摘要
自1970年至今，前苏联和俄罗斯在南极东方站持续进行了近50年的冰层钻探活动，先后攻克了包含粒雪层、冰层、冰岩夹层和湖水冻结冰的复杂冰层钻进难题，逐渐形成了一套集热融取芯钻探、电动机械取芯钻探和分支孔钻探等为一体的深冰芯钻探技术。创造了冰层最深干孔钻进深度记录（952.4 m）、最深热融取芯钻进记录（2755 m）、最深冰芯钻探记录（3769.3 m），累计进尺达13000 m，并获取了总长超46 m的含湖水冻结冰样品的冰芯。东方站的钻探活动对极地冰层钻探技术的发展起到了巨大的推动和引领作用，同时积累了宝贵的深冰钻探经验。通过对东方站深冰钻探技术的系统梳理，将为我国正在实施的深冰芯钻探和即将开启的冰下湖科学钻探提供重要的借鉴。
东方站（78°28′S，106°48′E）位于东南极中心区域，建造于1957年，海拔3488 m，冰盖厚度达3760
图1 东方站地理位置（图中红星所示）及部分南极深冰芯钻探分布（括号内的数据为钻孔深度）
Fig.1 Location of Vostok Station (marked by red star) and some deep ice core drill sites in Antarctic (the number in brackets is the drilling depth)
我国自2011年在Dome A昆仑站正式开始实施深冰芯钻探工
前苏联在东方站的钻探活动最早可追溯到1958年，由第4次苏联南极考察队实施了热融钻探，最深钻孔钻至52 m深度，但由于技术原因，所有钻具均被冻结在孔
图2 东方站冰层钻孔结构示
Fig.2 Schematic diagram of the borehole structure, Vostok Station
图3 东方站5G钻孔地表钻探设
Fig.3 Surface drilling shelter for 5G hole, Vostok Station
1号、2号、3G和4G孔主要采用热融钻探方法钻进，施工时间为1970年至1989年。其中1号孔全孔段均采用TELGA-14型钻具钻进而成，并达到了952.4 m的冰层干孔钻进的最深深
注： “/”表示未找到相应数据
5G孔开始于1990年2月，粒雪层采用TELGA-14M型钻具钻进。随后改用TBZS-152M型钻具，于1991年12月钻至2502.7 m的深
使用长度为8 m的TBZS-132型钻具从2249.5 m的深度继续钻至2755.3 m（1993年9月）。随后将孔口段120 m的粒雪层扩孔至220 mm口径，并下入了内外径为165/179 mm的玻璃纤维套管，底部带有热融套管靴以封隔粒雪层，防止钻井液漏失。1994年采用电动机械扩孔钻具将2200~2755 m孔段的直径由134 mm扩孔至139 mm，之后采用KEMS-135型钻具继续钻进，至1998年2月，该钻孔深度达到了3623
8年后的2005年，重启5G-1孔钻探工作，采用KEMS-135型钻具继续钻进，至2007年钻进至3666 m，但冰芯管突然掉落孔底，随后尝试采用特制的打捞工具进行打捞，但最终失败。此后在约3600 m深度处，钻进了5G-2分支孔，并于2012年初钻穿冰下湖，深度为3769.3 m。穿透冰盖瞬间，冰下湖水在压力驱动下，沿钻孔上升至3385 m，随后下降至3424 m，并重新冻结。随后沿5G-1孔进行湖冰钻进，但在钻至3458 m深度处，形成了5G-3分支孔，此次钻进共获取了34.1 m湖冰样品。2015年5G-3孔钻至3769.15 m，重新穿透至冰下湖，湖水沿钻孔上升了约71 m，并再次结冰。随后，2015/2016考察季中，再次下钻并获取了12 m长的含湖冰和由钻井液加重剂与湖水气体形成的水合物的冰
图4 东方站5G钻孔结构
Fig.4 5G structure at Vostok Station
东方站深冰钻探采用的钻具主要有4种型号的取芯钻具，包括热融钻具和机械式钻具，如
图5 东方站深冰钻采用的钻具及其结
Fig.5 Drilling stem structure for deep ice drilling at Vostok Station
TELGA-14型热融取芯钻具是利用电加热环状热融钻头加热冰层从而实现融冰钻进，如
尽管采用该钻具在东方站1号钻孔成功钻进至952.5 m，创造了干孔钻进的最深记录，但由于钻孔始终开放，受冰温、上覆压力和钻进时间的影响，钻孔逐渐缩径，从而造成钻具卡堵。因此，该钻具主要用于冰层浅孔钻进。
列宁格勒矿业学院于1973年开发了TBZS-152型热融钻具（TBZS为俄语中“用于充满流体钻孔的热融取芯钻具”的缩写，数字152表示取芯钻头的外径
在4G孔中，TBZS-152M型钻头的平均钻速为1.8~2.2 m/h，冰芯长度为2.25~2.8 m，钻头功率为3.6~3.9 kW，输水管和储水腔的总功率为3.5 k
采用此类钻具钻进时，孔内需填充密度足够高的钻井液来平衡冰层上覆压力，以维持钻孔直径。2号钻孔前期钻井液采用了乙醇水溶液，但乙醇水溶液对孔壁有强烈的融化腐蚀作用，导致孔内乙醇水溶液浓度降低，形成冰浆，进而钻进受阻。1975年将钻井液更换为TS-1型航空煤油，并成功将2号钻孔钻进至450.4 m。在3G钻孔中，则使用了TS-1型航空煤油和CFC-11型混合液。4G-2钻孔由于钻井液密度不足，导致钻孔缩径和钻具卡钻，钻孔被迫停止。在5G钻孔钻进中，同样由于钻井液密度不足，造成钻具在提钻过程中卡钻。5G-1孔后续钻进中采用了航空煤油和HCFC141b的混合液，密度为900 kg/
TBS-112VCh型钻具（TBS是俄文中“高频电热钻具”的缩写，112表示钻头外径）使用高频电流供电，从而减小钻具中变压器尺寸，其结构如
1981年，在3G孔1500 m以深使用了TBS-112VCh型钻具。与TBZS-152M型钻具相比，4.5 kW的钻头加热功率使TBS-112VCh型钻具的钻速增加了1倍，达到了3.5~4 m/h。输水管加热器的功率为3 kW，冰芯长度在1.6~2.2 m之间，冰芯直径为87~90 m
KEMS-135型钻具于20世纪80年代初由苏联列宁格勒矿业学院设计（KEMS是“取芯机电钻”的俄文缩写
KEMS-132型钻具主要在5G钻孔2755.3 m深度以下进行了应用。钻进初始，平均回次进尺可达2.8 m/h，但在2930 m深度以下，钻进变得异常困难，回次进尺大幅下降。但与其他深孔常见的暖冰钻进难题不同，东方站在3000 m深度处的冰温仍接近-20 ℃，并不属于暖冰层，冰温并不是影响回次进尺的主要原
图6 东方站5G-1钻孔回次进尺和冰晶尺寸随深度变化曲
Fig.6 Curves of footage per run and ice crystal size vs depth of 5G-1 hole at Vostok Station
从这一机理出发，在深度3000 m以下冰层中提高钻进速度的最优方法是增大钻井液循环流量，优化钻井液流道，同时增大刀头切削产生的冰屑粒径。为此俄罗斯工程师设计了阶梯型刀头，每个刀头切削深度增加为原来的3倍，有助于增加冰屑粒径，同时将钻具内钻井液流量增大至120 L/min。随后在5G-3孔钻进中，在相同的冰层条件下，采用该技术获得了比5G-1孔高2~3倍的回次进尺（
图7 采用阶梯刀头和大钻井液流量前后回次进尺对
Fig.7 Comparison of footage per run before and after using the stepped bit and large drilling fluid flow rate
暖冰钻进一直是深冰芯钻探的难题，格陵兰NGRIP项目在2931 m钻遇暖冰，冰温为-7.1 ℃，发生多次卡
东方站冰芯计划已经取得巨大成功，获取了完整的透底冰芯，但对于东方湖的研究才刚刚拉开帷幕，获取的部分湖冰样品也仅仅揭开了东方湖的冰山一角，如何在不污染东方湖生态环境的前提下增进人类对东方湖的理解是目前急需攻克的工程难题。目前，已见于文献发表的研究计划仅有以下3种。
2014年Valery V. LUKIN提出了采用现有的5G钻孔研究冰下湖的方案，该方案计划采用直径≯135 mm的运载设备通过5G钻孔将湖水采样器、水文物理探测器和生物化学探测器等科学载荷放入冰下湖内进行科学观测，其结构如
图8 利用5G钻孔进行冰下湖水参数测量示意
Fig.8 Vostok lake water parameter measurement in 5G hole
采用该技术的难点在于如何精确控制钻井液柱压力，以使钻井液和湖水界面保持在孔内一定高度，避免钻井液进入湖水造成对东方湖的污染。同时该界面高度不能太高，否则将需要较大功率才能维持孔内湖水不重新冻结。理想的孔内湖水液面高度为10 m左右，此时钻具仅需要150 W加热功率即可保持钻孔开放。但按照目前5G孔采用的Ø16 mm电缆计算，当钻具和电缆下入和提出孔内将造成钻井液位约25 m的高度变化，这将严重威胁探测安全。为此，Valery V. LUKIN建议在冰下湖上方200 m内冰层中利用水力压裂创建裂缝通道，当上方钻井液位变化造成裂缝位置钻井液压力大于上覆地层压力时，钻井液将流入裂缝，从而补偿钻具和电缆引起的钻井液位变化。采用这种方法可大大提高对冰下湖研究的安全性。但该计划自2014年后未见后续报道。
2020年，V. S. Litvinenko指出东方湖沉积物包含了南极洲中部环境和气候变化的独特记录，获取湖底表层样品，也将为评估湖泊环境和模拟沉积过程提供非常重要的信
V. S. Litvinenko建议采用如
图9 东方湖沉积物钻探取样示意
Fig. 9 Sample drilling from bottom sediment of Vostok lake
2016年吉林大学极地研究中心提出了一种新的热融钻具设计理念——可回收型全自动冰下环境探测
图10 可回收型全自动冰下环境探测器概念设计及工作原理
Fig.10 Conceptual design and working principle diagram of the recoverable autonomous sonde
1—开孔钻进；2—向下钻进；3—冰下湖水采样；4—向上钻进；5—返回至地表
用于探测器下放和回收的绞车和电缆均安装在探测器内部，向下钻进时，开启下部热融钻头，在内嵌式绞车控制下探测器自行热融向下钻进，探测器通过区域的冰层融水会在周围冰层作用下重新冻结，实现钻孔与外界环境隔离；该探测器在钻至冰下湖完成湖水采样后，开启上部热融钻头，绞车回收电缆即可促使探测器向上热融钻进，直至到达地表。采用该设计理念可最大程度地降低对南极冰下湖的污染，实现无污染取样。该探测器目前已经完成原理样机和工程样机的研制和试验。
目前针对东方湖的后续研究计划尚处于设计阶段，距离南极现场工程实践仍尚需一定时间。但持续关注和深入思考极地冰下环境探测技术，共同促进人类对冰下极端环境生命起源和演化的理解已成为各国科学界的共识。
前苏联和俄罗斯钻探团队通过在东方站近50年的冰层钻探活动，先后攻克了包含粒雪层、冰层、冰岩夹层和湖水冻结冰的复杂冰层钻进难题，逐渐形成了一套集热融取芯钻探、电动机械取芯钻探和分支孔钻探等为一体的深冰芯钻探技术，最深钻孔达3769.3 m，累计进尺达13000 m，并获取了总长超46 m的含湖冰样品的冰芯，为人类进行深冰芯钻探和冰下湖探测积累了宝贵的经验。通过对俄罗斯东方站深冰钻探的系统梳理，我们可得到如下启示：
（1）从东方站实施的5个钻孔来看，无论热融钻探或电动机械钻探，一旦孔底融水清除不充分或孔内钻井液柱压力不足以平衡上覆冰层压力，极易发生卡钻事故。分支孔钻进是在充分利用原钻孔基础上实现继续钻进的良好解决办法。我国也应在充分借鉴其他钻孔钻探经验的基础上，发展自己的分支孔钻进技术和装备，为可能出现的卡钻事故做好技术储备。
（2）东方站5G透底钻孔的施工共耗时约85个月，其中前3650 m耗时67个月，而最后的186 m耗时将近总时间的21%，充分说明了近底部冰层钻探的复杂性，针对暖冰层和冰岩夹层的钻进机理和方法应进行深入研究，以提高近底部冰层的取芯钻进效率。
（3）近底部大冰晶冰层钻进，宜采用阶梯状刀头增大冰屑粒径，并采用大钻井液流量以保证钻井液的良好循环和携屑能力。
（4）无论热融钻探还是铠装电缆电动机械取芯钻探，在大深度冰盖取芯钻进中都存在施工周期长的问题，普遍需要建立越冬考察站以保证后勤补给，极大地限制了钻探作业范围，因此有必要研发冰层快速取芯钻进技术，保证在1~2个度夏工作季即可完成施工。
（5）针对东方湖等冰下水环境的无污染探测和取样技术仍是一大技术难题，需要在无污染钻进、湖水理化参数测量及湖底沉积物取样等方面继续开展深入研究。
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