“海牛”是怎样牛起来的——万步炎与深海钻机的故事

从2003年国内首台深海钻探设备面世到2015年“海牛”海试成功，再到现在的成功应用；从最初的0.7米到第一次海试时的60米，再到现在的90米，我国的深海钻机技术实现了从无到有，从弱到强的飞跃发展。在每一次进步的背后，都有同一个人的身影。他就是“海牛”项目组首席科学家、我国第一台深海钻机发明人、第十一届“湖南光召科技奖”获得者、湖南科技大学教授万步炎。

目前，我国首个深水自营大气田——陵水17-2气田已经进入了实质性开发建设阶段，建成投产后将供气给香港、广东及海南地区。该气田的工程地质勘探任务由“海牛”完成。

“可燃冰在哪里？它的含量怎么样？储量有多大？首先要对开采的地方做经济技术评价和矿山开采评价，我们这个设备就是干这事的。”万步炎自豪地介绍，“海牛”从2015年研发成功以来，已经参与了多项海底勘探任务，取得了一系列丰硕的成果。

“海牛”不是牛，是一台深海钻机。

“海牛”很牛。3000多米深的海底，在高压、无光的情况下，“海牛”不仅可以沉稳着陆，还能再往海底岩石钻进90米，取出岩芯，供科学家解析深海矿藏的各类“密码”。

如果没有万步炎和团队几十年如一日的付出，“海牛”不会这么牛。

第一台深海钻机诞生

万步炎学的是地质勘探，最初从事的是陆地矿产的勘探开发。1999年，一次特别的科考经历，让他与深海钻机深深结缘。

20世纪60年代末，世界各国开始涉足海洋资源的勘探和开采。根据《联合国海洋法公约》，公海矿产资源遵循谁有能力先勘探，谁就具有优先开发权的原则。因此，海洋矿产资源勘探其实是维护国家海洋权益的重要方式。

然而在2000年以前，我国没有能力研制大型深海机电装备，海洋勘探取样只能靠大面积海底拖网，耗费人力物力不说，效率也非常低。为了开展研究，只好向他国租用相关设备。

1999年，当万步炎第一次登上远洋科考船时，他发现船上几乎所有的钻探装备都是“洋品牌”，连一根取样用的管子都是进口的。更让他深受刺激的是，当时我国花重金从俄罗斯租了一台钻探深度为0.7米的钻机，可由于技术封锁等原因，试用一个多月一件样品都没有取到。

这次经历让万步炎下定了决心，一定要研制出具有自主知识产权的深海钻探设备，“国家每一个落后于人的地方，都应该是我们努力的方向。”

尽管此前在陆地矿产勘探开发有过不错的成绩，但海洋的环境更复杂，学科交叉性也更强。怎么办？万步炎一刻也没有懈怠，立即全身心投入研制当中。通信数据传输、供电、测控、声学等之前不曾深入研究的领域，也被他通过自学慢慢攻克。

2003年4月，万步炎团队研发的我国第一台深海浅地层岩芯取样钻机成功海试，尽管钻探深度只有0.7米，但终于迈出了中国人挺进深海的第一步。

“海牛”海试成功，万步炎拍照纪念（湖南省科技厅 供图）

继续攻关。2米、5米、20米，万步炎团队研制的系列钻机在太平洋底钻进了1000多个“中国孔”。他们还为“蛟龙号”7000米潜水器量身定制了海底硬岩“岩芯取样器”。

2015年6月11日，南海，晴空万里，碧波浩瀚。一个名叫“海牛”的家伙缓缓入海，没进深蓝。它身高5.6米，体重8.3吨，钢质构造，橙黄色，八边形。较国外同样钻进深度钻机，“海牛”要轻2至3吨，作业时更灵敏，八边形的外形结构也使其收放更加便捷。

回忆起“海牛”那次具有跨世纪意义的海试，万步炎用了“历经坎坷”来形容。在海试过程中，第一次下海时“海牛”闹起了脾气，在海底不受控制。排除故障第二次下水潜到2800多米时，两个水下摄像头信号时有时无，无奈只能再次收回。万步炎和团队不眠不休排除万难，终于在第三次下海时取得了成功。“海牛”钻进深度达60米，我国深海钻机技术又迈出一大步，跻身世界前列。

与时间赛跑

海上的时间特别“贵”。科考船海上工作一天，光油费开支就要近20万元。时间就是金钱，万步炎要精打细算，与时间赛跑。

2008年，2米海底浅孔岩芯取样钻机项目在南海结题验收。为突破钻机水下供电技术瓶颈，项目组决定采用铠装光电复合缆向海底钻机进行大功率供电和光纤通信。这条电缆电压高达3300伏。

第一次使用这种高压电缆，大家都没经验，心里十分忐忑。“停，快停下来！”钻机下潜到1000米，突然有人喊。绝缘值时高时低，这意味着随时有漏电的可能，危险一触即发。万步炎拔腿冲向绞车间，发现绞车和铠装高压电缆连接处使用的是普通绝缘胶带。

“问题在这。”万步炎确定后，立即派电工进行紧急抢修。问题解决后，他申请继续试验。考虑到第一次使用这种电缆，海试验收专家组没有同意。

第二天，“大洋一号”就要返航，下次海试得一年后。万步炎不甘心，据理力争。终于，“海牛”的钻机着陆海底，下钻2米，成功取样，他抢回了一年时间。

抢时间的故事不止这一个。

2015年5月20日20时，台湾海峡刮起了七级大风，巨浪不断向科考船涌来，船体剧烈摇晃。甲板上，万步炎和丹麦技术人员金尼斯加紧调试绞车，准备“海牛”收放试验，测试绞车的升沉补偿功能。

据气象预报，风浪还会增强。船长要求尽快返航。“请再给我几分钟！”通过对讲机，万步炎向船长恳求。

海底钻孔时，“海牛”位置必须固定。但海上环境复杂，靠动力定位的科考船容易产生颠簸、位移。绞车的升沉补偿功能可以降低船只颠簸对“海牛”的影响。

与“海牛”配套的绞车从丹麦进口，调试必须由金尼斯指导完成。一旦返航，科考船什么时候再出海？丹麦技术人员什么时候再来？“海牛”等不及。

“大家继续干！”万步炎的声音穿透风雨海浪！经过大家的努力，绞车收放试验终于完成，科考船于风雨中紧急返航。

创新，让“海牛”更牛

在水深大于3000米的海底，一块指甲大小的面积就要承受300千克的压力。钻机如何承受如此高压？海底地形复杂，岩层有的硬，有的软。钻机怎么钻取岩芯，保证样品的精确性？海洋深度20米以上，是鱼类和珊瑚的领域，再往下，阳光逐渐消失，一片黑暗。钻机靠什么去“看”？怎么执行命令？

自万步炎决心研制具有自主知识产权的深海钻探设备起，困难就如海浪般向他涌来。

万步炎正在工作（湖南省科技厅供图）

供电难排第一。刚开始研制深海钻机时，国内没有可向海底设备提供动力电的脐带缆，只能采用电池供电。设备功率大，所需电池多，且一般电池无法承受高压。万步炎决定用耐压筒组装，形成与陆地等同的内部环境。麻烦的是，一个耐压筒有几百千克重。要装上全部电池，需六七个耐压筒，钻机体重超标，操控极为不便。经研究，万步炎团队将电池改造成耐高压、可浸油的电池，不再需要耐压筒。

2003年，国内科考船终于装备了铠装光电复合缆，但由于对其性能不了解，没人敢第一个使用这种电缆。直到2008年，万步炎第一个“吃螃蟹”，在研制2米钻机时，决定启用铠装光电复合缆，通过甲板供电，问题迎刃而解。

钻进取样，是深海勘探的主要目的。“海牛”伸出支腿，扎进岩层，沉稳着陆，三种不同类型的钻头有序钻进、应对自如。既可取硬岩岩芯，也可取海底沉积物，还可进行原位探测。而这种多功能钻头是万步炎团队的首创，当时国外并无此项技术。

钻进后需要把岩芯样品取出，用于检测。按照传统的提钻取芯技术，孔底岩芯管装满之后要将钻杆一根根收回，取出末端钻具内装满样品的岩芯管，换一根空岩芯管，重新拧接，继续钻进。在钻进深度20至30米以内，这样的技术问题不大，但超过这一深度，完成一次作业时间长达好几天，绝大部分时间都花在了接卸钻杆上。海上工作的时间十分宝贵，而且，每次提放钻具都会对孔壁有所损坏。

万步炎（左一）指挥下放“海牛”（湖南省科技厅 供图）

面对难题，万步炎钻进技术的深孔。自动遥控绳索取芯是万步炎最后找到的答案。使用这一技术，钻进60米，钻杆只需接卸一次，完成一次样品提取只需约20个小时，对孔壁损坏小，取样质量和精度高。在国内深海钻探领域，万步炎团队第一个成功研发此项技术。

“科研就是发现，就是创造，就是走没人走过的路。有人问我：‘你每天做同样的事情，不会感到厌烦吗？’我认为，我每天做的都是不同的事情。解决难题后的快乐是无法形容的。”20年来，万步炎一次次迎难而上，问题一次次迎刃而解。

即便“海牛”成功海试，万步炎也没有停下创新的脚步，经过一次又一次的升级，如今的“海牛”更牛了：应用水深超3000米、最大钻深能力达90米，比先前钻深能力增加了30米。新一代“海牛”配备了深水海底沉积物抽吸型地质取芯专用钻具，使用了机载抽吸筒同步定量抽吸加全自动匀速压入工程地质取芯工艺方法，平均取芯率达87.15%。与国际上深海钻探船同类工程相比，勘探作业成本可降低90%以上，效率提高6至8倍……

“这套装备成果已获10项发明专利、15项实用新型专利、1项外观设计专利、3项软件著作权。”万步炎充满信心地说，目前国际上海洋钻探设备最深的是200米，“海牛”的下一个目标是230米。（本刊综合）※