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(jī)裝備

北京時(shí)間4月7日23時(shí)，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(xué)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(jī)系統(tǒng)。此次，在南海超2000米深水中，鉆機(jī)成功下鉆231米，不僅填補(bǔ)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(jī)裝備的空白，也刷新了世界深海海底鉆機(jī)的鉆深紀(jì)錄，標(biāo)志著我國在這一技術(shù)領(lǐng)域已達(dá)世界領(lǐng)先水平。

海底鉆機(jī)，是開展海洋地質(zhì)及環(huán)境科學(xué)研究、進(jìn)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備專項(xiàng)”課題，研制作業(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%的海底大孔深保壓取芯鉆機(jī)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(jī)?！表?xiàng)目負(fù)責(zé)人、湖南科技大學(xué)教授萬步炎說。

據(jù)科技日報(bào)記者了解，整個(gè)海底鉆機(jī)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(jī)安全可靠下放和回收等四大技術(shù)攻關(guān)難點(diǎn)。

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，實(shí)現(xiàn)海底鉆機(jī)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(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)的專家操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地層性狀變化的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，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(jī)械手設(shè)計(jì)技術(shù)，則通過采用小巧的定位機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了各層鉆管等間距排列，轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)只需簡單動作即可將重達(dá)數(shù)噸的鉆管庫高精度步進(jìn)旋轉(zhuǎn)。“精確定位多位移管機(jī)械手與高精度快速鉆桿接卸裝置協(xié)同動作，實(shí)現(xiàn)鉆桿、鉆具的快速接卸、巖芯管的取放和移管?！比f步炎說。

海底鉆機(jī)收放裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和完善的收放工藝上，團(tuán)隊(duì)有效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。

最終，這些全新的、基于海底鉆機(jī)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(shè)計(jì)技術(shù)、海底復(fù)雜地層智能鉆進(jìn)專家系統(tǒng)等技術(shù)，顯著提高了鉆機(jī)鉆探效率、取芯質(zhì)量、保壓成功率。與此同時(shí)，鉆機(jī)重量較國外同類鉆機(jī)，也實(shí)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(jì)劃海洋技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目“海底60米多用途鉆機(jī)系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用研究”。也是在2015年，達(dá)世界先進(jìn)水平的60米海底深孔巖心鉆機(jī)“海?！泵媸?，首次南海試水，邁向深藍(lán)。當(dāng)時(shí)，“海?！痹?000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(bào)記者透露，團(tuán)隊(duì)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(jī)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)”?！把兄瞥晒Φ脑?，預(yù)計(jì)最大鉆進(jìn)深度能力將達(dá)230米，能充分滿足可燃冰勘探需求。但是至少，我們要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)突破。一個(gè)是從60米到230米的鉆孔深度的突破，另一個(gè)是海底保壓取芯技術(shù)的突破?！?/p>

萬步炎當(dāng)年的愿望，今天得已成功實(shí)現(xiàn)。

贊！二十一年磨一劍，這臺刷新世界深海海底鉆機(jī)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(shí)間4月7日23時(shí)左右，湖南科技大學(xué)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(jī)系統(tǒng)刷新了世界深海海底鉆機(jī)鉆探深度。這一深海試驗(yàn)的成功，填補(bǔ)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(jī)裝備的空白，標(biāo)志著我國在這一技術(shù)領(lǐng)域已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

“海牛Ⅱ號”海試成功

北京時(shí)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(dá)目標(biāo)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(shí)左右進(jìn)行，8時(shí)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(jìn)行了約15個(gè)小時(shí)的目標(biāo)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(jī)系統(tǒng)是我國重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備專項(xiàng)”課題，目標(biāo)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(jī)系統(tǒng)?！昂Ｅ＂蛱枴便@機(jī)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(shè)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(jī)海底100余米的最大鉆探深度，“海牛Ⅱ號”本次海底目標(biāo)層保壓取芯鉆探深度達(dá)到231米，更是意義非凡?！薄昂Ｅ＂蛱枴笔紫茖W(xué)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(jī)，它采用全新的基于海底鉆機(jī)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(shè)計(jì)技術(shù)、以及海底復(fù)雜地層智能鉆進(jìn)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(jī)重量較國外同類鉆機(jī)大幅減少，水下收放作業(yè)難度大幅降低，這次深海試驗(yàn)的成功，意味著我國在該技術(shù)領(lǐng)域已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

二十一年磨一劍

萬步炎和他的科研團(tuán)隊(duì)，二十一年磨一劍。2000年開始研制深海海底鉆機(jī)，2003年，成功研制出我國首臺深海淺層巖芯取樣鉆機(jī)，并成功在海底下鉆0.7米，鉆獲第一個(gè)巖芯樣品，開啟了我國自主研發(fā)深海海底鉆機(jī)的歷程。隨后十幾年，萬步炎帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)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(jī)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(jī)取得成功，改寫了我國深海海底鉆機(jī)鉆探深度紀(jì)錄。2021年他研發(fā)“海牛Ⅱ號”海底大孔深保壓取芯鉆機(jī)系統(tǒng)在南海成功下鉆231米，刷新世界深海海底鉆機(jī)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(xiàng)國家專利，4項(xiàng)國際發(fā)明專利。

盡管已取得巨大成功，但萬步炎及其團(tuán)隊(duì)的腳步?jīng)]有停下。據(jù)了解，他和團(tuán)隊(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)11000米級水深地質(zhì)鉆探取樣，為揭示海溝擴(kuò)張演化規(guī)律和獨(dú)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(bào)俞慧友 通 訊 員 唐亞慧 圖片攝影：金永平三湘都市報(bào)

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