南极昆仑站深冰芯钻孔位于距离Dome A最高点7 km处的中国南极昆仑站（80°25′01″S, 77°06′58″E）（图1），此处海拔4083m，冰厚约3139m，年平均气温为-58℃，净积累率约<25 mm w.e./a，冰流速极缓，满足获取超过百万年冰芯记录的必要条件。

南极昆仑站深冰芯钻孔位置

    为了在昆仑站建设使用寿命30年以上的深冰芯钻探场地，中国极地研究中心通过借鉴日本Dome Fuji深冰芯钻探的成功经验，场地结构设计为钢结构加强的半地下建筑结构。钻探主场地长×宽×高为40 m×4 m×3 m，采用36 t钢结构螺栓连接为一体框架支撑，底部由木方、木板和聚乙烯泡沫板夹层形成保温地板，屋顶则采用木板和苫布进行遮挡。场地从2009/2010考察季开始建设，并于2010/2011考察季建成主钻探场地，随后又于2015/2016考察季建成冰芯储藏室，从而形成了如图所示的钻探场地。

昆仑站深冰芯钻探场地布局

深冰芯钻探装备主要包括日本Geo Tecs 公司生产的D-3型粒雪层干孔取芯钻机和中国极地研究中心与日本Geo Tecs 公司联合研制的CØ×HINARE/JARE型深冰芯钻机。其中粒雪层干孔取芯钻主要用于在冰盖上覆粒雪层中形成先导孔，随后扩孔下入套管，为后续需填充钻井液的深冰芯钻探做准备；深冰芯钻机则用于进行粒雪层以下的冰层取芯钻进。以上两种钻具均属于孔底动力钻具，由铠装电缆进行钻具供电和提放。

D-3型粒雪层干孔取心钻具和扩孔钻具

粒雪层干孔取芯钻具在钻进过程中不需要添加钻井液，钻进切削的冰屑沿旋转冰芯管外表面的螺旋翼片由内外管间隙上返至冰芯管上方窗口处，并由此落入冰芯管内部，冰芯则从钻头处直接进入冰芯管内。提钻时，冰芯和冰屑均随钻具一起由铠装电缆提升至地表进行移除。当钻进至指定深度后，则可将钻具下方冰芯管和外管替换为扩孔钻具进行扩孔钻进，扩孔钻具下部空心管深入先导孔内充当导向管，防止出现分支孔。冰屑则直接由导向管上方刀头处设置的窗口进入导向管内，实现冰屑收集。扩孔钻探共分三级将钻孔扩大至设计直径。

CHINARE/JARE型深冰芯取芯钻具结构

深冰芯钻探，需更换为深冰芯钻机，孔内需填充钻井液以辅助排屑和维持孔壁稳定。图4为采用的深冰芯钻具，该钻具的孔底动力电机安装于测控舱内。钻进时，电机通过减速器驱动冰屑室中心管、冰芯管和钻头回转钻进，而钻具外管则不回转。钻进产生的冰屑在冰芯管外壁上螺旋翼片的驱动下，沿内外管间隙上返至冰屑室，冰屑被冰屑室外管阻挡在冰屑室内，钻井液则经由冰屑室外管上均布的直径为1mm的小孔流入钻具和钻孔环状间隙，并再次流动至钻头处实现循环。为了提高冰屑收集率，冰屑室中心管上安装了多个短助力螺旋，可辅助运输冰屑。钻具顶部电缆终端内安装有弹簧和位移传感器，通过弹簧压缩量即可测得电缆张力，结合钻具自重即可得到钻压。该钻机最大钻进深度为4000m，成孔直径为135mm，取芯直径为95mm，最大取芯长度为3.9m，井下钻具转速为0-50rpm，钻井液采用醋酸丁酯。图为深冰芯钻机实物图。

深冰芯钻机实物图

该项目从2011年正式开始钻探，截至目前共完成了6个工作季的钻探，但受限于昆仑站工作时长，每个工作季钻进进尺较短，6个工作季共完成钻进深度803.5m，其中各工作季深冰芯钻孔深度和日进尺随纯钻进天数变化曲线如图所示。

各工作季深冰芯钻孔深度和日进尺随纯钻进天数变化曲线

该项目由中国极地研究中心组织实施，吉林大学极地研究中心作为核心成员参与了该工程全部南极现场钻探，其中6个工作季的具体工作如下：

2011-2012考察季：完成先导孔施工。取芯钻进120.79米，取芯120.33米；完成钻孔扩孔三次；安装套管100米，进行冰芯切割与处理。

2012-2013考察季：完成深冰芯钻探系统架设，钻取第一支中国南极深冰芯，长度3.83米，当季共钻进10.54米，取芯10.99米，深冰心钻探至131.24米。

2014-2015考察季：完成取芯钻探173米，取芯172米；灌注钻孔液2900升，完成全部冰芯切割处理，深冰心钻探至303.0米。

2015-2016考察季：完成取芯钻探351.5米，取芯353.36米；完成108米冰芯切割处理；完成冰芯储藏室场地建设，深冰心钻探至654.7米。

2016-2017考察季：完成取芯钻探146.21米，取芯145.86米；完成上一年度剩余冰芯及当年冰芯切割与处理；灌注钻孔液及增重剂3600升，深冰心钻探至800.9米。

2018-2019考察季：完成钻具和钻孔维护，钻井液灌注，完成2回次钻进，取芯2.78m，深冰芯钻探至803.54米。