Современный уровень развития горизонтального бурения позволяет осуществлять строительство скважин с протяженностью ствола свыше 14 000 м, при этом непосредственно в продуктивном пласте его длина может достигать 5 000 м и более, а общее смещение забоя от вертикали составляет 8 000–9 000 м, что в 7–10 раз превышает вертикальную глубину самой скважины.
Доля зарубежного бурового оборудования при строительстве скважин с БОВ в России составляет более 50 %. В настоящее время отмечается тенденция отказа от зарубежного бурового оборудования в пользу отечественного.
Цель работы заключается в сравнительном анализе российского и зарубежного бурильного инструмента, обсадных колонн, подходящих под условия бурения подобных скважин, а также моделирование и расчет оптимальных параметров бурения основных технологических этапов строительства скважин с БОВ в специализированном ПО.
Важной задачей при проектировании, расчетах и выборе оборудования для бурения горизонтальных скважин с горизонтальным стволом большой протяженности является:
• точность прогнозирования прочностных характеристик породы (геомеханическая модель);
• построение оптимального профиля скважины;
• обеспечение максимально точного моделирования скручивающих и осевых нагрузок на бурильную колонну при бурении и спуско-подъемных операциях (СПО);
• точный расчет эквивалентной циркуляционной плотности (ЭЦП) бурового раствора;
• моделирование процесса промывки и очистки ствола скважины;
• моделирование спуска обсадных колонн.
В данной статье описывается опыт прикладных технологических расчетов скважины с БОВ при бурении под эксплуатационную колонну Ø 244,5 мм и хвостовик Ø 168,3 мм на шельфовом месторождении компании ПАО «НК «Роснефть». В расчетных моделях для сравнительного результата применяли бурильный инструмент и обсадные колонны как отечественного, так и зарубежного производства.

Первый этап расчетов состоял из построения оптимального профиля скважины [1]; подбора компоновок низа бурильной колонны (КНБК) и расчета оптимальных режимов бурения под секции обсадной колонны (ОК) Ø 244,5 мм и ОК Ø 168,3 мм (проектные диапазоны значений были заданы недропользователем), на которые воздействуют высокие скручивающие и осевые нагрузки; а также расчета влияния данных нагрузок при различных коэффициентах трения в диапазоне от 0,1 до 0,4 как в обсадной колонне, так и в открытом стволе.
На втором этапе произведено расчетное моделирование удельного веса (плотности) бурового раствора, при котором ЭЦП не превышает заданных граничных значений начала поглощения и происходит качественная очистка ствола скважины от выбуренного шлама. Проектные диапазоны значений удельного веса бурового раствора были заданы недропользователем. По фактическим результатам испытаний на приемистость соседней скважины ЭЦП начала поглощения бурового раствора составляла
1 860–1 890 кг/м3 при вертикальной глубине 1 200–1 300 м.
Третий этап предусматривал расчеты по воздействию скручивающих и осевых нагрузок на обсадные колонны при спуске в скважину с различными коэффициентами трения — в диапазоне от 0,1 до 0,4 в обсадной колонне и в открытом стволе.
В таблице 1 представлена проектная конструкция скважины с большим отходом от вертикали, а на рисунке 1 показан проектный профиль данной скважины.

Проектные диапазоны режимов бурения для технологических расчетов:
Бурение под ОК Ø 244,5 мм:
• средняя скорость бурения — 40–80 м/ч;
• нагрузка на долото при бурении — 13–17 т;
• скорость вращения РУС — 120–180 об/мин;
• расход насосов при бурении — 70–75 л/с;
• предельный момент свинчивания бурильных труб — не менее 120 кН×м;
• долото PDС-311,2 мм
(общая площадь насадок — 1 032,3 мм²).
Бурение под ОК Ø 168,3 мм:
• средняя скорость бурения — 30–60 м/ч;
• нагрузка на долото при бурении — 10–13 т;
• скорость вращения РУС — 120–180 об/мин;
• расход насосов при бурении — 30–35 л/с;
• долото PDС-215,9 мм
(общая площадь насадок — 871 мм²).
Ниже представлено описание расчетов на техническую возможность бурения (изгиб-кручение, дохождение нагрузки при СПО) под обсадные колонны Ø 244,5 и Ø 168,3 мм в специализированном программном обеспечении.

Для обеспечения более высокой грузоподъемности и более высокого крутящего момента с меньшей деформацией бурильные трубы подбирались отечественного и зарубежного производства с премиальными резьбовыми соединениями (c двойным упорным торцом). Преимуществом данного вида резьбового соединения является:
• повышенная прочность на кручение;
• возможность снижения гидравлического сопротивления в замке за счет увеличения внутреннего проходного диаметра и снижения наружного диаметра замка при одновременном обеспечении высокого момента свинчивания;
• наличие гладкой поверхности внутреннего канала трубы, что снижает возможность гидроабразивного повреждения замка и уменьшает количество нежелательных отложений внутри трубы.
Режимы бурения (нагрузка на долото, скорость бурения, скорость вращения роторно-управляемой системы) подобраны с учетом минимизации гидравлических сопротивлений в бурильной колонне и в затрубном пространстве с одновременным обеспечением достаточного запаса прочности замковых соединений на кручение [2].

В результате анализа отечественного бурильного инструмента выяснилось, что крупные российские производители изготавливают максимальный диаметр бурильной трубы с премиальной резьбой 139,7 мм, тогда как при бурении под секцию обсадной колонны Ø 244,5 мм необходим диаметр бурильной трубы минимум 168,3 мм (в расчетах применяли только зарубежного производителя), а под секцию Ø 168,3 мм необходим диаметр 139,7 — 149,2 мм (в расчетах применяли и зарубежного и отечественного производителя).
В процессе расчетов оптимальных режимов бурения основная проблема состояла в превышении момента свинчивания рабочей колонны при коэффициентах трения 0,3–0,4, где К_тр.ОК — коэффициент трения в обсадной колонне, К_{тр.откр.ств} — коэффициент трения в открытом стволе.
На рисунках 2 и 3 представлены графики крутящих моментов при бурении секции под ОК Ø 244,5 мм с бурильным инструментом зарубежного производства Ø 168,3 мм.

Секция под ОК Ø 244,5 мм бурима при коэффициентах трения, которые не превышают следующих значений: К_тр.ОК = 0,22, К_{тр.откр.ств} = 0,32 (рис. 3).
Графические результаты расчетов крутящих моментов при бурении секции под ОК Ø 168,3 мм с бурильным инструментом отечественного производства Ø 139,7 мм представлены на рисунках 4–5.

Секция под ОК Ø 168,3 мм бурима при коэффициентах трения, которые не превышают следующих значений: К_тр.ОК = 0,15; К_{тр.откр.ств} = 0,25 (рис. 5).

Графические результаты расчетов крутящих моментов при бурении секции под ОК Ø 168,3 мм с бурильным инструментом импортного производства Ø 149,2 мм представлены на рисунках 6–7.

Секция под ОК Ø 168,3 мм бурима при коэффициентах трения, которые не превышают следующих значений: К_тр.ОК = 0,22; К_{тр.откр.ств} = 0,32 (рис. 7).

Графики крутящих моментов при бурении секции под ОК-168,3 наглядно показывают преимущество зарубежной бурильной трубы Ø 149,2 мм с премиальным типом резьбы. Секция бурима при более высоких показателях коэффициентов трения.
Результаты расчетов рекомендуемых параметров режима бурения с применением зарубежного и отечественного бурильного инструмента представлены в таблице 2.

Гидравлические расчеты на возможность бурения секции под обсадные колонны Ø 244,5 и Ø 168,3 мм производились моделированием состояния очистки ствола скважины по рекомендуемым режимам бурения, полученным на первом этапе расчетов.
Для расчетов применяли буровой раствор на углеводородной основе (РУО) [3]. Исходные данные проектных параметров бурового раствора представлены в таблице 3.
По результатам гидравлических расчетов бурения секции под обсадную колонну Ø 244,5 мм шламовая подушка отсутствует при любой из заданных проектных плотностей РУО. Показатели рекомендуемого варианта ЭЦП при бурении следующие:
• удельный вес РУО 1 400 кг/м³;
• ЭЦП на башмаке при расходе насоса 70 л/с 1 612 кг/м³;
• ЭЦП на долоте при расходе насоса 70 л/с 1 679 кг/м³;
• ЭЦП свабирование (90 с) при расходе насоса 70 л/с 1 614 кг/м³;
• ЭЦП поршневание (90 с) при расходе насоса 70 л/с 1 730 кг/м³.
Эквивалентная циркуляционная плотность промывочной жидкости не превышает заданных граничных значений начала поглощения (1 860–1 890 кг/м³).

При гидравлических расчетах бурения секции под обсадную колонну Ø 168,3 мм недропользователем были введены лимиты на параметры расхода насосов, это связано с ограничением пропускной способности телеметрической системы. Для корректной ее работы и замеров максимальный расход насосов не должен превышать 35 л/с. Также недропользователем была поставлена задача минимизировать гидравлические сопротивления в бурильной колонне и в затрубном пространстве с одновременным обеспечением достаточного запаса прочности замковых соединений на кручение. Оптимальные показатели дала компоновка с бурильным инструментом Ø 149,2 мм.
По результатам расчетов при бурении секции под ОК Ø 168,3 мм образуется шламовая подушка (от 30 до 50 мм) при любой из заданных проектных плотностей РУО. Показатели рекомендуемого варианта ЭЦП при бурении следующие:
• удельный вес РУО 1 300 кг/м³;
• ЭЦП на башмаке при расходе насоса 35 л/с 1 679 кг/м³;
• ЭЦП на долоте при расходе насоса 35 л/с 1 760 кг/м³;
• ЭЦП свабирование (90 с) при расходе насоса 35 л/с 1 675 кг/м³;
• ЭЦП поршневание (90 с) при расходе насоса 35 л/с 1 850 кг/м³.
Эквивалентная циркуляционная плотность промывочной жидкости не превышает заданных граничных значений начала поглощения (1 860–1 890 кг/м³).

Анализ рынка отечественных обсадных колонн показал, что крупные российские производители выпускают все необходимые диаметры обсадных колонн с премиальной резьбой.
Расчеты по воздействию скручивающих и осевых нагрузок на обсадные колонны (отечественного и зарубежного производства) при спуске в скважину производились также в специализированном ПО. Коэффициенты трения подбирались в диапазоне от 0,1 до 0,4 как в обсадной колонне, так и в открытом стволе [4]. Тип центраторов — жесткозакрепленные спиральные центраторы.
Результаты расчетов показали схожие показатели коэффициентов трения для импортных и отечественных обсадных колонн, при которых возможен спуск с минимальными рисками. Рекомендованы следующие условия спуска обсадных колонн в открытый ствол, когда изгибающие усилия и напряжения на ОК отсутствуют:

Спуск ОК Ø 244,5 мм без вращения:
• спуск ОК производить с опорожнением;
• скорость спуска не более 5–7 м/мин;
• коэффициенты трения К_тр.ОК =0,1;
К_{тр.откр.ств} = 0,2.

Спуск ОК Ø 244,5 мм с вращением:
• вращение ОК не выше 40 об/мин;
• спуск ОК производить с опорожнением;
• скорость спуска не более 5–7 м/мин;
• коэффициенты трения К_тр.ОК = 0,27;
К_{тр.откр.ств} = 0,37.

Спуск ОК Ø 168,3 мм без вращения:
• при спуске обсадной колонны без вращения, с коэффициентами трения
К_тр.ОК = 0,1–0,3; К_{тр.откр.ств} = 0,2–0,4
присутствуют спиральные и синусоидальные изгибы.

Спуск ОК Ø 168,3 мм с вращением:
• вращение ОК не выше 40 об/мин;
• скорость спуска не более 10–12 м/мин;
• коэффициенты трения К_тр.ОК = 0,2;
К_{тр.откр.ств} = 0,3.
Для уменьшения спиральных и синусоидальных изгибов обсадных колонн рекомендовано применение скважинного вертлюга, который позволяет вращать бурильный инструмент независимо от обсадной колонны для уменьшения трения при спуске в скважину.