2000米深海鉆探可燃冰，“海牛Ⅱ號”是真的牛！

2021年4月7日23時左右，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)，搭載海洋地質(zhì)Ⅱ號科考船，在南海超2000米深水海底，成功下鉆231米，取得這一深度的可燃冰樣品，刷新世界深海海底鉆機(jī)鉆探深度。

為什么要去深海進(jìn)行鉆探？海底鉆機(jī)“海牛Ⅱ號”是如何工作的？技術(shù)的突破在哪兒？今天我們一起來了解海底鉆機(jī)這一高難度的大國重器。

入地有多難？

地球內(nèi)部由外向內(nèi)依次是地殼、地幔、地核。而地殼是表面薄薄的一層，與地幔的交界面是莫霍不連續(xù)面，其平均厚度只有17km，相對于地球的平均半徑（6378km）來講，甚至遠(yuǎn)不如雞蛋殼相對于雞蛋的厚度。而到目前為止，人類從來不能突破這一厚度。

在地面向下鉆探的一般過程是不斷地在已有鉆桿的基礎(chǔ)上添加新的鉆桿，實現(xiàn)進(jìn)一步鉆進(jìn)。鉆頭一邊鉆進(jìn)，一邊鉆桿會噴射高速水流，把打碎的巖土沖到地面上，這樣就在地面上打出了一個深孔。

在勘探礦產(chǎn)的時候需要特定深度的巖土樣本，這時候就需要先把孔打到接近要求深度的位置，然后停止鉆進(jìn)，更換另一種鉆頭——取芯鉆頭，相應(yīng)的鉆桿（也叫鉆具）稱為巖心管。

現(xiàn)在典型的巖心鉆取技術(shù)叫繩索取芯技術(shù)，就是通過鋼絲繩將巖心管下放后鉆取巖心然后再收回。

有很多因素制約了現(xiàn)有技術(shù)，例如隨著下挖的深度越大：

①需要不斷地連接新的鉆桿，非常繁瑣；

②溫度高，鉆頭的材料可能變軟，影響鉆頭的工作能力；

③巖土壓力大，挖的深孔如果不及時保護(hù)孔壁就會自行潰散；

④鉆桿越長，自身越難控制，也容易被扭斷或者被自身的重力拉斷，難以有效的傳遞旋轉(zhuǎn)下鉆的扭轉(zhuǎn)力；

還有很多其他的一些因素，都使得入地本身就并不容易。不過由于石油工業(yè)的需要，陸地鉆探技術(shù)其實已經(jīng)比較成熟，我國研制的一臺陸地鉆機(jī)“地殼一號”已經(jīng)可以實現(xiàn)萬米的鉆進(jìn)。

海底有什么？

我們從小就被教育，我國有960萬平方公里的陸地疆域，還有很多人其實不知道我國還有大約300萬平方公里的海疆，目前我國的海域具體包括7.7萬平方公里的渤海（我國內(nèi)海）、31.5萬平方公里的黃海（與朝鮮韓國相鄰，依據(jù)專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)原則，我國約管轄黃海的80%）、50.8萬平方公里的東海（與日本相鄰，依據(jù)專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)和大陸架劃定規(guī)則，我國約管轄東海的三分之二）以及南海9段線劃定的約210萬平方公里的海疆。

海洋中幾乎有陸地上有的各種資源，而且還有陸地上沒有的一些資源。目前人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的有以下六大類：①石油、天然氣；②煤鐵等固體礦產(chǎn)；③海濱砂礦；④多金屬結(jié)核和富鈷錳結(jié)殼；⑤熱液礦藏；⑥可燃冰。

東海、南海的海底都蘊(yùn)藏著極為豐富的油氣資源，據(jù)測算，僅我國南海的可燃冰資源量就達(dá)700億噸油當(dāng)量，約相當(dāng)于我國目前陸上油氣資源量總數(shù)的1/2。由于海底環(huán)境惡劣，我國還缺乏技術(shù)手段進(jìn)行深海資源勘探，對深海區(qū)還調(diào)查得很不夠，遼闊的海疆中還有多少海底礦產(chǎn)人們還難以知曉。

海牛Ⅱ號深海鉆機(jī)：下海又入地，231米鉆進(jìn)破紀(jì)錄

為了勘探深海資源，我國開展了海底鉆機(jī)的研制，但是海底鉆機(jī)既需要下海，還需要入地，談何容易。經(jīng)過十多年的研制，我國逐步在海底鉆機(jī)這一領(lǐng)域走到國際領(lǐng)先水平，2015年時海牛號海底鉆機(jī)已經(jīng)實現(xiàn)了深海海底下鉆60米。

為了勘探深海的可燃冰資源，除了加深鉆進(jìn)深度外，為了保障取出的巖芯中的可燃冰仍然為冰態(tài)固體物質(zhì)，需要實現(xiàn)取芯時保持樣品所受壓力，因此進(jìn)一步研制了海牛Ⅱ號深海鉆機(jī)。

“海牛Ⅱ號”海底大孔深保壓取芯鉆機(jī)系統(tǒng)的目標(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。2021年4月7日海牛Ⅱ號以231米的鉆進(jìn)深度刷新了世界紀(jì)錄。

“海牛二號”怎么能鑿這么深？

為了讓海底鉆機(jī)實現(xiàn)200米以上深孔的鉆進(jìn)，需要解決很多技術(shù)難題，典型的兩個問題包括：

（1）遙測遙控狀態(tài)下的鉆桿接卸與儲存技術(shù)

深孔相對淺孔的主要不同點就在于需要不止一個鉆桿。多種陸地鉆機(jī)都具備自動安裝和拆卸鉆桿的功能，但其操作條件要好得多，操作過程都可以直接看到，出現(xiàn)問題也可以人工安裝拆卸鉆桿。

海牛號（海牛Ⅱ號的初代產(chǎn)品）的鉆桿和巖心管自動存儲接卸系統(tǒng)

海牛Ⅱ號使用轉(zhuǎn)盤架用于存儲鉆桿和巖心管，配合上機(jī)械手實現(xiàn)鉆桿的自動安裝和拆卸。海牛Ⅱ號的遙測遙控傳感器數(shù)量多、精度高、能夠收集大量的裝備數(shù)據(jù)，添加了用于監(jiān)視的深海攝像頭，設(shè)計的可靠性經(jīng)過了檢驗。

（2）鉆桿接卸時的孔位對準(zhǔn)與鉆機(jī)調(diào)平防側(cè)滑技術(shù)

海底深孔鉆機(jī)每次鉆滿一根巖芯管后，需用鋼絲繩從鉆孔中提出全部鉆桿，換上另外一根空巖芯管，再將鉆具放入孔內(nèi)。這一過程非常耗時繁瑣，考驗孔位對準(zhǔn)精度。

且海底鉆機(jī)難以直接固定在海底，如鉆具提出孔口后發(fā)生側(cè)向滑移，則會影響下次下鉆，因此，在海底作業(yè)的深海底中深孔鉆機(jī)要求絕對穩(wěn)定支撐，為了實現(xiàn)這一功能，海牛Ⅱ號鉆機(jī)支腿的設(shè)計就經(jīng)歷了非常細(xì)致的設(shè)計，采用了三支腳的設(shè)計，可以實現(xiàn)海底的調(diào)平和穩(wěn)定放置。

挖出來的可燃冰如何“感覺良好”——新型保壓鉆具

海底鉆機(jī)每次作業(yè)所需的全部鉆具是隨海底鉆機(jī)一同下放至海底，當(dāng)每回次鉆進(jìn)結(jié)束后從孔底打撈的內(nèi)管首先存儲于海底鉆機(jī)本體上的鉆具庫內(nèi)，待整個鉆孔全部結(jié)束后再隨鉆機(jī)一起提升至母船甲板。

為了讓挖出來的可燃冰樣本仍然保持其在海底的狀態(tài)，需要保持其壓力，就需要在巖心管中構(gòu)造一個保持周圍壓力的機(jī)構(gòu)。

通過設(shè)計保壓繩索取芯鉆具，實現(xiàn)了樣本壓力的保持，6小時內(nèi)，這一鉆具在高壓狀態(tài)（10~30 Mpa，對應(yīng)了深海1000米~3000米深處的水壓）的壓力損失率為10%，有效改善樣品質(zhì)量，從而進(jìn)一步提高海底天然氣水合物儲量評價的準(zhǔn)確性。

一段時間之前，為了緩和與鄰國的關(guān)系，我們曾主張可以共同開發(fā)相關(guān)海域的資源，但是實際上深海資源開發(fā)的技術(shù)門檻非常高，沒有技術(shù)，讓你開發(fā)你也干不了。沒有那金剛鉆，就沒法攬那瓷器活兒。

正是因為我們有了像海牛Ⅱ號這樣的大國重器，才讓我們在深海資源的勘探和利用上走在了前面，隨著我國海軍前出第一島鏈，我國的海洋裝備將在未來為我國的資源供應(yīng)安全作出重大貢獻(xiàn)。

談至此處，小編乘興賦七絕一首，海牛Ⅱ號探海，在南海超2000米深水成功下鉆231米，刷新世界深海海底鉆機(jī)鉆探深度，正是：

試看南溟浪深處，滄海鐵牛鑿玄竅。

顛崖幽壑不足懼，要為九州取龍鱗！