarctic and Arcticsubglacial rockscore drillingreciprocating rotary motionrock-cutting toolReferencesМихальский Е.В., Каменев Е.Н., Михальская А.С. Геологическое изучение Антарктиды: исторические аспекты и современное состояние // Проблемы Арктики и Антарктики. 2011. № 2. С. 97–112. EDN: NYHDPH.Mihalskii E.V., Kamenev E.N., Mihalskaya A.S. Geological study of Antarctica: historical aspects and current state. Arctic and Antarctic Research. 2011;2:97-112. (In Russ.). EDN: NYHDPH.Wu G., Ferraccioli F., Zhou W., Yuan Y., Gao J., Tian G. Tectonic implications for the Gamburtsev Subglacial Mountains, East Antarctica, from airborne gravity and magnetic data // Remote Sensing. 2023. Vol. 15. Iss. 2. P. 306. https://doi.org/10.3390/rs15020306.Wu G., Ferraccioli F., Zhou W., Yuan Y., Gao J., Tian G. Tectonic implications for the Gamburtsev Subglacial Mountains, East Antarctica, from airborne gravity and magnetic data. Remote Sensing. 2023;15(2):306. https://doi.org/10.3390/rs15020306.Litvinenko V.S., Leitchenkov G.L., Vasiliev N.I. Anticipated sub-bottom geology of Lake Vostok and technological approaches considered for sampling // Geochemistry. 2020. Vol. 80. Iss. 3. P. 125556. https://doi.org/10.1016/j.chemer.2019.125556.Litvinenko V.S., Leitchenkov G.L., Vasiliev N.I. Anticipated sub-bottom geology of Lake Vostok and technological approaches considered for sampling. Geochemistry. 2020;80(3):125556. https://doi.org/10.1016/j.chemer.2019.125556.Васильев Н.И., Дмитриев А.Н., Липенков В.Я. Результаты бурения скважины 5Г на российской станции «Восток» и исследования кернов льда // Записки Горного института. 2016. Т. 218. С. 161–171. EDN: VXLDMJ.Vasilev N.I., Dmitriev A.N., Lipenkov V.Y. Results of the 5G borehole drilling at Russian Antarctic station “Vostok” and researches of ice cores. Journal of Mining Institute. 2016;218:161-171. (In Russ.). EDN: VXLDMJ.Большунов А.В., Васильев Д.А., Дмитриев А.Н., Игнатьев С.А., Кадочников В.Г., Крикун Н.С. [и др.]. Результаты комплексных экспериментальных исследований на станции Восток в Антарктиде // Записки Горного института. 2023. Т. 263. С. 724–741. EDN: WQNJET.Bolshunov A.V., Vasilev D.A., Dmitriev A.N., Ignatev S.A., Kadochnikov V.G., Krikun N.S., et al. Results of complex experimental studies at Vostok station in Antarctica. Journal of Mining Institute. 2023;263:724-741. (In Russ.). EDN: WQNJET.Игнатьев С.А., Васильев Д.А., Большунов А.В., Васильева М.А., Ожигин А.Ю. Экспериментальные исследования переноса ледяного шлама воздухом при бурении снежно-фирновой толщи // Лед и Снег. 2023. Т. 63. № 1. C. 141–152. https://doi.org/10.31857/S2076673423010076. EDN: MABFEO.Ignatiev S.A., Vasilev D.A., Bolshunov A.V., Vasileva M.A., Ozhigin A.Yu. Experimental research of ice cuttings transport by air while drilling of the snow-firn layer. Ice and Snow. 2023;63(1):141-152. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S2076673423010076. EDN: MABFEO.Большунов А.В., Васильев Д.А., Игнатьев С.А., Дмитриев А.Н., Васильев Н.И. Механическое бурение ледников с очисткой забоя сжатым воздухом // Лед и Снег. 2022. Т. 62. № 1. С. 35–46. https://doi.org/10.31857/S2076673422010114. EDN: GOFZCL.Bolshunov A.V., Vasilev D.A., Ignatiev S.A., Dmitriev A.N., Vasilev N.I. Mechanical drilling of glaciers with bottom-hole scavenging with compressed air. Ice and Snow. 2022;62(1):35-45. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S2076673422010114. EDN: GOFZCL.Сербин Д.В., Дмитриев А.Н. Экспериментальные исследования теплового способа бурения плавлением скважины в ледовом массиве с одновременным контролируемым расширением ее диаметра // Записки Горного института. 2022. Т. 257. С. 833–842. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.82. EDN: PLQDJW.Serbin D.V., Dmitriev A.N. Experimental research on the thermal method of drilling by melting the well in ice mass with simultaneous controlled expansion of its diameter. Journal of Mining Institute. 2022;257:833-842. (In Russ.). https:// doi.org/10.31897/PMI.2022.82. EDN: PLQDJW.Сербин Д.В., Кадочников В.Г., Большунов А.В., Дмитриев А.Н., Горелик В.Г. Экспериментальные исследования процесса образования призабойной кольцевой циркуляции теплоносителя // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2024. № 1. С. 16–22. EDN: XZVQNT.Serbin D.V., Bolshunov A.V., Dmitriev A.N., Kadochnikov V.G., Gorelikov V.G. Experimental studies of the process of bottomhole annular coolant circulation formation. Onshore and Offshore Oil and Gas Well Construction. 2024;1:16-22. (In Russ.). EDN: XZVQNT.Лейченков Г.Л., Попков А.М. Прогнозный осадочный разрез подледникового озера Восток // Лед и снег. 2012. Т. 52. № 4. С. 21–30. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2012-4-21-30. EDN: PKEFDH.Leychenkov G.I., Popkov A.M. Predictive sedimentary section of subglacial Lake Vostok. Ice and Snow. 2012;52(4):21-30. (In Russ.). https://doi.org/10.15356/2076-6734-2012-4-21-30. EDN: PKEFDH.Васильев Н.И., Лейченков Г.Л., Загривный Э.А. Перспективы получения образцов донных отложений подледникового озера Восток // Записки Горного института. 2017. Т. 224. С. 199–208. https://doi.org/10.18454/PMI.2017.2.199. EDN: YLMZAH.Vasiliev N.I., Leichenkov G.L., Zagrivnyi E.A. Prospects of obtaining samples of bottom sediments from subglacial Lake Vostok. Journal of Mining Institute. 2017;224:199-208. (In Russ.). https://doi.org/10.18454/PMI.2017.2.199. EDN: YLMZAH.Шишкин Е.В., Большунов А.В., Тимофеев И.П., Авдеев А.М., Ракитин И.В. Модель шагающего пробоотборника для исследования донной поверхности подледникового озера Восток // Записки Горного института. 2022. T. 257. С. 853–864. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.53. EDN: UMVLXQ.Shishkin E.V., Bolshunov A.V., Timofeev I.P., Avdeev A.М., Rakitin I.V. Model of a walking sampler for research of the bottom surface in the subglacial Lake Vostok. Journal of Mining Institute. 2022;257:853-864. (In Russ.). https://doi.org/10.31897/PMI.2022.53. EDN: UMVLXQ.Загривный Э.А., Поддубный Д.А. Динамически уравновешенный буровой снаряд на грузонесущем кабеле для взятия донных отложений подледниковых озёр в Антарктиде // Проблема механики современных машин: материалы VII Междунар. науч. конф. (г. Улан-Удэ, 25–30 июня 2018 г.). Улан-Удэ, 2018. Т. 1. С. 197–201. EDN: YQRMJN.Zagrivny E.A., Poddubny D.A. Dynamically balanced drilling machine for a load-carrying cable for taking bottom sediments of subglacial lakes in Antarctica. In: Problema mekhaniki sovremennykh mashin: materialy VII Mezhdunar. nauch. konf. = The problem of modern machinery mechanics: Proceedings of the 7th International scientific conference. 25–30 June 2018, Ulan-Ude. Ulan-Ude; 2018, vol. 1, p. 197-201. (In Russ). EDN: YQRMJN.Hansen L.B. Deep core drilling in ice and core analysis at Camp Century, Greenland, 1961–1966 // Antarctic Journal of the United States. 1966. Vol. 1. Iss. 5. P. 207–208.Hansen L.B. Deep core drilling in ice and core analysis at Camp Century, Greenland, 1961–1966. Antarctic Journal of the United States. 1966;1(5):207-208.Fountain J., Ussekman T.M., Wooden J., Langway C.C.J. Evidence of the bedrock beneath the Greenland ice sheet near camp century Greenland // Journal of Glaciology. 1981. Vol. 27. Iss. 95. P. 193–197.Fountain J., Ussekman T.M., Wooden J., Langway C.C.J. Evidence of the bedrock beneath the Greenland ice sheet near camp century Greenland. Journal of Glaciology. 1981;27(95):193-197.Ueda H.T. Byrd station drilling 1966–69 // Annals of Glaciology. 2007. Vol. 47. P. 24–27. https://doi.org/10.3189/172756407786857631.Ueda H.T. Byrd station drilling 1966–69. Annals of Glaciology. 2007;47:24-27. https://doi.org/10.3189/172756407786857631.Green J., Koci B., Kyne J. Koci drill for drilling ice, sand and rock: drill requirements, design, performance and difficulties // Annals of Glaciology. 2007. Vol. 47. P. 105–108. https://doi.org/10.3189/172756407786857677.Green J., Koci B., Kyne J. Koci drill for drilling ice, sand and rock: drill requirements, design, performance and difficulties. Annals of Glaciology. 2007;47:105-108. https://doi.org/10.3189/172756407786857677.Christa A.J., Biermana P.R., Schaeferd J.M., Dahl-Jensene D., Steffensene J.P., Corbetta L.B., et al. A multimillionyear-old-record of Greenland vegetation and glacial history preserved in sediment beneath 1.4 km of ice at Camp Century // PNAS. 2021. Vol. 118. Iss. 13. № 2021442118. https://doi.org/10.1073/pnas.2021442118.Christa A.J., Biermana P.R., Schaeferd J.M., Dahl-Jensene D., Steffensene J.P., Corbetta L.B., et al. A multimillionyear-old-record of Greenland vegetation and glacial history preserved in sediment beneath 1.4 km of ice at Camp Century. PNAS. 2021;118(13):2021442118. https://doi.org/10.1073/pnas.2021442118.Rasmussen S.O., Abbott P.M., Blunier T., Bourne A.J., Brook E., Buchardt S., et al. A first chronology for the North Greenland Eemian Ice Drilling (NEEM) ice core // Climate of the Past. 2013. Vol. 9. Iss. 6. P. 2713–2730. https://doi.org/10.5194/cp-9-2713-2013.Rasmussen S.O., Abbott P.M., Blunier T., Bourne A.J., Brook E., Buchardt S., et al. A first chronology for the North Greenland Eemian Ice Drilling (NEEM) ice core. Climate of the Past. 2013;9(6):2713-2730. https://doi.org/10.5194/cp-9-2713-2013.Popp T.J., Hansen St.B., Sheldon S.G., Schwander J., Johnson J.A. Drilling into debris-rich ice at the bottom of the NEEM (Greenland) borehole // Annals of Glaciology. 2014. Vol. 55. Iss. 68. P. 199–206. https://doi.org/10.3189/2014AoG68A029.Popp T.J., Hansen St.B., Sheldon S.G., Schwander J., Johnson J.A. Drilling into debris-rich ice at the bottom of the NEEM (Greenland) borehole. Annals of Glaciology. 2014;55(68):199-206. https://doi.org/10.3189/2014AoG68A029.Popp T.J., Hansen St.B., Sheldon S.G., Schwander J., Johnson J.A. Deep ice-core drilling performance and experience at NEEM, Greenland // Annals of Glaciology. 2014. Vol. 55. Iss. 68. P. 53–64. https://doi.org/10.3189/2014AoG68A042.Popp T.J., Hansen St.B., Sheldon S.G., Schwander J., Johnson J.A. Deep ice-core drilling performance and experience at NEEM, Greenland. Annals of Glaciology. 2014;55(68):53-64. https://doi.org/10.3189/2014AoG68A042.Kuhl T., Gibson C., Johnson J., Boeckmann G., Moravec E., Slaqny K. Agile Sub-Ice Geological (ASIG) Drill development and Pirrit Hills field project // Annals of Glaciology. 2020. Vol. 62. Iss. 84. P. 53–56. https://doi.org/10.1017/aog.2020.59.Kuhl T., Gibson C., Johnson J., Boeckmann G., Moravec E., Slaqny K. Agile Sub-Ice Geological (ASIG) Drill development and Pirrit Hills field project. Annals of Glaciology. 2020;62(84):53-56. https://doi.org/10.1017/aog.2020.59.Talalay P., Sun Y., Fan X., Zhang N., Cao P., Wang R., et al. Antarctic subglacial drilling rig. Part I: General concept and drilling shelter structure // Annals of Glaciology. 2020. Vol. 62. Iss. 84. P. 1–11. https://doi.org/10.1017/aog.2020.37.Talalay P., Sun Y., Fan X., Zhang N., Cao P., Wang R., et al. Antarctic subglacial drilling rig. Part I: General concept and drilling shelter structure. Annals of Glaciology. 2020;62(84):1-11. https://doi.org/10.1017/aog.2020.37.Talalay P., Li X., Zhang N., Fan X., Sun Y., Cao P., et al. Antarctic subglacial drilling rig. Part II: Ice and Bedrock Electromechanical Drill (IBED) // Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62. Iss. 84. P. 12–22. https://doi.org/10.1017/aog.2020.38.Talalay P., Li X., Zhang N., Fan X., Sun Y., Cao P., et al. Antarctic subglacial drilling rig. Part II: Ice and Bedrock Electromechanical Drill (IBED). Annals of Glaciology. 2021;62(84):12-22. https://doi.org/10.1017/aog.2020.38.Fan X., Talalay P., Sun Yo., Li X., Zhang N., Markov A., et al. Antarctic subglacial drilling rig: Part III. Drilling auxiliaries and environment measures // Annals of Glaciology. 2020. Vol. 62. Iss. 84. P. 24–33. https://doi.org/10.1017/aog.2020.39.Fan X., Talalay P., Sun Yo., Li X., Zhang N., Markov A., et al. Antarctic subglacial drilling rig: Part III. Drilling auxiliaries and environment measures. Annals of Glaciology. 2020;62(84):24-33. https://doi.org/10.1017/aog.2020.39.Goodge J.W., Severinghaus J.P., Johnson J., Tosi D., Bay R. Deep ice drilling, bedrock coring and dust logging with the Rapid Access Ice Drill (RAID) at Minna Bluff, Antarctica // Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62. Iss. 85–86. P. 324–339. https://doi.org/10.1017/aog.2021.13.Goodge J.W., Severinghaus J.P., Johnson J., Tosi D., Bay R. Deep ice drilling, bedrock coring and dust logging with the Rapid Access Ice Drill (RAID) at Minna Bluff, Antarctica. Annals of Glaciology. 2021;62(85-86):324-339. https:// doi.org/10.1017/aog.2021.13.Boeckmann G.V., Gibson C.J., Kuhl T.W., Moravec E., Johnson J.A., Meulemans Z., et al. Adaptation of the Winkie Drill for Subglacial bedrock sampling // Annals of Glaciology. 2020. Vol. 62. Iss. 84. P. 109–117. https://doi.org/10.1017/aog.2020.73.Boeckmann G.V., Gibson C.J., Kuhl T.W., Moravec E., Johnson J.A., Meulemans Z., et al. Adaptation of the Winkie Drill for Subglacial bedrock sampling. Annals of Glaciology. 2020;62(84):109-117. https://doi.org/10.1017/aog.2020.73.Rix J., Mulvaney R., Hong J., Ashurst D. Development of the British Antarctic Survey Rapid Access Isotope Drill // Journal of Glaciology. 2019. Vol. 65. Iss. 250. P. 288–298. https://doi.org/10.1017/jog.2019.9.Rix J., Mulvaney R., Hong J., Ashurst D. Development of the British Antarctic Survey Rapid Access Isotope Drill. Journal of Glaciology. 2019;65(250):288-298. https://doi.org/10.1017/jog.2019.9.Большиянов Д.Ю., Клементьев О.Л., Коротков И.М., Николаев В.И. Исследования керна мореносодержащего льда ледника Вавилова на Северной Земле // Материалы гляциологических исследований. 1990. № 70. С. 105–110.Bolshiyanov D.Yu., Klementiev O.L., Korotkov I.M., Nikolaev V.I. Studying the core of the Vavilov glacier morainecontaining ice on the Northern Earth. Materialy Glyatsiologicheskikh Issledovanii. 1990;70:105-110. (In Russ).Litvinenko V.S. Foreword: sixty-year Russian history of Antarctic sub-glacial lake exploration and Antarctic natural resource development // Geochemistry. 2020. Vol. 80. Iss. 3. Р. 125652. https://doi.org/10.1016/j.chemer.2020.125652.Litvinenko V.S. Foreword: sixty-year Russian history of Antarctic sub-glacial lake exploration and Antarctic natural resource development. Geochemistry. 2020;80(3):125652. https://doi.org/10.1016/j.chemer.2020.125652.Литвиненко В.С. Уникальные техника и технология бурения скважин во льдах Антарктиды // Записки Гор- ного института. 2014. Т. 210. С. 5–10. EDN: TGNKO.Litvinenko V.S. Unique technique and technology of drilling wells in Antarctic ice. Journal of Mining Institute. 2014;210:5-10. (In Russ.). EDN: TGNKO.

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