海牛Ⅱ号：基于水合物保压取芯原理研发出具有保压取芯功能的深海海底钻机装备

北京时间4月7日23时，一只高7.6米、“腰围”10米、体重12吨的庞大“神兽”，悄悄“潜”入了南海2000米的水下。

这只“神兽”，正是由湖南科技大学牵头，我国自主研发的“海牛Ⅱ号”海底大孔深保压取芯钻机系统。此次，在南海超2000米深水中，钻机成功下钻231米，不仅填补了我国海底钻深大于100米、具有保压取芯功能的深海海底钻机装备的空白，也刷新了世界深海海底钻机的钻深纪录，标志着我国在这一技术领域已达世界领先水平。

海底钻机，是开展海洋地质及环境科学研究、进行海洋矿产资源勘探和海底工程地质勘查所必备的海洋高技术装备。此次这一重大海洋装备的研制，依托了我国国家重点研发计划“深海关键技术与装备专项”课题，研制作业水深不少于2000米、钻进深度不低于200米、保压成功率不小于60%的海底大孔深保压取芯钻机系统，并最终形成一整套具有自主知识产权的海底大孔深保压钻探取芯装备技术与成果，为我国海底天然气水合物勘探提供装备技术支撑。

“尽管它很庞大，但它潜入海底依然是很灵活的。它也是目前世界上唯一一台海底钻深大于200米的深海海底钻机。”项目负责人、湖南科技大学教授万步炎说。

据科技日报记者了解，整个海底钻机主要攻克了大孔深遥控全孔全程保压绳索取芯、智能化与专家操作系统、大容量钻管存储与钻杆快速接卸、海底钻机安全可靠下放和回收等四大技术攻关难点。

大孔深遥控全孔全程保压绳索取芯，采用了独创的岩芯管全长直接密封保压取芯原理、技术与工艺，实现海底钻机小口径大孔深高效、高可靠全孔全程保压取芯。

基于自主研发的高精度钻压、钻速、循环水压力和流量等多传感器信息，融合多年海上实钻经验的专家操作系统，实现了地层性状变化的快速自动判断并自适应调整钻进模式与参数，解决了海底钻机与配套取芯工艺对海底复杂地层的适应性难题，大幅提高钻探效率、取芯率和取芯质量。

多层大容量密集排布钻管库及精确定位移管机械手设计技术，则通过采用小巧的定位机构，实现了各层钻管等间距排列，转盘机构只需简单动作即可将重达数吨的钻管库高精度步进旋转。“精确定位多位移管机械手与高精度快速钻杆接卸装置协同动作，实现钻杆、钻具的快速接卸、岩芯管的取放和移管。”万步炎说。

海底钻机收放装置的创新设计和完善的收放工艺上，团队有效解决了因母船摇荡导致海底钻机与收放装置对齐与靠拢困难、易发生冲击碰撞的问题，实现了海底钻机水中自动校正收放方位、垂直翻转过程自动抱紧海底钻机功能，提高海底钻机收放效率和收放过程的安全性与可靠性。

最终，这些全新的、基于海底钻机绳索取芯技术的水合物保压取芯原理，以及保压取芯技术与工艺、轻量化设计技术、海底复杂地层智能钻进专家系统等技术，显著提高了钻机钻探效率、取芯质量、保压成功率。与此同时，钻机重量较国外同类钻机，也实现了大幅减重，大大降低了水下收放作业难度。

我国研制“海牛”，起步于2015年前后，我国863计划海洋技术领域项目“海底60米多用途钻机系统技术开发与应用研究”。也是在2015年，达世界先进水平的60米海底深孔岩心钻机“海牛”面世，首次南海试水，迈向深蓝。当时，“海牛”在3000米海水深处，再往地底下“钻”60米，用于矿产资源勘探最后一步的“钻探”。

此后的2017年，万步炎曾向科技日报记者透露，团队将针对存在于800米到2000多米深度的海底层“可燃冰”，开发“保压取芯勘探系统”。

他解释，在特殊的海水深度与压力下，可燃冰呈现“冰”状。但可燃冰一旦离开其适宜的海水深度，就会变成气体挥发。因而，普通深海钻机不适合取样可燃冰。只有在保持同等压力的状态下，将可燃冰取出。这就需要研制“保压取芯勘探系统”。“研制成功的话，预计最大钻进深度能力将达230米，能充分满足可燃冰勘探需求。但是至少，我们要实现两个突破。一个是从60米到230米的钻孔深度的突破，另一个是海底保压取芯技术的突破。”

万步炎当年的愿望，今天得已成功实现。

赞！二十一年磨一剑，这台刷新世界深海海底钻机钻探深度的“海牛Ⅱ号”湖南造

在南海超2000米深水成功下钻231米……北京时间4月7日23时左右，湖南科技大学领衔研发的我国首台“海牛Ⅱ号”海底大孔深保压取芯钻机系统刷新了世界深海海底钻机钻探深度。这一深海试验的成功，填补了我国海底钻探深度大于100米，具备保压取芯功能的深海海底钻机装备的空白，标志着我国在这一技术领域已达到世界领先水平。

“海牛Ⅱ号”海试成功

北京时间4月3日，“海牛Ⅱ号”搭载海洋地质二号科考船从广州港口出发，抵达目标工区并开展深海作业联调联试。海试作业于7日上午6时左右进行，8时30分，“海牛Ⅱ号”成功坐底在水深2060米的海底，在海底完成姿态调平后，进行了约15个小时的目标层保压取芯钻探作业。

据悉，“海牛Ⅱ号”海底大孔深保压取芯钻机系统是我国重点研发计划“深海关键技术与装备专项”课题，目标是研制作业水深不小于2000米，钻探深度不小于200米，保压成功率不小于60%，可有效满足我国海底天然气水合物（可燃冰）资源勘探的海底大孔深保压取芯钻机系统。“海牛Ⅱ号”钻机本体高7.6米，腰围10米，体重12吨，水下重量10吨，是目前我国水下重量最重的地质勘探科考设备。它看似庞然大物，到了海底“海牛Ⅱ号”就像一条泥鳅一样灵活。

“相比较于目前世界上深海海底钻机海底100余米的最大钻探深度，“海牛Ⅱ号”本次海底目标层保压取芯钻探深度达到231米，更是意义非凡。”“海牛Ⅱ号”首席科学家万步炎教授告诉记者，这是目前世界上唯一一台海底钻探深度大于200米的深海海底钻机，它采用全新的基于海底钻机绳索取芯技术的水合物保压取芯原理、保压取芯技术与工艺、轻量化设计技术、以及海底复杂地层智能钻进专家系统，使得钻探效率、取芯质量、保压成功率显著提高，钻机重量较国外同类钻机大幅减少，水下收放作业难度大幅降低，这次深海试验的成功，意味着我国在该技术领域已达到世界领先水平。

二十一年磨一剑

万步炎和他的科研团队，二十一年磨一剑。2000年开始研制深海海底钻机，2003年，成功研制出我国首台深海浅层岩芯取样钻机，并成功在海底下钻0.7米，钻获第一个岩芯样品，开启了我国自主研发深海海底钻机的历程。随后十几年，万步炎带领他的团队扎根这一技术领域，执着攻关。

2010年，万步炎的深海中深孔岩芯取样钻机研制成功，海底钻探深度20米。2015年他研发“海牛号”海底多用途钻机取得成功，改写了我国深海海底钻机钻探深度纪录。2021年他研发“海牛Ⅱ号”海底大孔深保压取芯钻机系统在南海成功下钻231米，刷新世界深海海底钻机钻探深度。所有关键技术均为自主研发，目前已取得125项国家专利，4项国际发明专利。

尽管已取得巨大成功，但万步炎及其团队的脚步没有停下。据了解，他和团队已经把目光瞄向11000米水深的马里亚纳海沟，在这里每一个指甲壳大小的面积将承受1吨的重量，力争在未来几年内，实现11000米级水深地质钻探取样，为揭示海沟扩张演化规律和独特的生态系统及生命过程演化规律提供利器。

来源：科技日报俞慧友 通 讯 员 唐亚慧 图片摄影：金永平三湘都市报

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