Проектирование процесса углубления скважины

Э. В. Бабаян 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА  
УГЛУБЛЕНИЯ СКВАЖИНЫ 
Учебное пособие 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 

УДК 622.24 
ББК 33.131 
Б12 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. ФГБОУ ВО «МГТУ» А. Е. Нижник; 
канд. техн. наук, доцент кафедры нефтегазового дела имени  
проф. Г. Т. Вартумяна ФГБОУ ВО «КубГТУ» С. Е. Усов 
Бабаян, Э. В. 
Б12 
 
Проектирование процесса углубления скважины : учебное пособие / 
Э. В. Бабаян. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 252 с. : 
ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-0432-7 
Рассмотрены современные породоразрушающие инструменты: шарошечные долота, долота с поликристаллическими алмазными резцами (PDC), алмазные, импрегнированные долота, бицентричные долота и технические средства 
для отбора керна. Уделено внимание выбору способа бурения и забойным двигателям. Даны алгоритмы определения компоновки бурильной колонны и ее 
низа, а также режимных параметров углубления скважины. 
Для студентов нефтегазовых направлений подготовки. Издание также будет полезно инженерам-буровикам при составлении проектов на строительство 
скважин на нефть и газ и реализации этих проектов. 
УДК 622.24 
ББК 33.131 
ISBN 978-5-9729-0432-7
” Бабаян Э. В., 2020
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Бурение скважин с целью добычи углеводородов - это строительство 
сложного капитального инженерно-технического сооружения в земной коре. 
Задача этой книги, как одной из основных книг серии «Буровые технологии», - 
научить будущих инженеров-буровиков хорошо разбираться в теоретических 
аспектах глубокого бурения и уверенно проводить инженерные расчеты, связанные с углублением скважины. 
Великий физик современности Стивен Хокинг, рассуждая о представлении рождения и дальнейшей судьбе Вселенной, мог, конечно, позволить себе 
сказать, что каждая включенная в книгу формула вдвое уменьшает число покупателей. Но в свою книгу «Краткая история времени…» (1988) он все-таки 
включил знаменитое уравнение Эйнштейна E = m  c2, чтобы объяснить нам мироздание. Безусловно, можно предложить инженерам использовать не менее 
знаменитую формулу Ньютона F = m  a, чтобы они сумели объяснить происходящее в земных условиях. Но… далеко не каждый сможет ею воспользоваться, 
чтобы выполнить инженерный расчет. 
Чтобы успешно бурить скважины, уже не достаточно опыта и общего 
понимания происходящих процессов. Сейчас нельзя обойтись без инженерных 
расчетов - без них невозможно выполнить проект строительства скважины.  
Боғльшая часть затрат на проведение буровых работ зависит от времени, 
а не от стоимости продукции. Примерное соотношение затрат, зависящих от 
времени работы, и затрат, зависящих от стоимости ликвидных материалов, составляет 5 к 1. Поэтому время часто является самым важным фактором. От него 
зависят затраты, связанные с буровыми установками, транспортными средствами, инструментами и персоналом. Стоимость бурового раствора в связи с суточными расходами на обслуживание также рассматривается как стоимость в 
сутки, увеличивая временные ставки. Поэтому с экономической точки зрения 
становится оправданным использование изделий и материалов более высокой 
стоимости, помогающих экономить время. К таким изделиям относятся более 
дорогие долота, турбины забойных двигателей, роторные управляемые системы, стандартные управляемые системы и отклоняющие инструменты. Использование новых технологий может принести огромную пользу. 
3 

 
Э. В. Бабаян  
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА УГЛУБЛЕНИЯ СКВАЖИНЫ 
 
 
Современные буровые долота имеют совершенно другое оснащение и 
выполнены из значительно лучших материалов, чем те инструменты, которые 
применялись всего лишь несколько лет назад. Производительность буровых 
долот систематически повышается с годами. Объемы бурения шарошечными 
долотами постоянно снижаются в пользу долот PDC. Но область применения 
шарошечных долот все еще значительная, и не последнюю роль при выборе долот играет их относительно невысокая стоимость. 
Существенно повысилось качество изготавливаемых забойных двигателей и их постоянно увеличивающейся номенклатурный ряд. Трудно себе представить значительный объем бурения наклонных и горизонтальных скважин без 
применения забойных двигателей. 
Определение взаимосвязи между подачей насосов с нагрузкой,  числом 
оборотов долота и технологическими показателями буровых растворов открывает новые возможности снижения времени на сооружение ствола скважины, 
обеспечивая предупреждение и ликвидацию возможных осложнений и аварий 
во время бурения. 
Основная цель этой книги - демонстрация современных технологий на 
уровне проектирования и в процессе производства буровых работ. Практически 
каждая операция, проводимая на скважине, может быть предварительно рассчитана по формулам и представлена в виде алгоритмов для составления компьютерных программ. Предложенные нами расчетные зависимости взяты из 
многочисленных отечественных и зарубежных работ и, конечно, апробированы. 
4 


 
 
 
 
ГЛАВА 1 
ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ 
 
Буровые долота - это основные инструменты при проведении операций, 
связанных с бурением. Выбор наиболее подходящего долота и условий его работы - одна из основных проблем, с которыми сталкивается инженер по бурению. 
Хотя для инженеров-буровиков и важно знать механизм работы долот, 
эксплуатация их вызывает значительные затруднения и существенно отличается от другого оборудования и инструментов, используемых при углублении 
скважины. Одной из причин является то, что буровые долота предназначены 
для разрушения породы и срок службы их обычно составляет от нескольких  
до десятков часов, в отличие от оборудования, работающего десятки тысяч часов. 
Другая причина состоит в том, что буровые долота используют в условиях, недоступных для визуального наблюдения. Например, подшипник опоры 
новой конструкции испытывается на лабораторной испытательной установке, 
которая почти точно воспроизводит условия работы подшипника. Но рабочая 
среда, в которой находится подшипник долота, не может быть достоверно описана, не говоря уже о среде, воспроизводимой в лабораторных условиях. Поэтому сконструировать и оценить долота с помощью теоретических расчетов 
очень трудно. Но для технолога по бурению важно знать основные принципы 
конструкции долота. 
Долота для вращательного бурения классифицируются по конструкции 
на долота с неподвижным режущим элементом (фрезерно-лопастные) и долота 
с конической вращающейся шарошкой. Долота с конической шарошкой имеют 
режущие устройства, которые вращаются вокруг оси конической шарошки во 
время вращения долота на забое скважины. 
Шарошечные долота обычно используются для бурения самых разных 
пород: от очень мягких до самых твердых. При этом долота с фрезерованными 
зубьями (или стальными зубьями) обычно используются для бурения относительно мягких пород. А буровые долота со вставками из карбида вольфрама 
5 
 

ян  
ПРОЕКТИР
РОВАНИЕ П
ПРОЦЕССА 
УГЛУБЛЕН
ИЯ СКВАЖ
ЖИНЫ 
 
Э. В. Бабая
 
 
Carbide I
Inserts, ил
ли штыре
евые доло
ота) испо
ользуются
я для по-
Tungsten 
вердостью
ю в боле
елах, вкл
лючая сам
мые твер
рдые и с
с 
шей абра
азивность
ее широк
ью (см. р
ких преде
рис. 1.1). 
Долотам
и с фикс
ыми резключая до
олота со 
вставкам
ми из пол
икристал
ллическог
сированны
го алмазн
ного комPolycrysta
alline Diam
mond Co
ompact), и
импрегни
ированны
ми и ал(PDC - P
и долотам
ми можно
о бурить 
практиче
ески все 
пласты н
на различ
чных глу-
-
-
-
(TCT - T
род с тв
наибольш
цами, вк
позита (
мазными
бинах. 
 
Р
Рис. 1.1. Д
Долота ра
азных тип
пов, слева
а направо
о: 
PDC, T
TCI и с фр
резерован
нными зу
убьями 
 
 
1
.1. Обща
ая харак
ктеристи
ика шаро
ошечных
х буровы
ых доло
от 
П
По сравне
нию с бу
уровыми 
долотами
и, которы
ые исполь
ьзовались 
в недавшлом, со
ые долота
существе
енно отли
ичающеес
-
-
овременны
овлены и
из значит
а имеют 
тельно у
усоверше
енствован
нных мат
.  
и изгото
ьтате этог
го эффек
ктивность
ь долот си
истемати
чески пов
вышается
ся воорутериалов.
я из года
а  
нем прош
жение и
В резуль
в год. 
Н
На рис. 1.2
2 представ
влена общ
щая схема
а устройс
ства шаро
ошечных д
долот. 
6 
 

 
ГЛАВА
А 1. ПОРОДО
ОРАЗРУША
АЮЩИЙ ИН
СТРУМЕНТ
Т 
 
 
 
Рис. 
1.2. Обща
ая схема 
и элемен
нты шарош
шечных д
долот 
 
1
.2. Меха
низм ра
азрушени
ия горны
ых поро
д.  
В
Выбор до
олота 
П
По характ
еру возде
ействия н
на породу
на дробящ
щие, дрощие, истир
рающе-ре
жущие, р
у долота д
режуще-ск
делятся н
калывающ
щие. Пор
роды под-
-
онному ра
ию под д
действием
м струи ж
жидкости.
. Все эти
ушения вз
азрушени
заимодей
йствуют. 
В то же 
время од
дин из ук
казанных
и 
х 
алывающ
ся эрозио
мы разру
мов возде
ействия н
на породу
у являетс
ся основн
ным для 
данной к
конструк-
бяще-ска
вергаютс
механизм
механизм
ции. 
Д
Долота с н
натуральн
ными алм
редназнач
чены для
ь 
шим прони
ем в плас
мазами пр
ст. Алмаз
зы, прони
икая с пла
я бурения
аст, дробя
я с очень
ят цемен-
небольш
тирующи
ий матери
икновени
иал горны
 удержив
вающий и
х отдельн
ные части
ицы. 
М
Механизм 
разруше
ых пород, 
ения поро
од долота
ами PDC 
можно р
рассматри
ивать как
к 
скалываю
ющий и д
дробящий
й. 
Ш
Шарошечн
ные долот
ьшим угл
лом смещ
ения шар
рошек, пр
редназнадля бурен
ния мягки
та с боль
их пород
д, использ
зуют все 
основны
ые механи
измы раз-
-
пород. П
При буре
ении креп
пких пор
од ударн
ные и сми
инающие
е 
ченные д
рушения
нагрузки
я горных 
и преобла
М
Множеств
ров влияе
ет на вы
ыбор доло
ота, наиб
более под
- 
го для б
бурения 
адают. 
о фактор
определе
енного ин
нтервала 
какой-ли
ибо скваж
жины. На
дходящеа общую
ю  
7 
 

 
Э. В. Бабаян  
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА УГЛУБЛЕНИЯ СКВАЖИНЫ 
 
 
стоимость бурения влияют глубина и диаметр скважины, твердость и абразивность пород, тип бурового раствора, стоимость буровой установки и многие 
другие факторы. 
При выборе долота нужно руководствоваться следующими основными 
параметрами: 
 твердость и абразивность пород, 
 типы бурового раствора, 
 система вращения, 
 диаметр долота. 
Твердость и абразивность пород. Твердые и абразивные породы разрушаются механизмом сжатия. Долота, которые разрушают горную породу механизмом сдвига, не имеют успеха при работе в крепких породах. Шарошечные 
долота обычно успешно работают в твердых горных породах, потому что они 
предназначены для разрушения горных пород смятием. Кроме того, эти долота 
были разработаны для минимизации абразивного износа. 
Вязкие породы требуют особого рассмотрения. Налипание гидратирующей глины к зубцам или самому долоту осложняет процесс бурения. У долот, 
предназначенных для разбуривания вязких пород, более широкое расстояние 
между зубьями. Долота PDC, шарошечные долота с натуральными алмазами и 
короткими зубцами не имеют большого успеха в вязких породах, если не использовать буровые растворы на нефтяной основе. 
Типы буровых растворов. Буровые растворы на углеводородной основе 
эффективны при бурении вязких пород долотами PDC. Буровые растворы на 
углеводородной основе значительно снижают гидратацию глин и предотвращают налипание разбуриваемой породы на долото. 
Системы вращения. Распространены следующие два метода вращения 
долот: 
1) роторный; 
2) забойный двигатель. 
Система вращения не влияет на выбор долота. Как правило, забойный 
двигатель вращает долото с большой частотой. Поэтому при использовании забойных двигателей работа подшипников в шарошечных долотах ограничена во 
времени. Долота PDC и натуральные алмазные долота рекомендуются при бурении глубоких скважин забойным двигателем из-за более длительного срока 
службы. 
Размер долот. Шарошечные долота бывают разных диаметров. Долота 
PDC и натуральные алмазные долота большого диаметра не выпускают.  
8 
 

 
ГЛАВА 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ 
 
 
При бурении на больших глубинах долота PDC дают лучшие результаты  
по сравнению с шарошечными долотами. В глубоких скважинах надежность 
долота является важным фактором. 
Шарошечные долота небольшого диаметра менее предпочтительны изза короткого срока службы, небольшой несущей способности и вытекающего 
отсюда быстрого износа подшипников. В этих условиях предпочтение отдается 
долотам без подвижных элементов. 
На производительность буровых долот влияют условия, в которых они 
работают. Эксплуатационные параметры, такие как прикладываемая осевая 
нагрузка на долото, уплотнение и система смазки, функционирует как единый 
элемент, и их конструкции тесно взаимодействуют. Подшипниковые систе- 
мы должны адекватно функционировать при соответствующих нагрузках на 
долото, в условиях больших ударных нагрузок, будучи погруженными в буровые растворы, содержащие абразивные и химические добавки, а в некоторых случаях и в относительно высокотемпературных средах. Конструкция 
гидравлики долота проектируется с учетом эффективного удаления выбуренной породы с вооружения и забоя с последующим выносом шлама на поверхность. 
 
1.3. Шарошечное долото с конической шарошкой 
Шарошечное долото с конической шарошкой - самый распространенный тип долота, который сейчас используется при вращательном бурении. 
Большое разнообразие конструкций зубцов и типов подшипников позволяет 
подобрать нужное долото для пород различных физико-механических характеристик. 
Смещение оси конической шарошки. Бурение с помощью шарошечного 
долота с конической шарошкой зависит в некоторой степени от смещения шарошек. 
Смещение заставляет шарошку прекратить периодически вращаться, так 
как долото вращается и скребет забой скважины как лопастное долото. В большинстве типов пород это действие обычно увеличивает скорость бурения. Однако в абразивных породах оно также способствует более быстрому изнашиванию зубцов. 
Угол смещения оси конической шарошки относительно долота меняется 
от 4 градусов для долот, используемых для бурения мягких пород, до нуля для 
долот, используемых в исключительно крепких породах. 
9 
 

ян  
ПРОЕКТИР
РОВАНИЕ П
ПРОЦЕССА 
УГЛУБЛЕН
ИЯ СКВАЖ
ЖИНЫ 
 
Э. В. Бабая
 
 
Ф
Форма зуб
бцов доло
ота. Фор
рма зубцо
сильно в
влияет на
а 
ю бурени
ия шарош
шечным д
долотом. Д
а также 
ния мягк
ких пород
д исполь-
операцию
зуются д
длинные, 
широко р
расставлен
нные стал
ов долота
Для буре
льные зуб
бцы. 
Э
Эти длинн
ные зубц
цы быстр
ро прони
кают в м
мягкую г
породу и
и 
м, получа
результат
пахиваю-
аемым в 
мещенной
й коничес
еменного
адки, сре
 вращени
зают выб
горную п
ия и проп
буренную
ю породу.
. 
йствия см
е расстоя
яние меж
жду зубца
коническо
ой шарош
шке спос
собствует
т 
ию долота
а. Очище
ние обесп
те попере
ской наса
ами на к
печиваетс
ся истека
ающими с
струями ж
жидкости
и 
скребком
щего дей
Широкое
очищени
между ш
ми. 
шарошкам
По мере у
П
ия крепос
сти горно
ой породы
ы длина з
смещение
кой шаро
увеличени
ошки долж
жны умен
я для пред
дотвраще
зубца и с
ения повр
реждения
е 
я 
урение ш
шарошкой
й с нулевы
ньшаться
ым смещ
щением ок
казывает 
на пород
ду смина-
ействие. К
Кроме тог
ы меньше
его размер
ра дают б
больше м
места для
я 
коническ
зубца. Бу
ющее де
конструи
ирования 
более пр
одшипник
Ти
Тип зубцов
ков. 
азатели в
вооружен
ний, рассч
читанных
х 
ды низкой
го, зубцы
очных по
. Физиче
й и высок
ские пок
кой тверд
дости, лег
гко узнат
ть по дли
ине и гео-
на пород
метричес
ской комп
в долота
й, средне
поновке и
щих элеме
нтов. 
Существуе
их режущ
новных ти
ипа зубцо
ов долота
: 
ет два осн
ованные з
зубцы ша
арошки, 
фрезеро
твердос
сплавные 
вставные
е штыри (
(зубцы) и
из карбида
ама. 
вердые п
породы бу
льше за с
счет дроб
ящего и и
а вольфра
истирающ
щего дей-
ем за счет
т проникн
урятся бол
новения. У
Упругие п
породы, т
такие как 
к карбонат
т 
го действ
вия, поско
ольку они
ыдержива
ать высок
ты, бурят
кие ударскоблящег
рузки и вы
ысокие ра
абочие те
емператур
и могут в
ры. Спосо
обы бурен
ния и свой
йства по-
-
ределяют
т форму и
и марку п
подходящ
вок из кар
арбида во
ольфрама.
. 
(высотой
й прибли
щих встав
изительно
о 19 мм) 
представ
влены на
а 
ые виды 
но их вы
С
 
 
Т
ствия, че
за счет с
ные нагр
роды опр
Типичны
рис. 1.3, 
вставок 
бор завис
сит от раз
змера дол
лота. 
 
Рис
с. 1.3. Тип
пичные ви
иды вста
вок 
 
У
Усиленные
е алмазам
ми вставк
использу
уются в к
калибрующ
щей зоне
подверже
енной вы
и истира
я предотв
вращения
е 
я 
долота, п
износа. 
Они сост
тоят из 
соким на
поликрис
ки часто 
агрузкам 
сталличес
ского алм
анию, для
мазного к
композит
та (PDC),
,  
10