La perforación de hielo permite a los científicos que estudian glaciares y capas de hielo acceder a lo que hay debajo del hielo, tomar medidas en el interior del hielo y recuperar muestras. Se pueden colocar instrumentos en los agujeros perforados para registrar la temperatura, la presión, la velocidad y la dirección del movimiento y para otras investigaciones científicas, como la detección de neutrinos .
Desde 1840, cuando la primera expedición científica de perforación de hielo intentó perforar el Unteraargletscher en los Alpes , se han utilizado muchos métodos diferentes . Los dos primeros métodos fueron la percusión, en la que se fractura y pulveriza el hielo, y la perforación rotatoria, un método que se utiliza a menudo en la exploración minera para perforar rocas. En la década de 1940, comenzaron a utilizarse perforadoras térmicas; estas perforadoras derriten el hielo calentando la broca. Pronto siguieron las perforadoras que utilizan chorros de agua caliente o vapor para perforar el hielo. Un creciente interés en los núcleos de hielo , utilizados para la investigación paleoclimatológica , llevó al desarrollo de perforadoras de núcleos de hielo en las décadas de 1950 y 1960, y ahora hay muchos taladros de núcleo diferentes en uso. Para obtener núcleos de hielo de pozos profundos, la mayoría de los investigadores utilizan perforadoras electromecánicas suspendidas 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 1.387 metros (4.551 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 lugares de perforación que permitan a los científicos acceder a hielo muy antiguo no alterado en el fondo del pozo, ya que se requiere una secuencia estratigráfica inalterada para datar con precisión la información obtenida del hielo.
Las primeras expediciones científicas de perforación de hielo, dirigidas por Louis Agassiz de 1840 a 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 de los glaciares se logró colocando estacas en agujeros perforados en un glaciar y rastreando su movimiento desde la montaña circundante. [2] La perforación a través de los glaciares para determinar su espesor y para probar teorías del movimiento y la estructura de los glaciares siguió 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 a través de un glaciar para determinar su espesor, los científicos todavía perforan agujeros de bala 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 los climas pasados . [10] Se pueden bajar otros instrumentos al 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 que se colocaran numerosos sensores ópticos en pozos de 2,5 km de profundidad, perforados en el Polo Sur. [13]
La inclinación de un pozo y su cambio a lo largo del tiempo se pueden medir en un pozo entubado , un pozo en el que se ha colocado un tubo hueco 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 entender si un glaciar está encogiéndose o creciendo, se debe medir su balance de masa : este es el efecto neto de las ganancias de nieve fresca, menos las pérdidas por derretimiento y sublimación. Una forma sencilla de determinar estos efectos en toda la superficie de un glaciar es plantar estacas (conocidas como estacas de ablación) en pozos perforados en la superficie del glaciar y monitorearlas a lo largo del tiempo para ver si se acumula más nieve, enterrando la estaca, o si cada vez se ve más estaca a medida que la nieve a su alrededor desaparece. [15] El descubrimiento de capas de agua acuosa y de varios cientos de lagos subglaciales cartografiados , debajo de la capa de hielo antártica , condujo a especular sobre la existencia de entornos microbianos únicos que habían estado aislados del resto de la biosfera , posiblemente durante millones de años. Estos entornos se pueden investigar mediante perforaciones. [16] [17]
Los núcleos de hielo son una de las motivaciones más importantes para la perforación en el hielo. Dado que los núcleos de hielo retienen información ambiental sobre el momento en que el hielo en ellos cayó como 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 radionucleidos traza . [18] Los datos de los núcleos de hielo se pueden utilizar para determinar variaciones pasadas en la actividad solar, [19] y son importantes en la construcción de estadios isotópicos marinos , una de las herramientas clave de datación paleoclimática. [20] Los núcleos de hielo también pueden proporcionar información sobre el flujo glaciar y las tasas de acumulación . [18] IPICS (International Partnership in Ice Core Sciences) mantiene una lista de objetivos clave para la investigación de núcleos de hielo. Actualmente, estos son 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 en escalas de tiempo largas ; obtener un conjunto espacial detallado de datos climáticos de núcleos de hielo de los últimos 2.000 años; y continuar el desarrollo de tecnología avanzada de perforación de núcleos de hielo. [21]
Las limitaciones en los diseños de perforadoras de hielo se pueden dividir en las siguientes categorías generales.
El hielo debe cortarse, romperse o derretirse. Las herramientas se pueden empujar directamente en la nieve y el firn (nieve que está comprimida, pero aún no se convirtió en hielo, lo que generalmente ocurre a una profundidad de 60 metros (200 pies) a 120 metros (390 pies)); [22] este método no es efectivo en el hielo, pero es perfectamente adecuado para obtener muestras de las capas más 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 rotatorias, que tienen una cuchilla giratoria o un conjunto de cuchillas en el fondo del pozo para cortar el hielo. Para herramientas pequeñas, la rotación se puede proporcionar a mano, utilizando un mango en T o una abrazadera de carpintero . Algunas herramientas también se pueden configurar para utilizar taladros eléctricos domésticos comunes, o pueden incluir un motor para impulsar la rotación. Si el torque se suministra desde la superficie, entonces toda la sarta de perforación debe ser rígida para que pueda rotar; 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 se quiere derretir el hielo en lugar de cortarlo, es necesario generar calor. Un calentador eléctrico integrado en la columna 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 a lo largo de la columna de perforación; se puede utilizar agua caliente o vapor bombeado desde la superficie para calentar una cabeza de perforación de metal, o se puede dejar 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 al pozo. [26]
Muchos lugares de perforación en hielo son de muy difícil acceso, y las perforadoras deben diseñarse de manera que puedan transportarse hasta el lugar de perforación. [27] El equipo debe ser lo más liviano y portátil posible. [27] [28] Es útil que el equipo se pueda desmontar para que los componentes individuales se puedan transportar por separado, reduciendo así la carga de transportarlo a mano, si es necesario. [29] También se debe transportar el combustible, para las perforadoras de vapor o agua caliente, o para un generador que proporcione energía, y este peso también debe tenerse en cuenta. [30]
La perforación mecánica produce trozos de hielo, ya sea como recortes 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 recortes de hielo hacia arriba 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] Si no, se pueden llevar a la superficie bajando una herramienta para recogerlos, o el pozo se puede mantener lleno de agua, en cuyo caso los recortes flotarán naturalmente hacia la parte superior del pozo. Si los trozos no se retiran, se deben compactar en las paredes del pozo y en el núcleo si se está recuperando un núcleo. [33]
Los recortes también pueden ser trasladados a la superficie haciendo circular aire comprimido a través del pozo, ya sea bombeando el aire a través de la tubería de perforación y hacia afuera en el cabezal de perforación, forzando a los recortes a subir al espacio entre la sarta de perforación y la pared del pozo, o por circulación de aire inversa, en la que el aire fluye hacia arriba a través de la sarta de perforación. [33] El aire comprimido se calentará por la compresión y debe enfriarse antes de ser bombeado al fondo del pozo, o causará la fusión de las paredes del pozo y el núcleo. [34] [35] Si el aire circula creando un vacío, en lugar de bombear aire, el aire ambiente transporta los recortes, por lo que no se necesita enfriamiento. [36]
Se puede utilizar un fluido para hacer circular los recortes fuera de la broca, o el fluido puede disolverlos. La perforación rotatoria de minerales (a través de la roca) normalmente hace circular el fluido por todo el pozo y separa los sólidos del fluido en la superficie antes de bombear el fluido hacia abajo. [36] En la perforación en 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 de fondo del pozo. En el caso de una perforadora de núcleos, la cámara de recortes se puede vaciar cada vez que la perforadora se lleva a la superficie para recuperar un núcleo. [37]
Los taladros térmicos producen agua, por lo que no hay desechos que desechar, pero el taladro debe ser capaz de trabajar mientras está sumergido en agua, o bien el taladro debe tener un método para extraer y almacenar el agua derretida mientras perfora. [38]
El mecanismo de perforación debe estar conectado a la superficie, y debe haber un método para subir y bajar la perforadora. [39] Si la sarta de perforación consiste en tubos o varillas que deben atornillarse entre sí, o ensamblarse de otra manera, a medida que el pozo se hace más profundo y la sarta de perforación se alarga, entonces debe haber una manera de mantener la sarta de perforación en su lugar a medida que se agrega o se quita cada tramo de varilla o tubo. [40] [32] Si el pozo tiene solo unos pocos metros de profundidad, puede que no sea necesaria asistencia mecánica, pero las sartas de perforación pueden volverse muy pesadas para pozos profundos, y debe haber un cabrestante u otro sistema de elevación que sea capaz de levantarlas y bajarlas. [39]
En la perforación, un "viaje" se refiere a la tarea de sacar completamente una sarta de perforación del pozo (viaje de salida) y luego volver a insertarla en el pozo (viaje de entrada). [41] El tiempo de viaje es el tiempo que se tarda en entrar y salir del pozo; es importante que el diseño de una perforadora minimice el tiempo de viaje, en particular para las perforadoras de núcleo, ya que deben completar un viaje para cada núcleo. [42]
La presión de sobrecarga en un pozo profundo debido al peso del hielo que se encuentra encima hará que el pozo se cierre lentamente, a menos que se haga algo para contrarrestarlo, por lo que los pozos profundos se llenan con un fluido de perforación que tenga 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 viaje . Dado que la recuperación de cada segmento del núcleo requiere un viaje, una velocidad de viaje más lenta a través del fluido de perforación podría agregar un tiempo significativo a un proyecto, un año o más para un pozo profundo. El fluido 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 podría ser de 100 metros (330 pies), pero en un ambiente muy frío, como algunas partes de la Antártida Oriental, podría ser posible realizar perforaciones en seco hasta 1.000 metros (3.300 pies). [43]
La nieve y el firn son permeables al aire, al agua y a los fluidos de perforación, por lo que cualquier método de perforación que requiera aire comprimido o líquido en el pozo debe evitar que estos escapen a las capas superficiales de nieve y firn. Si el fluido solo se utiliza en la parte inferior del pozo, la permeabilidad no es un problema. Alternativamente, el pozo puede entubar más allá del punto donde el firn se convierte en hielo. Si se utiliza agua como fluido de perforación, en temperaturas suficientemente frías, se convertirá en hielo en la nieve y el firn circundantes y sellará el pozo. [44]
Las herramientas pueden diseñarse para rotar con la mano, mediante un tirante o un mango en T, [32] o un engranaje de manivela, [45] o acopladas 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 instaló un proyecto de perforación lo suficientemente cerca de una estación de investigación permanente como para tender un cable al edificio de investigación para obtener energía. [45] La rotación se puede aplicar en la superficie, mediante una mesa giratoria , utilizando un Kelly , [47] o mediante un motor en el cabezal de perforación, para taladros suspendidos por cable; en este último caso, el cable debe llevar energía al cabezal de perforación y soportar su peso. Para los taladros rotatorios, se requiere un engranaje para reducir la rotación del motor a una velocidad adecuada para la perforación. [48]
Si se aplica par en el fondo del pozo, el motor que lo aplica a la broca que se encuentra debajo tenderá a girar sobre 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 antipar de algún tipo, generalmente dándole al motor algo de agarre contra las paredes del pozo. [49]
Un taladro térmico que utiliza electricidad para calentar la cabeza de perforación de modo que derrita el hielo debe llevar energía al pozo, al igual que con los taladros rotatorios. [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 alimentada con combustible. [30] También se puede utilizar energía solar . [28]
Algunas perforadoras que están diseñadas para descansar sobre su punta mientras perforan se inclinarán hacia un lado en el pozo, y el pozo que perforan se desviará gradualmente hacia la horizontal a menos que se proporcione algún método para contrarrestar esta tendencia. [51] Para otras perforadoras, el control direccional puede ser útil para iniciar pozos adicionales en profundidad, por ejemplo para recuperar núcleos de hielo adicionales. [52]
Muchos glaciares son templados, lo que significa que contienen "hielo cálido": hielo que está a temperatura de fusión (0 °C) en todo su espesor. [53] El agua de deshielo en pozos en hielo cálido no se volverá a congelar, pero en el caso de hielo más frío, es probable que el agua de deshielo cause un problema y pueda congelar la perforadora en su lugar, por lo que las perforadoras térmicas que funcionan sumergidas en el agua de deshielo que producen, y cualquier método de perforación que dé como resultado agua en el pozo, son difíciles de usar en tales condiciones. [54] Los fluidos de perforación, o los 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 el hielo cálido, el hielo tiende a formarse en los cortadores y el cabezal de perforación, y a acumularse en los espacios en el fondo del pozo, lo que ralentiza la perforación. [55]
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 al núcleo. [57] Se debe evitar que el núcleo se derrita causado por el calor generado mecánicamente por el proceso de perforación, [58] por el calor del aire comprimido si se utiliza aire como fluido de perforación, [34] [35] o por un taladro térmico, y no debe estar contaminado por el fluido de perforación. [42] Cuando se va a recuperar el núcleo, todavía está conectado al hielo debajo de él, por lo que se debe proporcionar algún método para romperlo en el extremo inferior y para sujetarlo para que no se caiga del barril de núcleo cuando se lleva a la superficie, lo que debe hacerse lo más rápido y seguro posible. [49]
La mayoría de las perforadoras de núcleos están diseñadas para recuperar núcleos que no tengan más de 6 metros (20 pies) de largo, por lo que la perforación debe detenerse cada vez que la profundidad del pozo se extiende en esa cantidad, para 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 juntas, lleva mucho tiempo para entrar y salir; un cable que se puede subir continuamente, o una sarta de perforación que es lo suficientemente flexible como para enrollarse, reduce significativamente el tiempo de viaje. [48] [35] Las perforadoras con cable tienen un mecanismo que permite separar el barril de núcleo del cabezal de perforación y subirlo directamente a la superficie sin tener que sacar la sarta de perforación. Una vez que se retira el núcleo, el barril de núcleo se baja al fondo del pozo y se vuelve a conectar a la perforadora. [59]
En un rango de profundidad conocido como la zona de hielo frágil, las burbujas de aire quedan atrapadas en el hielo bajo una gran presión. Cuando se lleva un núcleo a la superficie, las burbujas pueden ejercer una tensión que excede la resistencia a la tracción del hielo, lo que da como resultado grietas y astillas . [60] A mayores profundidades, la estructura del cristal 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 se vuelve estable nuevamente. [60] [61] [62]
La zona de hielo frágil suele dar 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 llevarlo a la superficie, pero esto dificulta la limpieza del fluido de perforación. En la perforación de minerales, la maquinaria especial puede llevar muestras de núcleos 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 enfoque es romperlos en longitudes de 1 m en el pozo. Extrudir el núcleo desde el barril de perforación en una red ayuda a mantenerlo unido si se rompe. Los núcleos frágiles también se dejan reposar en almacenamiento 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 frágil mejora mucho cuando se utiliza un fluido de perforación, en lugar de la perforación en seco. [64]
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 columna de perforación (normalmente varillas metálicas conectadas [nota 1] ), y se debe proporcionar algún medio para proporcionarle energía cinética. Un trípode erigido sobre el agujero permite instalar una polea, y luego se puede utilizar un cable para subir y bajar repetidamente la herramienta. Este método se conoce como perforación con herramienta de cable . También se puede utilizar un peso que se deja caer repetidamente sobre una columna de perforación rígida para proporcionar el impulso necesario. [24] El hielo pulverizado se acumula en el fondo del pozo y debe eliminarse. Se puede recoger con una herramienta capaz de sacarlo del fondo del pozo, [24] o el pozo se puede mantener lleno de agua, de modo que el hielo flote hasta la parte superior del pozo, aunque esto retarda el impulso del taladro al golpear el hielo, lo que reduce su eficacia. [66] Una herramienta de perforación por percusión que no esté accionada mecánicamente requiere algún método para elevar la perforadora de modo 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 mediante una cuerda. Este dispositivo, conocido como equipo de perforación con cable, también se puede utilizar para la 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 por percusión; Louis Agassiz utilizó barras de hierro para perforar agujeros en el Unteraargletscher , en los Alpes , en el verano de 1840. [2] En tiempos más recientes se han utilizado plataformas con herramientas de cable para perforar hielo; las expediciones soviéticas en la década de 1960 perforaron con plataformas con herramientas de cable 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: perforadoras neumáticas para perforar agujeros poco profundos en el hielo con el fin de colocar cargas explosivas y perforadoras de percusión rotatorias, un tipo de herramienta de perforación que antes se usaba comúnmente en la industria minera, para perforar agujeros de voladura, pero ninguno de estos métodos se ha utilizado para investigaciones científicas del hielo. La perforación por percusión ahora rara vez se utiliza para la perforación científica del hielo, ya que ha sido superada por técnicas más efectivas para la perforación tanto de hielo como de minerales. [24]
Un sinfín para muestreo de suelo contiene un par de cuchillas en la parte inferior de un cilindro cerrado; se puede accionar y girar con la mano para recoger suelo blando. [67] Un diseño similar, llamado barrena de cuchara, se ha utilizado 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]
Las barrenas se han utilizado durante mucho tiempo para perforar el hielo con el fin de pescar en el hielo . Las barrenas se pueden girar a mano, utilizando un mecanismo como un mango en T o una broca de refuerzo, o bien sujetándolas a taladros manuales eléctricos. [70] Los usos científicos de las barrenas no perforadoras incluyen la instalación de sensores y la determinación del espesor del hielo. Las barrenas tienen una hoja helicoidal alrededor del eje de perforación principal; esta hoja, llamada "de vuelo", lleva los recortes de hielo hacia arriba desde el fondo del agujero. [31] Para perforar agujeros más profundos, se pueden añadir extensiones a la barrena, pero a medida que la barrena se hace más larga se vuelve más difícil girarla. Con una plataforma como una escalera de mano, se puede girar una barrena más larga desde una altura mayor del suelo. [70]
Existen en el mercado barrenas para hielo para pesca de invierno, que funcionan con gasolina, propano o baterías, para diámetros de pozo de entre 4,5 y 10 pulgadas. Para pozos de más de 2 m de profundidad, se puede utilizar un trípode para sacar la barrena del pozo. Es común utilizar un mango de refuerzo plegable con un diseño desplazado; esto permite que ambas manos contribuyan al torque. [70]
Las barrenas capaces de extraer núcleos de hielo son similares a las barrenas que no son de extracción de núcleos, excepto que las paletas están dispuestas alrededor de un barril hueco para la extracción de núcleos. Se han diseñado barrenas que constan de cuchillas de corte helicoidales y un espacio para un núcleo, sin el cilindro de soporte central, pero es difícil hacerlas lo suficientemente rígidas. Las barrenas de extracción de núcleos suelen producir núcleos con diámetros en el rango de 75 a 100 mm y con longitudes de hasta 1 m. Las barrenas de extracción de núcleos se diseñaron originalmente para girar manualmente, pero con el tiempo se han adaptado para su uso con taladros portátiles o motores pequeños. [32]
Al igual que con las barrenas sin núcleo, se pueden agregar extensiones para perforar a mayor profundidad. Perforar a más de 6 m de profundidad requiere más de una persona debido al peso de la sarta de perforación. Una abrazadera colocada en la superficie es útil para sostener la sarta, y también se puede utilizar un trípode y un polipasto para sostener y aumentar el peso de la sarta que se puede manipular. A medida que la sarta de perforación se hace más larga, lleva más tiempo completar un viaje para extraer un núcleo, ya que cada varilla de extensión debe separarse de la sarta de perforación al salir y volver a colocarse al entrar. [32]
La perforación con un trípode u otro método para manipular una sarta de perforación larga extiende considerablemente el límite de profundidad para el uso de una barrena de extracción de núcleos. [32] [71] El pozo más profundo perforado a mano con una barrena fue de 55 m, en la plataforma de hielo Ward Hunt en la isla Ellesmere , en 1960. Por lo general, se perforará un pozo más profundo de 30 m con otros métodos, debido al peso de la sarta de perforación y el largo tiempo de viaje requerido. [32]
Los sinfines de extracción de núcleos modernos han cambiado poco en décadas: un sinfín de extracción de núcleos de hielo patentado en los EE. UU. en 1932 se parece mucho a los sinfines de extracción de núcleos en uso ochenta años después. [32] El Laboratorio de Efectos de Escarcha (FEL) del ejército estadounidense desarrolló un kit de prueba de mecánica del hielo que incluía un sinfín de extracción de núcleos a fines de la década de 1940; el Snow, Ice and Permafrost Research Establishment (SIPRE), una organización sucesora, refinó el diseño a principios de la década de 1950, y el sinfín resultante, conocido como sinfín SIPRE, todavía se usa ampliamente. Fue modificado ligeramente por el Cold Regions Research and Engineering Laboratory (CRREL), otra organización sucesora, en la década de 1960, y a veces se lo conoce como sinfín CRREL por esa razón. [72] Un sinfín desarrollado en la década de 1970 por la Polar Ice Core Office (PICO), entonces con sede en Lincoln, Nebraska , también se usa ampliamente. [73] Un sinfín de extracción diseñado 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 en hielo de EE. UU. (IDDO) comenzó a trabajar en un diseño mejorado de sinfín manual y se probó con éxito una versión 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 del nuevo sinfín para el uso de los programas de investigación de perforación en hielo de EE. UU., y ahora estos son los sinfines manuales más solicitados proporcionados por IDDO. [77]
El sinfín Prairie Dog, diseñado en 2007, añade un barril exterior al diseño básico del sinfín de extracción de núcleos. Los recortes se capturan entre las paletas del sinfín y el barril exterior, que tiene una sección antitorsión para evitar que gire en el agujero. [71] El objetivo del barril exterior es aumentar la eficiencia de la recolección de virutas, ya que es común ver virutas de una pasada del sinfín manual caer de nuevo en el agujero desde las paletas del sinfín, lo que significa que la siguiente pasada tiene que volver a perforar a través de estos recortes. [78] El barril exterior también hace que el sinfín sea eficaz en hielo caliente, lo que podría hacer que un sinfín sin barril exterior se atasque fácilmente. [71] El barril exterior del Prairie Dog tiene el mismo diámetro que el sinfín PICO, y dado que las hojas antitorsión del Prairie Dog no funcionan bien en nieve blanda y firn, es común comenzar un agujero con el sinfín PICO y luego continuarlo con el Prairie Dog una vez que se alcanza el firn denso. [79] El Prairie Dog es relativamente pesado y pueden necesitarse dos perforadores para manipularlo mientras se lo saca del pozo. [71] El IDDO mantiene un taladro Prairie Dog para el uso de los programas de investigación de perforación de hielo de los EE. UU. [80]
IDDO también ofrece un sistema de elevación para utilizar con barrenas manuales, conocido como Sidewinder. Se acciona mediante un taladro eléctrico manual, 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 al pozo y ayuda a levantar la barrena para sacarla del pozo. Esto extiende la profundidad práctica máxima para la perforación manual a unos 40 m. Los Sidewinder han demostrado ser populares entre los investigadores. [82] [83]
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 con la mano, utilizando un mango de refuerzo; el hielo sale por las ranuras y se acumula en la parte superior 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 taladros de pistón en Suecia y los EE. UU., pero estos taladros ahora rara vez se utilizan. Son menos eficientes que los taladros de barrena, ya que el taladro debe retirarse periódicamente del pozo para deshacerse de los recortes. [32] [84]
Algunas perforadoras manuales han sido diseñadas para recuperar núcleos sin utilizar espirales para transportar los detritos hasta el pozo. Estas perforadoras suelen tener un barril sacatestigos con dientes en el extremo inferior y se hacen girar mediante una abrazadera o un mango en T, o mediante un pequeño motor. El barril en sí se puede omitir, de modo que la perforadora consista únicamente en 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 pequeñas perforadoras manuales, o mini perforadoras, para recolectar rápidamente muestras de núcleos de hasta 50 cm de largo. Una dificultad con todos estos diseños es que tan pronto como se generan los detritos, si no se eliminan, interferirán con la acción de corte de la perforadora, lo que hace que estas herramientas sean lentas e ineficientes en su uso. [85] Una perforadora muy pequeña, conocida como la perforadora Chipmunk, fue diseñada por IDDO para su uso en un proyecto en Groenlandia Occidental en 2003 y 2004, y posteriormente se utilizó en el Polo Sur en 2013. [86]
Las plataformas rotatorias utilizadas en la perforación de minerales utilizan una cadena de tubos de perforación conectada a una broca en el fondo del pozo y a un mecanismo rotatorio en la parte superior del pozo, [87] como un top drive [88] o una mesa rotatoria y un kelly. [89] A medida que el pozo se profundiza, la perforación se detiene periódicamente para agregar una nueva longitud de tubería de perforación en la parte superior de la cadena de perforación. Estos proyectos generalmente se han llevado a cabo con plataformas rotatorias disponibles comercialmente diseñadas originalmente para la perforación de minerales, con adaptaciones para satisfacer las necesidades especiales de la perforación de hielo. [90]
Al perforar en hielo, el pozo puede perforarse en seco, sin ningún mecanismo para desechar los recortes. En la nieve y el firn esto significa que los recortes simplemente se compactan en las paredes del pozo; y en las perforadoras de núcleos también se compactan en el núcleo. En el hielo, los recortes se acumulan en el espacio entre la tubería de perforación y la pared del pozo, y finalmente comienzan a obstruir la broca, generalmente después de no más de 1 m de progreso. Esto aumenta el torque necesario para perforar, ralentiza el progreso y puede causar la pérdida de la broca. La perforación de núcleos en seco generalmente produce un núcleo de mala calidad que se rompe en pedazos. [87]
En 1950, la Expedición Polaires Françaises (EPF) francesa perforó dos pozos secos en Groenlandia utilizando una plataforma rotatoria, en el Campamento VI, en la costa oeste, y en la Estación Central, en el interior, alcanzando 126 m y 151 m. [91] También se perforaron algunos pozos poco profundos ese verano en la isla de Baffin , utilizando un taladro de extracción de núcleos, [92] y en la Antártida, la Expedición Antártica Noruega-Británica-Sueca (NBSAE) perforó varios pozos entre abril de 1950 y el año siguiente, alcanzando finalmente los 100 m en un pozo. [93] La última expedición que intentó la perforación en seco en hielo fue la 2.ª 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 ya que otros métodos de perforación han demostrado ser más efectivos. [87]
Se han perforado varios pozos en hielo utilizando circulación de aire directa, en la que se bombea aire comprimido por la tubería de perforación, para escapar a través de agujeros en la broca y regresar al espacio anular entre la broca y el pozo, llevando los recortes con él. La técnica fue probada por primera vez por la 1.ª Expedición Antártica Soviética , en octubre de 1956. Hubo problemas con la mala eliminación de los recortes y la formación de hielo en el pozo, pero la perforadora logró alcanzar una profundidad de 86,5 m. [95] Se hicieron más intentos de utilizar la circulación de aire con plataformas rotativas por parte de expediciones estadounidenses, soviéticas y belgas, 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 una plataforma rotativa convencional con circulación de aire fue en 1961. [96]
En la exploración minera, el método de perforación más común es una plataforma rotatoria con fluido circulado por la tubería de perforación y de regreso entre la tubería de perforación y la pared del pozo. El fluido lleva los recortes a la superficie, donde se eliminan, y el fluido reciclado, conocido como lodo, se devuelve al pozo. El primer proyecto de perforación en hielo que intentó 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, a una profundidad máxima de 89 m. Se recuperaron núcleos, pero en malas condiciones. [97] También se ha probado el agua de mar como fluido de perforación. [59] La primera vez que se utilizó un fluido distinto del agua con una plataforma rotatoria convencional fue a fines de 1958, en Little America V, donde se utilizó combustible diésel para los últimos metros de un pozo de 254 m. [96] [98]
Un taladro con cable utiliza aire o circulación de fluido, pero también tiene una herramienta que se puede bajar a la tubería de perforación para recuperar un núcleo sin quitar la sarta de perforación. La herramienta, llamada pescante, se engancha al barril sacatestigos y lo tira hacia la superficie. Cuando se retira el núcleo, el barril sacatestigos se baja nuevamente al pozo y se vuelve a conectar al taladro. [59] En la década de 1970 se planificó un proyecto de perforación de núcleo 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 del Proyecto de la Plataforma de Hielo Ross (RISP). [96] Se comenzó un pozo en noviembre de ese año con un taladro con cable, probablemente utilizando circulación de aire, pero los problemas con el pescante obligaron al proyecto a cambiar a 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 iniciar los pozos con un taladro de barrena y entubar los pozos. [101] El taladro Agile Sub-Ice Geological (ASIG), diseñado por IDDO para recolectar núcleos subglaciales, es un sistema con cable reciente; se utilizó por primera vez en el campo en la temporada 2016-2017, en la Antártida Occidental. [102]
Existen muchas desventajas en el uso de plataformas rotatorias convencionales para la perforación en hielo. Cuando se utiliza una plataforma rotatoria convencional para la extracción de núcleos, se debe sacar toda la sarta de perforación del pozo cada vez que se recupera el núcleo; cada tramo de tubería, a su vez, se debe desatornillar y apilar. A medida que el pozo se hace más profundo, esto se vuelve muy lento. [87] Las plataformas convencionales son muy pesadas y, dado que muchos sitios de perforación en hielo no son fácilmente accesibles, estas plataformas suponen una gran carga logística para un proyecto de perforación en 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 a la que está sometido el hielo; un fluido de perforación requiere equipo pesado adicional para circular y almacenar el fluido, y para separar el material circulado. Cualquier sistema de circulación también requiere que la parte superior del pozo, a través de la nieve y el firn, esté revestida, ya que el aire o el fluido circulantes escaparían a través de cualquier cosa más permeable que el hielo. Las plataformas rotatorias 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 operar al aire libre, lo que resulta poco práctico en entornos extremos como la perforación antártica. [27]
Las plataformas rotatorias comerciales pueden ser eficaces para perforaciones de gran diámetro y también pueden utilizarse para perforaciones subglaciales en rocas. [27] También se han utilizado con cierto éxito para glaciares de roca, que son difíciles de perforar porque contienen una mezcla heterogénea de hielo y roca. [27] [103]
Las plataformas de perforación flexibles utilizan una sarta de perforación continua, de modo que no es necesario ensamblarla ni desensamblarla, varilla por varilla o tubo por tubo, al entrar o salir del pozo. La sarta de perforación también es flexible, de modo que cuando está fuera del pozo se puede almacenar en un carretel. La sarta de perforación puede ser una manguera reforzada, o puede ser de acero o tubería compuesta, en cuyo caso se la conoce como perforación de tubería flexible. Las plataformas diseñadas de esta manera comenzaron a aparecer en los años 1960 y 1970 en la perforación de minerales, y se volvieron comercialmente viables en los años 1990. [35]
Solo una de estas plataformas, 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 tiro para exploración sísmica. [35] [104] El vástago de perforación es una manguera a través de la cual se bombea aire; el aire impulsa una turbina que impulsa una broca rotatoria de fondo de pozo. Los recortes de hielo se eliminan mediante el aire de escape y se expulsan del pozo. 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 aproximadamente 10° más cálida que el aire ambiente. Esto significa que no se puede utilizar en temperaturas ambiente más cálidas que -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 sujetar 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 pudo 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 los 63 m allí debido a las variaciones en las características locales del hielo y el firn. [36] [104] No se puede utilizar en un agujero lleno de líquido, lo que limita la profundidad máxima del agujero 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 solucionarse utilizando la circulación de aire inversa, a través de una bomba de vacío que extraiga aire a través de la manguera. [36] A partir de 2017, IDDO está planeando un diseño revisado para el taladro RAM para reducir el peso del taladro, 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 el cabezal de perforación con un taladro mecánico para extraer muestras una vez que se alcanza la profundidad de interés, utilizando el agua caliente tanto para impulsar hidráulicamente el motor del pozo como para derretir los recortes de hielo resultantes. [105] Otro diseño, el taladro RADIX, produce un orificio muy estrecho (20 mm) y está destinado a perforar orificios 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 recortes, probablemente debido al espacio muy estrecho disponible entre la manguera y la pared del pozo. [106]
Los diseños de tubos flexibles nunca se han utilizado con éxito para la perforación de hielo. Las operaciones de extracción de núcleos serían particularmente difíciles, ya que una perforadora de núcleos debe salir y entrar para cada núcleo, lo que provocaría fatiga ; el tubo generalmente está diseñado para una vida útil de solo 100 a 200 viajes. [106]
Un taladro suspendido por cable tiene un sistema de fondo de pozo, conocido como sonda, para perforar el pozo. [48] [108] La sonda está conectada a la superficie por un cable blindado, que proporciona energía y permite que el taladro se introduzca y saque del pozo con un cabrestante. [48] Los taladros suspendidos por cable electromecánicos (EM) 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 es parte del cabezal de corte. Los recortes de hielo se almacenan en una cámara en la sonda, ya sea en el barril de núcleo, encima del núcleo, o en una cámara separada, más arriba en el taladro.
Los recortes se pueden transportar mediante hélices de barrena o mediante circulación de fluido. Las perforadoras que dependen de hélices de barrena y que no están diseñadas para trabajar en un pozo lleno de fluido están limitadas a profundidades en las que el cierre del pozo no es un problema, por lo que se las conoce como perforadoras poco profundas. [108] Los pozos más profundos deben perforarse con fluido de perforación, pero mientras que la circulación en una perforadora rotatoria lleva el fluido hasta el fondo del pozo y luego hacia arriba, las perforadoras suspendidas por cables solo necesitan circular el fluido desde el cabezal de perforación hasta la cámara de recortes. Esto se conoce como circulación de fondo de pozo. [48]
La parte superior de la sonda tiene un sistema antitorsión, que generalmente consiste en tres o cuatro resortes de láminas que presionan contra las paredes del pozo. Los bordes afilados de los resortes de láminas se enganchan en las paredes y brindan 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 colector , para permitir que el taladro gire independientemente del cable. Esto es para evitar daños por torsión en el cable si el sistema antitorsión falla. Los taladros de extracción de núcleos también pueden tener un peso que se puede usar como 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 se encuentra el cabezal de corte y, por encima de este, el barril sacatestigos, con paletas de barrena a su alrededor en las perforadoras poco profundas y, por lo general, un barril exterior alrededor de este, generalmente con nervaduras verticales internas o alguna otra forma de proporcionar un impulso adicional a los recortes que se dirigen hacia arriba en las paletas. Si hay una cámara de virutas separada, estará por encima del barril sacatestigos. El motor, con el engranaje adecuado, también está por encima del barril sacatestigos. [48]
Las perforadoras de poca profundidad pueden extraer núcleos a una profundidad de entre 300 y 350 m, pero la calidad de los núcleos mejora mucho si hay fluido de perforación presente, por lo que se han diseñado algunas perforadoras de poca profundidad para que funcionen 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 de los núcleos. [48]
Los fluidos de perforación son necesarios para perforar pozos profundos, por lo que las perforadoras suspendidas por cables 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] Algunas perforadoras diseñadas para su uso con fluido de perforación también tienen vuelos de barrena en el barril interior. [108] Al igual que con las perforadoras poco profundas, los recortes se almacenan en una cámara sobre el núcleo. La circulación puede ser en cualquier dirección: hacia abajo por el interior de la sarta de perforación y hacia arriba entre el barril del núcleo y la pared del pozo, o en la dirección inversa, que se ha convertido en el enfoque favorito en el diseño de perforadoras, ya que proporciona una mejor eliminación de recortes para un caudal menor. [37] Las perforadoras capaces de alcanzar profundidades superiores a 1500 m se conocen como sistemas de perforación profunda; generalmente tienen diseños similares a los sistemas intermedios que pueden perforar desde 400 m hasta 1500 m, pero deben tener sistemas más pesados y robustos, como cabrestantes, y tienen perforadoras más largas y refugios de perforación más grandes. [109] Los diámetros de los núcleos de estas perforadoras varían de 50 mm a 132 mm, y la longitud de los núcleos varía desde 0,35 m hasta 6 m. Una característica común del diseño de estas perforadoras profundas es que se pueden inclinar hasta 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]
El primer taladro electromecánico suspendido por cable fue inventado por Armais Arutunoff para su uso en la perforación de minerales; fue probado 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 pozo en Camp Century en Groenlandia hasta la base de la capa de hielo, a 1387 m, y 4 m más adentro del lecho rocoso. [109] [111]
Desde entonces, muchas otras perforadoras se han basado en este diseño básico. [109] Una variación reciente del diseño básico de la perforadora EM es la perforadora isotópica de acceso rápido, diseñada por el British Antarctic Survey para perforar pozos secos de hasta 600 m. [113] Esta perforadora no recoge un núcleo de hielo completo; en su lugar, recogerá recortes de hielo, [113] utilizando un cabezal de corte similar a una cuchara perforadora. [114] El pozo de acceso resultante se utilizará para perfilar la 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 de roca con el fin de determinar el mejor lugar para perforar para obtener el hielo basal inalterado más antiguo posible. [115] [114] Se espera que la perforadora alcance los 600 m en 7 días de perforación, en lugar de los 2 meses que se necesitarían para perforar un núcleo; La velocidad se debe a que los cortadores pueden ser más agresivos ya que la calidad del núcleo no es un problema, y a que el pozo es angosto, lo que reduce los requisitos de potencia para el cabrestante. [115]
Los taladros térmicos funcionan aplicando calor al hielo en el fondo del pozo para derretirlo. En general, los taladros térmicos pueden perforar con éxito en hielo templado, mientras que un taladro electromecánico corre el riesgo de atascarse debido a la formación de hielo en el pozo. [38] Cuando se utilizan 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]
El agua caliente se puede utilizar para perforar el 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 unos 100 m se hace necesario pasar la manguera sobre una polea y recurrir a algún método para ayudar a bajar y subir la manguera, que generalmente consiste 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 el caudal más allá de un cierto punto, se debe aumentar el diámetro de la manguera, pero esto requerirá aumentos significativos de capacidad en otras partes del diseño del taladro. [118] Las mangueras que se enrollan alrededor de un tambor antes de ser presurizadas ejercerán una fuerza de constricción en el tambor, por lo que los tambores deben ser de diseño robusto. [119] Las mangueras deben enrollarse prolijamente al enrollarse, 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] Lo ideal es que la manguera tenga la resistencia a la tracción para soportar su peso al enrollarse en el pozo, pero para pozos muy profundos puede ser necesario usar un cable de soporte para sostener la manguera. [121]
También se puede utilizar vapor en lugar de agua caliente y no es necesario bombearlo. Un taladro a vapor portátil puede perforar rápidamente agujeros cortos, por ejemplo, para estacas de ablación, y tanto los taladros a vapor como los de agua caliente pueden hacerse lo suficientemente livianos como para transportarlos con la mano. [30] Se puede utilizar un tubo guía para ayudar a mantener recto el pozo. [122]
En el hielo frío, un pozo perforado con agua caliente se cerrará cuando el agua se congele. Para evitar esto, el taladro puede volver a introducirse en el pozo, calentando el agua y, por lo tanto, el hielo circundante. Esta es una forma de escariado . Los escariados repetidos aumentarán la temperatura del hielo circundante hasta el punto en que el pozo permanecerá abierto durante períodos más largos. [123] Sin embargo, si el objetivo es medir la temperatura en el pozo, entonces es mejor aplicar la menor cantidad posible de calor adicional al hielo circundante, lo que significa que es deseable un taladro de mayor energía con un alto caudal 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. Este es un mecanismo que redirige el chorro de agua caliente hacia arriba si el taladro encuentra resistencia al salir. [124] También se puede utilizar un escariador de agua caliente independiente, que arroja agua caliente de manera lateral 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 inclinómetría. El agua caliente de la boquilla continuará derritiendo las paredes del pozo a medida que sube, y esto tenderá a hacer que el pozo tenga forma de cono; si el pozo se perfora en un lugar sin nieve superficial o firn, como una zona de ablación en un glaciar, entonces este efecto persistirá hasta la parte superior del pozo. [30]
El suministro de agua para un pozo de perforación con agua caliente puede provenir del agua de la superficie, si está disponible, o de nieve derretida. El agua derretida del pozo puede reutilizarse, pero esto solo puede hacerse una vez que el pozo penetre por debajo del firn hasta la capa de hielo impermeable, porque por encima de este nivel el agua derretida se escapa. La bomba para llevar el agua derretida de regreso 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 pozo y asegurarse de que la bomba esté por debajo del nivel más bajo probable. [125] Los sistemas de calefacción generalmente se adaptan de los calentadores utilizados en la industria de las hidrolavadoras. [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; una cantidad suficiente de escombros, en forma de arena, guijarros o una roca grande, podría detener por completo el progreso. [127] Una forma de evitar esto es tener una boquilla en un ángulo de 45°; el uso de esta boquilla creará un canal lateral en el que irán las obstrucciones. La perforación vertical puede luego comenzar de nuevo, evitando los escombros. [117] Otro enfoque es recircular el agua en el fondo del pozo, con un calentador eléctrico integrado en el cabezal de perforación y filtros en la circulación. Esto puede eliminar la mayoría de los pequeños escombros que obstaculizan el cabezal de perforación. [128]
Otro problema con el hielo impuro proviene de los contaminantes que trae el proyecto, como ropa y fibras de madera, polvo y gravilla. A menudo es necesario utilizar nieve de los alrededores del campamento para abastecer de agua la perforadora al comienzo de la perforación, ya que el agujero aún no habrá alcanzado el hielo impermeable, por lo que no se puede bombear agua hacia arriba desde el fondo del agujero; al palear esta nieve en el suministro de agua de la perforadora, estos contaminantes pasarán a través del mecanismo de perforación y pueden dañar las bombas y válvulas. Se necesita un filtro fino para evitar estos problemas. [127] [129]
Una de las primeras expediciones que utilizó perforadoras de agua caliente fue en 1955, al Mer de Glace ; Électricité de France utilizó agua caliente para llegar a la base del glaciar, y también utilizó equipo que rociaba múltiples chorros simultáneamente para crear un túnel bajo el hielo. [130] Se realizó más trabajo de desarrollo en la década de 1970. [131] [30] Las perforadoras de agua caliente ahora son capaces de perforar agujeros muy profundos y de brindar acceso limpio a lagos subglaciales: por ejemplo, entre 2012 y 2019 en el proyecto WISSARD/SALSA, la perforadora WISSARD, una perforadora de agua caliente de tamaño mediano, perforó un acceso limpio de hasta 1 km en el lago Mercer en la Antártida; y entre 2004 y 2011, se utilizó una gran perforadora de agua caliente en el Polo Sur para perforar 86 agujeros 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 perforadoras con agua caliente, pero son susceptibles a que los residuos detengan el movimiento hacia adelante en hielo sucio. [131]
F. Howorka desarrolló un primer taladro a vapor a principios de los años 1960 para trabajar en los Alpes. [122] Los taladros a vapor no se utilizan para perforaciones de más de 30 m de profundidad, ya que son bastante ineficientes [133] debido a las pérdidas térmicas a lo largo de la manguera y las pérdidas de presión con el aumento de la profundidad bajo el agua. [134] Se utilizan principalmente para perforar rápidamente pozos poco profundos. [133]
En lugar de utilizar un chorro de agua caliente o vapor, también se pueden construir perforadoras térmicas para proporcionar calor a un cabezal de perforación duradero, por ejemplo, bombeando agua caliente hacia abajo y hacia arriba dentro de la sarta de perforación, y usarla para derretir el hielo. [30] Los taladros térmicos modernos utilizan energía eléctrica para calentar el cabezal de perforación. [135]
Es posible perforar con un punto caliente que consiste en un elemento de calentamiento eléctrico, expuesto directamente al hielo; esto significa que el elemento debe poder funcionar bajo el agua. [136] Algunas perforadoras, en cambio, incrustan el elemento de calentamiento en un material como plata o cobre que conducirá el calor rápidamente a la superficie del punto caliente; [137] estos pueden construirse de manera que las conexiones eléctricas no estén expuestas al agua. [138] Las perforadoras electrotérmicas requieren un cable para llevar la energía hasta el pozo; el circuito se puede completar a través de la tubería de perforación si hay una presente. [139] Se necesita un transformador en el conjunto de la perforadora ya que el cable debe transportar alto voltaje para evitar la disipación de energía. [140] Es más difícil disponer de energía eléctrica en una ubicación remota que generar calor a través de una caldera de gas, por lo que las perforadoras de punto caliente solo se utilizan para pozos de hasta unos pocos cientos de metros de profundidad. [141]
El primer intento de utilizar calor para perforar en el hielo fue en 1904, cuando C. Bernard, mientras perforaba en el glaciar Tête Rousse , intentó utilizar barras de hierro calentadas para perforar. Los extremos de las barras se calentaron hasta quedar 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 tubo de perforación y volvió a subir después de haber pasado por el cabezal de perforación. [142] [143] Otros diseños de puntos calientes han utilizado calefacción eléctrica para calentar el cabezal de perforación; esto se hizo 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]
El desarrollo en la década de 1960 de las perforadoras térmicas para pozos de profundidad intermedia fue impulsado por los problemas asociados con las perforadoras rotativas, que eran demasiado costosas para usarlas para núcleos de hielo polar debido a los problemas logísticos causados por su peso. [145] [146] Los componentes de una perforadora térmica son generalmente los mismos que los de una perforadora EM suspendida por cable: ambas 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 sacatestigos. No se necesita un sistema antitorque para una perforadora térmica, y en lugar de un motor que proporcione torque, la energía se usa para generar calor en el cabezal de corte, que tiene forma de anillo para derretir un anillo de hielo alrededor del núcleo. Algunas perforadoras 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 constar casi en su totalidad del barril sacatestigos más el cabezal de corte calentado (diagrama (a) en la figura de la derecha). Los diseños alternativos para su uso en hielo más frío (véase el diagrama (b) a la derecha) pueden tener un compartimento por encima del barril sacatestigos y tubos que descienden hasta justo por encima del cabezal de corte; una bomba de vacío succiona el agua de deshielo. En estos taladros, el agua de deshielo debe vaciarse en la superficie al final de cada pasada de extracción de testigos. [147]
Otro método (ver (c) a la derecha) es utilizar un fluido de perforación que es una mezcla de etanol y agua, con proporciones exactas determinadas por la temperatura del hielo. En estas perforadoras hay un pistón sobre el barril sacatestigos y al comienzo de una pasada el pistón está en la parte inferior de la sonda, y el espacio de arriba se llena con fluido de perforación. A medida que las perforadoras 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 sacatestigos puede ocupar gran parte de la longitud de la sonda, mientras que las perforadoras que succionan el agua de deshielo para perforar en un pozo seco tienen que sacrificar una gran sección de la sonda para el almacenamiento de 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 pueda desmontarse en componentes para su transporte a tracción humana a los lugares más inaccesibles, ya que los helicópteros pueden no ser capaces de llegar a los glaciares más altos. [148] [149]
Los diseños de perforadoras electrotérmicas se remontan a la década de 1940. Una perforadora electrotérmica fue patentada en Suiza en mayo de 1946 por René Koechlin , y se utilizó en Suiza, [150] [151] [152] y en 1948 una expedición británica al Jungfraujoch perforó hasta el lecho del glaciar utilizando 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 electrotérmicas. [38]
Si el objetivo es obtener lecturas de instrumentos desde dentro del hielo, y no hay necesidad de recuperar ni el hielo ni el sistema de perforación, entonces 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 ella. El agua de deshielo se volverá a congelar, por lo que la sonda no se puede recuperar, pero puede continuar penetrando el hielo hasta que alcance el límite del cable que transporta, y enviar lecturas de instrumentos de regreso a través del cable a la superficie. [153] Conocidas 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 investigaciones glaciológicas, alcanzando una profundidad de 1005 metros y enviando información de temperatura a la superficie cuando fueron probados en 1968 como parte de la Expédition Glaciologique Internationale au Groenland (EGIG). [155] [156]
Como 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 que se sostenga sobre hielo por encima de 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 sobre el anillo superior, lo que le dará una tendencia natural a oscilar de nuevo a la vertical si el pozo comienza a desviarse. El efecto se llama dirección del péndulo, por analogía con la tendencia de un péndulo a oscilar siempre de nuevo hacia una posición vertical. [158]
En la década de 1990, la NASA combinó el diseño de la sonda Philberth con ideas extraídas de los taladros de agua caliente, para diseñar una sonda criobot que tuviera chorros de agua caliente además de una punta de punto 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 punta en forma de chorro. Este diseño tenía como objetivo ayudar a alejar las partículas de la punta, 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, atravesando con éxito capas de partículas. [159]
Los criobots se mantienen en buen contacto térmico con el hielo circundante durante todo su descenso, y en hielo muy frío esto puede agotar 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 (por Subsurface Ice Probe) descienda en un agujero seco. La menor gravedad en Marte significa que la presión de sobrecarga en el casquete de hielo es mucho menor, y se espera que un pozo abierto sea estable a una profundidad de 3 km, la profundidad esperada del casquete de hielo. El agua de deshielo se puede analizar luego en la superficie. El bombeo a través de un tubo vertical provocará una mezcla, por lo que para garantizar muestras discretas para el análisis en la superficie, se utilizan un tubo de gran diámetro y otro de pequeño diámetro; El tubo de pequeño diámetro se utiliza para tomar muestras y luego se permite que su contenido regrese a la sonda y se bombea de nuevo hacia arriba por el tubo de gran diámetro 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 se mantenga líquida hasta la superficie, y la energía y la telemetría también se llevan desde la superficie. Para mantener el agujero vertical, la sonda puede detectar cuándo se está desviando, y los chorros de agua caliente se ajustan para compensar. Se espera que el taladro haga uso de energía solar en su funcionamiento, lo que significa que debe poder funcionar con menos de 100 W cuando esté expuesto a la luz solar. 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 en el hielo de 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]
Las muestras de nieve se toman para medir la profundidad y la 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 son típicamente 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 generalmente tienen ranuras longitudinales para permitir que también se registre la profundidad de la nieve, aunque un muestreador hecho de material transparente hace que esto sea innecesario. [23] [165]
El muestreador debe agarrar la nieve lo suficientemente bien para mantenerla dentro del cilindro mientras se retira de la nieve, lo que es más fácil de lograr con un cilindro de diámetro más pequeño; sin embargo, los diámetros mayores brindan lecturas más precisas. Las muestras deben evitar compactar la nieve, por lo que tienen superficies internas lisas (generalmente de aleación de aluminio anodizado , y a 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 por su propio peso; una capa de nieve más densa, firn o hielo, puede requerir que el usuario gire el muestreador suavemente para que los dientes de corte se enganchen. Presionar 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 se promedian los resultados. Los muestreadores de nieve generalmente tienen una precisión de aproximadamente el 5-10%. [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 el muestreador de nieve federal, se basa en el diseño de Church, con algunas modificaciones de George D. Clyde y el Servicio de Conservación de Suelos de los EE. UU . en la década de 1930. Se puede utilizar para tomar muestras de nieve de hasta 9 m de profundidad. [166]
La prueba de penetración consiste en introducir una sonda en la nieve para determinar sus propiedades mecánicas. Los expertos en nieve pueden utilizar un bastón de esquí normal para comprobar la dureza de la nieve empujándolo contra ella; los resultados se registran en función del cambio de resistencia que se siente al introducir el bastón. Una herramienta más científica, inventada en la década de 1930 pero que todavía se utiliza ampliamente, es el penetrómetro de ariete . Este tiene 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 (una repisa alrededor de la varilla por la que no puede pasar) que clava la varilla en la nieve. Para tomar una medida, la varilla se coloca 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 varían entre 2 kg y 0,1 kg. [167] Incluso con martillos más ligeros, los penetrómetros de ariete tienen dificultades para distinguir capas delgadas de nieve, lo que limita su utilidad con respecto a los estudios de avalanchas, ya que las capas delgadas y blandas a menudo están involucradas en la formación de avalanchas. [167] [168]
Existen dos herramientas ligeras de uso generalizado que son más sensibles que los penetrómetros de ariete. Un micropenetrómetro de nieve utiliza un motor para introducir una varilla en la nieve y medir la fuerza necesaria; su sensibilidad es de 0,01 a 0,05 newtons, según 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 luego para determinar la fuerza de penetración necesaria a cada profundidad y se almacenan electrónicamente. [168] [169]
Para probar la nieve polar densa, se utiliza un ensayo de penetrómetro de cono (CPT), basado en los dispositivos equivalentes utilizados para pruebas de suelo . Las mediciones de CPT se pueden utilizar en nieve dura y nieve blanda a profundidades de 5 a 10 m. [168] [169]
Las plataformas rotatorias disponibles comercialmente se han utilizado con grandes barrenas para perforar en el hielo, generalmente para la construcción o para hacer agujeros para acceder debajo del hielo. Aunque no pueden producir núcleos, han sido utilizadas intermitentemente por expediciones científicas estadounidenses y soviéticas en la Antártida. [170] En 2012, una expedición del British Antarctic Survey para perforar hasta el lago Ellsworth , dos millas debajo de la superficie del hielo antártico, utilizó una barrena australiana impulsada por un motor superior montado en un camión para ayudar a perforar dos pozos de 300 m como parte del proyecto, aunque en el 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 se pueden montar en un vehículo para la nieve, un tractor o un trineo; los diámetros de los agujeros pueden llegar a los 350 mm. Estas plataformas se han producido comercialmente tanto en los EE. UU. como en la URSS, pero ya no se utilizan habitualmente. [70]
En la década de 1970 , se utilizó un taladro de chorro de llama, que se utiliza más habitualmente para perforar rocas cristalinas, para perforar el hielo de la plataforma de hielo de Ross . 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 fueloil. [174]
Un taladro de diseño soviético utilizaba un motor para proporcionar vibración vertical al cañón del taladro a 50 Hz; el taladro tenía un diámetro exterior de 0,4 m y en pruebas en la estación Vostok en la Antártida perforó un pozo de 6,5 m, con una perforación de 1,2 m que tomó entre 1 y 5 minutos para 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 fue sacado del pozo. [165] [175]
Los taladros mecánicos suelen tener tres cuchillas, espaciadas uniformemente alrededor del cabezal de perforación. Dos cuchillas provocan vibración y una calidad inferior del núcleo de hielo, y las pruebas de cabezales de perforación con cuatro cuchillas han producido un rendimiento insatisfactorio. El diseño geométrico varía, pero el ángulo de alivio, α, varía de 5 a 15°, siendo 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 taladro exitosos. [176] Se han probado diferentes formas para el extremo de la cuchilla: plana (el diseño más común), puntiaguda, redondeada y en forma de pala. [177]
Las fresas deben estar hechas 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 se vuelva quebradizo a temperaturas inferiores a -20 °C. Se ha sugerido el uso de carburo de tungsteno sinterizado en las fresas, ya que es extremadamente duro, pero los mejores aceros para herramientas son más rentables: las fresas de carburo se fijan al cuerpo de la herramienta de corte mediante prensado en frío o soldadura de latón, y no se pueden desmontar y afilar fácilmente en el campo [178] .
La profundidad de corte se controla mediante el montaje de zapatas en la parte inferior del cabezal de perforación; estas se apoyan sobre la superficie del hielo y, por lo tanto, limitan la profundidad a la que puede penetrar el cortador en cada revolución del taladro. Lo más común es que se monten justo detrás de los cortadores, pero esta posición puede provocar que se acumule hielo en el espacio entre el cortador y la zapata. Hasta ahora no se ha podido corregir esto modificando el diseño de la zapata. [179]
Los fluidos de perforación son necesarios para la estabilidad del pozo en núcleos profundos y también se pueden utilizar para hacer circular los recortes fuera de la broca. Los fluidos utilizados incluyen agua, mezclas de etanol /agua y agua/ etilenglicol , combustibles derivados del petróleo , hidrocarburos no aromáticos y acetato de n-butilo .
Los densificadores se utilizan en 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 varios tipos de ESTISOL; y aceites de dimetilsiloxano . [185]
Los dos requisitos principales de un sistema anti-torque son que debe impedir la rotación de la sonda y debe permitir un movimiento fácil del taladro hacia arriba y hacia abajo en el pozo. [187] Se han hecho intentos de diseñar taladros con componentes contrarrotativos de modo que se minimice el torque general, pero estos han tenido un éxito limitado. [188] [189] Se han ideado cinco tipos de sistemas anti-torque para su uso con taladros EM suspendidos por cable, aunque no todos se utilizan actualmente y algunos taladros han utilizado 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 incorporaba un conjunto de cuchillas de fricción con bisagras que se balanceaban desde la sonda cuando se ponía en marcha el motor del taladro. Se descubrió que tenían una fricción muy débil contra la pared del pozo y eran ineficaces; el taladro tenía que controlarse con cuidado para evitar que se retorciera el cable. Ningún otro taladro ha intentado utilizar este enfoque. [188]
Para el siguiente despliegue del taladro se instalaron ballestas, y este ha demostrado ser un diseño más duradero. Estas están montadas verticalmente, con una curva hacia afuera para que se compriman fácilmente por la pared del pozo, y pueden 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 las ballestas cortan la pared del pozo y evitan la rotación. Las ballestas son muy simples mecánicamente, con el beneficio adicional de ser fáciles de ajustar cambiando el espaciado entre los puntos finales. Se pueden colocar en cualquier lugar del taladro que no gire, por lo que no agregan longitud a la sonda. [190] La forma es generalmente una parábola de cuarto orden, ya que se ha determinado que esto proporciona la carga más uniforme contra la pared del pozo. [190] [191] Se ha descubierto que las ballestas son tan efectivas que pueden evitar la rotación incluso en taladros pesados que funcionan a plena potencia. [190]
Los sistemas antitorque de patines tienen cuchillas unidas a barras verticales que se empujan contra la pared del pozo; las cuchillas se clavan en la pared y proporcionan el antitorque. Los patines se pueden construir con resortes que les permiten mantener las cuchillas 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 antitorque y se han utilizado con éxito, tienen dificultades para evitar la rotación en firn y en los límites entre capas de diferentes densidades, y pueden causar problemas al perforar con alto torque. Cuando fallan, actúan como escariadores, eliminando virutas de la pared que pueden caer a la broca e interferir con la perforación. [192]
En la década de 1970, el grupo de la Expedición Japonesa de Investigación Antártica (JARE) diseñó varias perforadoras que utilizaban cortadores de fresado lateral. Se trata de engranajes dentados que se accionan mediante la rotación del motor principal de la perforadora a través de engranajes espirales de 45° ; su eje de rotación es horizontal y están colocados de forma que los dientes corten cuatro ranuras verticales en la pared del pozo. Las aletas guía situadas más arriba en la sonda se desplazan por estas ranuras y proporcionan el antitorque. El diseño fue eficaz para evitar la rotación de la sonda, pero resultó casi imposible realinear las aletas guía con las ranuras existentes al introducirla. La desalineación aumentaba la posibilidad de que la perforadora se atascara en el pozo; y también existía el riesgo de que los recortes de hielo de los cortadores de fresado se atascaran entre la perforadora y la pared del pozo, provocando que la perforadora se atascara. El sistema se volvió a utilizar en una perforadora desarrollada 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 de un sistema antitorsión consiste en utilizar cuchillas en forma de U, hechas de acero y fijadas verticalmente a los lados de la sonda. Las implementaciones iniciales tuvieron problemas con las cuchillas delgadas, que se doblaban con demasiada facilidad, y las cuchillas 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 el firn como en el hielo. [196]
Los taladros pueden diseñarse con más de un sistema antitorsión para aprovechar el diferente rendimiento de los distintos diseños en distintos tipos de nieve y hielo. Por ejemplo, un taladro puede tener patines para usarse en nieve dura o hielo, pero también puede tener un sistema de ballestas, que será más efectivo en nieve blanda. [187]
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 tiene que romperse antes de que se pueda recuperar el núcleo. Una opción es utilizar un portabrocas, que es un anillo cónico dentro del cabezal de corte. Cuando se tira de la broca hacia arriba, el portabrocas comprime el núcleo y lo sujeta, con trozos de hielo sueltos encajados en él aumentando la compresión. Esto rompe el núcleo y lo sujeta en el barril una vez que se ha roto. Los portabrocas son eficaces en el firn pero menos en el hielo, por lo que los perros de núcleo, también conocidos como atrapan núcleos, se utilizan a menudo para los núcleos de hielo. [110]
Un típico perro sacanúcleos de una perforadora de hielo tiene forma de pata de perro y estará integrado en el cabezal de perforación con la capacidad de girar y con un resorte que proporciona algo de presión contra el núcleo. Cuando se levanta la perforadora, la punta afilada del perro sacanúcleos se engancha y gira, haciendo que el núcleo se rompa. Algunos perros sacanúcleos tienen un hombro para evitar que giren demasiado. [198] La mayoría de los cabezales de perforación tienen tres perros sacanúcleos, aunque es posible tener solo dos; la fuerza de corte asimétrica ayuda a romper el núcleo. [198] El ángulo, δ , entre la punta del perro sacanúcleos y el núcleo, ha sido objeto de algunas investigaciones; 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 los 80°. [197] Los recogedores de núcleos están hechos de acero endurecido y deben ser lo más afilados posible. La fuerza necesaria para romper el núcleo varía con la temperatura y la profundidad, y en hielo cálido los perros sacanúcleos pueden hacer ranuras en el núcleo antes de atraparlo y romperlo. [199] Algunos taladros también pueden incluir un peso que se puede utilizar como martillo, para proporcionar un impacto que ayude a romper el núcleo. [48]
En el caso de la nieve y el firn, donde el material del núcleo puede correr el riesgo de caerse del fondo del barril, un recogedor de canasta es una mejor opción. Estos recogedores consisten en alambres elásticos o piezas delgadas de chapa metálica, colocados radialmente alrededor del fondo del barril y presionados contra el costado del barril por el núcleo a medida que la perforadora desciende alrededor de él. Cuando se levanta la perforadora, los extremos del recogedor se enganchan con el núcleo y lo separan de la base, y actúan como una canasta para mantenerlo en su lugar mientras se lo lleva a la superficie. [200]
El revestimiento, o revestimiento de un pozo con un tubo, es necesario siempre que las operaciones de perforación requieran que el pozo esté aislado de la nieve y el firn permeables circundantes. Los pozos sin revestimiento se pueden perforar con fluido utilizando una manguera bajada al pozo, pero es probable que esto conduzca a un mayor consumo de fluido de perforación y contaminación ambiental por fugas. En la década de 1970 se utilizó revestimiento de acero, pero el óxido del revestimiento causó daños a las perforadoras y el revestimiento no estaba sellado, lo que provocó fugas de fluido. También hubo problemas con los tubos de revestimiento que no estaban centrados, lo que causó daños a la broca cuando se bajó a través del revestimiento. El revestimiento de fibra de vidrio y HDPE se ha vuelto más común, con uniones selladas con cinta de PTFE , pero las fugas son frecuentes. La soldadura por fusión térmica para revestimiento de HDPE es una posible solución. Para sellar el fondo del revestimiento, se puede bombear agua al fondo del pozo una vez que el revestimiento está configurado, o se puede utilizar un cabezal térmico para derretir el hielo alrededor de la zapata del revestimiento, creando un sello cuando el agua se congela nuevamente. Otro método es utilizar un taladro de punta caliente, saturando la nieve y el firn con agua derretida, que luego se congelará y sellará el pozo. [201]
Los tubos de PVC de baja temperatura no son adecuados para el entubado permanente, ya que no se pueden sellar en la parte inferior, pero se pueden utilizar para pasar fluido de perforación a través de la zona permeable. Su ventaja es que no requieren conexiones, ya que se pueden enrollar en un carrete para su despliegue. [201]
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