perforación de hielo

El hielo debe cortarse, romperse o derretirse. Las herramientas pueden introducirse directamente en la nieve y el firn (nieve comprimida, pero aún no convertida en hielo, que suele ocurrir a una profundidad de 60 metros (200 pies) a 120 metros (390 pies) ); ^{[ 22 ]} este método no es eficaz en el hielo, pero es perfectamente adecuado para obtener muestras de las capas superiores. ^{[ 23 ]} Para el hielo, existen dos opciones: la perforación por percusión y la perforación rotativa. 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 conjunto de cuchillas en el fondo del pozo para cortar el hielo. Para herramientas pequeñas, la rotación puede proporcionarse manualmente, utilizando un mango en T o un berbiquí . Algunas herramientas también pueden configurarse para utilizar taladros eléctricos domésticos comunes, o pueden incluir un motor para impulsar la rotación. Si el par 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 del extremo inferior de la sarta de perforación y que este suministre energía directamente a la broca . ^{[ 25 ]}  

Si se pretende derretir el hielo en lugar de cortarlo, es necesario generar calor. Un calentador eléctrico integrado en la sarta de perforación puede calentar el hielo directamente o el material en el que está incrustado, lo que a su vez calienta el hielo. También se puede enviar calor a través de la sarta de perforación; se puede utilizar agua caliente o vapor bombeado desde la superficie para calentar una cabeza de perforación metálica, o bien, se puede permitir que el agua o el vapor salgan de la cabeza de perforación y derritan el hielo directamente. ^{[ 25 ]} En al menos un caso, un proyecto de perforación experimentó con calentar la cabeza de perforación en la superficie y luego bajarla al pozo. ^{[ 26 ]}

Muchos lugares de perforación en hielo son de difícil acceso, y las perforadoras deben diseñarse para que puedan transportarse al sitio de perforación. ^{[ 27 ]} El equipo debe ser lo más ligero y portátil posible. ^{[ 27 ] [ 28 ]} Es útil que el equipo se pueda desmontar para que los componentes individuales se puedan transportar por separado, reduciendo así la carga para el transporte manual, si fuera necesario. ^{[ 29 ]} El combustible, para perforadoras de vapor o agua caliente, o para un generador que proporcione energía, también debe transportarse, 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 eliminarse del fondo del pozo para evitar que interfieran con la acción de corte o percusión de la broca. ^{[ 25 ]} Una barrena utilizada como herramienta de corte moverá naturalmente los recortes de hielo hacia arriba a través de sus hélices. ^{[ 31 ]} Si la acción de la broca deja los fragmentos de hielo en la superficie, se pueden eliminar simplemente elevando la broca a la superficie periódicamente. ^{[ 32 ]} De lo contrario, se pueden llevar a la superficie bajando una herramienta para recogerlos, o se puede mantener el pozo lleno de agua, en cuyo caso los recortes flotarán naturalmente a la superficie. Si los fragmentos no se eliminan, deben compactarse en las paredes del pozo y en el núcleo si se está extrayendo uno. ^{[ 33 ]}

Los recortes también pueden ser trasladados a la superficie haciendo circular aire comprimido a través del pozo, ya sea bombeando el aire a través de la tubería de perforación y hacia afuera en la cabeza de perforación, forzando las virutas hacia arriba en el espacio entre la sarta de perforación y la pared del pozo, o mediante circulación inversa de aire, en la que el aire fluye hacia arriba a través de la sarta de perforación. ^{[ 33 ]} El aire comprimido se calentará por la compresión y debe enfriarse antes de ser bombeado al fondo del pozo, o causará la fusión de las paredes del pozo y el núcleo. ^{[ 34 ] [ 35 ]} Si el aire se hace circular creando un vacío, en lugar de bombear aire hacia adentro, el aire ambiente transporta los recortes, por lo que no se necesita enfriamiento. ^{[ 36 ]}

Se puede usar un fluido para alejar los recortes de la broca, o bien, el fluido puede disolverlos. La perforación rotativa de minerales (a través de la roca) generalmente hace circular el fluido por todo el pozo y separa los sólidos del fluido en la superficie antes de bombearlo de nuevo 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 de fondo de pozo. En una perforadora de extracción de testigos, la cámara de recortes se puede vaciar cada vez que la perforadora se lleva a la superficie para recuperar un testigo. ^{[ 37 ]}

Las perforadoras térmicas producen agua, por lo que no hay recortes que desechar, pero la perforadora debe ser capaz de funcionar sumergida en agua, o bien debe tener un método para extraer y almacenar el agua de deshielo durante la perforación. ^{[ 38 ]}

El mecanismo de perforación debe estar conectado a la superficie y debe existir un método para elevar y descender la perforadora. ^{[ 39 ]} Si la sarta de perforación consta de tubos o varillas que deben atornillarse o ensamblarse de otra manera a medida que el pozo se profundiza y la sarta se alarga, entonces debe existir una forma de mantener la sarta de perforación en su lugar a medida que se agrega o se retira cada tramo de varilla o tubo. ^{[ 40 ] [ 32 ]} Si el pozo tiene solo unos pocos metros de profundidad, puede que no sea necesaria asistencia mecánica, pero las sartas de perforación pueden volverse muy pesadas para pozos profundos, y debe haber un cabrestante u otro sistema de elevación que sea capaz de levantarlo y descenderlo. ^{[ 39 ]}

En perforación, una "extracción" se refiere a la tarea de sacar completamente la sarta de perforación del pozo (extracción) y luego reinsertarla en el pozo (extracción). ^{[ 41 ]} El tiempo de extracción es el tiempo que se tarda en introducir y extraer la sarta del pozo; es importante que el diseño de una perforadora minimice el tiempo de extracción, especialmente para las perforadoras de testigos, ya que deben completar una extracción por cada testigo. ^{[ 42 ]}

La presión de sobrecarga en un pozo profundo debido al peso del hielo que está encima hará que un pozo se cierre lentamente, a menos que se haga algo para contrarrestarlo, por lo que los pozos profundos se llenan con un fluido de perforación que tiene aproximadamente la misma densidad que el hielo circundante, como combustible para aviones o queroseno. ^{[ 25 ]} El fluido debe tener baja viscosidad para reducir el tiempo de viaje . Dado que la recuperación de cada segmento de núcleo requiere un viaje, una velocidad de viaje más lenta a través del fluido de perforación podría agregar un tiempo significativo a un proyecto: un año o más para un pozo profundo. El fluido debe contaminar el hielo lo menos posible; debe tener baja toxicidad , por seguridad y para minimizar el efecto en el medio ambiente; debe estar disponible a un costo razonable; y debe ser relativamente fácil de transportar. ^{[ 42 ]} La profundidad a la que el cierre del pozo evita la perforación en seco depende en gran medida de la temperatura del hielo; En un glaciar templado, la profundidad máxima podría ser de 100 metros (330 pies) , pero en un entorno muy frío como partes de la Antártida Oriental, podría ser posible perforar en seco hasta 1000 metros (3300 pies) . ^{[ 43 ]}  

La nieve y el firn son permeables al aire, al agua y a los fluidos de perforación, por lo que cualquier método de perforación que requiera líquido o aire comprimido en el pozo debe evitar que estos escapen a las capas superficiales de nieve y firn. Si el fluido se usa solo en la parte inferior del pozo, la permeabilidad no representa un problema. Alternativamente, el pozo puede revestirse hasta más allá del punto donde el firn se congela. Si se usa agua como fluido de perforación, a temperaturas suficientemente bajas, se congelará en la nieve y el firn circundantes y sellará el pozo. ^{[ 44 ]}

Las herramientas pueden diseñarse para girarse manualmente, mediante un soporte o mango en T, ^{[ 32 ]} o un mecanismo de manivela, ^{[ 45 ]} o acoplarse a un taladro manual. ^{[ 46 ]} Los taladros con rotación motorizada requieren un motor eléctrico en el lugar de perforación, que generalmente debe tener combustible, aunque en al menos un caso se instaló un proyecto de perforación lo suficientemente cerca de una estación de investigación permanente como para tender un cable hasta el edificio de investigación para obtener energía. ^{[ 45 ]} La rotación puede aplicarse en la superficie, mediante una mesa giratoria , utilizando una kelly , ^{[ 47 ]} o mediante un motor en el cabezal de perforación, para taladros suspendidos por cable; en este último caso, el cable debe suministrar energía al cabezal de perforación, además de soportar su peso. Para los taladros rotativos, se requiere un mecanismo de engranajes para reducir la velocidad de rotación del motor a una velocidad adecuada para la perforación. ^{[ 48 ]}

Si se aplica par motor en el fondo del pozo, el motor que lo suministra a la broca tenderá a girar sobre su propio eje, en lugar de transmitir la rotación a la broca. Esto se debe a que la broca ofrece una fuerte resistencia a la rotación al estar cortando hielo. Para evitarlo, es necesario incorporar algún tipo de mecanismo antipar, generalmente proporcionando al motor cierto agarre contra las paredes del pozo. ^{[ 49 ]}

Un taladro térmico que utiliza electricidad para calentar el cabezal y derretir el hielo debe suministrar energía al fondo del pozo, al igual que los taladros rotativos. ^{[ 50 ]} Si el cabezal se calienta bombeando agua o vapor al fondo del pozo, no se necesita energía subterránea, pero sí una bomba en la superficie para el agua caliente. El agua o el vapor pueden calentarse en la superficie mediante una caldera alimentada con combustible. ^{[ 30 ]} También se puede utilizar energía solar . ^{[ 28 ]}

Algunas perforadoras diseñadas para apoyarse sobre su punta durante la perforación se inclinarán hacia un lado en el pozo, y el orificio que perforan se desviará gradualmente hacia la horizontal a menos que se proporcione algún método para contrarrestar esta tendencia. ^{[ 51 ]} Para otras perforadoras, el control direccional puede ser útil para iniciar pozos adicionales a mayor profundidad, por ejemplo, para recuperar núcleos de hielo adicionales. ^{[ 52 ]}

Muchos glaciares son templados, lo que significa que contienen "hielo caliente": hielo que se encuentra a la temperatura de fusión (0  °C) en toda su extensión. ^{[ 53 ]} El agua de deshielo en los pozos perforados en hielo caliente no se vuelve a congelar, pero en hielo más frío, es probable que el agua de deshielo cause problemas y pueda congelar la broca en su lugar, por lo que las brocas térmicas que operan sumergidas en el agua de deshielo que producen, y cualquier método de perforación que genere agua en el pozo, son difíciles de usar en tales condiciones. ^{[ 54 ]} Los fluidos de perforación, o los aditivos anticongelantes para el agua de deshielo, deben elegirse para mantener el fluido líquido a las temperaturas que se encuentran en el pozo. ^{[ 38 ]} En hielo caliente, el hielo tiende a formarse en las brocas y la cabeza de perforación, y a acumularse en los espacios del fondo del pozo, lo que ralentiza la perforación. ^{[ 55 ]}

Para extraer un núcleo, se debe retirar un anillo de hielo alrededor del núcleo cilíndrico. ^{[ 56 ]} El núcleo debe estar intacto, lo que significa que las vibraciones y los choques mecánicos deben mantenerse al mínimo, y también deben evitarse los cambios de temperatura que podrían causar un choque térmico al núcleo. ^{[ 57 ]} El núcleo debe evitarse que se derrita debido al 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 contaminarse con el fluido de perforación. ^{[ 42 ]} Cuando el núcleo está a punto de ser extraído, todavía está conectado al hielo que se encuentra debajo, por lo que se debe proporcionar algún método para romperlo en el extremo inferior y sujetarlo para que no caiga del barril del núcleo al llevarlo a la superficie, lo cual debe hacerse de la manera más rápida y segura posible. ^{[ 49 ]}

La mayoría de las perforadoras de extracción de testigos están diseñadas para recuperar testigos de no 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 poder recuperar el testigo. ^{[ 49 ]} Una sarta de perforación que debe ensamblarse y desensamblarse en segmentos, como secciones de tubería que deben atornillarse, requiere mucho tiempo para entrar y salir; un cable que se puede izar continuamente o una sarta de perforación lo suficientemente flexible como para enrollarse reduce significativamente el tiempo de salida. ^{[ 48 ] [ 35 ]} Las perforadoras de cable tienen un mecanismo que permite separar el tubo de extracción del cabezal de perforación e izarlo directamente a la superficie sin tener que sacar la sarta de perforación. Una vez extraído el testigo, el tubo de extracción se baja al fondo del pozo y se vuelve a acoplar a la perforadora. ^{[ 59 ]} 

En un rango de profundidad conocido como la zona de hielo frágil , las burbujas de aire quedan atrapadas en el hielo bajo gran presión. Cuando un núcleo se lleva a la superficie, las burbujas pueden ejercer una tensión que excede la resistencia a la tracción del hielo, lo que provoca grietas y desprendimientos . ^{[ 60 ]} A mayores profundidades, la estructura cristalina del 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 ser estable. ^{[ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]}

La zona de hielo quebradizo suele producir muestras de menor calidad que el resto del núcleo. Se pueden tomar algunas medidas para mitigar el problema. Se pueden colocar revestimientos dentro del tubo de perforación para encerrar el núcleo antes de extraerlo a la superficie, pero esto dificulta la limpieza del fluido de perforación. En la perforación de minerales, se puede utilizar maquinaria especial para extraer muestras de núcleo a la presión del fondo del pozo, pero esto resulta demasiado costoso para las ubicaciones inaccesibles de la mayoría de los yacimientos. Mantener las instalaciones de procesamiento a temperaturas muy bajas limita los choques térmicos. Los núcleos son más quebradizos en la superficie, por lo que otra estrategia consiste en romperlos en  segmentos de 1 m dentro del pozo. Extruir el núcleo del tubo de perforación en una red ayuda a mantenerlo unido si se rompe. Los núcleos quebradizos también suelen dejarse reposar en almacenamiento en el yacimiento durante un tiempo, hasta un año completo entre temporadas de perforación, para que el hielo se relaje gradualmente. ^{[ 60 ] [ 63 ]} La calidad del núcleo en la zona de hielo quebradizo mejora mucho cuando se utiliza un fluido de perforación, en comparación con la perforación en seco. ^{[ 64 ]}

Un taladro para muestreo de suelo contiene un par de cuchillas en el fondo de un cilindro cerrado; se puede accionar y girar manualmente para recoger suelo blando. ^{[ 67 ]} Un diseño similar, llamado perforador de cuchara, se ha utilizado para perforar hielo, aunque no es eficaz en hielo duro. ^{[ 68 ]} Una versión utilizada por Erich von Drygalski en 1902 tenía dos cuchillas de corte en forma de media luna colocadas en la base del cilindro de tal manera que permitían que los recortes de hielo se acumularan en el cilindro, por encima de las cuchillas. ^{[ 68 ] [ 69 ] [ nota 2 ]}

Las barrenas se han utilizado durante mucho tiempo para perforar el hielo para la pesca en hielo . Las barrenas se pueden girar manualmente, utilizando un mecanismo como un mango en T o una broca de apoyo, o acoplándolas a taladros eléctricos. ^{[ 70 ]} Los usos científicos de las barrenas que no perforan el hielo incluyen la instalación de sensores y la determinación del espesor del hielo. Las barrenas tienen una cuchilla helicoidal alrededor del eje principal de perforación; esta cuchilla, llamada "aleta", transporta los recortes 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 alarga, se vuelve más difícil de girar. Con una plataforma como una escalera de mano, una barrena más larga se puede girar desde una altura mayor. ^{[ 70 ]}

Los taladros para hielo disponibles comercialmente para la pesca invernal, alimentados por gasolina, propano o batería, están disponibles para diámetros de agujero de 4,5 a 10 pulgadas. Para agujeros de más de 2 pulgadas de profundidad, se puede usar un trípode para izar el taladro. Es común que tengan un mango plegable con un diseño desplazado; esto permite que ambas manos contribuyan al par de torsión. ^{[ 70 ]}

Las barrenas capaces de extraer núcleos de hielo son similares a las barrenas convencionales, con la diferencia de que las hélices están dispuestas alrededor de un tubo hueco para el núcleo. Se han diseñado barrenas que constan de cuchillas helicoidales y un espacio para el núcleo, sin el cilindro de soporte central, pero resulta difícil lograr una rigidez suficiente. Las barrenas para extracción de núcleos suelen producir núcleos con diámetros de entre 75 y 100  mm y longitudes de hasta 1 m. Originalmente, estas barrenas se diseñaron para ser giradas 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 testigos, se pueden añadir extensiones para perforar a mayor profundidad. Perforar a más de 6 m de profundidad requiere más de una persona debido al peso de la sarta de perforación. Una abrazadera colocada en la superficie es útil para sujetar la sarta, y también se puede usar un trípode y un sistema de poleas para mayor soporte y para aumentar el peso de la sarta que se puede manejar. A medida que la sarta de perforación se alarga, se necesita más tiempo para completar una bajada para extraer un testigo, ya que cada varilla de extensión debe separarse de la sarta de perforación al extraerla y volver a conectarse al recogerla. ^{[ 32 ]}

La perforación con trípode u otro método para manejar una sarta de perforación larga extiende considerablemente el límite de profundidad para el uso de una barrena de extracción de testigos. ^{[ 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. Por lo general, un agujero de más de 30 m de profundidad se perforará con otros métodos, debido al peso de la sarta de perforación y al largo tiempo de viaje requerido. ^{[ 32 ]}

Los modernos taladros de perforación de hielo han cambiado poco en décadas: un taladro patentado en EE. UU. en 1932 se asemeja mucho a los taladros utilizados ochenta años después. ^{[ 32 ]} El Laboratorio de Efectos de Escarcha (FEL) del ejército estadounidense desarrolló un kit de prueba de mecánica del hielo que incluía un taladro a finales de la década de 1940; el Establecimiento de Investigación de Nieve, Hielo y Permafrost (SIPRE), una organización sucesora, perfeccionó el diseño a principios de la década de 1950, y el taladro resultante, conocido como taladro SIPRE, todavía se usa ampliamente. Fue modificado ligeramente por el Laboratorio de Investigación e Ingeniería de Regiones Frías (CRREL), otra organización sucesora, en la década de 1960, y por eso a veces se le conoce como taladro CRREL. ^{[ 72 ]} Un taladro desarrollado en la década de 1970 por la Oficina de Núcleos de Hielo Polar (PICO), entonces con sede en Lincoln, Nebraska , también se usa ampliamente. ^{[ 73 ]} Un barrenador de núcleo diseñado en la Universidad de Copenhague en la década de 1980 se utilizó por primera vez en Camp Century , y desde entonces se ha utilizado con frecuencia en Groenlandia. ^{[ 74 ]} En 2009, el grupo de Diseño y Operaciones de Perforación de Hielo de EE. UU . (IDDO) comenzó a trabajar en un diseño mejorado de barrena manual y una versión se probó con éxito en el campo durante la temporada de campo 2012-2013 en WAIS Divide . ^{[ 75 ] [ 76 ]} A partir de 2017, IDDO mantiene versiones de 3 pulgadas y 4 pulgadas de diámetro de la nueva barrena para el uso de los programas de investigación de perforación de hielo de EE. UU., y estas son ahora las barrenas manuales más solicitadas proporcionadas por IDDO. ^{[ 77 ]}

The Prairie Dog auger, designed in 2007, adds an outer barrel to the basic coring auger design. Cuttings are captured between the auger flights and the outer barrel, which has an anti-torque section to prevent it from rotating in the hole.^[71] The goal of the outer barrel is to increase the efficiency of chip collection, since it is common to see chips from a hand auger run fall back into the hole from the auger flights, which means the next run has to redrill through these cuttings.^[78] The outer barrel also makes the auger effective in warm ice, which could easily cause an auger with no outer barrel to jam.^[71] The outside barrel of the Prairie Dog is the same as the diameter of the PICO auger, and since the Prairie Dog's anti-torque blades do not perform well in soft snow and firn, it is common to start a hole with the PICO auger and then continue it with the Prairie Dog once dense firn is reached.^[79] The Prairie Dog is relatively heavy, and can require two drillers to handle it as it is being removed from the hole.^[71] The IDDO maintains a Prairie Dog drill for the use of US ice drilling research programs.^[80]

IDDO also provides a lifting system for use with hand augers, known as the Sidewinder. It is driven by an electric hand drill, which can be powered by a generator or by solar cells.^[81] The Sidewinder winds a rope around the hand auger as it is lowered into the hole, and assists in raising the auger back out of the hole. This extends the maximum practical depth for hand augering to about 40 m. Sidewinders have proved popular with researchers.^[82][83]

A piston drill consists of a flat disc at the bottom of a long rod, with three or four radial slots in the disc, each of which has a cutting edge. The rod is rotated by hand, using a brace handle; the ice comes through the slots and piles up on top of the disc. Pulling the drill out of the borehole brings the cuttings up on the disc. In the 1940s some patents for piston drill designs were filed in Sweden and the U.S., but these drills are now rarely used. They are less efficient than auger drills, since the drill must be periodically removed from the hole to get rid of the cuttings.^[32][84]

Algunos taladros manuales se han diseñado para extraer testigos sin utilizar hélices para transportar los detritos por el pozo. Estos taladros suelen tener un tubo con dientes en el extremo inferior y se giran mediante un soporte o mango en T, o mediante un pequeño motor. El tubo puede omitirse, de modo que el taladro consiste únicamente en un anillo con una ranura de corte para cortar el espacio anular alrededor del testigo y una varilla vertical para fijar el anillo a la superficie. Un par de taladros manuales pequeños, o minitaladros, se han diseñado para recoger rápidamente muestras de testigos de hasta 50  cm de longitud. Una dificultad de todos estos diseños es que, una vez generados los detritos, si no se retiran, interfieren con la acción de corte del taladro, lo que hace que estas herramientas sean lentas e ineficientes. ^{[ 85 ]} Un taladro muy pequeño, conocido como el Taladro Chipmunk, fue diseñado por IDDO para su uso en un proyecto en Groenlandia Occidental en 2003 y 2004, y posteriormente se utilizó en el Polo Sur en 2013. ^{[ 86 ]}

Al perforar en hielo, el orificio puede perforarse en seco, sin un mecanismo para eliminar los detritos. En nieve y firn, esto significa que los detritos simplemente se compactan en las paredes del pozo; y en las perforadoras de testigos, también se compactan en el núcleo. En hielo, los detritos 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 torque necesario para perforar, ralentiza el avance y puede causar la pérdida de la broca. La perforación de testigos en seco generalmente produce un testigo de mala calidad que se rompe en pedazos. ^{[ 87 ]}

In 1950, the French Expédition Polaires Françaises (EPF) drilled two dry holes in Greenland using a rotary rig, at Camp VI, on the west coast, and Station Centrale, inland, reaching 126 m and 151 m.^[91] Some shallow holes were also drilled that summer on Baffin Island, using a coring drill,^[92] and in the Antarctic, the Norwegian–British–Swedish Antarctic Expedition (NBSAE) drilled several holes between April 1950 and the following year, eventually reaching 100 m in one hole.^[93] The last expedition to try dry drilling in ice was the 2nd Soviet Antarctic Expedition (SAE), which drilled three holes between July 1957 and January 1958.^[94] Since that time dry drilling has been abandoned as other drilling methods have proved to be more effective.^[87]

Several holes have been drilled in ice using direct air circulation, in which compressed air is pumped down the drillpipe, to escape through holes in the drillbit, and return up the annular space between the drillbit and the borehole, carrying the cuttings with it. The technique was first tried by the 1st Soviet Antarctic Expedition, in October 1956. There were problems with poor cuttings removal, and ice forming in the borehole, but the drill succeeded in reaching a depth of 86.5 m.^[95] Further attempts were made to use air circulation with rotary rigs by US, Soviet and Belgian expeditions, with a maximum hole depth of 411 m reached by a US team at Site 2 in Greenland in 1957. The last time a project used a conventional rotary rig with air circulation was 1961.^[96]

En la exploración minera, el método de perforación más común es una plataforma rotatoria con fluido que circula por la tubería de perforación y regresa entre la tubería y la pared del pozo. El fluido transporta los recortes a la superficie, donde se extraen, y el fluido reciclado, conocido como lodo, se devuelve al pozo. El primer proyecto de perforación en hielo que probó este enfoque fue una expedición de la Sociedad Geográfica Estadounidense al glaciar Taku en 1950. Se utilizó agua dulce, extraída del glaciar, como fluido de perforación, y se perforaron tres pozos, hasta una profundidad máxima de 89 m. Se recuperaron testigos, pero en mal estado. ^{[ 97 ]} También se ha probado el agua de mar como fluido de perforación. ^{[ 59 ]} La primera vez que se utilizó un fluido distinto del agua con una plataforma rotatoria convencional fue a finales de 1958, en Little America V, donde se utilizó combustible diésel para los últimos metros de un pozo de 254 m. ^{[ 96 ] [ 98 ]}

Un taladro de cable utiliza circulación de aire o fluido, pero también tiene una herramienta que se puede bajar dentro de la tubería de perforación para recuperar un núcleo sin quitar la sarta de perforación. La herramienta, llamada sobreestimulador, se engancha al barril del núcleo y lo tira hacia la superficie. Cuando se extrae el núcleo, el barril del núcleo se baja de nuevo al pozo y se vuelve a acoplar al taladro. ^{[ 59 ]} En la década de 1970 se planeó un proyecto de perforación de núcleos de cable para el Proyecto Glaciológico Antártico Internacional, pero nunca se completó, ^{[ 99 ]} y el primer proyecto de perforación de hielo de cable tuvo lugar en 1976, ^{[ nota 3 ]} como parte del Proyecto de la Plataforma de Hielo de Ross (RISP). ^{[ 96 ]} En noviembre de ese año se comenzó a perforar un pozo con un taladro de cable, probablemente utilizando circulación de aire, pero los problemas con el sobreestimulador obligaron al proyecto a cambiar a perforación térmica cuando el pozo tenía 103 m de profundidad. ^{[ 99 ]} El proyecto RISP alcanzó más de 170 m con otra perforadora de cable la temporada siguiente, ^{[ 99 ]} y varias expediciones soviéticas de la década de 1980 también utilizaron perforadoras de cable, después de iniciar los agujeros con una perforadora de barrena y entubarlos. ^{[ 101 ]} La perforadora Agile Sub-Ice Geological (ASIG), diseñada por IDDO para recolectar núcleos subglaciales, es un sistema de cable reciente; se utilizó por primera vez en el campo en la temporada 2016-2017, en la Antártida Occidental. ^{[ 102 ]}

El uso de equipos rotatorios convencionales para la perforación en hielo presenta numerosas desventajas. Al utilizar un equipo rotatorio convencional para la extracción de testigos, es necesario izar toda la sarta de perforación fuera del pozo cada vez que se recupera un testigo; cada tramo de tubería debe desenroscarse y colocarse en un soporte. A medida que el pozo se profundiza, este proceso se vuelve muy laborioso. ^{[ 87 ]} Los equipos convencionales son muy pesados ​​y, dado que muchos sitios de perforación en hielo no son de fácil acceso, representan 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 este se obstruya debido a la presión del hielo; dicho fluido requiere equipo pesado adicional para su circulación y almacenamiento, así como para la separación del material circulante. Cualquier sistema de circulación también requiere que la parte superior del pozo, a través de la nieve y el firn, esté revestida, ya que el aire o fluido circulante escaparía a través de cualquier material más permeable que el hielo. Las plataformas rotatorias comerciales no están diseñadas para temperaturas extremadamente frías y, además de los problemas con componentes como los sistemas hidráulicos y de gestión de fluidos, están diseñadas para operar al aire libre, lo cual es poco práctico en entornos extremos como la perforación en la Antártida. ^{[ 27 ]}

Las plataformas rotatorias comerciales pueden ser eficaces para perforaciones de gran diámetro y también pueden utilizarse para perforaciones subglaciales en roca. ^{[ 27 ]} También se han utilizado con cierto éxito en glaciares rocosos, cuya perforación resulta compleja debido a que contienen una mezcla heterogénea de hielo y roca. ^{[ 27 ] [ 103 ]}

Se puede usar agua caliente para perforar hielo bombeándola a través de una manguera con una boquilla en el extremo; el chorro de agua caliente producirá rápidamente un agujero. Si se deja que la manguera cuelgue libremente, se producirá un agujero recto; a medida que el agujero se hace más profundo, el peso de la manguera dificulta su manejo manual, y a una profundidad de unos 100 m se hace necesario pasar la manguera por una polea y emplear algún método para ayudar a bajarla y subirla, generalmente consistente en un carrete de manguera, un cabrestante o algún tipo de asistencia 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 una perforadora de agua caliente. Para aumentar el caudal más allá de cierto punto, se debe aumentar el diámetro de la manguera, pero esto requerirá aumentos de capacidad significativos 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 ser de 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 enrollado nivelado. ^{[ 120 ]} Idealmente, la manguera debería tener la resistencia a la tracción para soportar su peso al enrollarse en el agujero, pero para agujeros muy profundos puede ser necesario usar un cable de soporte para sostener la manguera. ^{[ 121 ]}

El vapor también puede utilizarse en lugar de agua caliente y no requiere bombeo. Un taladro de vapor portátil permite perforar rápidamente agujeros cortos, por ejemplo, para estacas de ablación, y tanto los taladros de vapor como los de agua caliente pueden fabricarse lo suficientemente ligeros como para transportarlos a mano. ^{[ 30 ]} Se puede utilizar un tubo guía para ayudar a mantener la perforación recta. ^{[ 122 ]}

In cold ice, a borehole drilled with hot water will close up as the water freezes. To avoid this, the drill can be run back down the hole, warming the water and hence the surrounding ice. This is a form of reaming. Repeated reamings will raise the temperature of the surrounding ice to the point where the borehole will stay open for longer periods.^[123] However, if the goal is to measure temperature in the borehole, then it is better to apply as little additional heat as possible to the surrounding ice, which means that a higher energy drill with a high water flow rate is desirable, since this will be more efficient.^[118] If there is a risk of the drill freezing in, a "back drill" can be included in the design. This is a mechanism which redirects the hot water jet upwards if the drill meets with resistance on tripping out.^[124] A separate hot water reamer can also be used, jetting hot water sideways onto the borehole walls as it passes.^[124]

Boreholes drilled with hot water are rather irregular, which makes them unsuitable for certain kinds of investigations, such as speed of borehole closure, or inclinometry measurements. The warm water from the nozzle will continue to melt the borehole walls as it rises, and this will tend to make the hole cone-shaped—if the hole is being drilled at a location with no surface snow or firn, such as an ablation zone in a glacier, then this effect will persist to the top of the borehole.^[30]

The water supply for a hot water drill can come from water at the surface, if available, or melted snow. The meltwater in the borehole can be reused, but this can only be done once the hole penetrates below the firn to the impermeable ice layer, because above this level the meltwater escapes. The pump to bring the meltwater back to the surface must be placed below this level, and in addition, if there is a chance that the borehole will penetrate to the base of the ice, the drilling project must plan for the likelihood that this will change the water level in the hole, and ensure that the pump is below the lowest likely level.^[125] Heating systems are usually adapted from the heaters used in the pressure washer industry.^[126]

Cuando se utiliza cualquier método de perforación térmica en hielo sucio, los residuos se acumulan en el fondo del pozo y comienzan a dificultar la perforación; una cantidad suficiente de residuos, en forma de arena, guijarros o una roca grande, podría detener completamente el avance. ^{[ 127 ]} Una forma de evitar esto es utilizar una boquilla inclinada a 45°; el uso de esta boquilla crea un canal lateral por donde se dirigen las obstrucciones. La perforación vertical puede entonces reanudarse, sorteando los residuos. ^{[ 117 ]} Otro enfoque es recircular el agua en el fondo del pozo, con un calentador eléctrico integrado en la cabeza de perforación y filtros en la circulación. Esto puede eliminar la mayor parte de los pequeños residuos que dificultan la cabeza de perforación. ^{[ 128 ]}

Otro problema con el hielo impuro proviene de los contaminantes introducidos por el proyecto, como fibras de ropa y madera, polvo y arena. A menudo es necesario usar nieve de los alrededores del campamento para abastecer de agua al taladro al inicio de la perforación, ya que el agujero aún no habrá alcanzado el hielo impermeable, por lo que no se puede bombear agua desde el fondo del agujero; arrojar esta nieve al suministro de agua del taladro hará que estos contaminantes pasen a través del mecanismo de perforación y pueden dañar las bombas y las válvulas. Se requiere un filtro fino para evitar estos problemas. ^{[ 127 ] [ 129 ]}

Una expedición temprana que utilizó taladros de agua caliente fue en 1955, al Mer de Glace ; Électricité de France usó agua caliente para llegar a la base del glaciar, y también usó equipo que roció múltiples chorros simultáneamente para crear un túnel debajo del hielo. ^{[ 130 ]} Se hizo más trabajo de desarrollo en la década de 1970. ^{[ 131 ] [ 30 ]} Los taladros de agua caliente ahora son capaces de perforar agujeros muy profundos y capaces de acceso limpio para lagos subglaciales: por ejemplo, entre 2012 y 2019 en el proyecto WISSARD/SALSA, el taladro WISSARD, un taladro de agua caliente de tamaño mediano, perforó acceso limpio hasta 1  km en el lago Mercer en la Antártida; y entre 2004 y 2011, un gran taladro de agua caliente en el Polo Sur fue usado para perforar 86 agujeros a una profundidad de 2,5  km para colocar cadenas de sensores en los agujeros, para el proyecto IceCube . ^{[ 13 ] [ 132 ]} También se han desarrollado perforadoras de núcleos de agua caliente, pero son susceptibles a que los escombros detengan el movimiento hacia adelante en hielo sucio. ^{[ 131 ]}

Un taladro de vapor primitivo fue desarrollado por F. Howorka a principios de la década de 1960 para trabajar en los Alpes. ^{[ 122 ]} Los taladros de vapor no se utilizan para perforaciones de más de 30 m de profundidad, ya que son bastante ineficientes ^{[ 133 ]} debido a las pérdidas térmicas a lo largo de la manguera y a las pérdidas de presión con el aumento de 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 una cabeza de perforación duradera, por ejemplo, bombeando agua caliente hacia abajo y de vuelta hacia arriba dentro de la sarta de perforación, y usarla para derretir el hielo. ^{[ 30 ]} Los taladros térmicos modernos utilizan energía eléctrica para calentar la cabeza 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 ]} Algunas perforadoras, en cambio, incrustan el elemento calefactor en un material como plata o cobre que conducirá el calor rápidamente a la superficie de la punta caliente; ^{[ 137 ]} estas pueden construirse de manera que las conexiones eléctricas no estén expuestas al agua. ^{[ 138 ]} Las perforadoras electrotérmicas requieren un cable para llevar la energía al fondo del pozo; el circuito puede completarse a través de la tubería de perforación si está presente. ^{[ 139 ]} Se necesita un transformador en el conjunto de la perforadora ya que el cable debe transportar alto voltaje para evitar la disipación de energía. ^{[ 140 ]} Es más difícil suministrar energía eléctrica en una ubicación remota que generar calor mediante una caldera de gas, por lo que las perforadoras de punta caliente solo se utilizan para pozos de hasta unos pocos cientos de metros de profundidad. ^{[ 141 ]}

The earliest attempt to use heat to drill in ice was in 1904, when C. Bernard, drilling at the Tête Rousse Glacier, tried using heated iron bars to drill with. The ends of the bars were heated until incandescent, and lowered into the borehole.^[26] The first true hotpoint was used by Mario Calciati in 1942 on the Hosand Glacier. Calciati pumped hot water from the surface down the drillstem, and back up after it had passed through the drillhead.^[142][143] Other hotpoint designs have used electrical heating to heat the drillhead; this was done in 1948 by a British expedition to the Jungfraujoch,^[144] and by many other drill designs since then. Hotpoints do not produce cores, so they are used primarily for creating access holes.^[141]

The development in the 1960s of thermal coring drills for intermediate depth holes was prompted by the problems associated with rotary coring drills, which were too costly to use for polar ice cores because of the logistical problems caused by their weight.^[145][146] The components of a thermal drill are generally the same as for a cable-suspended EM drill: both have a mast and winch, and an armoured cable to provide power downhole to a sonde, which includes a core barrel. No antitorque system is needed for a thermal drill, and instead of a motor that provides torque, the power is used to generate heat in the cutting head, which is ring shaped to melt an annulus of ice around the core. Some drills may also have a centralizer, to keep the sonde in the middle of the borehole.^[38]

The sonde of an electrothermal drill designed to run submerged in meltwater may consist almost entirely of the core barrel plus the heated cutting head (diagram (a) in the figure to the right). Alternative designs for use in colder ice (see diagram (b) at right) may have a compartment above the core barrel, and tubes that run down to just above the cutting head; a vacuum pump sucks up the meltwater. In these drills the meltwater must be emptied at the surface at the end of each coring run.^[147]

Otro método (véase (c) a la derecha) consiste en utilizar un fluido de perforación compuesto por una mezcla de etanol y agua, cuyas proporciones exactas dependen de la temperatura del hielo. En estas perforadoras, un pistón se encuentra sobre el tubo de extracción del núcleo. Al inicio de la perforación, el pistón está en la parte inferior de la sonda, y el espacio superior se llena con fluido de perforación. A medida que la perforadora desciende, el núcleo empuja el pistón hacia arriba, bombeando el fluido hacia abajo y hacia afuera alrededor del cabezal de corte, donde se mezcla con el agua de deshielo e impide que se congele. El pistón es la única pieza móvil, lo que simplifica el diseño; además, el tubo de extracción del núcleo puede ocupar gran parte de la longitud de la sonda, mientras que las perforadoras que extraen el agua de deshielo para perforar en un pozo seco deben 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 manual a los lugares más inaccesibles, ya que los helicópteros podrían no poder llegar a los glaciares más altos. ^{[ 148 ] [ 149 ]}

Los diseños de taladros electrotérmicos se remontan a la década de 1940. Un taladro electrotérmico fue patentado en Suiza en mayo de 1946 por René Koechlin y 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 taladros de extracción de núcleos electrotérmicos entre 1964 y 2005, aunque muchos diseños fueron abandonados debido al mayor rendimiento de los taladros de extracción de núcleos EM. ^{[ 38 ]}

Se toman muestras de nieve para medir la profundidad y la densidad del manto de nieve en un área determinada. Las mediciones de profundidad y densidad se pueden convertir en un número de equivalente de agua de nieve (SWE), que es la profundidad de agua que resultaría de convertir la nieve en agua. ^{[ 164 ]} Los muestreadores de nieve suelen ser cilindros huecos, con extremos dentados para facilitar su penetración en el manto de nieve; se utilizan empujándolos dentro de la nieve y luego extrayéndolos 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 sujetar la nieve lo suficientemente bien como para mantenerla dentro del cilindro al extraerla, lo cual es más fácil de lograr con un cilindro de menor diámetro; sin embargo, los diámetros mayores proporcionan lecturas más precisas. Las muestras deben evitar compactar la nieve, por lo que tienen superficies internas lisas (generalmente de aleación de aluminio anodizado , y a veces enceradas) para evitar que la nieve se adhiera a los lados del cilindro al introducirla. Un muestreador puede penetrar nieve ligera por su propio peso; en nieve más densa, firn o hielo, puede ser necesario que el usuario gire el muestreador suavemente para que los dientes de corte se enganchen. Si se presiona con demasiada fuerza sin cortar con éxito una capa densa, la muestra puede empujar la capa hacia abajo; esta situación se puede identificar porque el nivel de nieve dentro del muestreador será menor que el de la nieve circundante. Generalmente se toman varias lecturas en cada punto 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 J. E. 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 realizadas por George D. Clyde y el Servicio de Conservación de Suelos de EE. UU . en la década de 1930. Puede utilizarse para muestrear nieve hasta una profundidad de 9 m. ^{[ 166 ]}

Las pruebas de penetración consisten en insertar una sonda en la nieve para determinar sus propiedades mecánicas. Los técnicos de nieve experimentados pueden usar un bastón de esquí común para medir la dureza de la nieve clavándolo en ella; los resultados se registran en función del cambio de resistencia percibido al insertar el bastón. Una herramienta más científica, inventada en la década de 1930 pero aún de uso generalizado, es el penetrómetro de ariete . Este consiste en una varilla con un cono en el extremo inferior. El extremo superior de la varilla pasa a través de un peso que se usa como martillo; el peso se levanta y se suelta, y golpea un yunque (un borde alrededor de la varilla que no puede atravesar), lo que hace que la varilla se clave en la nieve. Para tomar una medición, 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 usar 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 ligeros, los penetrómetros de ariete tienen dificultades para distinguir capas delgadas de nieve, lo que limita su utilidad en lo que respecta a los estudios de avalanchas, ya que las capas delgadas y blandas suelen estar involucradas en la formación de avalanchas. ^{[ 167 ] [ 168 ]}

Dos herramientas ligeras de uso generalizado son más sensibles que los penetrómetros de ariete. Un micropenetrómetro de nieve utiliza un motor para introducir una varilla en la nieve, midiendo la fuerza necesaria; su sensibilidad es de 0,01 a 0,05 newtons, dependiendo de la resistencia de la nieve. Una sonda SABRE consiste en una varilla que se inserta manualmente en la nieve; las lecturas del acelerómetro se utilizan para determinar la fuerza de penetración necesaria a cada profundidad y se almacenan electrónicamente. ^{[ 168 ] [ 169 ]}

Para analizar nieve polar densa, se utiliza un ensayo de penetración de cono (CPT), basado en dispositivos equivalentes a los utilizados para el análisis de suelos . Las mediciones con CPT pueden utilizarse en nieve dura y firn hasta profundidades de 5 a 10 m. ^{[ 168 ] [ 169 ]}

Se han utilizado equipos rotatorios disponibles comercialmente con grandes barrenas para perforar el hielo, generalmente para la construcción o para hacer agujeros que permitan el acceso bajo el 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 British Antarctic Survey para perforar hasta el lago Ellsworth , a dos millas bajo la superficie del hielo antártico, utilizó una barrena de tierra australiana impulsada por un sistema de accionamiento superior montado en un camión para ayudar a perforar dos agujeros de 300 m como parte del proyecto, aunque finalmente el proyecto se retrasó. ^{[ 171 ] [ 172 ] [ 173 ]}

Las barrenas motorizadas diseñadas para perforar grandes agujeros en el hielo para la pesca invernal pueden montarse en un vehículo de nieve, un tractor o un trineo; los diámetros de los agujeros pueden alcanzar los 350  mm. Estos equipos se fabricaron comercialmente tanto en EE. UU. como en la URSS, pero ya no se utilizan comúnmente. ^{[ 70 ]}

En la década de 1970, se utilizó un taladro de chorro de llama, más comúnmente empleado para perforar rocas cristalinas, para perforar el hielo de la plataforma de hielo de Ross . El taladro quema fueloil y puede funcionar bajo el agua siempre que haya suficiente aire comprimido disponible. Perfora rápidamente, pero produce un orificio irregular contaminado con hollín y fueloil. ^{[ 174 ]}

Un taladro de diseño soviético utilizaba un motor para proporcionar vibración vertical al cañón a 50  Hz; tenía un diámetro exterior de 0,4 m y, en pruebas realizadas en la estación Vostok en la Antártida, perforó un agujero de 6,5 m de profundidad, con una longitud de perforación de 1,2 m que tardaba entre 1 y 5 minutos en completarse. Los bordes de acero del taladro compactaban la nieve en el núcleo, lo que ayudaba a que se adhiriera al interior del cañón al extraer el taladro del agujero. ^{[ 165 ] [ 175 ]}

Los taladros mecánicos suelen tener tres cuchillas, espaciadas uniformemente alrededor del cabezal. Dos cuchillas provocan vibraciones y una menor calidad del núcleo de hielo, y las pruebas con cabezales de cuatro cuchillas han arrojado resultados insatisfactorios. El diseño geométrico varía, pero el ángulo de alivio, α, oscila entre 5° y 15°, siendo el rango más común en hielo frío el de 8° a 10°, y el ángulo de corte, δ , varía desde 45° (el más común en hielo frío) hasta 90°. El ángulo de seguridad, entre la parte inferior de la cuchilla y el hielo, puede ser tan bajo como 0,8° en diseños de taladros exitosos. ^{[ 176 ]} Se han probado diferentes formas para el extremo de la cuchilla: plana (el diseño más común), puntiaguda, redondeada y en forma de cuchara. ^{[ 177 ]}

Las fresas deben estar hechas de materiales extremadamente resistentes, ^{[ 178 ]} y generalmente deben afilarse después de cada 10–20 m de perforación. ^{[ 177 ]} Los aceros para herramientas que contienen carbono no son ideales porque el carbono hace que el acero sea quebradizo a temperaturas inferiores a −20 °C. Se ha sugerido el uso de carburo de tungsteno  sinterizado en las fresas, ya que es extremadamente duro, pero los mejores aceros para herramientas son más rentables: las fresas de carburo se fijan al cuerpo de la herramienta de corte mediante prensado en frío o soldadura de latón, y no se pueden desmontar y afilar fácilmente en el campo. ^{[ 178 ]}

La profundidad de corte se controla mediante el montaje de zapatas en la parte inferior del cabezal de perforación; estas se deslizan sobre la superficie del hielo y, por lo tanto, limitan la profundidad de penetración de la fresa en cada revolución de la perforadora. Generalmente se montan justo detrás de las fresas, pero esta posición puede provocar la acumulación de hielo en el espacio entre la fresa y la zapata. Hasta el momento, no ha sido posible corregir este problema modificando el diseño de la zapata. ^{[ 179 ]}

Los fluidos de perforación son necesarios para la estabilidad del pozo en núcleos profundos y también pueden utilizarse para alejar los recortes de perforación de la broca. Entre los fluidos utilizados se incluyen agua, mezclas de etanol /agua y agua/ etilenglicol , combustibles derivados del petróleo , hidrocarburos no aromáticos y acetato de n-butilo .

• El agua es la opción más barata y limpia; puede estar presente en la superficie del glaciar o puede generarse mediante perforación térmica. En hielo frío es necesario algún tipo de anticongelante, o bien se debe volver a aplicar calor ensanchando el orificio periódicamente. ^{[ 180 ]}
• Etanol y agua . El etanol actúa como anticongelante en el agua; en concentraciones suficientes puede reducir la temperatura de congelación de la mezcla a muy por debajo de cualquier temperatura que probablemente se encuentre en la perforación de hielo. La concentración debe elegirse para evitar que el líquido se congele y también para mantener el pozo contra la presión de sobrecarga de hielo. Debido a que la densidad de la mezcla disminuye con temperaturas más bajas, se desarrollará convección vertical en pozos donde las temperaturas disminuyen con la profundidad, a medida que la mezcla más ligera asciende. Esto hace que se forme aguanieve en el pozo, aunque la perforación exitosa aún es posible. ^{[ 181 ] [ 182 ]} El etanol es una de las opciones más baratas para un fluido de perforación y requiere menos espacio de almacenamiento que otras opciones porque en uso se diluye con agua. ^{[ 181 ]} Una expedición soviética dejó un pozo de 800 m en la Antártida lleno de etanol y agua a una temperatura de hielo de −53  °C; después de 11 meses el pozo permaneció abierto y la perforación se reanudó sin problemas. Un problema con esta opción es que la mezcla penetrará en los núcleos que tengan grietas. ^{[ 180 ]}
• En Camp Century, en 1966, se utilizó etilenglicol y agua en la parte inferior del agujero para disolver los recortes. ^{[ 183 ]}
• Combustibles derivados del petróleo . Esto incluye el diésel, el combustible para aviones y el queroseno. Son económicos y fáciles de conseguir, y en el pasado fueron de uso común; entre sus desventajas se encuentran su inflamabilidad y los compuestos aromáticos que contienen, los cuales representan un riesgo para la salud. ^{[ 180 ]}
• Hidrocarburos no aromáticos . En 2009, estos se habían convertido en los fluidos de perforación más utilizados; la eliminación de los aromáticos resolvió los problemas de salud asociados con estos fluidos. Son significativamente más caros que los combustibles derivados del petróleo sin tratar. ^{[ 180 ]}
• Acetato de n-butilo . Un combustible muy utilizado en la década de 1990, debido a su densidad similar a la del hielo, ahora es impopular porque disuelve muchos materiales, lo que impide su uso en los equipos de perforación con los que entra en contacto. También es inflamable y corrosivo, por lo que puede ser necesario el uso de ropa protectora y, en algunos casos, mascarillas para las personas expuestas. ^{[ 184 ]}
• Fluidos a base de ESTISOL . ESTISOL es un éster, como el acetato de n-butilo, pero no presenta riesgos para la salud. ^{[ 185 ]}

Los densificadores se utilizan en los fluidos de perforación para ajustar la densidad del fluido a la del hielo circundante. El percloroetileno y el tricloroetileno se usaban con frecuencia en los primeros programas de perforación, en combinación con combustibles derivados del petróleo. Estos se han eliminado gradualmente por razones de salud. El freón fue un sustituto temporal, pero ha sido prohibido por el Protocolo de Montreal , al igual que el HCFC-141b , un densificador de hidroclorofluorocarbono utilizado una vez que se abandonó el freón. ^{[ 186 ]} Las opciones futuras para los fluidos de perforación incluyen ésteres de bajo peso molecular, como el butirato de etilo , el propionato de n-propilo , el butirato de n-butilo , el butirato de n-amilo y el acetato de hexilo ; mezclas de varios tipos de ESTISOL; y aceites de dimetilsiloxano . ^{[ 185 ]}

Los dos requisitos principales de un sistema antitorque son que debe impedir la rotación de la sonda y permitir un fácil movimiento de la broca hacia arriba y hacia abajo del pozo. ^{[ 187 ]} Se han realizado intentos para diseñar brocas con componentes contrarrotatorios para minimizar el torque total, pero estos han tenido un éxito limitado. ^{[ 188 ] [ 189 ]} Se han ideado cinco tipos de sistemas antitorque para su uso con brocas electromagnéticas suspendidas por cable, aunque no todos se utilizan actualmente, y algunas brocas han utilizado una combinación de más de un diseño. La primera broca que requirió un sistema antitorque fue utilizada en Camp Century por CRREL en 1966; la broca incorporaba un conjunto de cuchillas de fricción articuladas que se desplegaban desde la sonda al arrancar el motor de la broca. Se descubrió que estas tenían una fricción muy débil contra la pared del pozo y eran ineficaces; la broca debía controlarse cuidadosamente para evitar que el cable se torciera. Ninguna otra broca ha intentado utilizar este enfoque. ^{[ 188 ]}

Para el siguiente despliegue de la perforadora se instalaron ballestas, lo que ha demostrado ser un diseño más duradero. Estas se montan verticalmente, con una curva hacia afuera para que se compriman fácilmente contra la pared del pozo y puedan deslizarse hacia arriba y hacia abajo con el movimiento de la perforadora. Pasan fácilmente por cualquier área irregular en el pozo, pero los bordes de las ballestas cortan la pared del pozo e impiden la rotación. Las ballestas son mecánicamente muy simples, con la ventaja adicional de ser fáciles de ajustar cambiando el espaciado entre los extremos. Se pueden colocar en cualquier parte de la perforadora 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 esta proporciona la carga más uniforme contra la pared del pozo. ^{[ 190 ] [ 191 ]} Se ha comprobado que las ballestas son tan efectivas que pueden impedir la rotación incluso en perforadoras pesadas que funcionan a máxima potencia. ^{[ 190 ]}

Los sistemas antitorque de tipo patín cuentan con cuchillas fijadas a barras verticales que se presionan contra la pared del pozo; las cuchillas se clavan en la pared y proporcionan el antitorque. Los patines pueden construirse con resortes que permiten mantener las cuchillas presionadas contra la pared en pozos irregulares y prevenir problemas en las partes más estrechas del pozo. Si bien los patines son un diseño popular para el antitorque y se han utilizado con éxito, presentan dificultades para evitar la rotación en nieve compactada y en los límites entre capas de diferentes densidades, y pueden causar problemas al perforar con alto torque. Cuando fallan, actúan como escariadores, eliminando virutas de la pared que pueden caer 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 varias perforadoras con fresas laterales. Estas son engranajes dentados accionados por la rotación del motor principal de la perforadora mediante engranajes helicoidales de 45° ; su eje de rotación es horizontal y están colocados de manera que los dientes cortan cuatro ranuras verticales en la pared del pozo. Aletas guía situadas más arriba en la sonda se desplazan por estas ranuras y proporcionan el antitorque. El diseño era eficaz para evitar la rotación de la sonda, pero resultó casi imposible realinear las aletas guía con las ranuras existentes al introducirla. La desalineación aumentaba la probabilidad de que la perforadora se atascara en el pozo; además, existía el riesgo de que fragmentos de hielo de las fresas se atascaran entre la perforadora y la pared del pozo, provocando que la perforadora se atascara. El sistema se volvió a utilizar en una perforadora desarrollada en China en las décadas de 1980 y 1990, pero los problemas inherentes al diseño se consideran ahora insuperables y ya no se utiliza. ^{[ 194 ] [ 195 ]}

El diseño más reciente del sistema antitorsión consiste en el uso de palas en forma de U, fabricadas en acero y fijadas verticalmente a los lados de la sonda. Las implementaciones iniciales presentaron problemas, ya que las palas delgadas se doblaban con demasiada facilidad y las palas gruesas ofrecían demasiada resistencia al movimiento vertical de la sonda; sin embargo, el diseño final puede generar una fuerte resistencia a la torsión tanto en nieve compactada como en hielo. ^{[ 196 ]}

Los taladros pueden diseñarse con más de un sistema antitorsión para aprovechar el diferente rendimiento de los distintos diseños en diferentes tipos de nieve y hielo. Por ejemplo, un taladro puede tener patines para usarse en nieve dura o hielo, pero también un sistema de ballestas, que será más eficaz en nieve blanda. ^{[ 187 ]}

En la perforación de núcleos de hielo, cuando se ha perforado un anillo alrededor del núcleo que se va a extraer, este aún permanece unido a la capa de hielo en su extremo inferior, y esta conexión debe romperse antes de poder extraerlo. Una opción es utilizar una pinza, que es un anillo cónico dentro del cabezal de corte. Al levantar la broca, la pinza comprime el núcleo y lo sujeta, y los fragmentos de hielo sueltos que quedan encajados en ella aumentan la compresión. Esto rompe el núcleo y lo mantiene dentro del cañón una vez que se ha roto. Las pinzas son efectivas en firn, pero menos en hielo, por lo que a menudo se utilizan ganchos para núcleos, también conocidos como retenedores de núcleos, para los núcleos de hielo. ^{[ 110 ]}

Un típico dispositivo de extracción de núcleos para taladro de hielo tiene forma de pata de perro y está integrado en el cabezal del taladro con capacidad de rotación y con un resorte que ejerce cierta presión contra el núcleo. Cuando se levanta el taladro, la punta afilada del dispositivo de extracción se engancha y gira alrededor, provocando la rotura del núcleo. Algunos dispositivos de extracción tienen un tope para evitar que giren en exceso. ^{[ 198 ]} La mayoría de los cabezales de taladro tienen tres dispositivos de extracción, aunque es posible tener solo dos; la fuerza de corte asimétrica ayuda a romper el núcleo. ^{[ 198 ]} El ángulo, δ , entre la punta del dispositivo de extracción y el núcleo, ha sido objeto de investigación; un estudio de 1984 concluyó que el ángulo óptimo era de 55°, y un estudio posterior concluyó que el ángulo debería estar más cerca de 80°. ^{[ 197 ]} Los recolectores de núcleos están hechos de acero endurecido y deben ser lo más afilados posible. La fuerza necesaria para romper el núcleo varía con la temperatura y la profundidad, y en hielo cálido los perros perforadores pueden hacer surcos en el núcleo antes de engancharse y romperlo. ^{[ 199 ]} Algunos taladros también pueden incluir un peso que se puede usar como martillo para proporcionar un impacto que ayude a romper el núcleo. ^{[ 48 ]}

Para nieve y firn, donde el material del núcleo puede correr el riesgo de caerse por el fondo del tubo de perforación, un recolector de cesta es una mejor opción. Estos recolectores consisten en alambres elásticos o láminas delgadas de metal, colocadas radialmente alrededor del fondo del tubo de perforación y presionadas contra el lateral del tubo por el núcleo a medida que la perforadora desciende a su alrededor. Cuando se levanta la perforadora, los extremos del recolector se enganchan con el núcleo y lo separan de la base, y actúan como una cesta para mantenerlo en su lugar mientras se extrae a la superficie. ^{[ 200 ]}

El revestimiento, o recubrimiento de un pozo con un tubo, es necesario siempre que las operaciones de perforación requieran aislar el pozo de la nieve y el firn permeables circundantes. Los pozos sin revestimiento pueden perforarse con fluido utilizando una manguera que se baja al pozo, pero esto probablemente genere un mayor consumo de fluido de perforación y contaminación ambiental por fugas. En la década de 1970 se utilizó revestimiento de acero, pero el óxido del revestimiento dañó las brocas y el revestimiento no estaba sellado, lo que provocó fugas de fluido. También hubo problemas con los tubos de revestimiento que no estaban centrados, lo que dañó la broca al bajarla a través del revestimiento. El revestimiento de fibra de vidrio y HDPE se ha vuelto más común, con uniones selladas con cinta de PTFE , pero las fugas son frecuentes. La soldadura por fusión térmica para revestimiento de HDPE es una posible solución. Para sellar la parte inferior del revestimiento, se puede bombear agua al fondo del pozo una vez que el revestimiento esté colocado, o se puede utilizar un cabezal térmico para derretir el hielo alrededor de la zapata del revestimiento, creando un sello cuando el agua se congela nuevamente. Otro método consiste en utilizar una broca de punta caliente, saturando la nieve y el firn con agua derretida, que luego se congelará y sellará el pozo. ^{[ 201 ]}

Los tubos de PVC para bajas temperaturas no son adecuados para revestimientos permanentes, ya que no se pueden sellar en la parte inferior, pero se pueden usar para hacer pasar fluido de perforación a través de la zona permeable. Su ventaja es que no requieren conexiones, ya que se pueden enrollar en un carrete para su despliegue. ^{[ 201 ]}