在超2000米水深中成功下鑽231米，刷新世界紀錄
深海鑽探，“海牛Ⅱ號”真牛(科技視點)
喻思南 唐亞慧
深海礦產資源豐富，發現、研究它們，需要通過水下鑽探獲取樣本。在各種取樣方式中，海底鑽機以其鑽探成本低、效率高、樣品擾動小、易操作等優勢，成為備受青睞的高技術裝備。
不久前，我國自主研發的“海牛Ⅱ號”海底大孔深保壓取芯鑽機系統，在超2000米深水中，成功下鑽231米，刷新了深海海底鑽機的世界紀錄，標誌着我國在該領域達到世界領先水平。
看似笨重，實則身手不凡
鑽探到200米以下，意味着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。萬步炎介紹，“海牛Ⅱ號”由海底鑽機本體、海底原位探測儀、移動式海底鑽機配套收放系統等部分組成。“其中，鑽機本體外觀上是一個橙黃色、八邊形的鋼質構造，高7.6米，‘腰圍’10米，體重12噸，是目前我國水中最重的地質勘探科考裝備。”
看似笨重的“海牛Ⅱ號”，在海底幹起活來卻很靈活。它的“武器”是身上的78根鑽桿，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，機械手取杆上膛，把鑽桿一根根鑽進岩層。
鑽頭相當於“海牛Ⅱ號”的犄角，由金剛石和硬質合金等材料製成。科研人員設計了不同種類的鑽頭，有的針對硬巖地層，有的適用於沉積岩軟巖地層。
“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，經過約兩個半小時下潛後，“海牛Ⅱ號”抵達水深2060米的海底。完成姿態調整後，“海牛Ⅱ號”隨即開展目標層保壓取芯鑽探作業。約15小時後，鑽進孔深達到海底地下231米。
除了鑽得深，“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。因而，普通深海鑽機無法取樣可燃冰，只有在保持海底地層相等壓力的狀態下，才能做到。
此前，全球海底鑽機的最大鑽孔深度設計能力為200米，而實際保壓取芯作業最深只到達135米，“海牛Ⅱ號”則大大刷新了這一紀錄。
通過鑽探取樣分析，可以瞭解礦藏儲量、品位和埋藏形態，為今後開採勾勒出一幅“藏寶圖”。“鑽得越深，能勘探的資源就越多。”萬步炎説，當前人類發現的、具有商業開採潛力的海洋礦產資源，基本上在海底200米以內。鑽探到200米以下，意味着我國在理論上具備了海洋資源全覆蓋的勘探能力。
根據《聯合國海洋法公約》，公海資源歸全人類共有，資源開採權一般遵循誰勘探、誰優先的規則。業內專家表示，“海牛Ⅱ號”是我國深海鑽探的一把 “利劍”，它的出鞘，使我國在海底固體礦產資源研究和開發上多了一分技術優勢。
攻克多個技術難題
所有關鍵技術均為自主研發，目前已取得125項專利
深海壓力大、温度低，“海牛Ⅱ號”要在複雜的環境中，順利實現鑽機收放、姿態調整、耐壓密封、鑽桿及芯管接卸、自動測控等一系列操作，技術難度非常大。
據萬步炎介紹，“海牛Ⅱ號”主要攻克了全程保壓繩索取芯、鑽管存儲與鑽桿快速接卸、智能化與專家操作系統、海底鑽機安全可靠下放和回收等技術難題。
鑽探過程中，某一段實現保壓取芯並不難，難的是全程保壓。針對這一問題，科研人員連續多年攻關，通過大孔深遙控全孔全程保壓繩索取芯，採用了獨創的巖芯管全長直接密封保壓取芯原理、技術與工藝，最終實現了海底鑽機小口徑大孔深高效、高可靠全孔全程保壓取芯。
萬步炎説，“海牛Ⅱ號”很“聰明”。科研人員為它量身定製了很多傳感器設備。這些傳感器，融合了團隊多年的海上實地鑽探經驗。到了海底，鑽頭會根據地層性狀情況，快速自動判斷並自適應調整鑽進模式與參數，解決了海底鑽機與配套取芯工藝對海底複雜地層的適應性難題，從而大幅提高了鑽探效率、取芯率和取芯質量。
得益於自動化、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”在鑽孔取芯的同時，還能幹“兼職”：原位探測岩石的電阻率、孔隙率，給孔內周邊岩石拍照等。
在海底鑽機收放裝置的設計和工藝上，團隊解決了因母船搖盪導致海底鑽機與收放裝置對齊與靠攏困難、易發生衝擊碰撞的問題，實現了海底鑽機水中自動校正收放方位、垂直翻轉過程自動抱緊海底鑽機功能，提高海底鑽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，目前已取得125項專利。
研製“海牛Ⅱ號”，依託的是我國國家重點研發計劃“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，即作業水深不少於2000米、鑽進深度不低於200米、保壓成功率不小於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，並超預期實現了任務目標。
未來還將不斷優化
挑戰萬米級水深地質鑽探取樣，是團隊接下來的目標
“海牛Ⅱ號”並非“橫空出世”，而是20多年堅持不懈、持續研發的結果。2000年，萬步炎團隊開始研發深海海底鑽機。3年後，團隊做出了我國首台深海淺層巖芯取樣鑽機，並在海底下鑽0.7米，獲得首個巖芯樣品。
2010年，這個團隊研發的深海深孔巖芯取樣鑽機，又把海底鑽探深度推進到20米。2012年，“海牛Ⅱ號”的前身——“海牛號”研製項目正式啓動。2015年，“海牛號”在3000米海水下下鑽了60米。由此，我國成為世界上第四個擁有能在水深大於3000米的海底進行60米鑽探技術的國家。
如今，我國多條海洋科考船配備了萬步炎團隊發明的專利設備，並在深海鑽孔1000多個。
海底鑽機的發展，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，中國沒有能力研製大型深海機電裝備，只能從國外租借設備。後來，我國決定自主研發深海鑽探設備。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。深海海底鑽孔技術，對其他深海裝備製造技術具有很強的輻射性，可以帶動相關領域的研發。萬步炎説，10多年前，科考船上基本所有設備都是進口的，如今國產裝備達到80%以上，未來這一比例將越來越高。
萬步炎表示，團隊將進一步優化深海鑽探設備性能，提升它的環境適應能力、作業性能和智能化程度。此外，他們還計劃推進“海牛Ⅱ號”量產，在海底油氣採場和海上風電場建設與工程地質勘查領域推廣應用。
當前，“海牛Ⅱ號”還在海上工作。深度超過萬米的馬裏亞納海溝，至今沒有人類進行海底鑽探作業。“挑戰萬米級水深地質鑽探取樣，是我們團隊接下來的目標。”萬步炎説。