“海?！笔窃鯓优Ｆ饋淼?/h1>
2019-07-16 05:26
發(fā)明與創(chuàng)新·大科技 2019年4期
目前，我國首個深水自營大氣田——陵水17-2氣田已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性開發(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？儲量有多大？首先要對開采的地方做經(jīng)濟(jì)技術(shù)評價和礦山開采評價，我們這個設(shè)備就是干這事的?！比f步炎自豪地介紹，“海?！睆?015年研發(fā)成功以來，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?！辈皇桥?，是一臺深海鉆機(jī)。
“海?！焙芘?。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(jìn)90米，取出巖芯，供科學(xué)家解析深海礦藏的各類“密碼”。
如果沒有萬步炎和團(tuán)隊(duì)幾十年如一日的付出，“海?！辈粫@么牛。
第一臺深海鉆機(jī)誕生
萬步炎學(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(shí)是維護(hù)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(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，效率也非常低。為了開展研究，只好向他國租用相關(guān)設(shè)備。
1999年，當(dāng)萬步炎第一次登上遠(yuǎn)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(jìn)口的。更讓他深受刺激的是，當(dāng)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(jī)，可由于技術(shù)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(shè)備，“國家每一個落后于人的地方，都應(yīng)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(fù)雜，學(xué)科交叉性也更強(qiáng)。怎么辦？萬步炎一刻也沒有懈怠，立即全身心投入研制當(dāng)中。通信數(shù)據(jù)傳輸、供電、測控、聲學(xué)等之前不曾深入研究的領(lǐng)域，也被他通過自學(xué)慢慢攻克。
2003年4月，萬步炎團(tuán)隊(duì)研發(fā)的我國第一臺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，但終于邁出了中國人挺進(jìn)深海的第一步。
繼續(xù)攻關(guān)。2米、5米、20米，萬步炎團(tuán)隊(duì)研制的系列鉆機(jī)在太平洋底鉆進(jìn)了1000多個“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(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。較國外同樣鉆進(jìn)深度鉆機(jī)，“海?！币p2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(jì)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(tuán)隊(duì)不眠不休排除萬難，終于在第三次下海時取得了成功?！昂Ｅ！便@進(jìn)深度達(dá)60米，我國深海鉆機(jī)技術(shù)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”?？瓶即Ｉ瞎ぷ饕惶?，光油費(fèi)開支就要近20萬元。時間就是金錢，萬步炎要精打細(xì)算，與時間賽跑。
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，大家都沒經(jīng)驗(yàn)，心里十分忐忑?！巴＃焱Ｏ聛?！”鉆機(jī)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。”萬步炎確定后，立即派電工進(jìn)行緊急搶修。問題解決后，他申請繼續(xù)試驗(yàn)?？紤]到第一次使用這種電纜，海試驗(yàn)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(jī)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(fēng)，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(shù)人員金尼斯加緊調(diào)試絞車，準(zhǔn)備“海牛”收放試驗(yàn)，測試絞車的升沉補(bǔ)償功能。
據(jù)氣象預(yù)報(bào)，風(fēng)浪還會增強(qiáng)。船長要求盡快返航?！罢?jiān)俳o我?guī)追昼?！”通過對講機(jī)，萬步炎向船長懇求。
海底鉆孔時，“海牛”位置必須固定。但海上環(huán)境復(fù)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(bǔ)償功能可以降低船只顛簸對“海牛”的影響。
與“海?！迸涮椎慕g車從丹麥進(jìn)口，調(diào)試必須由金尼斯指導(dǎo)完成。一旦返航，科考船什么時候再出海？丹麥技術(shù)人員什么時候再來？“海?！钡炔患?。
“大家繼續(xù)干！”萬步炎的聲音穿透風(fēng)雨海浪！經(jīng)過大家的努力，絞車收放試驗(yàn)終于完成，科考船于風(fēng)雨中緊急返航。
創(chuàng)新，讓“海?！备?/p>
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，是魚類和珊瑚的領(lǐng)域，再往下，陽光逐漸消失，一片黑暗。鉆機(jī)靠什么去“看”？怎么執(zhí)行命令？
自萬步炎決心研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的深海鉆探設(shè)備起，困難就如海浪般向他涌來。
供電難排第一。剛開始研制深海鉆機(jī)時，國內(nèi)沒有可向海底設(shè)備提供動力電的臍帶纜，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(jī)體重超標(biāo)，操控極為不便。經(jīng)研究，萬步炎團(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，國內(nèi)科考船終于裝備了鎧裝光電復(fù)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(jī)時，決定啟用鎧裝光電復(fù)合纜，通過甲板供電，問題迎刃而解。
鉆進(jìn)取樣，是深?？碧降闹饕康??！昂Ｅ！鄙斐鲋?，扎進(jìn)巖層，沉穩(wěn)著陸，三種不同類型的鉆頭有序鉆進(jìn)、應(yīng)對自如。既可取硬巖巖芯，也可取海底沉積物，還可進(jìn)行原位探測。而這種多功能鉆頭是萬步炎團(tuán)隊(duì)的首創(chuàng)，當(dāng)時國外并無此項(xiàng)技術(shù)。
鉆進(jìn)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(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)問題不大，但超過這一深度，完成一次作業(yè)時間長達(dá)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。
面對難題，萬步炎鉆進(jìn)技術(shù)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(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(lǐng)域，萬步炎團(tuán)隊(duì)第一個成功研發(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(rèn)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嚕f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?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?！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(jī)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(dá)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(xiàng)發(fā)明專利、15項(xiàng)實(shí)用新型專利、1項(xiàng)外觀設(shè)計(jì)專利、3項(xiàng)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(shè)備最深的是200米，“海?！钡南乱粋€目標(biāo)是230米。（本刊綜合）※
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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(shè)備，“國家每一個落后于人的地方，都應(yīng)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(fù)雜，學(xué)科交叉性也更強(qiáng)。怎么辦？萬步炎一刻也沒有懈怠，立即全身心投入研制當(dāng)中。通信數(shù)據(jù)傳輸、供電、測控、聲學(xué)等之前不曾深入研究的領(lǐng)域，也被他通過自學(xué)慢慢攻克。
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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，大家都沒經(jīng)驗(yàn)，心里十分忐忑?！巴＃焱Ｏ聛?！”鉆機(jī)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。”萬步炎確定后，立即派電工進(jìn)行緊急搶修。問題解決后，他申請繼續(xù)試驗(yàn)?？紤]到第一次使用這種電纜，海試驗(yàn)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(jī)著陸海底，下鉆2米，成功取樣，他搶回了一年時間。
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據(jù)氣象預(yù)報(bào)，風(fēng)浪還會增強(qiáng)。船長要求盡快返航?！罢?jiān)俳o我?guī)追昼?！”通過對講機(jī)，萬步炎向船長懇求。
海底鉆孔時，“海牛”位置必須固定。但海上環(huán)境復(fù)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(bǔ)償功能可以降低船只顛簸對“海牛”的影響。
與“海?！迸涮椎慕g車從丹麥進(jìn)口，調(diào)試必須由金尼斯指導(dǎo)完成。一旦返航，科考船什么時候再出海？丹麥技術(shù)人員什么時候再來？“海?！钡炔患?。
“大家繼續(xù)干！”萬步炎的聲音穿透風(fēng)雨海浪！經(jīng)過大家的努力，絞車收放試驗(yàn)終于完成，科考船于風(fēng)雨中緊急返航。
創(chuàng)新，讓“海?！备?/p>
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，是魚類和珊瑚的領(lǐng)域，再往下，陽光逐漸消失，一片黑暗。鉆機(jī)靠什么去“看”？怎么執(zhí)行命令？
自萬步炎決心研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的深海鉆探設(shè)備起，困難就如海浪般向他涌來。
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鉆進(jìn)取樣，是深?？碧降闹饕康??！昂Ｅ！鄙斐鲋?，扎進(jìn)巖層，沉穩(wěn)著陸，三種不同類型的鉆頭有序鉆進(jìn)、應(yīng)對自如。既可取硬巖巖芯，也可取海底沉積物，還可進(jìn)行原位探測。而這種多功能鉆頭是萬步炎團(tuán)隊(duì)的首創(chuàng)，當(dāng)時國外并無此項(xiàng)技術(shù)。
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即便“海?！背晒Ｔ嚕f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?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?！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(jī)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(dá)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……
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