在超2000米水深中成功下鉆231米，刷新世界紀(jì)錄

深海鉆探，“海牛Ⅱ號(hào)”真牛(科技視點(diǎn))

喻思南 唐亞慧

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

不久前，我國(guó)自主研發(fā)的“海牛Ⅱ號(hào)”海底大孔深保壓取芯鉆機(jī)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(jī)的世界紀(jì)錄，標(biāo)志著我國(guó)在該領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

看似笨重，實(shí)則身手不凡

鉆探到200米以下，意味著我國(guó)理論上具備海洋資源全覆蓋的勘探能力

“海牛Ⅱ號(hào)”由湖南科技大學(xué)教授萬(wàn)步炎領(lǐng)銜研發(fā)。萬(wàn)步炎介紹，“海牛Ⅱ號(hào)”由海底鉆機(jī)本體、海底原位探測(cè)儀、移動(dòng)式海底鉆機(jī)配套收放系統(tǒng)等部分組成。“其中，鉆機(jī)本體外觀上是一個(gè)橙黃色、八邊形的鋼質(zhì)構(gòu)造，高7.6米，‘腰圍’10米，體重12噸，是目前我國(guó)水中最重的地質(zhì)勘探科考裝備。”

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

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

“海牛Ⅱ號(hào)”是在4月7日刷新的世界紀(jì)錄。萬(wàn)步炎告訴記者，當(dāng)天，經(jīng)過(guò)約兩個(gè)半小時(shí)下潛后，“海牛Ⅱ號(hào)”抵達(dá)水深2060米的海底。完成姿態(tài)調(diào)整后，“海牛Ⅱ號(hào)”隨即開(kāi)展目標(biāo)層保壓取芯鉆探作業(yè)。約15小時(shí)后，鉆進(jìn)孔深達(dá)到海底地下231米。

除了鉆得深，“海牛Ⅱ號(hào)”還有一項(xiàng)獨(dú)門(mén)絕技——保壓取芯。這是勘探可燃冰等某些海底礦產(chǎn)的關(guān)鍵。萬(wàn)步炎介紹，在海水壓力下，可燃冰呈“冰”狀，它一旦離開(kāi)其適宜的海水深度，就會(huì)因壓力減小而變成氣體揮發(fā)。因而，普通深海鉆機(jī)無(wú)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(jī)的最大鉆孔深度設(shè)計(jì)能力為200米，而實(shí)際保壓取芯作業(yè)最深只到達(dá)135米，“海牛Ⅱ號(hào)”則大大刷新了這一紀(jì)錄。

通過(guò)鉆探取樣分析，可以了解礦藏儲(chǔ)量、品位和埋藏形態(tài)，為今后開(kāi)采勾勒出一幅“藏寶圖”。“鉆得越深，能勘探的資源就越多。”萬(wàn)步炎說(shuō)，當(dāng)前人類發(fā)現(xiàn)的、具有商業(yè)開(kāi)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(guó)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(guó)海洋法公約》，公海資源歸全人類共有，資源開(kāi)采權(quán)一般遵循誰(shuí)勘探、誰(shuí)優(yōu)先的規(guī)則。業(yè)內(nèi)專家表示，“海牛Ⅱ號(hào)”是我國(guó)深海鉆探的一把 “利劍”，它的出鞘，使我國(guó)在海底固體礦產(chǎn)資源研究和開(kāi)發(fā)上多了一分技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

攻克多個(gè)技術(shù)難題

所有關(guān)鍵技術(shù)均為自主研發(fā)，目前已取得125項(xiàng)專利

深海壓力大、溫度低，“海牛Ⅱ號(hào)”要在復(fù)雜的環(huán)境中，順利實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)收放、姿態(tài)調(diào)整、耐壓密封、鉆桿及芯管接卸、自動(dòng)測(cè)控等一系列操作，技術(shù)難度非常大。

據(jù)萬(wàn)步炎介紹，“海牛Ⅱ號(hào)”主要攻克了全程保壓繩索取芯、鉆管存儲(chǔ)與鉆桿快速接卸、智能化與專家操作系統(tǒng)、海底鉆機(jī)安全可靠下放和回收等技術(shù)難題。

鉆探過(guò)程中，某一段實(shí)現(xiàn)保壓取芯并不難，難的是全程保壓。針對(duì)這一問(wèn)題，科研人員連續(xù)多年攻關(guān)，通過(guò)大孔深遙控全孔全程保壓繩索取芯，采用了獨(dú)創(chuàng)的巖芯管全長(zhǎng)直接密封保壓取芯原理、技術(shù)與工藝，最終實(shí)現(xiàn)了海底鉆機(jī)小口徑大孔深高效、高可靠全孔全程保壓取芯。

萬(wàn)步炎說(shuō)，“海牛Ⅱ號(hào)”很“聰明”。科研人員為它量身定制了很多傳感器設(shè)備。這些傳感器，融合了團(tuán)隊(duì)多年的海上實(shí)地鉆探經(jīng)驗(yàn)。到了海底，鉆頭會(huì)根據(jù)地層性狀情況，快速自動(dòng)判斷并自適應(yīng)調(diào)整鉆進(jìn)模式與參數(shù)，解決了海底鉆機(jī)與配套取芯工藝對(duì)海底復(fù)雜地層的適應(yīng)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(dòng)化、智能化的設(shè)計(jì)，一個(gè)人就可在母船上完成“海牛Ⅱ號(hào)”操作。“海牛Ⅱ號(hào)”在鉆孔取芯的同時(shí)，還能干“兼職”：原位探測(cè)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(jī)收放裝置的設(shè)計(jì)和工藝上，團(tuán)隊(duì)解決了因母船搖蕩導(dǎo)致海底鉆機(jī)與收放裝置對(duì)齊與靠攏困難、易發(fā)生沖擊碰撞的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了海底鉆機(jī)水中自動(dòng)校正收放方位、垂直翻轉(zhuǎn)過(guò)程自動(dòng)抱緊海底鉆機(jī)功能，提高海底鉆機(jī)收放效率和收放過(guò)程的安全性與可靠性。

值得一提的是，“海牛Ⅱ號(hào)”所有關(guān)鍵技術(shù)均為自主研發(fā)，目前已取得125項(xiàng)專利。

研制“海牛Ⅱ號(hào)”，依托的是我國(guó)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備專項(xiàng)”課題。針對(duì)“海牛Ⅱ號(hào)”，任務(wù)書(shū)有三大目標(biāo)，即作業(yè)水深不少于2000米、鉆進(jìn)深度不低于200米、保壓成功率不小于60%。令萬(wàn)步炎高興的是，本次海試充分驗(yàn)證了“海牛Ⅱ號(hào)”的設(shè)計(jì)性能，并超預(yù)期實(shí)現(xiàn)了任務(wù)目標(biāo)。

未來(lái)還將不斷優(yōu)化

挑戰(zhàn)萬(wàn)米級(jí)水深地質(zhì)鉆探取樣，是團(tuán)隊(duì)接下來(lái)的目標(biāo)

“海牛Ⅱ號(hào)”并非“橫空出世”，而是20多年堅(jiān)持不懈、持續(xù)研發(fā)的結(jié)果。2000年，萬(wàn)步炎團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研發(fā)深海海底鉆機(jī)。3年后，團(tuán)隊(duì)做出了我國(guó)首臺(tái)深海淺層巖芯取樣鉆機(jī)，并在海底下鉆0.7米，獲得首個(gè)巖芯樣品。

2010年，這個(gè)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的深海深孔巖芯取樣鉆機(jī)，又把海底鉆探深度推進(jìn)到20米。2012年，“海牛Ⅱ號(hào)”的前身——“海牛號(hào)”研制項(xiàng)目正式啟動(dòng)。2015年，“海牛號(hào)”在3000米海水下下鉆了60米。由此，我國(guó)成為世界上第四個(gè)擁有能在水深大于3000米的海底進(jìn)行60米鉆探技術(shù)的國(guó)家。

如今，我國(guó)多條海洋科考船配備了萬(wàn)步炎團(tuán)隊(duì)發(fā)明的專利設(shè)備，并在深海鉆孔1000多個(gè)。

海底鉆機(jī)的發(fā)展，與我國(guó)海底資源勘探歷程緊密相連。萬(wàn)步炎告訴記者，1999年以前，中國(guó)沒(méi)有能力研制大型深海機(jī)電裝備，只能從國(guó)外租借設(shè)備。后來(lái)，我國(guó)決定自主研發(fā)深海鉆探設(shè)備。萬(wàn)步炎團(tuán)隊(duì)迎難而上，接下了這項(xiàng)任務(wù)。他們幾乎從零起步，不斷摸索，奮勇攻關(guān)。

近年來(lái)，我國(guó)日益重視海洋技術(shù)裝備研發(fā)。深海海底鉆孔技術(shù)，對(duì)其他深海裝備制造技術(shù)具有很強(qiáng)的輻射性，可以帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)。萬(wàn)步炎說(shuō)，10多年前，科考船上基本所有設(shè)備都是進(jìn)口的，如今國(guó)產(chǎn)裝備達(dá)到80%以上，未來(lái)這一比例將越來(lái)越高。

萬(wàn)步炎表示，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(yōu)化深海鉆探設(shè)備性能，提升它的環(huán)境適應(yīng)能力、作業(yè)性能和智能化程度。此外，他們還計(jì)劃推進(jìn)“海牛Ⅱ號(hào)”量產(chǎn)，在海底油氣采場(chǎng)和海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)與工程地質(zhì)勘查領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

當(dāng)前，“海牛Ⅱ號(hào)”還在海上工作。深度超過(guò)萬(wàn)米的馬里亞納海溝，至今沒(méi)有人類進(jìn)行海底鉆探作業(yè)。“挑戰(zhàn)萬(wàn)米級(jí)水深地質(zhì)鉆探取樣，是我們團(tuán)隊(duì)接下來(lái)的目標(biāo)。”萬(wàn)步炎說(shuō)。