Строительство скважин – сложный технологический процесс, в котором происходит постоянное чередование двух основных этапов: бурение горной породы и крепление открытого ствола (спуск обсадной колонны и ее цементаж). Общепринятое стремление в отрасли – использование различных технологий для увеличения механической скорости проходки и сокращение времени бурения. При этом оптимизации этапа крепления может не уделяться должного внимания.
Прогресс не обошел стороной и бурение на обсадной колонне — новое оборудование позволило открыть второе дыхание данной технологии.
А зря, ведь геологические осложнения часто приводят к тому, что время, затраченное на подготовку ствола скважины к спуску обсадной колонны, значительно превышает время бурения. Поиск решения данной проблемы на многих месторождениях выходит на первое место. В таком случае технология бурения на обсадной колонне позволяет успешно справляться с возникшей задачей.
Первые идеи бурить на колонне из обсадных труб возникли еще в начале XX века. Так, в патенте от 1923 г. (рис. 1) описывалось специальное извлекаемое долото и выделялось 17 преимуществ данной технологии. Рассмотрим, в каких случаях бурение на обсадной колонне помогает оптимизировать технологию строительства скважин. Начнем с поглощения, которое является головной болью для буровиков на многих месторождениях. Обсадная труба имеет больший диаметр по сравнению с бурильными трубами. Благодаря этому постоянно происходит контакт со стенкой скважины (рис. 2). Появляется эффект механической кольматации — выбуренный шлам вдавливается обсадной трубой в стенки скважины, поры и трещины закупориваются, а в случае наличия поглощения оно уменьшается или совсем ликвидируется.
Наличие набухающих и пластичных глин, текучих солей или обвальных пород, риск растепления зоны вечной мерзлоты — часто встречающиеся факторы при бурении под кондуктор или техническую колонну на многих месторождениях России. Они ведут к следующей проблеме — неустойчивости стенок скважины, которая приводит к продолжительным шаблонировкам и проработкам. Это сильно увеличивает срок строительства даже коротких секций. Но и после всех операций по подготовке ствола часто происходит авария – прихват, которая может вызвать потерю оборудования и необходимость перебура интервала. В таком случае бурение на колонне также является эффективным решением, так как обсадные трубы постоянно находятся в скважине. Обсаживание проблемных интервалов происходит сразу же в процессе бурения.
В конце ХХ века, в начале XXI века происходит большой шаг в технологии бурения: появляются телесистемы с гидравлическим каналом связи, винтовые забойные двигатели с регулируемым углом перекоса, роторно-управляемые системы, а также долота PDC. Все это оборудование вывело процесс бурения на качественно новый уровень – скважины стали бурить глубже, быстрее и со сложным наклонно-направленным профилем. Прогресс не обошел стороной и бурение на обсадной колонне – новое оборудование позволило открыть второе дыхание данной технологии. Рассмотрим, какие уникальные разработки компании «Шлюмберже» все больше и больше используются при бурении на обсадной колонне в России (рис. 3). Знакомство начнем с «простой» технологии – Direct XCD*.
Она используется для неуправляемого бурения на обсадной колонне или хвостовике. В таком случае к системе верхнего привода (ВСП) подключается система спуска обсадной колонны (CRT) (рис. 4). Она имеет винтовой клиновой захват, который удерживает обсадные трубы за внутреннюю часть и передает им крутящий момент. Имеющийся пакерный элемент обеспечивает надежную гидравлическую изоляцию и позволяет производить промывку через обсадную колонну. Чаще всего в обсадных трубах используются стандартные резьбы ОТТМ или Buttress, которые рассчитаны на большие растягивающие нагрузки, но имеют низкие допустимые значения по моменту. Расширить данный лимит позволяют многомоментные разгрузочные кольца (MLT). Они обеспечивают соединение с упором металл-металл и увеличивают допустимый крутящий момент (рис. 5). Кроме этого, на обсадной колонне устанавливаются цельнометаллические центраторы (рис. 6), которые придают ей прочность и жесткость, позволяя выдерживать внутрискважинные динамические нагрузки с сохранением зазора при значительных поперечных нагрузках. Центраторы обладают уникальной конструкцией и особым способом прикрепления к наружной стенке обсадных труб. Но самым большим отличием и преимуществом технологии Direct XCD* от аналогичных предложений других производителей является уникальное разбуриваемое долото XCD* (рис.7). В нем используются передовые технологии компании Smith Bits, a Schlumberger Company: режущая структура смоделирована в программе IDEAS*. С помощью CFD* комплекса подбирается гидравлическая конфигурация и расположение насадок. В качестве режущих элементов используются премиальные резцы PDC, а корпус состоит из медного сплава, легкоразбуриваемого даже долотами PDC (рис. 8). Все это позволяет модернизировать породоразрушающий инструмент под конкретный геологический разрез месторождений и получить высокие показатели бурения. Технология нашла широкое применение и использовалась практически во всех нефтегазовых провинциях: Волго-Уральской, Тимано-Печорской, Западной и Восточной Сибири. На текущий момент с ее помощью пробурено более 60 скважин по всей России. 
В 2018 г. впервые в России было применено бурение на обсадной колонне с извлекаемой компоновкой – TDDirect CD*. Данная технология компании «Шлюмберже» не имеет аналогов и является настоящей «rocket science» в бурении. Ее идея очень схожа с рассмотренным ранее патентом, только вместо долота здесь на конце обсадной колонны находится полноценная извлекаемая компоновка низа бурильной колонны, которая позволяет производить наклонно-направленное бурение. Ее крепление в колонне происходит при помощи замка-фиксатора (DLA) (рис. 9). Он обеспечивает герметизацию и соединение КНБК с обсадной колонной с помощью трехосевой фиксации. Замок-фиксатор DLA может быть отсоединен на любом этапе процесса бурения для извлечения КНБК.
При необходимости возможен повторный спуск для продолжения бурения. Рассмотрим саму КНБК, следуя от DLA к долоту и разделив ее на две части: внутреннюю (внутри ОК) и наружную. Внутри колонны обычно располагаются калибраторы и переводники, а также силовая секция винтового забойного двигателя (рис. 9). Она создает дополнительный крутящий момент и обороты для долота.
Так как весь инструмент извлекаемый и имеет внешний диаметр меньше, чем внутренний и внешний диаметры обсадной колонны, то первый элемент снаружи – гидравлический расширитель. Он увеличивает открытый ствол с пилотного (создаваемого долотом) до необходимого размера прохождения и последующей цементации обсадной колонны (рис. 10). Следом за расширителем идут элементы, хорошо знакомые всем буровикам – это калибраторы, телесистема, роторно-управляемая система и долото.
Один из первых спусков технологии TDDirect CD* происходил в Тимано-Печорской провинции, ведь геологию региона нельзя отнести к простой. Так, при стандартном бурении наклонно-направленного интервала под техническую колонну диаметром 245 мм на Лабаганском месторождении достигаются высокие скорости проходки, но часто возникают проблемы со стабильностью стенок скважины. Долгие проработки и шаблонировки не редкость для данной секции. Кроме этого, были случаи прихвата обсадной колонны при ее спуске.
Поэтому данное месторождение было выбрано совместным решением инженеров «РН-Северная Нефть» и инженеров компании 
«Шлюмберже» для проведения опытно-промышленных работ по бурению на обсадной колонне с извлекаемой КНБК. В ходе подготовки была выбрана скважина-кандидат, с помощью программного комплекса iDrill* оптимизирована КНБК и подобрано долото под геологические условия месторождения. Командная работа с заказчиком, тщательный анализ и подготовка к бурению дали отличный результат: весь интервал секции 477 — 1533 м (1056 м) был успешно пробурен в сложных геологических условиях до проектного забоя в один рейс. Все оборудование TDDirect CD* показало безотказную работу и получило незначительный износ. Во время бурения не было проблем с управляемостью, траектория выдержана с плановой интенсивностью роста угла (рис. 11). По результатам работы получен ценный опыт бурения на обсадной колонне в конкретных условиях месторождения, отмечены пути совершенствования технологии для ее дальнейшего использования в регионе.
Найти безопасный и эффективный подход в бурении – сложная задача буровиков, ведь каждое месторождение – уникальное. Спектр проблем, с которыми они сталкиваются, широк и продолжает расти с новыми месторождениями. Идея бурения на обсадной колонне практически вековой давности с применением современного оборудования компании «Шлюмберже» открыла в наше время «второе дыхание» и стала надежным помощником буровиков по всему миру, в том числе и России.
