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万步炎|深海钻探，“海牛Ⅱ号”真牛（科技视点）

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“海牛Ⅱ号”搭载科考船驶向深海 。
湖南科技大学供图

万步炎|深海钻探，“海牛Ⅱ号”真牛（科技视点）
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“海牛Ⅱ号”正在进行海试作业 。
湖南科技大学供图
深海矿产资源丰富 ， 发现、研究它们 ， 需要通过水下钻探获取样本 。 在各种取样方式中 ， 海底钻机以其钻探成本低、效率高、样品扰动小、易操作等优势 ， 成为备受青睐的高技术装备 。
不久前 ， 我国自主研发的“海牛Ⅱ号”海底大孔深保压取芯钻机系统 ， 在超2000米深水中 ， 成功下钻231米 ， 刷新了深海海底钻机的世界纪录 ， 标志着我国在该领域达到世界领先水平 。
看似笨重 ， 实则身手不凡
钻探到200米以下 ， 意味着我国理论上具备海洋资源全覆盖的勘探能力
“海牛Ⅱ号”由湖南科技大学教授万步炎领衔研发 。 万步炎介绍 ， “海牛Ⅱ号”由海底钻机本体、海底原位探测仪、移动式海底钻机配套收放系统等部分组成 。 “其中 ， 钻机本体外观上是一个橙黄色、八边形的钢质构造 ， 高7.6米 ， ‘腰围’10米 ， 体重12吨 ， 是目前我国水中最重的地质勘探科考装备 。 ”
看似笨重的“海牛Ⅱ号” ， 在海底干起活来却很灵活 。 它的“武器”是身上的78根钻杆 ， 每根3米长 ， 像左轮手枪的子弹一样排列在圆盘之上 。 操作时 ， 通过圆盘旋转 ， 机械手取杆上膛 ， 把钻杆一根根钻进岩层 。
钻头相当于“海牛Ⅱ号”的犄角 ， 由金刚石和硬质合金等材料制成 。 科研人员设计了不同种类的钻头 ， 有的针对硬岩地层 ， 有的适用于沉积岩软岩地层 。
“海牛Ⅱ号”是在4月7日刷新的世界纪录 。 万步炎告诉采访人员 ， 当天 ， 经过约两个半小时下潜后 ， “海牛Ⅱ号”抵达水深2060米的海底 。 完成姿态调整后 ， “海牛Ⅱ号”随即开展目标层保压取芯钻探作业 。 约15小时后 ， 钻进孔深达到海底地下231米 。
除了钻得深 ， “海牛Ⅱ号”还有一项独门绝技——保压取芯 。 这是勘探可燃冰等某些海底矿产的关键 。 万步炎介绍 ， 在海水压力下 ， 可燃冰呈“冰”状 ， 它一旦离开其适宜的海水深度 ， 就会因压力减小而变成气体挥发 。 因而 ， 普通深海钻机无法取样可燃冰 ， 只有在保持海底地层相等压力的状态下 ， 才能做到 。
此前 ， 全球海底钻机的最大钻孔深度设计能力为200米 ， 而实际保压取芯作业最深只到达135米 ， “海牛Ⅱ号”则大大刷新了这一纪录 。
通过钻探取样分析 ， 可以了解矿藏储量、品位和埋藏形态 ， 为今后开采勾勒出一幅“藏宝图” 。 “钻得越深 ， 能勘探的资源就越多 。 ”万步炎说 ， 当前人类发现的、具有商业开采潜力的海洋矿产资源 ， 基本上在海底200米以内 。 钻探到200米以下 ， 意味着我国在理论上具备了海洋资源全覆盖的勘探能力 。
根据《联合国海洋法公约》 ， 公海资源归全人类共有 ， 资源开采权一般遵循谁勘探、谁优先的规则 。 业内专家表示 ， “海牛Ⅱ号”是我国深海钻探的一把 “利剑” ， 它的出鞘 ， 使我国在海底固体矿产资源研究和开发上多了一分技术优势 。
攻克多个技术难题
所有关键技术均为自主研发 ， 目前已取得125项专利
深海压力大、温度低 ， “海牛Ⅱ号”要在复杂的环境中 ， 顺利实现钻机收放、姿态调整、耐压密封、钻杆及芯管接卸、自动测控等一系列操作 ， 技术难度非常大 。
据万步炎介绍 ， “海牛Ⅱ号”主要攻克了全程保压绳索取芯、钻管存储与钻杆快速接卸、智能化与专家操作系统、海底钻机安全可靠下放和回收等技术难题 。
钻探过程中 ， 某一段实现保压取芯并不难 ， 难的是全程保压 。 针对这一问题 ， 科研人员连续多年攻关 ， 通过大孔深遥控全孔全程保压绳索取芯 ， 采用了独创的岩芯管全长直接密封保压取芯原理、技术与工艺 ， 最终实现了海底钻机小口径大孔深高效、高可靠全孔全程保压取芯 。
万步炎说 ， “海牛Ⅱ号”很“聪明” 。 科研人员为它量身定制了很多传感器设备 。 这些传感器 ， 融合了团队多年的海上实地钻探经验 。 到了海底 ， 钻头会根据地层性状情况 ， 快速自动判断并自适应调整钻进模式与参数 ， 解决了海底钻机与配套取芯工艺对海底复杂地层的适应性难题 ， 从而大幅提高了钻探效率、取芯率和取芯质量 。
得益于自动化、智能化的设计 ， 一个人就可在母船上完成“海牛Ⅱ号”操作 。 “海牛Ⅱ号”在钻孔取芯的同时 ， 还能干“兼职”：原位探测岩石的电阻率、孔隙率 ， 给孔内周边岩石拍照等 。
在海底钻机收放装置的设计和工艺上 ， 团队解决了因母船摇荡导致海底钻机与收放装置对齐与靠拢困难、易发生冲击碰撞的问题 ， 实现了海底钻机水中自动校正收放方位、垂直翻转过程自动抱紧海底钻机功能 ， 提高海底钻机收放效率和收放过程的安全性与可靠性 。
值得一提的是 ， “海牛Ⅱ号”所有关键技术均为自主研发 ， 目前已取得125项专利 。
研制“海牛Ⅱ号” ， 依托的是我国国家重点研发计划“深海关键技术与装备专项”课题 。 针对“海牛Ⅱ号” ， 任务书有三大目标 ， 即作业水深不少于2000米、钻进深度不低于200米、保压成功率不小于60% 。 令万步炎高兴的是 ， 本次海试充分验证了“海牛Ⅱ号”的设计性能 ， 并超预期实现了任务目标 。
未来还将不断优化
挑战万米级水深地质钻探取样 ， 是团队接下来的目标
“海牛Ⅱ号”并非“横空出世” ， 而是20多年坚持不懈、持续研发的结果 。 2000年 ， 万步炎团队开始研发深海海底钻机 。 3年后 ， 团队做出了我国首台深海浅层岩芯取样钻机 ， 并在海底下钻0.7米 ， 获得首个岩芯样品 。
2010年 ， 这个团队研发的深海深孔岩芯取样钻机 ， 又把海底钻探深度推进到20米 。 2012年 ， “海牛Ⅱ号”的前身——“海牛号”研制项目正式启动 。 2015年 ， “海牛号”在3000米海水下下钻了60米 。 由此 ， 我国成为世界上第四个拥有能在水深大于3000米的海底进行60米钻探技术的国家 。
如今 ， 我国多条海洋科考船配备了万步炎团队发明的专利设备 ， 并在深海钻孔1000多个 。
海底钻机的发展 ， 与我国海底资源勘探历程紧密相连 。 万步炎告诉采访人员 ， 1999年以前 ， 中国没有能力研制大型深海机电装备 ， 只能从国外租借设备 。 后来 ， 我国决定自主研发深海钻探设备 。 万步炎团队迎难而上 ， 接下了这项任务 。 他们几乎从零起步 ， 不断摸索 ， 奋勇攻关 。
近年来 ， 我国日益重视海洋技术装备研发 。 深海海底钻孔技术 ， 对其他深海装备制造技术具有很强的辐射性 ， 可以带动相关领域的研发 。 万步炎说 ， 10多年前 ， 科考船上基本所有设备都是进口的 ， 如今国产装备达到80%以上 ， 未来这一比例将越来越高 。
万步炎表示 ， 团队将进一步优化深海钻探设备性能 ， 提升它的环境适应能力、作业性能和智能化程度 。 此外 ， 他们还计划推进“海牛Ⅱ号”量产 ， 在海底油气采场和海上风电场建设与工程地质勘查领域推广应用 。
【万步炎|深海钻探，“海牛Ⅱ号”真牛（科技视点）】当前 ， “海牛Ⅱ号”还在海上工作 。 深度超过万米的马里亚纳海沟 ， 至今没有人类进行海底钻探作业 。 “挑战万米级水深地质钻探取样 ， 是我们团队接下来的目标 。 ”万步炎说 。

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