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“海牛”,亮出中国深海钻探“利剑”
2015-06-19 06:48:53 湖南日报     [作者:曹辉 邹平辉 李一凡]     [责任编辑:荆彩]      字体:【

湖南科技大学万步炎教授及其团队研发的深海钻机在3000米海底成功钻探60米,达到世界先进水平——

“海牛”,亮出中国深海钻探“利剑”

6月8日,南海海域,“海牛”完成3109米的海底60米钻进、取样后顺利出海。 曾志前 摄

6月8日,南海海域,“海牛”课题组成员在为“海牛号”加放浮球。 曾志前 摄

湖南日报记者 曹辉

通讯员 李一凡

海洋,占据了70%的地球表面面积,是地球生物起源之地。目前人类已经探索的深海只有5%,95%的深海领域仍不为人知。万步炎,这个名字经常出现在我国深海科考队伍的名单上,从海底可燃冰勘探,到“蛟龙号”项目技术咨询专家,都有他的身影,他还是我国第一台深海钻机发明人。

6月18日,搭载我国首台重型装备海底60米多用途钻机“海牛”号的“海大”号科考船驶离南海,返回青岛国家海洋科考基地。7天前,它见证了“海牛”入水,潜入3000米的深蓝大海。重达8.3吨的“海牛”一入水,就像泥鳅一样,在3000米深的海底“刨地犁地”11个小时,终于触及60米深的深度。这标志着我国深海钻探技术跻身世界一流。

作为国内最早关注“海牛号”海试进展的首家媒体,《湖南日报》连续4个月进行追踪报道。系列报道引发社会反响,大家纷纷为863海洋领域首席专家、湖南科技大学万步炎教授及其海试团队“点赞”。

6月18日上午,细雨纷飞,记者来到湖南科技大学采访。万步炎教授向记者分享了“海牛”号海试过程的众多细节,讲述海试背后不为人知、艰辛作业的经历。

“海大”号被迫紧急返航

5月14日,“海牛”海试大纲经专家组评审通过4个月后,“海牛”终于开启海底之旅,在青岛市崂山港湾登上“海大号”科学考察船。

“海大号”海洋科学考察船,是以中国海洋大学命名的目前国内最先进的科考船之一,2013年首航,总长68米,宽15.6米,满载49人,续航力5000海里。之所以选择这艘船,主要是因为承重的原因,“海牛”号自身重量8.3吨,而负责把“海牛”号牵引到海底的绞车,重量更是高达40多吨,所以普通船只难以承受,只有这种科考船只才能够承受“海牛”的重量。

从青岛国家海洋科考基地出发,经过连续4天的航行,“海牛”于19日晨到达厦门近海,20日中午再次离开4号锚地,向台湾海峡纵深地带进发。因气象预报晚间将有7级大风并伴有4级海况,课题组成员商议决定利用船只航行的空当,加紧调试绞车,争取赶在大风来到之前完成试验。

在颠簸不定的甲板最末端,面对脚下深不可测的大海,团队成员顶着风雨,相互配合。风浪声、船上发动机的轰鸣声让对讲机根本不管用,绞车操控只能靠手势指挥。大拇指朝上,起!箱式取样器缓缓被吊起。拳头收紧,停!突然,右侧拉绳断了,箱式取样器在甲板上方荡起了秋千!大家被这一幕惊住。万步炎赶紧接过操控手柄,沉住气将取样器下放在收放平台支架上。

更换拉绳后,取样器再次被吊起。释放拉绳,移动A架,绞车放缆,一步步箱式取样器浸入了大海,凌晨2时40分,绞车收放操作完成。此时,海浪再次涨高,巨大的风力让船摇晃愈加剧烈,在船长的一再催促下,“海大”号被迫紧急返航。

5月22日,天气渐渐转晴,万步炎召集团队再次出航。有了首次下潜经验的积累,这次浅海试验过程十分顺利。厦门港海域4号锚地,在25米深的海水中,重达8.3吨的“海牛号”首次试水,实现了海上钻机下放和着底、姿态调平、海底原位探测、钻机回收等测试,通讯、控制等各系统运行正常,试验数据指标达到预期效果,这也标志着“海牛号”在浅海领域试验成功。

虽然试验成功了,但万步炎和团队丝毫不敢放松,“更大挑战还在后面”。原来,按国家“863”项目海试评审要求,项目验收必须进行深海和浅海两次试验,其中深海深度要求在2500米以上,因黄海、东海海深达不到要求。于是,科研团队又将深海测试地点选在了我国南海海域。

3000米海底成功钻探60米

5月22日,浅海试验成功的“海牛”号马不停蹄地再次向着深蓝海洋进发。南海目前局势不稳定,按照国家规定,进入南海海域需要获得外交部的批文。这让万步炎一行人始料未及,大家忙成一团。一边不得已将科考船暂时停靠在广东省汕头港,另一边开始向外交部提交申请。

“科考船航行在海上的成本昂贵,每天开支上万元。我们看在眼里,急在心里。”“海底60米多用途钻机系统技术开发与应用研究”课题负责人、湖南科技大学科技处处长彭佑多告诉记者,为尽快拿到批文,项目组成员来到北京,经过一系列申请,原本要9月份才能拿到的通行证,提前获批。

6月10日晚7时,经过三天两夜的连续航渡,行程540余海里,“海大”号科考船到达南海海试地点。

“‘海牛’钻机课题组同志们请注意,半小时后到后甲板集合!”对讲机里传来项目首席专家万步炎教授的指令。课题组成员们着好海试服,系好安全绳,戴好安全帽,马上各就各位。

配电系统、收放平台上电,液压泵、绞车开启,A架外推。“海牛”在钢绳的牵引下,沿着收放平台缓缓移出后甲板,再旋转至竖直。底部托盘支架打开后,“海牛”首次钻入南海。

1米,2米……“海牛”逐渐消失在大家的视线里。甲板上只听见有节奏释放缆绳的声音。借着后甲板灯光,海面上只看到缆绳在往海里扎,100米,200米……

晚上9时50分,“海牛”稳稳着陆3109米海底。

晚上9时55分,“海牛”完成海底姿态调平,信息反馈运行状态正常。

晚上10时11分,“海牛”在南海开钻第一杆。万步炎轻点鼠标,多功能机械手伸出,卡盘旋转,取钻杆、下钻具、动力头下行,几千米海底下“海牛”按主控电脑指令精准完成一系列钻进动作。

大家纷纷来到操控室,通过视频监控观看“海牛”的表现。同船参加多波束和电法试验项目的中国海洋大学师生,看到万步炎通过电脑遥控3000多米海底、8吨多重的“海牛”向下钻探时,不约而同点头称赞。“我搞海洋地质勘探几十年,从没见到过海底3000多米下的岩石,今天总算有机会看到了。”中海油服物探事业部主任工程师周杨锐对着“海牛”传上来的监控画面兴奋地说。

接钻杆、收管芯、加压钻进,一杆接一杆,2.5米、5米、7.5米……“海牛”在海底一步步掘进。时间在不知不觉中过去,又是一个不眠之夜,太阳已从海平面渐渐升起,

6月11日8时10分,最后一根钻杆钻进到底,在3100多米海底,“海牛”成功下钻60米!这是中国深海钻机钻探新纪录,大家不由自主拍掌叫好,万步炎脸上露出了笑容。

海试现场,受国家科技部委派的5位海洋专家进行了现场验证。经过随船专家确认,“海底60米多用途钻机”深海试验成功。

第一个电话,万步炎打给了湖南科技大学党委书记刘德顺,向一直默默关心海试进展的学校传达喜讯。刘德顺表示,课题组成员凭借智慧、毅力和勇气,以实际行动向蔚蓝大海进行了深情告白,也展现出他们在海洋工程装备制造领域的“蓝海雄心”。

为国家公海资源开发

增添技术优势

“海牛”号包括海底60米多用途钻机本体、海底原位探测仪、甲板控制与配电系统、移动式海底钻机配套收放系统等9大系统,除提供牵引动力的绞车从国外引进,其余部分全都是湖南科技大学“海牛”号课题组成员自主研发、设计并制造。

“海牛”腰围10米,如果站直了有6米高,重量8.3吨,“海牛”号在制造时经过了严格的抗压试验。在水深大约3000米的海底,一个指甲盖大小的面积,就要承受300公斤的压力。

“海牛”的武器是身上的24根钻杆,每根2.5米长,像左轮手枪的子弹一样排列在圆盘之上。圆盘旋转,机械手取杆上膛,钻进岩层,然后再接入下一根钻杆。“海牛”号接卸钻杆的速度非常快,大概需要2分50多秒,而国外的钻机大概需要好几分钟甚至十几分钟。

钻头相当于“海牛”的犄角,由金刚石和硬质合金制成。科研人员为海牛设计了3种类型的钻头,一种专门针对硬岩地层,一种针对沉积岩软岩地层,还有一种是根据需要全面钻进不取(岩)芯的钻头。

“海牛”号不仅可以用来钻孔取芯,还可以原位探测岩石的电阻率、孔隙率,以及给孔内周边岩石拍照等。同时,研发团队完全自主研发的“绳索取芯”关键技术,使打60米孔由以前的4到5天缩短为现在的20多个小时,大大提高了作业效率。

为什么这么急迫要进行“海牛”号试验?

万步炎告诉记者,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。更关键的是,根据联合国规定,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。“海牛”号就是这样的利器,换言之,“海牛”海试成功,让我国在抢占公海矿产资源开发权上多了一分技术优势。

这次海试成功,标志着我国具备了深水海底取样能力,并在此领域超越俄罗斯和日本等国,达到世界先进水平。“海牛”钻机填补了国内深海钻机工程装备的空白,为我国开展海洋地质环境研究、矿产资源勘探和海底工程勘察提供钻探利器,也为我国实施国家海洋战略,实现制造强国的战略目标提供了技术支撑。

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“海牛”的“牛点”

操控“牛”。万步炎团队在装备的操作软件上,花了很大功夫。现在,“海牛”整机自动控制水平较高,基本上可以做到傻瓜式操作。这样一来,对操作工人的技能培训要求就很低了。

体重“牛”。整机重量仅为8.3吨,而国外超过50米深度的钻机,重量都在10吨以上,而节省的重量意味着“海牛”具备更大的发展潜力。

功能“牛”。“海牛”不仅可以用来钻孔取芯,即钻取岩心送到实验室检测,还可以原位探测岩石的电阻率、孔隙率,以及给孔内周边岩石拍照等。原位探测,其结果较取芯送实验室测试更为准确。“海牛”不仅可钻硬岩还可以用来钻取稀软的海底沉积物。

效率“牛”。同样打60米孔,以前需要4至5天时间,现在可缩短为20多个小时,大大提高了作业效率。

价格“牛”。“海牛”海试通过,这样的国产化装备价格比进口设备降低一半至2/3。

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“海牛”成长记

“海牛”在3000米海底成功钻探60米,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、自动测控等多种技术,凝聚了“海牛”研究团队成员几年来的心血。

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,同年11月完成总体方案设计。项目组给钻机取名为“海牛”。

2013年12月,完成关键设备的试验测试、钻机本体及移动式海底钻机配套收放系统的设计与零部件加工与制造。

2014年4月,完成移动式海底钻机配套收放系统、甲板控制与配电系统等关键技术环节的各项研制工作。

2014年12月,完成系统集成、实验室联调和水池耐压、密封性能测试。

2015年6月7日,在世界海洋日前夕,“海牛”开赴南海,接受国家863计划项目海试验收专家组海试验收考评。

2015年6月10日,“海牛”沉稳着陆3109米海底,远超验收要求海底2500米指标。操作人员通过操控系统,成功实现了“海牛”姿态调平、海底寻址。依照操作人员发出的各项指令,“海牛”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。

2015年6月12日,“海牛”顺利通过国家863计划项目海试验收专家组验收。

 

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