Conceptual project of a center for testing technologies and technical devices for glacier drilling

Реализация буровых проектов в Антарктиде требует проведения комплексных научно-исследовательских работ, направленных на изучение процессов, протекающих при бурении ледников. Важную роль в данных исследованиях играют экспериментальные стенды с искусственным ледовым массивом.

В результате проведенного обзора было установлено, что в большинстве случаев экспериментальные стенды и сооружения имеют ограничения в габаритах и функциональных возможностях и не могут воспроизвести реальных условий эксплуатации (низкие температуры, высокое давление, физико-механические свойства атмосферного льда) разрабатываемого уникального оборудования. Начало эксплуатации оборудования без проведения испытаний в реальных скважинных условиях повышает риски возникновения осложнений и аварий в процессе работ, вызванных недостатками в конструкции оборудования. Данные недостатки могут быть обнаружены только при проведении буровых работ непосредственно в Антарктиде, что может отрицательно сказаться на сроках реализации научно-исследовательских проектов.

Решением обозначенной проблемы является выстраивание новой последовательности испытаний работоспособности скважинного оборудования для условий Антарктиды:

1)           Апробация концептуальных решений для технологий и технических средств в рамках малых экспериментальных стендов с использованием ледяных блоков.

2)           Испытание полноразмерных рабочих прототипов в условиях ледяных скважин, на базе учебнонаучного полигона «Саблино» Санкт-Петербургского горного университета (Ленинградская область, Россия). Конструкция скважин и их технологические возможности разработаны с учетом достоинств и недостатков предшествующих проектов. Климатические камеры, в которых расположены скважины, рассчитаны на регулирование температур в скважине в диапазоне от –2 °С до –70 °С. Предложенное в работе экспериментальное сооружение позволит проводить широкий комплекс испытаний оборудования для полярных условий.

3)           Предварительные испытания оборудования в скважинных условиях на базе модернизированного бурового комплекса им. Б.Б. Кудряшова на станции Восток, Антарктида. Испытание разработанного оборудования в условиях скважины 5Г позволит оценить работу устройств в реальных условиях перед их внедрением в рабочую эксплуатацию.

Данный комплекс средств по испытанию оборудования будет способствовать решению множества научных и практических задач, связанных не только с исследованиями в Антарктиде, но и проектами, реализуемыми в арктических регионах.

1. Barkov N.I. The first borehole at Vostok station. Ice and Snow. 2012;4(120):8–11.

2. Ekaykin A.A., Lipenkov V.Ya., Veres A.N., Kozachek A.V., Skakun A.A. On the possibility to restore the climatic signal in the disturbed record of stable water isotope content in the old (0.4–1.2 Ma) Vostok ice (Central Antarctica). Ice and Snow. 2019;59(4):437–451. (In Russ.). https://doi.org/10.15356/2076-6734-2019-4-463

3. Ekaykin A.A., Lipenkov V.Y., Tchikhatchev K.B. Preservation of the climatic signal in the old ice layers at Dome B area (Antarctica). Ice and Snow. 2021;61(1):5–13. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S2076673421010067

4. Siegert M.J., Clarke R.J., Mowlem M.C., Ross N., Hill C.S., Tait A., Hodgson D.A., Parnell J., Tranter M., Pearce D.A., Bentley M.J., Cockell C.S., Tsaloglou M., Smith A.M., Woodward J., Brito M.P., Waugh E.M. Clean access, measurement, and sampling of Ellsworth Subglacial Lake: A method for exploring deep Antarctic subglacial lake environments. Reviews of Geophysics. 2012;50:1–40. https://doi.org/10.1029/2011RG000361

5. Bulat S.A., Marie D., Petit J. Prospects for life in the subglacial lake Vostok, East Antarctica. Ice and Snow. 2012;52(4):92–96. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2012-4-92-96

6. Siegert M.J., Priscu J.C., Alekhina I.A., Wadham J.L., Lyons W.B. Antarctic subglacial lake exploration: first results and future plans. Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2016;374:20140466. http://doi.org/10.1098/rsta.2014.0466

7. Litvinenko V.S. Unique engineering and technology for drilling boreholes in Antarctic ice. Journal of Mining Institute. 2014;210:5–10. (In Russ.)

8. Litvinenko V.S., Vasiliev N.I., Lipenkov V.Y., Dmitriev A.N., Podoliak, A.V. Special aspects of ice drilling and results of 5G hole drilling at Vostok station, Antarctica. Annals of Glaciology. 2014;55(68):173–178. https://doi.org/10.3189/2014AoG68A040.

9. 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.)

10. Vasilev N.I., Lipenkov V.Y., Dmitriev A.N., Podolyak A.V., Zubkov V.M. Results and characteristics of 5G hole drilling and the first tapping of Lake Vostok. Ice and Snow. 2012;52(4):12–20. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2012-4-12-20

11. Serbin D.V., Dmitriev A.N., Vasiliev N.I. Device for fusion drilling with simultaneous or followup reaming of wells in ice. Earth sciences and subsoil use. 2021;44(3):333–343. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/2686-9993-2021-44-3-333-343

12. Litvinenko V.S., Vasilev N.I. Rock-destroying tool development for ice well drilling. Journal of Mining Institute. 2012;197:15–20. (In Russ.)

13. Talalay P. Mechanical Ice Drilling Technology. Singapore: Springer; 2016. 284 p. https://doi.org/10.1007/978-981-10-0560-2

14. Bolshunov A.V., Vasilev D.A., Dmitriev A.N., Ignatev S.A., Kadochnikov V.G., Krikun N.S., Serbin D.V., Shadrin V.S. Results of complex experimental studies at Vostok station in Antarctica. Journal of Mining Institute. 2023;263:724–741.

15. 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. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.82

16. Vasiliev N., Talalay P. Investigation of the ice cutting process by the rotary drill. Memoirs of National Institute of Polar Research. 1994;49:132–137.

17. Tanaka Y., Takahashi A., Fujii Y., Narita H., Shinbori K., Azuma N., Watanabe O. Development of a JARE deep ice core drill system. Memoirs of National Institute of Polar Research. 1993;49:113–123.

18. Narita H., Shinbori K., Kodama Y. An experiment on ice cutting under high liquid pressure and low temperature. Memoirs of National Institute of Polar Research. Special issue. 1994;49:124–131.

19. Talalay P. Size distribution and shape characteristics of ice cuttings produced by an electromechanical auger drill. Cold Regions Science and Technology. 2015;119:204–210. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2015.08.012

20. Weinberg B. Der elektrische Eisbohrer. Zeitschrift für Gletscherkunde. 1912;6:214–217.

21. Wang R., Liu A., Sun Y., Cao P., Fan X., Talalay P. Ice drill testing facility. Cold Regions Science and Technology. 2017;145:151–159. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2017.10.017

22. Donnou D., Augustin L., Manouvrier A., Perrin J., Girard C., Ricou G. Setting up a deep ice core drilling facility and preliminary tests Terre Adelie Antarctica. In: (eds C. Rado and D. Beaudoing) Ice Core Drilling. Proceedings of the Third International Workshop on Ice Drilling Technology, Grenoble, October 10–14, 1988. Grenoble; 1988. P. 66–69.

23. Nielson D.L.; Delahunty C., Goodge J.W., Severinghaus J.P. Facility for testing ice drills. Scientific Drilling. 2017;22:29–33. https://doi.org/:10.5194/sd-22-29-2017

24. Hong J., Talalay P., Man T., Li Y., Fan X., Li C., Zhang N. Effect of high-pressure sintering on snow density evolution: experiments and results. Journal of Glaciology. 2022; 68(272):1107–1115. https://doi.org/10.1017/jog.2022.11

25. Gizatullin R., Dvoynikov M., Romanova N., Nikitin V. Drilling in gas hydrates: managing gas appearance risks. Energies. 2023;16(5):2387. https://doi.org/10.3390/en16052387

26. Merzliakov M.I., Podoliak A.V. Terms of melting the permafrost when cementing of boreholes plugged with gas-liquid mixtures with hollow microspheres. International Journal of Applied Engineering Research. 2017;12(9):1874–1878.

27. Dvoinikov M.V., Sidorkin D.A., Zharikova N.Kh., Kupavyh K.S., Bolshunov A.V., Buslaev G.V., Kambulov E.Yu., Morin A.A. Technical and technological solutions for the development of oil and gas fields in the Arctic zone of the Russian Federation. Burenie i Neft = Drilling and Oil. 2022;2:12–17. (In Russ.)

28. Lavrik A., Buslaev G., Dvoinikov M. Thermal stabilization of permafrost using thermal coils inside foundation piles. Civil Engineering Journal. 2023;9(4):927–938. https://doi.org/10.28991/CEJ-2023-09-04-013

29. Ekaykin A.A., Tchikhatchev K.B., Veres A.N., Lipenkov V.Ya., Tebenkova N.A., Turkeev A.V. Vertical profile of snow-firn density in the vicinity of Vostok station, Central Antarctica. Ice and Snow. 2022,62(4):504–511. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S2076673422040147

30. Neff P.D. A review of the brittle ice zone in polar ice cores. Annals of Glaciology. 2014;55(68):72–82. https://doi.org/10.3189/2014AoG68A023

31. Leichenkov G.L., Belyavsky B.V., Antonov A.V., Rodionov N.V., Sergeev S.A. First information about the geology of Central Antarctica based on study of mineral inclusions in ice cores of the Vostok station borehole. Doklady Earth Sciences. 2011;440(1):1207–1211.

32. Turkeev A.V., Vasilev N.I., Lipenkov V.Ya., Bolshunov A.V., Ekaykin A.A., Dmitriev A.N., Vasilev D.A. Drilling the new 5G-5 branch hole at Vostok Station for collecting a replicate core of old meteoric ice. Annals of Glaciology. 2021;62(85-86),305–310. https://doi.org/10.1017/aog.2021.4

33. Lipenkov V.Ya., Turkeev A.V., Vasilev N.I., Ekaykin A.A., Poliakova E.V. Melting temperature of ice and total gas content of water at the ice-water interface above subglacial Lake Vostok. Arctic and Antarctic Research. 2021;67(4):348–367. (In Russ.) https://doi.org/10.30758/0555-2648-2021-67-4-348-367