CC BY
13
УДК 622.243.23 https://doi.org/10.21440/2307-2091-2021-3-80-88
Предотвращение образования эмульсии при вскрытии подледниковых водоемов
Данил Васильевич СЕРБИН1*
Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия Аннотация
Актуальность работы. В феврале 2012 г. российскими учеными было проведено первое вскрытие подледников ого озера Восток в Антарктиде, затем в январе 2015 г. осуществлено повторное вскрытие. Первоочередной целью дальнейших исследований реликтового озера является взятие чистых проб озерной воды и донных отложений. Для этого необходимо прямое проникновение (in situ). Невозможно дальнейшее проведение исследований озера с использованием скважины чистого доступа на буровом комплексе «Восток» без соблюдения экологической безопасности, одним из критериев которой является образование эмульсии в момент вскрытия.
Цель работы состоит в исследовании истечения и подъема озерной воды в скважину, залитой низкотемпературной жидкостью, при вскрытии подледниковых водоемов, в частности озера Восток. Методология исследования. Для исследования истечения озерной воды в скважину при вскрытии подледникового водоема, исключающего перемешивание заливочной жидкости и озерной воды, были использованы законы гидродинамики (уравнение Бернулли и уравнение неразрывности потока жидкости), при этом была выведена новая формула для минимального диаметра канала сообщения скважина-подледниковое озеро.
Результаты. Разработана методика расчета для технологии экологически безопасного вскрытия подледникового озера Восток, которая количественно позволяет оценить основные влияющие факторы образования эмульсии, такие как создание недокомпенсации горного давления заливочной жидкостью, расширение нижнего участка скважины и создание гидравлического канала сообщения скважина-подледниковое озеро расчетного диаметра, а также позволит обеспечить контролируемый подъем озерной воды с заданной скоростью на необходимую высоту.
Выводы. Подготовка перед вскрытием подледников ого озера Восток, включающая уменьшение дифференциального давления с 0,2 до 0,1 МПа, расширение нижнего участка скважины в три раза и образование канала сообщения озеро-скважина диаметром d0 < 0,0173 м, приводит к общему уменьшению скорости подъема озерной воды в скважину в 738 раз.
Ключевые слова: Антарктида, подледниковое озеро Восток, вскрытие подледникового озера Восток, гидродинамика, бурение льда.
Введение
Исследование самых недоступных мест нашей планеты всегда вызывает интерес ученых всех стран. Мировое достижение по бурению глубокой скважины 5Г во льду в Антарктиде до глубины 3769,3 м и последующее вскрытие подледникового озера Восток стало возможным благодаря почти полувековым (1967-2012) исследованиям ученых кафедры бурения скважин Санкт-Петербургского горного университета, разработавшим основы теории теплового и механического разрушения льда и рыхлых отложений, а также технологии и технические средства бурения скважин методами плавления и механического разрушения [1-3].
Полное отсутствие света, высокое давление (до 40 МПа), специфический газовый и химический состав воды в подледниковом озере Восток, а также его продолжительная изоляция предполагают возможность возникновения и развития форм жизни, существенно отличающихся от известных современной науке [4, 5].
EDdanil.serbin@yandex.ru
https://orcid.org/0000-0002-9855-7178
Ученые предполагают, что жизнь в этой уникальной экосистеме является возможным аналогом жизни, которая, вполне вероятно, существует подо льдом некоторых спутников планет-гигантов, а также под ледяными шапками Марса [1, 5].
Первые результаты вскрытия в 2012 г. позволили уточнить термобарические условия на контакте ледовый массив-подледниковое озеро и являются основой для проектирования новой технологии вскрытия [6-10].
Наиболее целесообразным и эффективным для изучения подледникового озера Восток является бурение новой глубокой скважины чистого доступа на станции «Восток», где в настоящее время ведутся исследования, направленные на отработку технологии вскрытия и поддержания в рабочем состоянии нижнего участка скважины на время изучения подледникового озера, что позволит не только получить абсолютно уникальную информацию по различным научным дисциплинам,
но и в немалой степени укрепит престиж России в антарктических исследованиях [10].
Особенности технологии вскрытия подледникового озера Восток
Технологии бурения сквозь ледовый массив определяют способность использования существующих технологий вскрытия подледниковых водоемов [1, 10, 11-15]. Бурение скважины чистого доступа к подледников ому озеру Восток будет осуществляться с применением уже проверенной технологии бурения льда с полным отбором керна по всей скважине и последующим вскрытием под-ледникового озера, а также непосредственного проникновения в него для выполнения научно-исследовательских работ, таких как отбор проб озерной воды и донных отложений [16].
Технология бурения скважины чистого доступа к подледниковому озеру Восток подразумевает на первом этапе бурение тепловыми снарядами и последующий спуск и установку обсадной колонны на расчетную глубину для перекрытия снежно-фирнового слоя (по данным скв. 5Г, глубина обсадной колонны 120 м), на втором этапе колонковое бурение тепловыми снарядами с последующим переходом на электромеханические [8, 10, 16]. При реализации технологии на втором этапе скважина залита низкотемпературной экологически безопасной кремний-органической жидкостью (полиметилсилоксан) малой вязкости [9-11].
Подледниковое озеро Восток является уникальной природной системой [6], проведение дальнейших исследований которой невозможно без соблюдения ряда важнейших условий [3, 5, 10, 17-19]:
- экологическая безопасность проведения буровых и научно-исследовательских работ;
- устойчивость и целостность стенок скважины, заполненной озерной водой;
- исключение примерзания доставочного снаряда к стенками скважины;
- обеспечение необходимого чистого входа в озеро на время проведения в нем исследований;
- предотвращение образования эмульсии при истечении озерной воды в скважину и извлечении бурового оборудования;
- надежность и безотказность работы всех механизмов и систем устройства доставки научно-исследовательской аппаратуры в озеро.
Учеными Санкт-Петербургского горного университета разработана новая технология подготовки скважины, залитой экологически безопасной низкотемпературной жидкостью (полидиметилсилоксановая жидкость), с последующим вскрытием озера Восток [9, 10]. Разработанная технология предусматривает расширение нижнего участка скважины, что создаст условия для контролируемого подъема озерной воды и позволит существенно снизить колебания уровня воды в скважине при проведении спуско-подъемных операций, а также исключит загрязнение озера при проведении работ и примерзание к стенкам скважины доставочного снаряда с модулем, оснащенным научно-исследовательской аппаратурой, предупредит образование эмульсии во время подъема снаряда [10].
Оценка рисков при проведении расширения участка скважины вблизи поверхности озера позволяет сделать
вывод, что наиболее рациональной является следующая последовательность операций (рис. 1):
1. Бурение скважины останавливается за 1 м до поверхности озера (рис. 1, а);
2. Выполняется расширение участка на высоту 9 м механическим расширителем с периодическим извлечением шлама на поверхность (рис. 1, б);
3. Вскрытие озера проводится тепловым снарядом с узлом расширения без подъема расплавленной воды на поверхность (рис. 1, в, г) [13].
4. После вскрытия тепловым снарядом проводится калибровка нижнего метрового участка;
5. В скважину спускаются каверномер и телекамера для оценки состояния расширенного участка;
6. При удовлетворительном состоянии участка выхода в озеро выполняются намеченные исследования.
Образование эмульсии при вскрытии подледнико-вого озера Восток
Вскрытие подледниковых водоемов базируется на принципе недокомпенсации давления, которая представляет собой разницу между горным давлением Р (давление столба льда) и гидростатическим Р (давление столба заливочной жидкости). Горное давление должно быть больше гидростатического Р > Р , соблюдение данного условия обеспечивает при вскрытии подъем воды из озера в скважину. При реализации данного принципа вода поднимается в скважину за счет недокомпенсации давления, и ее истечение продолжается до момента, пока не наступит баланс давлений скважина-водоем (озеро) [5, 9].
В момент вскрытия струя озерной воды, поступающая в скважину, активно перемешивается с заливочной жидкостью, образуя эмульсию. Причем чем выше значение дифференциального давления, тем больше первоначальная скорость струи и, соответственно, скорость и высота подъема заливочной жидкости в скважину. Эмульсия представляет собой смесь воды и более холодной заливочной жидкости, что может привести к ее более быстрому замерзанию, чем чистой воды, а также приведет к загрязнению озерной воды в скважине, что не позволит отобрать чистые пробы. По результатам работ по вскрытию подледникового озера, при дифференциальном давлении 0,2 МПа вода поднимается в скважину на 30 м в кольцевом зазоре между поверхностью снаряда и стенками скважины и обгоняет его, поднимаясь выше снаряда примерно на 15 м. В процессе подъема воды в кольцевом зазоре происходит активное перемешивание воды с заливочной жидкостью, что приводит к образованию эмульсии. При диаметре бурения 132-135 мм диаметр используемой колонковой трубы в буровом снаряде составляет 127 мм, соответственно зазор между буровым снарядом и стенкой скважины составляет 2,5-4 мм. В основном жидкости перемешиваются в момент вскрытия и при подъеме на участке между верхним торцом насоса и нижним торцом электроотсека колонкового электромеханического снаряда (КЭМС). В этой зоне наружный диаметр на 19 мм меньше, чем диаметр колонковой трубы и шламосборного отсека. Кроме того, имеется несколько участков с диаметром около 50 мм. Когда подъем воды замедляется, буровой снаряд проходит через воду и эмульсию, находящиеся выше него, еще сильнее перемешивая их. Кроме того, из-за большой поверхности контакта воды с заливочной
Figure 1. Technology of opening the subglacial Lake Vostok
жидкостью создаются условия для быстрого образования большого количества твердых гидратов фреона (при условии, что заливочная жидкость представляет собой смесь авиационного керосина и фреона) [5, 9, 16].
Мероприятия по предотвращению образования эмульсии при вскрытии подледникового озера
Для исключения описанной ситуации необходимо снизить скорость подъема воды в затрубном пространстве и не допускать ее подъем выше нижнего торца насоса. При использовании теплового бурового снаряда-расширителя длина снаряда от нижнего торца пенетратора до верхнего торца насоса составляет 4 м, а при использовании КЭМС-132 длина от резцов коронки до верхнего торца насоса составляет 6-8 м [13, 14]. Предотвратить образование эмульсии можно за счет уменьшения абсолютного значения дифференциального давления или увеличения бокового зазора между поверхностью бурового снаряда и стенкой скважины, либо и тем и другим способами одновременно.
Увеличение зазора между буровым снарядом и стенками скважины возможно за счет расширения нижнего участка скважины, что является в первую очередь мероприятием по снижению высоты подъема воды в скважину и уменьшению колебаний ее уровня при проведении спуско-подъемных операций. Как показывает анализ результатов работ по вскрытию озера, эта мера оказывается также необходимой для предотвращения образования эмульсии, так как будет исключено активное перемешивание жидкости благодаря малой скорости подъема воды.
Разработанная учеными Санкт-Петербургского горного университета технология вскрытия подледниково-го озера Восток подразумевает использование теплового
снаряда для бурения с одновременным расширением на финальной стадии [11, 13]. В процессе бурения с одновременным расширением тепловым снарядом ледового массива образуется талая вода, которая является буферным слоем между заливочной жидкостью и озерной водой. Этот буферный слой является зоной активного перемешивания озерной воды с талой водой. Таким образом, создание буферного слоя также является мероприятием по предотвращению образования эмульсии.
Вода поступает из озера в скважину через отверстие, образовавшееся в процессе бурения тепловым буровым снарядом, диаметром, равным диаметру плоской поверхности нижнего торца пенетратора или гидравлического канала, центральная ось которого совпадает с осью пене-тратора [13]. В момент вскрытия струя ударит в рабочий орган теплового снаряда и приподнимет его, этот момент фиксируется датчиком осевой нагрузки, очевидно, что после первого, самого мощного гидравлического удара, давление струи со временем уменьшится за счет изменения диф еренциального давления, и снаряд опустится. Процесс истечения воды из озера в скважину проходит до тех пор, пока не наступит баланс давлений. По закону сохранения энергии, первоначальная струя будет иметь наибольшие давление и скорость истечения в скважину. В точке вскрытия скорость истечения струи озерной воды в скважину по закону гидродинамики (уравнение Даниила Бернулли) определяется из следующего выражения (1):
2ДР
=
При значении недокомпенсации давления АР = 0,1 МПа первоначальная скорость струи озерной воды в момент вскрытия составит V = 14,14 м/с, а при давлении АР = 0,2 МПа первоначальная скорость струи озерной воды в момент вскрытия составит v0 = 20,00 м/с. Таким образом, при уменьшении абсолютного значения дифференциального давления с 0,2 до 0,1 МПа скорость истечения жидкости в скважину уменьшится на 29,3 %.
Рассмотрим динамику течения струи при вскрытии подледникового озера. Истечение струи озерной воды в буферный слой талой воды имеет турбулентный характер, а ее сечение круглое, поведение такой струи описывает теория затопленных струй. Движение струи ограничено стенками и забоем скважины, а также элементами конструкции теплового снаряда и взаимодействует с окружающей средой (буферным слоем и заливочной жидкостью). Диаметр струи равен диаметру канала сообщения 40 (2), образовавшемуся в результате вскрытия между озером и скважиной, а он в свою очередь определяется конструкцией бурового снаряда, которым вскрывают озеро. Асимптотически такие круглые турбулентные струи распространяются в виде конуса с углом раствора порядка 20-25°, профиль средней скорости имеет колоколообраз-ный вид и может быть хорошо аппроксимирован нормальной кривой ошибок. Струя озерной воды будет увлекать некоторое количество талой воды, передавая ей часть своей первоначальной энергии. Увеличение расстояния I, пройденного струей от канала сообщения до рассматриваемого сечения границы заливочная жидкость-талая вода, приводит к увеличению ее диаметра ¿стр, при этом средняя скорость по оси направления г>0 ср уменьшается, и давление струи падает. Диаметр струи йстр имеет линейную зависимость от расстояния I и угла расширения струи а . Угол расширения а зависит от формы и длины ка-
стр 1 1 стр А 1
нала, а также числа Рейнольдса;
d = d,+2l te а.
стр 0 стр С
(2)
Максимальное значение скорости струи на оси V
1 1 ' тах 0 ср
находится из следующего выражения (3):
d0+2/0tga
(3)
где 10 - длина начального участка, по оси которого скорость постоянна и равна скорости истечения струи озерной воды в скважину vmax 0 = v0, м; /стр - расстояние вдоль оси от выхода из отверстиядорассматриваемогоучастка.
На рис. 2 наблюдается линейное увеличение длины начального участка, которая в большей степени зависит от диаметра канала. Призначении диаметраканала 0,11 м происходит полное выполаживание кривых, так как 10 = I .
Диаметр и длина участка расширения выбираются таким образом, чтобыобеспечить подъем озерной воды после вскрытия исключительнона расширенном участке скважины. Увеличение диаметра скважины на нижнем участке приведет к снижению скорости подъема озерной воды в момент вскрытия, предотвратит образование эмульсии за счет увеличения площади гидравлического прохода между стенкой скважины ибуровым снарядом, уменьшит высоту подъемастолбаозернойводы.
0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 Дифференциальное давление ДР, МПа
Рисунок 2. Зависимость скорости истечения струи из озера в скважину от дифференциального давления Figure 2. Dependence of the jet velocity from the lake into the well on the differential pressure
Рассмотрим динамику уровня заливочной жидкости и поднявшейся озерной воды в скважину.
Процесс подъема озерной воды в скважину через отверстие, образовавшееся при бурении тепловым снарядом, описывается уравнениями гидродинамики. Подъем воды имеет неравномерный характер движения жидкости до момента, пока не наступит баланс давлений системы озеро-скважина. В каждом живом сечении скважины расход останется постоянным, что описывает уравнение неразрывности потока жидкости (4):
voSo = VÄ = v 2S2 =Q = const,
(4)
где v0 - скорость истечения озерной воды в скважину, м/с; 50 - площадь живого сечения отверстия, образовавшегося от бурения тепловым снарядом, м2; V - скорость подъема заливочной жидкости на верхнем интервале, м/с; 51 - площадь живого сечения верхнего интервала, м2; v2 - скорость подъема озерной воды в скважину на участке расширения, м/с; Б2 - площадь живого сечения участка расширения, м2; Q - расход воды и жидкости, м2/с.
Озерная вода поднимается в скважину из-за разницы давлений заливочной жидкости и ледового массива в точке вскрытия озера, а также за счет извлечения грузонесу-щего кабеля и бурового снаряда (доставочного модуля с научно-исследов ательским о б орудов анием).
Рассмотрим все три возможных варианта:
> hl < h2 и vl < v2;
> h, = h„ и v, =
D > D2 =
D = D2 => hi = h2 и v, ~2> D1 < D2 = > hl > h2 и vx > v2,
где Б1 - диаметр скважины на верхней границе контакта заливочной жидкости с воздухом; й2 - диаметр скважины на нижней границе контакта заливочной жидкости с под-ледниковым озером.
В качестве критерия, характеризующего отношение площадей поперечного сечения верхнего и нижнего участков скважины, воспользуемся безразмерным коэффициентом сужения (расширения) Крнв (5):
К =
А
(5)
Д. В. Сербии. Предотвращение образования эмульсии при вскрытии подледниковых водоемов//Известия УГГУ. 2021. 83
Вып. 3 (63). С. 80-88. DO110.21440/2307-2091-2021-3-80-88
1
h т
о
О- m В
§ С Л ° с Л
н е ь т ь о
25
20
15
10
■ АР = 0,05 M Па АР = 0, 1 МПа
• АР = 0, 2 МПа
■ /о
0,01
0,03
0,05
0,07
0,09
0,11
0,13
0,15
0,17
5
0
Диаметр канала, м
Рисунок 3. Максимальная скорость истечения струи из озера в скважину на контакте заливочная жидкость-вода в зависимости от диаметра канала сообщения скважина-озеро
Figure 3. Maximum jet velocity from the lake to the well at the contact, the filling fluid - water, depending on the diameter of the channel for communication between the well and the lake
Рисунок 4. Схема скважины: 1 - тепловой буровой снаряд-расширитель (ТБСР 132/400); 2 - буферный слой;; Нз.ж - высота столба заливочной жидкости перед вскрытием подледникового водоема, м; Н'з.ж - высота столба заливочной жидкости после вскрытия подледникового водоема, м
Figure 4. Well layout: 1 - thermal under-reaming drill string (TBSR 132/400); 2 - buffer layer; Hd.f - the column height of the drilling fluid before opening the subglacial reservoir, m; H'd.f - the column height of the drilling fluid after opening the subglacial reservoir, m
Тогда из уравнения неразрывности потока жидкости (4) найдем отношения (6):
(6)
Рассмотрим динамику изменения скорости подъема воды и заливочной жидкости (рис. 5). По аналогии со скважиной 5Г диаметр на верхней границе контакта заливочной жидкости с воздухом й1 = 0,164 м; диаметр бурения В2 = 0,132 м; тогда при Крн = 1-5 диаметр на нижней границе контакта заливочной жидкости с подледниковым озером О, = 0,132-0,660 м.
Так, при увеличении диаметра на нижнем участке относительно верхнего участка в два раза высота и скорость подъема столба озерной воды в скважину после вскрытия уменьшится в четыре раза. При й2 = 0,396 м (Крнв = 2,415) скорость подъема на нижнем участке расширения v2 уменьшится в 5,83 раза.
Также введем безразмерный коэффициент расширения нижнего участка Кр.н, который является отношением диаметра расширения к диаметру бурения скважины (7):
О
(7)
Самым точным условием для предотвращения смешивания озерной воды и заливочной жидкости является управление характером истечения воды в скважину, что означает не допустить ее турбулентный подъем. Критерием перехода от ламинарного к турбулентному характеру течения потока является число Рейнольдса Б.е. При значении Б.е = 2300-4000 течение жидкости имеет переходный характер движения, Б.е = 4000 примем за верхнюю границу, при которой происходит подъем воды в скважину без перемешивания. Принимая во внимание (4), находим диаметр канала, при котором произойдет переход течения (8):
Рисунок 5. Уменьшение скорости подъема озерной воды в скважину от диаметра бурения-расширения Figure 5. Decrease in the rate of rise of lake water into the well depending on the diameter of under-reaming drilling
4,=
(8)
где ц-коэффициент потерь расхода,^ = 0,98.
На рис. 6 представлены максимально возможные диаметры канала сообщения для предотвращения образования эмульсии при недокомпенсации давления: АР = 0,05; 0,10; 0,15; 0,20 МПа.
Заключение
Разработанная учеными Санкт-Петербургского горного университета технология экологически безопасного вскрытия подледникового озера Восток, которая предполагает расширение нижнего участка скважины
0,026
0,024
0,022
0,020
0,018
0,016
0,014
0,012
1,5
2,0
2,5
0,05 МПа
3,0 3,5 4,0 4,5 ■0,10 МПа - 0,15 МПа -0,20 МПа
5,0
Кр
Рисунок 6. Максимальный диаметр канала для предотвращения перемешивания заливочной жидкости и озерной воды Figure6.Maximumchanneldiametertoprevent mixing ofthefillingfluidandlakewater
и последующее создание гидравлического канала сообщения озеро-скважина расчетного диаметра, позволит обеспечить контролируемый подъем озерной воды с заданной скоростью на необходимую высоту. Данная технология позволяет предотвратить образование эмульсии озерной воды и заливочной жидкости.
Уменьшение абсолютного значения дифференциального давления АР с 0,2 до 0,1 МПа приведет к снижению скорости истечения озерной воды v0 в скважину на 29,3 %. Расширение нижнего участка скважины от диаметра бурения й3 = 0,132 м до В2 = 0,396 м (при Крнв = 2,415 и Крн = 3) позволит уменьшить скорость подъема озерной воды ю2 на этом участке в 5,83 раза, а образование канала сообщения озеро-скважина диаметром й0 < 0,0173 м позволит уменьшить скорость подъема озерной воды ю2 в скважину еще в 89,5 раза. Образование буферного слоя из
талой воды позволит предотвратить образование эмульсии в первоначальный момент вскрытия подледникового озера.
Уменьшение дифференциального давления с 0,2 до 0,1 МПа, расширение нижнего участка скважины в 3 раза и образование канала сообщения озеро-скважина диаметром d0 < 0,0173 м приводит к общему уменьшению скорости v2 в 738 раз.
Новая технология вскрытия подледникового озера Восток отвечает высоким требованиям к экологической безопасности проведения геологоразведочных работ, которая предотвращает попадание заливочной жидкости из скважины в озеро за счет недокомпенсации горного давления, а также предупреждает образование эмульсии за счет расширения нижнего участка и образования канала сообщения озеро-скважина заданного диаметра.
ЛИТЕРАТУРА
1. Wright A., Siegert M. J. The identification and physiographical setting of Antarctic subglacial lakes: An update based on recent geophysical data // Antarctic Subglacial Aquatic Environments: Proc. of the Chapman Confer. on the Exploration and Study of Antarctic Subglacial Aquatic Environments. 2011. AGU, Washington, D.C. P. 9-26. https://doi.org/10.1029/2010GM000933
2. Siegert M. J., Ross N., Le Brocq A. M. Recent advances in understanding Antarctic subglacial lakes and hydrology // Phil. Trans. R. Soc. 2016. Vol. 374. Issue 2059. 20140306. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0306
3. Vasiliev N. I., Podoliyk A. V., Dmitriev A. N., Bolshunov A. V., Vasiliev D. A. Controlled directional drilling of boreholes in glacial mass using carrying cable tool // Topical Issues of Rational Use of Natural Resources 2019: Proceedings of the XV International Forum-Contest of Students and Young Researchers under the auspices of UNESCO (St. Petersburg Mining University, Russia, 13-17 May 2019). London: CRC Press, 2019. Vol. 1. P. 245-252.
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 // Phil. Trans. R. Soc. 2016. Vol. 374. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0301
5. 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 (120). С. 104-114. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2012-4-104-114
6. Антарктика: геоморфологический атлас / под ред. А. Н. Ласточкина. СПб: Карта, 2011. 255 с.
7. Васильев Н. И., Дмитриев А. Н., Блинов П. А. Бурение глубокой скважины на российской антарктической станции «Восток» // Вестник ОНЗ РАН. 2012. Т. 4. NZ2001. https://doi.org/10.2205/2012NZ000111
8. Lukin V. V., Vasiliev N. I. Technological aspects of the final phase of drilling borehole 5G and unsealing Vostok Subglacial Lake, East Antarctica // Ann. Glaciol. 2014. Vol. 55. Issue 65. P. 83-89. https://doi.org/10.3189/2014AoG65A002
9. Литвиненко В. С. Уникальные техника и технологии бурения скважин во льдах Антарктиды // Записки Горного Института. 2014. Т. 210. С. 5-10.
10. 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, 2017. С. 13-14.
11. Барков Н. И. Первая скважина на станции Восток // Лед и Снег. 2012. Т. 52. № 4 (120). С. 9-11.
12. Васильев Н. И., Сербин Д. В., Большунов А. В., Дмитриев А. Н. Тепловой буровой снаряд для бурения плавлением: пат. 2700143, Рос. Федерация. № dE21B 7/15; заявл. 04.15.19; опубл. 09.12.19. Бюл. № 26.
13. 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. (Москва, 02-05 апр. 2019 г.). СПб: ЛЕМА, 2017. С.13-14.
14. Yu H., Zhu T., Jiang X., Tang Y., Li X., Li C., Huang S., Shi J., Sun Y., Talalay P., Fan X., Li X., Li Y., Peng S. Recoverable Autonomous Sonde for subglacial lakes exploration: heating control system design // Annals of Glaciology. 2021. Р. 1-13. https://doi.org/10.1017/aog.2021.5
15. Methodology for clean access to the subglacial environment associated with the Whillans Ice Stream // ATCM IP 72. The 34th Antarctic Treaty Consultative Meeting (Buenos Aires, 20 June-1 July 2011). Buenos Aires: Secretariat of the Antarctic Treaty, 2011.
16. Литвиненко В. С., Васильев Н. И. Разработка породоразрушающего инструмента для бурения скважин во льду // Записки Горного института. 2012. Т. 197. С. 15-20.
17. Achberger A. M., Christner B. C., Michaud A. B., Priscu J. C., Skidmore M. L., Vick-Majors T. J. Microbial community structure of Subglacial Lake Whillans, West Antarctica // Front. Microbiol. 2016. Vol. 7. 1457. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.01457
18. Turkeev A. V., Vasiliev N. I., Lipenkov V. Ya., Bolshunov A. V., Ekaykin A. A., Dmitriev A. N., Vasiliev 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. Vol. 6. No. 1. Р. 1-6. https://doi.org/10.1017/ aog.2021.4
19. Bolshunov A. V., Dmitriev A. N., Ignatiev S. A. Enhancement of inertial mechanical reamer for borehole 5G conditioning to penetrate into subglacial lake Vostok // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 378. Р. 1-5. https://doi.org/10.1088/1755-1315/378/1/012006
Статья поступила в редакцию 29 июня 2021 года
УДК 622.243.23 https://doi.org/10.21440/2307-2091-2021-3-80-88
Prevention of emulsion formation during opening subglasial reservoirs
Danil Vasil'evich SERBIN1*
Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia Abstract
Relevance. In February 2012, Russian scientists carried out the first opening of the subglacial Lake Vostok in Antarctica, then in January 2015, a reopening was carried out. The primary goal of further studies of the relict lake is to take clean samples of lake water and bottom sediments. This requires direct penetration (in situ). It is impossible to further study the lake using a clean access well at the Vostok drilling complex without observing environmental safety, one of the criteria of which is the formation of an emulsion at the time of opening.
The purpose of this work is to study the outflow and rise of lake water into a well filled with low-temperature liquid when opening subglacial reservoirs, in particular Lake Vostok.
Research methodology. To study the outflow of lake water into a well when opening a subglacial reservoir, excluding mixing of the drilling fluid and lake water, the laws of hydrodynamics were used (Bernoulli's equation and continuity equation), meanwhile a new formula was derived for the minimum diameter of the well-subglacial lake communication channel.
Results. A calculation method has been developed for the technology of environmentally safe opening of the subglacial Lake Vostok, which makes it possible to quantitatively assess the main influencing factors of the formation of the emulsion, such as the creation of undercompensation of rock pressure with the drilling fluid, the expansion of the lower section of the well and the creation of a well-subglacial lake hydraulic communication channel with a design diameter, and will also allow to provide a controlled rise of lake water at a given speed to the required height. Conclusions. Preparation before opening the subglacial Lake Vostok, including a decrease in differential pressure from 0.2 to 0.1 MPa, expansion of the lower section of the well by three times and the formation of a lake-well communication channel with a diameter of d0 < 0,0173 m, leads to a general decrease in the rise velocity of lake water into the well by 738 times.
Keywords: Antarctica, subglacial lake Vostok, opening of subglacial lake Vostok, hydrodynamics, ice drilling.
REFERENCES
1. Wright A., Siegert M. J. 2011, The identification and physiographical setting of Antarctic subglacial lakes: An update based on recent geophysical data. Antarctic Subglacial Aquatic Environments: Proc. of the Chapman Confer. on the Exploration and Study of Antarctic Subglacial Aquatic Environments. AGU, Washington, D.C., pp. 9-26. https://doi.org/10.1029/2010GM000933
2. Siegert M. J., Ross N., Le Brocq A. M. 2016, Recent advances in understanding Antarctic subglacial lakes and hydrology. Phil. Trans. R. Soc., vol. 374, issue 2059. 20140306. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0306
3. Vasiliev N. I., Podoliyk A. V., Dmitriev A. N., Bolshunov A. V., Vasiliev D. A. 2019, Controlled directional drilling of boreholes in glacial mass using carrying cable tool. Topical Issues of Rational Use of Natural Resources 2019: Proceedings of the XV International Forum-Contest of Students and Young Researchers under the auspices of UNESCO (St. Petersburg Mining University, Russia, 13-17 May 2019). London: CRC Press, vol. 1, pp. 245-252.
4. McKay R. M., Barrett P. J., Levy R. S., Naish T. R., Golledge N. R., Pyne A. 2016. Antarctic Cenozoic climate history from sedimentary records: ANDRILL and beyond. Phil. Trans. R. Soc., vol. 374. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0301
5. Alekhina I. A., Vasiliev N. I., Lipenkov V. Ya. 2012, Problems of environmental protection and ecological monitoring in projects for the study of subglacial lakes of Antarctica. Ice and Snow, vol. 52, no. 4 (120), pp. 104-114. (In Russ.) https://doi.org/10.15356/2076-6734-2012-4-104-114
6. 2011, Antarctica: Geomorphological atlas. A. N. Lastochkina (ed.). Saint Petersburg, 255 p.
7. Vasiliev N. I., Dmitriev A. N., Blinov P. A. 2012, Drilling a deep well at the Russian Antarctic station "Vostok". Vestnik Otdelenia nauk o Zemle RAN, vol. 4. NZ2001. https://doi.org/10.2205/2012NZ000111 (In Russ.)
8. Lukin V. V., Vasiliev N. I. 2014, Technological aspects of the final phase of drilling borehole 5G and unsealing Vostok Subglacial Lake, East Antarctica. Ann. Glaciol., vol. 55, issue 65, pp. 83-89. https://doi.org/10.3189/2014AoG65A002
9. Litvinenko V. S. 2014, Unique techniques and technologies for drilling wells in the ice of Antarctica. Notes of the Mining Institute, vol. 210, pp. 5-10.
10. Bolshunov A. V., Vasiliev N. I., Dmitriev A. N., Podolyak A. V., Serbin D. V., Turkeev A. V. 2017, Features of the technology of environmentally safe opening of the Vostok Lake in Antarctica and technical means for its implementation. Drilling in complicated conditions: Materials of the International scientific and practical conference. Saint Petersburg, pp.13-14. (In Russ.)
11. Barkov N. I. 2012, First well at Vostok station. Ice and Snow, vol. 52, no. 4, pp. 9-11.
12. Vasiliev N. I., Serbin D. V., Bolshunov A. V., Dmitriev A. N. Thermal shell for melting drilling: Patent RF 2700143. 2019. (In Russ.)
13. Serbin D. V., Vasiliev N. I., Bolshunov A. V., Dmitriev A. N. 2017, Thermal drill for fusion drilling with simultaneous expansion of ice wells. New Ideas in the Earth Sciences: Materials of the XIV International Scientific and Practical Conference (Moscow, April 02-05, 2019). Saint Petersburg, pp. 13-14.
EDdanil.serbin@yandex.ru
https://orcid.org/0000-0002-9855-7178
14. Yu H., Zhu T., Jiang X., Tang Y., Li X., Li C., Huang S., Shi J., Sun Y., Talalay P., Fan X., Li X., Li Y., Peng S. 2021, Recoverable Autonomous Sonde for subglacial lakes exploration: heating control system design. Annals of Glaciology, pp. 1-13. https://doi.org/10.1017/aog.2021.5
15. Methodology for clean access to the subglacial environment associated with the Whillans Ice Stream. ATCM IP 72. The 34th Antarctic Treaty Consultative Meeting (Buenos Aires, 20 June-1 July 2011). Buenos Aires: Secretariat of the Antarctic Treaty, 2011.
16. Litvinenko V. S., Vasiliev N. I. 2012, Development of rock cutting tools for drilling wells in ice. Notes of the Mining Institute, vol. 197, pp. 15-20.
17. Achberger A. M., Christner B. C., Michaud A. B., Priscu J. C., Skidmore M. L., Vick-Majors T. J. 2016, Microbial community structure of Subglacial Lake Whillans, West Antarctica. Front. Microbiol., vol. 7. 1457. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.01457
18. Turkeev A. V., Vasiliev N. I., Lipenkov V. Ya., Bolshunov A. V., Ekaykin A. A., Dmitriev A. N., Vasiliev D. A. 2021, Drilling the new 5G-5 branch hole at Vostok Station for collecting a replicate core of old meteoric ice. Annals of Glaciology, vol. 6, no. 1, pp. 1-6. https://doi.org/10.1017/ aog.2021.4
19. Bolshunov A. V., Dmitriev A. N., Ignatiev S. A. 2019, Enhancement of inertial mechanical reamer for borehole 5G conditioning to penetrate into subglacial lake Vostok. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, vol. 378, pp. 1-5. https://doi.org/10.1088/1755-1315/378/1/012006
The article was received on June 29, 2021
