Технология и техника бурения

ТЕХНОЛОГИЯ 
И ТЕХНИКА БУРЕНИЯ

Допущено
Министерством образования Республики Беларусь
в качестве учебного пособия для студентов 
учреждений высшего образования по специальностям 
«Разработка месторождений полезных ископаемых», 
«Геология и разведка месторождений полезных ископаемых», 
«Горные машины и оборудование»

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

В ДВУХ ЧАСТЯХ

ЧАСТЬ 2. ТЕХНОЛОГИЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

Под общей редакцией
академика Российской академии естественных наук,
доктора технических наук, профессора В.С. Войтенко

Москва
ИНФРА-М
2021

УДК 550.822(075.8)
ББК 33.131я73
 
Т38

 
Т38 
 
Технология и техника бурения : учебное пособие : в 2 ч. Часть 2. 
Технология бурения скважин / В.С. Войтенко, А.Д. Смычник, 
А.А. Тухто, С.Ф. Шемет ; под общ. ред. В.С. Войтенко. — Москва : 
ИНФРА-М, 2021. — 613 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). 

ISBN 978-5-16-006700-1 (общ.)
ISBN 978-5-16-016946-0 (часть 2, print)
ISBN 978-5-16-109563-8 (часть 2, online)
Описаны основные технологические процессы и способы бурения скважин различного назначения, конструкции скважин и методика их проектирования, а также технологическое оборудование для бурения. Приведены необходимые инженерные расчеты по режимам бурения, промывке, 
креплению и освоению скважин, способы предупреждения и ликвидации 
аварий и осложнений, сопровождающих процесс строительства скважин. 
Рассмотрены технико-экономические показатели, документация, а также 
организация буровых работ и ликвидации скважин.
Для студентов специальностей горного и геологического профилей.

УДК 550.822(075.8)
ББК 33.131я73

Р е ц е н з е н т ы:
кафедра динамической геологии Белорусского государственного 
университета (заведующий кафедрой — доктор географических наук, 
профессор Губин В.Н.);
Демьяненко Н.А. — директор БелНИПИнефть, кандидат технических наук 

А в т о р ы:
Войтенко В.С., Смычник А.Д., Тухто А.А., Шемет С.Ф.

ISBN 978-5-16-006700-1 (общ.)
ISBN 978-5-16-016946-0 (часть 2, print)
ISBN 978-5-16-109563-8 (часть 2, online)

© Войтенко В.С., Смычник А.Д., 
Тухто А.А., Шемет С.Ф., 2013
© ООО «Новое знание», 2013

Оглавление

Раздел I. технОлОгия буРения скважин

1. Основные технологические процессы и способы бурения скважин.............10
1.1. Общие технологические процессы.....................................................................10
1.2. Частные технологические процессы..................................................................13
1.3. Способы бурения скважин....................................................................................17
1.4. Виды бурения.............................................................................................................22
1.4.1. Вращательное колонковое и ротороное бурение................................22
1.4.2. Бурение подвижным вращателем............................................................24
1.4.3. Ударно-канатное бурение............................................................................25
1.4.4. Вибрационное бурение................................................................................26
1.5. Разновидности бурения..........................................................................................27
1.5.1. Турбинное и винтовое бурение. Бурение электробурами...............27
1.5.2. Гидро- и пневмоударное бурение.............................................................28
1.5.3. Шнековое бурение.........................................................................................28
1.5.4. Бурение снарядами со съемным керноприемником..........................29
1.5.5. Бурение с гидротранспортом керна........................................................30
1.5.6. Бурение колонковыми трубами, желонками .
и забивными стаканами...............................................................................30
1.5.7. Алмазное и твердосплавное бурение......................................................31
1.5.8. Гидродинамическое бурение......................................................................32
1.5.9. Бурение с отбором керна и бескерновое бурение...............................32
1.5.10. Бурение с промывкой (продувкой).........................................................33
1.5.11. Наклонно и горизонтально направленное, вертикальное

бурение..............................................................................................................34
2. Проектирование конструкций буровых скважин..................................................35
2.1. Конструкции буровых скважин ..........................................................................35
2.2. Методика проектирования конструкций разведочных скважин .
на твердые полезные ископаемые.......................................................................40
2.3. Методика проектирования конструкций эксплуатационных .
скважин на нефть и газ...........................................................................................47
2.4. Методика проектирования эксплуатационных геотехнологических

скважин........................................................................................................................53
2.4.1. Конструкции эксплуатационных скважин для подземного .
выщелачивания металлов...........................................................................53
2.4.2. Конструкции скважин для гидродобычи полезных ископаемых....56
2.4.3. Конструкции скважин для подземного растворения солей ...........61
2.4.4. Конструкции скважин для подземной выплавки серы ...................64
2.5. Методика проектирования конструкций эксплуатационных .
скважин на воду.........................................................................................................66
2.5.1. Бесфильтровые скважины..........................................................................66
2.5.2. Фильтровые скважины ...............................................................................68
2.5.3. Конструкции скважин при вращательном бурении с прямой .
промывкой.......................................................................................................73
2.5.4. Конструкция скважин при ударно-канатном бурении.....................74

Оглавление

3. технологическое оборудование для бурения скважин........................................76

3.1. Роторы..........................................................................................................................76
3.2. Вертлюги, буровые шланги и сальники...........................................................78
3.3. Буровые насосы........................................................................................................82

3.3.1. Принцип действия и конструкции буровых насосов ......................82
3.3.2. Расчет производительности бурового насоса .....................................85
3.3.3. Обвязка буровых насосов и оборудование напорной линии.........86

3.4. Турбобуры...................................................................................................................88

3.4.1. Общие сведения ............................................................................................88
3.4.2. Характеристика турбобуров......................................................................92
3.4.3. Конструкции многоступенчатых турбобуров.....................................94
3.4.4. Редукторный турбобур ............................................................................ 102
3.4.5. Правила эксплуатации турбобуров..................................................... 104

3.5. Винтовые забойные двигатели......................................................................... 107

3.5.1. Конструкция винтового забойного двигателя ................................ 107
3.5.2. Особенности бурения винтовыми забойными двигателями ..... 112

3.6. Электробуры........................................................................................................... 113

3.6.1. Конструкция электробура ..................................................................... 113
3.6.2. Правила эксплуатации электробуров ................................................ 117
3.6.3. Особенности бурения электробурами ............................................... 118
3.6.4. Правила техники безопасности при бурении электробуром ..... 119

3.7. Пневмо- и гидроударники (гидроударные машины)............................... 120

4. Породоразрушающий инструмент для бурения глубоких  
эксплуатационных нефтегазовых и поисково-разведочных скважин...............126

4.1. Классификация породоразрушающих инструментов.............................. 126
4.2. Долота режуще-скалывающего действия..................................................... 128
4.3. Долота истирающе-режущего действия с твердосплавным 

вооружением........................................................................................................... 132

4.4. Одношарошечные долота................................................................................... 134
4.5. Истирающе-режущие долота, оснащенные алмазами ............................. 137
4.6. Долота, оснащенные алмазнотвердосплавными пластинками  

и резцами ................................................................................................................ 141

4.7. Долота, оснащенные элементами вооружения из сверхтвердых  

материалов ............................................................................................................. 144

4.8. Шарошечные долота дробяще-скалывающего действия........................ 146

4.8.1. Принцип работы и особенности конструкции ................................ 146
4.8.2. Опоры шарошечных долот ..................................................................... 148
4.8.3. Системы промывки долот дробяще-скалывающего действия... 155
4.8.4. Размеры и шифр шарошечных долот ................................................ 158
4.8.5. Признаки отказа долот............................................................................. 159

4.9. Колонковые долота и вспомогательный инструмент............................... 162

4.9.1. Цель и особенности разрушения горных пород кольцевым  

забоем............................................................................................................. 162

4.9.2. Основные схемы колонковых долот и конструктивные 

особенности керноприемных устройств............................................ 164

4.9.3. Бурильные головки................................................................................... 167
4.9.4. Факторы, влияющие на полноту отбора керна ............................... 172

Оглавление
5

4.9.5. Вспомогательный породоразрушающий инструмент................... 174
4.9.6. Инструмент и приспособления для ударно-канатного 

бурения.......................................................................................................... 179

4.9.7. Технико-экономические показатели работы долота ..................... 180

5. бурильная колонна........................................................................................................ 182

5.1. Конструкция бурильной колонны.................................................................. 182
5.2. Условия работы и схемы расчета бурильной колонны............................ 199

5.2.1. Условия работы бурильных труб при роторном бурении ........... 199
5.2.2. Условия работы бурильных труб при турбинном бурении......... 206

5.3. Эксплуатация бурильной колонны ................................................................ 209

5.3.1. Подготовка бурильных труб к эксплуатации .................................. 209
5.3.2. Контроль износа и ремонт бурильной колонны............................. 212

6. Режимы бурения............................................................................................................ 217

6.1. Влияние режима бурения на количественные и качественные  

показатели бурения.............................................................................................. 217
6.1.1. Влияние качества и количества бурового раствора....................... 217
6.1.2. Влияние частоты вращения долота и осевой нагрузки ............... 219
6.1.3. Взаимосвязь между параметрами режима бурения ...................... 221

6.2. Выбор способа бурения ...................................................................................... 222
6.3. Рациональная отработка долот........................................................................ 223
6.4. Разработка оптимальных параметров режима бурения.......................... 227
6.5. Методика определения оптимальных параметров режима бурения .... 232

6.5.1. При возможности выбора буровой установки................................. 232
6.5.2. Применительно к имеющейся буровой установке......................... 233
6.5.3. На основе обобщения опыта работы буровых бригад................... 236
6.5.4. О параметрах режима бурения при борьбе  

с различными осложнениями процесса бурения скважин.......... 239

6.5.5. О параметрах режима бурения при отборе керна........................... 239

6.6. Режимы бурения ................................................................................................... 240

6.6.1. При шнековом бурении ........................................................................... 240
6.6.2. При ударно-канатном бурении............................................................. 242
6.6.3. При вращательном колонковом и бескерновом бурении............ 243
6.6.4. Режимы бурения, применяемые в США ........................................... 248

6.7. Контроль за параметрами режима бурения................................................. 249

6.7.1. Индикатор массы (веса).......................................................................... 249
6.7.2. Контроль за другими параметрами режима бурения.................... 255

6.8. Подача инструмента............................................................................................. 258

6.8.1. Механическая подача долота................................................................. 258
6.8.2. Забойные устройства для подачи долота ......................................... 262

7. искривление скважин и бурение наклонно направленных стволов........... 264

7.1. Особенности технологии и технические средства управления 

траекторией ствола геологоразведочных скважин ................................... 264

7.2. Предупреждение искривлений глубоких скважин................................... 266
7.3. Бурение наклонно направленных скважин................................................. 273

7.3.1. Профили наклонных скважин .............................................................. 273
7.3.2. Отклоняющие устройства, применяемые при бурении  

глубоких скважин ..................................................................................... 277

Оглавление

7.3.3. Ориентированный спуск бурильной колонны в скважину ........ 280
7.3.4. Забойное ориентирование отклонителя............................................ 284
7.3.5. Особенности технологии бурения наклонно направленных  

скважин......................................................................................................... 288

7.4. Расчет и построение профиля наклонной скважины............................... 290
7.5. Кустовое бурение скважин ................................................................................ 296
7.6. Бурение многозабойных горизонтально разветвленных 

и горизонтальных скважин................................................................................ 299

8. Промывка скважин....................................................................................................... 302

8.1. Глинистые растворы............................................................................................. 302

8.1.1. Общая характеристика глинистых растворов ................................. 302
8.1.2. Определение свойств глинистых растворов..................................... 308
8.1.3. Функции глинистых растворов при бурении в нормальных  

и осложненных условиях ....................................................................... 320

8.1.4. Специальные глинистые растворы...................................................... 325

8.2. Использование воды в качестве промывочной жидкости...................... 329
8.3. Буровые растворы на нефтяной основе ....................................................... 332
8.4. Бурение скважин с очисткой забоя воздухом или газом. 

Аэрированные промывочные жидкости и пены ........................................ 335

8.5. Упрощенный гидравлический расчет промывки скважины.................. 339
8.6. Оборудование для приготовления и очистки буровых растворов ...... 344

8.6.1. Оборудование для приготовления буровых растворов................ 344
8.6.2. Очистка буровых растворов .................................................................. 351
8.6.3. Методы дегазации промывочных жидкостей и регенерация  

утяжелителей.............................................................................................. 369

8.7. Выбор типа бурового раствора......................................................................... 373
8.8. Формы организации глинохозяйства............................................................ 376

9. крепление скважин....................................................................................................... 378

9.1. Общие понятия и представления.................................................................... 378
9.2. Устройства и приспособления для оснащения обсадных колонн........ 384

9.2.1. Оборудование низа обсадной колонны.............................................. 384
9.2.2. Оборудование верхней части обсадной колонны........................... 391

9.3. Стандартный расчет колонны обсадных труб ............................................ 393

9.3.1. Нагрузки, действующие на обсадные трубы ................................... 393
9.3.2. Методика расчета равнопрочных колонн обсадных труб............ 394
9.3.3. Формулы для расчета колонн обсадных труб.................................. 406

9.4. Упрощенный расчет обсадных и насосно-компрессорных труб........... 410
9.5. Спуск обсадной колонны в скважину............................................................ 413

9.5.1. Подготовка обсадных труб ..................................................................... 413
9.5.2. Подготовка вышки и бурового оборудования................................. 414
9.5.3. Подготовка скважины к спуску обсадной колонны ...................... 415
9.5.4. Спуск обсадной колонны в скважину................................................. 416

9.6. Цементирование скважин.................................................................................. 418

9.6.1. Способы цементирования скважин..................................................... 418
9.6.2. Тампонажные материалы ....................................................................... 430
9.6.3. Оборудование для цементирования скважин.................................. 433

Оглавление
7

9.7. Методика расчета цементирования скважин.............................................. 437

9.7.1. Расчет одноступенчатого цементирования....................................... 437
9.7.2. Определение необходимого количества цементировочных 

агрегатов и цементосмесительных машин..............................................446

9.8. Подготовительные работы и процесс цементирования........................... 449
9.9. Заключительные работы и проверка результатов цементирования  

скважин .................................................................................................................... 452

10. вскрытие, испытание и освоение продуктивных пластов .............................. 456

10.1. Общие понятия и представления................................................................ 456
10.2. Вскрытие и испытание продуктивных пластов ..................................... 459

10.2.1. Вскрытие нефтяных пластов после спуска  

эксплуатационной колонны............................................................ 459

10.2.2. Освоение и испытание нефтяных и водоносных пластов .... 461

10.3. Способы восстановления производительности скважин................... 467

10.3.1. Сущность декольматирования ....................................................... 467
10.3.2. Гидродинамические способы декольматирования.................. 469
10.3.3. Гидрофизические способы декольматирования....................... 475
10.3.4. Химические способы декольматирования................................. 479
10.3.5. Комбинированные способы декольматирования .................... 480
10.3.6. Оценка эффективности способов декольматирования ......... 481

11. Осложнения при бурении скважин...................................................................... 484

11.1. Осложнения, обусловленные неустойчивостью горных пород 

в стенках скважины ......................................................................................... 484
11.1.1. Классификация нарушений целостности стенок  

скважины ............................................................................................... 484

11.1.2. Механизм проявления горного давления в скважине............ 488
11.1.3. Прогноз смещений стенок скважины........................................... 496
11.1.4. Расчет необходимой плотности бурового раствора................ 501
11.1.5. Оценка разупрочняющего действия бурового раствора ....... 504
11.1.6. Проверка сопротивляемости обсадных труб смятию 

горным давлением .............................................................................. 508

11.2. Способы предупреждения и ликвидации поглощений бурового 

раствора................................................................................................................ 511

11.3. Предупреждение и ликвидация газовых, нефтяных и водяных  

проявлений ......................................................................................................... 518
11.3.1. Газо-, нефте- и водопроявления ..................................................... 518
11.3.2. Грифоны и межколонные проявления......................................... 525

11.4. Особенности проводки скважин в условиях сероводородной  

агрессии................................................................................................................ 526

11.5. Особенности при бурении скважин в многолетнемерзлых 

породах................................................................................................................. 529

12. аварии при бурении скважин и их ликвидация............................................... 532

12.1. Причины и виды аварий................................................................................. 532
12.2. Меры предотвращения основных видов аварий.................................... 533
12.3. Ликвидация аварий.......................................................................................... 538

12.3.1. Методы ликвидации прихватов..................................................... 538

Оглавление

12.3.2. Работа с ловильным инструментом.............................................. 542
12.3.3. Ликвидация аварий с бурильными трубами  
и долотами............................................................................................. 547
12.3.4. Ликвидация аварий с турбобурами .............................................. 548
12.3.5. Уход в сторону от оставшегося в скважине инструмента ..... 549
12.3.6. Аварии с обсадными трубами......................................................... 550
12.3.7. Организация работ при аварии ..................................................... 551

13. Особенности бурения скважин на море............................................................ 552
13.1. Общие положения............................................................................................ 552
13.2. Подводное устьевое оборудование............................................................. 553
13.3. Особенности бурения морских нефтяных и газовых скважин......... 555

14. Особенности колтюбингового бурения.............................................................. 557
14.1. Производство буровых работ ....................................................................... 557
14.2. Принципиальная схема расчета параметров колонны гибких  
труб при бурении.............................................................................................. 561

15. Строительство вертикальных горных выработок специальными  
способами............................................................................................................................. 565
15.1. Общие представления..................................................................................... 565
15.2. Бурение шахтных стволов............................................................................. 569
15.2.1. Бурение шахтных стволов в неустойчивых водоносных  
горных породах.................................................................................... 569
15.2.2. Промывка забоя................................................................................... 574
15.2.3. Крепление шахтных стволов........................................................... 576
15.2.4. Бурение шахтных стволов в крепких горных породах .......... 581
15.3. Бурение скважины большого диаметра для создания  
вспомогательных стволов.............................................................................. 582
15.4. Бурение замораживающих скважин.......................................................... 586

Раздел II. техникО-экОнОмичеСкие пОказатели буРения.

дОкументаЦия. ОРГанизаЦия РабОт и ликВидаЦия СкВаЖин

16. технико-экономические показатели..................................................................... 594
16.1. Показатели эффективности бурения скважины ................................... 594
16.2. Баланс времени.................................................................................................. 597
16.3. Себестоимость бурения скважины............................................................. 599

17. документация............................................................................................................... 601
17.1. Первичная документация в бурении ......................................................... 601
17.2. Технический проект строительства скважины....................................... 602

18. Организация работ и ликвидация скважин ....................................................... 605
18.1. Цикл строительства скважины.................................................................... 605
18.2. Организация основных и вспомогательных технологических  
процессов............................................................................................................. 606
18.3. Ликвидация скважин ...................................................................................... 610
Литература ........................................................................................................................... 612

Раздел
I

технОлОгия буРения скважин

1. Основные технологические процессы и спо
собы бурения скважин

2. Проектирование конструкций буровых сква
жин

3. Технологическое оборудование для бурения 

скважин

4. Породоразрушающий инструмент для буре
ния глубоких эксплуатационных нефтегазовых и поисково-разведочных скважин

5. Бурильная колонна
6. Режимы бурения
7. Искривление скважин и бурение наклонно 

направленных стволов

8. Промывка скважин
9. Крепление скважин
10. Вскрытие, испытание и освоение продуктив
ных пластов

11. Осложнения при бурении скважин
12. Аварии при бурении скважин и их ликвида
ция

13. Особенности бурения скважин на море
14. Особенности колтюбингового бурения
15. Строительство вертикальных горных выра
боток специальными способами

ОснОвные технОлОгические 
ПРОЦессы и сПОсОбы буРения 
скважин1

Общие технологические процессы

Бурение — сложный комплексный технологический процесс

(ТП), состоящий из множества локальных (последовательных, параллельных и комбинированных) процессов. Все ТП можно условно разделить на общие и частные. 

Общие ТП выполняются во всех без исключения группах сква
жин, а частные — только в конкретных группах, видах и разновидностях скважин. Все ТП, как общие, так и частные, подробно рассматриваются при описании способов и режимов бурения, а также 
использования технических и других средств, необходимых для их 
реализации. Далее рассмотрены общие технологические процессы.

Транспортирование бурового оборудования (БО) осущест
вляется в различных условиях (пересеченная, заболоченная местность), поэтому вопросам мобильности БО уделяется значительное внимание. По транспортабельности все буровые установки и 
комплексы разделяют на три группы:

‰ самоходные БУ — наиболее удобны для перемещения;

‰ передвижные (смонтированные на прицепах, санях, баржах и 

т.п.) — менее мобильны, так как требуют буксирования;

‰ стационарные — перемещаются отдельными блоками с помо
щью различных видов транспорта.

Монтаж и подготовка оборудования к работе подразуме
вают предварительное выравнивание площадки, необходимой для 
размещения оборудования, инструмента и материалов, оборудования резервуаров для хранения очистного агента (ОА) и выполнения других видов работ. Сложность монтажных и транспортных 
работ возрастает по мере увеличения глубины скважины, а также 

1 Главы 1–15 написаны по материалам работ [1, 3, 5, 7, 8, 11].

1.1.