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中国科“迹” | 一枚深海钻头，叩开南海深蓝之门（上）

科研团队潜心研发国产深水钻头

为了改变受制于人的局面，国家启动深水重大专项，“海洋石油981”项目正式落地，目标瞄准3000米作业水深、万米钻井深度。

很多人可能觉得，钻头不过就是一块带齿的金属件，制造起来难度不会太高。真正接触工程的科研人员心里清楚，深水钻头是机械、材料、流体力学、岩石力学多门学科交叉叠加出来的高端产品，研发难度远超想象。

南海深水的地层条件十分复杂，浅层是松软的泥岩，往下又穿插大量坚硬耐磨的岩层，地层软硬交替变化。对钻头提出互相矛盾的要求：切削齿要足够坚硬，啃得动坚硬岩石；同时又不能太“锋利”，防止软泥巴把钻头缝隙糊住，也就是业内所说的“泥包”。钻头内部的排水排岩屑的水道，如果设计稍有偏差，岩石碎屑排不出去堆积在井下，就会引发卡钻风险。

项目研发初期，由于缺少南海深水完整的实地地层实测数据，科研团队只能一边收集海外零散公开资料，一边依靠近海钻井样本搭建仿真模型，开展上千组室内模拟钻进试验。很多钻头方案在实验室测试效果很好，一旦放到实地测试，很快就暴露出各种各样的缺陷。没有现成的捷径可以走，只能一轮一轮反复试错迭代。

经过团队连续数年不停优化调整，一批批试验钻头加工完成，送到陆地试验井开展实钻测试。要知道，磨损指标达不到预期，就直接推翻原有方案，重新计算全部参数。每一次结构改动，背后都伴随着大量仿真演算和实体测试。

除钻头本身的结构设计，深海特殊工况又带来新的难题：千米深海常年低温，钻井液的性能会发生改变；钻柱持续震动，会放大钻头承受的冲击载荷。海外企业不会对外分享这类工况匹配的核心数据。国内科研院所和中国海油工程团队联合搭建耦合分析模型，结合“海洋石油981”隔水管动力学的研究成果，模拟钻柱震动传递的规律，针对性增加钻头减震结构，降低反复冲击带来的破坏。

国产化推进的前期，平台作业也会采购部分进口钻头，用来做同地层条件下的对标参照。国产试验钻头在一次次实钻反馈当中持续迭代，不断缩小和进口产品的性能差距，慢慢形成适配南海软硬交错地层的钻头设计方案。

钻头模型

图片来源：光厂

在海上实战中收获重要勘探发现

2012年荔湾6-1-1井首钻成功，仅仅是我国深水勘探的起点。在此之后，“海洋石油981”持续转战南海多个深水区块，先后完成十余口深水、超深水井钻探任务。

2014年5至7 月，海洋石油 981在西沙中建岛附近我国管辖海域开展钻探作业，7月15日完成全部钻探后转场，奔赴琼东南陵水17-2工区；同年8月，平台在陵水17-2-1井测试获得高产油气流，陵水17-2气田就此浮出水面，这是我国海域自营深水勘探第一个重大油气发现，为后续大规模开发打下坚实基础。

一次次向着地下地层深处的探索，背后离不开不断升级优化的深水钻头，以及整套钻完井装备体系的支撑。大众的目光常常聚焦在巍峨庞大的钻井平台，却常常忽略，万米钻井深度的目标，终究要依靠前端一枚小小的钻头一寸一寸向前掘进。

全球首座10万吨级深水半潜式生产储油平台一一“深海一号”能源站

图片来源：《走向科技自立自强》

走出适配南海环境的国产化之路

随着深水勘探持续推进，国内钻头设计制造能力稳步提升。过去深水高端钻头市场长期被海外品牌占据，如今面对南海不同地层条件，国内已经可以提供本土化定制方案。从钻头基体钢材、硬质合金切削齿加工，再到仿真设计、实钻验证，国内已经形成完整闭环研发链条。

但我们也要客观看待国产化的真实过程：高端装备国产化几乎不可能一步就实现全部替代。“海洋石油981”早期作业阶段，部分核心工具依旧会选用国际成熟产品。国产化不等于简单复制国外产品，而是要走出适配我们自身需求的技术路线。正是依靠平台多年实钻积累、地层样本收集、现场工况沉淀，本土研发团队才有条件持续迭代优化产品。

南海海域有独有的内波流，台风多发频发，海况条件和国外主要油气产区墨西哥湾、北海有明显区别。国外装备是按照他们当地海域条件设计制造，拿到南海使用，部分国外装备会出现“水土不服”。依托“海洋石油981”积累的上万组深水实测数据，国内钻头研发不再照搬海外设计标准，建立起适配我国南海环境的自主设计准则。