2411-3336 2541-9404 Записки Горного института Journal of Mining Institute Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University 10.31897/PMI.2022.82 pmi-15623 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15623 Геотехнология и инженерная геология Geotechnical Engineering and Engineering Geology Experimental research on the thermal method of drilling by melting the well in ice mass with simultaneous controlled expansion of its diameter Экспериментальные исследования теплового способа бурения плавлением скважины в ледовом массиве с одновременным контролируемым расширением ее диаметра Serbin Danil V. Сербин Д. В. Serbin Danil V. Serbin_DV@pers.spmi.ru 0000-0002-9855-7178 Санкт-Петербургский горный университет (Россия) Saint Petersburg Mining University (Russia) Dmitriev Andrey N. Дмитриев А. Н. Dmitriev Andrey N. serbin_dv@pers.spmi.ru 0000-0003-4615-3179 Санкт-Петербургский горный университет (Россия) Saint Petersburg Mining University (Russia) 17 10 2022 2022 257 833 842 15 10 2021 06 09 2022 10 11 2022 © Danil V. Serbin, Andrey N. Dmitriev 2022 Д. В. Сербин, А. Н. Дмитриев Danil V. Serbin, Andrey N. Dmitriev CC BY 4.0 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15623

В сезонные работы 64-й Российской антарктической экспедиции в 2018-2019 гг. на буровом комплексе им. Б.Б.Кудряшова (станция «Восток», Антарктида) специалисты Санкт-Петербургского горного университета провели экспериментальные исследования процесса бурения плавлением с одновременным расширением скважин в ледовом массиве. Для исследований были разработаны, изготовлены и испытаны стенд и натурная модель термогидравлического бурового снаряда-расширителя. Первые стендовые испытания натурной модели подтвердили ее работоспособность и пригодность для экспериментального бурения с одновременным расширением скважин в ледовом массиве, определены эксплуатационные возможности, обнаружены недостатки, которые будут учтены в будущем. В статье обоснован выбор конструктивных элементов термогидравлического бурового снаряда-расширителя. Установлено, что технологию бурения сплошным забоем с одновременным расширением скважины в ледовом массиве возможно реализовать за счет комбинирования процесса контактного бурения плавлением и конвективного расширения с созданием принудительной призабойной кольцевой циркуляции подогретого теплоносителя. Определены зависимости интенсивности расширения от основных технологических параметров: активной тепловой мощности нагревательных элементов пенетратора и циркуляционной системы, механической скорости бурения, производительности насоса. По результатам исследований будет спроектирован и изготовлен экспериментальный образец термогидравлического бурового снаряда-расширителя для испытания его в условиях скважины 5Г.

During the seasonal work of the 64th Russian Antarctic Expedition in 2018-2019 at the “Vostok” drilling facility named after B.B.Kudryashov (“Vostok” station, Antarctic) specialists of Saint Petersburg Mining University conducted experimental investigations on the process of drilling by melting with simultaneous expansion of wells in the ice mass. A test bench and a full-scale model of a thermohydraulic reamer-drilling tool were developed, manufactured and tested for the research. The first bench tests of the full-scale model proved its efficiency and suitability for experimental drilling with simultaneous expansion of wells in ice mass; its operational capabilities were determined and the drawbacks that will be taken into account in future were found out. The article substantiates the choice of constructive elements for thermohydraulic reamer-drilling tool. It is determined that the technology of full diameter drilling with simultaneous expansion of the well in ice mass can be implemented by combining contact drilling by melting and convective expansion with creation of forced near-bottomhole annular circulation of the heated heat carrier. Dependencies of expansion rate on main technological parameters were determined: active heat power of heating elements in penetrator and circulation system, mechanical drilling rate, pump flow rate. According to the results of investigations, the experimental model of thermohydraulic reamer-drilling tool will be designed and manufactured for testing in conditions of well 5G.

 Ключевые слова бурение льда плавлением бурение с одновременным расширением Антарктида термогидравлический буровой снаряд-расширитель эксперименты стендовые испытания Keywords ice drilling by melting drilling with simultaneous expansion Antarctic thermohydraulic reamer-drilling tool experiments test bench trials 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. DOI: 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. Ice and Snow. 2012. Vol. 52. N 4, p. 104-114. DOI: 10.15356/2076-6734-2012-4-104-114 Кудряшов Б.Б., Соловьев Г.Н. Анализ теплообменных процессов при бурении-плавлении льда паровым конденсатором // Записки Горного института. 1981. Т. 86. C. 111-117. Kudryashov B.B., Solov'ev G.N. Analysis of heat exchange processes in drilling-melting of ice with a steam condenser. Journal of Mining Institute. 1981. Vol. 86, p. 111-117 (in Russian). 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. Development of a rock-destruction tool for well drilling in ice. Journal of Mining Institute. 2012. Vol. 197, p. 15-20 (in Russian). 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. A set of technical means for survey work on the Arctic seas shelf. Journal of Mining Institute. 2012. Vol. 197, p. 46-49 (in Russian). Патент № 2700143 С1 РФ. Тепловой снаряд для бурения плавлением / Н.И.Васильев, Д.В.Сербин, А.Н.Дмитриев, А.В.Большунов. Опубл. 12.09.2019. Бюл. № 26. Vasilev N.I., Serbin D.V., Dmitriev A.N., Bolshunov A.V. Patent N 2700143 С1 RF. Thermal shell for melting drilling. Publ. 12.09.2019. Bul. N 26 (in Russian). 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 Antarctic). Journal of Mining Institute. 2007. Vol. 173, p. 17-19 (in Russian). 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. Т. 433. № 5. С. 693-698. Masolov V.N., Popov S.V., Lukin V.V., Popkov A.M. The bottom topography and subglacial Lake Vostok water body, East Antarctica. Doklady Earth Sciences. 2010. Vol. 433. N 2, p. 1092-1097 (in Russian). Christner B.C., Royston-Bishop G., Foreman C.M. et al. Limnological conditions in Subglacial Lake Vostok, Antarctica // Limnology and Oceanography. 2006. Vol. 51. Iss. 6. P. 2485-2501. DOI: 10.4319/lo.2006.51.6.2485 Christner B.C., Royston-Bishop G., Foreman C.M. et al. Limnological conditions in Subglacial Lake Vostok, Antarctica. Limnology and Oceanography. 2006. Vol. 51. Iss. 6, p. 2485-2501. DOI: 10.4319/lo.2006.51.6.2485 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. Special issue. 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. Special issue. Vol. 56, p. 5-37. Барков Н.И. Первая скважина на станции Восток // Лед и снег. Т. 52. № 4. С. 9-11. Barkov N.I. The first well at Vostok station. Ice and Snow. 2012. Vol. 52. N 4, p. 9-11 (in Russian). Yazhou Li, Talalay G., Xiaopeng Fan et al. Modeling of hot-point drilling in ice // Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62. Iss. 85-86. P. 360-373. DOI: 10.1017/aog.2021.16 Yazhou Li, Talalay P.G., Xiaopeng Fan et al. Modeling of hot-point drilling in ice. Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62. Iss. 85-86, p. 360-373. DOI: 10.1017/aog.2021.16 Litvinenko V.S. Foreword: Sixty-year Russian history of Antarctic sub-glacial lake exploration and Arctic natural resource development // Geochemistry. 2020. Vol. 80. Iss. 3. № 125652. DOI: 10.1016/j.chemer.2020.125652 Litvinenko V.S. Foreword: Sixty-year Russian history of Antarctic sub-glacial lake exploration and Arctic natural resource development. Geochemistry. 2020. Vol. 80. Iss. 3. N 125652. DOI: 10.1016/j.chemer.2020.125652 ЛипенковВ.Я., ЛукинВ.В., БулатС.А. идр. Итоги исследования подледникового озера Восток в период МПГ // Вклад России в Международный полярный год 2007/08: полярная криосфера и воды суши. М.-СПб.: Паулсен, 2011. С. 17-45. Lipenkov V.Ya., Lukin V.V., Bulat S.A. et al. Research results of subglacial Lake Vostok during MPG period. Vklad Rossii v Mezhdunarodnyy polyarnyy god 2007/08: polyarnaya kriosfera i vody sushi. Moscow – St.Petersberg: Paulsen, 2011, p. 17-45 (in Russian). 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. DOI: 10.2205/2012NZ000111 Vasil'ev N.I., Dmitriev A.N., Blinov P.A. Drilling a deep well at Russian “Vostok” Antarctic Station. Vestnik Otdeleniya nauk o Zemle Rossiyskoy akademii nauk. 2012. Vol. 4. N NZ2001 (in Russian). DOI: 10.2205/2012NZ000111 Земцов А.А. Меньшиков Н.Г. Комплекс технических средств для отбора проб на углеродный анализ из ледовых толщ // Записки Горного института. 1988. Т. 116. C. 78-81. Zemtsov A.A., Men'shikov N.G. A set of technical means of sampling for carbon analysis from the ice mass. Journal of Mining Institute. 1988. Vol. 116, p. 78-81 (in Russian). Кудряшов Б.Б., Меньшиков Н.Г. Расчет скорости колонкового бурения плавлением с помощью жидкого теплоносителя // Записки Горного института. 1993. Т. 136. C. 6-13. Kudryashov B.B., Men'shikov N.G. Calculation of the rate of core drilling by melting with liquid heat carrier. Journal of Mining Institute. 1993. Vol. 136, p. 6-13 (in Russian). Чистяков В.К., Пашкевич В.М. Экспериментальный стенд для исследования устойчивости ствола скважины при бурении в ледниковом покрове // Записки Горного института. 1976. Т. 71. C. 42-45. Chistyakov V.K., Pashkevich V.M. Experimental test bench for investigating wellbore stability when drilling in a ice cover. Journal of Mining Institute. 1976. Vol. 71, p. 42-45. 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 technics and technologies for drilling wells in the ice of Antarctic. Journal of Mining Institute. 2014. Vol. 210, p. 5-10 (in Russian). Кадочников В.Г., Двойников М.В., Блинов П.А. Влияние пространственной формы бурильной колонны на вынос шлама в наклонно направленных скважинах // Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. № 2. С. 12-19. Kadochnikov V.G., Dvoynikov M.V., Blinov P.A. Influence of the drill string spatial form on transport of cuttings in directional wells. Bulletin of The Association of Drilling Contractors. 2020. N 2, p. 12-19 (in Russian). Zelenchuk A.V., Krylenkov V. Thermohydraulic Drilling Probe for Studying Ice Sheets and the Subglacial Environment of the Earth and Others Heavenly Bodies // Emerging Challenges in Environment and Earth Science. Vol. 3. P. 41-50. DOI: 10.9734/bpi/ecees/v3/15837D Zelenchuk A.V., Krylenkov V. Thermohydraulic Drilling Probe for Studying Ice Sheets and the Subglacial Environment of the Earth and Others Heavenly Bodies. Emerging Challenges in Environment and Earth Science. 2022. Vol. 3, p. 41-50. DOI: 10.9734/bpi/ecees/v3/15837D Полякова Е.В. Структурные особенности льда озера Восток (Центральная Антарктида) // Записки Горного института. Т. 182. С. 45-47. Polyakova E.V. Structural features of Lake Vostok ice (Central Antarctic). Journal of Mining Institute. 2009. Vol. 182,p. 45-47 (in Russian). Bulat S.A., Alekhina I.A., Lipenkov V.Y. et al. Cell Concentrations of Microorganisms in Glacial and Lake Ice of the Vostok Ice Core, East Antarctica // Microbiology. 2009. Vol. 78. Iss. 6. P. 808-81 DOI: 10.1134/S0026261709060216 Bulat S.A., Alekhina I.A., Lipenkov V.Y. et al. 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. DOI: 10.1134/S0026261709060216 Fricker H.A., Powell R., Priscu J. 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: American Geophysical Union, 2011. P. 199-220. DOI: 1029/2010GM000932 Fricker H.A., Powell R., Priscu J. 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: American Geophysical Union, 2011, p. 199-220. DOI: 10.1029/2010GM000932 Kennicutt M.C., Siegert M.J. Subglacial Aquatic Environments: A Focus of 21st Century Antarctic Science. Washington: American Geophysical Union, 2011. P. 1-8. DOI: 10.1002/9781118670354.CH1 Kennicutt M.C., Siegert M.J. Subglacial Aquatic Environments: A Focus of 21st Century Antarctic Science. Washington: American Geophysical Union, 2011, p. 1-8. DOI: 10.1002/9781118670354.CH1 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. DOI: 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. Vol. 55. Iss. 65, p. 83-89. DOI: 10.3189/2014AoG65A002 McKay R.M., Barrett P.J., Levy R.S. et al. 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. DOI: 10.1098/rsta.2014.0301 McKay R.M., Barrett P.J., Levy R.S. et al. 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. DOI: 10.1098/rsta.2014.0301 Makinson K., Anker P., Garcés J. et al. Development of a clean hot water drill to access Subglacial Lake CECs, West An-tarctica // Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62(85-86). P. 250-262. DOI: 10.1017/aog.2020.88 Makinson K., Anker P., Garcés J. et al. Development of a clean hot water drill to access Subglacial Lake CECs, WestAntarctica. Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62 (85-86), p. 250-262. DOI: 10.1017/aog.2020.88 Priscu J.C., Powell R.D., Tulaczyk S. Probing subglacial environments under the Whillans Ice Stream // Eos. 2010. Vol. 91. № 29. P. 253-254. DOI: 10.1029/2010EO290002 Priscu J.C., Powell R.D., Tulaczyk S. Probing subglacial environments under the Whillans Ice Stream. Eos. 2010. Vol. 91. N 29, p. 253-254. DOI: 10.1029/2010EO290002 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. DOI: 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. Vol. 374. Iss. 2059. DOI: 10.1098/rsta.2014.0306 Купавых К.С., Купавых А.С., Моренов В.А. Анализ эффективности применения двух рабочих жидкостей с различными вязкоупругими характеристиками при гидродинамическом воздействии на призабойную зону пласта // Наука и техника. 2019. Т. 18. № 2. С. 164-170. DOI: 10.21122/2227-1031-2019-18-2-164-170 Kupavykh K.S., Kupavykh A.S., Morenov V.A. Analysis of Implementation Effectiveness of Two Working Fluids Characterized by Different Viscoelastic Characteristics at Hydrodynamic Impact on the Borehole Bottom Zone. Science & Technique. 2019. Vol. 18. N 2, p. 164-170. DOI: 10.21122/2227-1031-2019-18-2-164-170 Weiss, Yung K.L., Ng T.C. et al. Study of a thermal drill head for the exploration of subsurface planetary ice layers // Planetary and Space Science. 2008. Vol. 56. Iss. 9. P. 1280-1292. DOI: 10.1016/j.pss.2008.04.004 Weiss P., Yung K.L., Ng T.C. et al. Study of a thermal drill head for the exploration of subsurface planetary ice layers. Planetary and Space Science. 2008. Vol. 56. Iss. 9, p. 1280-1292. DOI: 10.1016/j.pss.2008.04.004 Сербин Д.В., Васильев Н.И., Дмитриев А.Н., Большунов А.В. Тепловой снаряд для бурения плавлением с одновременным расширением ледовых скважин // Материалы XIV Международной научно-практической конференции «Новые идеи в науках о Земле». М.: Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе, 2019. Т. 4. С. 297-300. Serbin D.V., Vasil'ev N.I., Dmitriev A.N., Bolshunov A.V. Thermal tool for drilling by melting with simultaneous expansion of ice wells. Materialy XIV Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii “Novye idei v naukakh o Zemle”. Moscow: Rossiyskiy gosudarstvennyy geologorazvedochnyy universitet imeni Sergo Ordzhonikidze, 2019. Vol. 4, p. 297-300. Hoseon Yoo. Analytical solutions to the unsteady close-contact melting on a flat plate // International Journal of Heat and Mass Transfer. Vol. 43. Iss. 8. P. 1457-1467. DOI: 10.1016/S0017-9310(99)00221-5 Hoseon Yoo. Analytical solutions to the unsteady close-contact melting on a flat plate. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2000. Vol. 43. Iss. 8, p. 1457-1467. DOI: 10.1016/S0017-9310(99)00221-5 Зеленчук А.В., Крыленков В.А. Зонды для исследования ледяных и подледных сред планет // Лед и снег. Т. 59. № 1. С. 123-134. DOI: 10.15356/2076-6734-2019-1-123-134 Zelenchuk A.V., Krylenkov V.A. Probes for the study of icy and subglacial environment of planets. Ice and Snow. 2019. Vol. 59. N 1, p. 123-134 (In Russian). DOI: 10.15356/2076-6734-2019-1-123-134 Wirtz M., Hildebrandt M. IceShuttle Teredo: An Ice-Penetrating Robotic System to Transport an Exploration AUV into the Ocean of Jupiter's Moon Europa // 67th International Astronautical Congress (IAC), 26-30 September 2016, Guadalajara, Mexico. №34241 Wirtz M., Hildebrandt M. IceShuttle Teredo: An Ice-Penetrating Robotic System to Transport an Exploration AUV into the Ocean of Jupiter's Moon Europa. 67th International Astronautical Congress (IAC), 26-30 September 2016, Guadalajara, Mexico. N 34241.