Устройство для бурения плавлением с одновременным или последующим расширением скважин во льду

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Онищин В. П. Комплекс технических средств для изыскательских работ на шельфе арктических морей // Записки Горного института. 2012. Т. 197. С. 46–49.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. Полякова Е. В. Структурные особенности льда озера Восток (Центральная Антарктида) // Записки Горного института. 2009. Т. 182. С. 45–47.

16. 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.

17. Литвиненко В. С. Уникальные техника и технологии бурения скважин во льдах Антарктиды // Записки Горного института. 2014. Т. 210. С. 5–10.

18. Литвиненко В. С., Васильев Н. И. Разработка породоразрушающего инструмента для бурения скважин во льду // Записки Горного института. 2012. Т. 197. С. 15–20.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. Барков Н. И. Первая скважина на станции Восток // Лед и снег. 2012. № 4. С. 9–11.

24. 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.

25. 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.