0 引　言

由于陆地金属矿产资源逐渐减少，海洋中的固态矿产资源已成为各个国家探索的目标。深海中蕴藏着大量的矿产资源，例如石油、天然气及各种金属矿石等。通过深海取样，科学家们能更好地探索这些宝贵资源的位置、储量及其潜在价值，从而为后续的开采提供理论支持 ^[1]。深海取样对于地球科学研究、生物多样性研究、资源勘探和环境保护都具有重要意义。

深海岩芯取样钻机是专门对深海固态资源进行钻探和取样的设备，通常用于科学研究和勘探活动，以获取深海的地质样本。这些钻机能够承受深海环境的高压和低温，同时具有足够的稳定性和精确性来进行精细的钻探和取芯操作^[2]。深海岩芯取样钻机的工作原理是利用旋转钻头和取芯器具来在海底钻取岩石的样本，然后将这些样本提取到地面进行分析和研究。

深海岩芯取样钻机按设备大小及工作方式的不同可以分为基于海上钻探船的大型深海岩芯取样钻机，基于海上科考船布放的坐底式中型深海岩芯取样钻机和基于深海运载器的小型深海岩芯取样钻机。基于海上钻探船的大型岩芯取样钻机是一种大型取样设备，钻探船上配备有各种钻探设备，包括钻机、钻头、钻杆、取芯器等，钻探深度极深并具有在全球范围内工作的能力，同时拥有超过10000 m的钻探能力 ^[3]。基于海上科考船布放的坐底式中型深海岩芯取样钻机，则依赖于大型科学考察船来部署和固定位置，通过铠装线缆连接到主船以维持电源、监测和操控等方面的工作，这类钻机能达到很深的钻进深度，是深入了解深海自然资源状况、获取深海样品的关键工具^[4]。基于运载器的小型岩芯取样钻机通常由钻头、驱动系统和控制系统构成，可用电力或液压作为动力来源，与基于海上科考船船的岩芯取样钻机不同的是采用了轻量化设计，由于需搭载于运载器本体，其作业重量、作业功率、钻取深度较小，但可以充分利用运载器的准确定位功能对特定地区进行精细取样^{[5 − 6]}。

深海岩芯取样钻机作为深海科学研究和勘探的重要工具，涉及多项关键性技术，以确保在极端深海环境中能够稳定、准确地进行取样和钻探操作^[7]。本文对深海取样动态稳定技术，深海取样可视化技术，深海精准取样技术，深海取芯样品保真技术进行了分析。最后对深海岩芯取样钻机未来发展趋势作了分析和预测。

1 研究现状

目前，国内外不仅开发出多台高效率的基于钻探船和科考船的深海岩芯取样钻机，同时对基于运载器的小型深海岩芯取样钻机进行技术研发，并初步取得成果。国内外典型深海岩芯取样钻机如表1所示。

1.1 国外研究现状

1）基于海上钻探船的大型深海岩芯取样钻机

“决心号”是由美国Sedco公司及英国石油公司共同拥有的商业勘探船，其前身为“Sedco/BP 471号”，后被改造为大洋钻探船，该船配备了能够缓解震动影响的缓冲式钻杆，同时采用绳索取芯技术，使取芯管置于钻杆内部，并利用钢丝绳与钻塔上的牵引设备相连，以便在完成取芯操作时将取芯样品顺利提取出。根据不同的作业需求，“决心号”配备了各种类型的取芯管。在大规模海洋钻探过程中，如果不能有效清理钻孔内的岩屑，可能会在钻孔附近形成类似蚂蚁巢穴的结构，“决心号”设计有一个工作系统，借助海水和泥浆的流动来清除这些岩屑，并清洁钻孔周边的“蚁冢”。决心号大洋钻探船岩芯取样钻机如图1所示。

Chikyu 号是日本研发的科学钻探船，可在海床以下 7000 m处进行钻探。是通过顶部驱动系统进行钻机驱动，钻杆通过12 m×22 m的月池进入水中。钻探时，为防止储层压力反作用于钻杆，配备了防喷系统，该系统380 t，高14.5 m，可承受103 MPa的压力。地球号钻探船有立管钻进和无立管钻进2种选择。为方便钻进作业，该钻探船还配备了液压起重系统，主要作用是从辅助船上装卸物料，物料包括钻杆、套管和其他管件。地球号大洋钻探船如图2所示。

2）基于海上科考船布放的坐底式中型深海岩芯取样钻机

MeBo是德国海洋研究中心开发的深海岩芯取样钻机。海底钻机MeBo是一种机器人钻机，该钻机通过科考船布放在海底，可从科考船上进行远程操作，以向海底钻探。海底钻机MeBo由钻机、吊车、操控中心及收发装置组成，可通过德国和国际科考船在全球范围内部署。MeBo钻机采样了电缆取芯技术，该技术的优势在于可以在海床的稳定平台上操作钻机进行取样。MeBo已多次在深海成功钻探，并在海床中检索了高质量的岩芯，所取岩芯被用于各种研究领域，包括边坡稳定性研究和古气候重建^[8]。MeBo深海岩芯取样钻机如图3所示。

3）基于深海运载器的小型深海岩芯取样钻机

ROV Jason & Medea是美国伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）研发的一款远程运载器（ROV），配备有岩芯取样钻机。Jason配备双体远程操作系统，Medea通过一条10 km的电线传输电力及控制指令至Jason，同时能够把收集到的数据和实时图像发送回勘探船。Medea的3台向下倾斜角度分别为0°、30°和60°的相机，用以监控海底Jason的情况。此外，Medea装备有HMI和白炽灯，以便于在海底提供光源。Jason装备了一系列设备如声呐、高清摄像头、影像系统、灯光（包含16个LED灯）及取样装置。Jason会获取岩石样本、沉积物或海洋生物样本，将其放入ROV的样品箱中。ROV Jason & Medea运载器及取芯装置如图4所示 。

美国的Alvin号是世界上最先进的运载器之一，美国基于Alvin号成功研发和测试了一款名为HSTR的岩芯取样钻机，并在热液区取得了硫化物岩芯样本。这款钻机采用了单管设计，其最大取芯直径可达3 cm，深度达35 cm。为方便科学家的使用，所有的采样器具都被放置在一个金属采样篮中，这样可以防止海水冲刷，同时也能轻易地将其取出。Alvin号运载器及取芯装置如图5所示。此外，美国的mbari研究机构已经开发出了一种能够达到深度为4000 m级的mcs采样设备，该设备可以同时采集4个样本，已成功地从JuandeFuca海床获取到了暴露的岩石样本。HarborBranch海洋科学研究院也对一种能到达深达7000 m级的HarborBranch钻探工具进行了深入研究，并且将其与MagellanRov一起应用到海上测试中。

另外，英国、法国和俄罗斯也开展了深海运载器岩芯取芯器的研制及应用工作，如consub号（英国）、st-i号（法国）和aptyc号（俄国）等载人潜水器均开展了配套小型岩芯取芯器研制。这些基于运载器的岩芯取样钻机在深海科学研究和勘探领域发挥着重要作用，为科学家提供了在深海环境中获取岩石样本的重要工具。其具有先进的技术和自主操作能力，能够在复杂的深海环境中进行精确的取样和钻探操作。

1.2 国内研究现状

1）基于海上钻探船的大型深海岩芯取样钻机

“梦想”号是我国第一艘独立研发并制造的大洋钻探船，其遵循了“小型化、多元化、模块化”的设计原则，成功克服了一系列关键难题，实现了多个首次创新，整体设备配置及综合工作效率达到了世界顶尖标准。“梦想”号拥有世界上最为先进的钻探体系，尤其是深度超过10000 m的无隔水管泥浆循环系统（RMR）由我们国家独自研究开发，“梦想”号大洋钻探船也具备了全海域的工作能力和对11000 m深度的钻探实力。此外，“梦想”号大洋钻探船建有全球面积最大、功能最全、流程最优的船载实验室，可满足海洋领域全学科研究要求。梦想号大洋钻探船如图6所示。

2）基于海上科考船布放的坐底式中型深海岩芯取样钻机

“海牛II号”是由湖南科技大学的万步炎教授领导研究的深海设备。该设备主要由海底钻机、海底检测仪器和海上钻机收放系统等组成。钻机高度为7.6 m，直径达10 m，重量达12 t。其配备了78支长度均为3 m的钻杆，有序地排列在一个圆形基座上。当使用这些钻杆的时，可通过转动基座来使机械臂抓取并装填钻杆，然后将其逐个钻入到海底岩石中去。在深海取样时，温度降低至一定程度，可燃冰会从固态转变为气态，从而导致其消失。因此，“海牛II号”采用的保压提取技术对于探索如可燃冰之类的特定深海资源具有重要意义^[9]。海牛II号取样钻机如图7所示。

由长沙矿山研究院自主研发的深海岩芯取样钻机，在印度洋执行我国多金属硫化物海底矿区调查航次中，取得突破性成果，创下完整硫化物岩芯长度4.95 m的钻进勘探纪录^[10]。长沙矿山研究院自主研发的10 m和20 m深海岩心取样钻机具有自主知识产权，核心部件国产化率100%^[11]。多次在钻探勘查中创造钻进深度和取芯长度纪录，标志着我国在深海多金属硫化物中深孔钻探迈出了跨越性的一步，为我国深海多金属硫化物资源开采提供了勘探利器。长沙矿山研究院自研钻机如图8所示。

在“大洋一号”第5、第6航段中，由杭州电子科技大学团队所研发的深海钻机展现了强大的实力。杭州电子科技大学盛庆华教授操控着深海钻机深入至西太平洋3000 m深度的海底，此次探测使用的深海钻机是由学校的研究小组最新研制的1.5 m钻机。为达到钻探目标，盛庆华教授对设备做了全面检查及测试，排除掉如海浪摇晃、海底冲击等各种可能的影响因素，以保证深海钻机能够迅速接收电子信息并且精确执行指令。1.5 m深海钻机在太平洋底部完成了90次精准定位及钻探取芯，获得了1.09 m的完整岩石样本。杭电1.5 m深海钻机如图9所示。

3）基于深海运载器的小型深海岩芯取样钻机

“海马”号运载器首次搭载了自主研制的钻机，在3个站点上成功地钻取了富钴结壳，这标志着中国水下机器人在深海的钻探取芯任务取得了突破性的成果，通过采集到的岩石样本，这些站点上的富钴结壳的实际厚度已得到确认。多年来，通过对海洋矿产资源的大规模勘察活动和勘探技术的不断提升，“海马”号已经建立了一套以水下机器人为基础，融合高分辨率图像捕捉、高频率声段测量、强大抓取能力和钻头等多样化采样器具于一体的系统，专用于深入研究富钴结壳。海马号运载器及取芯钻机如图10所示。

对于“蛟龙号”钴结壳取芯器的研究，开发了电动式的取芯设备，使用内部的深海电池和深海电机来推动钻机，能够采集到直径16 mm、长100 mm的钴结壳样品。这种取芯设备被安装在“蛟龙号”的采样篮上，并由“蛟龙号”上的潜水员在密闭空间里利用2个机械臂（包括七功能主从式机械手和七功能开关式机械手）执行取芯任务。由于这些实际操作是在近距离下完成的，因此大大提高了取芯工作速度与成功几率，并且“蛟龙号”钴结壳取芯器已跟随海洋科学考察船多次实现了深海应用^{[12 − 13]}。蛟龙号钴结壳取芯器如图11所示。

“发现”号ROV配备了成熟的深海原位取样系统，主要包括深海智能化取样系统、液固样品取样设备、深海岩芯取样钻机、采水器及微型捕捞器等。这些设备能够准确无误地从各类型的环境中取得样品并对其进行保护。深海岩芯钻机可实现多角度取样和钻孔，并能在钻孔后自动断芯，以获取海底岩石样品；深海原位采水器一次性可获得大通量的原位保真水体，其获取的速度和体积已实现了可视化控制^[14]。发现号ROV及取芯钻机如图12所示。

2 关键技术 2.1 深海取样动态稳定技术

深海岩芯取样钻机配备的自适应钻探系统可以根据海底地形的变化自动调整钻探参数。通过传感器实时监测海底地形和岩层特征，自适应钻探系统能够动态调节钻头的压力、速度和方向，以确保钻探过程的稳定性和取芯样本的完整性。

2.2 深海可视化取样技术

为实现对深海岩芯取样钻机的实时监控，深海远程操作技术通常涉及实时视频传输技术。摄像头安装在取芯设备上，将深海取样环境及钻机工作过程的图像传输到钻探船上或深海运载器的监控中心，使操作人员能够实时观察操作情况。

2.3 深海精准取样技术

深海岩芯取样钻机应该具备遥控和自动化操作功能。操作人员通过遥控系统，可以在安全环境中进行操作和监控。自动化操作系统可以通过预设程序和算法，自动执行取样任务，减少人为干预，提高取样的精确性和一致性。

2.4 深海取芯样品保真技术

1）取芯样品保温

深海岩芯取样钻机通常配备有专用的冷冻保存设备，如冷冻柜或冷冻箱，这些设备能够在低温环境下保持稳定的温度，通常在−80℃～−20℃。样品在采集后立即放入这些设备中进行冷冻保存，确保样品不受环境温度变化的影响。

2）取芯样品保压

高压密封是保压技术的核心。岩芯取样钻机设计成能够在取芯过程中保持样品所处的高压环境。这些取样钻机具有耐压结构和高效密封系统，能够在数千米深的海底保持内部的高压状态^[15]。

3 发展趋势 3.1 钻探样品的重量

岩石样本的大小对于深海取芯钻机来说是一个关键的技术参数，受到钻头结构、钻杆内部通道大小以及钻机钻杆的长度等因素的影响，同时还取决于钻头的动力输出、自身重量以及地质环境的具体情况。此外，钻探深度一直以来都是深海钻机的重要目标，已经由最初的几厘米发展到了现在的上万米，并且这个数字还在不断地刷新。

3.2 钻探样品的品质

深海岩芯钻机的取样质量对认识地球变迁、预测气候变化、寻找海底新能源等方面有着重要的意义。深海原位保真取样技术的不断发展，将使得保真舱中的样品始终处于海底原位压强环境。保真舱保压装置从最初的简单气密装置，发展到如今智能化、自动化的保真设备，保真舱保压装置的发展将不断提升所采样品的还原性。

3.3 可钻性在线识别

面对如远程操控延时、传感设备限制和缺少地层数据等问题，深海钻机的钻探工作存在挑战。为最大化使用有限的探测设备，需要根据实际钻探情况来动态调整钻进参数，以确保其能应对未知的环境变化。通过结合钻头性能指数来评估目标物体的钻进难度，借助模式识别技术确定出最佳钻孔策略，进而实现钻进过程的智能化控制。

3.4 多元化钻探

未来的深海钻探将开发多元化的钻探技术，这些技术应针对任务特点、目标性质、探测器的能耗等方面来选择最佳方案。此外，未来的深海钻探将研究多样的钻进取芯结构，以适应不同的工作条件如温度、压力、电磁影响等，并满足各种采样需求，实现有目的地选用不同的钻进取心结构，同时对各取芯结构的运动建立分析模型^[16]。

3.5 电磁钻探技术

电磁力可用于驱动深海取样钻机的钻头，可以实现对钻头的高效旋转和下压，增强钻探的效率和精度。电磁力还可以用于深海钻机的定位和稳定。利用电磁定位技术，可以实现对钻机位置的精确控制，确保钻机在钻探过程中保持稳定。随着电磁技术的不断进步，未来在深海取样钻机中的应用前景将更加广阔。

4 结　语

1）岩心钻探具有高效、低成本等优点，是深海地质探测的关键载体，自1968年，全球持续开展深海钻探 （DSDP） 、大洋钻探（ODP）和综合大洋钻探（IODP）等大规模基础研究国际科学计划，验证了板块构造学说，为深渊科学问题研究、矿产成分分析、矿区圈定、环境评估等提供了重要数据。目前，深海钻探主要有大型钻探船、船载布放坐底作业式中型钻机、深潜器搭载式小型钻机3种方式。3种方式各有利弊，大型钻探船，主要开展地球深部钻探，具有0～10000 m级钻探能力；中型浅地层钻机，主要依托支持船舶开展0～100 m级钻探取样。上述2种钻探技术，均采用船载自坐底作业模式，钻探深度是其优势，但钻探过程易受大洋不确定的风涌浪流随机扰动因素影响，且存在布放灵活度低、作业精度低、作业时间长等问题，深潜器钻探可实现精细化钻探效果，但钻探深度是其缺点。因此3种钻探形式不是非此即彼，而是互为补充，应基于深海典型应用场景开展适用的钻探。

2）深海大洋对于人类生存和发展有着极其重要的意义，随着海洋强国战略的提出与实施，在深海高技术领域取得了前所未有的突破与进步。蛟龙、海龙、潜龙为典型代表的“三龙”装备体系逐步实现业务化应用，深海运载器技术站在了世界第一梯队。以“梦想号”大型钻探船、“海牛号”中型坐底钻机以及“蛟龙号”精细化钻机为代表的多类型钻探技术装备将获得快速发展，充分运用好各类型钻探技术，针对性开展技术攻关与方法创新研究，可为我国深海探测技术的发展提供高质量技术方案。