深海礦產(chǎn)資源豐富，發(fā)現(xiàn)、研究它們，需要通過水下鉆探獲取樣本。在各種取樣方式中，海底鉆機以其鉆探成本低、效率高、樣品擾動小、易操作等優(yōu)勢，成為備受青睞的高技術裝備。

不久前，我國自主研發(fā)的“海牛Ⅱ號”海底大孔深保壓取芯鉆機系統(tǒng)，在超2000米深水中，成功下鉆231米，刷新了深海海底鉆機的世界紀錄，標志著我國在該領域達到世界領先水平。

看似笨重，實則身手不凡

鉆探到200米以下，意味著我國理論上具備海洋資源全覆蓋的勘探能力

“海牛Ⅱ號”由湖南科技大學教授萬步炎領銜研發(fā)。萬步炎介紹，“海牛Ⅱ號”由海底鉆機本體、海底原位探測儀、移動式海底鉆機配套收放系統(tǒng)等部分組成。“其中，鉆機本體外觀上是一個橙黃色、八邊形的鋼質(zhì)構造，高7.6米，‘腰圍’10米，體重12噸，是目前我國水中最重的地質(zhì)勘探科考裝備。”

看似笨重的“海牛Ⅱ號”，在海底干起活來卻很靈活。它的“武器”是身上的78根鉆桿，每根3米長，像左輪手槍的子彈一樣排列在圓盤之上。操作時，通過圓盤旋轉(zhuǎn)，機械手取桿上膛，把鉆桿一根根鉆進巖層。

鉆頭相當于“海牛Ⅱ號”的犄角，由金剛石和硬質(zhì)合金等材料制成。科研人員設計了不同種類的鉆頭，有的針對硬巖地層，有的適用于沉積巖軟巖地層。

“海牛Ⅱ號”是在4月7日刷新的世界紀錄。萬步炎告訴記者，當天，經(jīng)過約兩個半小時下潛后，“海牛Ⅱ號”抵達水深2060米的海底。完成姿態(tài)調(diào)整后，“海牛Ⅱ號”隨即開展目標層保壓取芯鉆探作業(yè)。約15小時后，鉆進孔深達到海底地下231米。

除了鉆得深，“海牛Ⅱ號”還有一項獨門絕技——保壓取芯。這是勘探可燃冰等某些海底礦產(chǎn)的關鍵。萬步炎介紹，在海水壓力下，可燃冰呈“冰”狀，它一旦離開其適宜的海水深度，就會因壓力減小而變成氣體揮發(fā)。因而，普通深海鉆機無法取樣可燃冰，只有在保持海底地層相等壓力的狀態(tài)下，才能做到。

此前，全球海底鉆機的最大鉆孔深度設計能力為200米，而實際保壓取芯作業(yè)最深只到達135米，“海牛Ⅱ號”則大大刷新了這一紀錄。

通過鉆探取樣分析，可以了解礦藏儲量、品位和埋藏形態(tài)，為今后開采勾勒出一幅“藏寶圖”。“鉆得越深，能勘探的資源就越多。”萬步炎說，當前人類發(fā)現(xiàn)的、具有商業(yè)開采潛力的海洋礦產(chǎn)資源，基本上在海底200米以內(nèi)。鉆探到200米以下，意味著我國在理論上具備了海洋資源全覆蓋的勘探能力。

根據(jù)《聯(lián)合國海洋法公約》，公海資源歸全人類共有，資源開采權一般遵循誰勘探、誰優(yōu)先的規(guī)則。業(yè)內(nèi)專家表示，“海牛Ⅱ號”是我國深海鉆探的一把 “利劍”，它的出鞘，使我國在海底固體礦產(chǎn)資源研究和開發(fā)上多了一分技術優(yōu)勢。

攻克多個技術難題

所有關鍵技術均為自主研發(fā)，目前已取得125項專利

深海壓力大、溫度低，“海牛Ⅱ號”要在復雜的環(huán)境中，順利實現(xiàn)鉆機收放、姿態(tài)調(diào)整、耐壓密封、鉆桿及芯管接卸、自動測控等一系列操作，技術難度非常大。

據(jù)萬步炎介紹，“海牛Ⅱ號”主要攻克了全程保壓繩索取芯、鉆管存儲與鉆桿快速接卸、智能化與專家操作系統(tǒng)、海底鉆機安全可靠下放和回收等技術難題。

鉆探過程中，某一段實現(xiàn)保壓取芯并不難，難的是全程保壓。針對這一問題，科研人員連續(xù)多年攻關，通過大孔深遙控全孔全程保壓繩索取芯，采用了獨創(chuàng)的巖芯管全長直接密封保壓取芯原理、技術與工藝，最終實現(xiàn)了海底鉆機小口徑大孔深高效、高可靠全孔全程保壓取芯。

萬步炎說，“海牛Ⅱ號”很“聰明”。科研人員為它量身定制了很多傳感器設備。這些傳感器，融合了團隊多年的海上實地鉆探經(jīng)驗。到了海底，鉆頭會根據(jù)地層性狀情況，快速自動判斷并自適應調(diào)整鉆進模式與參數(shù)，解決了海底鉆機與配套取芯工藝對海底復雜地層的適應性難題，從而大幅提高了鉆探效率、取芯率和取芯質(zhì)量。

得益于自動化、智能化的設計，一個人就可在母船上完成“海牛Ⅱ號”操作。“海牛Ⅱ號”在鉆孔取芯的同時，還能干“兼職”：原位探測巖石的電阻率、孔隙率，給孔內(nèi)周邊巖石拍照等。

在海底鉆機收放裝置的設計和工藝上，團隊解決了因母船搖蕩導致海底鉆機與收放裝置對齊與靠攏困難、易發(fā)生沖擊碰撞的問題，實現(xiàn)了海底鉆機水中自動校正收放方位、垂直翻轉(zhuǎn)過程自動抱緊海底鉆機功能，提高海底鉆機收放效率和收放過程的安全性與可靠性。

值得一提的是，“海牛Ⅱ號”所有關鍵技術均為自主研發(fā)，目前已取得125項專利。

研制“海牛Ⅱ號”，依托的是我國國家重點研發(fā)計劃“深海關鍵技術與裝備專項”課題。針對“海牛Ⅱ號”，任務書有三大目標，即作業(yè)水深不少于2000米、鉆進深度不低于200米、保壓成功率不小于60%。令萬步炎高興的是，本次海試充分驗證了“海牛Ⅱ號”的設計性能，并超預期實現(xiàn)了任務目標。

未來還將不斷優(yōu)化

挑戰(zhàn)萬米級水深地質(zhì)鉆探取樣，是團隊接下來的目標

“海牛Ⅱ號”并非“橫空出世”，而是20多年堅持不懈、持續(xù)研發(fā)的結果。2000年，萬步炎團隊開始研發(fā)深海海底鉆機。3年后，團隊做出了我國首臺深海淺層巖芯取樣鉆機，并在海底下鉆0.7米，獲得首個巖芯樣品。

2010年，這個團隊研發(fā)的深海深孔巖芯取樣鉆機，又把海底鉆探深度推進到20米。2012年，“海牛Ⅱ號”的前身——“海牛號”研制項目正式啟動。2015年，“海牛號”在3000米海水下下鉆了60米。由此，我國成為世界上第四個擁有能在水深大于3000米的海底進行60米鉆探技術的國家。

如今，我國多條海洋科考船配備了萬步炎團隊發(fā)明的專利設備，并在深海鉆孔1000多個。

海底鉆機的發(fā)展，與我國海底資源勘探歷程緊密相連。萬步炎告訴記者，1999年以前，中國沒有能力研制大型深海機電裝備，只能從國外租借設備。后來，我國決定自主研發(fā)深海鉆探設備。萬步炎團隊迎難而上，接下了這項任務。他們幾乎從零起步，不斷摸索，奮勇攻關。

近年來，我國日益重視海洋技術裝備研發(fā)。深海海底鉆孔技術，對其他深海裝備制造技術具有很強的輻射性，可以帶動相關領域的研發(fā)。萬步炎說，10多年前，科考船上基本所有設備都是進口的，如今國產(chǎn)裝備達到80%以上，未來這一比例將越來越高。

萬步炎表示，團隊將進一步優(yōu)化深海鉆探設備性能，提升它的環(huán)境適應能力、作業(yè)性能和智能化程度。此外，他們還計劃推進“海牛Ⅱ號”量產(chǎn)，在海底油氣采場和海上風電場建設與工程地質(zhì)勘查領域推廣應用。

當前，“海牛Ⅱ號”還在海上工作。深度超過萬米的馬里亞納海溝，至今沒有人類進行海底鉆探作業(yè)。“挑戰(zhàn)萬米級水深地質(zhì)鉆探取樣，是我們團隊接下來的目標。”萬步炎說。

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