La perforación de hielo permite a los científicos que estudian los glaciares y las capas de hielo obtener acceso a lo que hay debajo del hielo, tomar medidas a lo largo del interior del hielo y recuperar muestras. En los agujeros perforados se pueden colocar instrumentos 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 utilizado a menudo en la exploración mineral para perforar rocas. En la década de 1940 se empezaron a utilizar taladros térmicos; Estos taladros derriten el hielo calentando el taladro. Pronto siguieron taladros que utilizan chorros de agua caliente o vapor para perforar el hielo. Un interés creciente en los núcleos de hielo , utilizados para la investigación paleoclimatológica , llevó al desarrollo de perforadoras de extracción 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 agujeros 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 situado 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 alcanzar el lecho de roca a través de las dos capas de hielo más grandes, en Groenlandia y la Antártida . Proyectos recientes se han centrado en encontrar lugares de perforación que brinden a los científicos acceso a hielo muy antiguo e intacto 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 probar las teorías sobre su movimiento y estructura 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 un glaciar para determinar su espesor, los científicos todavía 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 en la inclinación 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 sólo en la superficie, sino en todo su espesor. [14] Para entender 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 el derretimiento y la sublimación. Una forma sencilla de determinar estos efectos en la superficie de un glaciar es plantar estacas (conocidas como estacas de ablación) en agujeros 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 , llevó a especulaciones sobre la existencia de ambientes microbianos únicos que habían estado 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 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 y polvo disueltos, muestras atmosféricas atrapadas y trazas de radionucleidos. . [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 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 interglaciar ; utilizar núcleos de hielo para ayudar a comprender los cambios climáticos en escalas de tiempo largas ; obtener una matriz espacial detallada 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 para hielo se pueden dividir en las siguientes categorías amplias.
El hielo debe cortarse, romperse o derretirse. Las herramientas se pueden empujar directamente en la nieve y el firn (nieve comprimida, pero aún no convertida en hielo, lo que suele ocurrir a una profundidad de 60 metros (200 pies) a 120 metros (390 pies)); [22] este método no es efectivo 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 rotativas, 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 manualmente, 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 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 cortarlo, 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, lo que a su vez calienta el hielo. El calor también puede enviarse a lo largo de la sarta de perforación; Se puede usar agua caliente o vapor bombeado desde la superficie para calentar un cabezal de perforación de metal, o se puede permitir que el agua o el vapor emerjan del cabezal de perforación y derritan el hielo directamente. [25] En al menos un caso, un proyecto de perforación experimentó calentando el cabezal de perforación en la superficie y luego bajándolo dentro del pozo. [26]
Muchos lugares de perforación en hielo son de muy difícil acceso y las perforadoras deben diseñarse de manera que puedan transportarse al lugar de perforación. [27] El equipo debe ser lo más ligero y portátil posible. [27] [28] Es útil si el equipo se puede descomponer para que los componentes individuales se puedan transportar por separado, reduciendo así la carga de transportarlo en la mano, si es necesario. [29] También se debe transportar combustible, para taladros de vapor o de 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 agujero 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 a lo largo de sus vuelos helicoidales. [31] Si la acción del taladro deja trozos de hielo encima del taladro, se pueden quitar simplemente elevando el taladro a la superficie periódicamente. [32] De lo contrario, se pueden sacar a la superficie bajando una herramienta para recogerlos, o se puede mantener el agujero lleno de agua, en cuyo caso los recortes flotarán naturalmente hasta la parte superior del agujero. Si las virutas no se eliminan, se deben compactar 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 tubería de perforación y afuera en el cabezal de perforación, forzando a 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 se calentará mediante la compresión y deberá enfriarse antes de ser bombeado al fondo del pozo, o provocará la fusión de las paredes del pozo y del núcleo. [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 rotatoria de minerales (a través de roca) generalmente hace circular fluido a través de todo el pozo y separa los sólidos del fluido en la superficie antes de bombear el fluido nuevamente hacia abajo. [36] En la perforación profunda en hielo, 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 una perforadora de extracción de muestras, la cámara de recortes se puede vaciar cada vez que la broca se lleva 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 derretida mientras se perfora. [38]
El mecanismo de perforación debe estar conectado a la superficie y debe existir un método para subir y bajar el taladro. [39] Si la sarta de perforación consta de tuberías o varillas que deben atornillarse entre sí, o ensamblarse de otro modo, 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 avanza cada longitud. Se agrega o elimina una varilla o tubería. [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 pozos profundos y debe haber un cabrestante u otro sistema de elevación que sea capaz de levantar. y bajándolo. [39]
Un "viaje" en la perforación se refiere a la tarea de sacar completamente una sarta de perforación del pozo (salir) y luego reinsertarla nuevamente en el pozo (salir). [41] El tiempo de disparo es el tiempo necesario para entrar y salir del pozo; Es importante que el diseño de una perforadora minimice el tiempo de disparo, particularmente en el caso de las perforadoras sacatestigos, ya que deben completar un disparo para cada muestra. [42]
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 agujeros profundos se llenan con un fluido de perforación que tiene aproximadamente la misma densidad que el hielo circundante. , como el combustible para aviones o el queroseno. [25] El fluido debe tener baja viscosidad para reducir el tiempo de disparo . 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 lo menos posible el hielo; 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 impide 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 partes de la Antártida Oriental, podría ser posible perforar en seco hasta 1000 metros (3300 pies). [43]
La nieve y el firme son permeables al aire, el agua y los fluidos de perforación, por lo que cualquier método de perforación que requiera líquido o aire comprimido en el pozo debe evitar que se escapen a las capas superficiales de nieve y firme. Si el fluido sólo se utiliza en la parte inferior del pozo, la permeabilidad no es un problema. Alternativamente, el agujero se puede tapar más allá del punto donde la firma se convierte en hielo. Si se usa agua como fluido de perforación, en temperaturas lo suficientemente frías, se convertirá en hielo en la nieve circundante y cerrará y sellará el agujero. [44]
Las herramientas pueden diseñarse para girarse a mano, mediante una abrazadera o un 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 instaló un proyecto de perforación lo suficientemente cerca de una estación de investigación permanente para tender un cable hasta el edificio de investigación para fuerza. [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 el último caso, el cable debe transportar energía al cabezal de perforación y soportar su peso. Para los taladros rotativos, se requiere engranajes para reducir la rotación del motor a una velocidad adecuada para la perforación. [48]
Si se suministra torque en el fondo del pozo, el motor que lo suministra a la broca que se encuentra debajo tendrá 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 corta hielo. Para evitar esto, se debe proporcionar algún tipo de mecanismo antitorsión, generalmente dando al motor cierto agarre contra las paredes del pozo. [49]
Un taladro térmico que utiliza electricidad para calentar el cabezal de perforación para que derrita el hielo debe llevar energía al agujero, al igual que con los taladros rotativos. [50] Si el cabezal 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 por combustible. [30] También se puede utilizar la energía solar . [28]
Algunas brocas que están diseñadas para descansar sobre su punta mientras perforan se inclinarán hacia un lado en el pozo, y el agujero que perforan se desplazará 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 agujeros 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 se encuentra a una temperatura de fusión (0 °C) en todas partes. [53] El agua de deshielo en los pozos en hielo caliente no se volverá a congelar, pero en el caso de hielo más frío, es probable que el agua de deshielo cause un problema y puede congelar la perforadora en su lugar, por lo que las perforadoras térmicas que operan sumergidas en el agua de deshielo que producen y cualquier método de perforación que resulta en agua en el pozo, son difíciles de usar en tales condiciones. [54] Los fluidos de perforación, o aditivos anticongelantes para el agua derretida, deben elegirse para mantener el fluido líquido a las temperaturas encontradas en el pozo. [38] En el hielo caliente, el hielo tiende a formarse en las cortadoras y en 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 en el 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 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 agarrarlo para que no se caiga del barril del núcleo como resultado. se lleva a la superficie, lo que debe hacerse de la forma más rápida y segura posible. [49]
La mayoría de las perforadoras de extracción de muestras están diseñadas 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 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, tarda mucho tiempo en entrar y salir; un cable que se pueda enrollar continuamente o una sarta de perforación que sea lo suficientemente flexible como para enrollarse reduce significativamente el tiempo de disparo. [48] [35] Los taladros con cable tienen un mecanismo que permite separar el barril sacatestigos del cabezal de perforación y arrastrarlo directamente a la superficie sin tener que sacar la sarta de perforación. Una vez que se retira el núcleo, el cilindro sacanúcleos se baja hasta el fondo del pozo y se vuelve a colocar en la perforadora. [59]
En un rango de profundidad conocido como zona de hielo frágil, 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 provoca grietas y astillas . [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 frágil generalmente arroja 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, maquinaria especial puede llevar muestras de núcleos a la superficie a la presión del fondo del pozo, pero esto es demasiado costoso 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 consiste en romperlos en trozos de 1 m de longitud en el agujero. Extruir el núcleo del barril de perforación en una red ayuda a mantenerlo unido en caso de que se rompa. A los núcleos frágiles también se les suele dejar 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 frágil mejora mucho cuando se utiliza un fluido de perforación, a diferencia de la perforación de pozos secos. [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 sarta de perforación (normalmente varillas metálicas conectadas [nota 1] ), y se debe proporcionar algún medio para darle energía cinética. Un trípode erigido sobre el orificio permite instalar una polea y luego se puede usar 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 sarta de perforación rígida para proporcionar el impulso necesario. [24] El hielo pulverizado se acumula en el fondo del pozo y debe retirarse. Se puede recoger con una herramienta capaz de sacarlo del fondo del agujero, [24] o se puede mantener el agujero lleno de agua, de modo que el hielo flote hasta la parte superior del agujero, aunque esto retarda el impulso del hielo. El taladro golpea el hielo, reduciendo su efectividad. [66] Una herramienta de perforación por percusión que no es accionada mecánicamente requiere algún método para levantar la perforadora 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 mediante una cuerda. Esta disposición, conocida como equipo de cable-herramienta, 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 el peso de un martillo sobre la sarta de perforación. [24]
La primera expedición científica de perforación de hielo utilizó perforación por percusión; Louis Agassiz utilizó varillas de hierro para perforar agujeros en 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 equipos de herramientas de cable en el Cáucaso y la cordillera Tien Shan , y proyectos estadounidenses perforaron 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 colocar cargas explosivas, y también se han utilizado taladros de percusión rotativa, un tipo de herramienta de perforación que alguna vez fue de uso común en la industria minera, para perforar agujeros para voladuras, pero ninguno de estos métodos ha funcionado. Se ha utilizado para investigaciones científicas sobre el hielo. La perforación por percusión ahora rara vez se utiliza para la perforación científica en hielo, ya que ha sido superada por técnicas más efectivas tanto para la perforación de hielo como de minerales. [24]
Una barrena para muestreo de suelo contiene un par de palas en la parte inferior de un cilindro cerrado; se puede conducir y girar 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 permitía que los cortes de hielo se acumularan en el cilindro, encima de las cuchillas. [68] [69] [nota 2]
Las barrenas se han utilizado durante mucho tiempo para perforar el hielo y pescar en él . Las barrenas se pueden girar a mano, utilizando un mecanismo como un mango en T o una broca, o conectándolas a taladros manuales eléctricos. [70] Los usos científicos de los sinfines sin extracción de muestras incluyen la instalación de sensores y la determinación del espesor del hielo. Los sinfines tienen una hoja helicoidal alrededor del eje de perforación principal; esta hoja, llamada "vuelo", transporta los cortes de hielo desde el fondo del agujero. [31] Para perforar agujeros más profundos, se pueden agregar extensiones a la barrena, pero a medida que la barrena se hace más larga, se vuelve más difícil girar. Con una plataforma como una escalera de mano, se puede girar una barrena más larga desde una mayor altura del suelo. [70]
Las barrenas para hielo disponibles comercialmente para la pesca en invierno, alimentadas con gasolina, propano o baterías, están disponibles para diámetros de orificios de 4,5 a 10 pulgadas. Para orificios de más de 2 m de profundidad, se puede utilizar un trípode para sacar la barrena del orificio con un cabrestante. Es común un mango de refuerzo plegable con un diseño desplazado; esto permite que ambas manos contribuyan al torque. [70]
Las barrenas que son capaces de recuperar núcleos de hielo son similares a las barrenas sin extracción, excepto que las paletas están colocadas alrededor de un barril hueco. Se han ideado barrenas que constan de cuchillas de corte helicoidales y un espacio para un núcleo, sin el cilindro de soporte central, pero es difícil hacerlas suficientemente rígidas. Los sinfines de extracción de muestras suelen producir núcleos con diámetros en el rango de 75 a 100 mm y con longitudes de hasta 1 m. Los sinfines de extracción de muestras se diseñaron originalmente para girarse manualmente, pero con el tiempo se han adaptado para su uso con taladros manuales o motores pequeños. [32]
Al igual que con las barrenas sin extracción de muestras, se pueden agregar extensiones para perforar más profundamente. Para perforar a más de 6 m de profundidad se 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 pueden usar un trípode, un bloque y un aparejo para sostener y aumentar el peso de la cuerda que se puede manipular. A medida que la sarta de perforación se alarga, se necesita más tiempo para 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 manejar 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 Ellesmere , en 1960. Normalmente 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]
Las barrenas de extracción de muestras modernas han cambiado poco en décadas: una barrena de extracción de hielo patentada en los EE. UU. en 1932 se parece mucho a las barrenas de extracción de muestras que se utilizan 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 una barrena de extracción de muestras a fines de la década de 1940; el Establecimiento de Investigación sobre Nieve, Hielo y Permafrost (SIPRE), una organización sucesora, perfeccionó el diseño a principios de la década de 1950, y el sinfín resultante, conocido como sinfín SIPRE, todavía se utiliza ampliamente. Fue ligeramente modificado por el Laboratorio de Ingeniería e Investigación de Regiones Frías (CRREL), otra organización sucesora, en la década de 1960, y a veces se lo conoce como el sinfín CRREL por esa razón. [72] Una barrena desarrollada en la década de 1970 por la Polar Ice Core Office (PICO), entonces con sede en Lincoln, Nebraska , también se utiliza ampliamente todavía. [73] Una barrena perforadora 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 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 de la nueva barrena para el uso de los programas de investigación de perforación de hielo de EE. UU., y estas ahora son las barrenas manuales más solicitadas proporcionadas por IDDO. [77]
El sinfín Prairie Dog, diseñado en 2007, agrega un cilindro exterior al diseño básico del sinfín de extracción de muestras. Los recortes se capturan entre las paletas de la barrena y el cilindro exterior, que tiene una sección antitorsión para evitar que gire en el pozo. [71] El objetivo del cilindro exterior es aumentar la eficiencia de la recolección de virutas, ya que es común ver virutas de un recorrido con barrena manual caer nuevamente en el orificio desde las paletas del sinfín, lo que significa que la siguiente ejecución tiene que volver a perforar a través de estos. esquejes. [78] El cilindro exterior también hace que la barrena sea efectiva en hielo caliente, lo que fácilmente podría causar que una barrena sin cilindro exterior se atasque. [71] El cilindro exterior del Prairie Dog es el mismo que el diámetro del sinfín PICO, y dado que las cuchillas antitorsión del Prairie Dog no funcionan bien en nieve blanda y firme, es común comenzar un hoyo con el PICO. barrena y luego continúa con el Prairie Dog una vez que se alcanza la densa firma. [79] El Prairie Dog es relativamente pesado y puede requerir dos perforadores para manipularlo mientras lo retiran del pozo. [71] El IDDO mantiene un taladro Prairie Dog para uso de los programas de investigación de perforación de hielo de los Estados Unidos. [80]
IDDO también proporciona un sistema de elevación para usar con barrenas manuales, conocido como Sidewinder. Está impulsado 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 al agujero y ayuda a levantar la barrena para sacarla del agujero. Esto amplía la profundidad máxima práctica para barrenar manualmente hasta unos 40 m. Los Sidewinders han resultado populares entre los investigadores. [82] [83]
Un taladro de pistón consta de 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 sale por las ranuras y se acumula encima del disco. Al sacar la broca 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 Estados Unidos, pero ahora estos taladros rara vez se utilizan. Son menos eficientes que los taladros de barrena, ya que el taladro debe retirarse periódicamente del orificio para eliminar los recortes. [32] [84]
Algunos taladros manuales han sido diseñados para recuperar núcleos sin utilizar barrenas para transportar los recortes hacia el pozo. Estos taladros suelen tener un cilindro sacanúcleos con dientes en el extremo inferior y se hacen girar mediante una abrazadera o un mango en T, o mediante un motor pequeño. El cilindro en sí puede omitirse, de modo que la broca consista únicamente en un anillo con una ranura cortante para cortar el anillo alrededor del núcleo y una varilla vertical para fijar el anillo a la superficie. Se han diseñado un par de pequeños taladros manuales, o minitaladros, 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 recortes, si no se eliminan, interferirán con la acción de corte del taladro, haciendo que estas herramientas sean lentas e ineficaces en su uso. [85] IDDO diseñó un taladro muy pequeño, conocido como Chipmunk Drill, 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]
Los equipos giratorios utilizados en la perforación de minerales utilizan una sarta de tubería de perforación conectada a una broca en el fondo del pozo y a un mecanismo giratorio en la parte superior del pozo, [87] como un top drive [88] o una mesa giratoria y un 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. Estos proyectos generalmente se han llevado a cabo con equipos rotativos disponibles comercialmente diseñados originalmente para perforación de minerales, con adaptaciones para satisfacer las necesidades especiales de la perforación en hielo. [90]
Al perforar en hielo, el agujero se puede perforar en seco, sin ningún mecanismo para eliminar los recortes. En nieve y firme, esto significa que los recortes simplemente se compactan en las paredes del pozo; y en las perforadoras 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 eventualmente comienzan a obstruir la broca, generalmente después de no más de 1 m de avance. Esto aumenta el par necesario para perforar, ralentiza el progreso y puede provocar la pérdida de la broca. La perforación en 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 utilizando una plataforma rotativa, en el Campo VI, en la costa oeste, y en la Estación Central, tierra adentro, alcanzando 126 m y 151 m. [91] Ese verano también se perforaron algunos agujeros poco profundos en la isla de Baffin , utilizando un taladro de extracción de muestras, [92] y en la Antártida, la Expedición Antártica Noruego-Británica-Sueca (NBSAE) perforó varios agujeros entre abril de 1950 y el año siguiente. eventualmente alcanzando los 100 m en un hoyo. [93] La última expedición que intentó la perforación en seco en hielo fue la segunda expedición antártica soviética (SAE), que perforó tres agujeros entre julio de 1957 y enero de 1958. [94] Desde entonces, la perforación en seco ha sido abandonada como lo han demostrado otros métodos de perforación. para ser más efectivo. [87]
Se han perforado varios orificios en hielo utilizando circulación de aire directa, en la que se bombea aire comprimido hacia abajo por la tubería de perforación, para escapar a través de los orificios de la broca y regresar al espacio anular entre la broca y el pozo, llevando consigo los recortes. La técnica fue probada por primera vez por la primera 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] Las expediciones estadounidenses, soviéticas y belgas hicieron más intentos de utilizar la circulación de aire con plataformas giratorias, 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 La plataforma rotativa convencional con circulación de aire fue 1961. [96]
En la exploración de minerales, el método de perforación más común es una plataforma rotativa con fluido que circula hacia abajo 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, regresa al pozo. El primer proyecto de perforación de 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, hasta una profundidad máxima de 89 m. . Se recuperaron núcleos, pero en malas condiciones. [97] El agua de mar también se ha probado como fluido de perforación. [59] La primera vez que se utilizó un fluido distinto del agua con una plataforma rotativa 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]
Un taladro con cable utiliza circulación de aire o 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 overshot, se engancha al cilindro sacatestigos y lo empuja hacia la superficie. Cuando se retira el núcleo, el barril sacanúcleos se baja nuevamente al pozo y se vuelve a colocar en la perforadora. [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 tuvo lugar en 1976, [nota 3] como parte del Proyecto Ross Ice. Proyecto Estante (RISP). [96] En noviembre de ese año se inició un pozo con un taladro con cable, probablemente usando circulación de aire, pero los problemas con el excedente 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 otra perforadora con cable la temporada siguiente, [99] y varias expediciones soviéticas de la década de 1980 también utilizaron perforadoras con cable, después de comenzar los agujeros con un taladro de barrena y revestir los agujeros. [101] El taladro Agile Sub-Ice Geological (ASIG), diseñado por IDDO para recolectar núcleos subglaciales, es un sistema cableado reciente; Se utilizó por primera vez en el campo en la temporada 2016-2017, en la Antártida Occidental. [102]
Existen muchas desventajas al utilizar equipos rotativos convencionales para perforar hielo. Cuando se utiliza una plataforma rotativa convencional para extraer muestras, se debe izar toda la sarta de perforación fuera del pozo cada vez que se recupera el núcleo; cada tramo de tubería se debe desenroscar y colocar a su vez. A medida que el agujero se hace más profundo, esto requiere mucho tiempo. [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 bajo la cual está 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 la nieve, esté cubierta, ya que el aire o el fluido circulado escaparían 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 operar al aire libre, lo cual no es práctico en entornos extremos como las perforaciones en la Antártida. [27]
Las plataformas rotativas comerciales pueden ser efectivas para pozos de gran diámetro y también pueden usarse para perforaciones subglaciales en roca. [27] También se han utilizado con cierto éxito en glaciares de roca, cuya perforación resulta difícil porque contienen una mezcla heterogénea de hielo y roca. [27] [103]
Los equipos de perforación flexibles utilizan una sarta de perforación que es continua, de modo que no es necesario montarla ni desmontarla, varilla por varilla o tubo por tubo, al entrar o salir. La sarta de perforación también es flexible, de modo que cuando sale del pozo se puede almacenar en un carrete. La sarta de perforación puede ser una manguera reforzada, o puede ser una tubería de acero o compuesta, en cuyo caso se la conoce como perforadora de tubería flexible. Las plataformas diseñadas 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]
Sólo uno de estos equipos, el sistema de movimiento rápido de aire (RAM, por sus siglas en inglés) desarrollado en la Universidad de Wisconsin-Madison por Ice Coring and Drilling Services (ICDS), se ha utilizado para perforar hielo. [36] [35] La perforadora RAM se desarrolló a principios de la década de 2000 y fue diseñada originalmente para perforar pozos de perdigones para exploración sísmica. [35] [104] La varilla de perforación es una manguera a través de la cual se bombea aire; el aire impulsa una turbina que impulsa una broca giratoria de fondo de pozo. Los trozos de hielo son eliminados por el aire de escape y salen por el 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 aproximadamente 10° más cálida que la del aire ambiente. Esto significa que no se puede utilizar en temperaturas ambiente superiores a -10 °C. Para evitar que se forme hielo en la manguera, se añade 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 sobre un trineo. [9] Ha perforado con éxito cientos de agujeros en la Antártida occidental y pudo perforar fácilmente hasta 90 m en sólo 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 la firma. [36] [104] No se puede utilizar en un orificio lleno de fluido, lo que limita la profundidad máxima del orificio para este diseño. [9] El principal problema con el taladro RAM es la pérdida de circulación de aire en la firma y la nieve, que podría solucionarse utilizando la circulación de aire inversa, a través de una bomba de vacío que aspira 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 y, en algunos casos, probado otros diseños de vástagos de perforación flexibles, 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, usando el agua caliente para alimentar hidráulicamente el motor del fondo del pozo y para fundir el cortes de hielo resultantes. [105] Otro diseño, el taladro RADIX, produce un orificio muy estrecho (20 mm) y está diseñado para perforar rápidamente orificios de acceso; Utiliza un pequeño motor hidráulico en una manguera estrecha. Se probó en 2015, pero tuvo 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 tubería flexible nunca se han utilizado con éxito para la perforación de hielo. Las operaciones de extracción de muestras serían particularmente difíciles, ya que para cada núcleo debe salir y entrar una perforadora, lo que provocaría fatiga ; Por lo general, el tubo tiene una vida útil de sólo 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 mediante un cable blindado, que proporciona energía y permite arrastrar el taladro dentro y fuera del pozo. [48] Los taladros electromecánicos 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 cortes de hielo se almacenan en una cámara de la sonda, ya sea en el barril sacatestigos, encima del núcleo, o en una cámara separada, más arriba de la perforadora.
Los recortes pueden transportarse mediante tornillos sin fin o mediante circulación de fluidos. Las perforadoras que dependen de barrenas y que no están diseñadas para funcionar 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 orificios 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 en el pozo, las perforadoras suspendidas por cable solo necesitan hacer circular el fluido desde el cabezal de perforación hasta el cámara de recortes. Esto se conoce como circulación de fondo de pozo. [48]
La parte superior de la sonda tiene un sistema antitorque, que normalmente consta de tres o cuatro ballestas 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 colector para permitir que el taladro gire independientemente del cable. Esto es para evitar daños por torsión al cable si falla el sistema antitorsión. Los taladros de extracción de muestras también pueden tener un peso que puede usarse como martillo para ayudar a romper el núcleo y una cámara para cualquier instrumentación o sensor necesario. [48] [108]
En la parte inferior de la sonda está el cabezal de corte, y encima está el cilindro sacatestigos, con espirales de barrena a su alrededor en perforadoras poco profundas y, por lo general, un cilindro exterior alrededor, generalmente con nervaduras verticales internas o alguna otra forma de proporcionar un impulso adicional al los recortes ascendentes en los vuelos. Si hay una cámara de virutas separada, estará encima del cilindro sacatestigos. El motor, con el engranaje adecuado, también se encuentra encima del tubo sacatestigos. [48]
Las perforadoras poco profundas pueden recuperar núcleos de hasta 300 a 350 m de profundidad, pero la calidad de los núcleos mejora mucho si hay fluido de perforación presente, por lo que algunas perforadoras poco profundas se han diseñado para trabajar en pozos húmedos. Las pruebas realizadas en 2014 demostraron que la perforación húmeda, con la parte superior del fluido de perforación a no más de 250 m de profundidad, mantendría una buena calidad del núcleo. [48]
Los fluidos de perforación son necesarios para perforar agujeros profundos, por lo que las perforadoras suspendidas 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] Algunas perforadoras diseñadas para usarse con fluido de perforación también tienen hélices en el cilindro interior. [108] Al igual que con las perforadoras poco profundas, los recortes se almacenan en una cámara 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 sacatestigos y la pared del pozo, o en la dirección inversa, que se ha convertido en el enfoque preferido en el diseño de perforación ya que proporciona una mejor eliminación de recortes para un menor caudal. [37] Las perforadoras capaces de alcanzar profundidades superiores a 1.500 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 tener perforadoras más largas y refugios de perforación más grandes. [109] Los diámetros del núcleo de 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 estas perforadoras profundas 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 cortar 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 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 ampliar un agujero en Camp Century en Groenlandia hasta la base del capa de hielo, a 1387 m, y 4 m más adentro del lecho de roca. [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 Perforación de Isótopos de Acceso Rápido, diseñada por el Servicio Antártico Británico para perforar pozos secos hasta 600 m. [113] Este simulacro no recolecta un núcleo de hielo completo; en su lugar, recolectará cortes de hielo, [113] usando un cabezal de corte similar a un barrenador. [114] El orificio de acceso resultante se utilizará para perfilar la temperatura, [113] y junto con los resultados de isótopos que indicarán la edad del hielo, los datos se utilizarán para modelar el perfil del hielo hasta el lecho de roca para determinar la mejor lugar para perforar y obtener el hielo basal intacto más antiguo posible. [115] [114] Se espera que la perforación 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 estrecho, lo que reduce los requisitos de energía para el cabrestante. [115]
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 utiliza en hielo más frío, es probable que se introduzca algún tipo de anticongelante en el pozo para evitar que el agua derretida se congele en la perforadora. [38]
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 manejarlo manualmente, y a una profundidad de aproximadamente 100 m se hace necesario pasar la manguera por una polea y utilizar algún método para ayudar a bajar y subir la manguera, que generalmente consiste en un carrete de manguera, cabrestante o algún tipo de ayuda para 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 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 enrollarse cuidadosamente al enrollarse para evitar daños; Esto se puede hacer manualmente para sistemas más pequeños, pero para perforadoras 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 cuando se enrolla en el orificio, pero para orificios muy profundos es posible que sea necesario utilizar 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 de vapor de mano puede perforar rápidamente orificios cortos, por ejemplo para estacas de ablación, y tanto los taladros de vapor como los de agua caliente pueden fabricarse lo suficientemente livianos para transportarlos en la mano. [30] Se puede utilizar un tubo guía para ayudar a mantener el pozo recto. [122]
En el hielo frío, un pozo perforado con agua caliente se cerrará cuando el agua se congele. Para evitar esto, se puede hacer retroceder la perforadora por el agujero, calentando el agua y, por tanto, el hielo circundante. Esta es una forma de escariado . Los escariados repetidos elevarán 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 una perforación de mayor energía con un alto caudal de agua, ya que esto será más eficiente. [118] Si existe riesgo de que la broca se congele, se puede incluir una "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 salir. [124] También se puede utilizar un escariador de agua caliente independiente, que lanza 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 mediciones de inclinometría. El agua tibia 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 o nieve en la superficie, 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 de agua en la superficie, si está disponible, o de nieve derretida. El agua de deshielo del pozo se puede reutilizar, pero esto sólo se puede hacer cuando el agujero penetra por debajo de la capa de hielo impermeable, porque por encima de este nivel el agua de deshielo se escapa. La bomba para devolver 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 pozo y asegúrese de que la bomba esté por debajo del nivel más bajo probable. [125] Los sistemas de calefacción generalmente se adaptan a partir 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 impedir la perforación; suficientes escombros, en forma de arena, guijarros o una roca grande, podrían 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 al que irán las obstrucciones. Luego se puede comenzar de nuevo la perforación vertical, 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 residuos pequeños que impiden el avance del cabezal de perforación. [128]
Un problema diferente con el hielo impuro proviene de los contaminantes traídos por el proyecto, como ropa y fibras de madera, polvo y arenilla. A menudo es necesario utilizar nieve de alrededor del campamento para suministrar agua a la perforadora al comienzo de la perforación, ya que el hoyo aún no habrá alcanzado el hielo impermeable, por lo que no se puede bombear agua desde el fondo del hoyo; Palear esta nieve en el suministro de agua de la perforadora hará pasar estos contaminantes a través del mecanismo de la perforadora 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 se realizó en 1955, a Mer de Glace ; Électricité de France utilizó agua caliente para llegar a la base del glaciar y también utilizó equipos que rociaron múltiples chorros simultáneamente para crear un túnel debajo del hielo. [130] En la década de 1970 se realizaron más trabajos de desarrollo. [131] [30] Las perforadoras de agua caliente ahora son capaces de perforar agujeros muy profundos y de acceder limpiamente 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 perforación de agua, perforación de acceso limpio 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 series de sensores en los pozos, para el proyecto IceCube . [13] [132] También se han desarrollado perforadoras de extracción de muestras con agua caliente, pero son susceptibles a que los desechos detengan el movimiento hacia adelante en el hielo sucio. [131]
F. Howorka desarrolló una de las primeras perforadoras de vapor a principios de los años 1960 para trabajar en los Alpes. [122] Las perforadoras de vapor no se utilizan para pozos 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 al aumentar la profundidad bajo el agua. [134] Se utilizan principalmente para perforar rápidamente agujeros poco profundos. [133]
En lugar de utilizar un chorro de agua caliente o vapor, también se pueden construir taladros térmicos 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 una punta caliente que consiste en un elemento calefactor eléctrico, expuesto directamente 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 manera que las conexiones eléctricas no queden expuestas al agua. [138] Los taladros electrotérmicos requieren un cable para llevar la energía por el agujero; el circuito se puede completar a través de la tubería de perforación, si hay una presente. [139] Se necesita un transformador en el conjunto del taladro ya que el cable debe transportar alto voltaje para evitar la disipación de energía. [140] Es más difícil disponer de energía eléctrica en un lugar remoto que generar calor a través de una caldera de gas, por lo que las perforadoras de punta caliente sólo se utilizan para perforaciones de hasta unos pocos cientos de metros de profundidad. [141]
El primer intento de utilizar calor para perforar 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 que se volvieron incandescentes y se bajaron al pozo. [26] El primer punto de acceso verdadero fue utilizado por Mario Calciati en 1942 en el glaciar Hosand. Calciati bombeó agua caliente desde la superficie hacia abajo por el vástago de perforación y de regreso después de pasar a través del cabezal de perforación. [142] [143] Otros diseños de puntos calientes han utilizado calefacción eléctrica para calentar el cabezal de perforación; esto lo hizo en 1948 una expedición británica al Jungfraujoch, [144] y muchos otros diseños de perforadoras desde entonces. Los puntos calientes no producen núcleos, por lo que se utilizan principalmente para crear orificios de acceso. [141]
El desarrollo en la década de 1960 de perforadoras térmicas para perforaciones de profundidad intermedia fue impulsado por los problemas asociados con las perforadoras rotatorias, que eran demasiado costosas para utilizarlas en 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 sacatestigos. No se necesita ningún sistema antitorque para un taladro térmico y, en lugar de un motor que proporcione torque, la potencia se utiliza 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 derretida puede consistir casi en su totalidad en el cilindro sacatestigos más el cabezal de corte calentado (diagrama (a) en la figura de la derecha). Los diseños alternativos para uso en hielo más frío (consulte el diagrama (b) a la derecha) pueden tener un compartimento encima del barril sacatestigos y tubos que descienden hasta justo encima del cabezal de corte; una bomba de vacío aspira el agua derretida. En estas perforadoras, el agua de deshielo debe vaciarse en la superficie al final de cada ejecución de extracción de muestras. [147]
Otro enfoque (ver (c) a la derecha) es utilizar un fluido de perforación que sea una mezcla de etanol y agua, con las proporciones exactas determinadas por la temperatura del hielo. En estas perforadoras hay un pistón encima del cilindro sacatestigos y al inicio del recorrido 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 brocas cortan hacia abajo, el núcleo empuja el pistón hacia arriba, bombeando el fluido hacia abajo y alrededor del cabezal de corte, donde se mezcla con el agua derretida 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 almacenar el agua de deshielo. [147]
Los taladros térmicos diseñados para hielo templado son ligeros 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 con tracción humana a los lugares más inaccesibles, ya que los helicópteros Es posible que no pueda llegar a los glaciares más altos. [148] [149]
Los diseños de perforadoras electrotérmicas se remontan a la década de 1940. René Koechlin patentó un taladro electrotérmico en Suiza en mayo de 1946 , 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 fueron abandonados debido al mayor rendimiento de las perforadoras electrotérmicas. [38]
Si el objetivo es obtener lecturas de instrumentos desde el interior del hielo y no es necesario recuperar ni el hielo ni el sistema de perforación, entonces se puede utilizar una sonda que contenga un largo carrete 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 podrá recuperarse, pero podrá continuar penetrando en el hielo hasta alcanzar el límite del cable que transporta y enviar las lecturas del instrumento 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, se adaptaron para su uso en investigaciones glaciológicas, 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, lo que significa que tienen una tendencia natural a desviarse 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 encima de 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 se puede construir para que esté sostenida por hielo por encima de su centro de gravedad, proporcionando dos anillos calefactores, uno de los cuales está hacia la parte superior de la sonda y tiene un diámetro mayor que el resto de la sonda. Darle 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 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 la 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 derretida, el agua se extrajo y se recalentó, emergiendo por la punta como un chorro. Este diseño estaba destinado a ayudar a alejar las partículas de la nariz, como suele hacer un taladro de agua caliente. En 2001 se construyó y probó sobre el terreno una versión sin herramientas analíticas a bordo en Svalbard , Noruega. Penetró hasta 23 m y atravesó con éxito 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 consumir una fracción sustancial de su presupuesto de energía, que es finito ya que deben llevar consigo su fuente de energía. Esto los hace inadecuados para investigar la capa de hielo polar marciana . En cambio, la NASA añadió una bomba al diseño del criobot, para elevar el agua derretida 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 sobre 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. Bombear a través de un tubo vertical provocará mezcla, por lo que para garantizar muestras discretas para el análisis en la superficie, se utilizan un tubo de diámetro grande y uno de diámetro pequeño; el tubo de pequeño diámetro se utiliza para el muestreo, y luego se permite que su contenido regrese a la sonda y se bombea nuevamente hacia 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 garantiza que el agua permanezca líquida hasta la superficie, y también se transporta energía y telemetría desde la superficie. Para mantener el orificio vertical, la sonda puede detectar cuando 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 expuesto a la luz solar. En 2006 se probó con éxito una versión completamente construida de la sonda en Groenlandia, perforando hasta una profundidad de 50 m. [161] La NASA ha propuesto un diseño similar para perforar 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]
Se toman muestras de nieve para medir la profundidad y densidad de la capa de nieve en un área determinada. Las medidas de profundidad y densidad se pueden convertir en un número equivalente en 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 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 longitudinales para permitir registrar también 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 como para mantenerla dentro del cilindro a medida que se retira de la nieve, lo cual 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 la compactación de la nieve, por lo que tienen superficies internas lisas (generalmente de aleación de aluminio anodizado y, a veces, además enceradas) 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; Una capa de nieve, firme o hielo más denso puede requerir que el usuario gire el muestreador suavemente para que los dientes cortantes queden enganchados. 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 lugar de interés y se promedian los resultados. 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]
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 utilizar un bastón de esquí normal para comprobar la dureza de la nieve empujándolo hacia la nieve; Los resultados se registran en función del cambio en la resistencia que se siente al insertar el poste. Una herramienta más científica, inventada en la década de 1930 pero aún de uso generalizado, es el penetrómetro de ariete . Éste 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 varilla por el que no puede pasar) que empuja la varilla hacia 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 varían desde 2 kg hasta 0,1 kg. [167] Incluso con martillos más livianos, 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]
Se utilizan ampliamente dos herramientas livianas 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 requerida; es sensible a 0,01-0,05 newtons, dependiendo de la fuerza de la nieve. Una sonda SABRE consta de una varilla que se introduce manualmente en la nieve; Luego, 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 firme hasta profundidades de 5 a 10 m. [168] [169]
Se han utilizado plataformas rotativas disponibles comercialmente con grandes barrenas para perforar hielo, generalmente para construcción o para hacer agujeros para acceder debajo del hielo. Aunque no pueden producir núcleos, han sido utilizados intermitentemente por expediciones científicas estadounidenses y soviéticas en la Antártida. [170] En 2012, una expedición del Servicio Antártico Británico para perforar hasta el lago Ellsworth , dos millas debajo de la superficie del hielo antártico, utilizó una barrena de tierra australiana impulsada por un motor superior montado en un camión para ayudar a perforar dos agujeros 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 pueden montarse en un vehículo para la nieve, un tractor o un trineo; Los diámetros de los orificios pueden alcanzar hasta 350 mm. Estas plataformas se han producido comercialmente tanto en Estados Unidos como en la URSS, pero ya no son de uso común. [70]
En la década de 1970 se utilizó un taladro de chorro de llama, más utilizado para perforar rocas cristalinas, para perforar el hielo en 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; la perforadora tenía un diámetro exterior de 0,4 m y, en las pruebas realizadas en la estación Vostok en la Antártida, perforó un pozo de 6,5 m, y un recorrido de perforación de 1,2 m tardó entre 1 y 5 minutos en completarse. Los bordes de acero del taladro compactaron nieve en el núcleo, lo que ayudó a que se adhiriera al interior del barril cuando se sacó el taladro del agujero. [165] [175]
Los taladros mecánicos suelen tener tres cortadores, espaciados uniformemente alrededor del cabezal de perforación. Dos cortadores provocan vibraciones y una peor calidad del núcleo del 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 perforación exitosos. [176] Se han probado diferentes formas para el extremo de la hoja: plana (el diseño más común), puntiaguda, redondeada y en forma de pala. [177]
Los cortadores deben estar hechos de materiales extremadamente resistentes [178] y, por lo general, deben afilarse 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 en 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, por lo tanto, limitan la profundidad que puede penetrar el cortador en cada revolución del taladro. Por lo general, se montan justo detrás de las cuchillas, pero esta posición puede provocar que se acumule hielo en el espacio entre la cuchilla y la zapata. Hasta ahora no se ha podido corregir esto modificando el diseño del calzado. [179]
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 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 los fluidos de perforación para ajustar la densidad del fluido para que coincida con el hielo circundante. El percloroetileno y el tricloroetileno se utilizaron a menudo en los primeros programas de perforación, en combinación con combustibles derivados del petróleo. Estos han sido eliminados 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 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]
Los dos requisitos principales de un sistema antitorque son que debe evitar la rotación de la sonda y debe permitir un fácil movimiento de la perforadora hacia arriba y hacia abajo en el pozo. [187] Se han realizado intentos de diseñar taladros con componentes contrarrotativos para minimizar el par general, pero han tenido un éxito limitado. [188] [189] Se han ideado cinco tipos de sistemas antitorsión 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. CRREL utilizó el primer taladro que requirió un sistema antitorsión en Camp Century en 1966; el taladro incorporaba un conjunto de hojas de fricción articuladas que salían de la sonda cuando se arrancaba el motor del taladro. Se descubrió que estos tenían una fricción muy débil contra la pared del pozo y eran ineficaces; El taladro debía controlarse con cuidado para evitar que el cable se torciera. Ningún otro simulacro ha intentado utilizar este enfoque. [188]
Para el siguiente despliegue de la perforadora se instalaron ballestas, lo que resultó ser un diseño más duradero. Estos se montan 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 irregular del pozo, pero los bordes de los resortes cortan la pared del pozo e impiden la rotación. Las ballestas 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 las ballestas son tan efectivas que pueden evitar la rotación incluso en taladros pesados que funcionan a máxima potencia. [190]
Los sistemas antitorsión de patín tienen palas unidas a barras verticales que se empujan contra la pared del pozo; las hojas 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 antitorsión y se han utilizado con éxito, tienen dificultades para evitar la rotación en las firmas y en los límites entre capas de diferentes densidades, y pueden causar problemas al perforar con una torsión elevada. Cuando fallan, actúan como escariadores, eliminando las virutas de la pared que pueden caer sobre la broca e interferir con la perforación. [192]
En la década de 1970, el grupo de la Expedición Japonesa de Investigación Antártica (JARE) diseñó varios taladros utilizando fresas laterales. Se trata de engranajes dentados que se accionan mediante la rotación del motor principal del taladro a través de engranajes espirales 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. Guíe las aletas más arriba en el recorrido de la sonda en estas ranuras y proporcione 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 introducirlas. La desalineación aumentaba la posibilidad de que la broca se atascara en el pozo; y también existía el riesgo de que los cortes de hielo de las fresas se atascaran entre la perforadora y la pared del pozo, provocando que la perforadora se atascara. El sistema se utilizó nuevamente en un taladro desarrollado en China en los años 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 antitorque es el uso de palas en forma de U, fabricadas en 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 al torque tanto en firma como en hielo. [196]
Los taladros podrán diseñarse con más de un sistema antitorsión para aprovechar el diferente comportamiento de los diferentes diseños en diferentes tipos de nieve y hielo. Por ejemplo, un taladro puede tener patines para utilizar en superficies duras o hielo, pero también tener un sistema de ballestas, que será más efectivo en superficies blandas. [187]
En la perforación de núcleos de hielo, cuando se ha perforado un anillo alrededor del núcleo que se va a extraer, el núcleo todavía está unido a la capa de hielo en su extremo inferior, y esta conexión debe romperse antes de que se pueda recuperar el núcleo. Una opción es utilizar un collar, que es un anillo cónico dentro del cabezal de corte. Cuando se levanta la broca, el collar comprime el núcleo y lo sostiene, con trozos de hielo sueltos encajados en él aumentan la compresión. Esto rompe el núcleo y lo mantiene en el cañón una vez que se ha roto. Las pinzas son efectivas en hielo, pero menos efectivas, por lo que los perros de extracción de núcleos, también conocidos como recogedores de núcleos, se utilizan a menudo para los núcleos de hielo. [110]
Un perro de perforación de hielo típico 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 el taladro, la punta afilada del diente central se engancha y gira, provocando que el núcleo se rompa. Algunos perros centrales tienen un hombro para evitar que giren demasiado. [198] La mayoría de los cabezales de perforación tienen tres perros centrales, aunque es posible tener solo dos perros centrales; la fuerza de corte asimétrica ayuda a romper el núcleo. [198] El ángulo, δ , entre el punto central del perro y el núcleo, ha sido objeto de algunas investigaciones; un estudio realizado en 1984 concluyó que el ángulo óptimo era 55°, y un estudio posterior concluyó que el ángulo debería estar más cerca de 80°. [197] Los recogenúcleos 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 del núcleo pueden hacer surcos 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]
Para nieve y firme, donde el material del núcleo puede correr el riesgo de caerse del fondo del barril sacatestigos, una cesta receptora es una mejor opción. Estos receptores consisten en alambres de resorte o piezas delgadas de chapa metálica, colocadas radialmente alrededor del fondo del cilindro sacatestigos y presionadas contra el costado del cilindro por el núcleo a medida que la broca desciende alrededor de él. Cuando se levanta el taladro, los extremos del receptor se enganchan con el núcleo y lo separan de la base, y actúan como una canasta para mantenerlo en su lugar mientras se lleva a la superficie. [200]
Es necesario revestir un pozo con un tubo siempre que las operaciones de perforación requieran que el pozo esté aislado de la nieve y la nieve permeables circundantes. Los pozos sin revestimiento se pueden perforar con fluido usando una manguera que se introduce en el 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 carcasa de acero, pero el óxido de la carcasa causó daños a las perforadoras y la carcasa no estaba sellada, lo que provocó fugas de fluido. También hubo problemas con los tubos del revestimiento que no estaban centrados, lo que causó daños a la broca al descender a través del revestimiento. 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 el fondo del revestimiento, se puede bombear agua hasta el fondo del pozo una vez que el revestimiento esté fraguado, o se puede usar un cabezal térmico para derretir el hielo alrededor de la zapata del revestimiento, creando un sello cuando el agua se congele nuevamente. Otro método es utilizar un taladro de punta caliente, saturando la nieve y la nieve con agua derretida, que luego congelará y sellará el pozo. [201]
La tubería de PVC para baja temperatura no es adecuada para revestimiento permanente, ya que no se puede sellar en el fondo, 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]
Este artículo se envió a WikiJournal of Science para revisión por pares académicos externos en 2018 (informes de revisores). El contenido actualizado se reintegró a la página de Wikipedia bajo una licencia CC-BY-SA-3.0 ( 2019 ). La versión del expediente revisada es: Mike Christie; et al. (12 de abril de 2019). "Métodos de perforación de hielo" (PDF) . WikiRevista científica . 2 (1): 2. doi :10.15347/WJS/2019.002. ISSN 2470-6345. Wikidata Q63133851.
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