Оборудование для бурения скважин

ǺǶǻǶǿȀdzǾǿȀǰǼ ǼǯǾǮǵǼǰǮǻǶȍ Ƕ ǻǮȁǸǶ  
ǾǼǿǿǶǷǿǸǼǷ ȂdzDzdzǾǮȄǶǶ 
ȂDZǯǼȁ ǰǼ «ǸȁǯǮǻǿǸǶǷ DZǼǿȁDzǮǾǿȀǰdzǻǻȉǷ  
ȀdzȃǻǼǹǼDZǶȅdzǿǸǶǷ ȁǻǶǰdzǾǿǶȀdzȀ» 
Ǯ. Ǯ. ǹȎȒȓțȘȜ 
ǼǯǼǾȁDzǼǰǮǻǶdz 
Dzǹȍ ǯȁǾdzǻǶȍ ǿǸǰǮǴǶǻ 
ȁȥȓȏțȜȓ ȝȜȟȜȏȖȓ 
Инфра-Инженерия 
Москва ² Вологда 
2019 

ФЗ 
№ 436-ФЗ 
Издание не подлежит маркировке  
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11 
УДК  620.193:622.24.05 
ББК  33.36 
 
Л  15 
 
 
 
Рецензенты: 
Д. Г. Антониади ² д-р техн. наук, проф.,  
зав. кафедрой нефтегазового дела им. проф. Г. Т. Вартумяна  
ФГБОУ ВО «КубГТУ»; 
Е. П. Запорожец ² д-р техн. наук, проф. кафедры оборудования  
нефтяных и газовых промыслов ФГБОУ ВО «КубГТУ» 
 
 
 
 
 
Ладенко А. А.  
Л 15  Оборудование для бурения скважин: учебное пособие / А. А. Ладенко. ² 
М.: Инфра-Инженерия, 2019. ² 180 с. 
 
 
ISBN 978-5-9729-0280-4 
 
 
 
 
Предложен обзор бурового оборудования и рассмотрены существующие 
методы расчета его параметров. Пособие позволит студентам приобрести навыки 
инженерных расчетов, необходимых для проектирования и обеспечения функционирования бурового оборудования. 
Предназначено для студентов направления 21.03.01 «Нефтегазовое дело»,  
аспирантов, а также специалистов нефтегазовой отрасли. 
 
 
‹ Ладенко А. А., автор, 2019 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0280-4 
 
 
                                 
2 

ǼDZǹǮǰǹdzǻǶdz 
ǰǰdzDzdzǻǶdz 
....................................................................................... 5 
1.
ǻǮǵǻǮȅdzǻǶdz Ƕ ȁǿǹǼǰǶȍ ȋǸǿǽǹȁǮȀǮȄǶǶ
ǯȁǾǼǰǼDZǼ ǼǯǼǾȁDzǼǰǮǻǶȍ 
............................................................ 
6 
2.
ǼǽǾdzDzdzǹdzǻǶdz ǾǮǿȅdzȀǻȉȃ ǻǮDZǾȁǵǼǸ 
....................................... 10
2.1.ǾȎȟȥȓȠ țȎ ȟȠȎȠȖȥȓȟȘȡȬ ȝȞȜȥțȜȟȠȪ ........................................... 12
2.2.ǾȎȟȥȓȠ țȎ ȟȜȝȞȜȠȖȐșȓțȖȓ ȡȟȠȎșȜȟȠȖ........................................ 13
2.3.ȋȘȐȖȐȎșȓțȠțȎȭ țȎȑȞȡȕȘȎ 
............................................................... 15
3.
ǯȁǾǼǰȉdz ǰȉȆǸǶ 
..................................................................... 17 
3.1.ǼȝȞȓȒȓșȓțȖȓ țȎȑȞȡȕȜȘ Ȗ ȜȝȜȞțȩȣ ȞȓȎȘȤȖȗ,  
ȒȓȗȟȠȐȡȬȧȖȣ țȎ ȫșȓȚȓțȠȩ Ǯ-ȜȏȞȎȕțȜȗ ȐȩȦȘȖ .................... 24
3.2.ǾȎȟȥȓȠ ȡȟȠȜȗȥȖȐȜȟȠȖ ȐȩȦȓȥțȜ-șȓȏȓȒȜȥțȜȑȜ ȏșȜȘȎ  
ȏȡȞȜȐȜȗ ȡȟȠȎțȜȐȘȖ ȝȜ ȘȜșȓȟțȜȚȡ ȣȜȒȡ 
.................................... 34
ǼȝȞȓȒȓșȓțȖȓ ȐȓȠȞȜȐȩȣ țȎȑȞȡȕȜȘ Ȗ ȚȜȚȓțȠȜȐ ..................... 
37
3.3.ǾȎȟȥȓȠ ȝȓȞȓȚȓȧȓțȖȭ ȐȩȦȓȥțȜ-șȓȏȓȒȜȥțȜȑȜ ȏșȜȘȎ  
Ȑ ȝȞȓȒȓșȎȣ ȘȡȟȠȎ ............................................................................ 43
3.4.ǼȝȞȓȒȓșȓțȖȓ ȝȎȞȎȚȓȠȞȜȐ ȏȡȞȜȐȜȗ ȐȩȦȘȖ ............................ 49
ǰȜȝȞȜȟȩ Ȓșȭ ȟȎȚȜȘȜțȠȞȜșȭ ........................................................................ 53 
4.
ǿǽȁǿǸǼǽǼDzȈdzǺǻȉǷ ǸǼǺǽǹdzǸǿ....................................... 55
4.1.ǾȎȟȥȓȠ ȘȞȜțȏșȜȘȎ țȎ ȝȞȜȥțȜȟȠȪ ................................................ 58
4.2.ǼȟȜȏȓțțȜȟȠȖ ȞȎȟȥȓȠ ȜȟȖ ȠȎșȓȐȜȑȜ ȏșȜȘȎ țȎ ȝȞȜȥțȜȟȠȪ .... 65
4.3.ǯȡȞȜȐȎȭ șȓȏȓȒȘȎ 
............................................................................. 65
4.3.1. ǼȝȞȓȒȓșȓțȖȓ ȟȘȜȞȜȟȠȖ ȝȜȒȨȓȚȎ ȘȞȬȘȎ ..................... 69
4.3.2. ǾȎȟȥȓȠ țȎ ȝȞȜȥțȜȟȠȪ ȝȜȒȨȓȚțȜȑȜ ȐȎșȎ  
ȏȡȞȜȐȜȗ șȓȏȓȒȘȖ 
................................................................. 73
3 

4.3.3. ǾȎȟȥȓȠ ȠȜȞȚȜȕȜȐ ȏȡȞȜȐȜȗ șȓȏȓȒȘȖ 
................................ 81 
4.3.4. ǼȏȟșȡȔȖȐȎțȖȓ ȟȖȟȠȓȚȩ ǿǽǸ .......................................... 83 
ǰȜȝȞȜȟȩ Ȓșȭ ȟȎȚȜȘȜțȠȞȜșȭ ........................................................................ 91 
ǵȎȒȎȥȖ Ȓșȭ ȟȎȚȜȘȜțȠȞȜșȭ ........................................................................... 92 
5.
ǼǯǼǾȁDzǼǰǮǻǶdz Dzǹȍ ǰǾǮȇdzǻǶȍ ǯȁǾǶǹȊǻǼǷ  
ǸǼǹǼǻǻȉ 
................................................................................. 95 
5.1.ǰȓȞȠșȬȑ.............................................................................................. 96 
5.1.1. ǾȎȟȥȓȠ ȟȠȐȜșȎ ȐȓȞȠșȬȑȎ țȎ ȝȞȜȥțȜȟȠȪ ....................... 102 
5.1.2. ǾȎȟȥȓȠ ȑșȎȐțȜȗ ȜȝȜȞȩ ȐȓȞȠșȬȑȎ 
................................... 110 
5.2.ǾȜȠȜȞ 
................................................................................................ 112 
5.2.1. ǼȝȞȓȒȓșȓțȖȓ ȜȟțȜȐțȩȣ ȝȎȞȎȚȓȠȞȜȐ ȞȜȠȜȞȎ 
........... 122 
5.2.2. ǾȎȟȥȓȠ ȏȩȟȠȞȜȣȜȒțȜȑȜ ȐȎșȎ țȎ ȝȞȜȥțȜȟȠȪ 
................ 125 
ǰȜȝȞȜȟȩ Ȓșȭ ȟȎȚȜȘȜțȠȞȜșȭ 
.................................................................. 
133 
ǵȎȒȎȥȖ Ȓșȭ ȟȎȚȜȘȜțȠȞȜșȭ ..................................................................... 
133 
6.
ǻǮǿǼǿǻȉdz ǸǼǺǽǹdzǸǿȉ  
................................................... 137 
6.1.ǾȎȟȥȓȠ țȎ ȝȞȜȥțȜȟȠȪ ȑȖȒȞȎȐșȖȥȓȟȘȜȗ ȥȎȟȠȖ țȎȟȜȟȎ 
......... 151 
6.2.ǾȎȟȥȓȠ ȝȞȖȐȜȒțȜȗ ȥȎȟȠȖ țȎȟȜȟȎ țȎ ȝȞȜȥțȜȟȠȪ 
................... 162 
ǰȜȝȞȜȟȩ Ȓșȭ ȟȎȚȜȘȜțȠȞȜșȭ 
.................................................................. 
165 
ǵȎȒȎȥȖ Ȓșȭ ȟȎȚȜȘȜțȠȞȜșȭ ..................................................................... 
166 
7.
ǯȁǾǶǹȊǻȉdz ȀǾȁǯȉ 
................................................................. 166 
7.1.ǸȜțȟȠȞȡȘȤȖȭ Ȗ ȣȎȞȎȘȠȓȞȖȟȠȖȘȎ ȏȡȞȖșȪțȩȣ ȠȞȡȏ ................ 166 
7.2.ǾȎȟȥȓȠ ȘȜșȜțțȩ ȏȡȞȖșȪțȩȣ ȠȞȡȏ  țȎ ȝȞȜȥțȜȟȠȪ  
ȝȞȖ ȠȡȞȏȖțțȜȚ ȟȝȜȟȜȏȓ ȏȡȞȓțȖȭ ............................................ 166 
ǰȜȝȞȜȟȩ Ȓșȭ ȟȎȚȜȘȜțȠȞȜșȭ 
.................................................................. 
176 
ǵȎȒȎȥȖ Ȓșȭ ȟȎȚȜȘȜțȠȞȜșȭ ..................................................................... 
177 
ǿǽǶǿǼǸ ǶǿǽǼǹȊǵǼǰǮǻǻȉȃ ǶǿȀǼȅǻǶǸǼǰ ....................... 178 
                                 
4 

ǰǰdzDzdzǻǶdz 
Достижение высокого уровня добычи нефти и природного газа требует 
соответствующего увеличения объема буровых работ, а следовательно, и затрат 
на изготовление бурового оборудования и инструмента. 
Поэтому большое значение приобретает задача повышения надежности  
и долговечности оборудования как одно из важнейших направлений увеличения производительности и снижения материальных и денежных затрат на эксплуатацию оборудования и инструмента. 
Буровое оборудование эксплуатируется в специфических и сложных 
условиях. Буровые работы осуществляются системой тесно взаимосвязанного 
оборудования, в которой отказ или неисправность одного элемента препятствует нормальной работе всей системы. 
Для повышения надежности, совершенствования конструктивных и эксплуатационных параметров буровых установок, применяемых для бурения 
скважин, необходим правильный расчет деталей, узлов и всего оборудования  
в целом на прочность при проектировании. 
Предлагаемые методы расчетов на прочность построены на основе  
современных представлений о несущей способности деталей машин с учетом 
особенностей нагружения, накопившегося опыта проектирования и эксплуатации отечественных и зарубежных буровых установок. 
5 

 
1. ǻǮǵǻǮȅdzǻǶdz Ƕ ȁǿǹǼǰǶȍ ȋǸǿǽǹȁǮȀǮȄǶǶ  
ǯȁǾǼǰǼDZǼ ǼǯǼǾȁDzǼǰǮǻǶȍ 
Буровые установки (БУ) предназначены для сооружения скважин. Конструкция скважины во многом определяет типоразмер БУ. Буровая установка 
состоит из отдельных сооружений, агрегатов и механизмов. Процесс бурения 
представляет собой отдельные последовательные или повторяющиеся операции, которые выполняет буровая бригада с помощью механизмов. По функциональному назначению всё оборудование можно условно подразделить на две 
группы: подземное и наземное. Если подземное оборудование предназначено 
непосредственно для бурения скважины, то наземное приводит его в движение 
и обслуживает его работу. 
Бурильная колонна, выполняет функцию непосредственного углубления 
скважины и расширения ствола, состоит из бурильных труб, забойного двигателя 
и породоразрушающего устройства, работает в наиболее тяжелых условиях. 
Вращающаяся бурильная колонна подвергается большим растягивающим или 
сжимающим нагрузкам, кручению и циклическому изгибу. Главное требование  
к ней ² обеспечение несущей способности и надежности её элементов. 
Обсадная колонна состоит из труб длиной 9-13 метров одинакового 
наружного диаметра с различными толщинами стенок. В процессе эксплуатации обсадные колонны подвержены наружному и внутреннему давлению,  
а так же осевому растяжению от собственного веса. Равнопрочность колонны  
по длине достигается путем подбора по расчету труб с различными толщинами 
стенок из сталей разных групп прочности. 
Наземное оборудование монтируют двумя способами: блочно-агрегатным 
и крупноблочным и предназначено в основном для выполнения спускоподъемных операций (СПО), вращения колонны, обеспечения промывки скважины буровыми растворами. Наземное оборудование можно разделить на две подгруппы: основное и вспомогательное. 
К основному оборудованию относятся вышки, буровые насосы, роторы, 
вертлюги и оборудование подъемного комплекса. Вспомогательное оборудование дополняет основное и облегчает его работу. Эта группа состоит из компрессоров, циркуляционной системы, оборудования устья скважины и СПО, 
измерительных и пускорегулирующих устройств. 
Вышка или мачта ² основное несущее сооружение буровой установки. 
Предназначена вышка для монтажа кронблока, подвести талевой системы,  
                                 
6 

размещения средств механизации СПО. В процессе эксплуатации, вышки  
воспринимают все нагрузки от веса бурильных или обсадных колонн и пульсирующие ветровые нагрузки. Хотя вышки представляют собой стационарную 
конструкцию (отсутствуют движущиеся части), они подвержены износу в процессе эксплуатации. Специфичность износа заключается в том, что несущая 
способность конструкции со временем значительно снижается. Это связано  
с атмосферной коррозией стали под напряжением. Особенно опасна коррозия  
в сочленениях и местах сварки. Поэтому повышение надежности и долговечности вышек необходимо связывать с защитой их от коррозии. 
Подъемный комплекс БУ обеспечивает выполнение наиболее трудоемких 
в бурении спускоподъемных операций, производит подачу долота по мере 
углубления ствола, он необходим для ликвидации осложнений и аварийных  
ситуаций в скважине. Подъемный комплекс состоит из трех основных узлов: 
талевой системы, буровой лебедки и силового привода. К агрегатам подъемного комплекса предъявляются повышенные требования с точки зрения надежности. Большая часть ответственных деталей при работе подвержены действию  
переменных нагрузок и могут разрушиться от усталости металла. Поломки  
ответственных деталей приводят к авариям. В этой связи к оборудованию  
при проектировании и изготовлении Госгортехнадзором предъявляются повышенные требования. 
Буровые лебедки ² один из основных узлов подъемного комплекса. 
Назначение буровой лебедки ² создание тягового или тормозного усилия  
в ведущей ветви талевого каната. Лебедки передает вращение ротору, создают 
усилие на машинных ключах, подтаскивают и поднимают грузы. 
Талевые системы служат для уменьшения натяжения ведущей ветви  
каната, навитого на барабан лебедки. Представляет собой полиспаст и состоит 
из неподвижного и подвижного блоков соединенных талевым канатом. 
Талевые канаты ² самый ответственный элемент подъемного комплекса. Канат подвергается растяжению и переменному изгибу. На выносливость  
талевых канатов значительно влияет качество смазки. 
В процессе эксплуатации талевая система воспринимает переменные 
нагрузки, вследствие чего в ответственных деталях могут возникать усталостные трещины. Для предупреждения усталостного разрушения деталей системы 
необходимо периодически проводить дефектоскопию. 
Привод обеспечивает работу всех узлов и агрегатов БУ. По виду первичного источника энергии приводы бывают дизельными, газотурбинными и электрическими. Различают два вида привода ² основной и вспомогательный.  
Привод лебедки, насосов, ротора ² основной (силовой). Привод компрессоров, 
                                 
7 

глиномешалки, вибросита и т. д. ² вспомогательный. Применение и использование разных типов привода мотивируется конкретными условиями работы 
установки и конструкторскими решениями при её проектировании. 
Вертлюг играет роль соединительного звена между талевой системой  
и бурильной колонной, воспринимает две нагрузки: от веса бурильной колонны 
и от внутреннего давления бурового раствора. Надежность вертлюга зависит 
главным образом от работоспособности подшипникового и сальникового узлов. 
Ротор приводит во вращение колонну бурильных труб путем передачи 
крутящего момента ведущей трубе или путем восприятия активного момента 
забойного двигателя; предназначен для удержания на столе бурильной или  
обсадной колонн; используется при ловильных работах. Ресурс работы ротора 
зависит от работоспособности главной опоры, воспринимающей реакцию  
от нагрузок в зубчатом соединении и осевую нагрузку от трения ведущей трубы 
с зажимом стола. 
Буровые насосы являются преобразователями топливной или электрической энергии двигателей привода в гидравлическую энергию потока бурового 
раствора. Насосы эксплуатируются в очень тяжелых и неблагоприятных условиях, что определяется в основном физическими и химическими свойствами 
буровых растворов. Детали и узлы насосов подвержены интенсивному абразивному износу. На работоспособность деталей насосов влияет коррозионная активность буровых растворов. В работе буровых насосов нередки кратковременные перегрузки от резкого повышения давления при осложнениях в стволе 
скважины. Тяжелые условия эксплуатации не позволяют в настоящее время 
обеспечить достаточную надежность насосов. Этим вызвана необходимость 
устанавливать в насосной группе БУ дополнительный резервный насос. 
Оборудование пневмосистемы предназначено для дистанционного оперативного управления исполнительными механизмами БУ. Источник энергии для 
привода оборудования пневмосистемы ² сжатый воздух, получаемый с помощью компрессоров. Для накопления запаса сжатого воздуха служат воздухосборники. Надежность работы пневмосистемы зависит от качества осушки  
воздуха. 
Оборудование циркуляционной системы предназначено для приготовления, транспортировки и очистки раствора. Состоит из вибросит, глиномешалок, 
гидромешалок, дегазаторов, гидроциклонов, пластоотделителей, насосов, перемешивателей, емкостей, желобных систем и т. д. Все виды оборудования подвержены в процессе эксплуатации абразивному и коррозионному износу. 
                                 
8 

Оборудование устья скважины кроме непосредственной герметизации 
должно позволять управление скважиной путем создания противодавления  
на продуктивные пласты. 
В целом условия эксплуатации БУ характеризуются постоянным воздействием на узлы и детали статических и циклических нагрузок. Допускаются 
кратковременные статические перегрузки, но при этом необходимо, чтобы результирующие напряжения в деталях не превышали предел текучести материала. Циклические перегрузки иногда оказываются длительными, что вызывает 
усталостное разрушение конструкций. В узлах и деталях одновременно возникают нормальные и касательные напряжения как статические, так и переменные. Нарушение характеризуется асимметричным циклом или сложным напряженным состоянием. При этом многие детали работают в непосредственном 
контакте с поверхностно-активными коррозионными средами, которые значительно ускоряют их разрушение при одновременном воздействии переменных 
нагрузок. Абсолютные потери металла вследствие коррозионного растворения 
не играют существенной роли. Ресурс оборудования часто определяют местные 
коррозионные повреждения, которые локализуются в наиболее напряженных 
зонах и вызывают зарождение усталостных трещин. 
9 

 
2. ǼǽǾdzDzdzǹdzǻǶdz ǾǮǿȅdzȀǻȉȃ ǻǮDZǾȁǵǼǸ 
Высокая эффективность бурения скважин может быть достигнута,  
если качество бурового оборудования отвечает определенным требованиям. 
Под качеством бурового оборудования следует понимать степень удовлетворения его всех требований проводки скважин, монтажа и демонтажа бурового 
оборудования, транспортировки его с точки на точку бурения, сохранности  
в периоды ожидания бурения, безопасности обслуживания во всех фазах  
использования, надежности и соответствие требованиям защиты окружающей 
среды. 
Надежность ² свойство объекта (буровой установки, ее любого агрегата или элемента) выполнять необходимую задачу, сохраняя во времени  
значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, 
соответствующих режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, транспортировки и хранения. 
Надежность ² комплексное свойство, которое в зависимости от объекта 
и условий его эксплуатации может характеризоваться: долговечностью,  
безотказностью, ремонтопригодностью, готовностью к работе, способностью 
монтажа ² демонтажа, транспортабельностью и сохранностью во всех фазах ее 
использования. 
Долговечность ² свойство объекта сохранять работоспособность  
до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. 
Наработка ² продолжительность или объем объекта. 
Безотказностью называется свойство объекта непрерывно сохранять  
работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки  
в определенных условиях эксплуатации. 
Ремонтопригодностью объекта называется его приспособленность  
к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов и повреждений, устранению их последствий путем проведения технического  
обслуживания и ремонтов, которые характеризуются затратами труда, времени 
и средств. 
Буровое оборудование должно обеспечивать сохранность окружающей 
среды от загрязнения и порчи, как в процессе бурения, так и при монтаже и демонтаже и транспортировках, а также сохранность земных недр. 
                                 
10