Буровые станки и бурение скважин

Министерство образования и науки  Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
В. И. Зварыгин 
 
 
БУРОВЫЕ СТАНКИ  
И БУРЕНИЕ СКВАЖИН 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2011 

УДК 622.24(075.8) 
ББК 33.13я73  
         З-42 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: А. В. Гилев, д-р техн. наук, проф. зав. кафедрой 
«Горные машины и комплексы» СФУ; П. П. Талалай, главный инженер 
ОАО «Красноярскгеолсъемка»                                                                                                  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Зварыгин, В. И. 
З-42             Буровые станки и бурение скважин : учеб. пособие / В. И. Зварыгин. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2011. –  256 с. 
ISBN 978-5-7638-2219-9 
 
 
В учебном пособии рассмотрено важное отечественное и зарубежное буровое оборудование, применяющееся  в настоящее время. Рассмотрен буровой 
технологический и породоразрушающий инструмент. Описаны технология 
твердосплавного, алмазного бурения и бурение неглубоких скважин. Освещены 
современные прогрессивные способы бурения. Описаны технологические процессы, методы получения качественной пробы и способы оптимизации технологических режимов бурения. Приведены способы предупреждения осложнения. 
Описаны методы тампонирования скважины и ликвидации аварий. 
Для студентов геологических специальностей. 
 
УДК 622.24(075.8) 
ББК 33.13я73  
 
 
ISBN  978-5-7638-2219-9                                                         Сибирский федеральный  
 
                                                                                    университет, 2011 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
 
Курс «Буровые станки и бурение скважин» является важнейшей дисциплиной для будущих организаторов и руководителей специальности 
геологоразведочных работ. Он базируется на технических дисциплинах: 
физике, теоретической механике, деталях машин, гидравлике, химии.  
Материал для строительства жилых и промышленных зданий, руды, 
энергетическое сырье, драгоценные камни и стратегические материалы – 
все это извлекается из недр земли. 
Выявлением месторождений полезных ископаемых, их поисками и 
разведкой занимается геологическая служба. Для исследований земных 
недр используются различные методы: геологические, геохимические, 
геофизические. Но только с помощью буровых скважин можно определить 
качество (кондиции) и количество (запасы) полезного ископаемого. Успех 
решения геологоразведочных задач возможен только при наличии качественной пробы горных пород и, в первую очередь, полезных ископаемых. 
Своевременное выполнение геологоразведочных работ зависит от выбранной буровой техники и разработанной технологии бурения. Современные 
техника и технология бурения достаточно сложны, поэтому грамотный 
выбор и эффективное их использование невозможны без глубоких знаний 
теории бурения.       
Для восполнения запасов металлов, ценных материалов и сырья необходимо вести дальнейшие поиски и разведку месторождений различных 
полезных ископаемых. Неглубоко залегающие месторождения уже открыты и частично выработаны, поэтому требуется вести разведку более глубоких горизонтов,  для  чего  необходимо  хорошо  освоить  современную  
как отечественную, так и зарубежную технику и технологию разведочного 
бурения скважин, и совершенствовать ее дальше. 
Дальнейшее  наращивание  необходимых   запасов   полезных   ископаемых для обеспечения сырьем промышленности и сельского хозяйства 
является основной задачей геологической службы. Для этого необходимо 
готовить качественные, хорошо образованные кадры специалистов, владеющих современной техникой и технологией бурения. 
На вооружение специалистов каждый год поступает новая техника, 
разрабатываются новые материалы, новая технология. 
Для повышения уровня знаний и умений требуется высококачественная литература, учебники и другие учебные пособия по разведочному 
бурению. 

Ч а с т ь  I 

 
ТВЕРДОСПЛАВНОЕ БУРЕНИЕ 
 
 
 
 
 
Г л а в а  1 

 
ПОНЯТИЕ О СКВАЖИНЕ  
И ЕЕ КОНСТРУКЦИИ 
 
 
 
1.1. Понятие о скважине 
 
 
Буровая скважина – это горная выработка небольшого круглого сечения и значительной длины, предназначенная для изучения геологического строения, поисков, разведки, добычи полезных ископаемых и инженерно-геологических изысканий. 
Боковую поверхность скважины называют стенкой, а дно – забоем 
скважины. Диаметры скважины колеблются от  36 до 150 мм, глубина –          
от 10 до 2000 м.  

Бурение – это процесс сооружения скважин преимущественно с помощью буровых установок. 
В зависимости от назначения скважины подразделяют на геологопоисковые, геологоразведочные, гидрогеологические, инженерно-геологические, 
эксплуатационные и технические. Изучение качественной характеристики 
строительных материалов и руд, определение их запасов осуществляют с 
помощью бурения геологоразведочных скважин. По расположению в 
пространстве разведочные скважины делят на вертикальные (восстающие и нисходящие), расположенные под углом 90о к горизонту, горизонтальные под углом 0о и наклонные (нисходящие и восстающие) под углом от 0о до 90о. 
По глубине геологоразведочные скважины С. С. Сулакшин делит 
на неглубокие (до 100 м), глубокие (до 2000 м) и сверхглубокие (свыше 
2000 м). 

1.2. Понятие о конструкции скважины 
 
Основная задача бурения геологоразведочных скважин – извлечение  
из исследуемых пластов полезных ископаемых и вмещающих горных пород образцов (керна) для лабораторных анализов и их визуального изучения.  
Объем пробы (диаметр и длина керна) определяется специальными 
требованиями, разработанными геологической службой для различных типов полезных ископаемых. В соответствии с установленным минимально 
допустимым диаметром керна проектируют и конструируют скважину. 
Под конструкцией скважины подразумевается ее форма в массиве 
горных пород с определенными размерами (длиной, диаметром) и размерами обсадных труб, закрепляющих стенки скважины. 
Конструкция скважины влияет на все виды работ, составляющих 
процесс бурения, определяет их стоимость и качественное выполнение 
геологического задания. Для получения высокого качества геологической 
информации не только по полезному ископаемому, но и по всей продуктивной толще конструкция скважины должна гарантировать выполнение 
этого требования как за счет получения керна нужного диаметра, так и за 
счет возможности размещения в исследуемых интервалах скважины геофизической и другой современной исследовательской аппаратуры. От конструкции скважины зависит создание благоприятных условий для эффективного применения технологических режимов бурения. Оптимальная 
конструкция скважин позволяет максимально сократить металлоемкость и 
снизить стоимость 1 м бурения. 
Конструкция скважины определяется ее целевым назначением, свойствами горных пород геологического разреза, размерами и прочностью бурильных колонн и используемого оборудования. Она характеризуется рядом 
параметров, к числу которых относят глубину скважины, длину интервалов 
неустойчивых горных пород, закрепляемых обсадными трубами, диаметр 
скважины этих интервалов и конечный диаметр скважины, диаметры обсадных труб различных интервалов, количество ступеней скважины. 
Глубину скважины устанавливают в зависимости от глубины залегания полезного ископаемого. Скважину необходимо углублять на 10–20 м 
ниже пласта полезного ископаемого для определения достоверности подсечения подошвы пласта и возможности его исследования геофизическими 
методами. 
Минимальный диаметр скважины на проектной глубине определяют в 
зависимости от требований геологической службы с одной стороны и условий эффективности бурения (длины рейса, механической скорости бурения, 
качества опробования и стоимости 1 м скважины) – с другой стороны. 
В мировой и отечественной практике в целях повышения производительности бурения, качества опробования и снижения стоимости бурения 

существует тенденция к уменьшению конечного диаметра скважины и переходу к одноступенчатой конструкции. 
С уменьшением диаметра скважины резко возрастает механическая 
скорость бурения, снижается расход коронок, повышается устойчивость стенок скважины, что в конечном счете снижает стоимость бурения. Но снижать 
диаметр скважин можно до разумных пределов: во-первых, полученный объем пробы должен обеспечить все виды лабораторных исследований, вовторых, диаметр скважин должен позволять различного рода геофизические 
исследования. Наконец, с уменьшением диаметра скважины уменьшается 
диаметр применяемых бурильных труб, а значит, их прочность, что заставляет понижать параметры технологических режимов бурения. 
В большинстве случаев в скважинах наблюдаются осложненные интервалы, расположенные чаще всего в верхних горизонтах. Здесь встречаются трещиноватые, набухающие, раздельно-зернистые породы. Такие породы легко осыпаются, обваливаются, набухают. 
Нередко встречаются горизонты с низким пластовым давлением, что 
приводит к осложнениям. Низкое пластовое давление часто ведет к водопоглощению (при водопоглощении возможны прижег коронки и зашламовка скважин). 
Верхние горизонты (до 30 % глубины скважины) таких неустойчивых пород необходимо крепить обсадными трубами, а нижние – тампо-
нажными смесями. 
Как правило, в устье скважин для крепления (обычно легкоразмываемых выветренных и разрушенных) пород и направления промывочной 
жидкости из скважин в желоб устанавливают направляющую трубу (3–6 м). 
Башмак колонны тампонируют глиной или цементным раствором. 
Если верхние горизонты на глубину свыше 6 м представлены выветренными слабоустойчивыми, трещиноватыми и кавернозными породами, 
то их закрепляют кондуктором. Для этого скважины бурят на глубину неустойчивых пород и ниже (на 1 м в устойчивых (коренных) породах). 
Стенки кондуктора смазывают маслом, его башмак тампонируют цементным раствором, а в устье скважины устанавливают пеньковый сальник. 
Если в верхнем интервале, составляющем 30 % от глубины скважины, встречаются еще осложненные зоны, то спускают промежуточную обсадную колонну, низ которой тампонируют, а в зазор между колонной и 
стенками скважины заливают глинистый раствор. 
Рациональной конструкцией скважины считается скважина, у которой 
конечный диаметр выбран минимально возможным (с учетом получения достоверных проб полезных ископаемых, с учетом возможности проведения геофизических и других исследований и применения соответствующих буровых 
снарядов); число обсадных колонн и глубина их спуска берутся минимально 
возможные, обусловленные только сложностью геологического разреза. 

При креплении стенок скважин в зависимости от устойчивости горных пород кондуктор скважины устанавливать не обязательно, может быть 
установлена только направляющая труба и промежуточная обсадная колонна или только направляющая труба. 
Диаметры обсадных труб подбирают в соответствии с диаметром 
скважины: 
 
Диаметр скважины, мм 
В46
59 
76 
993 
112 
132 
151 

Диаметр обсадных труб, мм 
44 
557 
73 
89 
108 
127 
146 

 
 
 
1.3. Выбор конструкции скважины 
 
 
Выбор конструкции скважины начинают с анализа геологического 
разреза, в первую очередь, осложненных зон (осыпей, обвалов, набухающих пород, водопроявлений, водопоглощений), определения типа полезного ископаемого и определения характеристик горных пород разреза. 
Характеристику пород необходимо привести в соответствие с классификацией Atlas Copco (рис. 1.1, табл. 1.1). 
Диаметры скважины и ее интервал необходимо подбирать в соответствии с диаметром выбранного бурового снаряда, а обсадные трубы в соответствии с диаметрами скважины.                                                                                      
Для крепления неустойчивых стенок скважины при бурении установками Atlas Copco применяют обсадные трубы следующих размеров: 
стандарта ДСМА с импрегнированными башмаками и муфтовыми соединениями AW57.4/48.6 мм; BW73.2/60.5 мм; NM89.1/76.4 мм; 
HW114.4/101.6 мм; PW139.7/125.5 мм, тонкостенные обсадные трубы с 
импрегнированными башмаками диаметром 44.4/37.4 мм; 54.4/47.4 мм; 
64.5/57.5 мм; 74.5/67.5 мм; 84.5/77.5 мм; 98.2/89.2 мм; 113.5/103.6 мм; 
128/118 мм; 143/133,3 мм. 
На основании проведенного анализа намечают глубину и конечный 
диаметр скважины, затем определяют количество осложненных зон в 30 % 
интервале скважины, способы их крепления. В соответствии с этим определяют количество ступеней  скважины (количество интервалов с различными диаметрами скважины) и количество обсадных колонн (в том числе 
направляющей, кондуктора и промежуточных). 
Начиная от конечного диаметра скважины рекомендуемого ВИТР 
(рис. 1.1) намечают размеры скважины (диаметр, интервал) каждой ступени и размеры (диаметр, длину) обсадных колонн. 
 

а 

б 

Рис. 1.1. Схемы конструкции скважины и ее крепления обсадными трубами и тампонажными смесями. Классификация горных 
пород: а – по группам; б – по шкале абразивности 

 
Масштаб, м 

Геологическая 
колонка 

Характеристика 
пород

Схема 
конструкции 
сква
Схема крепления скважины трубами

Участки 
тампонирования 
скважины 

Таблица 1.1 
 
 
Группы 
пород 
Характеристики  
пород 
Тип породы 

1–4 
Мягкая или средней  
мягкости 
Очень абразивная 
Сильнотрещиноватая 

Измененные или слабо измененные глины, песчаники и известняки 

5 
Средней мягкости 
Абразивная 
Трещиноватая 

Известняки и доломиты 
Выветренные граниты и гнейсы  
Серпентинит и метаперидотит 

6 
Твердая 
Абразивная 
Достаточно крепкая 

Измененные или слабо измененные диориты, 
габбро, перидотиты и гнейсы  
Базальт, андезит 

7 
Средней крепости 
Умеренно абразивная 
Крепкая 

Метабазальт, амфиболит 
Измененные диориты и габбро  
Диабаз 

8 
Твердая 
Умеренно абразивная 
Крепкая 

Обогащенный кварцем скарн  
Гранит и пегматит  
Слабоизмененные средние и вулканические породы 

9 
Очень твердая 
Умеренно абразивная 
Очень крепкая 

Измененные гранитные породы и обогащенные 
кварцем гнейсы  
Обогащенные кварцем и шпатом осадочные породы 

10 
Сверхтвердая 
Неабразивная 
Мелкозернистая 
Очень крепкая 

Кремнистый сланец и джаспилит  
Кварцит  
Сильно измененные вулканические породы 

 
 
Стенки скважины осложненных зон, расположенных глубже 30% интервала скважины, рекомендуется крепить и кольматировать тапонажными 
смесями. 
 
 
 
1.4. Способы бурения 
 
 
При бурении глубоких геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые применяют вращательный и ударно-вращательный 
способы. 
Вращательный способ бурения заключается в разрушении горной 
породы под действием вращающегося породоразрушающего инструмента 
и осевой нагрузки. 

Ударно-вращательный способ бурения – это вращательный способ, 
при котором на породоразрушающий инструмент дополнительно наносятся ударные нагрузки. 
Вращение бурового снаряда осуществляют буровым станком, а 
ударные нагрузки – специальными механизмами (гидроударниками или 
пневмоударниками), включенными в буровой снаряд. 
В зависимости от назначения вращательный способ делят на колонковый и бескерновый. Колонковый способ (от слова колонка – столбик 
керна) применяют при необходимости опробования скважины (получения 
пробы горных пород и полезных ископаемых). Бескерновый  – при отсутствии такой необходимости. 
Колонковый способ имеет ряд достоинств. Он дает возможность извлекать образцы пород, бурить скважины в любом направлении, осуществлять бурение многоствольных скважин, бурить скважины на значительную глубину с относительно невысоким расходом энергии. 
К недостаткам колонкового бурения можно отнести возможность 
самоискривления скважин, ограниченную длину рейса, с которой связана 
низкая производительность и высокая себестоимость бурения. При бурении мягких пород этот недостаток компенсируется применением бурового 
снаряда с гидротранспортом керна, а при бурении твердых пород – применением снаряда со съемными керноприемниками. 
Бескерновое бурение вследствие повышения длины рейса, снижения 
затрат времени, труда и средств на бурение выгодно отличается от колонкового большей производительностью и меньшей себестоимостью. Поэтому при проектировании буровых работ приоритет по возможности следует 
отдавать бескерновому способу. 
В   зависимости   от  породоразрушающего   инструмента  выделяют 
твердосплавный (твердосплавными коронками и долотами), алмазный 
(алмазными коронками и долотами), шарошечный (чаще всего шарошечными долотами) способы вращательного бурения. 
Твердосплавный способ при бурении горных пород I–VII категории 
буримости является наиболее простым, дешевым и производительным. 
Для пород V–XII категории более эффективным, более производительным 
является алмазный способ. 
Весьма производительным способом вращательного твердосплавного бурения для пород I–IV категорий с пропластками до VII категории 
скважин глубиной до 300 м является способ с гидротранспортом керна, а 
вращательного алмазного бурения для пород V–X категорий скважин глубиной свыше 300 м – способ бурения снарядами со съемными керноприемниками. 
В обоих случаях качество опробования и производительность работ 
значительно возрастают вследствие извлечения керна без подъема бурово