La perforación de hielo permite a los científicos que estudian los glaciares y las capas de hielo para obtener acceso a lo que está debajo del hielo, tomar medidas a lo largo del interior del hielo y recuperar muestras. Los instrumentos se pueden colocar en los orificios perforados para registrar la temperatura, la presión, la velocidad, la dirección del movimiento y para otras investigaciones científicas, como la detección de neutrinos .
Se han utilizado muchos métodos diferentes desde 1840, cuando la primera expedición científica de perforación de hielo intentó perforar el Unteraargletscher en los Alpes . Dos de los primeros métodos fueron la percusión, en la que el hielo se fractura y pulveriza, y la perforación rotatoria, un método que se utiliza a menudo en la exploración de minerales para la perforación de rocas. En la década de 1940 se comenzaron a utilizar taladros térmicos; estos taladros derriten el hielo calentando el taladro. Pronto siguieron ejercicios que utilizan chorros de agua caliente o vapor para perforar el hielo. Un creciente interés en los núcleos de hielo , utilizados para paleoclimatologíaLa investigación condujo al desarrollo de taladros de extracción de muestras de hielo en las décadas de 1950 y 1960, y ahora se utilizan muchas perforadoras de extracción de muestras diferentes. Para obtener núcleos de hielo de pozos profundos, la mayoría de los investigadores utilizan taladros electromecánicos suspendidos por cable, que utilizan un cable blindado para llevar energía eléctrica a un taladro mecánico en el fondo del pozo.
En 1966, un equipo estadounidense perforó con éxito la capa de hielo de Groenlandia en Camp Century , a una profundidad de 1387 metros (4551 pies). Desde entonces, muchos otros grupos han logrado llegar al lecho rocoso a través de las dos capas de hielo más grandes, en Groenlandia y la Antártida . Los proyectos recientes se han centrado en encontrar ubicaciones de perforación que darán a los científicos acceso a hielo no perturbado muy antiguo en el fondo del pozo, ya que se requiere una secuencia estratigráfica inalterada para fechar con precisión la información obtenida del hielo.
Objetivos de la perforación de hielo
Las primeras expediciones científicas de perforación de hielo, dirigidas por Louis Agassiz entre 1840 y 1842, tenían tres objetivos: demostrar que los glaciares fluían, [2] medir la temperatura interna de un glaciar a diferentes profundidades [3] y medir el espesor de un glaciar. [4] La prueba del movimiento del glaciar se logró colocando estacas en los agujeros perforados en un glaciar y siguiendo su movimiento desde la montaña circundante. [2] La perforación a través de los glaciares para determinar su espesor y para probar las teorías del movimiento y la estructura de los glaciares continuó siendo de interés durante algún tiempo, [5] pero el espesor de los glaciares se ha medido mediante técnicas sismográficas desde la década de 1920. [6] [7] Aunque ya no es necesario perforar un glaciar para determinar su grosor, los científicos aún perforan agujeros en el hielo para estos estudios sísmicos. [8] [9] Las mediciones de temperatura continúan hasta el día de hoy: [3] modelar el comportamiento de los glaciares requiere una comprensión de su temperatura interna, [3] y en las capas de hielo, la temperatura del pozo a diferentes profundidades puede proporcionar información sobre climas pasados . [10] Se pueden introducir otros instrumentos en el pozo, como piezómetros , para medir la presión dentro del hielo, [11] o cámaras, para permitir una revisión visual de la estratigrafía. [12] IceCube , un gran proyecto astrofísico, requirió la colocación de numerosos sensores ópticos en agujeros de 2,5 km de profundidad, perforados en el Polo Sur. [13]
La inclinación del pozo y el cambio de inclinación a lo largo del tiempo se pueden medir en un pozo entubado , un pozo en el que se ha colocado una tubería hueca como " revestimiento " para mantener el pozo abierto. Esto permite mapear periódicamente la posición tridimensional del pozo, revelando el movimiento del glaciar, no solo en la superficie, sino en todo su espesor. [14] Para comprender si un glaciar se está reduciendo o creciendo, se debe medir su balance de masa : este es el efecto neto de las ganancias de la nieve fresca, menos las pérdidas por derretimiento y sublimación. Una forma sencilla de determinar estos efectos en la superficie de un glaciar es plantar estacas (conocidas como estacas de ablación) en los agujeros perforados en la superficie del glaciar y monitorearlos a lo largo del tiempo para ver si se acumula más nieve, si se entierra la estaca o si cada vez es más visible la estaca a medida que desaparece la nieve a su alrededor. [15] El descubrimiento de capas de agua acuosa y de varios cientos de lagos subglaciales cartografiados , debajo de la capa de hielo de la Antártida , llevó a especular sobre la existencia de entornos microbianos únicos que habían sido aislados del resto de la biosfera , potencialmente durante millones de años. . Estos entornos se pueden investigar mediante perforación. [16] [17]
Los núcleos de hielo son una de las motivaciones más importantes para perforar en hielo. Dado que los núcleos de hielo retienen información ambiental sobre el momento en que el hielo en ellos cayó en forma de nieve, son útiles para reconstruir climas pasados, y el análisis de núcleos de hielo incluye estudios de composición isotópica , propiedades mecánicas, impurezas disueltas y polvo, muestras atmosféricas atrapadas y trazas de radionucleidos. . [18] Los datos de los núcleos de hielo se pueden utilizar para determinar las variaciones pasadas en la actividad solar, [19] y es importante en la construcción de etapas de isótopos marinos , una de las herramientas clave de datación paleoclimática. [20] Los núcleos de hielo también pueden proporcionar información sobre el flujo de los glaciares y las tasas de acumulación . [18] IPICS (Asociación internacional en ciencias de núcleos de hielo) mantiene una lista de objetivos clave para la investigación de núcleos de hielo. Actualmente se trata de obtener un núcleo de 1,5 millones de años; obtener un registro completo del último período interglacial ; utilizar núcleos de hielo para ayudar a comprender los cambios climáticos a lo largo de escalas de tiempo prolongadas ; obtener una matriz espacial detallada de datos climáticos de núcleos de hielo de los últimos 2000 años; y continuar con el desarrollo de tecnología avanzada de perforación de testigos de hielo. [21]
Consideraciones de diseño de perforación
Las limitaciones de los diseños de perforadoras de hielo se pueden dividir en las siguientes categorías generales.
Método de remoción de hielo y logística del proyecto.
El hielo debe cortarse, romperse o derretirse. Las herramientas se pueden empujar directamente hacia la nieve y firn (nieve comprimida, pero que aún no se ha convertido en hielo, lo que suele ocurrir a una profundidad de 60 metros (200 pies) a 120 metros (390 pies)); [22] este método no es eficaz en hielo, pero es perfectamente adecuado para obtener muestras de las capas superiores. [23] Para el hielo, dos opciones son la perforación por percusión y la perforación rotatoria. La perforación por percusión utiliza una herramienta afilada, como un cincel, que golpea el hielo para fracturarlo y fragmentarlo. [24] Más comunes son las herramientas de corte giratorias, que tienen una cuchilla giratoria o un juego de cuchillas en el fondo del pozo para cortar el hielo. Para herramientas pequeñas, la rotación se puede realizar a mano, utilizando un mango en T o una abrazadera de carpintero . Algunas herramientas también se pueden configurar para hacer uso de taladros eléctricos domésticos comunes, o pueden incluir un motor para impulsar la rotación. Si el par de torsión se suministra desde la superficie, entonces toda la sarta de perforación debe ser rígida para que pueda girar; pero también es posible colocar un motor justo encima de la parte inferior de la sarta de perforación y hacer que suministre energía directamente a la broca . [25]
Si el hielo se va a derretir en lugar de cortar, entonces se debe generar calor. Un calentador eléctrico integrado en la sarta de perforación puede calentar el hielo directamente o puede calentar el material en el que está incrustado, que a su vez calienta el hielo. El calor también se puede enviar por la sarta de perforación; Se puede usar agua caliente o vapor bombeado desde la superficie para calentar una cabeza de perforación de metal, o se puede permitir que el agua o el vapor emerjan de la cabeza de perforación y derritan el hielo directamente. [25] En al menos un caso, un proyecto de perforación experimentó con calentar la cabeza de perforación en la superficie y luego bajarla en el agujero. [26]
Muchas ubicaciones de perforación de hielo son de muy difícil acceso y las perforadoras deben diseñarse de manera que puedan transportarse al sitio de perforación. [27] El equipo debería ser lo más ligero y portátil posible. [27] [28] Es útil si el equipo se puede desarmar de modo que los componentes individuales puedan transportarse por separado, reduciendo así la carga del transporte manual, si es necesario. [29] También se debe transportar combustible, para taladros de vapor o agua caliente, o para que un generador proporcione energía, y este peso también debe tenerse en cuenta. [30]
Esquejes y agua de deshielo
La perforación mecánica produce trozos de hielo, ya sea como cortes o como fragmentos granulares, que deben retirarse del fondo del pozo para evitar que interfieran con la acción de corte o percusión del taladro. [25] Una barrena utilizada como herramienta de corte moverá naturalmente los cortes de hielo por sus vuelos helicoidales. [31] Si la acción del taladro deja los trozos de hielo en la parte superior del taladro, se pueden quitar simplemente levantando el taladro a la superficie periódicamente. [32] De lo contrario, pueden llevarse a la superficie bajando una herramienta para recogerlos, o el agujero puede mantenerse lleno de agua, en cuyo caso los recortes flotarán naturalmente hasta la parte superior del agujero. Si no se quitan las virutas, deben compactarse en las paredes del pozo y en el núcleo si se está recuperando un núcleo. [33]
Los recortes también se pueden mover a la superficie haciendo circular aire comprimido a través del pozo, ya sea bombeando el aire a través de la columna de perforación y hacia afuera en la cabeza de perforación, forzando las virutas hacia arriba en el espacio entre la sarta de perforación y la pared del pozo, o mediante aire inverso. circulación, en la que el aire fluye hacia arriba a través de la sarta de perforación. [33] El aire comprimido será calentado por la compresión y debe enfriarse antes de ser bombeado al fondo del pozo, o causará el derretimiento de las paredes y el núcleo del pozo. [34] [35] Si el aire circula creando un vacío, en lugar de bombear aire, el aire ambiental transporta los recortes, por lo que no se necesita enfriamiento. [36]
Se puede usar un fluido para hacer circular los recortes lejos de la broca, o el fluido puede disolver los recortes. La perforación rotativa de minerales (a través de la roca) generalmente hace circular el fluido a través de todo el pozo y separa los sólidos del fluido en la superficie antes de bombear el fluido de regreso. [36] En la perforación de hielo profundo, es habitual hacer circular el fluido solo en el fondo del pozo, recogiendo los recortes en una cámara que forma parte del conjunto del fondo del pozo. Para un taladro de extracción de testigos, la cámara de recortes se puede vaciar cada vez que se lleva el taladro a la superficie para recuperar un núcleo. [37]
Los taladros térmicos producirán agua, por lo que no hay recortes que desechar, pero el taladro debe poder funcionar mientras está sumergido en agua, o de lo contrario el taladro debe tener un método para eliminar y almacenar el agua de deshielo durante la perforación. [38]
Logística de la sarta de perforación
El mecanismo de perforación debe estar conectado a la superficie y debe haber un método para subir y bajar el taladro. [39] Si la sarta de perforación consta de tuberías o varillas que deben atornillarse o ensamblarse de otra manera, a medida que el agujero se hace más profundo y la sarta de perforación se alarga, entonces debe haber una forma de mantener la sarta de perforación en su lugar a medida que se extiende. de varilla o tubo se agrega o se quita. [40] [32] Si el pozo tiene solo unos pocos metros de profundidad, es posible que no se necesite asistencia mecánica, pero las sartas de perforación pueden volverse muy pesadas para los hoyos profundos, y debe haber un cabrestante u otro sistema de elevación en su lugar que sea capaz de levantar y bajándolo. [39]
Un "viaje" en la perforación se refiere a la tarea de sacar una sarta de perforación completamente fuera del pozo (tropezar) y luego volver a insertarla en el pozo (tropezar). [41] El tiempo de disparo es el tiempo necesario para entrar y salir del pozo; Es importante que el diseño de un taladro minimice el tiempo de disparo, en particular para los taladros de perforación, ya que deben completar un recorrido para cada núcleo. [42]
Estabilidad y permeabilidad del pozo
La presión de sobrecarga en un pozo profundo debido al peso del hielo de arriba hará que el pozo se cierre lentamente, a menos que se haga algo para contrarrestarlo, por lo que los orificios profundos se llenan con un fluido de perforación que tiene aproximadamente la misma densidad que el hielo circundante. , como combustible para aviones o queroseno. [25] El fluido debe tener baja viscosidad para reducir el tiempo de disparo . Dado que la recuperación de cada segmento de núcleo requiere un viaje, una velocidad de desplazamiento más lenta a través del fluido de perforación podría agregar un tiempo significativo al proyecto: un año o más para un pozo profundo. El líquido debe contaminar el hielo lo menos posible; debe tener baja toxicidad , por seguridad y para minimizar el efecto sobre el medio ambiente; debe estar disponible a un costo razonable; y debe ser relativamente fácil de transportar. [42] La profundidad a la que el cierre del pozo evita la perforación en seco depende en gran medida de la temperatura del hielo; en un glaciar templado, la profundidad máxima puede ser de 100 metros (330 pies), pero en un ambiente muy frío como partes de la Antártida Oriental, podría ser posible perforar en seco hasta 1000 metros (3300 pies). [43]
La nieve y el abeto son permeables al aire, el agua y los fluidos de perforación, por lo que cualquier método de perforación que requiera aire líquido o comprimido en el pozo debe evitar que se escapen a las capas superficiales de nieve y abeto. Si el fluido solo se usa en la parte inferior del pozo, la permeabilidad no es un problema. Alternativamente, el agujero se puede entubar más allá del punto donde el abeto se convierte en hielo. Si se usa agua como fluido de perforación, a temperaturas suficientemente frías, se convertirá en hielo en la nieve circundante y se sellará y sellará el agujero. [44]
Potencia, torque, antipar y calor
Las herramientas se pueden diseñar para girar a mano, mediante una abrazadera o mango en T, [32] o un engranaje de manivela, [45] o unidas a un taladro manual. [46] Los taladros con rotación motorizada requieren un motor eléctrico en el sitio de la plataforma, que generalmente debe tener combustible, aunque en al menos un caso se estableció un proyecto de perforación lo suficientemente cerca de una estación de investigación permanente para tender un cable al edificio de investigación para energía. [45] La rotación se puede aplicar en la superficie, mediante una mesa giratoria , utilizando un Kelly , [47] o mediante un motor en la cabeza de perforación, para taladros suspendidos por cable; en el último caso, el cable debe llevar energía a la cabeza de perforación, además de soportar su peso. Para los taladros rotativos, se requieren engranajes para reducir la rotación del motor a una velocidad adecuada para taladrar. [48]
Si se suministra torque en la parte inferior del agujero, el motor que lo suministra a la broca debajo de él tendrá una tendencia a girar alrededor de su propio eje, en lugar de impartir la rotación a la broca. Esto se debe a que la broca tendrá una fuerte resistencia a la rotación ya que está cortando hielo. Para evitar esto, se debe proporcionar un mecanismo anti-torque de algún tipo, típicamente dando al motor algo de agarre contra las paredes del pozo. [49]
Un taladro térmico que usa electricidad para calentar la cabeza del taladro de modo que derrita el hielo debe traer energía al pozo, al igual que con los taladros rotativos. [50] Si la cabeza de perforación se calienta bombeando agua o vapor hasta el fondo del pozo, entonces no se necesita energía en el fondo del pozo, pero se requiere una bomba en la superficie para el agua caliente. El agua o el vapor se pueden calentar en la superficie mediante una caldera de combustible. [30] También se puede utilizar energía solar . [28]
Control direccional
Algunas perforadoras que están diseñadas para descansar sobre su punta mientras perforan se inclinarán hacia un lado del pozo y el pozo que perforan se desplazará gradualmente hacia la horizontal a menos que se proporcione algún método para contrarrestar esta tendencia. [51] Para otros ejercicios, el control direccional puede ser útil para iniciar pozos adicionales en profundidad, por ejemplo, para recuperar núcleos de hielo adicionales. [52]
Temperatura
Muchos glaciares son templados, lo que significa que contienen "hielo cálido": hielo que está a una temperatura de fusión (0 ° C) en su totalidad. [53] El agua de deshielo en los pozos en hielo caliente no se volverá a congelar, pero para el hielo más frío, es probable que el agua de deshielo cause un problema y congele el taladro en su lugar, por lo que los taladros térmicos que operan sumergidos en el agua de deshielo que producen y cualquier método de perforación que producen agua en el pozo, son difíciles de usar en tales condiciones. [54] Los fluidos de perforación, o aditivos anticongelantes para el agua de deshielo, deben elegirse para mantener el fluido líquido a las temperaturas que se encuentran en el pozo. [38] En hielo caliente, el hielo tiende a formarse en los cortadores y la cabeza de perforación, y se acumula en los espacios en el fondo del pozo, lo que ralentiza la perforación. [55]
Recuperación de núcleos
Para recuperar un núcleo, se debe quitar un anillo de hielo alrededor del núcleo cilíndrico. [56] El núcleo debe estar intacto, lo que significa que las vibraciones y los choques mecánicos deben mantenerse al mínimo, y también deben evitarse los cambios de temperatura que podrían causar un choque térmico en el núcleo. [57] Se debe evitar que el núcleo se derrita debido al calor generado ya sea mecánicamente por el proceso de perforación, [58] por el calor del aire comprimido si se usa aire como fluido de perforación, [34] [35] o por un taladro térmico. , y no debe contaminarse con el fluido de perforación. [42] Cuando el núcleo está a punto de ser recuperado, todavía está conectado al hielo debajo de él, por lo que se debe proporcionar algún método para romperlo en el extremo inferior y sujetarlo para que no se caiga del barril de extracción como se lleva a la superficie, lo que debe hacerse de la forma más rápida y segura posible. [49]
La mayoría de los taladros de perforación están diseñados para recuperar núcleos que no miden más de 6 metros (20 pies), por lo que la perforación debe detenerse cada vez que la profundidad del pozo se amplía en esa cantidad, de modo que se pueda recuperar el núcleo. [49] Una sarta de perforación que debe ensamblarse y desmontarse en segmentos, como secciones de tubería que deben atornillarse, tarda mucho en entrar y salir; un cable que se puede enrollar continuamente con un cabrestante o una sarta de perforación lo suficientemente flexible como para ser enrollada, reduce significativamente el tiempo de disparo. [48] [35] Las perforadoras operadas con cable tienen un mecanismo que permite que el barril sacatestigos se separe de la cabeza de perforación y se lleve con un cabrestante directamente a la superficie sin tener que disparar la sarta de perforación. Una vez que se retira el núcleo, el barril del núcleo se baja al fondo del agujero y se vuelve a unir al taladro. [59]
Hielo quebradizo
En un rango de profundidad conocido como zona de hielo quebradizo , las burbujas de aire quedan atrapadas en el hielo bajo gran presión. Cuando un núcleo sale a la superficie, las burbujas pueden ejercer una tensión que excede la resistencia a la tracción del hielo, lo que resulta en grietas y desconchados . [60] A mayores profundidades, la estructura de los cristales de hielo cambia de hexagonal a cúbica, y las moléculas de aire se mueven dentro de los cristales, en una estructura llamada clatrato . Las burbujas desaparecen y el hielo vuelve a estabilizarse. [60] [61] [62]
La zona de hielo quebradizo normalmente devuelve muestras de peor calidad que el resto del núcleo. Se pueden tomar algunas medidas para aliviar el problema. Se pueden colocar revestimientos dentro del barril de perforación para encerrar el núcleo antes de que salga a la superficie, pero esto dificulta la limpieza del fluido de perforación. En la perforación de minerales, la maquinaria especial puede llevar muestras de testigos a la superficie a la presión del fondo del pozo, pero esto es demasiado caro para las ubicaciones inaccesibles de la mayoría de los sitios de perforación. Mantener las instalaciones de procesamiento a temperaturas muy bajas limita los choques térmicos. Los núcleos son más frágiles en la superficie, por lo que otro método es romperlos en trozos de 1 m en el pozo. Extruir el núcleo del barril de perforación en una red ayuda a mantenerlo unido si se rompe. Los núcleos frágiles a menudo también se dejan reposar almacenados en el sitio de perforación durante algún tiempo, hasta un año completo entre temporadas de perforación, para permitir que el hielo se relaje gradualmente. [60] [63] La calidad del núcleo en la zona de hielo quebradizo mejora mucho cuando se usa un fluido de perforación, a diferencia de la perforación de pozos secos. [64]
Taladros de percusión
Un taladro de percusión penetra el hielo golpeándolo repetidamente para fracturarlo y fragmentarlo. La herramienta de corte está montada en la parte inferior de la sarta de perforación (típicamente varillas metálicas conectadas [nota 1] ), y se deben proporcionar algunos medios para darle energía cinética. Un trípode erigido sobre el agujero permite instalar una polea, y luego se puede usar un cable para subir y bajar la herramienta repetidamente. Este método se conoce como perforación con herramienta de cable . También se puede utilizar un peso que se deja caer repetidamente sobre una sarta de perforación rígida para proporcionar el ímpetu necesario. [24] El hielo pulverizado se acumula en el fondo del pozo y debe retirarse. Puede recolectarse con una herramienta capaz de sacarlo del fondo del hoyo, [24] o el hoyo puede mantenerse lleno de agua, de modo que el hielo flote hacia la parte superior del hoyo, aunque esto retarda el impulso del taladro golpeando el hielo, reduciendo su efectividad. [66] Una herramienta de perforación de percusión que no es impulsada mecánicamente requiere algún método para levantar el taladro para que pueda soltarse y caer sobre el hielo. Para hacer esto de manera eficiente con trabajo manual, es habitual instalar un trípode u otro andamio de soporte y una polea para permitir que la sarta de perforación se eleve con una cuerda. Esta disposición, conocida como equipo de herramientas de cable, también se puede utilizar para perforación mecánica, con un motor que eleva la sarta de perforación y la deja caer. [3] [24] Un enfoque alternativo es dejar la sarta de perforación en el fondo del pozo y levantar y dejar caer un peso de martillo sobre la sarta de perforación. [24]
La primera expedición científica de perforación de hielo utilizó perforación de percusión; Louis Agassiz usó varillas de hierro para perforar agujeros en Unteraargletscher , en los Alpes , en el verano de 1840. [2] Las plataformas de cable-herramienta se han utilizado para la perforación de hielo en tiempos más recientes; Las expediciones soviéticas en la década de 1960 perforaron con plataformas de cable-herramienta en el Cáucaso y la cordillera de Tien Shan , y proyectos estadounidenses han perforado en el Glaciar Azul en Washington entre 1969 y 1976, y en el Glaciar Black Rapids en Alaska en 2002. [24]
Se han probado otros dos métodos de percusión. Se han utilizado taladros neumáticos para perforar agujeros poco profundos en el hielo con el fin de establecer cargas de voladura, y los taladros de percusión rotativos, un tipo de herramienta de perforación que alguna vez fue de uso común en la industria minera, también se han utilizado para perforar pozos de voladura, pero ninguno de los enfoques se ha utilizado. se ha utilizado para investigaciones científicas del hielo. En la actualidad, la perforación por percusión rara vez se utiliza para la perforación científica de hielo, ya que ha sido superada por técnicas más efectivas para la perforación de hielo y minerales. [24]
Taladros mecánicos manuales
Perforadores de cucharas
Una barrena de muestreo de suelo contiene un par de cuchillas en la parte inferior de un cilindro cerrado; se puede conducir y rotar a mano para recoger tierra blanda. [67] Se ha utilizado un diseño similar, llamado barrenador de cuchara, para perforar hielo, aunque no es eficaz en hielo duro. [68] Una versión utilizada por Erich von Drygalski en 1902 tenía dos cuchillas de corte en forma de media luna colocadas en la base del cilindro de tal manera que permitían que los recortes de hielo se acumularan en el cilindro, por encima de las cuchillas. [68] [69] [nota 2]
Sinfines sin núcleo
Las barrenas se han utilizado durante mucho tiempo para perforar el hielo para pescar en el hielo . Los sinfines se pueden girar a mano, utilizando un mecanismo como un mango en T o una broca, o sujetándolos a taladros manuales eléctricos. [70] Los usos científicos de los sinfines sin núcleo incluyen la instalación de sensores y la determinación del espesor del hielo. Las barrenas tienen una hoja de tornillo helicoidal alrededor del eje de perforación principal; esta hoja, llamada "vuelo", lleva los recortes de hielo desde el fondo del agujero. [31] Para perforar orificios más profundos, se pueden agregar extensiones a la barrena, pero a medida que la barrena se alarga, se vuelve más difícil de girar. Con una plataforma como una escalera de mano, se puede girar un sinfín más largo desde más alto del suelo. [70]
Los barrenadores de hielo disponibles en el mercado para la pesca de invierno, alimentados por gasolina, propano o baterías, están disponibles para diámetros de orificio de 4.5 in a 10 in. Para orificios de más de 2 ma se puede utilizar un trípode para sacar el sinfín del orificio. Es común un mango de abrazadera plegable con un diseño desplazado; esto permite que ambas manos contribuyan al torque. [70]
Sinfines de extracción
Los sinfines que son capaces de recuperar núcleos de hielo son similares a los sinfines sin núcleo, excepto que las paletas se colocan alrededor de un barril de núcleo hueco. Se han ideado sinfines que constan de las cuchillas de corte helicoidales y un espacio para un núcleo, sin el cilindro de soporte central, pero son difíciles de hacer lo suficientemente rígidos. Los sinfines de extracción de núcleos suelen producir núcleos con diámetros comprendidos entre 75 y 100 mm y longitudes de hasta 1 m. Los sinfines de extracción de testigos se diseñaron originalmente para rotar manualmente, pero con el tiempo se han adaptado para su uso con taladros manuales o motores pequeños. [32]
Al igual que con los sinfines sin núcleo, se pueden agregar extensiones para perforar más profundamente. La perforación a más de 6 m requiere más de una persona debido al peso de la sarta de perforación. Una abrazadera colocada en la superficie es útil para sostener la cuerda, y también se puede usar un trípode, un bloque y un aparejo como soporte y para aumentar el peso de la cuerda que se puede manipular. A medida que la sarta de perforación se alarga, lleva más tiempo completar un viaje para extraer un testigo, ya que cada varilla de extensión debe separarse de la sarta de perforación cuando se dispara y volver a unir cuando se dispara. [32]
La perforación con un trípode u otro método de manipulación de una sarta de perforación larga amplía considerablemente el límite de profundidad para el uso de una barrena de perforación. [32] [71] El agujero más profundo perforado a mano con una barrena fue de 55 m, en la plataforma de hielo Ward Hunt en la isla de Ellesmere , en 1960. Por lo general, un agujero de más de 30 m se perforará con otros métodos, debido al peso de la sarta de perforación y el largo tiempo de viaje requerido. [32]
Los sinfines de extracción de muestras modernos han cambiado poco en décadas: un sinfín de extracción de muestras de hielo patentado en los EE. UU. En 1932 se parece mucho a los sinfines de extracción de muestras en uso ochenta años después. [32] El Laboratorio de Efectos de Escarcha (FEL, por sus siglas en inglés) del ejército estadounidense desarrolló un equipo de prueba de la mecánica del hielo que incluía una barrena de extracción de muestras a fines de la década de 1940; el Establecimiento de Investigación de Nieve, Hielo y Permafrost (SIPRE), una organización sucesora, refinó el diseño a principios de la década de 1950, y la barrena resultante, conocida como barrena SIPRE, todavía se usa ampliamente. Fue modificado ligeramente por el Laboratorio de Ingeniería e Investigación de las Regiones Frías (CRREL), otra organización sucesora, en la década de 1960, y a veces se lo conoce como la barrena CRREL por esa razón. [72] Una barrena desarrollada en la década de 1970 por Polar Ice Core Office (PICO), entonces con sede en Lincoln, Nebraska , también se sigue utilizando ampliamente. [73] Una barrena de extracción de muestras diseñada en la Universidad de Copenhague en la década de 1980 se utilizó por primera vez en Camp Century , y desde entonces se ha utilizado con frecuencia en Groenlandia. [74] En 2009, el grupo de diseño y operaciones de perforación de hielo de EE. UU. (IDDO) comenzó a trabajar en un diseño mejorado de barrena manual y una versión se probó con éxito en el campo durante la temporada de campo 2012-2013 en WAIS Divide . [75] [76] A partir de 2017, IDDO mantiene versiones de 3 y 4 pulgadas de diámetro de la nueva barrena para el uso de los programas de investigación de perforación de hielo de EE. UU., Y estas son ahora las barrenas manuales más solicitadas proporcionadas por IDDO. [77]
El sinfín Prairie Dog, diseñado en 2007, agrega un barril exterior al diseño básico del sinfín de extracción de muestras. Los recortes se capturan entre las paletas de la barrena y el cañón exterior, que tiene una sección anti-torque para evitar que gire en el pozo. [71] El objetivo del barril exterior es aumentar la eficiencia de la recolección de virutas, ya que es común ver que las virutas de un recorrido de la barrena manual caen nuevamente en el orificio desde las paletas de la barrena, lo que significa que la siguiente ejecución tiene que volver a perforar a través de estas. esquejes. [78] El barril exterior también hace que la barrena sea eficaz en hielo caliente, lo que fácilmente podría hacer que una barrena sin barril exterior se atasque. [71] El cañón exterior del Prairie Dog es el mismo que el diámetro del sinfín PICO, y dado que las cuchillas anti-torque del Prairie Dog no funcionan bien en nieve blanda y firme, es común comenzar un hoyo con el PICO. sinfín y luego continuar con el perro de la pradera una vez que se alcance el firn denso. [79] El perro de las praderas es relativamente pesado y puede requerir dos perforadores para manipularlo mientras se saca del pozo. [71] El IDDO mantiene un taladro Prairie Dog para el uso de los programas de investigación de perforación de hielo de EE. UU. [80]
IDDO también proporciona un sistema de elevación para usar con sinfines manuales, conocido como Sidewinder. Está accionado por un taladro manual eléctrico, que puede funcionar con un generador o con células solares. [81] El Sidewinder enrolla una cuerda alrededor de la barrena manual a medida que se baja dentro del agujero y ayuda a levantar la barrena fuera del agujero. Esto amplía la profundidad práctica máxima para barrena manual a unos 40 m. Los Sidewinders han demostrado ser populares entre los investigadores. [82] [83]
Taladros de pistón
Un taladro de pistón consiste en un disco plano en la parte inferior de una varilla larga, con tres o cuatro ranuras radiales en el disco, cada una de las cuales tiene un borde cortante. La varilla se gira a mano, utilizando un mango de refuerzo; el hielo pasa por las ranuras y se amontona encima del disco. Al sacar el taladro del pozo, los recortes suben al disco. En la década de 1940, se presentaron algunas patentes para diseños de brocas de pistón en Suecia y los EE. UU., Pero estas brocas ahora rara vez se utilizan. Son menos eficientes que los taladros de barrena, ya que el taladro debe retirarse periódicamente del agujero para deshacerse de los recortes. [32] [84]
Taladros manuales y mini taladros
Algunos taladros manuales se han diseñado para recuperar núcleos sin utilizar guías de barrena para transportar los recortes por el pozo. Por lo general, estos taladros tienen un cilindro central con dientes en el extremo inferior y se rotan con una abrazadera o mango en T, o con un motor pequeño. El barril en sí se puede omitir, de modo que el taladro consta solo de un anillo con una ranura de corte para cortar el anillo alrededor del núcleo y una varilla vertical para unir el anillo a la superficie. Se han diseñado un par de pequeños taladros manuales, o mini taladros, para recoger rápidamente muestras de testigos de hasta 50 cm de largo. Una dificultad con todos estos diseños es que tan pronto como se generan cortes, si no se eliminan, interferirán con la acción de corte de la broca, haciendo que estas herramientas sean lentas e ineficaces en su uso. [85] Un taladro muy pequeño, conocido como Chipmunk Drill, fue diseñado por IDDO para su uso en un proyecto en el oeste de Groenlandia en 2003 y 2004, y posteriormente se utilizó en el Polo Sur en 2013. [86]
Equipos rotativos con columna de perforación
Los equipos rotativos utilizados en la perforación minera utilizan una sarta de tubería de perforación conectada a una broca en la parte inferior del pozo y a un mecanismo rotatorio en la parte superior del pozo, [87] como un top drive [88] o una mesa rotativa y Kelly. . [89] A medida que el pozo se profundiza, la perforación se detiene periódicamente para agregar un nuevo tramo de tubería de perforación en la parte superior de la sarta de perforación. Por lo general, estos proyectos se han llevado a cabo con plataformas rotativas disponibles comercialmente diseñadas originalmente para la perforación de minerales, con adaptaciones para satisfacer las necesidades especiales de la perforación de hielo. [90]
Perforación en seco
Al perforar en hielo, el agujero se puede perforar en seco, sin ningún mecanismo para desechar los recortes. En nieve y firn, esto significa que los recortes simplemente se compactan en las paredes del pozo; y en los taladros de perforación también se compactan en el núcleo. En el hielo, los recortes se acumulan en el espacio entre la columna de perforación y la pared del pozo y eventualmente comienzan a obstruir la broca, generalmente después de no más de 1 m de avance. Esto aumenta el torque necesario para perforar, ralentiza el progreso y puede causar la pérdida del taladro. La perforación con núcleo seco generalmente produce un núcleo de mala calidad que se rompe en pedazos. [87]
En 1950, la Expédition Polaires Françaises (EPF) francesa perforó dos pozos secos en Groenlandia con un equipo rotatorio, en el Campo VI , en la costa oeste, y la Estación Central , en el interior, alcanzando los 126 my 151 m. [91] También se perforaron algunos pozos poco profundos ese verano en la isla de Baffin , utilizando un taladro de perforación, [92] y en la Antártida, la Expedición Antártica Noruego-Británica-Sueca (NBSAE) perforó varios pozos entre abril de 1950 y el año siguiente. eventualmente alcanzando los 100 m en un hoyo. [93] La última expedición que intentó perforar en seco en hielo fue la Segunda Expedición Antártica Soviética (SAE), que perforó tres pozos entre julio de 1957 y enero de 1958. [94] Desde entonces, la perforación en seco se ha abandonado, como han demostrado otros métodos de perforación. para ser más eficaz. [87]
Circulación aérea
Se han perforado varios orificios en hielo mediante circulación directa de aire, en los que se bombea aire comprimido por la columna de perforación, para escapar a través de los orificios de la broca y regresar al espacio anular entre la broca y la perforación, llevando consigo los recortes. La técnica fue probada por primera vez por la 1ª Expedición Antártica Soviética , en octubre de 1956. Hubo problemas con la eliminación deficiente de los recortes y la formación de hielo en el pozo, pero la perforadora logró alcanzar una profundidad de 86,5 m. [95] Expediciones estadounidenses, soviéticas y belgas hicieron más intentos para utilizar la circulación de aire con plataformas rotativas, con una profundidad máxima de pozo de 411 m alcanzada por un equipo estadounidense en el Sitio 2 en Groenlandia en 1957. La última vez que un proyecto utilizó un plataforma rotatoria convencional con circulación de aire fue 1961. [96]
Circulación de fluidos
En la exploración de minerales, el método de perforación más común es un equipo rotatorio con fluido que circula por la columna de perforación y retrocede entre la columna de perforación y la pared del pozo. El fluido lleva los recortes a la superficie, donde se retiran los recortes y el fluido reciclado, conocido como lodo, se devuelve al pozo. El primer proyecto de perforación de hielo que probó este enfoque fue una expedición de la Sociedad Geográfica Estadounidense al glaciar Taku en 1950. Se utilizó agua dulce extraída del glaciar como fluido de perforación y se perforaron tres pozos, hasta una profundidad máxima de 89 m. . Se recuperaron núcleos, pero en mal estado. [97] El agua de mar también se ha probado como fluido de perforación. [59] La primera vez que se utilizó un fluido diferente al agua con un equipo rotatorio convencional fue a finales de 1958, en Little America V, donde se utilizó combustible diesel para los últimos metros de un pozo de 254 m. [96] [98]
Cableado
Un taladro con cable utiliza circulación de aire o fluidos, pero también tiene una herramienta que se puede bajar a la tubería de perforación para recuperar un testigo sin quitar la sarta de perforación. La herramienta, llamada overhot, se engancha en el barril de extracción y tira de él hacia la superficie. Cuando se retira el núcleo, el barril de extracción se vuelve a bajar al pozo y se vuelve a unir al taladro. [59] En la década de 1970 se planificó un proyecto de perforación de núcleos con cable para el Proyecto Glaciológico Antártico Internacional, pero nunca se completó, [99] y el primer proyecto de perforación de hielo con cable se llevó a cabo en 1976, [nota 3] como parte de Ross Ice Proyecto Shelf (RISP). [96] Se inició un pozo en noviembre de ese año con un taladro con cable, probablemente usando circulación de aire, pero los problemas con el rebasamiento obligaron al proyecto a cambiar a la perforación térmica cuando el pozo tenía 103 m de profundidad. [99] El proyecto RISP alcanzó más de 170 m con otro taladro con cable la temporada siguiente, [99] y varias expediciones soviéticas de la década de 1980 también utilizaron taladros con cable, después de comenzar los pozos con un taladro de barrena y revestir los pozos. [101] El taladro Agile Sub-Ice Geological (ASIG), diseñado por IDDO para recolectar núcleos sub-glaciales, es un sistema de cableado reciente; se utilizó por primera vez sobre el terreno en la temporada 2016-2017, en la Antártida occidental. [102]
Evaluación
Existen muchas desventajas en el uso de equipos rotativos convencionales para la perforación de hielo. Cuando se utiliza un equipo rotatorio convencional para la extracción de testigos, se debe izar toda la sarta de perforación fuera del pozo cada vez que se recupera el núcleo; cada tramo de tubería, a su vez, debe desatornillarse y colocarse en una estantería. A medida que el agujero se hace más profundo, esto consume mucho tiempo. [87] Las plataformas convencionales son muy pesadas y, dado que muchos sitios de perforación de hielo no son de fácil acceso, estas plataformas suponen una gran carga logística para un proyecto de perforación de hielo. Para pozos profundos, se requiere un fluido de perforación para mantener la presión en el pozo y evitar que el pozo se cierre debido a la presión bajo la que se encuentra el hielo; un fluido de perforación requiere equipo pesado adicional para hacer circular y almacenar el fluido y para separar el material circulado. Cualquier sistema de circulación también requiere que la parte superior del agujero, a través de la nieve y el abeto, esté revestida, ya que el aire o el fluido circulante escaparía a través de cualquier cosa más permeable que el hielo. Las plataformas rotativas comerciales no están diseñadas para temperaturas extremadamente frías y, además de los problemas con componentes como los sistemas hidráulicos y de gestión de fluidos, están diseñadas para funcionar en exteriores, lo que no es práctico en entornos extremos como la perforación antártica. [27]
Las plataformas rotativas comerciales pueden ser efectivas para pozos de gran diámetro y también pueden usarse para perforaciones subglaciales en rocas. [27] También se han utilizado con cierto éxito para los glaciares de roca, que son difíciles de perforar porque contienen una mezcla heterogénea de hielo y roca. [27] [103]
Equipos de perforación flexibles
Los equipos de perforación flexible utilizan una sarta de perforación que es continua, de modo que no tiene que ser ensamblada o desmontada, varilla a varilla o tubería a tubería, al entrar o salir. La sarta de perforación también es flexible, de modo que cuando está fuera del pozo se puede almacenar en un carrete. La sarta de perforación puede ser una manguera reforzada, o puede ser de acero o tubería compuesta, en cuyo caso se la conoce como taladro de tubería flexible. Los equipos de perforación diseñados siguiendo estas líneas comenzaron a aparecer en las décadas de 1960 y 1970 en la perforación de minerales, y se volvieron comercialmente viables en la década de 1990. [35]
Solo uno de estos equipos, el sistema de movimiento rápido de aire (RAM) desarrollado en la Universidad de Wisconsin-Madison por Ice Coring and Drilling Services (ICDS), se ha utilizado para la perforación de hielo. [36] [35] La perforadora RAM se desarrolló a principios de la década de 2000 y se diseñó originalmente para perforar pozos de granalla para la exploración sísmica. [35] [104] La barra de perforación es una manguera a través de la cual se bombea aire; el aire impulsa una turbina que alimenta una broca rotativa de fondo de pozo. Los recortes de hielo son eliminados por el aire de escape y salen del agujero. El compresor aumenta la temperatura del aire en aproximadamente 50 ° y se enfría nuevamente antes de ser bombeado al fondo del pozo, con una temperatura final de aproximadamente 10 ° más caliente que el aire ambiente. Esto significa que no se puede utilizar en temperaturas ambiente superiores a −10 ° C. Para evitar la formación de hielo en la manguera, se agrega etanol al aire comprimido. [35] El sistema, que incluye un cabrestante para sostener 100 m de manguera, así como dos compresores de aire, está montado en un trineo. [9] Ha perforado con éxito cientos de agujeros en la Antártida Occidental y fue capaz de perforar fácilmente hasta 90 m en solo 25 minutos, lo que lo convierte en el taladro de hielo más rápido. [35] [9] También fue utilizado por el proyecto Askaryan Radio Array en 2010-2011 en el Polo Sur, pero no pudo perforar por debajo de 63 m allí debido a variaciones en las características locales del hielo y el suelo. [36] [104] No se puede utilizar en un orificio lleno de líquido, lo que limita la profundidad máxima del orificio para este diseño. [9] El principal problema con el taladro RAM es una pérdida de circulación de aire en el firn y la nieve, que podría resolverse mediante el uso de circulación de aire inversa, a través de una bomba de vacío que extrae aire a través de la manguera. [36] A partir de 2017, IDDO está planificando un diseño revisado para la perforadora RAM para reducir el peso de la perforadora, que actualmente es de 10,3 toneladas. [35] [104]
Se han considerado otros diseños de vástagos de perforación flexibles y, en algunos casos, se han probado, pero hasta 2016 ninguno se había utilizado con éxito en el campo. [36] Un diseño sugirió usar agua caliente para perforar a través de una manguera y reemplazar la cabeza de perforación con un taladro mecánico para perforar una vez que se alcanza la profundidad de interés, usando el agua caliente tanto para accionar hidráulicamente el motor de fondo del pozo como para derretir el cortes de hielo resultantes. [105] Otro diseño, el taladro RADIX, produce un agujero muy estrecho (20 mm) y está diseñado para taladrar agujeros de acceso rápido; utiliza un pequeño motor hidráulico en una manguera estrecha. Se probó en 2015, pero se encontró que tenía dificultades con el transporte de los recortes, probablemente debido al espacio muy estrecho disponible entre la manguera y la pared del pozo. [106]
Los diseños de tubería flexible nunca se han utilizado con éxito para la perforación de hielo. Las operaciones de extracción de testigos serían particularmente difíciles, ya que un taladro de extracción debe dispararse hacia afuera y hacia adentro para cada núcleo, lo que provocaría fatiga ; la tubería generalmente está clasificada para una vida útil de solo 100 a 200 viajes. [106]
Taladros electromecánicos suspendidos por cable
Un taladro suspendido con cable tiene un sistema de fondo de pozo, conocido como sonda, para perforar el pozo. [48] [108] La sonda está conectada a la superficie mediante un cable blindado, que proporciona energía y permite que el taladro se introduzca y extraiga del pozo con un cabrestante. [48] Los taladros electromecánicos (EM) suspendidos por cable tienen un cabezal de corte, con cuchillas que raspan el hielo a medida que giran, como un cepillo de carpintero. La profundidad de penetración del corte se ajusta mediante un dispositivo llamado zapata, que forma parte del cabezal de corte. Los recortes de hielo se almacenan en una cámara en la sonda, ya sea en el barril de extracción, por encima del núcleo, o en una cámara separada, más arriba del taladro.
Los recortes pueden ser transportados por sinfines o por circulación de fluidos. Las perforadoras que se basan en paletas de barrena y que no están diseñadas para trabajar en un pozo lleno de fluido están limitadas a profundidades en las que el cierre de la perforación no es un problema, por lo que se conocen como perforaciones poco profundas. [108] Los agujeros más profundos deben perforarse con fluido de perforación, pero mientras que la circulación en un taladro rotatorio lleva el fluido hacia abajo y luego hacia arriba por el pozo, los taladros suspendidos con cable solo necesitan hacer circular el fluido desde la cabeza de perforación hasta el cámara de esquejes. Esto se conoce como circulación de fondo de pozo. [48]
La parte superior de la sonda tiene un sistema antipar, que generalmente consiste en tres o cuatro resortes de hojas que presionan contra las paredes del pozo. Los bordes afilados de las ballestas se enganchan en las paredes y proporcionan la resistencia necesaria para evitar que esta parte del taladro gire. En el punto donde el cable se conecta a la sonda, la mayoría de los taladros incluyen un anillo deslizante para permitir que el taladro gire independientemente del cable. Esto es para evitar daños por torque en el cable si falla el sistema anti-torque. Los taladros de perforación también pueden tener un peso que se puede usar como un martillo para ayudar a romper el núcleo y una cámara para cualquier instrumentación o sensores necesarios. [48] [108]
En la parte inferior de la sonda está el cabezal de corte, y por encima de este está el barril sacatestigos, con vuelos de barrena a su alrededor en taladros poco profundos, y típicamente un barril exterior alrededor, generalmente con nervaduras verticales internas o alguna otra forma de proporcionar un impulso adicional a la sonda. los esquejes hacia arriba en los vuelos. Si hay una cámara de virutas separada, estará por encima del barril del núcleo. El motor, con el engranaje adecuado, también se encuentra por encima del tambor central. [48]
Los taladros poco profundos pueden recuperar testigos de hasta 300–350 m de profundidad, pero la calidad del testigo mejora mucho si hay fluido de perforación, por lo que algunos taladros poco profundos se han diseñado para trabajar en pozos húmedos. Las pruebas informadas en 2014 mostraron que la perforación húmeda, con la parte superior del fluido de perforación a una profundidad no superior a 250 m, mantendría una buena calidad del testigo. [48]
Los fluidos de perforación son necesarios para perforar agujeros profundos, por lo que los taladros suspendidos por cable que se utilizan para estos proyectos utilizan una bomba para proporcionar circulación de fluido, con el fin de eliminar los recortes de la broca. [37] Algunos taladros diseñados para usarse con fluido de perforación también tienen vuelos de barrena en el barril interno. [108] Al igual que con los taladros poco profundos, los recortes se almacenan en una cámara por encima del núcleo. La circulación puede ser en cualquier dirección: hacia abajo por el interior de la sarta de perforación y hacia arriba entre el barril de extracción de testigos y la pared del pozo, o en la dirección inversa, que se ha convertido en el enfoque preferido en el diseño de perforaciones, ya que brinda una mejor remoción de recortes para un menor caudal. [37] Las perforaciones capaces de alcanzar profundidades superiores a los 1500 m se conocen como sistemas de perforación profunda; generalmente tienen diseños similares a los sistemas intermedios que pueden perforar desde 400 ma 1500 m, pero deben tener sistemas más pesados y robustos, como cabrestantes, y perforadoras más largas y refugios de perforación más grandes. [109] Los diámetros del núcleo para estas perforadoras han variado de 50 mm a 132 mm, y la longitud del núcleo desde tan solo 0,35 m hasta 6 m. Una característica de diseño común de estos taladros profundos es que se pueden inclinar hacia la horizontal para facilitar la extracción del núcleo y los recortes. Esto reduce la altura requerida del mástil, pero requiere que se corte una ranura profunda en el hielo para dejar espacio para que la sonda se balancee hacia arriba. [110]
Armais Arutunoff inventó el primer taladro electromecánico suspendido por cable para su uso en la perforación de minerales; se probó en 1947 en Oklahoma, pero no funcionó bien. [109] [111] CRREL adquirió un taladro Arutunoff reacondicionado en 1963, [109] [111] [112] lo modificó para perforar en hielo, y en 1966 lo utilizó para extender un agujero en Camp Century en Groenlandia hasta la base del capa de hielo, a 1387 m, y 4 m más en el lecho rocoso. [109] [111]
Desde entonces, muchos otros taladros se han basado en este diseño básico. [109] Una variación reciente del diseño básico de perforación EM es la Perforadora Isotópica de Acceso Rápido, diseñada por el British Antarctic Survey para perforar pozos secos hasta 600 m. [113] Este ejercicio no recolecta un núcleo de hielo completo; en su lugar, recolectará esquejes de hielo, [113] utilizando un cabezal de corte similar a un barrenador de la cuchara. [114] El orificio de acceso resultante se utilizará para la elaboración de perfiles de temperatura, [113] y junto con los resultados de los isótopos que indicarán la edad del hielo, los datos se utilizarán para modelar el perfil del hielo hasta el lecho rocoso a fin de determinar el el mejor lugar para perforar para obtener el hielo basal más antiguo posible sin perturbar. [115] [114] Se espera que la perforación alcance 600 m en 7 días de perforación, en lugar de los 2 meses que se necesitarían para perforar un testigo; la velocidad se debe a que los cortadores pueden ser más agresivos ya que la calidad del núcleo no es un problema y porque el pozo es estrecho, lo que reduce los requisitos de potencia del cabrestante. [115]
Taladros térmicos
Los taladros térmicos funcionan aplicando calor al hielo en el fondo del pozo para derretirlo. Las perforadoras térmicas en general pueden perforar con éxito en hielo templado, donde una perforadora electromecánica corre el riesgo de atascarse debido a la formación de hielo en el pozo. [38] Cuando se usa en hielo más frío, es probable que se introduzca algún tipo de anticongelante en el pozo para evitar que el agua de deshielo se congele en el taladro. [38]
Taladros de agua caliente y vapor
Se puede usar agua caliente para perforar hielo bombeándola por una manguera con una boquilla en el extremo; el chorro de agua caliente producirá rápidamente un agujero. Dejar que la manguera cuelgue libremente producirá un agujero recto; a medida que el agujero se hace más profundo, el peso de la manguera hace que sea difícil de manejar manualmente, y a una profundidad de aproximadamente 100 m se hace necesario pasar la manguera sobre una polea y alistar algún método para ayudar a bajar y subir la manguera, generalmente consistente en un carrete de manguera, cabrestante o algún tipo de asistencia de manguera. [117] Dado que la presión en la manguera es proporcional al cuadrado del flujo, el diámetro de la manguera es uno de los factores limitantes para un taladro de agua caliente. Para aumentar la tasa de flujo más allá de cierto punto, se debe aumentar el diámetro de la manguera, pero esto requerirá aumentos significativos de capacidad en otras partes del diseño de la perforadora. [118] Las mangueras que se enrollan alrededor de un tambor antes de ser presurizadas ejercerán una fuerza de constricción sobre el tambor, por lo que los tambores deben tener un diseño robusto. [119] Las mangueras deben envolver cuidadosamente cuando se enrollan, para evitar daños; esto se puede hacer manualmente para sistemas más pequeños, pero para perforaciones muy grandes se debe implementar un sistema de viento nivelado. [120] Idealmente, la manguera debería tener la resistencia a la tracción para soportar su peso cuando se enrolle en el orificio, pero para orificios muy profundos puede ser necesario utilizar un cable de soporte para sostener la manguera. [121]
El vapor también se puede utilizar en lugar de agua caliente y no es necesario bombearlo. Un taladro de vapor manual puede perforar rápidamente agujeros cortos, por ejemplo, para estacas de ablación, y tanto los taladros de vapor como los de agua caliente se pueden hacer lo suficientemente livianos para llevarlos a mano. [30] Se puede usar un tubo guía para ayudar a mantener recto el pozo. [122]
En hielo frío, un pozo perforado con agua caliente se cerrará cuando el agua se congele. Para evitar esto, el taladro se puede volver a ejecutar por el agujero, calentando el agua y, por lo tanto, el hielo circundante. Esta es una forma de escariar . El escariado repetido elevará la temperatura del hielo circundante hasta el punto en que el pozo permanecerá abierto por períodos más largos. [123] Sin embargo, si el objetivo es medir la temperatura en el pozo, entonces es mejor aplicar la menor cantidad de calor adicional posible al hielo circundante, lo que significa que es deseable un taladro de mayor energía con una alta tasa de flujo de agua, ya que esto será más eficiente. [118] Si existe el riesgo de que el taladro se congele, se puede incluir un "taladro trasero" en el diseño. Se trata de un mecanismo que redirige el chorro de agua caliente hacia arriba si el taladro encuentra resistencia al dispararse. [124] También se puede utilizar un escariador de agua caliente independiente, que arroje agua caliente lateralmente sobre las paredes del pozo a medida que pasa. [124]
Los pozos perforados con agua caliente son bastante irregulares, lo que los hace inadecuados para ciertos tipos de investigaciones, como la velocidad de cierre del pozo o las mediciones de inclinometría. El agua tibia de la boquilla continuará derritiendo las paredes del pozo a medida que asciende, y esto tenderá a hacer que el pozo tenga forma de cono, si el pozo se está perforando en un lugar sin nieve superficial o firn, como una zona de ablación. en un glaciar, este efecto persistirá hasta la parte superior del pozo. [30]
El suministro de agua para un taladro de agua caliente puede provenir del agua en la superficie, si está disponible, o de la nieve derretida. El agua de deshielo en el pozo se puede reutilizar, pero esto solo se puede hacer una vez que el pozo penetra por debajo del abeto hasta la capa de hielo impermeable, porque por encima de este nivel se escapa el agua de deshielo. La bomba para llevar el agua de deshielo a la superficie debe colocarse por debajo de este nivel y, además, si existe la posibilidad de que el pozo penetre hasta la base del hielo, el proyecto de perforación debe planificar la probabilidad de que esto cambie. el nivel del agua en el orificio y asegúrese de que la bomba esté por debajo del nivel más bajo posible. [125] Los sistemas de calefacción suelen adaptarse de los calentadores utilizados en la industria de las lavadoras a presión. [126]
Cuando se utiliza cualquier método de perforación térmica en hielo sucio, los escombros se acumularán en el fondo del pozo y comenzarán a obstaculizar la perforación; suficientes escombros, en forma de arena, guijarros o una gran roca, podrían detener por completo el progreso. [127] Una forma de evitar esto es tener una boquilla en ángulo de 45 °; el uso de esta boquilla creará un canal lateral en el que irán las obstrucciones. La perforación vertical puede comenzar nuevamente, sin pasar por los escombros. [117] Otro enfoque es recircular el agua en el fondo del pozo, con un calentador eléctrico incrustado en la cabeza de perforación y filtros en la circulación. Esto puede eliminar la mayoría de los desechos pequeños que obstaculizan la cabeza de perforación. [128]
Un problema diferente con el hielo impuro proviene de los contaminantes traídos por el proyecto, como la ropa y las fibras de madera, el polvo y la arena. El uso de nieve de los alrededores del campamento para suministrar agua al taladro a menudo es necesario al comienzo de la perforación, ya que el pozo aún no habrá alcanzado el hielo impermeable, por lo que no se puede bombear agua desde el fondo del pozo; Palear esta nieve en el suministro de agua del taladro pasará estos contaminantes a través del mecanismo del taladro y puede dañar las bombas y válvulas. Se requiere un filtro fino para evitar estos problemas. [127] [129]
Una de las primeras expediciones que utilizaron taladros de agua caliente fue en 1955, al Mer de Glace ; Électricité de France usó agua caliente para llegar a la base del glaciar, y también usó equipos que rociaron múltiples chorros simultáneamente para crear un túnel debajo del hielo. [130] En la década de 1970 se realizó más trabajo de desarrollo. [131] [30] Los taladros de agua caliente ahora son capaces de perforar pozos muy profundos y tienen acceso limpio para lagos subglaciales: por ejemplo, entre 2012 y 2019 en el proyecto WISSARD / SALSA, el taladro WISSARD, un simulacro de agua, acceso limpio perforado hasta 1 km en el lago Mercer en la Antártida; y entre 2004 y 2011, se utilizó un gran taladro de agua caliente en el Polo Sur para perforar 86 pozos a una profundidad de 2,5 km para colocar cadenas de sensores en los pozos, para el proyecto IceCube . [13] [132] También se han desarrollado taladros de extracción de testigos con agua caliente, pero son susceptibles de que los escombros detengan el movimiento hacia adelante en el hielo sucio. [131]
F. Howorka desarrolló una de las primeras perforadoras de vapor a principios de la década de 1960 para trabajar en los Alpes. [122] Los taladros a vapor no se utilizan para pozos de más de 30 m, ya que son bastante ineficientes [133] debido a las pérdidas térmicas a lo largo de la manguera y las pérdidas de presión al aumentar la profundidad bajo el agua. [134] Se utilizan principalmente para perforar rápidamente agujeros poco profundos. [133]
Puntos calientes
En lugar de usar un chorro de agua caliente o vapor, los taladros térmicos también se pueden construir para proporcionar calor a una cabeza de perforación duradera, por ejemplo bombeando agua caliente hacia abajo y hacia arriba dentro de la sarta de perforación, y usarla para derretir el hielo. [30] En su lugar, los taladros térmicos modernos utilizan energía eléctrica para calentar la cabeza de perforación. [135]
Es posible perforar con un hotpoint que consiste en un elemento calefactor eléctrico, directamente expuesto al hielo; esto significa que el elemento debe poder funcionar bajo el agua. [136] En cambio, algunos taladros incrustan el elemento calefactor en un material como plata o cobre que conducirá el calor rápidamente a la superficie del punto caliente; [137] estos pueden construirse de modo que las conexiones eléctricas no queden expuestas al agua. [138] Los taladros electrotérmicos requieren un cable para llevar la energía por el pozo; el circuito se puede completar a través de la columna de perforación si hay una. [139] Se necesita un transformador en el conjunto de perforación, ya que el cable debe transportar alto voltaje para evitar la disipación de energía. [140] Es más difícil disponer la energía eléctrica en una ubicación remota que generar calor a través de una caldera de gas, por lo que los taladros de punto caliente solo se utilizan para perforaciones de hasta unos pocos cientos de metros de profundidad. [141]
El primer intento de usar calor para perforar hielo fue en 1904, cuando C. Bernard, perforando en el glaciar Tête Rousse , intentó usar barras de hierro calentadas para perforar. Los extremos de las barras se calentaron hasta incandescentes y se bajaron al pozo. [26] El primer punto caliente verdadero fue utilizado por Mario Calciati en 1942 en el glaciar Hosand. Calciati bombeó agua caliente desde la superficie por el vástago de perforación y volvió a subir después de haber pasado por la cabeza de perforación. [142] [143] Otros diseños de puntos calientes han utilizado calefacción eléctrica para calentar la cabeza de perforación; esto fue hecho en 1948 por una expedición británica al Jungfraujoch, [144] y por muchos otros diseños de perforación desde entonces. Los puntos calientes no producen núcleos, por lo que se utilizan principalmente para crear agujeros de acceso. [141]
Taladros de perforación electrotérmicos
El desarrollo en la década de 1960 de los taladros de perforación térmica para pozos de profundidad intermedia fue impulsado por los problemas asociados con los taladros de perforación rotativos, que eran demasiado costosos de usar para núcleos de hielo polar debido a los problemas logísticos causados por su peso. [145] [146] Los componentes de un taladro térmico son generalmente los mismos que los de un taladro EM suspendido por cable: ambos tienen un mástil y un cabrestante, y un cable blindado para proporcionar energía en el fondo del pozo a una sonda, que incluye un barril de núcleo. No se necesita un sistema antipar para un taladro térmico, y en lugar de un motor que proporciona torque, la potencia se usa para generar calor en el cabezal de corte, que tiene forma de anillo para derretir un anillo de hielo alrededor del núcleo. Algunos taladros también pueden tener un centralizador, para mantener la sonda en el medio del pozo. [38]
La sonda de un taladro electrotérmico diseñado para funcionar sumergido en agua de deshielo puede consistir casi en su totalidad en el barril sacatestigos más el cabezal de corte calentado (diagrama (a) en la figura de la derecha). Los diseños alternativos para usar en hielo más frío (ver el diagrama (b) a la derecha) pueden tener un compartimiento sobre el barril sacatestigos y tubos que descienden justo por encima del cabezal de corte; una bomba de vacío aspira el agua de deshielo. En estos taladros, el agua de deshielo debe vaciarse en la superficie al final de cada corrida de extracción. [147]
Otro enfoque (ver (c) a la derecha) es usar un fluido de perforación que sea una mezcla de etanol y agua, con las proporciones exactas determinadas por la temperatura del hielo. En estos taladros hay un pistón sobre el barril de núcleo y al comienzo de una carrera, el pistón está en la parte inferior de la sonda, y el espacio de arriba está lleno de fluido de perforación. A medida que las brocas cortan hacia abajo, el núcleo empuja el pistón hacia arriba, bombeando el fluido hacia abajo y hacia afuera alrededor del cabezal de corte, donde se mezcla con el agua de deshielo y evita que se congele. El pistón es la única parte móvil, lo que simplifica el diseño; y el barril de núcleo puede ocupar gran parte de la longitud de la sonda, mientras que los taladros que succionan el agua de deshielo para perforar un agujero seco tienen que sacrificar una gran sección de la sonda para almacenar agua de deshielo. [147]
Los taladros térmicos diseñados para hielo templado son livianos y fáciles de operar, lo que los hace adecuados para su uso en glaciares de gran altitud, aunque esto también requiere que el taladro se pueda desmontar en componentes para el transporte impulsado por humanos a los lugares más inaccesibles, ya que los helicópteros puede que no pueda llegar a los glaciares más altos. [148] [149]
Los diseños de taladros electrotérmicos se remontan a la década de 1940. Un taladro electrotérmico fue patentado en Suiza en mayo de 1946 por René Koechlin , y fue utilizado en Suiza, [150] [151] [152] y en 1948 una expedición británica al Jungfraujoch perforó el lecho del glaciar usando un diseño electrotérmico. [3] Se diseñaron veinte perforadoras electrotérmicas entre 1964 y 2005, aunque muchos diseños se abandonaron debido al mayor rendimiento de las perforadoras EM. [38]
Sondas autónomas
Si el objetivo es obtener lecturas de instrumentos del interior del hielo y no es necesario recuperar el hielo ni el sistema de perforación, se puede utilizar una sonda que contenga un carrete largo de cable y un punto caliente. El punto caliente permite que la sonda se derrita a través del hielo, desenrollando el cable detrás de él. El agua de deshielo se volverá a congelar, por lo que la sonda no se puede recuperar, pero puede continuar penetrando en el hielo hasta que alcance el límite del cable que transporta y enviar las lecturas de los instrumentos a la superficie a través del cable. [153] Conocidos como sondas Philberth, [154] estos dispositivos fueron diseñados por Karl y Bernhard Philberth en la década de 1960 como una forma de almacenar desechos nucleares en la Antártida, pero nunca se utilizaron para ese propósito. [153] En cambio, fueron adaptados para su uso en investigación glaciológica, alcanzando una profundidad de 1005 metros y enviando información de temperatura a la superficie cuando se probaron en 1968 como parte de la Expédition Glaciologique Internationale au Groenland (EGIG). [155] [156]
Debido a que las sondas térmicas soportan su peso sobre el hielo en el fondo del pozo, se inclinan ligeramente fuera de la vertical, y esto significa que tienen una tendencia natural a alejarse de un pozo vertical hacia la horizontal. Se han propuesto varios métodos para abordar esto. Una punta en forma de cono, con una capa de mercurio sobre la punta, provocará una transferencia de calor adicional al lado inferior de un pozo inclinado, aumentando la velocidad de fusión en ese lado y devolviendo el pozo a la vertical. [157] Alternativamente, la sonda puede construirse para ser sostenida por hielo sobre su centro de gravedad, proporcionando dos anillos de calentamiento, uno de los cuales está hacia la parte superior de la sonda, y tiene un diámetro mayor que el resto de la sonda. Dar a este anillo superior una potencia de calentamiento ligeramente menor hará que la sonda tenga más presión de apoyo en el anillo superior, lo que le dará una tendencia natural a volver a la vertical si el pozo comienza a desviarse. El efecto se llama dirección pendular, por analogía con la tendencia de un péndulo a oscilar siempre hacia una posición vertical. [158]
En la década de 1990, la NASA combinó el diseño de la sonda Philberth con ideas extraídas de taladros de agua caliente para diseñar una sonda criobot que tenía chorros de agua caliente además de una punta caliente. Una vez que la sonda se sumergió en una fina capa de agua de deshielo, el agua fue aspirada y recalentada, emergiendo por la nariz como un chorro. Este diseño fue diseñado para ayudar a alejar las partículas de la nariz, como suele hacer un taladro de agua caliente. Se construyó una versión sin herramientas analíticas a bordo y se probó en el campo en Svalbard , Noruega, en 2001. Penetró hasta 23 m, pasando con éxito a través de capas de partículas. [159]
Los criobots permanecen en buen contacto térmico con el hielo circundante durante su descenso, y en hielo muy frío esto puede drenar una fracción sustancial de su presupuesto de energía, que es finito ya que deben llevar su fuente de energía con ellos. Esto los hace inadecuados para investigar el casquete polar marciano . En cambio, la NASA agregó una bomba al diseño del criobot, para elevar el agua de deshielo a la superficie, de modo que la sonda, conocida como SIPR (para Subsurface Ice Probe) descienda en un agujero seco. La menor gravedad en Marte significa que la presión de sobrecarga en la capa de hielo es mucho menor, y se espera que un pozo abierto sea estable a una profundidad de 3 km, la profundidad esperada de la capa de hielo. Luego, el agua de deshielo se puede analizar en la superficie. El bombeo a través de un tubo vertical provocará una mezcla, por lo que para asegurar muestras discretas para el análisis en la superficie, se utilizan un tubo de diámetro grande y uno pequeño; el tubo de pequeño calibre se utiliza para la toma de muestras, y luego se permite que su contenido regrese a la sonda y se bombee de nuevo al tubo de gran calibre para su uso en experimentos que no dependen de la estratigrafía, como la búsqueda de organismos vivos. Dejar los instrumentos analíticos en la superficie reduce el tamaño necesario de la sonda, lo que ayuda a que este diseño sea más eficiente. [160]
Junto con los tubos de transporte de agua, un cable calentado asegura que el agua permanezca líquida hasta la superficie, y la energía y la telemetría también se transportan desde la superficie. Para mantener el orificio vertical, la sonda puede detectar cuándo se está desviando y los chorros de agua caliente se ajustan para compensar. Se espera que el taladro utilice energía solar en funcionamiento, lo que significa que debe poder funcionar con menos de 100 W cuando esté a la luz del sol. Una versión completamente construida de la sonda se probó con éxito en Groenlandia en 2006, perforando a una profundidad de 50 m. [161] La NASA ha propuesto un diseño similar para perforar el hielo en Europa , una luna de Júpiter. [162] Cualquier sonda de este tipo tendría que sobrevivir a temperaturas de 500 ° C mientras se esteriliza para evitar la contaminación biológica del entorno objetivo. [163]
Otros tipos de taladros
Muestreadores de nieve
Se toman muestras de nieve para medir la profundidad y densidad de la capa de nieve en un área determinada. Las mediciones de profundidad y densidad se pueden convertir en un número equivalente de agua de nieve (SWE), que es la profundidad del agua que resultaría de convertir la nieve en agua. [164] Los muestreadores de nieve suelen ser cilindros huecos, con extremos dentados para ayudarlos a penetrar en la capa de nieve; se utilizan empujándolos hacia la nieve y luego sacándolos junto con la nieve en el cilindro. [23] Pesando el cilindro lleno de nieve y restando el peso del cilindro vacío se obtiene el peso de la nieve; Los muestreadores suelen tener ranuras a lo largo para permitir que también se registre la profundidad de la nieve, aunque un muestreador hecho de material transparente lo hace innecesario. [23] [165]
El muestreador debe agarrar la nieve lo suficientemente bien para mantener la nieve dentro del cilindro mientras se retira de la nieve, lo que es más fácil de lograr con un cilindro de menor diámetro; sin embargo, los diámetros más grandes dan lecturas más precisas. Las muestras deben evitar compactar la nieve, por lo que tienen superficies internas lisas (generalmente de aleación de aluminio anodizado , y algunas veces enceradas además) para evitar que la nieve se agarre a los lados del cilindro cuando se empuja hacia adentro. Un muestreador puede penetrar nieve ligera debajo su propio peso; Es posible que un paquete de nieve, firme o hielo más denso requiera que el usuario gire el muestreador suavemente para que los dientes de corte encajen. Empujar demasiado fuerte sin cortar con éxito una capa densa puede hacer que la muestra empuje la capa hacia abajo; esta situación se puede identificar porque el nivel de nieve dentro del muestreador será más bajo que la nieve circundante. Por lo general, se toman múltiples lecturas en cada ubicación de interés y los resultados se promedian. Los muestreadores de nieve suelen tener una precisión de entre el 5 y el 10%. [23]
El primer muestreador de nieve fue desarrollado por JE Church en el invierno de 1908/1909, y el muestreador de nieve moderno más común, conocido como muestreador de nieve federal, se basa en el diseño de Church, con algunas modificaciones de George D. Clyde y US Soil Servicio de Conservación en la década de 1930. Se puede utilizar para tomar muestras de nieve hasta 9 m de profundidad. [166]
Probadores de penetración
Las pruebas de penetración implican insertar una sonda en la nieve para determinar las propiedades mecánicas de la nieve. Los topógrafos de nieve experimentados pueden usar un bastón de esquí común para probar la dureza de la nieve empujándolo hacia la nieve; los resultados se registran en función del cambio en la resistencia que se siente cuando se inserta el poste. Una herramienta más científica, inventada en la década de 1930 pero todavía de uso generalizado, es un penetrómetro de ram . Este toma la forma de una varilla con un cono en el extremo inferior. El extremo superior de la varilla pasa por un peso que se utiliza como martillo; el peso se levanta y se suelta, y golpea un yunque —un saliente alrededor de la barra que no puede pasar— que la clava en la nieve. Para tomar una medida, se coloca la varilla sobre la nieve y se deja caer el martillo una o más veces; se registra la profundidad de penetración resultante. En nieve blanda se puede utilizar un martillo más ligero para obtener resultados más precisos; los pesos de los martillos van desde 2 kg hasta 0,1 kg. [167] Incluso con martillos más ligeros, los penetrómetros de ariete tienen dificultades para distinguir las capas delgadas de nieve, lo que limita su utilidad con respecto a los estudios de avalanchas, ya que las capas delgadas y suaves a menudo están involucradas en la formación de avalanchas. [167] [168]
Se utilizan ampliamente dos herramientas livianas que son más sensibles que los penetrómetros de ariete. Un micropenetrómetro de nieve utiliza un motor para empujar una varilla hacia la nieve, midiendo la fuerza requerida; es sensible a 0.01-0.05 newtons, dependiendo de la fuerza de la nieve. Una sonda SABRE consiste en una varilla que se inserta manualmente en la nieve; Las lecturas del acelerómetro se utilizan para determinar la fuerza de penetración necesaria en cada profundidad y se almacenan electrónicamente. [168] [169]
Para probar la nieve polar densa, se utiliza una prueba de penetrómetro de cono (CPT), basada en los dispositivos equivalentes utilizados para las pruebas de suelo. Las mediciones CPT se pueden utilizar en nieve dura y firn a profundidades de 5 a 10 m. [168] [169]
Equipos de barrena rotativos
Los equipos de perforación rotativos disponibles comercialmente se han utilizado con grandes barrenas para perforar hielo, generalmente para la construcción o para agujeros para acceder debajo del hielo. Aunque no pueden producir núcleos, han sido utilizados de forma intermitente por expediciones científicas estadounidenses y soviéticas en la Antártida. [170] En 2012, una expedición del British Antarctic Survey para perforar el lago Ellsworth , dos millas por debajo de la superficie del hielo antártico, utilizó una barrena australiana impulsada por un top drive montado en un camión para ayudar a perforar dos pozos de 300 m como parte del proyecto, aunque en caso de que el proyecto se retrasara. [171] [172] [173]
Las barrenas motorizadas diseñadas para perforar grandes agujeros en el hielo para la pesca en invierno pueden montarse en un vehículo de nieve, tractor o trineo; Los diámetros de los orificios pueden alcanzar los 350 mm. Estas plataformas se han producido comercialmente tanto en los EE. UU. Como en la URSS, pero ya no son de uso común. [70]
Taladros de chorro de llama
Un taladro de chorro de llama, más comúnmente utilizado para perforar rocas cristalinas, se utilizó para perforar el hielo en la plataforma de hielo de Ross , en la década de 1970. El taladro quema fueloil y puede funcionar bajo el agua siempre que haya suficiente aire comprimido disponible. Perfora rápidamente, pero produce un agujero irregular contaminado por hollín y fuel oil. [174]
Taladros vibratorios
Un taladro de diseño soviético utilizaba un motor para proporcionar vibración vertical al cañón del taladro a 50 Hz; la perforación tenía un diámetro exterior de 0,4 my, en las pruebas en la estación Vostok en la Antártida, perforó un pozo de 6,5 m, con un recorrido de perforación de 1,2 m que tardó entre 1 y 5 minutos en completarse. Los bordes de acero del taladro compactaron la nieve en el núcleo, lo que ayudó a que se adhiriera al interior del cañón cuando el taladro se sacaba del agujero con un cabrestante. [165] [175]
Componentes del sistema de perforación
Cortadores
Los taladros mecánicos suelen tener tres cortadores, espaciados uniformemente alrededor de la cabeza del taladro. Dos cortadores provocan vibraciones y una peor calidad del núcleo de hielo, y las pruebas de cabezales de perforación con cuatro cortadores han producido un rendimiento insatisfactorio. El diseño geométrico varía, pero el ángulo de relieve, α, varía de 5 a 15 °, siendo de 8 a 10 ° el rango más común en hielo frío, y el ángulo de corte, δ , varía de 45 ° (el más común en hielo frío) hasta 90 °. El ángulo de seguridad, entre la parte inferior de la cuchilla de corte y el hielo, puede ser tan bajo como 0,8 ° en diseños de taladros exitosos. [176] Se han probado diferentes formas para el extremo de la hoja: plano (el diseño más común), puntiagudo, redondeado y en forma de pala. [177]
Los cortadores deben estar hechos de materiales extremadamente resistentes [178] y, por lo general, deben afilarse después de cada 10 a 20 m de perforación. [177] Los aceros para herramientas que contienen carbono no son ideales porque el carbono hace que el acero sea frágil a temperaturas inferiores a -20 ° C. Se ha sugerido el uso de carburo de tungsteno sinterizado en cortadores, ya que es extremadamente duro, pero los mejores aceros para herramientas son más rentables: los cortadores de carburo se fijan al cuerpo de la herramienta de corte mediante prensado en frío o soldadura de latón y no se pueden desmontar fácilmente. y afilado en el campo. [178]
La profundidad de corte se controla mediante zapatas de montaje en la parte inferior del cabezal de perforación; estos se desplazan sobre la superficie del hielo y así limitan la profundidad a la que puede penetrar el cortador en cada revolución del taladro. Por lo general, se montan justo detrás de los cortadores, pero esta posición puede provocar la acumulación de hielo en el espacio entre el cortador y la zapata. Hasta ahora no ha sido posible corregir esto modificando el diseño del zapato. [179]
Fluidos de perforación
Los fluidos de perforación son necesarios para la estabilidad del pozo en núcleos profundos y también se pueden usar para hacer circular los recortes lejos de la barrena. Los fluidos utilizados incluyen agua, etanol / agua y mezclas de agua / etilenglicol , combustibles de petróleo , hidrocarburos no aromáticos y acetato de n-butilo .
- El agua es la opción más barata y limpia; puede estar presente en la superficie glacial o puede ser creado por perforación térmica. En hielo frío es necesario algún tipo de anticongelante, o se debe volver a aplicar calor escariando el orificio periódicamente. [180]
- Etanol y agua . El etanol actúa como anticongelante en agua; a concentraciones suficientes, puede reducir la temperatura de congelación de la mezcla muy por debajo de cualquier temperatura que se pueda encontrar en la perforación de hielo. La concentración debe elegirse para evitar que el líquido se congele y también para mantener el pozo contra la presión de la sobrecarga de hielo. Debido a que la densidad de la mezcla disminuye con temperaturas más bajas, se desarrollará convección vertical en pozos donde las temperaturas disminuyen con la profundidad, a medida que aumenta la mezcla más ligera. Esto hace que se forme un lodo en el pozo, aunque aún es posible realizar una perforación con éxito. [181] [182] El etanol es una de las opciones más baratas para un fluido de perforación y requiere menos espacio de almacenamiento que otras opciones porque en uso se diluye con agua. [181] Una expedición soviética dejó un pozo de 800 m en la Antártida lleno de etanol y agua a una temperatura del hielo de -53 ° C; luego de 11 meses el pozo permaneció abierto y la perforación se reanudó sin problemas. Un problema con esta opción es que la mezcla penetrará en los núcleos que tengan grietas. [180]
- Se utilizó etilenglicol y agua en Camp Century en 1966 en la parte inferior del pozo para disolver los esquejes. [183]
- Combustibles de petróleo . Esto incluye diesel, combustible para aviones y queroseno. Son económicos y fáciles de conseguir, y alguna vez fueron de uso común; las desventajas incluyen la inflamabilidad y los aromáticos que contienen, que son un peligro para la salud. [180]
- Hidrocarburos no aromáticos . A partir de 2009, estos se habían convertido en los fluidos de perforación más utilizados; la eliminación de aromáticos resolvió los problemas de salud con estos fluidos. Son significativamente más caros que los combustibles derivados del petróleo sin tratar. [180]
- acetato de n-butilo . Un combustible ampliamente utilizado en la década de 1990, debido a que coincide con la densidad del hielo, ahora es impopular porque disuelve muchos materiales, lo que impide su uso en el equipo de perforación con el que entra en contacto. También es inflamable y corrosivo, y las personas expuestas pueden necesitar ropa protectora y, en algunos casos, máscaras. [184]
- Fluidos a base de ESTISOL . ESTISOL es un éster, como el acetato de n-butilo, pero no tiene problemas de salud. [185]
Los densificadores se utilizan en los fluidos de perforación para ajustar la densidad del fluido para que coincida con el hielo circundante. El percloroetileno y el tricloroetileno se usaban a menudo en los primeros programas de perforación, en combinación con combustibles derivados del petróleo. Estos se han eliminado gradualmente por razones de salud. El freón fue un reemplazo temporal, pero ha sido prohibido por el Protocolo de Montreal , al igual que el HCFC-141b , un densificador de hidroclorofluorocarbono utilizado una vez que se abandonó el freón. [186] Las opciones futuras para los fluidos de perforación incluyen ésteres de bajo peso molecular, como butirato de etilo , propionato de n-propilo , butirato de n-butilo , butirato de n-amilo y acetato de hexilo ; mezclas de diversos tipos de ESTISOL; y aceites de dimetilsiloxano . [185]
Anti-torque
Los dos requisitos principales de un sistema anti-torque son que debe evitar la rotación de la sonda y debe permitir un movimiento fácil de la broca hacia arriba y hacia abajo del pozo. [187] Se han realizado intentos para diseñar taladros con componentes contrarrotantes de modo que se minimice el par total, pero estos han tenido un éxito limitado. [188] [189] Se han diseñado cinco tipos de sistemas anti-torque para su uso con taladros EM suspendidos por cable, aunque no todos están en uso actual, y algunos taladros han usado una combinación de más de un diseño. El primer taladro que requirió un sistema anti-torque fue utilizado en Camp Century por CRREL en 1966; el taladro incorporó un juego de cuchillas de fricción con bisagras que salieron de la sonda cuando se puso en marcha el motor del taladro. Se encontró que tenían una fricción muy débil contra la pared del pozo y eran ineficaces; el taladro tenía que controlarse con cuidado para evitar torcer el cable. Ningún otro simulacro ha intentado utilizar este enfoque. [188]
Para el próximo despliegue de la perforadora se instalaron ballestas, y este ha demostrado ser un diseño más duradero. Estos están montados verticalmente, con una curva hacia afuera para que sean fácilmente comprimidos por la pared del pozo y puedan deslizarse hacia arriba y hacia abajo con el movimiento del taladro. Pasan fácilmente a través de cualquier área de irregularidad en el pozo, pero los bordes de los resortes cortan la pared del pozo e impiden la rotación. Los resortes de hojas son muy simples mecánicamente, con el beneficio adicional de ser fáciles de ajustar cambiando el espacio entre los puntos finales. Se pueden colocar en cualquier lugar del taladro que no gire, por lo que no añaden longitud a la sonda. [190] La forma suele ser una parábola de cuarto orden, ya que se ha determinado que proporciona la carga más uniforme contra la pared del pozo. [190] [191] Se ha descubierto que los resortes de hojas son tan efectivos que pueden evitar la rotación incluso en taladros pesados que funcionan a plena potencia. [190]
Los sistemas antipar de patines tienen hojas unidas a barras verticales que se empujan contra la pared del pozo; las cuchillas se clavan en la pared y proporcionan el anti-torque. Los patines se pueden construir con resortes que les permitan mantener las palas presionadas contra la pared en un pozo irregular y evitar problemas en partes más estrechas del pozo. Aunque los patines son un diseño popular para anti-torque y se han utilizado con éxito, tienen dificultades para prevenir la rotación en la parte inicial y en los límites entre capas de diferentes densidades, y pueden causar problemas al perforar con torque alto. Cuando fallan, actúan como escariadores, eliminando virutas de la pared que pueden caer sobre la broca e interferir con la perforación. [192]
En la década de 1970, el grupo Japanese Antarctic Research Expedition (JARE) diseñó varias perforadoras con fresas laterales. Estos son engranajes dentados que se accionan mediante la rotación del motor de perforación principal a través de engranajes en espiral de 45 ° ; su eje de rotación es horizontal y se colocan de manera que los dientes corten cuatro ranuras verticales en la pared del pozo. Las aletas de guía más altas en la sonda viajan en estas ranuras y proporcionan el antipar. El diseño fue eficaz para evitar la rotación de la sonda, pero resultó casi imposible realinear las aletas guía con las ranuras existentes cuando se tropezó. La desalineación aumentó la posibilidad de que la broca se atasque en el pozo; y también existía el riesgo de que los cortes de hielo de los cortadores del molino se atascaran entre la perforadora y la pared del pozo, causando que la perforadora se atascara. El sistema se volvió a utilizar en un taladro desarrollado en China en las décadas de 1980 y 1990, pero los problemas inherentes al diseño ahora se consideran insuperables y ya no se utiliza. [194] [195]
El diseño más reciente del sistema anti-torque es el uso de cuchillas en forma de U, hechas de acero y fijadas verticalmente a los lados de la sonda. Las implementaciones iniciales tuvieron problemas con las hojas delgadas que se doblaban con demasiada facilidad y las hojas gruesas que proporcionaban demasiada resistencia al movimiento vertical de la sonda, pero el diseño final puede generar una fuerte resistencia a la torsión tanto en firme como en hielo. [196]
Los taladros pueden diseñarse con más de un sistema anti-torque para aprovechar los diferentes rendimientos de los diferentes diseños en diferentes tipos de nieve y hielo. Por ejemplo, un taladro puede tener patines para usar en firn duro o hielo, pero también tener un sistema de ballesta, que será más efectivo en firn suave. [187]
Rompiendo y reteniendo núcleos
En la perforación de núcleos de hielo, cuando se ha perforado un anillo alrededor del núcleo que se va a recuperar, el núcleo todavía está unido a la capa de hielo en su extremo inferior, y esta conexión debe romperse antes de poder recuperar el núcleo. Una opción es usar un collar, que es un anillo ahusado dentro del cabezal de corte. Cuando se levanta el taladro, el collar comprime el núcleo y lo sostiene, con trozos de hielo sueltos encajados en él, lo que aumenta la compresión. Esto rompe el núcleo y lo mantiene en el cañón una vez que se ha roto. Las pinzas son eficaces en el hielo, pero menos en el hielo, por lo que los perros de extracción, también conocidos como recolectores de muestras, se utilizan a menudo para las muestras de hielo. [110]
Un perro de perforación de hielo típico tiene forma de pata de perro y se integrará en la cabeza de perforación con la capacidad de rotar y con un resorte que suministra algo de presión contra el núcleo. Cuando se levanta el taladro, la punta afilada del perro sacatestigos se engancha y gira, haciendo que el sacatestigos se rompa. Algunos perros centrales tienen un hombro para evitar que giren demasiado. [198] La mayoría de los cabezales de perforación tienen tres perros de extracción, aunque es posible tener sólo dos perros de extracción; la fuerza de corte asimétrica ayuda a romper el núcleo. [198] El ángulo, δ , entre la punta del perro del núcleo y el núcleo, ha sido objeto de alguna investigación; un estudio en 1984 concluyó que el ángulo óptimo era de 55 °, y un estudio posterior concluyó que el ángulo debería estar más cerca de 80 °. [197] Los colectores de núcleos están hechos de acero endurecido y deben ser lo más afilados posible. La fuerza requerida para romper el núcleo varía con la temperatura y la profundidad, y en hielo caliente los perros del núcleo pueden hacer surcos en el núcleo antes de atraparlo y romperlo. [199] Algunos taladros también pueden incluir un peso que puede usarse como un martillo, para proporcionar un impacto que ayude a romper el núcleo. [48]
Para nieve y firn, donde el material del núcleo puede correr el riesgo de caerse del fondo del barril del núcleo, un receptor de canasta es una mejor opción. Estos receptores consisten en alambres de resorte o piezas delgadas de chapa de metal, colocadas radialmente alrededor de la parte inferior del barril del núcleo y presionadas contra el costado del barril por el núcleo a medida que el taladro desciende a su alrededor. Cuando se levanta el taladro, los extremos del receptor enganchan con el núcleo y lo rompen de la base, y actúan como una canasta para mantenerlo en su lugar mientras se lleva a la superficie. [200]
Caja
Es necesario entubar o revestir un pozo con un tubo siempre que las operaciones de perforación requieran que el pozo esté aislado de la nieve permeable circundante y del suelo. Los orificios no revestidos se pueden perforar con fluido utilizando una manguera que se baja al pozo, pero es probable que esto conduzca a un mayor consumo de fluido de perforación y a la contaminación ambiental por fugas. La carcasa de acero se utilizó en la década de 1970, pero la oxidación de la carcasa causó daños a los taladros y la carcasa no estaba sellada, lo que provocó fugas de líquido. También hubo problemas con los tubos de la carcasa que no estaban centrados, lo que causó daños a la broca al bajarla a través de la carcasa. Las carcasas de fibra de vidrio y HDPE se han vuelto más comunes, con uniones selladas con cinta de PTFE , pero las fugas son frecuentes. La soldadura por fusión por calor para carcasas de HDPE es una posible solución. Para sellar la parte inferior de la carcasa, se puede bombear agua al fondo del orificio una vez que la carcasa está colocada, o se puede usar un cabezal térmico para derretir el hielo alrededor de la zapata de la carcasa, creando un sello cuando el agua se congela nuevamente. Otro enfoque consiste en utilizar un taladro de punto caliente, saturando la nieve y luego con agua derretida, que luego congelará y sellará el pozo. [201]
La tubería de PVC de baja temperatura no es adecuada para revestimientos permanentes, ya que no se puede sellar en la parte inferior, pero se puede usar para hacer pasar el fluido de perforación a través de la zona permeable. Su ventaja es que no requiere conexiones, ya que se puede enrollar en un carrete para su despliegue. [201]
Ver también
- Historia de la perforación de hielo
Notas
- ^ Una "sarta de perforación" es el conjunto de equipos que se encuentran en el pozo; Si se utilizan barras o tubos rígidos para conectar la cabeza de perforación a la superficie, entonces todo lo que hay entre la cabeza de perforación y la superficie es la sarta de perforación. [sesenta y cinco]
- ↑ Von Drygalski se refirió al dispositivo que usó en 1902 como un "Löffelbohrer"; Talalay traduce esto como "barrenador de cucharas". [68] [69]
- ^ Bentley y col. afirman que el taladro utilizado en el glaciar Taku en 1950 por Maynard Miller era un taladro con cable, pero Talalay da una descripción detallada del taladro y lo enumera como no con cable. [100] [43]
Referencias
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