「海牛Ⅱ號」搭載科考船駛向深海。
湖南科技大學供圖
「海牛Ⅱ號」正在進行海試作業。
湖南科技大學供圖
深海礦產資源豐富，發現、研究牠們，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，標誌著我國在該領域達到世界領先水準。
看似笨重，實則身手不凡
鑽探到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，機械手取桿上膛，把鑽桿一根根鑽進岩層。
鑽頭相當于「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，有的針對硬岩地層，有的適用於沉積岩軟岩地層。
「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。」萬步炎說，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，意味著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、溫度低，「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、智能化與專家作業系統、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，採用了獨創的岩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。
萬步炎說，「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畫「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，團隊做出了我國首臺深海淺層岩芯取樣鑽機，並在海底下鑽0.7米，獲得首個岩芯樣品。
2010年，這個團隊研發的深海深孔岩芯取樣鑽機，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」研製項目正式啟動。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。萬步炎說，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，提昇它的環境適應能力、作業性能和智能化程度。此外，他們還計畫推進「海牛Ⅱ號」量產，在海底油氣采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。深度超過萬米的馬里亞納海溝，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。」萬步炎說。
《 人民日報 》（ 2021年05月17日 19 版）
