海底地质样品 -海底取样器国内外研究现状

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出品|网易文创

导语：2021年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，搭载海洋地质Ⅱ号科考船，在南海超2000米深水海底，成功下钻231米，取得这一深度的可燃冰样品，刷新世界深海海底钻机钻探深度。

为什么要去深海进行钻探？海底钻机“海牛Ⅱ号”是如何工作的？技术的突破在哪儿？今天我们一起来了解海底钻机这一高难度的大国重器。

入地有多难？

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地球内部由外向内依次是地壳、地幔、地核。而地壳是表面薄薄的一层，与地幔的交界面是莫霍不连续面，其平均厚度只有17km，相对于地球的平均半径（6378km）来讲，甚至远不如鸡蛋壳相对于鸡蛋的厚度。而到目前为止，人类从来不能突破这一厚度。

地球的构造 图源：知乎 https://www.zhihu.com/question/27661681/answer/38185812

现有的技术可以把人类送上太空，但是为什么却连地壳都无法突破呢？在地面向下钻探的一般过程如下动图所示：

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不断地在已有钻杆的基础上添加新的钻杆，实现进一步钻进 图源：抖音号“万物30秒”

钻头一边钻进，一边钻杆会喷射高速水流，把打碎的岩土冲到地面上，这样就在地面上打出了一个深孔。

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不同类型的钻头

在勘探矿产的时候需要特定深度的岩土样本，这时候就需要先把孔打到接近要求深度的位置，然后停止钻进，更换另一种钻头——取芯钻头，相应的钻杆（也叫钻具）称为岩心管。

现在典型的岩心钻取技术叫绳索取芯技术，就是通过钢丝绳将岩心管下放后钻取岩心然后再收回。

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地面岩心钻机获取的岩心样品

有很多因素制约了现有技术，例如随着下挖的深度越大：

①需要不断地连接新的钻杆，非常繁琐；

②温度高，钻头的材料可能变软，影响钻头的工作能力；

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③岩土压力大，挖的深孔如果不及时保护孔壁就会自行溃散；

④钻杆越长，自身越难控制，也容易被扭断或者被自身的重力拉断，难以有效的传递旋转下钻的扭转力；

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还有很多其他的一些因素，都使得入地本身就并不容易。不过由于石油工业的需要，陆地钻探技术其实已经比较成熟，我国研制的一台陆地钻机“地壳一号”已经可以实现万米的钻进。

海底有什么？

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我们从小就被教育，我国有960万平方公里的陆地疆域，还有很多人其实不知道我国还有大约300万平方公里的海疆，目前我国的海域具体包括7.7万平方公里的渤海（我国内海）、31.5万平方公里的黄海（与朝鲜韩国相邻，依据专属经济区原则，我国约管辖黄海的80%）、50.8万平方公里的东海（与日本相邻，依据专属经济区和大陆架划定规则，我国约管辖东海的三分之二）以及南海9段线划定的约210万平方公里的海疆。

海洋中几乎有陆地上有的各种资源，而且还有陆地上没有的一些资源。目前人们已经发现的有以下六大类：①石油、天然气；②煤铁等固体矿产；③海滨砂矿；④多金属结核和富钴锰结壳；⑤热液矿藏；⑥可燃冰。

东海、南海的海底都蕴藏着极为丰富的油气资源，据测算，仅我国南海的可燃冰资源量就达700亿吨油当量，约相当于我国目前陆上油气资源量总数的1/2。

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图：可燃冰，在深海低温、高压条件下，由碳氢化合物与水分子组成的冰态固体物质

由于海底环境恶劣，我国还缺乏技术手段进行深海资源勘探，对深海区还调查得很不够，辽阔的海疆中还有多少海底矿产人们还难以知晓。

海牛Ⅱ号深海钻机：下海又入地，231米钻进破纪录

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为了勘探深海资源，我国开展了海底钻机的研制，但是海底钻机既需要下海，还需要入地，谈何容易。

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经过十多年的研制，我国逐步在海底钻机这一领域走到国际领先水平，2015年时海牛号海底钻机已经实现了深海海底下钻60米。

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海底钻机原理

为了勘探深海的可燃冰资源，除了加深钻进深度外，为了保障取出的岩芯中的可燃冰仍然为冰态固体物质，需要实现取芯时保持样品所受压力，因此进一步研制了海牛Ⅱ号深海钻机。

“海牛Ⅱ号”海底大孔深保压取芯钻机系统的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。

2021年4月7日海牛Ⅱ号以231米的钻进深度刷新了世界纪录。

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实验室中的海牛Ⅱ号

图：海牛Ⅱ号从科考船的月池处下水

“海牛二号”怎么能凿这么深？

为了让海底钻机实现200米以上深孔的钻进，需要解决很多技术难题，典型的两个问题包括：

（1）遥测遥控状态下的钻杆接卸与储存技术

深孔相对浅孔的主要不同点就在于需要不止一个钻杆。多种陆地钻机都具备自动安装和拆卸钻杆的功能，但其操作条件要好得多，操作过程都可以直接看到，出现问题也可以人工安装拆卸钻杆。

海牛号（海牛Ⅱ号的初代产品）的钻杆和岩心管自动存储接卸系统

海牛Ⅱ号使用转盘架用于存储钻杆和岩心管，配合上机械手实现钻杆的自动安装和拆卸。

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海牛Ⅱ号的遥测遥控传感器数量多、精度高、能够收集大量的装备数据，添加了用于监视的深海摄像头，设计的可靠性经过了检验。

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（2）钻杆接卸时的孔位对准与钻机调平防侧滑技术

海底深孔钻机每次钻满一根岩芯管后，需用钢丝绳从钻孔中提出全部钻杆，换上另外一根空岩芯管，再将钻具放入孔内。这一过程非常耗时繁琐，考验孔位对准精度。

且海底钻机难以直接固定在海底，如钻具提出孔口后发生侧向滑移，则会影响下次下钻，因此，在海底作业的深海底中深孔钻机要求绝对稳定支撑，为了实现这一功能，海牛Ⅱ号钻机支腿的设计就经历了非常细致的设计，采用了三支脚的设计，可以实现海底的调平和稳定放置。

图：海牛Ⅱ号的支撑系统

挖出来的可燃冰如何“感觉良好”——新型保压钻具

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海底钻机每次作业所需的全部钻具是随海底钻机一同下放至海底，当每回次钻进结束后从孔底打捞的内管首先存储于海底钻机本体上的钻具库内，待整个钻孔全部结束后再随钻机一起提升至母船甲板。

为了让挖出来的可燃冰样本仍然保持其在海底的状态，需要保持其压力，就需要在岩心管中构造一个保持周围压力的机构。

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保压绳索取芯钻具内管

通过设计保压绳索取芯钻具，实现了样本压力的保持，6小时内，这一钻具在高压状态（10~30 Mpa，对应了深海1000米~3000米深处的水压）的压力损失率为10%，有效改善样品质量，从而进一步提高海底天然气水合物储量评价的准确性。

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结语：

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一段时间之前，为了缓和与邻国的关系，我们曾主张可以共同开发相关海域的资源，但是实际上深海资源开发的技术门槛非常高，没有技术，让你开发你也干不了。没有那金刚钻，就没法揽那瓷器活儿。

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正是因为我们有了像海牛Ⅱ号这样的大国重器，才让我们在深海资源的勘探和利用上走在了前面，随着我国海军前出第一岛链，我国的海洋装备将在未来为我国的资源供应安全作出重大贡献。

谈至此处，小编乘兴赋七绝一首，海牛Ⅱ号探海，在南海超2000米深水成功下钻231米，刷新世界深海海底钻机钻探深度，正是：

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试看南溟浪深处，沧海铁牛凿玄窍。

颠崖幽壑不足惧，要为九州取龙鳞！

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参考文献：

[1]彭奋飞, 王佳亮, 万步炎,等. 适用于海底钻机的保压绳索取心钻具设计[J]. 钻探工程, 2021, 48(4):7.

[2]朱伟亚,万步炎,黄筱军,邓代强. 深海底中深孔岩芯取样钻机的研制[J]. 中国工程机械学报, 2016, 14(1):6.

[3]张汉泉, 陈奇, 万步炎,等. 海底钻机的国内外研究现状与发展趋势[J]. 湖南科技大学学报：自然科学版, 2016, 31(1):7.

[4]周怀瑾. 深海海底超深孔钻机支撑系统分析与试验研究[D]. 湖南科技大学. 2020.06.

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