2000米深海鑽探可燃冰,「海牛Ⅱ號」真牛

fans news 發佈 2021-12-03T10:55:11+00:00

導語:2021年4月7日23時左右,湖南科技大學領銜研發的我國首台「海牛Ⅱ號」海底大孔深保壓取芯鑽機系統,搭載海洋地質Ⅱ號科考船,在南海超2000米深水海底,成功下鑽231米,取得這一深度的可燃冰樣品,刷新世界深海海底鑽機鑽探深度。為什麼要去深海進行鑽探?

導語:2021年4月7日23時左右,湖南科技大學領銜研發的我國首台「海牛Ⅱ號」海底大孔深保壓取芯鑽機系統,搭載海洋地質Ⅱ號科考船,在南海超2000米深水海底,成功下鑽231米,取得這一深度的可燃冰樣品,刷新世界深海海底鑽機鑽探深度。

為什麼要去深海進行鑽探?海底鑽機「海牛Ⅱ號」是如何工作的?技術的突破在哪兒?今天我們一起來了解海底鑽機這一高難度的大國重器。

入地有多難?

地球內部由外向內依次是地殼、地幔、地核。而地殼是表面薄薄的一層,與地幔的交界面是莫霍不連續面,其平均厚度只有17km,相對於地球的平均半徑(6378km)來講,甚至遠不如雞蛋殼相對於雞蛋的厚度。而到目前為止,人類從來不能突破這一厚度。

地球的構造 圖源:知乎 https://www.zhihu.com/question/27661681/answer/38185812

現有的技術可以把人類送上太空,但是為什麼卻連地殼都無法突破呢?在地面向下鑽探的一般過程如下動圖所示:

不斷地在已有鑽杆的基礎上添加新的鑽杆,實現進一步鑽進 圖源:抖音號「萬物30秒」

鑽頭一邊鑽進,一邊鑽杆會噴射高速水流,把打碎的岩土衝到地面上,這樣就在地面上打出了一個深孔。

不同類型的鑽頭

在勘探礦產的時候需要特定深度的岩土樣本,這時候就需要先把孔打到接近要求深度的位置,然後停止鑽進,更換另一種鑽頭——取芯鑽頭,相應的鑽杆(也叫鑽具)稱為岩心管。

現在典型的岩心鑽取技術叫繩索取芯技術,就是通過鋼絲繩將岩心管下放後鑽取岩心然後再收回。

地面岩心鑽機獲取的岩心樣品

有很多因素制約了現有技術,例如隨著下挖的深度越大:

①需要不斷地連接新的鑽杆,非常繁瑣;

②溫度高,鑽頭的材料可能變軟,影響鑽頭的工作能力;

③岩土壓力大,挖的深孔如果不及時保護孔壁就會自行潰散;

④鑽杆越長,自身越難控制,也容易被扭斷或者被自身的重力拉斷,難以有效的傳遞旋轉下鑽的扭轉力;

還有很多其他的一些因素,都使得入地本身就並不容易。不過由於石油工業的需要,陸地鑽探技術其實已經比較成熟,我國研製的一台陸地鑽機「地殼一號」已經可以實現萬米的鑽進。

海底有什麼?

我們從小就被教育,我國有960萬平方公里的陸地疆域,還有很多人其實不知道我國還有大約300萬平方公里的海疆,目前我國的海域具體包括7.7萬平方公里的渤海(我國內海)、31.5萬平方公里的黃海(與朝鮮韓國相鄰,依據專屬經濟區原則,我國約管轄黃海的80%)、50.8萬平方公里的東海(與日本相鄰,依據專屬經濟區和大陸架劃定規則,我國約管轄東海的三分之二)以及南海9段線劃定的約210萬平方公里的海疆。

海洋中幾乎有陸地上有的各種資源,而且還有陸地上沒有的一些資源。目前人們已經發現的有以下六大類:①石油、天然氣;②煤鐵等固體礦產;③海濱砂礦;④多金屬結核和富鈷錳結殼;⑤熱液礦藏;⑥可燃冰。

東海、南海的海底都蘊藏著極為豐富的油氣資源,據測算,僅我國南海的可燃冰資源量就達700億噸油當量,約相當於我國目前陸上油氣資源量總數的1/2。

圖:可燃冰,在深海低溫、高壓條件下,由碳氫化合物與水分子組成的冰態固體物質

由於海底環境惡劣,我國還缺乏技術手段進行深海資源勘探,對深海區還調查得很不夠,遼闊的海疆中還有多少海底礦產人們還難以知曉。

海牛Ⅱ號深海鑽機:下海又入地,231米鑽進破紀錄

為了勘探深海資源,我國開展了海底鑽機的研製,但是海底鑽機既需要下海,還需要入地,談何容易。

經過十多年的研製,我國逐步在海底鑽機這一領域走到國際領先水平,2015年時海牛號海底鑽機已經實現了深海海底下鑽60米。

海底鑽機原理

為了勘探深海的可燃冰資源,除了加深鑽進深度外,為了保障取出的岩芯中的可燃冰仍然為冰態固體物質,需要實現取芯時保持樣品所受壓力,因此進一步研製了海牛Ⅱ號深海鑽機。

「海牛Ⅱ號」海底大孔深保壓取芯鑽機系統的目標是研製作業水深不小於2000米,鑽探深度不小於200米,保壓成功率不小於60%,可有效滿足我國海底天然氣水合物(可燃冰)資源勘探的海底大孔深保壓取芯鑽機系統。「海牛Ⅱ號」鑽機本體高7.6米,腰圍10米,體重12噸,水下重量10噸,是目前我國水下重量最重的地質勘探科考設備。它看似龐然大物,到了海底「海牛Ⅱ號」就像一條泥鰍一樣靈活。

2021年4月7日海牛Ⅱ號以231米的鑽進深度刷新了世界紀錄。

實驗室中的海牛Ⅱ號

圖:海牛Ⅱ號從科考船的月池處下水

「海牛二號」怎麼能鑿這麼深?

為了讓海底鑽機實現200米以上深孔的鑽進,需要解決很多技術難題,典型的兩個問題包括:

(1)遙測遙控狀態下的鑽杆接卸與儲存技術

深孔相對淺孔的主要不同點就在於需要不止一個鑽杆。多種陸地鑽機都具備自動安裝和拆卸鑽杆的功能,但其操作條件要好得多,操作過程都可以直接看到,出現問題也可以人工安裝拆卸鑽杆。

海牛號(海牛Ⅱ號的初代產品)的鑽杆和岩心管自動存儲接卸系統

海牛Ⅱ號使用轉盤架用於存儲鑽杆和岩心管,配合上機械手實現鑽杆的自動安裝和拆卸。

海牛Ⅱ號的遙測遙控傳感器數量多、精度高、能夠收集大量的裝備數據,添加了用於監視的深海攝像頭,設計的可靠性經過了檢驗。

(2)鑽杆接卸時的孔位對準與鑽機調平防側滑技術

海底深孔鑽機每次鑽滿一根岩芯管後,需用鋼絲繩從鑽孔中提出全部鑽杆,換上另外一根空岩芯管,再將鑽具放入孔內。這一過程非常耗時繁瑣,考驗孔位對準精度。

且海底鑽機難以直接固定在海底,如鑽具提出孔口後發生側向滑移,則會影響下次下鑽,因此,在海底作業的深海底中深孔鑽機要求絕對穩定支撐,為了實現這一功能,海牛Ⅱ號鑽機支腿的設計就經歷了非常細緻的設計,採用了三支腳的設計,可以實現海底的調平和穩定放置。

圖:海牛Ⅱ號的支撐系統

挖出來的可燃冰如何「感覺良好」——新型保壓鑽具

海底鑽機每次作業所需的全部鑽具是隨海底鑽機一同下放至海底,當每回次鑽進結束後從孔底打撈的內管首先存儲於海底鑽機本體上的鑽具庫內,待整個鑽孔全部結束後再隨鑽機一起提升至母船甲板。

為了讓挖出來的可燃冰樣本仍然保持其在海底的狀態,需要保持其壓力,就需要在岩心管中構造一個保持周圍壓力的機構。

保壓繩索取芯鑽具內管

通過設計保壓繩索取芯鑽具,實現了樣本壓力的保持,6小時內,這一鑽具在高壓狀態(10~30 Mpa,對應了深海1000米~3000米深處的水壓)的壓力損失率為10%,有效改善樣品質量,從而進一步提高海底天然氣水合物儲量評價的準確性。

結語:

一段時間之前,為了緩和與鄰國的關係,我們曾主張可以共同開發相關海域的資源,但是實際上深海資源開發的技術門檻非常高,沒有技術,讓你開發你也幹不了。沒有那金剛鑽,就沒法攬那瓷器活兒。

正是因為我們有了像海牛Ⅱ號這樣的大國重器,才讓我們在深海資源的勘探和利用上走在了前面,隨著我國海軍前出第一島鏈,我國的海洋裝備將在未來為我國的資源供應安全作出重大貢獻。

談至此處,小編乘興賦七絕一首,海牛Ⅱ號探海,在南海超2000米深水成功下鑽231米,刷新世界深海海底鑽機鑽探深度,正是:

試看南溟浪深處,滄海鐵牛鑿玄竅。

顛崖幽壑不足懼,要為九州取龍鱗!

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