“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（zuò）業。 湖（hú）南科技（jì）大學供圖
深海礦產資源豐富，發現、研究（jiū）它們，需要通（tōng）過水下鑽探獲取樣本。在各種取樣方式中，海（hǎi）底鑽機以其鑽探成本（běn）低、效率高、樣品擾動小、易操作等優（yōu）勢（shì），成為備受青睞（lài）的高技術（shù）裝備。
不久前，我國（guó）自主研發（fā）的“海（hǎi）牛Ⅱ號”海底大（dà）孔（kǒng）深保壓取芯鑽機係統，在超2000米深（shēn）水中，成功下鑽231米，刷新了深海海底鑽機的世界紀錄，標（biāo）誌著我國（guó）在該領域達到（dào）世界領先水平。
看（kàn）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（yuán）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（hǎi）底（dǐ）原位探測（cè）儀、移動（dòng）式海底鑽機配套收放係統等（děng）部分組成。“其中，鑽（zuàn）機本（běn）體外觀上是一個（gè）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（shuǐ）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（gàn）起活來卻很靈活。它的（de）“武器”是身上的78根鑽杆，每根3米長，像左輪（lún）手槍的子彈一樣（yàng）排列在圓盤之上。操作（zuò）時（shí），通過圓盤（pán）旋轉，機械手取杆上膛，把鑽杆一根根鑽進岩層（céng）。
鑽頭相當於“海牛Ⅱ號”的犄角，由金剛石和硬質合（hé）金等材料製成。科研人員設計了不同種類的鑽頭（tóu），有的針對硬岩地層，有的（de）適用於沉積岩軟岩地（dì）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（dāng）天，經（jīng）過約兩個（gè）半小時下潛（qián）後，“海牛Ⅱ號”抵達水深2060米的（de）海底。完成姿態調整後，“海牛Ⅱ號（hào）”隨即開展目標層保壓取芯鑽探作業。約（yuē）15小時後，鑽進孔深達到海底地下231米。
除了鑽得深，“海（hǎi）牛Ⅱ號”還有一項獨門絕（jué）技——保壓（yā）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（kě）燃冰呈“冰”狀，它一旦離開其適宜的海水（shuǐ）深度，就會因壓力減小而變（biàn）成氣體揮發。因而，普通深海鑽機（jī）無法取樣可燃冰，隻有在保持海底地層相等壓力的狀態下，才能做到。
此前，全（quán）球（qiú）海底鑽機的最大鑽（zuàn）孔深度設計能力（lì）為200米，而實際保壓取芯作業最深隻到達135米，“海牛Ⅱ號”則大大刷新了這一紀錄。
通過鑽探取樣分析，可以了解礦藏儲量、品位和埋（mái）藏形態，為（wéi）今後開采勾勒出一幅“藏寶圖”。“鑽得越深，能勘（kān）探的資源就越多。”萬步炎說，當前人類發現的、具有商業開采潛力的海洋礦產資源，基本上（shàng）在海底200米以內。鑽探到200米以下，意味著（zhe）我國在理論上具（jù）備了海洋資（zī）源全覆蓋的勘探能力（lì）。
根據《聯合國海洋法（fǎ）公約》，公海資源歸全人類共有，資源開采權一般遵循誰勘探、誰優先的規則。業內專家表示，“海牛Ⅱ號”是我國深（shēn）海（hǎi）鑽探的一把 “利劍”，它（tā）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（jì）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（fù）雜（zá）的（de）環境中，順利實現鑽機收放、姿（zī）態調整、耐壓密封、鑽杆及芯管接卸、自動測（cè）控等一係列操作，技術難度非常（cháng）大。
據萬步炎介紹，“海牛Ⅱ號”主要攻克了（le）全程保（bǎo）壓繩索（suǒ）取芯、鑽管存儲與鑽杆快速接卸、智能（néng）化與專家操作係統、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（xiàn）保壓取（qǔ）芯並不難，難的是全程保壓。針對這一問題，科研人員（yuán）連續多年攻（gōng）關，通過大孔深遙控全孔全程保（bǎo）壓繩（shéng）索取芯，采用了獨創的岩芯管全長（zhǎng）直（zhí）接密封保壓（yā）取芯原理、技術（shù）與工藝，最終實現了海底鑽機小口徑大孔深高效、高（gāo）可靠全（quán）孔全（quán）程保壓取芯。
萬步炎說，“海牛Ⅱ號”很（hěn）“聰明”。科研人員（yuán）為（wéi）它量身定製了很多傳（chuán）感器設備。這些傳感器（qì），融合了團隊多年的海（hǎi）上實地鑽探經驗。到了（le）海底，鑽頭會根據地層性狀情況，快速自動判斷（duàn）並自（zì）適應調（diào）整鑽進模式與（yǔ）參數（shù），解決（jué）了海（hǎi）底鑽機與配套取芯工藝對海底（dǐ）複雜地（dì）層的適應性難（nán）題，從而大幅提高了鑽探效率（lǜ）、取芯率和取芯質量。
得益於自動化、智能化的（de）設計，一個人就（jiù）可（kě）在母船上完成“海（hǎi）牛Ⅱ號”操作。“海牛Ⅱ號”在鑽孔取芯的同時，還能幹“兼職”：原（yuán）位探測（cè）岩石的電阻率、孔隙率，給孔（kǒng）內周邊岩石拍（pāi）照等。
在（zài）海底鑽機（jī）收放（fàng）裝（zhuāng）置的設計和工藝上，團隊解決了（le）因母（mǔ）船搖蕩導致海底鑽機（jī）與收放裝置（zhì）對齊與靠攏（lǒng）困難（nán）、易發生衝擊碰撞的（de）問題，實（shí）現了海底鑽機水（shuǐ）中自動校正收放（fàng）方位、垂直翻轉（zhuǎn）過程自動抱緊海底鑽機功能，提（tí）高（gāo）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（suǒ）有關鍵技術均為自主研發，目前已取（qǔ）得125項專利。
研製“海牛Ⅱ號”，依托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（rèn）務書有三大目標，即作業水深不少於2000米、鑽進深度不低於（yú）200米、保壓成功率不小於60%。令萬（wàn）步（bù）炎高興（xìng）的（de）是，本次海試充分驗證了“海牛Ⅱ號”的設計性能，並超預期（qī）實（shí）現了任務目標。
未來還將不斷（duàn）優化
挑戰萬米級水深地質（zhì）鑽探取樣，是（shì）團隊（duì）接下來的目標
“海牛Ⅱ號”並非“橫（héng）空出世”，而是20多（duō）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（duì）做出了我國首台（tái）深海淺（qiǎn）層岩芯（xīn）取樣鑽機，並在海底下（xià）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（kǒng）岩芯取（qǔ）樣鑽（zuàn）機，又把海底鑽（zuàn）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（niú）號”在3000米海（hǎi）水下下鑽（zuàn）了60米。由此，我國成為世界上第四個擁有能在水深大於（yú）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（kē）考船配備了萬步炎團隊（duì）發明的（de）專利設備，並在深海鑽孔1000多個。
海底鑽機（jī）的（de）發（fā）展，與我國海底資源勘探曆程緊密相連（lián）。萬步（bù）炎告訴記者，1999年（nián）以前，中國沒有能力研製大型深海機電裝備，隻能從國外租借設備。後來（lái），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（cóng）零起步，不斷摸索（suǒ），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（xìng），可以帶動相關（guān）領域的研發（fā）。萬（wàn）步炎說，10多年前，科考船上基本所有設備都是進口的，如（rú）今國產裝備（bèi）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（shēn）海鑽探設備性能（néng），提升它的環境（jìng）適應能力、作業性（xìng）能和（hé）智能化（huà）程度。此外（wài），他們還計（jì）劃推進“海牛Ⅱ號”量（liàng）產，在海底（dǐ）油氣采場和海上風電場建（jiàn）設與工程地質勘查領域推廣應用。
當前，“海（hǎi）牛Ⅱ號”還在海上工作（zuò）。深度（dù）超（chāo）過萬米的馬裏亞納海溝，至今沒有人類進行海底（dǐ）鑽探作業。“挑戰萬米級水深地質鑽探取樣，是我們團隊（duì）接下來的目標。”萬步炎說。
(來源：人民日報喻思南 唐亞慧)
