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，湖南科技大學領銜研發(fā)的我國首臺“海牛Ⅱ號”海底大孔深保壓取芯鉆機系統(tǒng)，搭載海洋地質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鉆探深度。

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

入地有多難？

地球內部由外向內依次是地殼、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上添加新的鉆桿，實現(xiàn)進一步鉆進。鉆頭一邊鉆進，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，更換另一種鉆頭——取芯鉆頭，相應的鉆桿（也叫鉆具）稱為巖心管。

現(xiàn)在典型的巖心鉆取技術叫繩索取芯技術，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，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下鉆的扭轉力；

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，陸地鉆探技術其實已經(jīng)比較成熟，我國研制的一臺陸地鉆機“地殼一號”已經(jīng)可以實現(xiàn)萬米的鉆進。

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多金屬結核和富鈷錳結殼；⑤熱液礦藏；⑥可燃冰。

東海、南海的海底都蘊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700億噸油當量，約相當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，我國還缺乏技術手段進行深海資源勘探，對深海區(qū)還調查得很不夠，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：下海又入地，231米鉆進破紀錄

為了勘探深海資源，我國開展了海底鉆機的研制，但是海底鉆機既需要下海，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這一領域走到國際領先水平，2015年時海牛號海底鉆機已經(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，需要實現(xiàn)取芯時保持樣品所受壓力，因此進一步研制了海牛Ⅱ號深海鉆機。

“海牛Ⅱ號”海底大孔深保壓取芯鉆機系統(tǒng)的目標是研制作業(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)?！昂Ｅ＂蛱枴便@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。2021年4月7日海牛Ⅱ號以231米的鉆進深度刷新了世界紀錄。

“海牛二號”怎么能鑿這么深？

為了讓海底鉆機實現(xiàn)200米以上深孔的鉆進，需要解決很多技術難題，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

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號使用轉盤架用于存儲鉆桿和巖心管，配合上機械手實現(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，設計的可靠性經(jīng)過了檢驗。

（2）鉆桿接卸時的孔位對準與鉆機調平防側滑技術

海底深孔鉆機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。這一過程非常耗時繁瑣，考驗孔位對準精度。

且海底鉆機難以直接固定在海底，如鉆具提出孔口后發(fā)生側向滑移，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要求絕對穩(wěn)定支撐，為了實現(xiàn)這一功能，海牛Ⅱ號鉆機支腿的設計就經(jīng)歷了非常細致的設計，采用了三支腳的設計，可以實現(xiàn)海底的調平和穩(wěn)定放置。

挖出來的可燃冰如何“感覺良好”——新型保壓鉆具

海底鉆機每次作業(yè)所需的全部鉆具是隨海底鉆機一同下放至海底，當每回次鉆進結束后從孔底打撈的內管首先存儲于海底鉆機本體上的鉆具庫內，待整個鉆孔全部結束后再隨鉆機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造一個保持周圍壓力的機構。

通過設計保壓繩索取芯鉆具，實現(xiàn)了樣本壓力的保持，6小時內，這一鉆具在高壓狀態(tài)（10~30 Mpa，對應了深海1000米~3000米深處的水壓）的壓力損失率為10%，有效改善樣品質量，從而進一步提高海底天然氣水合物儲量評價的準確性。

一段時間之前，為了緩和與鄰國的關系，我們曾主張可以共同開發(fā)相關海域的資源，但是實際上深海資源開發(fā)的技術門檻非常高，沒有技術，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安全作出重大貢獻。

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！