在超2000米水深中成功下钻231米，刷新世界纪录
深海钻探，“海牛号”真牛(科技视点)
余思南唐雅惠
深海矿产资源丰富。为了发现和研究它们，有必要通过水下钻孔获得样品。在各种取样方法中，海底钻机以其钻井成本低、效率高、样品扰动小、操作简单等优点成为一种受欢迎的高科技设备。
不久前，中国自行研制的“牛海二号”深孔保压取心钻机系统在2000多米的深水中成功钻进231米，创造了深海钻机的世界新纪录，标志着中国在这一领域达到了世界领先水平。
看似笨重，实则身手不凡
在200米以下钻井意味着中国理论上有能力勘探全覆盖的海洋资源
海牛二号是湖南科技大学教授万步燕开发的。万步燕介绍说，“牛海二号”由潜艇钻机本体、潜艇原位探测器和移动式潜艇钻机配套收放系统组成。“其中，钻台体外观为橙黄色八角形钢结构，高7.6米，‘腰围’10米，重12吨。它是目前中国最重的地质勘探科研设备。”
看起来很重的海牛在海底工作很灵活。它的“武器”是它身上的78根钻杆，每根3米长，像左轮手枪子弹一样排列在一个圆盘上。操作时，机械手拿起钻杆并装载，将钻杆逐个钻入岩层。
钻头相当于“牛海”的喇叭，由金刚石、硬质合金等材料制成。研究人员设计了不同种类的钻头，一些用于坚硬的岩石地层，一些用于沉积岩和软岩地层。
“海牛二号”是4月7日的新世界纪录。万步燕告诉记者，当天，经过大约两个半小时的潜水，“海牛二号”抵达水深2060米的海底。姿态调整完成后，“牛海二号”立即在目标层开始保压取心钻井作业。大约15个小时后，钻井深度达到海底以下231米。
“海牛”除了钻深以外，还有一项——保压取芯的绝活。这是探索可燃冰等一些海底矿物的关键。万步燕介绍说，在海水的压力下，可燃冰是“冰”的形状。一旦离开其适宜的海水深度，就会因压力降低而变成气体挥发。因此，普通深海钻机无法采样可燃冰，只能在保持海底地层等压的情况下才能实现。
此前，全球海底钻机的最大钻井深度设计为200米，而实际持压取心作业的最大深度仅达到135米，“海牛二号”大大创下新纪录。
通过钻探取样分析，可以了解矿产储量、品位、埋藏规律，为以后的开采绘制“宝图”。"钻得越深，你能探索的资源就越多."万步燕说，人类发现的具有商业开采潜力的海洋矿产资源，基本都在海床200米以内。钻200米以下，理论上意味着我国具有全覆盖海洋资源的勘探能力。
《联合国海洋法公约》认为，公海资源是全人类共有的，资源的开采权一般遵循谁勘探，谁优先的规则。业内专家表示，“海牛二号”是中国深海钻探的“利剑”，它的出鞘，让中国在海底固体矿产资源研发方面拥有技术优势。
攻克多个技术难题
所有关键技术都是自主研发的，目前已获得125项专利
由于深海压力高、温度低，“海牛二号”很难在复杂环境下成功实施钻机回缩、姿态调整、耐压密封、钻杆与芯管连接卸载、自动测控等一系列作业。
万步燕表示，“海牛二号”主要克服了全压持绳取心、钻杆储存和钻杆快速装卸、智能专家操作系统、海底钻机安全可靠下放回收等技术难题。
在钻井过程中，在某一段实现保压取心并不困难，但在整个过程中很难保压。为了解决这一问题，研究人员多年来一直在攻关，通过遥控大孔深全孔保压绳索取心，采用了原岩心管全长直接密封保压取心的原理、技术和工艺，最终实现了小直径大孔深高效高可靠性全孔保压取心。
万步燕说《海牛二》很“聪明”。研究人员已经为此定制了许多传感器设备。这些传感器结合了该团队多年的海上现场钻井经验。到达海底后，钻头会根据地层性质，快速自动判断并自适应调整钻井方式和参数，解决了海底钻机的适应性问题，使取心技术与复杂的海底地层相匹配，大大提高了钻井效率、取心率和取心质量。
得益于自动化和智能化的设计，一个人就可以在母船上完成海牛二号的操作。“海牛二号”可以边钻井、取芯边做“兼职”:原位检测岩石电阻率、孔隙度、洞内围岩拍照等。
在潜艇钻机收放装置的设计和技术方面，该团队解决了潜艇钻机和收放装置因母船摆动而难以对准和靠拢，容易受到冲击和碰撞的问题。
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。万步炎告诉记者，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。
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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