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        深海鉆探,“海牛Ⅱ號(hào)”真牛

        2021-06-07 10:49:29劉俊英
        科學(xué)導(dǎo)報(bào) 2021年33期
        關(guān)鍵詞:海牛深海鉆桿

        劉俊英

        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(dòng)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(hào)”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(hào)”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(hào)”由海底鉆機(jī)本體、海底原位探測儀、移動(dòng)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(gè)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?!?/p>

        看似笨重的“海牛Ⅱ號(hào)”,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(shí),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(hào)”的犄角,由金剛石和硬質(zhì)合金等材料制成。科研人員設(shè)計(jì)了不同種類的鉆頭,有的針對(duì)硬巖地層,有的適用于沉積巖軟巖地層。

        “海牛Ⅱ號(hào)”是在4月7日刷新的世界紀(jì)錄。萬步炎告訴筆者,當(dāng)天,經(jīng)過約兩個(gè)半小時(shí)下潛后,“海牛Ⅱ號(hào)”抵達(dá)水深2060米的海底。完成姿態(tài)調(diào)整后,“海牛Ⅱ號(hào)”隨即開展目標(biāo)層保壓取芯鉆探作業(yè)。約15小時(shí)后,鉆進(jìn)孔深達(dá)到海底地下231米。

        除了鉆得深,“海牛Ⅱ號(hào)”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(huì)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。

        攻克多個(gè)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(hào)”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(dòng)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(hào)”主要攻克了全程保壓繩索取芯、鉆管存儲(chǔ)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(duì)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(hào)”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(huì)根據(jù)地層性狀情況,快速自動(dòng)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(duì)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(dòng)化、智能化的設(shè)計(jì),一個(gè)人就可在母船上完成“海牛Ⅱ號(hào)”操作?!昂E"蛱?hào)”在鉆孔取芯的同時(shí),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(jì)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(duì)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(dòng)校正收放方位、垂直翻轉(zhuǎn)過程自動(dòng)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(hào)”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(hào)”,依托的是我國國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備專項(xiàng)”課題。針對(duì)“海牛Ⅱ號(hào)”,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(hào)”的設(shè)計(jì)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(jí)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(hào)”并非“橫空出世”,而是20多年堅(jiān)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(tái)深海淺層巖芯取樣鉆機(jī),并在海底下鉆0.7米,獲得首個(gè)巖芯樣品。

        2010年,這個(gè)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(hào)”的前身——“海牛號(hào)”研制項(xiàng)目正式啟動(dòng)。2015年,“海牛號(hào)”在3000米海水下下鉆了60米。由此,我國成為世界上第四個(gè)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(gè)。

        海底鉆機(jī)的發(fā)展,與我國海底資源勘探歷程緊密相連。萬步炎說,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(duì)其他深海裝備制造技術(shù)具有很強(qiáng)的輻射性,可以帶動(dòng)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(jì)劃推進(jìn)“海牛Ⅱ號(hào)”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(hào)”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)?!疤魬?zhàn)萬米級(jí)水深地質(zhì)鉆探取樣,是我們團(tuán)隊(duì)接下來的目標(biāo)?!比f步炎說。

        高效清潔熱能大

        5月20日,山西阿咪吧熱能科技有限公司工作人員正在2021山西(太原)暖通展覽會(huì)上為參觀者介紹甲醇壁掛爐。該公司是一家致力于研究、開發(fā)、制造清潔能源熱能設(shè)備的大型企業(yè),該公司研發(fā)、生產(chǎn)的智能甲醇采暖爐采用特殊不銹鋼換熱器,冷凝及領(lǐng)先的燃燒等技術(shù),比以往采暖設(shè)備更加高效、低碳、環(huán)保、智能。

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