Направленное бурение. Бурение горизонтальных и многозабойных скважин

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
В. В. Нескоромных 
 
 
 
Направленное бурение.  
Бурение горизонтальных  
и многозабойных скважин 
 
 
 
 
 
Допущено Учебно-методическим советом Сибирского федерального университета в качестве учебника для бакалавров направления 
подготовки 
21.03.01 
«Нефтегазовое 
дело» 
(профиль 
21.03.01.01 «Бурение нефтяных и газовых скважин»), специалистов направления подготовки 21.05.03 «Технология геологической разведки», магистрантов направления подготовки 23.04.03 
«Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» (программа 23.04.03.04 «Строительство глубоких нефтяных  
 и газовых скважин в сложных горно-геологических условиях») 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2020 

УДК 622.24(075.8) 
ББК 33.13я73 
 
Н552 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
Г. С. Вахромеев, доктор геолого-минералогических наук, заведующий 
геологическим отделом компании «РН-бурение» ПАО «Роснефть», заведующий лабораторией Института земной коры СО РАН, доцент Иркутского национального исследовательского технического университета; 
П. Ф. Еловых, начальник производственно-технологического отдела 
Управления по организации геологоразведочных работ по Восточной Сибири ООО «Газпромгеологоразведка» 
 
 
 
 
 
 
 
Нескоромных, В. В.  
Н552  
Направленное бурение. Бурение горизонтальных и многозабойных скважин : учебник / В. В. Нескоромных. – Красноярск : Сиб. 
федер. ун-т, 2020. – 410 с. 
 
 
ISBN 978-5-7638-4100-8 
 
 
Рассмотрены основные вопросы теории, техники и технологии направленного бурения применительно к бурению скважин на нефть и газ. Представлены сведения о причинах и закономерностях искривления скважин, средствах и технологиях бурения скважин по заданным траекториям, технологиях 
и технических средствах искривления скважин, бурении многоствольных скважин. Приведены примеры практических расчетов и основная терминология. 
Предназначен для бакалавров направления подготовки 21.03.01 «Нефтегазовое дело» (профиль 21.03.01.01 «Бурение нефтяных и газовых скважин»), специалистов направления подготовки 21.05.03 «Технология геологической разведки», 
магистрантов направления подготовки 23.04.03 «Эксплуатация транспортнотехнологических машин и комплексов» (программа 23.04.03.04 «Строительство 
глубоких нефтяных и газовых скважин в сложных горно-геологических условиях»), а также  аспирантов по научным специальностям  25.00.14 «Технология 
и техника геологоразведочных работ», 25.00.15 «Бурение и освоение скважин». 
 
 
 

Электронный вариант издания см.:

http://catalog.sfu-kras.ru

УДК 622.24(075.8)
ББК 33.13я73

 
ISBN 978-5-7638-4100-8 
© Сибирский федеральный университет, 2020 

Современное бурение при освоении нефтегазовых, газовых и газокон
денсатных месторождений невозможно без использования методов наклонно-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 настоящее время существенный объем специаль
ных работ при сооружении скважины занимают работы по обеспечению 
сложной траектории скважины 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 геонавигации. 

Без проходки сложнопрофильных скважин невозможно освоение ме
сторождений на шельфе, когда 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. При бурении глубоких скважин вопросы проведения скважин по проектным траекториям приобретают первостепенное значение,
и для их решения затрачиваются значительные средства.

Актуальными являются задачи проводки скважины в соответствии с ут
вержденными в проектах планами-программами. Подобные программы 
включают рациональные траектории, пределы возможных отклонений и контрольные точки при проводке ствола. В данном случае решаются задачи проводки вертикального участка, интервалов набора кривизны при заданной интенсивности искривления, определения точки входа в коллектор, завершения
интервала набора кривизны и точки заканчивания горизонтального ствола. 

На всех отмеченных этапах в современном бурении используются вы
сокотехнологичные технические средства и технологии, программные 
средства и компьютерные технологии, средства диагностики, контроля
и измерений, обработки данных. 

Важнейшим элементом реализации направленного бурения являются 

технологии забуривания новых направлений скважины из ранее пробу

ренных 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 обеспечивают достаточного объема извлечения углеводородов путем проходки горизонтальных стволов, или создать разветвленную «корневую» систему на вновь осваиваемых промыслах, способных значительно, порой в десятки раз, увеличить дебит и коэффициент 
извлечения нефти (КИН) из пластов коллектора.

Наклонно-направленное бурение – техническая система бурения 

скважин, включающая комплексы методов, технологий, электронных
и технических средств, компьютерных программ и призванная решать 
проблему бурения, в том числе многоствольных и многозабойных скважин, в заданном направлении, часто по определенно выверенной траектории, а забой приводить в заданную проектом точку с учетом возможных допустимых отклонений.

Первые сведения о применении направленного бурения относятся еще

к ХVII в., но интенсивное развитие технологий направленного бурения 
связано с развитием горного производства со второй половины ХIХ в.
В это время получило развитие вращательное бурение, были изобретены 
алмазные коронки и созданы первые станки для алмазного бурения, первые шарошечные долота. 

В 1864 г. алмазным инструментом были пробурены первые горизон
тальные скважины при строительстве железнодорожного тоннеля в Альпах. 

В России впервые наклонная скважина пробурена в 1894 г. Скважина 

пробурена ударным способом, 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 искривления нефтяных скважин на Апшероне 
относятся к 1900 г. К этому времени в США, Швеции и России уже появились первые приборы на основе плавиковой кислоты, магнитной стрелки
и желатина (прибор Мааса) для контроля положения ствола скважины
в пространстве. Подобные приборы в России были изготовлены и использованы инженерами А. Шимановским и В. К. Згленицким в 1893 г.

В 1890 г. инженером К. Г. Симченко была предложена идея гидравли
ческого 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 для строительства
тоннелей при сооружении Кругобайкальской железной дороги Трансиба
с применением станков с электроприводом. 

В 1902 г. появился первый патент, в котором предложено техническое 

средство, обеспечивающее отклонение вращающейся компоновки низа 
бурильной колонны от оси скважины.

В 1906 г. инженером П. Н. Потоцким был разработан проект бурения

с берега Каспийского моря на шельф с целью разработки нефтяного месторождения.

В 1912 г. на юге Африки впервые для искривления скважины алмаз
ного бурения использован клин.

Начиная с 1910–1920 гг. в России появляются работы по теории ис
кривления скважин – И. С. Васильев в 1916 г. издал работу, в которой
привел данные об искривлении скважин на Урале, где утверждал, что это 
явление происходит в основном под влиянием геологических особенностей буримых горных пород.

Академик А. Н. Динник (1920), известный механик, изучал устойчи
вость бурильной колонны и отмечал в своих работах, что искривление 
скважин – в основном результат деформации бурильной колонны.

Несколько позже проблемой искривления скважин в СССР занима
лись Н. В. Бобков, Ч. Л. Мочульский, Т. В. Ключанский. Они выделяли 
ряд причин искривления скважин, среди которых называли прогиб буровых штанг, неправильное центрирование снаряда, частую смену твердых
и мягких слоев горных пород, их слоистость, сланцеватость и трещиноватость.
На основании проведенного анализа давались 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. В то время развитие бурения
в стране связано с именами профессоров В. М. Крейтера и Ф. А. Шамшева.
В 1930–1940-е гг. значительный 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 мето
ды направленного бурения начали применять с 30-х гг. прошлого столетия, чему способствовало создание инструментов и приборов, позволяющих точно определять азимут и угол наклона скважин, а также дающих 
возможность ориентирования отклонителей в скважине. При этом в США 
получили распространение отклонители клинового типа, так как преимущественно применяли роторное бурение.

В 1929 г. в США был зарегистрирован первый патент на многостволь
ную скважину.

В 1930 г. на Хантингтонском пляже в Калифорнии было 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: стали известны случаи бурения скважин под чужие участки месторождения, что вызвало проблемы 
юридического плана.

В 1934 г. для глушения открытого выброса из скважины близ каньона 

Дикого потока в США была пробурена разгрузочная направленная скважина, забой которой был подведен близко к фонтанирующей скважине. 
Посредством нагнетания бурового раствора в направленную скважину под 
высоким давлением удалось заглушить фонтан. С этих пор бурение наклонных скважин стали использовать для ликвидации аварийных фонтанирующих скважин.

В 1923 г. инженер М. А. Капелюшников изобрел одноступенчатый 

гидравлический двигатель (турбобур) с редуктором.

В 1935 г. по предложению М. А. Геймана турбобур с редуктором

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 
турбобура получил развитие в промышленности.

Начиная с этого момента развитие технологий направленного бурения 

становится более интенсивным, так как производительность работ по искусственному искривлению скважин резко возросла, повысилось качество
и надежность этих работ.

В США с 1950 г. 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 50–60-е гг. ХХ в. 

Значительный вклад в развитие 

теории направленного бурения глубоких скважин в 50–60-е гг. прошлого 
века внесли американские специалисты А. Лубинский и Г. Вудс, Д. Брентли, работы которых получили широкое признание и дали импульс разви

тию техники и технологии наклонно-направленного бурения и в СССР.
В этот период А. Лубинским и Г. Вудсом были предложены теория 
«маятниковых» компоновок и методика их применения для проходки 
вертикальных и наклонных стволов в анизотропных горных породах, 
вызывающих значительное искривление скважин, даны многие методики расчёта кривизны и буровых компоновок.

Многие отечественные специалисты в своей работе использовали кни
гу Г. Вудса и А. Лубинского, изданную в СССР [13].

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 

происходит в 70–80-е гг. прошлого столетия с использованием для бурения созданных винтовых забойных двигателей (ВЗД). В этот период 
развиваются 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 эффек
тивны только при бурении скважин большого диаметра (не менее 
200 мм), были разработаны разнообразные жесткие компоновки, наддолотные стабилизирующие устройства, специальные 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 (а. с. № 560056).

Развитие техники и технологии направленного бурения, примене
ние отклонителей на базе турбобуров позволили решать сложные задачи по бурению 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 занималась лаборатория направленного бурения ВНИИБТ, отраслевые институты СевКазНИПИнефть, ЗапСибНИПИнефть и др. Разработки этих институтов широко использовались и используются при производстве буровых работ на площадях Каспия, Башкирии, 
Западной и Восточной Сибири, Сахалина, они послужили основой создания 
новых технологий интенсификации добычи нефти и газа вертикальногоризонтальными скважинами, получившими широкое развитие в мире
за последние два десятилетия (первая работа в этом направлении – монография А. М. Григоряна [14]), помогли пробурить самую глубокую скважину в мире – СГ-3 на Кольском полуострове, которая является многоствольной (четыре дополнительных ствола, один из которых (ствол III) достиг 
максимальной глубины – 12 262 м).

Из отечественных специалистов наи
более продуктивно работал в направлении развития теории и технологий направленного бурения профессор Анатолий Григорьевич Калинин.

Александр Михайлович Григорян

(1914–2005) всю свою творческую жизнь 
развивал идею, которая состояла в том,
что гораздо эффективнее увеличивать 
проходку горизонтального или наклонного ствола при бурении скважин по уже 
известным нефтеносным пластам, стремясь повысить эффективность извлечения углеводородов, чем бурить множество скважин с поверхности в поисках 
новых удачных подсечений коллектора. 

В 1941 г. под управлением А. М. Григоряна пробурена одна из первых

в мире наклонно-направленных скважин на Бакинском промысле.

В 1949 г. с целью увеличения про
дуктивности А. М. Григорян предложил 
бурить 
горизонтально-разветвленные 

скважины по аналогии с корнями у деревьев, которые расходятся в разные 
стороны, чтобы увеличить свое присутствие в почве. А. М. Григорян успешно
протестировал свою теорию в 1953 г., 
когда в Башкирии им была пробурена 
скважина 
66/45.
Под 
руководством 

А. М. Григоряна был пробурен основной ствол скважины до глубины 575 м 
прямо к кровле продуктивного горизонта. После чего из этого основного ствола он пробурил несколько ответвлений с максимальным отходом
от вертикали 136 метров. Общая длина всех забуренных стволовответвлений составила 322 м. По сравнению с традиционными скважинами, пробуренными на том же самом месторождении, эффективность 
данной скважины оказалась в 5,5 раз выше. Затраты на бурение этой 
многоствольной скважины были в 1,5 раза выше, но и дебит нефти оказался в 17 раз больше по сравнению с традиционными скважинами 
(120 м3/сут против 7 м3/сут).

Успешное бурение многоствольной скважины дало толчок дальней
шему применению новой технологии. За период с 1953 по 1980 г. в Советском Союзе были пробурены еще 110 многоствольных скважин в Восточной Сибири, Западной Украине и вблизи Черного моря. В 1968 г. на Мар

ковском месторождении (Иркутская область) пробурена скважина с рекордной для того времени протяженностью горизонтального ствола 632 м.

Но при активном освоении нефтяных и газовых месторождений За
падной Сибири технология бурения наклонно-направленных скважин
с горизонтальным окончанием оказалась невостребованной.

В 1980-х гг. А. М. Григорян перебрался в США, в город Лос
Анджелес, и основал там компанию Grigoryan Branched-Horizontal Wells. 
Благодаря его усилиям технологии бурения многоствольных скважин
с горизонтальным окончанием получили свое развитие в США, а затем
и во всем мире.

Активное развитие технологии бурения вертикально-горизонтальных 

скважин произошло в 80-е гг. прошлого столетия в связи с открывающейся возможностью резкого повышения коэффициента извлечения нефти 
(КИН) и возможностью извлечения нефти из истощившихся месторождений, месторождений с тяжелой нефтью и плотных коллекторов с малоэффективной пористостью.

Начиная с 80-х гг. резко возрос интерес к бурению горизонтальных 

скважин в США в связи с тем, что к этому времени истощились запасы 
легко извлекаемой нефти и газа и была поставлена задача наладить добычу углеводородов из плотных малопроницаемых сланцев. Горизонтальные 
скважины бурились на месторождении Прадхо-Бей (Аляска), сложенного 
низкопроницаемыми 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;

– обеспечить накопленную добычу за 10–15 лет эксплуатации в 10 раз 

выше при себестоимости добытой нефти в 3–5 раз ниже, чем по обычным 
соседним скважинам;

– на 20–30 % увеличить общую нефтеотдачу из продуктивных пла
стов;

– повысить эффективность разработки высоковязкой нефти, процес
сов заводнения, прогрева пластов и др.

В настоящее время развитие технологии и технических средств на
правленного бурения вертикально-горизонтальных скважин (рис. 1.1) позволило осуществлять добычу трудноизвлекаемых, так называемых, сланцевых газа и нефти. В данном случае добыча углеводородов возможна 
только за счет сгущения сети буримых горизонтальных стволов с последующим гидравлическим разрывом непроницаемого или слабопроницаемого пласта-коллектора (технологии ГРП) с целью интенсификации притока углеводородов.

Именно благодаря новым технологиям наклонно-направленного буре
ния и совершенствованию технологий гидравлического разрыва горных 
пород США в ХХI в. вновь стали наиболее мощной энергетической дер