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 VWTPCM pmi-16749 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16749 Геотехнология и инженерная геология Geotechnical Engineering and Engineering Geology Experimental ice drilling with organosilicon fluid using the KEMS-135 drill in borehole 5G (Vostok Station, Antarctica) Экспериментальное бурение льда с кремнийорганической жидкостью снарядом КЭМС-135 в скважине 5Г (станция Восток, Антарктида) Bolshunov Aleksei V. Большунов А. В. Bolshunov Aleksei V. Bolshunov_AV@pers.spmi.ru 0000-0002-3879-7380 Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II (Санкт-Петербург, Россия) Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University (Saint Petersburg, Russia) Ignatev Sergei A. Игнатьев С. А. Ignatev Sergei A. Ignatev_SA@pers.spmi.ru 0000-0002-5527-0978 Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II (Санкт-Петербург, Россия) Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University (Saint Petersburg, Russia) Serbin Danil V. Сербин Д. В. Serbin Danil V. Serbin_DV@pers.spmi.ru 0000-0002-9855-7178 Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II (Санкт-Петербург, Россия) Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University (Saint Petersburg, Russia) Turkeev Aleksei V. Туркеев А. В. Turkeev Aleksei V. turkeev@aari.ru 0000-0002-9453-4059 Арктический и антарктический научно-исследовательский институт (Санкт-Петербург, Россия) Arctic and Antarctic Research Institute (Saint Petersburg, Russia) 07 07 2025 2025 273 147 158 26 04 2025 05 06 2025 07 07 2025 © 2025 А. В. Большунов, С. А. Игнатьев, Д. В. Сербин, А. В. Туркеев © 2025 Aleksei V. Bolshunov, Sergei A. Ignatev, Danil V. Serbin, Aleksei V. Turkeev 2025 А. В. Большунов, С. А. Игнатьев, Д. В. Сербин, А. В. Туркеев Aleksei V. Bolshunov, Sergei A. Ignatev, Danil V. Serbin, Aleksei V. Turkeev Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0) https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16749

Представлены результаты экспериментального бурения конжеляционного льда в стволе скважине 5Г-5 на станции Восток (Антарктида) с применением колонкового снаряда КЭМС-135 в среде кремнийорганической жидкости ПМС-3. Исследования проводились во время 70-й Российской антарктической экспедиции и были направлены на оценку эффективности технологии при глубоком бурении ледников и вскрытии подледниковых водоемов, а также определение рациональных режимных параметров бурения. Подготовка скважины включала извлечение заливочной жидкости, комплекс геофизических исследований и калибровку ствола. Доставка ПМС-3 на забой осуществлялась с использованием специализированного устройства «Слоник». Экспериментальное бурение конжеляционного льда проходило с применением колонкового снаряда КЭМС-135. Выполнено два буровых рейса с отбором керна длиной 1,10 и 1,14 м, глубина бурения – 3595,15-3597,39 м. Контроль наличия на забое ПМС-3 осуществлялся посредством геофизических исследований и пробоотбора. Особое внимание уделялось анализу режимов бурения, включая механические скорости, характеристики шлама и влияние ПМС-3 на элементы бурового оборудования. Результаты экспериментального бурения показали увеличение механической скорости бурения в среде кремнийорганической жидкости ПМС-3 на 15-20 % по сравнению с используемой заливочной жидкостью (керосин + дихлорфторэтан), а также отсутствие зашламования коронки и улучшение смазывающих свойств жидкости. Определены перспективные направления дальнейших исследований, связанных с оптимизацией конструкции бурового снаряда для работы в среде ПМС-3 и изучением долгосрочного воздействия на подледниковые экосистемы.

The article presents the results of experimental drilling of congelation ice in the branch hole 5G-5 at the Vostok Station (Antarctica) using the KEMS-135 coring drill in the PMS-3 organosilicon fluid. The studies were conducted during the 70th Russian Antarctic Expedition and were aimed at assessing the technology efficiency in deep glacier drilling and opening of subglacial reservoirs, as well as at determining rational drilling parameters. Borehole preparation included extraction of drilling fluid, a body of geophysical studies, and wellbore reaming. The PMS-3 was delivered to the bottomhole using a specialized device called “Slonik”. Experimental drilling of congelation ice was conducted by the KEMS-135 coring drill. Two drilling runs were performed with core sampling of 1.10 and 1.14 m long, drilling depth 3595.15-3597.39 m. The presence of PMS-3 at the bottomhole was monitored by geophysical studies and sampling. Particular attention was given to analysing drilling modes, including mechanical speed, cuttings properties, and the effect of PMS-3 on the drilling equipment elements. The results of experimental drilling showed an increase in the mechanical drilling speed in the PMS-3 organosilicon fluid environment by 15-20 % compared to the used drilling fluid (kerosene + dichlorofluoroethane), as well as the absence of crown plugging and improved lubricating properties of the fluid. The article describes the promising areas of further research related to the drill design optimization for operation in the PMS-3 environment and the study of the long-term impact on subglacial ecosystems.

 Ключевые слова Антарктида подледниковое озеро Восток экологически безопасное бурение колонковый снаряд КЭМС-135 кремнийорганическая жидкость Keywords Antarctica subglacial Lake Vostok environmentally friendly drilling KEMS-135 coring drill organosilicon fluid Исследование выполнено с помощью субсидии на выполнение Государственного задания в сфере научной деятельности на 2024 г. № FSRW-2024-0003. The research was performed at the expense of the subsidy for the State assignment in the field of scientific activity for 2024 N FSRW-2024-0003. Siegert M.J., Priscu J.C., Alekhina I.A. et al. Antarctic subglacial lake exploration: first results and future plans // Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2016. Vol. 374. Iss. 2059. DOI: 10.1098/rsta.2014.0466 Siegert M.J., Priscu J.C., Alekhina I.A. et al. Antarctic subglacial lake exploration: first results and future plans. Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2016. Vol. 374. Iss. 2059. DOI: 10.1098/rsta.2014.0466 Livingstone S.J., Yan Li, Rutishauser A. et al. Subglacial lakes and their changing role in a warming climate // Nature Reviews Earth & Environment. 2022. Vol. 3. Iss. 2. P. 106-124. DOI: 10.1038/s43017-021-00246-9 Livingstone S.J., Yan Li, Rutishauser A. et al. Subglacial lakes and their changing role in a warming climate. Nature Reviews Earth & Environment. 2022. Vol. 3. Iss. 2, p. 106-124. DOI: 10.1038/s43017-021-00246-9 Smith A.M., Woodward J., Ross N. et al. Evidence for the long-term sedimentary environment in an Antarctic subglacial lake // Earth and Planetary Science Letters. 2018. Vol. 504. P. 139-151. DOI: 10.1016/j.epsl.2018.10.011 Smith A.M., Woodward J., Ross N. et al. Evidence for the long-term sedimentary environment in an Antarctic subglacial lake. Earth and Planetary Science Letters. 2018. Vol. 504, p. 139-151. DOI: 10.1016/j.epsl.2018.10.011 Priscu J.C., Kalin J., Winans J. et al. Scientific access into Mercer Subglacial Lake: scientific objectives, drilling operations and initial observations // Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62. Iss. 85-86. P. 340-352. DOI: 10.1017/aog.2021.10 Priscu J.C., Kalin J., Winans J. et al. Scientific access into Mercer Subglacial Lake: scientific objectives, drilling operations and initial observations. Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62. Iss. 85-86, p. 340-352. DOI: 10.1017/aog.2021.10 Yan Zhou, Xiangbin Cui, Zhenxue Dai et al. The Antarctic Subglacial Hydrological Environment and International Drilling Projects: A Review // Water. 2024. Vol. 16. Iss. 8. № 1111. DOI: 10.3390/w16081111 Yan Zhou, Xiangbin Cui, Zhenxue Dai et al. The Antarctic Subglacial Hydrological Environment and International Drilling Projects: A Review. Water. 2024. Vol. 16. Iss. 8. N 1111. DOI: 10.3390/w16081111 Талалай П.Г., Фан Х. Альтернативные решения экологически чистого вскрытия подледникового озера Восток // Проблемы Арктики и Антарктики. 2024. Т. 70. № 4. С. 499-513 (in English). DOI: 10.30758/0555-2648-2024-70-4-499-513 Talalay P.G., Xiaopeng Fan. Alternative clean approaches to accessing subglacial Lake Vostok. Arctic and Antarctic Research. 2024. Vol. 70. N 4, p. 499-513. DOI: 10.30758/0555-2648-2024-70-4-499-513 Kapitsa A.P., Ridley J.K., Robin G. de Q. et al. A large deep freshwater lake beneath the ice of central East Antarctica // Nature. 1996. Vol. 381. Iss. 6584. P. 684-686. DOI: 10.1038/381684a0 Kapitsa A.P., Ridley J.K., Robin G. de Q. et al. A large deep freshwater lake beneath the ice of central East Antarctica. Nature. 1996. Vol. 381. Iss. 6584, p. 684-686. DOI: 10.1038/381684a0 Попов С.В., Боронина А.С., Екайкин А.А. и др. Дистанционные исследования и математическое моделирование озера Восток, Восточная Антарктида: прошлое, настоящее и будущее // Проблемы Арктики и Антарктики. 2024. Т. 70. № 4. С. 460-476 (in English). DOI: 10.30758/0555-2648-2024-70-4-460-476 Popov S.V., Boronina A.S., Ekaykin A.A. et al. Remote sensing and mathematical modelling of Lake Vostok, East Antarctica: past, present and future research. Arctic and Antarctic Research. 2024. Vol. 70. N 4, p. 460-476. DOI: 10.30758/0555-2648-2024-70-4-460-476 Лукин В.В., Марков А.Н. Гипотеза тектонического доледникового генезиса котловины и водного тела антарктического озера Восток // География и природные ресурсы. 2024. Т. 45. № 2. С. 153-164. DOI: 10.15372/GIPR20240216 Lukin V.V., Markov A.N. Hypothesis of Tectonic Preglacial Genesis of the Basin and Water Body of Antarctica’s Lake Vostok. Geography and Natural Resources. 2024. Vol. 45. N 2, p. 192-201. DOI: 10.1134/S1875372824700264 Lukin V., Bulat S. Vostok Subglacial Lake: Details of Russian Plans/Activities for Drilling and Sampling // Antarctic Subglacial Aquatic Environments. American Geophysical Union, 2011. Vol. 192. P. 187-197. DOI: 10.1002/9781118670354.ch11 Lukin V., Bulat S. Vostok Subglacial Lake: Details of Russian Plans/Activities for Drilling and Sampling. Antarctic Subglacial Aquatic Environments. American Geophysical Union, 2011. Vol. 192, p. 187-197. DOI: 10.1002/9781118670354.ch11 Litvinenko V. 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. 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 Горелик Г.Д., Егоров А.С., Шуклин И.А., Ушаков Д.Е. Обоснование оптимального комплекса геофизических исследований глубинного строения района озера Восток // Горный журнал. 2024. № 9. С. 56-61. DOI: 10.17580/gzh.2024.09.09 Gorelik G.D., Egorov A.S., Shuklin I.A., Ushakov D.E. Substantiation of optimal range of geophysical surveys to study deep structure of the Lake Vostok area. Gornyi zhurnal. 2024. N 9, p. 56-61 (in Russian). DOI: 10.17580/gzh.2024.09.09 Vasiliev N.I., Talalay P.G., Bobin N.E. et al. Deep drilling at Vostok station, Antarctica: history and recent events // Annals of Glaciology. 2007. Vol. 47. P. 10-23. DOI: 10.3189/172756407786857776 Vasiliev N.I., Talalay P.G., Bobin N.E. et al. Deep drilling at Vostok Station, Antarctica: history and recent events. Annals of Glaciology. 2007. Vol. 47, p. 10-23. DOI: 10.3189/172756407786857776 Липенков В.Я., Туркеев А.В., Екайкин А.А. и др. Вскрытие подледникового озера Восток: уроки и выводы для будущих полномасштабных исследований // Проблемы Арктики и Антарктики. 2024. Т. 70. № 4. С. 477-498 (in English). DOI: 10.30758/0555-2648-2024-70-4-477-498 Lipenkov V.Ya., Turkeev A.V., Ekaykin A.A. et al. Unsealing Subglacial Lake Vostok: Lessons and implications for future full-scale exploration. Arctic and Antarctic Research. 2024. Vol. 70. N 4, p. 477-498. DOI: 10.30758/0555-2648-2024-70-4-477-498 Большунов А.В., Васильев Н.И., Тимофеев И.П. и др. Перспективное технологическое решение по отбору проб донных отложений подледникового озера Восток: актуальность и постановка задач исследований // Записки Горного института. 2021. Т. 252. С. 779-787. DOI: 10.31897/PMI.2021.6.1 Bolshunov A.V., Vasiliev N.I., Timofeev I.P. et al. Potential technological solution for sampling the bottom sediments of the subglacial lake Vostok: relevance and formulation of investigation goals. Journal of Mining Institute. 2021. Vol. 252, p. 779-787. DOI: 10.31897/PMI.2021.6.1 Игнатьев С.А., Васильев Д.А., Большунов А.В. и др. Экспериментальные исследования переноса ледяного шлама воздухом при бурении снежно-фирновой толщи // Лед и Снег. 2023. Т. 63. № 1. С. 141-152. DOI: 10.31857/S2076673423010076 Ignatiev S.A., Vasilev D.A., Bolshunov A.V. et al. Experimental research of ice cuttings transport by air while drilling of the snow-firn layer. Ice and Snow. 2023. Vol. 63. N 1, p. 141-152 (in Russian). DOI: 10.31857/S2076673423010076 Шишкин Е.В., Большунов А.В., Тимофеев И.П. и др. Модель шагающего пробоотборника для исследования донной поверхности подледникового озера Восток // Записки Горного института. 2022. Т. 257. С. 853-864. DOI: 10.31897/PMI.2022.53 Shishkin E.V., Bolshunov A.V., Timofeev I.P. et al. Model of a walking sampler for research of the bottom surface in the subglacial lake Vostok. Journal of Mining Institute. 2022. Vol. 257, p. 853-864. DOI: 10.31897/PMI.2022.53 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. Vasilev N.I., Dmitriev A.N., Lipenkov V.Ya. Results of the 5G borehole drilling at Russian Antarctic station Vostok and researches of ice cores. Journal of Mining Institute. 2016. Vol. 218, p. 161-171 (in Russian). Talalay P.G. Mechanical Ice Drilling Technology. Springer, 2016. 284 p. DOI: 10.1007/978-981-10-0560-2 Talalay P.G. Mechanical Ice Drilling Technology. Springer, 2016, p. 284. DOI: 10.1007/978-981-10-0560-2 Алехина И.А., Москвин А.Л., Екайкин А.А., Липенков В.Я. Фенольные соединения в скважине 5Г на станции Восток после вскрытия подледникового озера // Лед и Снег. 2017. Т. 57. № 3. С. 417-426. DOI: 10.15356/2076-6734-2017-3-417-426 Alekhina I.A., Moskvin A.L., Ekaykin A.A., Lipenkov V.Ya. Phenol compounds in the borehole 5G, Vostok Station, after the unlocking of the subglacial lake. Ice and Snow. 2017. Vol. 57. N 3, p. 417-426 (in Russian). DOI: 10.15356/2076-6734-2017-3-417-426 Липенков В.Я., Екайкин А.А., Алехина И.А. и др. Эволюция климата, оледенения и подледниковой среды Антарктиды по данным исследований ледяных кернов и проб воды озера Восток (Основные итоги работ по проекту РНФ, 2014-2016 гг.) // Лед и Снег. 2017. Т. 57. № 1. С. 133-141. DOI: 10.15356/2076-6734-2017-1-133-141 Lipenkov V.Ya., Ekaykin A.A., Alekhina I.A. et al. Evolution of climate, glaciation and subglacial environments of Antarctica from the deep ice core and Lake Vostok water sample studies (Key results of implementation of the Russian Science Foundation project, 2014-2016). Ice and Snow. 2017. Vol. 57. N 1, p. 133-141 (in Russian). DOI: 10.15356/2076-6734-2017-1-133-141 Алехина И.А., Васильев Н.И., Екайкин А.А., Липенков В.Я. Предварительные результаты исследований химического состава воды, замерзшей в буровой скважине после вскрытия озера Восток // Проблемы Арктики и Антарктики. 2014. № 2 (100). С. 5-14. Alekhina I.A., Vasilev N.I., Ekaikin A.A., Lipenkov V.Ya. Preliminary results of chemistry studies of water frozen in a borehole after opening Lake Vostok. Problemy Arktiki i Antarktiki. 2014. N 2 (100), p. 5-14. Triest J., Alemany O. Drill fluid selection for the SUBGLACIOR probe: a review of silicone oil as a drill fluid // Annals of Glaciology. 2014. Vol. 55. Iss. 68. P. 311-321. DOI: 10.3189/2014AoG68A028 Triest J., Alemany O. Drill fluid selection for the SUBGLACIOR probe: a review of silicone oil as a drill fluid. Annals of Glaciology. 2014. Vol. 55. Iss. 68, p. 311-321. DOI: 10.3189/2014AoG68A028 Alemany O., Talalay P., Boissonneau P. et al. The SUBGLACIOR drilling probe: hydraulic considerations // Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62. Iss. 84. P. 131-142. DOI: 10.1017/aog.2020.79 Alemany O., Talalay P., Boissonneau P. et al. The SUBGLACIOR drilling probe: hydraulic considerations. Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62. Iss. 84, p. 131-142. DOI: 10.1017/aog.2020.79 Litvinenko V., Trushko V. Modelling of geomechanical processes of interaction of the ice cover with subglacial Lake Vostok in Antarctica // Antarctic Science. 2025. Vol. 37. Iss. 1. P. 39-48. DOI: 10.1017/S0954102024000506 Litvinenko V., Trushko V. Modelling of geomechanical processes of interaction of the ice cover with subglacial Lake Vostok in Antarctica. Antarctic Science. 2025. Vol. 37. Iss. 1, p. 39-48. DOI: 10.1017/S0954102024000506 Talalay P.G., Hong J. Perspectives for development of ice drilling technology: continuation of the discussion // Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62. Iss. 84. P. 143-156. DOI: 10.1017/aog.2020.81 Talalay P.G., Hong J. Perspectives for development of ice drilling technology: continuation of the discussion. Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62. Iss. 84, p. 143-156. DOI: 10.1017/aog.2020.81 Ning Liu, Huiwen Xu, Yang Yang et al. Physicochemical properties of potential low-temperature drilling fluids for deep ice core drilling // Cold Regions Science and Technology. 2016. Vol. 129. P. 45-50. DOI: 10.1016/j.coldregions.2016.06.004 Ning Liu, Huiwen Xu, Yang Yang et al. Physicochemical properties of potential low-temperature drilling fluids for deep ice core drilling. Cold Regions Science and Technology. 2016. Vol. 129, p. 45-50. DOI: 10.1016/j.coldregions.2016.06.004 Talalay P., Cheng Yang, Pinlu Cao et al. Ice-core drilling problems and solutions // Cold Regions Science and Technology. 2015. Vol. 120. P. 1-20. DOI: 10.1016/j.coldregions.2015.08.014 Talalay P., Cheng Yang, Pinlu Cao et al. Ice-core drilling problems and solutions. Cold Regions Science and Technology. 2015. Vol. 120, p. 1-20. DOI: 10.1016/j.coldregions.2015.08.014 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. № 125556. DOI: 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. Vol. 80. Iss. 3. N 125556. DOI: 10.1016/j.chemer.2019.125556 Липенков В.Я., Туркеев А.В., Васильев Н.И. и др. Температура плавления льда и газосодержание воды на контакте ледника с подледниковым озером Восток // Проблемы Арктики и Антарктики. 2021. Т. 67. № 4. С. 348-367. DOI: 10.30758/0555-2648-2021-67-4-348-367 Lipenkov V.Ya., Turkeev A.V., Vasilev N.I. et al. Melting temperature of ice and total gas content of water at the ice-water interface above subglacial Lake Vostok. Arctic and Antarctic Research. 2021. Vol. 67. N 4, p. 348-367 (in Russian). DOI: 10.30758/0555-2648-2021-67-4-348-367 Markov A., Talalay P., Sysoev M. et al. Borehole multi-functional logger for geophysical high-precision monitoring in Antarctic and Greenland ice sheets and glaciers // Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62. Iss. 85-86. P. 374-384. DOI: 10.1017/aog.2021.17 Markov A., Talalay P., Sysoev M. et al. Borehole multi-functional logger for geophysical high-precision monitoring in Antarctic and Greenland ice sheets and glaciers. Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62. Iss. 85-86, p. 374-384. DOI: 10.1017/aog.2021.17 Motoyama H., Takahashi A., Tanaka Y. et al. Deep ice core drilling to a depth of 3035.22 m at Dome Fuji, Antarctica in 2001–07 // Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62. Iss. 85-86. P. 212-222. DOI: 10.1017/aog.2020.84 Motoyama H., Takahashi A., Tanaka Y. et al. Deep ice core drilling to a depth of 3035.22 m at Dome Fuji, Antarctica in 2001–07. Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62. Iss. 85-86, p. 212-222. DOI: 10.1017/aog.2020.84 Kern Z., Perșoiu A. A Review of Ice Core Drilling in Cave Environment – Challenges, Achievements and Future Directions // Frontiers in Earth Science. 2022. Vol. 9. № 720038. DOI: 10.3389/feart.2021.720038 Kern Z., Perșoiu A. A Review of Ice Core Drilling in Cave Environment – Challenges, Achievements and Future Directions. Frontiers in Earth Science. 2022. Vol. 9. N 720038. DOI: 10.3389/feart.2021.720038 Turkeev A.V., Vasilev N.I., Lipenkov V.Ya. et al. Drilling the new 5G-5 branch hole at Vostok Station for collecting a replicate core of old meteoric ice // Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62. Iss. 85-86. P. 305-310. DOI: 10.1017/aog.2021.4 Turkeev A.V., Vasilev N.I., Lipenkov V.Ya. et al. Drilling the new 5G-5 branch hole at Vostok Station for collecting a replicate core of old meteoric ice. Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62. Iss. 85-86, p. 305-310. DOI: 10.1017/aog.2021.4