做完实验后的海牛出水姿态 曾志强 摄

　　湖南科技大学成功研发海底60米多用途钻机“海牛”，并首次实现了在水深超过3000米的海底，对海床进行60米钻探。这标志着我国成为继美国、德国、澳大利亚之后第4个掌握此项技术的国家。本期，让我们一起探索——　　

　　海洋，占据地球表面面积的71%，是矿物资源的聚宝盆。根据联合国海洋法公约，公海矿产资源，遵循谁有能力先勘探，谁就具有优先开发权的规则。在深海钻机研制领域，50米是道坎儿。哪个国家拥有超过50米的深海钻孔深度的装备，就拥有了国际先进的深海钻探能力，能勘探到更大埋深的海底矿产资源。

　　不久前，由湖南科技大学“海牛”项目组首席科学家万步炎领衔研制的最新一代海底60米多用途深海钻机“海牛号”，通过了国家863计划海洋技术领域课题专家组验收，填补了我国水深3000米级、钻进深度大于50米的深海海底取芯装备的空白，标志着我国在这一技术领域已跻身世界前列。

　　执着“海牛”，酷炫登场

　　南海，晴空万里，碧波浩瀚。一个名叫“海牛”的家伙缓缓入海，没进深蓝。它身高5.6米，体重8.3吨，钢质构造，橙黄色，八边形。较国外同样钻进深度钻机，“海牛”要轻2—3吨，作业时更灵敏；八边形结构，也使收放更加便捷。2015年6月11日，“海牛”成功海试，钻进深度达60米，深海钻机技术又迈出一大步，跻身世界前列。

　　这60米不是简简单单的60米，而是3000多米以下的深海海底钻探，涉及复杂海况下钻机收放、姿态调整、耐压密封、钻杆及芯管接卸、钻进取芯、自动测控等多种技术，凝聚了“海牛”研究团队成员多年的心血。

　　2012年6月，“海底60米多用途钻机系统技术开发与应用研究”项目正式启动，11月份完成总体方案设计，并给钻机取名为“海牛”，到2015年6月11日，“海牛”沉稳着陆3109米海底，实现“海牛”姿态调平、海底寻址，并依照操作人员发出的各项指令，有条不紊地接卸钻杆、钻具及芯管,下钻60米并成功取样，顺利回收。

　　2016年1月12日，“海底60米多用途钻机系统技术开发与应用”课题获科技部863计划海洋技术领域课题验收专家组的一致认可，顺利通过验收，并在深海全自动遥控绳索取芯技术、多参量海底原位探测、整机轻量化与小型化技术等方面取得了创新性成果，所研发的海底60米钻机系统及全部关键技术具有完全自主知识产权，项目已申请国家发明专利11项，其中授权4项。

　　“海牛”能有这样牛，并非一日之功。

　　在2000年以前，我国没有属于自己的深海钻机。海底富钴结壳资源勘探只能靠大面积海底拖网，耗时耗力不说，还只能在海底不确定地点采到一些表层样品。花重金从国外租来的深海钻机，结果一个样品也没取到，万步炎团队决定自主研制深海钻机。

　　2003年8月，第一台深海钻机成功在海底下钻0.7米，取出第一个样品，开启了我国深海钻机的历史；团队继续攻关，2米、5米、20米，万步炎团队研制的系列钻机在太平洋底钻进了1000多个“中国孔”。

　　顽强“海牛”，勇克难关

　　在水深大于3000米的海底，一个指甲大小的面积就要承受300公斤的压力。钻机如何承受如此高压？海底地形复杂，岩层有的硬，有的软，钻机怎么钻取岩芯，保证样品的精确性？“高个海牛”怎么在科考船上正常收放？

　　困难如海浪，一波接着一波。

　　深海供电是第一大难题。2000年研制我国首台深海钻机时，国内没有可向海底设备提供动力电的脐带缆，只能采用电池供电。设备功率大，所需电池多，一般电池无法承受高压。起初，万步炎团队用耐压筒组装，形成与陆地等同的内部环境。可是，一个耐压筒就是几百公斤。要装上全部电池，需六七个耐压筒，钻机体重超标，操控极为不便。随后，又将电池改造成耐高压、可浸油的电池，不再需要耐压筒。

　　但是，问题又出现了：在钻机下海前，要将数百节电池组装起来，需要四五个小时，如果一节出问题，就得全部拆卸，重新组装。2003年，国内科考船上终于装备了铠装光纤动力复合电缆，但由于对其性能不了解，没人敢第一个使用这根缆。直到2008年，在研制两米钻机时，万步炎团队决定启用铠装光电复合缆，通过甲板供电，问题才迎刃而解。

　　钻进取样，是深海勘探的主要目的。“海牛”支腿伸出，扎进岩层，沉稳着陆，三种不同类型的钻头，有序钻进，应对自如。既可取硬岩岩芯，也可取海底沉积物，还可进行原位探测。而这种多功能钻头，是万步炎团队的首创，目前国外无此项技术。

　　钻进后需要把岩芯样品取出，用于检测。按照传统的提钻取芯技术，孔底岩芯管装满之后要将钻杆一根根收回，取出末端钻具内装满的岩芯管，换一根空岩芯管，重新拧接，继续钻进。在钻进深度20—30米以内，这样的技术问题不大，但超过这一深度，完成一次作业，时间长达好几天，绝大部分时间都花在了接卸钻杆上。海上工作，时间宝贵。而且，每次提放钻具都会对孔壁有破坏，上部孔壁岩石可能会掉落孔底，被再次取回，造成样品混淆。

　　自动遥控绳索取芯是万步炎团队最后找到的答案，使用这一技术，钻进60米，钻杆只需要接卸一次，完成一个钻孔只需约20个小时，对孔壁损坏小，取样质量和精度高。在国内深海钻探领域，万步炎团队第一个成功研发此项技术。

　　智能“海牛”，便捷高效

　　海洋深度20米以上，是鱼类和珊瑚的领域，再往下，阳光逐渐被水折射后消失，一片黑暗。钻机靠什么来“看见”？怎么执行“命令”？

　　“海牛”身上有四五十个传感器。这些传感器是“海牛”的“眼睛”，靠着它们传送信号至操控界面，就可得知“海牛”在深海的每一个动作。这些传感器，绝大多数是由万步炎团队自主研发。

　　传感器只是“海牛”实现可视化自动操控系统的一部分。团队成员通过系统集成和软件研发，借助甲板控制系统与配电系统、移动式海底钻机配套收放系统，轻触按钮或点击鼠标即可实现钻机本体的自动收放、姿态调平、海底寻址等动作；依照主控计算机发出的指令，钻机能在两千多米海底下自动接卸钻杆、钻具及芯管，实施加、减压控制动力头的上、下行进退。这样实现了几千米海底下的遥控作业，同时，大大降低了操作工人的劳动强度和技能要求，基本上实现了一学即会的“傻瓜”式快捷操作。

　　为了节省设计空间，提高运行效率，团队还创新性运用单机械手多位移动技术。深海3000多米处，“海牛”的24根钻杆像左轮手枪的子弹一样排列在“海牛”腹部的圆盘上。圆盘旋转，机械手取杆上膛，钻进岩层，然后再接入下一根。“海牛”每接一根钻杆的时间是两分零四秒，钻进岩芯60米，只需约20个小时，国外同类钻机得花4、5天。而如同“海牛”接卸钻杆这样的国产装备，在价格上可以比进口设备降低一半至2/3，大大降低了钻机生产使用成本。

　　“我们的下一个目标是超过200至250米，满足可燃冰等多种海底深部矿产资源勘探的钻进深度，让我们的‘海牛’好好牛一把！”万步炎说。

　　迄今为止，世界上最先进的海底钻机的最大钻孔深度能力仅为200米，而深海钻机的保压取芯能力在世界范围内也没有完全成功。如果能够研制成功，将这种海底保压钻机系统应用于我国南海或东海可燃冰取样，无疑是我国可燃冰勘探的巨大成就与进展，将有力推动我国可燃冰勘探事业与技术发展。

　　“我们至少需要两个突破，一个是从60米到200多米的钻孔深度的突破，一个是海底保压取芯技术的突破。”万步炎的微笑背后，透着满满的自信。