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(jī)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(shù)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(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(xué)教授萬步炎領(lǐng)銜研發(fā)。萬步炎介紹,，“海牛Ⅱ號”由海底鉆機(jī)本體,、海底原位探測儀、移動式海底鉆機(jī)配套收放系統(tǒng)等部分組成?！捌渲?，鉆機(jī)本體外觀上是一個橙黃色、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(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”的犄角,，由金剛石和硬質(zhì)合金等材料制成?？蒲腥藛T設(shè)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(jì)錄,。萬步炎告訴筆者，當(dāng)天,，經(jīng)過約兩個半小時下潛后,，“海牛Ⅱ號”抵達(dá)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(biāo)層保壓取芯鉆探作業(yè),。約15小時后，鉆進(jìn)孔深達(dá)到海底地下231米,。

除了鉆得深,，“海牛Ⅱ號”還有一項獨(dú)門絕技——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(jī)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。

攻克多個技術(shù)難題

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

深海壓力大,、溫度低，“海牛Ⅱ號”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,、自動測控等一系列操作，技術(shù)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(jī)安全可靠下放和回收等技術(shù)難題。

鉆探過程中,，某一段實(shí)現(xiàn)保壓取芯并不難,，難的是全程保壓。針對這一問題,，科研人員連續(xù)多年攻關(guān),，通過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,。

萬步炎說,，“海牛Ⅱ號”很“聰明”?？蒲腥藛T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)隊多年的海上實(shí)地鉆探經(jīng)驗(yàn),。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(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。

得益于自動化,、智能化的設(shè)計,，一個人就可在母船上完成“海牛Ⅱ號”操作?！昂Ｅ＂蛱枴痹阢@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(jī)收放裝置的設(shè)計和工藝上，團(tuán)隊解決了因母船搖蕩導(dǎo)致海底鉆機(jī)與收放裝置對齊與靠攏困難,、易發(fā)生沖擊碰撞的問題,，實(shí)現(xiàn)了海底鉆機(jī)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(jī)功能,，提高海底鉆機(jī)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(guān)鍵技術(shù)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(diǎn)研發(fā)計劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備專項”課題,。針對“海牛Ⅱ號”，任務(wù)書有三大目標(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%,。令萬步炎高興的是,，本次海試充分驗(yàn)證了“海牛Ⅱ號”的設(shè)計性能，并超預(yù)期實(shí)現(xiàn)了任務(wù)目標(biāo),。

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(tuán)隊接下來的目標(biāo)

“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(jié)果,。2000年，萬步炎團(tuán)隊開始研發(fā)深海海底鉆機(jī),。3年后,，團(tuán)隊做出了我國首臺深海淺層巖芯取樣鉆機(jī)，并在海底下鉆0.7米，獲得首個巖芯樣品,。

2010年,，這個團(tuán)隊研發(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”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(jìn)行60米鉆探技術(shù)的國家,。

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

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

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

萬步炎表示,，團(tuán)隊將進(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,，他們還計劃推進(jìn)“海牛Ⅱ號”量產(chǎn),，在海底油氣采場和海上風(fēng)電場建設(shè)與工程地質(zhì)勘查領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

當(dāng)前,，“海牛Ⅱ號”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(jìn)行海底鉆探作業(yè),?！疤魬?zhàn)萬米級水深地質(zhì)鉆探取樣，是我們團(tuán)隊接下來的目標(biāo),?！比f步炎說。

來源：人民日報