“海?！笔窃鯓优Ｆ饋淼?br/>——萬步炎與深海鉆機的故事

從2003年國內(nèi)首臺深海鉆探設備面世到2015年“海?！焙Ｔ嚦晒?，再到現(xiàn)在的成功應用；從最初的0.7米到第一次海試時的60米，再到現(xiàn)在的90米，我國的深海鉆機技術實現(xiàn)了從無到有，從弱到強的飛躍發(fā)展。在每一次進步的背后，都有同一個人的身影。他就是“海牛”項目組首席科學家、我國第一臺深海鉆機發(fā)明人、第十一屆“湖南光召科技獎”獲得者、湖南科技大學教授萬步炎。

目前，我國首個深水自營大氣田——陵水17-2氣田已經(jīng)進入了實質(zhì)性開發(fā)建設階段，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)勘探任務由“海?！蓖瓿伞?/p>

“可燃冰在哪里？它的含量怎么樣？儲量有多大？首先要對開采的地方做經(jīng)濟技術評價和礦山開采評價，我們這個設備就是干這事的?！比f步炎自豪地介紹，“海牛”從2015年研發(fā)成功以來，已經(jīng)參與了多項海底勘探任務，取得了一系列豐碩的成果。

“海?！辈皇桥?，是一臺深海鉆機。

“海牛”很牛。3000多米深的海底，在高壓、無光的情況下，“海?！辈粌H可以沉穩(wěn)著陸，還能再往海底巖石鉆進90米，取出巖芯，供科學家解析深海礦藏的各類“密碼”。

如果沒有萬步炎和團隊幾十年如一日的付出，“海?！辈粫@么牛。

第一臺深海鉆機誕生

萬步炎學的是地質(zhì)勘探，最初從事的是陸地礦產(chǎn)的勘探開發(fā)。1999年，一次特別的科考經(jīng)歷，讓他與深海鉆機深深結(jié)緣。

20世紀60年代末，世界各國開始涉足海洋資源的勘探和開采。根據(jù)《聯(lián)合國海洋法公約》，公海礦產(chǎn)資源遵循誰有能力先勘探，誰就具有優(yōu)先開發(fā)權(quán)的原則。因此，海洋礦產(chǎn)資源勘探其實是維護國家海洋權(quán)益的重要方式。

然而在2000年以前，我國沒有能力研制大型深海機電裝備，海洋勘探取樣只能靠大面積海底拖網(wǎng)，耗費人力物力不說，效率也非常低。為了開展研究，只好向他國租用相關設備。

1999年，當萬步炎第一次登上遠洋科考船時，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口的。更讓他深受刺激的是，當時我國花重金從俄羅斯租了一臺鉆探深度為0.7米的鉆機，可由于技術封鎖等原因，試用一個多月一件樣品都沒有取到。

這次經(jīng)歷讓萬步炎下定了決心，一定要研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的深海鉆探設備，“國家每一個落后于人的地方，都應該是我們努力的方向?！?/p>

盡管此前在陸地礦產(chǎn)勘探開發(fā)有過不錯的成績，但海洋的環(huán)境更復雜，學科交叉性也更強。怎么辦？萬步炎一刻也沒有懈怠，立即全身心投入研制當中。通信數(shù)據(jù)傳輸、供電、測控、聲學等之前不曾深入研究的領域，也被他通過自學慢慢攻克。

2003年4月，萬步炎團隊研發(fā)的我國第一臺深海淺地層巖芯取樣鉆機成功海試，盡管鉆探深度只有0.7米，但終于邁出了中國人挺進深海的第一步。

“海?！焙Ｔ嚦晒?，萬步炎拍照紀念（湖南省科技廳 供圖）

繼續(xù)攻關。2米、5米、20米，萬步炎團隊研制的系列鉆機在太平洋底鉆進了1000多個“中國孔”。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，晴空萬里，碧波浩瀚。一個名叫“海牛”的家伙緩緩入海，沒進深藍。它身高5.6米，體重8.3噸，鋼質(zhì)構(gòu)造，橙黃色，八邊形。較國外同樣鉆進深度鉆機，“海牛”要輕2至3噸，作業(yè)時更靈敏，八邊形的外形結(jié)構(gòu)也使其收放更加便捷。

回憶起“海?！蹦谴尉哂锌缡兰o意義的海試，萬步炎用了“歷經(jīng)坎坷”來形容。在海試過程中，第一次下海時“海?！濒[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，兩個水下攝像頭信號時有時無，無奈只能再次收回。萬步炎和團隊不眠不休排除萬難，終于在第三次下海時取得了成功。“海?！便@進深度達60米，我國深海鉆機技術又邁出一大步，躋身世界前列。

與時間賽跑

海上的時間特別“貴”。科考船海上工作一天，光油費開支就要近20萬元。時間就是金錢，萬步炎要精打細算，與時間賽跑。

2008年，2米海底淺孔巖芯取樣鉆機項目在南海結(jié)題驗收。為突破鉆機水下供電技術瓶頸，項目組決定采用鎧裝光電復合纜向海底鉆機進行大功率供電和光纖通信。這條電纜電壓高達3300伏。

第一次使用這種高壓電纜，大家都沒經(jīng)驗，心里十分忐忑?！巴?，快停下來！”鉆機下潛到1000米，突然有人喊。絕緣值時高時低，這意味著隨時有漏電的可能，危險一觸即發(fā)。萬步炎拔腿沖向絞車間，發(fā)現(xiàn)絞車和鎧裝高壓電纜連接處使用的是普通絕緣膠帶。

“問題在這?！比f步炎確定后，立即派電工進行緊急搶修。問題解決后，他申請繼續(xù)試驗?？紤]到第一次使用這種電纜，海試驗收專家組沒有同意。

第二天，“大洋一號”就要返航，下次海試得一年后。萬步炎不甘心，據(jù)理力爭。終于，“海牛”的鉆機著陸海底，下鉆2米，成功取樣，他搶回了一年時間。

搶時間的故事不止這一個。

2015年5月20日20時，臺灣海峽刮起了七級大風，巨浪不斷向科考船涌來，船體劇烈搖晃。甲板上，萬步炎和丹麥技術人員金尼斯加緊調(diào)試絞車，準備“海?！笔辗旁囼?，測試絞車的升沉補償功能。

據(jù)氣象預報，風浪還會增強。船長要求盡快返航?！罢堅俳o我?guī)追昼?！”通過對講機，萬步炎向船長懇求。

海底鉆孔時，“海?！蔽恢帽仨毠潭?。但海上環(huán)境復雜，靠動力定位的科考船容易產(chǎn)生顛簸、位移。絞車的升沉補償功能可以降低船只顛簸對“海?！钡挠绊憽?/p>

與“海牛”配套的絞車從丹麥進口，調(diào)試必須由金尼斯指導完成。一旦返航，科考船什么時候再出海？丹麥技術人員什么時候再來？“海?！钡炔患啊?/p>

“大家繼續(xù)干！”萬步炎的聲音穿透風雨海浪！經(jīng)過大家的努力，絞車收放試驗終于完成，科考船于風雨中緊急返航。

創(chuàng)新，讓“海?！备?/h2>

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。鉆機如何承受如此高壓？海底地形復雜，巖層有的硬，有的軟。鉆機怎么鉆取巖芯，保證樣品的精確性？海洋深度20米以上，是魚類和珊瑚的領域，再往下，陽光逐漸消失，一片黑暗。鉆機靠什么去“看”？怎么執(zhí)行命令？

自萬步炎決心研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的深海鉆探設備起，困難就如海浪般向他涌來。

萬步炎正在工作（湖南省科技廳供圖）

供電難排第一。剛開始研制深海鉆機時，國內(nèi)沒有可向海底設備提供動力電的臍帶纜，只能采用電池供電。設備功率大，所需電池多，且一般電池無法承受高壓。萬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，一個耐壓筒有幾百千克重。要裝上全部電池，需六七個耐壓筒，鉆機體重超標，操控極為不便。經(jīng)研究，萬步炎團隊將電池改造成耐高壓、可浸油的電池，不再需要耐壓筒。

2003年，國內(nèi)科考船終于裝備了鎧裝光電復合纜，但由于對其性能不了解，沒人敢第一個使用這種電纜。直到2008年，萬步炎第一個“吃螃蟹”，在研制2米鉆機時，決定啟用鎧裝光電復合纜，通過甲板供電，問題迎刃而解。

鉆進取樣，是深?？碧降闹饕康摹！昂Ｅ！鄙斐鲋?，扎進巖層，沉穩(wěn)著陸，三種不同類型的鉆頭有序鉆進、應對自如。既可取硬巖巖芯，也可取海底沉積物，還可進行原位探測。而這種多功能鉆頭是萬步炎團隊的首創(chuàng)，當時國外并無此項技術。

鉆進后需要把巖芯樣品取出，用于檢測。按照傳統(tǒng)的提鉆取芯技術，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。在鉆進深度20至30米以內(nèi)，這樣的技術問題不大，但超過這一深度，完成一次作業(yè)時間長達好幾天，絕大部分時間都花在了接卸鉆桿上。海上工作的時間十分寶貴，而且，每次提放鉆具都會對孔壁有所損壞。

萬步炎（左一）指揮下放“海?！保ê鲜】萍紡d 供圖）

面對難題，萬步炎鉆進技術的深孔。自動遙控繩索取芯是萬步炎最后找到的答案。使用這一技術，鉆進60米，鉆桿只需接卸一次，完成一次樣品提取只需約20個小時，對孔壁損壞小，取樣質(zhì)量和精度高。在國內(nèi)深海鉆探領域，萬步炎團隊第一個成功研發(fā)此項技術。

“科研就是發(fā)現(xiàn)，就是創(chuàng)造，就是走沒人走過的路。有人問我：‘你每天做同樣的事情，不會感到厭煩嗎？’我認為，我每天做的都是不同的事情。解決難題后的快樂是無法形容的?！?0年來，萬步炎一次次迎難而上，問題一次次迎刃而解。

即便“海?！背晒Ｔ?，萬步炎也沒有停下創(chuàng)新的腳步，經(jīng)過一次又一次的升級，如今的“海?！备Ａ耍簯盟畛?000米、最大鉆深能力達90米，比先前鉆深能力增加了30米。新一代“海?！迸鋫淞松钏５壮练e物抽吸型地質(zhì)取芯專用鉆具，使用了機載抽吸筒同步定量抽吸加全自動勻速壓入工程地質(zhì)取芯工藝方法，平均取芯率達87.15%。與國際上深海鉆探船同類工程相比，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項發(fā)明專利、15項實用新型專利、1項外觀設計專利、3項軟件著作權(quán)?！比f步炎充滿信心地說，目前國際上海洋鉆探設備最深的是200米，“海牛”的下一個目標是230米。（本刊綜合）※

發(fā)明與創(chuàng)新2019年13期

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