在超2000米水深中成功下鉆231米,刷新世界紀(jì)錄
深海鉆探,“海牛Ⅱ號”真牛(科技視點(diǎn))
喻思南 唐亞慧
深海礦產(chǎn)資源豐富,發(fā)現(xiàn)、研究它們,需要通過水下鉆探獲取樣本。在各種取樣方式中,海底鉆機(jī)以其鉆探成本低、效率高、樣品擾動小、易操作等優(yōu)勢,成為備受青睞的高技術(shù)裝備。
不久前,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),在超2000米深水中,成功下鉆231米,刷新了深海海底鉆機(jī)的世界紀(jì)錄,標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
看似笨重,實(shí)則身手不凡
鉆探到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(xué)教授萬步炎領(lǐng)銜研發(fā)。萬步炎介紹,“海牛Ⅱ號”由海底鉆機(jī)本體、海底原位探測儀、移動式海底鉆機(jī)配套收放系統(tǒng)等部分組成。“其中,鉆機(jī)本體外觀上是一個橙黃色、八邊形的鋼質(zhì)構(gòu)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(zhì)勘探科考裝備。”
看似笨重的“海牛Ⅱ號”,在海底干起活來卻很靈活。它的“武器”是身上的78根鉆桿,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(zhuǎn),機(jī)械手取桿上膛,把鉆桿一根根鉆進(jìn)巖層。
鉆頭相當(dāng)于“海牛Ⅱ號”的犄角,由金剛石和硬質(zhì)合金等材料制成??蒲腥藛T設(shè)計了不同種類的鉆頭,有的針對硬巖地層,有的適用于沉積巖軟巖地層。
“海牛Ⅱ號”是在4月7日刷新的世界紀(jì)錄。萬步炎告訴記者,當(dāng)天,經(jīng)過約兩個半小時下潛后,“海牛Ⅱ號”抵達(dá)水深2060米的海底。完成姿態(tài)調(diào)整后,“海牛Ⅱ號”隨即開展目標(biāo)層保壓取芯鉆探作業(yè)。約15小時后,鉆進(jìn)孔深達(dá)到海底地下231米。
除了鉆得深,“海牛Ⅱ號”還有一項(xiàng)獨(dú)門絕技——保壓取芯。這是勘探可燃冰等某些海底礦產(chǎn)的關(guān)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(fā)。因而,普通深海鉆機(jī)無法取樣可燃冰,只有在保持海底地層相等壓力的狀態(tài)下,才能做到。
此前,全球海底鉆機(jī)的最大鉆孔深度設(shè)計能力為200米,而實(shí)際保壓取芯作業(yè)最深只到達(dá)135米,“海牛Ⅱ號”則大大刷新了這一紀(jì)錄。
通過鉆探取樣分析,可以了解礦藏儲量、品位和埋藏形態(tài),為今后開采勾勒出一幅“藏寶圖”。“鉆得越深,能勘探的資源就越多。”萬步炎說,當(dāng)前人類發(fā)現(xiàn)的、具有商業(yè)開采潛力的海洋礦產(chǎn)資源,基本上在海底200米以內(nèi)。鉆探到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(jù)《聯(lián)合國海洋法公約》,公海資源歸全人類共有,資源開采權(quán)一般遵循誰勘探、誰優(yōu)先的規(guī)則。業(yè)內(nèi)專家表示,“海牛Ⅱ號”是我國深海鉆探的一把 “利劍”,它的出鞘,使我國在海底固體礦產(chǎn)資源研究和開發(fā)上多了一分技術(shù)優(yōu)勢。
攻克多個技術(shù)難題
所有關(guān)鍵技術(shù)均為自主研發(fā),目前已取得125項(xiàng)專利
深海壓力大、溫度低,“海牛Ⅱ號”要在復(fù)雜的環(huán)境中,順利實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)收放、姿態(tài)調(diào)整、耐壓密封、鉆桿及芯管接卸、自動測控等一系列操作,技術(shù)難度非常大。
據(jù)萬步炎介紹,“海牛Ⅱ號”主要攻克了全程保壓繩索取芯、鉆管存儲與鉆桿快速接卸、智能化與專家操作系統(tǒng)、海底鉆機(jī)安全可靠下放和回收等技術(shù)難題。
鉆探過程中,某一段實(shí)現(xiàn)保壓取芯并不難,難的是全程保壓。針對這一問題,科研人員連續(xù)多年攻關(guān),通過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,最終實(shí)現(xiàn)了海底鉆機(jī)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”??蒲腥藛T為它量身定制了很多傳感器設(shè)備。這些傳感器,融合了團(tuán)隊(duì)多年的海上實(shí)地鉆探經(jīng)驗(yàn)。到了海底,鉆頭會根據(jù)地層性狀情況,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,從而大幅提高了鉆探效率、取芯率和取芯質(zhì)量。
得益于自動化、智能化的設(shè)計,一個人就可在母船上完成“海牛Ⅱ號”操作。“海牛Ⅱ號”在鉆孔取芯的同時,還能干“兼職”:原位探測巖石的電阻率、孔隙率,給孔內(nèi)周邊巖石拍照等。
在海底鉆機(jī)收放裝置的設(shè)計和工藝上,團(tuán)隊(duì)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。
值得一提的是,“海牛Ⅱ號”所有關(guān)鍵技術(shù)均為自主研發(fā),目前已取得125項(xiàng)專利。
研制“海牛Ⅱ號”,依托的是我國國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備專項(xiàng)”課題。針對“海牛Ⅱ號”,任務(wù)書有三大目標(biāo),即作業(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%。令萬步炎高興的是,本次海試充分驗(yàn)證了“海牛Ⅱ號”的設(shè)計性能,并超預(yù)期實(shí)現(xiàn)了任務(wù)目標(biāo)。
未來還將不斷優(yōu)化
挑戰(zhàn)萬米級水深地質(zhì)鉆探取樣,是團(tuán)隊(duì)接下來的目標(biāo)
“海牛Ⅱ號”并非“橫空出世”,而是20多年堅持不懈、持續(xù)研發(fā)的結(jié)果。2000年,萬步炎團(tuán)隊(duì)開始研發(fā)深海海底鉆機(jī)。3年后,團(tuán)隊(duì)做出了我國首臺深海淺層巖芯取樣鉆機(jī),并在海底下鉆0.7米,獲得首個巖芯樣品。
2010年,這個團(tuán)隊(duì)研發(fā)的深海深孔巖芯取樣鉆機(jī),又把海底鉆探深度推進(jìn)到20米。2012年,“海牛Ⅱ號”的前身——“海牛號”研制項(xiàng)目正式啟動。2015年,“海牛號”在3000米海水下下鉆了60米。由此,我國成為世界上第四個擁有能在水深大于3000米的海底進(jìn)行60米鉆探技術(shù)的國家。
如今,我國多條海洋科考船配備了萬步炎團(tuán)隊(duì)發(fā)明的專利設(shè)備,并在深海鉆孔1000多個。
海底鉆機(jī)的發(fā)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,中國沒有能力研制大型深海機(jī)電裝備,只能從國外租借設(shè)備。后來,我國決定自主研發(fā)深海鉆探設(shè)備。萬步炎團(tuán)隊(duì)迎難而上,接下了這項(xiàng)任務(wù)。他們幾乎從零起步,不斷摸索,奮勇攻關(guān)。
近年來,我國日益重視海洋技術(shù)裝備研發(fā)。深海海底鉆孔技術(shù),對其他深海裝備制造技術(shù)具有很強(qiáng)的輻射性,可以帶動相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)。萬步炎說,10多年前,科考船上基本所有設(shè)備都是進(jìn)口的,如今國產(chǎn)裝備達(dá)到80%以上,未來這一比例將越來越高。
萬步炎表示,團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(yōu)化深海鉆探設(shè)備性能,提升它的環(huán)境適應(yīng)能力、作業(yè)性能和智能化程度。此外,他們還計劃推進(jìn)“海牛Ⅱ號”量產(chǎn),在海底油氣采場和海上風(fēng)電場建設(shè)與工程地質(zhì)勘查領(lǐng)域推廣應(yīng)用。
當(dāng)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(jìn)行海底鉆探作業(yè)。“挑戰(zhàn)萬米級水深地質(zhì)鉆探取樣,是我們團(tuán)隊(duì)接下來的目標(biāo)。”萬步炎說。
責(zé)任編輯:趙睿
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