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(图文)中国猛攻深潜技术内情:油气田水深不足国外1/8

去深海

480米深潜实验内情


饱和潜水的巨大经济、军事战略价值,都值得国家的巨额投入、科研人员的艰苦攻关和潜水员的牺牲奉献


深潜400米,人类必须突破一个“转折点”---进入人体耐受的极限区域,生理负荷迅速升高。中国人,第一次走进这个极限区域,并将模拟深潜的纪录定格在480米。



9月6日,四名潜水员结束了饱和潜水高压实验舱内19天的模拟水下生活,平安出舱。他们的中枢神经功能、体能智力、心理情绪和呼吸、脉搏、血压、体液等各项生理指标正常,感觉良好。


在潜水员的蓝色工作服上,清晰印着这次实验活动的代号“潜龙”。《周易》有云:“飞龙在天、潜龙在渊。”在人们对航天英雄耳熟能详之时,“潜龙在渊”的水下勇士,以及他们所代表的深海潜水研究,同样值得注目。


在商业潜水中应用的饱和潜水技术已比较成熟,300米以浅饱和潜水已经广泛应用,而超过400米的所谓大深度潜水,有着不同的含义。近20年,德国、日本在大深度饱和潜水方面做了大量工作。日本平均每年一次进行大深度饱和潜水实验和训练;德国则认为,超过400米,更强调其军事意义。


英、美、瑞士、挪威、法、德、日本、俄罗斯等八国已先后突破400米深度。此次中国人向480米深度所作的尝试,刷新了模拟饱和潜水载人实验的亚洲纪录,使中国成为世界上第九个掌握突破400米深度、潜水员直接暴露在高压环境下作业技术的国家。


实施本次实验的海军某医学研究所政委黄孝虎告诉《望东方周刊》记者,这一实验围绕着海军战斗力建设、围绕着国家的海洋战略推进,旨在为潜艇事故援潜救生提供技术储备;同时,也可大大提高国家的海洋开发能力。


事实上,在不久前的墨西哥湾海底漏油事件发生后,中国企业开始关注深潜技术---一旦海上油井出事,要封堵,除了装备,还要有人下去保障。


人类能触摸多深的海底


上世纪50年代开始,核潜艇、海上石油开发等军事和民用技术的推进,海上航运业也随着大战后的经济复苏而勃兴。但问题也同时出现:战略意义的潜艇一旦在海中失事怎么办?水面船舶一旦失事该如何打捞?这些都离不开一批人---具备深水作业能力的潜水员。从人体结构来讲,具备承受一定水下压力的能力,经过训练的潜水员承压能力更强。但人类在潜水时也发现了一个死敌---减压病。


简单来说,在几十米的水下,人呼吸压缩后的普通空气就行。但随着深度增大,水下呼吸普通空气,其中的氮气在高压下易引发“氮麻醉”,而且呼吸阻力也随水压增大。这时只能呼吸氦等惰性气体和氧的混合气体来进行更深的潜水作业。而惰性气体吸入后会融进人体血液,这就决定潜水员在水下作业时间越长,上浮减压的过程就越长,潜水作业效率将大大降低。如果不按规程进行减压,溶解在体内的惰性气体将在潜水员的关节或身体组织中形成气泡,会造成严重的减压病,甚至会危及生命。


“我们海军的一些潜水老前辈,当初的拼命精神非常令人震撼,他们不但在水下艰苦工作,而且还要忍受长时间水下缓慢减压的过程。”一位参与实验的潜水员告诉本刊记者。


无论是潜艇救援还是水下打捞,总需要时间越短越好。然而为了避免潜水减压病,反倒限制了潜水员的工作效率。实际上,人类能在水下待多长时间,能潜入多深,不仅取决于高气压对机体的作用,也决定于潜水效率。能不能创造一种环境和条件,避免潜水员每次水下作业后繁琐的减压程序,使减压时间并不随着水下作业的延长而增加,就成了大深度潜水的核心问题。


1957年,美国海军潜水生理学家邦德提出了“饱和潜水”的概念。即潜水员在高气压下长时间暴露,体内各组织体液中所溶解的惰性气体达到完全饱和,使潜水员可以停留在高气压下几天乃至几十天,反复、长时间进行水下作业,待预定作业任务完成后,一次减压出水。


而且科学家还发现,从饱和潜水深度继续向更大深度下潜,在一定深度时程范围内返回原深度,可不经过减压的程序。这就是巡回潜水的概念。


以中国模拟饱和潜水实验为例,480米为模拟饱和潜水深度,493米则是巡回潜水的深度。


美法两国对“饱和潜水”的成功实践,极大促进了深海水下作业的发展。1988年,法国进行了一次饱和—巡回潜水实潜试验,潜水员在地中海水下534米海底完成有效作业任务,这是人类不借助深潜器真正到达的最深水下深度。“饱和潜水”功不可没。


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半世纪前沉没的万吨巨轮


美国人首先提出了“饱和潜水”的概念,因此美军不但很快进行了一系列有关“饱和潜水”的实验,而且在1962年成功组织了代号“人在海中”系列试验。这是世界第一次海上饱和潜水试验,成为开拓海洋内层空间的先驱。


几乎同时,法国在1962年也组织了代号为“大陆架—I”的海上饱和潜水实验。


美法两国在该领域的竞争长达20多年。1981年,美国完成“亚特兰蒂斯 III”饱和潜水模拟实验,三名潜水员在模拟686米的深度停留了24小时,在650米的深度整整待了7昼夜;而7年后,法国就在地中海完成了深度为 500米的饱和—534米巡回潜水实潜试验,在1992年又实现了模拟深度701米,这个纪录至今无人打破。


随着饱和潜水技术的成熟,一些发达国家例如瑞士、挪威、德国、日本也投身其中。相对于美法两国的纪录竞争,他们或侧重海洋开发的经济利益,或出于海上战略位置的考虑,更注重通过饱和潜水实践,培养大批熟悉这一技术的潜水员。例如瑞士、挪威、德国进行过多次饱和潜水试验,目前在商业海上救援、深海打捞领域已经具备顶尖实力;而日本则保持着450米的海上实际饱和潜水亚洲纪录。


中国饱和潜水起步较晚,但发展迅速。海军某医学研究所政委黄孝虎对记者说:“我们医学研究所的成立研究方向之一,潜水科学。该学科的发展,完成了一系列重大军事和民用潜水作业任务,如1963年的‘跃进’号沉没原因的探摸。”


1963年5月1日,我国自行设计制造的第一艘万吨级远洋货轮“跃进”号,在由青岛驶往日本门司港的途中沉没。在冷战背景下,这艘巨轮的沉没原因备受关注,勘测调查因而格外关键。


海军医学研究所的科研人员研制了我国空气常规潜水的潜水技术、减压方案,保证了该任务的圆满完成。在进行该项工作时,得到了国家领导人的直接关切,推动了潜水技术和潜水医学研究领域的新进展。而随着我军潜艇等装备的不断更新,潜艇救援成为不容回避的问题,也需要相应的大深度潜水技术,特别是饱和潜水技术。


1976年,这家海军医学研究所建立了我国第一座饱和潜水实验舱,并在国内首次将饱和潜水实验研究过渡到人,进行了模拟空气饱和潜水实验。尽管模拟深度只有30米,却培养了我国第一批饱和潜水潜水员、生命支持系统技术人员和医学保障人员。


1987年,中国又进行了首次氦氧饱和潜水海上人体实潜,巡回潜水深度达—100米。


1989年,这家研究所在500米饱和潜水系统进行了模拟350米氦氧饱和-374米巡回潜水人体实验,高压下暴露20天,创造了当时的亚洲模拟饱和潜水纪录。


2001年,在海军医学研究所的协助下,我海军南海某部成功地进行了海上150米饱和—182米巡回潜水训练。


2006年底,中国完成首次海上商业饱和潜水作业(96米饱和-105米巡回潜水),12名潜水员在深海高压中生活了390个小时,出潜28人次,工作时间长达126个小时,完成油田油管更换,实现了饱和潜水从模拟试验转化为商业作业的跨越。


而此次中国模拟480米氦氧饱和潜水实验成功,再度使中国在大深度潜水上占据亚洲的领先地位。


本刊记者第一次近距离接触到这四位潜水英雄,潜水员孙志江说:“这次实验虽然是我们四个人进舱,但参与选拔的12个潜水员都是好样的。在我们背后,还有一大批医学科技人员的奉献。”


每平方米几万公斤负荷


来自海军三大舰队、参与这次实验的潜水员共有12名,都是具有丰富经验的军官或者士官。他们在进入这个实验项目之前经历了非常精细的检查。“从头到脚、从里到外,甚至包括核磁共振检测。”参与最后进舱实验的潜水员倪磊告诉本刊记者。


由于饱和潜水实验的原理是惰性气体在血液等体液中完全饱和,因此心脑血管、内脏器官、神经系统更是检查的重点。


过了体检这一关,潜水员还要进行一系列体能训练。本刊记者查阅的潜水员训练日程安排显示:训练项目包括1000米慢跑、俯卧撑、仰卧起坐、引体向上、呼吸训练、潜水钟训练等项目。同时,潜水医疗专家也建立了潜水员体能训练和技术训练档案。


此次实验的项目负责人肖卫兵介绍说,选拔适应饱和潜水的潜水员和航天员有很大不同,航天员是瞬时承受压力会达到几个G,但长时间中基本不会超过一个大气压;而潜水员在500米水下就要承担50个大气压,相当于每平方米几万公斤的负荷。这种负荷尽管潜水员意识感受不到,但人体每个细胞都要承受这种压力。


潜水员自身体能和技术上的准备只是实验成功的一个方面,在真正的饱和潜水模拟实验中,整个团队面临的风险更多。


首先,实验用加压舱装备已经使用21年,舱体本身虽然按照500米模拟饱和潜水设计,但很多部件已出现问题需要维修,本次实验室载人实验,要求万无一失,项目组结合实验要求,对设备进行改造,并进行了长时间运行,确保设备安全。


其次,潜水员在实验中最危险的敌人就是高压神经综合征。倪磊告诉本刊记者,在以前的250米饱和潜水实验中,他基本上没有感觉到异样;但在480米饱和潜水实验中,在接近400米时,他明显感到了不同,例如呼吸有阻力、头部有眩晕感、动作开始迟缓等等。经过医疗人员的努力,这些症状都在几个小时内基本消失。而减压的过程,减压病的风险同样不容忽视。


这次实验在潜水员突破极限的背后,最关键的核心技术或者创新点在于加压、减压的方案设计---快了会危及潜水员生命,慢了则会影响效率,必须在其中找到平衡点。


肖卫兵告诉本刊记者,这次的减压方案具有独创性,用时比多年来部队训练用时缩短30%,提高了效率,同时也提高了安全性。而此前十多年,部队潜水员训练一直使用外国的减压方案。


最后,潜水员一旦进入加压舱,这个完全密闭、高压的环境又给外界医疗保障乃至实验的成功带来了诸多困难。从潜水员本身来说,除了身体符合要求外,心理也要平衡、健康,能合群,能协作工作。


“只要一个潜水员出现问题,整个项目就宣告失败。”潜水员李刚告诉本刊记者。


潜水员在饱和潜水的密闭环境出现病患,里面出不来,外界也很难干预。一些资料显示:上世纪70年代,少数发达国家启动大于400米深度饱和潜水实验,有的仅仅因为温度控制不当,潜水员在舱内牺牲。在加压过程发生临床疾病,更改实验方案和计划,影响实验的顺利进行。


因此,如何对舱内潜水员进行有效的生理和心理干预,同样关系到实验的成败。最基本的食物和水,都要通过专门的抵物筒才能实现。为了把可能的生理隐患消灭在萌芽状态,医疗保障人员必须全面、动态地掌握舱内潜水员的各项生理指标。因此研究单位也开发了一系列适应饱和潜水的监控手段。


本刊记者通过调阅这次实验的录像资料,发现除了模拟深潜作业,潜水员在休息、看报、锻炼的时候,头部和胸部都绑着几根电极。科研人员告诉记者,那是在测量潜水员的心电图、脑电图、手指震颤、心率变异性等生理指标参数。潜水员在实验加压舱内不仅仅是简单地生活,而且要配合完成各种项目的研究,记录各种数据,为后来人的深潜实验和训练留下前进的路标。


除了生理监测,心理干预也在同时进行。在一个完全封闭的空间,潜水员很容易感到郁闷、无所事事,国外甚至发生过潜水员心理崩溃的案例。本次实验专业人员全程为潜水员提供心理服务。及时缓解心理紧张。专家还会组织小晚会、亲情连线等来调适他们的情绪。


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潜水员,水下的孤独勇士


中国的蛟龙号深潜器刚刚完成了3700米的深潜实验,海军某医学研究所则成功完成了480米的饱和潜水实验,这两个数字上的差异该如何理解?


此次模拟饱和潜水实验项目小组组长、海军某医学研究所所长陶永华解释说,蛟龙号深潜器抵达3700米的海底,承受水底巨大压力的主要是装备,只要工业技术允许,达到7000米深度甚至更深也可以;而饱和潜水实验是为了使人能够直接潜入深海,承受海水压力,研究的重点是高气压对人员的影响及应采取的措施,确保潜水员的安全。


深潜器作业主要靠机械手,在执行海底救援、施工等精细化作业方面,远远比不上潜水员的手工作业。这有点像航天员在太空出舱维修---尽管美国、俄罗斯航天员在太空作业时候都会有辅助的机械手,但许多工作是航天员手工作业完成的。


潜水员李刚告诉本刊记者:“从加压舱里出来,我最想的就是呼吸外面的新鲜空气。”


在加压舱中,潜水员的每一个细胞都在承受强大气压。随着气压接近水下400米,潜水员出现了呼吸受阻、反应迟缓的现象。而真正对潜水员长期生活作业造成影响的,是呼吸惰性气体造成的语音失真,他们有时甚至只能通过手势和手写来交流。在减压过程中,由于湿度的变化,潜水员还会普遍出现体癣、脚癣、外耳道炎等病症。


然而与真正的水下实际饱和潜水相比,模拟饱和潜水在费用、复杂程度上还有相当距离。从目前来看,除了商业性的300米饱和潜水外,各国在深度400米上的实际饱和潜水次数很少,因其对潜水员及其潜水医疗保障的要求更大。


“到了海上,天气、食物补给、水下的情况都更加复杂,”潜水员倪磊说。


由于水下作业的特殊性,一般情况都是单人行动。无论水下世界存在多大风险,潜水员只能自己面对。如果水下水体浑浊,潜水员即使携带光源也由于漫反射很难看清物体;如果发生缠绕,潜水员必须自己解决问题。


但无论是水下施工还是深海潜艇救援,饱和潜水的巨大经济、军事战略价值,都值得国家的巨额投入、科研人员的艰苦攻关和潜水员的牺牲奉献。模拟实验结束了,海上的实际潜水实验肯定也会提上日程。


中国人如何去深海


以目前的发展速度,只需要5年左右时间,中国海洋油气勘探和开发技术以及装备将达到世界同级水平


9月中旬,美国《纽约时报》专门发表文章对中国的深海勘测计划给予了关注。这篇文章总结说,此前全球只有美国、俄罗斯、法国和日本能够进行深海探索。“蛟龙—1号”深潜器所进行的3759米深潜试验与进入外太空一样,是中国崛起的重要标志。


虽然饱和深潜实验、“蛟龙—1号”都来自军队科研系统,但它们都基于中国人对于深海的梦想,并且为整个国家的深海之旅服务。


所谓深海,一般指水面到海床垂直距离达到300至500米以上的海域。对于拥有300多万平方公里“蓝色国土”的中国来讲,能否去深海具有相当的现实意义:广阔的领海中蕴藏360多亿吨石油资源,其中大多分布在中深海地区。南海海域还发现了证明天然气水合物存在的地球物理及生物标志。


如今,来自各个领域、行业的中国人正在完成可以与“神舟”媲美的旅程。


香港岛旁的“第一次”


2006年4月底,中国海洋石油总公司(以下简称“中国海油”)与总部位于加拿大艾伯塔省的哈斯基能源合作,在香港东南250公里钻探“荔湾3-1-1”井成功。


“这次钻探成功拉开了中国深水油气开发的序幕,也意味着我们实现了1500米左右的深海油气技术能力。”中国海油研究总院深水工程重点实验室首席工程师李清告诉《望东方周刊》,位于南海北部陆坡的“荔湾3-1”气田目前正在进行施工,这是中国第一个真正意义上的深水气田,预计将在2014年前全面建成。


中国海油是中国最大的海上油气生产商,同时也是最大的国家石油公司之一,负责在中国海域对外合作开采海洋石油及天然气资源。其最为核心的研究机构---中国海油研究总院承担着中国海洋油气开发的主要科研工作。


这片气田中的“荔湾3-1-1”位于1480米水深处、完钻井深3843米,是中国第一口水深超千米的深水钻井。


在相当长的时间内,“荔湾3-1”都是中国深海勘探、开发的梦想之地之一。自上世纪90年代开始,中国就在该地区实施了大量油气基础地质调查。 2002年4月,国土资源部组织开展全国油气资源战略选区工作。经专家论证,包括这一气田在内的“南海北部陆坡深水海域油气资源战略调查及评价”项目被列为首批全国油气资源战略选区调查与评价项目之一。


这一项目由国家财政出资、国土资源部组织实施、中国海油承担,于2004年正式启动。


“荔湾3-1-1”就是这一项目的第一个重大发现。根据二维地震数据资料,估算该井天然气储量超过千亿立方米。“荔湾3-1-1”更为重大的意义是,它显示中国南海珠江口盆地白云凹陷是一个油气富集区,同时证明中国南海深水海域具有较大的油气资源潜力。


不过,“荔湾3-1-1”是一个名副其实的合作开发项目。哈斯基能源主要实施了勘钻工作。根据项目初期的消息,哈斯基能源虽然承担100%的勘钻费用,但是作为中方代表的中国海油获得最多51%的权益。


2002年,中国海油曾对这一海域的12个深水区块勘探开发进行对外招标,最后与哈斯基、科麦奇、丹文以及英国燃气等四家国外企业签署了7个产品分成合同和物探协议。


而在此之前,中国深水钻探的最大水深仅为505米。直到今天,中国海洋石油工程自主开发能力也仅限于200米水深之内,与国外相比大约有10年的差距。


“在深水技术特别是深水装备方面与西方相比差距较大。”李清平说,目前国外深水钻探的最大水深已经达到3095米,中国为1480米。国外已开发油气田的最大水深为2743多米,中国为333米。


12根电缆的勘探船


如何真正进入深海并进行开发是一套系统工程。在上海世博会的石油馆,有一套中国海油的深海勘钻船队模型:深水半潜式钻井平台“海洋石油981”、深水地球物理勘探船“海洋石油720”、 深水铺管起重船“海洋石油201”。不过,它们只是目前中国海洋开发体系中的一部分。


李清平对于中国海油的这些顶级装备如数家珍,她以核心成员的身份参与了中国海油大部分油气田的开发设计和规划。


油气蕴藏在海底的岩石圈当中,深水地球物理勘探船的简单原理就是由人工激发地震波,地震波穿透海底地层到界面后反射返回海面,由船身后的电缆接收。这些数据经过处理和解释后成为地质构造资料和地层资料,根据这些资料并结合钻井勘探资料来确定油气井位进行开采。







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