深海矿产资源丰富，发现、研究它们，需要通过水下钻探获取样本。在各种取样方式中，海底钻机以其钻探成本低、效率高、样品扰动小、易操作等优势，成为备受青睐的高技术装备。
不久前，我国自主研发的“海牛Ⅱ号”海底大孔深保压取芯钻机系统，在超2000米深水中，成功下钻231米，刷新了深海海底钻机的世界纪录，标志着我国在该领域达到世界领先水平。
看似笨重，实则身手不凡
钻探到200米以下，意味着我国理论上具备海洋资源全覆盖的勘探能力
“海牛Ⅱ号”由湖南科技大学教授万步炎领衔研发。万步炎介绍，“海牛Ⅱ号”由海底钻机本体、海底原位探测仪、移动式海底钻机配套收放系统等部分组成。“其中，钻机本体外观上是一个橙黄色、八边形的钢质构造，高7.6米，‘腰围’10米，体重12吨，是目前我国水中最重的地质勘探科考装备。”
看似笨重的“海牛Ⅱ号”，在海底干起活来却很灵活。它的“武器”是身上的78根钻杆，每根3米长，像左轮手枪的子弹一样排列在圆盘之上。操作时，通过圆盘旋转，机械手取杆上膛，把钻杆一根根钻进岩层。
钻头相当于“海牛Ⅱ号”的犄角，由金刚石和硬质合金等材料制成。科研人员设计了不同种类的钻头，有的针对硬岩地层，有的适用于沉积岩软岩地层。
“海牛Ⅱ号”是在4月7日刷新的世界纪录。万步炎告诉记者，当天，经过约两个半小时下潜后，“海牛Ⅱ号”抵达水深2060米的海底。完成姿态调整后，“海牛Ⅱ号”随即开展目标层保压取芯钻探作业。约15小时后，钻进孔深达到海底地下231米。
除了钻得深，“海牛Ⅱ号”还有一项独门绝技——保压取芯。这是勘探可燃冰等某些海底矿产的关键。万步炎介绍，在海水压力下，可燃冰呈“冰”状，它一旦离开其适宜的海水深度，就会因压力减小而变成气体挥发。因而，普通深海钻机无法取样可燃冰，只有在保持海底地层相等压力的状态下，才能做到。
此前，全球海底钻机的最大钻孔深度设计能力为200米，而实际保压取芯作业最深只到达135米，“海牛Ⅱ号”则大大刷新了这一纪录。
通过钻探取样分析，可以了解矿藏储量、品位和埋藏形态，为今后开采勾勒出一幅“藏宝图”。“钻得越深，能勘探的资源就越多。”万步炎说，当前人类发现的、具有商业开采潜力的海洋矿产资源，基本上在海底200米以内。钻探到200米以下，意味着我国在理论上具备了海洋资源全覆盖的勘探能力。
根据《联合国海洋法公约》，公海资源归全人类共有，资源开采权一般遵循谁勘探、谁优先的规则。业内专家表示，“海牛Ⅱ号”是我国深海钻探的一把 “利剑”，它的出鞘，使我国在海底固体矿产资源研究和开发上多了一分技术优势。
攻克多个技术难题
所有关键技术均为自主研发，目前已取得125项专利
深海压力大、温度低，“海牛Ⅱ号”要在复杂的环境中，顺利实现钻机收放、姿态调整、耐压密封、钻杆及芯管接卸、自动测控等一系列操作，技术难度非常大。
据万步炎介绍，“海牛Ⅱ号”主要攻克了全程保压绳索取芯、钻管存储与钻杆快速接卸、智能化与专家操作系统、海底钻机安全可靠下放和回收等技术难题。
钻探过程中，某一段实现保压取芯并不难，难的是全程保压。针对这一问题，科研人员连续多年攻关，通过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，最终实现了海底钻机小口径大孔深高效、高可靠全孔全程保压取芯。
万步炎说，“海牛Ⅱ号”很“聪明”。科研人员为它量身定制了很多传感器设备。这些传感器，融合了团队多年的海上实地钻探经验。到了海底，钻头会根据地层性状情况，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，从而大幅提高了钻探效率、取芯率和取芯质量。
得益于自动化、智能化的设计，一个人就可在母船上完成“海牛Ⅱ号”操作。“海牛Ⅱ号”在钻孔取芯的同时，还能干“兼职”：原位探测岩石的电阻率、孔隙率，给孔内周边岩石拍照等。
在海底钻机收放装置的设计和工艺上，团队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。
值得一提的是，“海牛Ⅱ号”所有关键技术均为自主研发，目前已取得125项专利。
研制“海牛Ⅱ号”，依托的是我国国家重点研发计划“深海关键技术与装备专项”课题。针对“海牛Ⅱ号”，任务书有三大目标，即作业水深不少于2000米、钻进深度不低于200米、保压成功率不小于60%。令万步炎高兴的是，本次海试充分验证了“海牛Ⅱ号”的设计性能，并超预期实现了任务目标。
未来还将不断优化
挑战万米级水深地质钻探取样，是团队接下来的目标
“海牛Ⅱ号”并非“横空出世”，而是20多年坚持不懈、持续研发的结果。2000年，万步炎团队开始研发深海海底钻机。3年后，团队做出了我国首台深海浅层岩芯取样钻机，并在海底下钻0.7米，获得首个岩芯样品。
2010年，这个团队研发的深海深孔岩芯取样钻机，又把海底钻探深度推进到20米。2012年，“海牛Ⅱ号”的前身——“海牛号”研制项目正式启动。2015年，“海牛号”在3000米海水下下钻了60米。由此，我国成为世界上第四个拥有能在水深大于3000米的海底进行60米钻探技术的国家。
如今，我国多条海洋科考船配备了万步炎团队发明的专利设备，并在深海钻孔1000多个。
海底钻机的发展，与我国海底资源勘探历程紧密相连。万步炎告诉记者，1999年以前，中国没有能力研制大型深海机电装备，只能从国外租借设备。后来，我国决定自主研发深海钻探设备。万步炎团队迎难而上，接下了这项任务。他们几乎从零起步，不断摸索，奋勇攻关。
近年来，我国日益重视海洋技术装备研发。深海海底钻孔技术，对其他深海装备制造技术具有很强的辐射性，可以带动相关领域的研发。万步炎说，10多年前，科考船上基本所有设备都是进口的，如今国产装备达到80%以上，未来这一比例将越来越高。
万步炎表示，团队将进一步优化深海钻探设备性能，提升它的环境适应能力、作业性能和智能化程度。此外，他们还计划推进“海牛Ⅱ号”量产，在海底油气采场和海上风电场建设与工程地质勘查领域推广应用。
当前，“海牛Ⅱ号”还在海上工作。深度超过万米的马里亚纳海沟，至今没有人类进行海底钻探作业。“挑战万米级水深地质钻探取样，是我们团队接下来的目标。”万步炎说。
