“海牛”是怎樣牛起來(lái)的
——萬(wàn)步炎與深海鉆機(jī)的故事

從2003年國(guó)內(nèi)首臺(tái)深海鉆探設(shè)備面世到2015年“海牛”海試成功，再到現(xiàn)在的成功應(yīng)用；從最初的0.7米到第一次海試時(shí)的60米，再到現(xiàn)在的90米，我國(guó)的深海鉆機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有，從弱到強(qiáng)的飛躍發(fā)展。在每一次進(jìn)步的背后，都有同一個(gè)人的身影。他就是“海牛”項(xiàng)目組首席科學(xué)家、我國(guó)第一臺(tái)深海鉆機(jī)發(fā)明人、第十一屆“湖南光召科技獎(jiǎng)”獲得者、湖南科技大學(xué)教授萬(wàn)步炎。

目前，我國(guó)首個(gè)深水自營(yíng)大氣田——陵水17-2氣田已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性開(kāi)發(fā)建設(shè)階段，建成投產(chǎn)后將供氣給香港、廣東及海南地區(qū)。該氣田的工程地質(zhì)勘探任務(wù)由“海牛”完成。

“可燃冰在哪里？它的含量怎么樣？?jī)?chǔ)量有多大？首先要對(duì)開(kāi)采的地方做經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)和礦山開(kāi)采評(píng)價(jià)，我們這個(gè)設(shè)備就是干這事的。”萬(wàn)步炎自豪地介紹，“海牛”從2015年研發(fā)成功以來(lái)，已經(jīng)參與了多項(xiàng)海底勘探任務(wù)，取得了一系列豐碩的成果。

“海牛”不是牛，是一臺(tái)深海鉆機(jī)。

“海牛”很牛。3000多米深的海底，在高壓、無(wú)光的情況下，“海牛”不僅可以沉穩(wěn)著陸，還能再往海底巖石鉆進(jìn)90米，取出巖芯，供科學(xué)家解析深海礦藏的各類(lèi)“密碼”。

如果沒(méi)有萬(wàn)步炎和團(tuán)隊(duì)幾十年如一日的付出，“海牛”不會(huì)這么牛。

第一臺(tái)深海鉆機(jī)誕生

萬(wàn)步炎學(xué)的是地質(zhì)勘探，最初從事的是陸地礦產(chǎn)的勘探開(kāi)發(fā)。1999年，一次特別的科考經(jīng)歷，讓他與深海鉆機(jī)深深結(jié)緣。

20世紀(jì)60年代末，世界各國(guó)開(kāi)始涉足海洋資源的勘探和開(kāi)采。根據(jù)《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》，公海礦產(chǎn)資源遵循誰(shuí)有能力先勘探，誰(shuí)就具有優(yōu)先開(kāi)發(fā)權(quán)的原則。因此，海洋礦產(chǎn)資源勘探其實(shí)是維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益的重要方式。

然而在2000年以前，我國(guó)沒(méi)有能力研制大型深海機(jī)電裝備，海洋勘探取樣只能靠大面積海底拖網(wǎng)，耗費(fèi)人力物力不說(shuō)，效率也非常低。為了開(kāi)展研究，只好向他國(guó)租用相關(guān)設(shè)備。

1999年，當(dāng)萬(wàn)步炎第一次登上遠(yuǎn)洋科考船時(shí)，他發(fā)現(xiàn)船上幾乎所有的鉆探裝備都是“洋品牌”，連一根取樣用的管子都是進(jìn)口的。更讓他深受刺激的是，當(dāng)時(shí)我國(guó)花重金從俄羅斯租了一臺(tái)鉆探深度為0.7米的鉆機(jī)，可由于技術(shù)封鎖等原因，試用一個(gè)多月一件樣品都沒(méi)有取到。

這次經(jīng)歷讓萬(wàn)步炎下定了決心，一定要研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深海鉆探設(shè)備，“國(guó)家每一個(gè)落后于人的地方，都應(yīng)該是我們努力的方向。”

盡管此前在陸地礦產(chǎn)勘探開(kāi)發(fā)有過(guò)不錯(cuò)的成績(jī)，但海洋的環(huán)境更復(fù)雜，學(xué)科交叉性也更強(qiáng)。怎么辦？萬(wàn)步炎一刻也沒(méi)有懈怠，立即全身心投入研制當(dāng)中。通信數(shù)據(jù)傳輸、供電、測(cè)控、聲學(xué)等之前不曾深入研究的領(lǐng)域，也被他通過(guò)自學(xué)慢慢攻克。

2003年4月，萬(wàn)步炎團(tuán)隊(duì)研發(fā)的我國(guó)第一臺(tái)深海淺地層巖芯取樣鉆機(jī)成功海試，盡管鉆探深度只有0.7米，但終于邁出了中國(guó)人挺進(jìn)深海的第一步。

“海牛”海試成功，萬(wàn)步炎拍照紀(jì)念（湖南省科技廳 供圖）

繼續(xù)攻關(guān)。2米、5米、20米，萬(wàn)步炎團(tuán)隊(duì)研制的系列鉆機(jī)在太平洋底鉆進(jìn)了1000多個(gè)“中國(guó)孔”。他們還為“蛟龍?zhí)枴?000米潛水器量身定制了海底硬巖“巖芯取樣器”。

2015年6月11日，南海，晴空萬(wàn)里，碧波浩瀚。一個(gè)名叫“海牛”的家伙緩緩入海，沒(méi)進(jìn)深藍(lán)。它身高5.6米，體重8.3噸，鋼質(zhì)構(gòu)造，橙黃色，八邊形。較國(guó)外同樣鉆進(jìn)深度鉆機(jī)，“海牛”要輕2至3噸，作業(yè)時(shí)更靈敏，八邊形的外形結(jié)構(gòu)也使其收放更加便捷。

回憶起“海牛”那次具有跨世紀(jì)意義的海試，萬(wàn)步炎用了“歷經(jīng)坎坷”來(lái)形容。在海試過(guò)程中，第一次下海時(shí)“海牛”鬧起了脾氣，在海底不受控制。排除故障第二次下水潛到2800多米時(shí)，兩個(gè)水下攝像頭信號(hào)時(shí)有時(shí)無(wú)，無(wú)奈只能再次收回。萬(wàn)步炎和團(tuán)隊(duì)不眠不休排除萬(wàn)難，終于在第三次下海時(shí)取得了成功。“海牛”鉆進(jìn)深度達(dá)60米，我國(guó)深海鉆機(jī)技術(shù)又邁出一大步，躋身世界前列。

與時(shí)間賽跑

海上的時(shí)間特別“貴”。科考船海上工作一天，光油費(fèi)開(kāi)支就要近20萬(wàn)元。時(shí)間就是金錢(qián)，萬(wàn)步炎要精打細(xì)算，與時(shí)間賽跑。

2008年，2米海底淺孔巖芯取樣鉆機(jī)項(xiàng)目在南海結(jié)題驗(yàn)收。為突破鉆機(jī)水下供電技術(shù)瓶頸，項(xiàng)目組決定采用鎧裝光電復(fù)合纜向海底鉆機(jī)進(jìn)行大功率供電和光纖通信。這條電纜電壓高達(dá)3300伏。

第一次使用這種高壓電纜，大家都沒(méi)經(jīng)驗(yàn)，心里十分忐忑。“停，快停下來(lái)！”鉆機(jī)下潛到1000米，突然有人喊。絕緣值時(shí)高時(shí)低，這意味著隨時(shí)有漏電的可能，危險(xiǎn)一觸即發(fā)。萬(wàn)步炎拔腿沖向絞車(chē)間，發(fā)現(xiàn)絞車(chē)和鎧裝高壓電纜連接處使用的是普通絕緣膠帶。

“問(wèn)題在這。”萬(wàn)步炎確定后，立即派電工進(jìn)行緊急搶修。問(wèn)題解決后，他申請(qǐng)繼續(xù)試驗(yàn)。考慮到第一次使用這種電纜，海試驗(yàn)收專(zhuān)家組沒(méi)有同意。

第二天，“大洋一號(hào)”就要返航，下次海試得一年后。萬(wàn)步炎不甘心，據(jù)理力爭(zhēng)。終于，“海牛”的鉆機(jī)著陸海底，下鉆2米，成功取樣，他搶回了一年時(shí)間。

搶時(shí)間的故事不止這一個(gè)。

2015年5月20日20時(shí)，臺(tái)灣海峽刮起了七級(jí)大風(fēng)，巨浪不斷向科考船涌來(lái)，船體劇烈搖晃。甲板上，萬(wàn)步炎和丹麥技術(shù)人員金尼斯加緊調(diào)試絞車(chē)，準(zhǔn)備“海牛”收放試驗(yàn)，測(cè)試絞車(chē)的升沉補(bǔ)償功能。

據(jù)氣象預(yù)報(bào)，風(fēng)浪還會(huì)增強(qiáng)。船長(zhǎng)要求盡快返航。“請(qǐng)?jiān)俳o我?guī)追昼姡　蓖ㄟ^(guò)對(duì)講機(jī)，萬(wàn)步炎向船長(zhǎng)懇求。

海底鉆孔時(shí)，“海牛”位置必須固定。但海上環(huán)境復(fù)雜，靠動(dòng)力定位的科考船容易產(chǎn)生顛簸、位移。絞車(chē)的升沉補(bǔ)償功能可以降低船只顛簸對(duì)“海牛”的影響。

與“海牛”配套的絞車(chē)從丹麥進(jìn)口，調(diào)試必須由金尼斯指導(dǎo)完成。一旦返航，科考船什么時(shí)候再出海？丹麥技術(shù)人員什么時(shí)候再來(lái)？“海牛”等不及。

“大家繼續(xù)干！”萬(wàn)步炎的聲音穿透風(fēng)雨海浪！經(jīng)過(guò)大家的努力，絞車(chē)收放試驗(yàn)終于完成，科考船于風(fēng)雨中緊急返航。

創(chuàng)新，讓“海牛”更牛

在水深大于3000米的海底，一塊指甲大小的面積就要承受300千克的壓力。鉆機(jī)如何承受如此高壓？海底地形復(fù)雜，巖層有的硬，有的軟。鉆機(jī)怎么鉆取巖芯，保證樣品的精確性？海洋深度20米以上，是魚(yú)類(lèi)和珊瑚的領(lǐng)域，再往下，陽(yáng)光逐漸消失，一片黑暗。鉆機(jī)靠什么去“看”？怎么執(zhí)行命令？

自萬(wàn)步炎決心研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深海鉆探設(shè)備起，困難就如海浪般向他涌來(lái)。

萬(wàn)步炎正在工作（湖南省科技廳供圖）

供電難排第一。剛開(kāi)始研制深海鉆機(jī)時(shí)，國(guó)內(nèi)沒(méi)有可向海底設(shè)備提供動(dòng)力電的臍帶纜，只能采用電池供電。設(shè)備功率大，所需電池多，且一般電池?zé)o法承受高壓。萬(wàn)步炎決定用耐壓筒組裝，形成與陸地等同的內(nèi)部環(huán)境。麻煩的是，一個(gè)耐壓筒有幾百千克重。要裝上全部電池，需六七個(gè)耐壓筒，鉆機(jī)體重超標(biāo)，操控極為不便。經(jīng)研究，萬(wàn)步炎團(tuán)隊(duì)將電池改造成耐高壓、可浸油的電池，不再需要耐壓筒。

2003年，國(guó)內(nèi)科考船終于裝備了鎧裝光電復(fù)合纜，但由于對(duì)其性能不了解，沒(méi)人敢第一個(gè)使用這種電纜。直到2008年，萬(wàn)步炎第一個(gè)“吃螃蟹”，在研制2米鉆機(jī)時(shí)，決定啟用鎧裝光電復(fù)合纜，通過(guò)甲板供電，問(wèn)題迎刃而解。

鉆進(jìn)取樣，是深海勘探的主要目的。“海牛”伸出支腿，扎進(jìn)巖層，沉穩(wěn)著陸，三種不同類(lèi)型的鉆頭有序鉆進(jìn)、應(yīng)對(duì)自如。既可取硬巖巖芯，也可取海底沉積物，還可進(jìn)行原位探測(cè)。而這種多功能鉆頭是萬(wàn)步炎團(tuán)隊(duì)的首創(chuàng)，當(dāng)時(shí)國(guó)外并無(wú)此項(xiàng)技術(shù)。

鉆進(jìn)后需要把巖芯樣品取出，用于檢測(cè)。按照傳統(tǒng)的提鉆取芯技術(shù)，孔底巖芯管裝滿之后要將鉆桿一根根收回，取出末端鉆具內(nèi)裝滿樣品的巖芯管，換一根空巖芯管，重新擰接，繼續(xù)鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)深度20至30米以內(nèi)，這樣的技術(shù)問(wèn)題不大，但超過(guò)這一深度，完成一次作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)好幾天，絕大部分時(shí)間都花在了接卸鉆桿上。海上工作的時(shí)間十分寶貴，而且，每次提放鉆具都會(huì)對(duì)孔壁有所損壞。

萬(wàn)步炎（左一）指揮下放“海牛”（湖南省科技廳 供圖）

面對(duì)難題，萬(wàn)步炎鉆進(jìn)技術(shù)的深孔。自動(dòng)遙控繩索取芯是萬(wàn)步炎最后找到的答案。使用這一技術(shù)，鉆進(jìn)60米，鉆桿只需接卸一次，完成一次樣品提取只需約20個(gè)小時(shí)，對(duì)孔壁損壞小，取樣質(zhì)量和精度高。在國(guó)內(nèi)深海鉆探領(lǐng)域，萬(wàn)步炎團(tuán)隊(duì)第一個(gè)成功研發(fā)此項(xiàng)技術(shù)。

“科研就是發(fā)現(xiàn)，就是創(chuàng)造，就是走沒(méi)人走過(guò)的路。有人問(wèn)我：‘你每天做同樣的事情，不會(huì)感到厭煩嗎？’我認(rèn)為，我每天做的都是不同的事情。解決難題后的快樂(lè)是無(wú)法形容的。”20年來(lái)，萬(wàn)步炎一次次迎難而上，問(wèn)題一次次迎刃而解。

即便“海牛”成功海試，萬(wàn)步炎也沒(méi)有停下創(chuàng)新的腳步，經(jīng)過(guò)一次又一次的升級(jí)，如今的“海牛”更牛了：應(yīng)用水深超3000米、最大鉆深能力達(dá)90米，比先前鉆深能力增加了30米。新一代“海牛”配備了深水海底沉積物抽吸型地質(zhì)取芯專(zhuān)用鉆具，使用了機(jī)載抽吸筒同步定量抽吸加全自動(dòng)勻速壓入工程地質(zhì)取芯工藝方法，平均取芯率達(dá)87.15%。與國(guó)際上深海鉆探船同類(lèi)工程相比，勘探作業(yè)成本可降低90%以上，效率提高6至8倍……

“這套裝備成果已獲10項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利、15項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利、1項(xiàng)外觀設(shè)計(jì)專(zhuān)利、3項(xiàng)軟件著作權(quán)。”萬(wàn)步炎充滿信心地說(shuō)，目前國(guó)際上海洋鉆探設(shè)備最深的是200米，“海牛”的下一個(gè)目標(biāo)是230米。（本刊綜合）※