Направленное бурение нефтяных и газовых скважин

НАПРАВЛЕННОЕ 
БУРЕНИЕ НЕФТЯНЫХ 
И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

В.В. НЕСКОРОМНЫХ

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНИК

Рекомендовано в качестве учебника 
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки 21.03.01 «Нефтегазовое дело»
(квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК 622(075.8)
ББК 33.13я73
 
Н55

Нескоромных В.В.
Н55  
Направленное бурение нефтяных и газовых скважин : учебник / 
В.В. Нескоромных. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 347 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/textbook_5a1521453b20d7.29773613.

ISBN 978-5-16-016758-9 (print)
ISBN 978-5-16-106426-9 (online)
Рассмотрены основные вопросы теории, техника и технологии направленного бурения применительно к бурению скважин на нефть и газ. Приведены сведения о причинах и закономерностях искривления скважин, 
средствах и технологиях бурения скважин по заданным траекториям, технологиях и технических средствах искривления скважин, бурения многоствольных скважин. Приведены примеры расчетов, основная терминология.
Содержание учебника соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Учебник предназначен для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 21.03.01 «Нефтегазовое дело», профиль подготовки «Бурение нефтяных и газовых скважин».

УДК 622(075.8)
ББК 33.13я73

Р е ц е н з е н т ы:
Борисов К.И., доктор технических наук, доцент Национального исследовательского Томского политехнического университета;
Пушмин П.С., кандидат технических наук, доцент кафедры «Нефтегазовое дело» Иркутского национального исследовательского технического университета

ISBN 978-5-16-016758-9+ (print)
ISBN 978-5-16-106426-9 (online)

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 
в электронно-библиотечной системе Znanium.com

© Нескоромных В.В., 2018

Предисловие

Современное бурение при освоении нефтегазовых и газоконденсатных месторождений невозможно без использования методов 
направленного бурения, поскольку в настоящее время основным 
типом эксплуатационных скважин являются вертикально-горизонтальные, разветвленные сложнопрофильные стволы с расположением горизонтальных и сложнопрофильных участков в пределах 
нефтегазоносных коллекторов для повышения их нефтегазоотдачи 
и дебита.
Именно поэтому в настоящий момент существенный объем 
специальных работ при сооружении скважин занимают работы 
по обеспечению их сложной траектории при трансформации ствола 
от вертикального к наклонному и горизонтальному с последующим 
постоянным корректированием направления в пределах углеводородного пласта с помощью средств и технологий телеметрии и гео навигации.
Без проходки сложнопрофильных скважин невозможно освоение 
месторождений на шельфе, так как проходка скважин осуществляется с буровых платформ в виде кустов скважин с протяженными наклонными и горизонтальными участками стволов.
В процессе бурения все скважины в большей или меньшей степени искривляются. В ряде случаев искривление скважин не оказывает существенного влияния на результаты бурения, поэтому 
фактическое положение ствола скважины и координаты забоя 
не определяются. При бурении глубоких скважин вопросы проведения скважин по проектным траекториям приобретают первостепенное значение, и на их решение затрачиваются значительные 
средства.
Если искривление скважин не измеряется и не учитывается, 
то это может привести к большим погрешностям в оценке перспектив месторождения, качества их вскрытия, серьезным техническим проблемам при креплении скважин обсадными колоннами 
и соответственно к значительным экономическим потерям.
Важнейшим направлением реализации направленного бурения 
являются технологии забуривания новых направлений скважины 
из ранее пробуренных стволов, как обсаженных стальными колоннами, так и не имеющих обсадных колонн. Подобные технологии позволяют запустить в эксплуатацию ранее пробуренные 
вертикальные эксплуатационные скважины, которые уже не обес

печивают достаточного объема извлечения углеводородов путем 
проходки горизонтальных стволов или создать разветвленную 
«корневую» систему, способную значительно, порой в десятки раз, 
увеличить дебит и коэффициент извлечения нефти (КИН) из пласта.
Направленное бурение — техническая система бурения скважин, 
включающая комплексы методов, технологий, электронных и технических средств, компьютерных программ, призванная решать 
проблему бурения скважин в заданном направлении, часто по определенной выверенной траектории, а забой приводить в заданную 
проектом точку с учетом возможных допустимых отклонений.
Квалифицированно реализованные методы направленного бурения способны существенно повысить качество геологоразведочных работ и снизить затраты на них, многократно увеличить 
эффективность эксплуатации месторождений углеводородного 
сырья, решить многие сложнейшие технические задачи при освоении месторождений.

Глава 1. 
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАПРАВЛЕННОМ 
БУРЕНИИ. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОФИЛЕЙ 
СТВОЛОВ СКВАЖИН

1.1. ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ МЕТОДАМИ НАПРАВЛЕННОГО 
БУРЕНИЯ

Опыт бурения скважин различного назначения позволяет сформулировать основные задачи, решаемые с применением методов, 
технологий и технических средств направленного бурения. Учитывая прогрессивность технологий направленного бурения, приведем перечень основных задач, которые решаются в настоящий 
момент методами направленного бурения в различных сферах производственной деятельности, имеющих отношение к нефтегазовой 
отрасли.
Повышение объема и качества геологической информации.
• Уточнение формы геологических структур путем бурения 
дополнительных стволов различной протяженности (до нескольких 
сотен метров).
• Определение и уточнение элементов залегания горных пород 
методами направленного бурения и кернометрии.
• Управление траекториями стволов скважин при их любой 
пространственной ориентации (вертикальные, горизонтальные, 
восстающие), в том числе для пересечения пластов с заданным 
углом встречи.
Сокращение затрат на выполнение запроектированных работ.
• Применение кустового бурения скважин в случаях значительных затруднений по сооружению отдельных буровых площадок 
и коммуникаций (болотистая или горная местность, бурение под 
акваторию шельфа, бурение скважин с буровых платформ и судов).
Борьба с осложнениями при бурении скважин.
• Вывод скважины в заданный проектом интервал при ее значительном естественном искривлении путем корректировки траектории скважины отклонителями.
• Обход мест сложных аварий в скважине (оставленный 
в скважине инструмент) с помощью дополнительного ствола.
Облегчение условий бурения скважин.
• Снижение интенсивности естественного искривления 
скважин путем применения технических средств и технологий стабилизации их направления.

• Вывод скважин в проектную точку путем анализа, обработки 
и использования на этапе их проектирования данных о закономерностях естественного искривления скважин на месторождении или 
участке месторождения.
Бурение технических скважин.
• Бурение вертикальных скважин с подсечением горной выработки для прокладки коммуникаций, вентиляции шахт, доставки 
в горные выработки материалов крепи, осуществления спасательных работ при авариях и обрушениях на шахтах и др.
• Бурение вертикально-горизонтальных скважин в угольные 
пласты с целью их дегазации.
• Бурение боковых наклонных скважин для ликвидации выбросов и пожаров в скважинах, буримых с целью разведки или эксплуатации месторождений углеводородного сырья.
Бурение вертикально-горизонтальных, разветвленных сложнопрофильных эксплуатационных скважин с расположением горизонтальных и сложнопрофильных участков ствола в пределах нефтегазоносных коллекторов для повышения нефтегазоотдачи и дебита.
Сооружение наклонно-горизонтальных скважин под природными 
и техногенными объектами для прокладки трубопроводов, электро- 
и телекоммуникаций.

1.2. СВЕДЕНИЯ ОБ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ 
НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ

Первые сведения о применении направленного бурения относятся к ХVII в., но его интенсивное развитие связано с общим 
развитием промышленности и самого бурового дела, начавшимся 
во второй половине ХIХ в. В это время были изобретены алмазные 
коронки и созданы первые станки для алмазного бурения, что позволило бурить не только вертикальные, но и наклонные и горизонтальные стволы. В 1864 г. алмазным инструментом при строительстве железнодорожного тоннеля в Альпах были пробурены 
первые горизонтальные скважины. В России впервые наклонная 
скважина ударным способом пробурена в 1894 г. Работами руководил горный инженер С.Г. Войслав.
Первые публикации об искривлении скважин относятся к 1883 г. 
В 1907 г. Дж. Китчин опубликовал представительные данные 
об искривлении глубоких (до 1000 м) скважин в Южной Африке. 
В России первые публикации об измерении искривлений нефтяных скважин на Апшероне относятся к 1900 г. К этому времени 
в США и Швеции уже появились первые приборы для контроля 

положения ствола скважины в пространстве, в которых использовались плавиковая кислота, магнитная стрелка и желатин (прибор 
Мааса). Подобные приборы в России были изготовлены и использованы инженерами А. Шимановским и В.К. Згленицким в 1893 г.
В 1890 г. инженер К.Г. Симченко изложил идею гидравлического двигателя — турбобура.
В конце ХIХ — начале ХХ в. на рудниках Урала, Джезказгана, 
Алтая, Забайкалья уже было известно заложение скважин с учетом 
залегания рудного тела, а горизонтальное бурение применялось 
в строительстве тоннелей при сооружении Кругобайкальской железной дороги Транссиба. Работы были выполнены в основном зарубежными мастерами.
В 1902 г. появляется первый патент на техническое средство, 
обеспечивающее отклонение вращающейся компоновки низа бурильной колонны от оси скважины.
В 1906 г. инженер П.Н. Потоцкий разработал проект бурения 
с берега Каспийского моря на шельф с целью разработки нефтяного месторождения.
В 1912 г. на юге Африки впервые для искривления скважины 
алмазного бурения использован клин.
Начиная с 1910–1920-х гг. в России появились работы по теории 
искривления скважин. В 1916 г. И.С. Васильев издал работу, в которой привел данные об искривлении скважин на Урале и утверждал, что это явление происходит в основном под влиянием геологических особенностей буримых горных пород.
Академик А.Н. Динник, будучи механиком и крупным специалистом по теории сопротивления материалов, исследовал устойчивость бурильной колонны и подтверждал в своих работах (1920 г.), 
что искривление скважин — в основном результат деформации бурильной колонны.
Несколько позже проблемой искривления скважин в СССР занимались Н.В. Бобков, Ч.Л. Мочульский, Т.В. Ключанский. Они 
выделяли ряд причин искривления скважин, среди которых назвали 
прогиб буровых штанг, неправильное центрирование снаряда, частую смену твердых и мягких слоев горных пород, их слоистость, 
сланцеватость и трещиноватость. На основании проведенного анализа они давали рекомендации по технологии бурения и использованию центровочных фонарей, центрированных буровых компоновок при бурении дробью и коронками с вооружением из «суррогатного» твердого сплава победита.
Рост объемов геологоразведочных работ после революции 
в России вызвал необходимость развития направленного бурения, 

которое в те годы было связано с именами профессоров В.М. Крейтера и Ф.А. Шамшева. В 1930–1940-е гг. большой вклад в разработку 
приборов для измерения искривления скважин внес Н.О. Якоби, 
а в теорию искривления скважин — Е.В. Боровский. Эти работы 
в 1934 г. способствовали решению задачи смещения забоя вертикальной скважины в заданном направлении.
В США и других странах с высокоразвитой промышленностью 
методы направленного бурения начали применять с 1930 гг., чему 
способствовало создание инструментов и приборов, позволяющих 
точно определять азимут и угол наклона скважин, а также возможность ориентирования отклонителей в скважине. При этом в США 
распространение получили отклонители клинового типа, так как 
преимущественно применялось роторное бурение.
В 1930 г. на Хантингтонском пляже в Калифорнии осуществлено 
бурение первой зарегистрированной направленной скважины с берега под морское дно. Этот опыт стал развиваться и использоваться, 
в частности, для бурения скважины под запретные зоны, например 
под чужие участки месторождения, что вызвало проблемы юридического плана.
В 1934 г. для глушения открытого выброса из скважины близ 
каньона Дикого потока в США пробурена разгрузочная направленная скважина, забой которой был подведен близко к фонтанирующей скважине. Посредством нагнетания бурового раствора 
в направленную скважину под высоким давлением были созданы 
каналы в направлении фонтанирующей скважины, что позволило 
заглушить фонтан. С этих пор бурение наклонных скважин стали 
использовать для ликвидации аварийных фонтанирующих скважин.
В 1923 г. инженер М.А. Капелюшников изобрел одноступенчатый турбобур с редуктором.
В 1935 г. по предложению М.А. Геймана турбобур с редуктором инженера М.А. Капелюшникова и с установленной над ним 
«кривой» трубой стал использоваться для искусственного искривления скважин, но только после усовершенствования турбинного 
редуктора в 1941 г. отклонитель на базе забойного гидродвигателя 
начали активно применять в промышленности.
Начиная с этого момента развитие технологий направленного 
бурения стало более интенсивным, так как производительность 
работ по искусственному искривлению скважин резко возросла, 
повысились качество и надежность этих работ.
В США с 1950 г. при колонковом бурении начали применять стационарный отклоняющий клин Холл-Роу, съемный клин 
и устройство фирмы «Томсон», а также различные конструкции 

электрических, гироскопических и фотоинклинометров. Эти разработки стали широко известны в СССР из книги Дж. Камминга, 
посвященной технологии алмазного бурения, развитие которого 
стало приоритетным в 1950–1960-х гг.
Значительный вклад в развитие теории направленного бурения 
глубоких скважин в 1950–1960-е гг. внесли американские специалисты А. Лубинский, Г. Вудс и Д. Брентли, работы которых 
получили широкое признание и дали импульс развитию техники 
и технологии направленного бурения и в СССР. В этот период 
А. Лубинский и Г. Вудс предложили теорию маятниковых компоновок и методику их применения для проходки вертикальных и наклонных стволов в анизотропных горных породах, вызывающих 
значительное искривление скважин.
В СССР наряду с турбобурами с кривым переводником в это 
время стали использовать электробуры с кривым переводником, 
а в последующем — и специализированные турбинные отклонители типа ТО.
Активное совершенствование и развитие отклоняющих систем 
произошло в 1970–1980-е гг. в результате создания и использования 
для бурения винтовых забойных двигателей (ВЗД). В этот период 
активно развивались теория и методика применения компоновок 
нижней части бурильной колонны (КНБК) для снижения интенсивности естественного искривления вертикальных и наклонных 
стволов, для управления направлением скважин малого диаметра 
в анизотропных породах. Наряду с маятниковыми компоновками, 
которые оказались эффективны только при бурении скважин большого диаметра (не менее 200 мм), были разработаны разнообразные 
жесткие компоновки, наддолотные стабилизирующие устройства, 
специальные утяжеленные бурильные трубы (УБТ), в том числе 
УБТ-стабилизаторы, такие как квадратные УБТ, УБТ увеличенного 
диаметра со спиральными канавками, а также компоновки динамической стабилизации — эллиптические УБТ (УБТЭ), созданные 
в СевКазНИПИнефть для роторного бурения.
Развитие техники и технологии направленного бурения, применение отклонителей на базе турбобуров позволили решить сложные 
задачи бурения скважин с протяженными интервалами набора кривизны и проходкой длинных наклонных и горизонтальных участков 
ствола.
Развитием техники и технологии направленного бурения 
скважин на нефть и газ в СССР активно занимались лаборатория 
направленного бурения ВНИИБТ, отраслевые институты СевКазНИПИнефть, ЗапСибНИПИнефть и др. Разработки этих ин

ститутов широко использовались и до сих пор используются при 
производстве буровых работ на площадях Каспия, Башкирии, Западной и Восточной Сибири, Сахалина, они также послужили основой создания новых технологий интенсификации добычи нефти 
и газа вертикально-горизонтальными скважинами, получившими 
широкое развитие в мире за последние два десятилетия (первая работа в этом направлении — монография А.М. Григоряна «Вскрытие 
пластов многозабойными и горизонтальными скважинами», изданная в 1969 г.), помогли пробурить самую глубокую много ствольную скважину в мире — СГ-3 на Кольском полуострове (четыре дополнительных ствола, один из которых (ствол № III) достиг 
максимальной глубины — 12 262 м).
Первая в СССР вертикально-горизонтальная скважина на нефтяном месторождении пробурена в 1953 г. в Башкирии (скважина 
66/45). В 1968 г. на Марковском месторождении (Иркутская область) пробурена скважина с рекордной для того времени протяженностью горизонтального ствола — 632 м.
За рубежом активное начало промышленного бурения горизонтальных скважин начато с 1970-х гг. Лидерами бурения горизонтальных скважин стали Французский институт нефти и фирма 
«Эльф-Атикен». За короткие сроки за рубежом были сконструированы, прошли промышленные испытания и появились на рынке 
новые забойные двигатели, долота, телеметрические системы, 
системы геофизических исследований в горизонтальных стволах 
и другое оборудование, позволявшее достигать высоких техникоэкономических показателей при бурении горизонтальных скважин.
К сожалению, в СССР из-за резкого увеличения добычи относительно дешевой нефти в Западной Сибири резко снизился интерес к бурению разветвленно-горизонтальных и горизонтальных 
скважин.
Активное развитие технологии бурения вертикально-горизонтальных скважин произошло в 1980-е гг. в связи с открывающейся 
возможностью резкого повышения коэффициента извлечения 
нефти (КИН) и возможностью извлечения нефти из истощившихся месторождений и месторождений с тяжелой нефтью. Начиная с 1980-х гг. резко возрос интерес к бурению горизонтальных 
скважин в США. Горизонтальные скважины бурились на месторождении Прадхо-Бей (Аляска), сформированном малопроницаемыми известняками. Резко возросли объемы бурения горизонтальных скважин в шельфовой зоне Северного моря.
Проходка вертикально-горизонтальных стволов позволила:
— получать начальные дебиты в 20 раз выше, чем дебиты 
обычных скважин при повышении стоимости бурения только 
в 2–3 раза;