元壩氣田作為中石化川氣東送工程的主力氣田，其勘探開發對能源供應意義重大。但元壩地區深井、超深井的特性給鉆井作業帶來了重重困難。大尺寸井眼長、多壓力體系以及復雜的地層流體分布，加之部分地層研磨性強、可鉆性差，井下故障頻發，如噴、漏、卡等問題，使得機械鉆速停滯不前，鉆井周期不斷延長。為攻克這些難題，2022年以來，工程技術人員自主研發了一系列先進的新技術新工具，成功地應用在元壩 13 井等5口井的施工中，超深井鉆速得到顯著提升，取得了良好的鉆井效益。
地層特性復雜
元壩地區上部地層呈現砂泥巖互層的結構，軟硬交錯頻繁，這種復雜的地層特性使得鉆頭在鉆進過程中受力不均，容易造成鉆頭磨損加劇，鉆進效率低下。例如，上沙溪廟組底部及以下地層不僅存在軟硬交錯問題，還易出現出水、垮塌現象。地層出水會導致井壁穩定性變差，增加鉆井風險，同時也會影響鉆井液性能，進而影響破巖效率；地層垮塌則可能掩埋鉆頭，造成卡鉆等嚴重事故，迫使鉆井作業中斷進行處理，極大地延誤了鉆井時間。
自流井至須家河組地層巖性致密，硅質膠結十分嚴重，礫石含量高，并且局部還含有燧石。硅質膠結使得巖石硬度大幅增加，可鉆性極差，普通鉆頭難以有效破碎巖石。高含量的礫石和燧石則進一步加劇了鉆頭的磨損，縮短了鉆頭的使用壽命，頻繁的鉆頭更換必然導致起下鉆次數增加，從而降低了整體的鉆井效率。
井身結構限制
由于元壩地區地層復雜，井身結構設計需要考慮多個壓力體系的平衡以及應對各種可能的井下復雜情況。這就導致了井身結構層次較多，在鉆井后期形成的小井眼，其鉆具尺寸受到嚴格限制。較小的鉆具尺寸意味著可施加的鉆壓有限，同時排量也難以滿足高效破巖的需求。鉆壓不足無法為鉆頭提供足夠的破巖動力，排量受限則影響了鉆井液對井底巖屑的攜帶和清洗能力，巖屑在井底堆積會阻礙鉆頭與巖石的有效接觸，進一步降低破巖效率，使得鉆進速度難以提升。
空氣鉆技術
空氣錘鉆井技術是一種創新的破巖方式，它巧妙地結合了氣體鉆井和沖擊回轉鉆井的優點（圖1）。在鉆進過程中，通過壓縮空氣作為循環介質，驅動空氣錘內部的活塞高速往復運動，產生高頻低能量的沖擊載荷，同時鉆頭以較低的轉速旋轉。這種低鉆壓、低轉速、高沖擊的工作模式，使得鉆頭能夠以較小的能量消耗實現高效破巖。空氣錘的沖擊作用能夠使巖石內部產生裂紋，然后利用鉆頭的旋轉切削作用將破碎的巖石清除，大大提高了破巖效率。
 
 
圖1  空氣錘實物圖
適用地層：在元壩 13井鉆井施工中，空氣鉆在二開蓬萊鎮組、遂寧組、上沙溪廟組地層展現出了良好的適用性。該地層相對上部地層，雖然存在一定的復雜性，但空氣鉆能夠有效應對。例如，二開第一趟鉆使用空氣錘，機械鉆速達到 14.75m/h，第二趟鉆采用牙輪空氣鉆，機械鉆速也有 14m/h，而同期二開同為沙溪廟組的復合鉆井機械鉆速僅為 5.08m/h，空氣鉆機械鉆速是復合鉆井的 2.75 倍。這表明空氣鉆在該地層能夠顯著提高鉆井速度，減少鉆井時間。
孕鑲鉆頭
孕鑲鉆頭采用了獨特的設計理念，其交錯式唇面和自形成同心圓齒設計，以及金剛石在胎體中的有序排列技術是其核心亮點。在鉆進過程中，隨著胎體與巖石的摩擦磨損，包裹在胎體內的金剛石顆粒會逐漸露出并參與破巖工作。由于金剛石具有極高的硬度和耐磨性，使得孕鑲鉆頭在面對高研磨性地層時能夠持續有效地破碎巖石，并且能夠保持相對穩定的工作性能，具有較高的耐久度，大大延長了鉆頭的使用壽命。
 
圖2  孕鑲鉆頭出入井對比圖（左：入井前；右：出井后）
適用地層探索：在元壩 13井三開自流井組、須家河組地層，由于其強研磨性的特點，嘗試使用了勝利鉆井院 DIG259M 孕鑲鉆頭配合螺桿。然而，實際應用效果并不理想。在自流井組珍珠沖段，使用孕鑲鉆頭的平均機械鉆速僅為 0.64m/h，遠低于該段使用混合鉆頭復合鉆進的 1.54m/h。在須家河組四段，孕鑲鉆頭進尺僅有 1.58m，鉆進期間頻繁憋泵，鉆時緩慢，機械鉆速 0.45m/h，也低于常規牙輪鉆在該組的平均機械鉆速 0.89m/h。綜合分析可知，孕鑲鉆頭不適用于元壩工區的自流井組、須家河組地層。
扭沖工具
扭沖工具是一種集多種破巖方式于一體的井下利器。在旋轉鉆井作業時，利用鉆井液作為動力源，驅動扭沖工具內部的沖擊錘進行反復的扭轉沖擊運動（圖3）。這種扭轉沖擊能夠將部分流體能量轉化為特定頻率、周向扭轉、沖擊型的井底機械破巖能量，并直接傳遞給鉆頭。通過這種方式，扭沖工具不僅增加了鉆頭的沖擊破巖能力，彌補了單純旋轉鉆進在破巖效率上的不足，而且提高了扭矩傳遞效率，有效避免了鉆頭在鉆進過程中出現粘滑現象，保證了鉆頭能夠平穩地切削巖石，從而延長了鉆頭的使用壽命，提高了鉆井效率。
應用效果與適用地層：在元壩 13 井須四段 - 須三段的應用中，不同的鉆頭與扭沖工具組合呈現出不同的效果。當使用勝利 PK6257SJ 型 PDC + 扭沖工具時，進尺僅 9.28m，機械鉆速 0.34m/h，遠低于常規牙輪鉆，表明該組合不適用于該地層。而改用江鉆 KMD1663DRT 型 PDC 鉆頭 + 扭沖工具后，單趟鉆機械鉆速達到 1.29m/h，略高于同層位牙輪鉆的 0.99m/h，且單只鉆頭進尺增加了 5.75 倍。這充分說明在須三、須四段地層，根據地層特性選擇合適的鉆頭與扭沖工具進行配合，能夠顯著提高單只鉆頭進尺，提升鉆井效率。
 
圖3  扭沖工具實物圖
史密斯鉆頭
史密斯鉆頭在設計上獨具匠心，其鑲嵌的加強齒在每個刀翼的縱向和橫向均有合理的鑲嵌和分布，并且經過了高溫高壓強化處理，使得這些加強齒具有更高的耐久度和更強的攻擊性（圖4）。此外，該鉆頭采用六刀翼雙排齒結構，具有中突的刨面流線和平直的刀翼形狀。這種結構設計不僅增強了鉆頭在鉆進過程中的操控性，使其能夠更好地適應復雜地層的鉆進需求，而且能夠有效應對高研磨性地層，提高鉆頭的破巖效率，延長鉆頭的使用壽命。
 
圖4 史密斯鉆頭出入井對比圖
適用地層：在元壩 13 井須二段地層，由于該地層研磨性極強，普通鉆頭磨損快，起下鉆頻繁。史密斯鉆頭在此地層的應用表現出了一定的優勢。雖然其機械鉆速 1.19m/h 略低于牙輪常規鉆及 PDC 復合鉆，但由于其特殊的結構設計，在研磨性地層中的純鉆時間有明顯優勢，實鉆期間能夠有效減少起下鉆時間，提高了整體的鉆進效率，表明其適用于須二段這樣研磨性較強的地層。
新技術新工具提效顯著
2022年以來，在元壩 13 井等5口井的施工過程中，新技術新工具的應用對超深井鉆速的提升產生了多維度的顯著成效。
從整體數據來看，空氣鉆在上沙溪廟以上地層的應用，極大地改變了該地層的鉆井速度格局，與傳統復合鉆井相比，機械鉆速倍數的提升直接縮短了鉆井周期。三開千佛崖組使用 PDC + 螺桿提速組合，機械鉆速為常規牙輪鉆的 3.92 倍，這一顯著的提速效果在該地層的鉆井作業中發揮了關鍵作用，減少了大量的鉆進時間。須家河組四段使用 PDC + 螺桿提速組合機械鉆速為常規牙輪鉆的 1.56 倍，同樣對該地層的鉆速提升有著積極的貢獻。
扭沖工具在須三、須四段地層的合理應用，不僅提高了單只鉆頭的進尺，還優化了鉆井效率。單只鉆頭進尺的增加意味著減少了起下鉆的次數，而起下鉆作業在整個鉆井周期中占據著相當比例的時間，減少起下鉆次數無疑會大幅縮短鉆井周期。史密斯鉆頭在須二段地層，雖然在機械鉆速上沒有絕對優勢，但通過提高純鉆時間和單只鉆頭進尺，有效減少了因鉆頭頻繁更換而導致的時間浪費，從另一個角度提升了鉆進效率。
以上這些新技術新工具的綜合應用，從不同方面克服了元壩地區超深井地層復雜、井身結構受限等諸多不利因素，為超深井鉆速的提升提供了有力保障，顯著提高了元壩地區的鉆井效益。