海牛Ⅱ號：基于水合物保壓取芯原理研發(fā)出具有保壓取芯功能的深海海底鉆機裝備

北京時間4月7日23時，一只高7.6米、“腰圍”10米、體重12噸的龐大“神獸”，悄悄“潛”入了南海2000米的水下。

這只“神獸”，正是由湖南科技大學牽頭，我國自主研發(fā)的“海牛Ⅱ號”海底大孔深保壓取芯鉆機系統(tǒng)。此次，在南海超2000米深水中，鉆機成功下鉆231米，不僅填補了我國海底鉆深大于100米、具有保壓取芯功能的深海海底鉆機裝備的空白，也刷新了世界深海海底鉆機的鉆深紀錄，標志著我國在這一技術(shù)領(lǐng)域已達世界領(lǐng)先水平。

海底鉆機，是開展海洋地質(zhì)及環(huán)境科學研究、進行海洋礦產(chǎn)資源勘探和海底工程地質(zhì)勘查所必備的海洋高技術(shù)裝備。此次這一重大海洋裝備的研制，依托了我國國家重點研發(fā)計劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備專項”課題，研制作業(yè)水深不少于2000米、鉆進深度不低于200米、保壓成功率不小于60%的海底大孔深保壓取芯鉆機系統(tǒng)，并最終形成一整套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海底大孔深保壓鉆探取芯裝備技術(shù)與成果，為我國海底天然氣水合物勘探提供裝備技術(shù)支撐。

“盡管它很龐大，但它潛入海底依然是很靈活的。它也是目前世界上唯一一臺海底鉆深大于200米的深海海底鉆機。”項目負責人、湖南科技大學教授萬步炎說。

據(jù)科技日報記者了解，整個海底鉆機主要攻克了大孔深遙控全孔全程保壓繩索取芯、智能化與專家操作系統(tǒng)、大容量鉆管存儲與鉆桿快速接卸、海底鉆機安全可靠下放和回收等四大技術(shù)攻關(guān)難點。

大孔深遙控全孔全程保壓繩索取芯，采用了獨創(chuàng)的巖芯管全長直接密封保壓取芯原理、技術(shù)與工藝，實現(xiàn)海底鉆機小口徑大孔深高效、高可靠全孔全程保壓取芯。

基于自主研發(fā)的高精度鉆壓、鉆速、循環(huán)水壓力和流量等多傳感器信息，融合多年海上實鉆經(jīng)驗的專家操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了地層性狀變化的快速自動判斷并自適應調(diào)整鉆進模式與參數(shù)，解決了海底鉆機與配套取芯工藝對海底復雜地層的適應性難題，大幅提高鉆探效率、取芯率和取芯質(zhì)量。

多層大容量密集排布鉆管庫及精確定位移管機械手設計技術(shù)，則通過采用小巧的定位機構(gòu)，實現(xiàn)了各層鉆管等間距排列，轉(zhuǎn)盤機構(gòu)只需簡單動作即可將重達數(shù)噸的鉆管庫高精度步進旋轉(zhuǎn)。“精確定位多位移管機械手與高精度快速鉆桿接卸裝置協(xié)同動作，實現(xiàn)鉆桿、鉆具的快速接卸、巖芯管的取放和移管。”萬步炎說。

海底鉆機收放裝置的創(chuàng)新設計和完善的收放工藝上，團隊有效解決了因母船搖蕩導致海底鉆機與收放裝置對齊與靠攏困難、易發(fā)生沖擊碰撞的問題，實現(xiàn)了海底鉆機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功能，提高海底鉆機收放效率和收放過程的安全性與可靠性。

最終，這些全新的、基于海底鉆機繩索取芯技術(shù)的水合物保壓取芯原理，以及保壓取芯技術(shù)與工藝、輕量化設計技術(shù)、海底復雜地層智能鉆進專家系統(tǒng)等技術(shù)，顯著提高了鉆機鉆探效率、取芯質(zhì)量、保壓成功率。與此同時，鉆機重量較國外同類鉆機，也實現(xiàn)了大幅減重，大大降低了水下收放作業(yè)難度。

我國研制“海牛”，起步于2015年前后，我國863計劃海洋技術(shù)領(lǐng)域項目“海底60米多用途鉆機系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)與應用研究”。也是在2015年，達世界先進水平的60米海底深孔巖心鉆機“海牛”面世，首次南海試水，邁向深藍。當時，“海牛”在3000米海水深處，再往地底下“鉆”60米，用于礦產(chǎn)資源勘探最后一步的“鉆探”。

此后的2017年，萬步炎曾向科技日報記者透露，團隊將針對存在于800米到2000多米深度的海底層“可燃冰”，開發(fā)“保壓取芯勘探系統(tǒng)”。

他解釋，在特殊的海水深度與壓力下，可燃冰呈現(xiàn)“冰”狀。但可燃冰一旦離開其適宜的海水深度，就會變成氣體揮發(fā)。因而，普通深海鉆機不適合取樣可燃冰。只有在保持同等壓力的狀態(tài)下，將可燃冰取出。這就需要研制“保壓取芯勘探系統(tǒng)”。“研制成功的話，預計最大鉆進深度能力將達230米，能充分滿足可燃冰勘探需求。但是至少，我們要實現(xiàn)兩個突破。一個是從60米到230米的鉆孔深度的突破，另一個是海底保壓取芯技術(shù)的突破。”

萬步炎當年的愿望，今天得已成功實現(xiàn)。

贊！二十一年磨一劍，這臺刷新世界深海海底鉆機鉆探深度的“海牛Ⅱ號”湖南造

在南海超2000米深水成功下鉆231米……北京時間4月7日23時左右，湖南科技大學領(lǐng)銜研發(fā)的我國首臺“海牛Ⅱ號”海底大孔深保壓取芯鉆機系統(tǒng)刷新了世界深海海底鉆機鉆探深度。這一深海試驗的成功，填補了我國海底鉆探深度大于100米，具備保壓取芯功能的深海海底鉆機裝備的空白，標志著我國在這一技術(shù)領(lǐng)域已達到世界領(lǐng)先水平。

“海牛Ⅱ號”海試成功

北京時間4月3日，“海牛Ⅱ號”搭載海洋地質(zhì)二號科考船從廣州港口出發(fā)，抵達目標工區(qū)并開展深海作業(yè)聯(lián)調(diào)聯(lián)試。海試作業(yè)于7日上午6時左右進行，8時30分，“海牛Ⅱ號”成功坐底在水深2060米的海底，在海底完成姿態(tài)調(diào)平后，進行了約15個小時的目標層保壓取芯鉆探作業(yè)。

據(jù)悉，“海牛Ⅱ號”海底大孔深保壓取芯鉆機系統(tǒng)是我國重點研發(fā)計劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備專項”課題，目標是研制作業(yè)水深不小于2000米，鉆探深度不小于200米，保壓成功率不小于60%，可有效滿足我國海底天然氣水合物（可燃冰）資源勘探的海底大孔深保壓取芯鉆機系統(tǒng)。“海牛Ⅱ號”鉆機本體高7.6米，腰圍10米，體重12噸，水下重量10噸，是目前我國水下重量最重的地質(zhì)勘探科考設備。它看似龐然大物，到了海底“海牛Ⅱ號”就像一條泥鰍一樣靈活。

“相比較于目前世界上深海海底鉆機海底100余米的最大鉆探深度，“海牛Ⅱ號”本次海底目標層保壓取芯鉆探深度達到231米，更是意義非凡。”“海牛Ⅱ號”首席科學家萬步炎教授告訴記者，這是目前世界上唯一一臺海底鉆探深度大于200米的深海海底鉆機，它采用全新的基于海底鉆機繩索取芯技術(shù)的水合物保壓取芯原理、保壓取芯技術(shù)與工藝、輕量化設計技術(shù)、以及海底復雜地層智能鉆進專家系統(tǒng)，使得鉆探效率、取芯質(zhì)量、保壓成功率顯著提高，鉆機重量較國外同類鉆機大幅減少，水下收放作業(yè)難度大幅降低，這次深海試驗的成功，意味著我國在該技術(shù)領(lǐng)域已達到世界領(lǐng)先水平。

二十一年磨一劍

萬步炎和他的科研團隊，二十一年磨一劍。2000年開始研制深海海底鉆機，2003年，成功研制出我國首臺深海淺層巖芯取樣鉆機，并成功在海底下鉆0.7米，鉆獲第一個巖芯樣品，開啟了我國自主研發(fā)深海海底鉆機的歷程。隨后十幾年，萬步炎帶領(lǐng)他的團隊扎根這一技術(shù)領(lǐng)域，執(zhí)著攻關(guān)。

2010年，萬步炎的深海中深孔巖芯取樣鉆機研制成功，海底鉆探深度20米。2015年他研發(fā)“海牛號”海底多用途鉆機取得成功，改寫了我國深海海底鉆機鉆探深度紀錄。2021年他研發(fā)“海牛Ⅱ號”海底大孔深保壓取芯鉆機系統(tǒng)在南海成功下鉆231米，刷新世界深海海底鉆機鉆探深度。所有關(guān)鍵技術(shù)均為自主研發(fā)，目前已取得125項國家專利，4項國際發(fā)明專利。

盡管已取得巨大成功，但萬步炎及其團隊的腳步?jīng)]有停下。據(jù)了解，他和團隊已經(jīng)把目光瞄向11000米水深的馬里亞納海溝，在這里每一個指甲殼大小的面積將承受1噸的重量，力爭在未來幾年內(nèi)，實現(xiàn)11000米級水深地質(zhì)鉆探取樣，為揭示海溝擴張演化規(guī)律和獨特的生態(tài)系統(tǒng)及生命過程演化規(guī)律提供利器。

來源：科技日報俞慧友 通 訊 員 唐亞慧 圖片攝影：金永平三湘都市報

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