Бурение скважин. Геолого-технологические исследования. Забойные телеметрические системы

БУРЕНИЕ СКВАЖИН.  
Геолого-технологические исследования.  
Забойные телеметрические системы 
Учебное пособие 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 


УДК 622.24 
ББК 33.131 
 
 Б90 
А в т о р ы :  
Н. Ф. Рязанцев, В. И. Денисов, И. А. Разумов, О. Н. Сергеев 
Р е ц е н з е н т ы :  
доктор технических наук, профессор, руководитель Центра поддержки  
прикладных технологий нефтегазового комплекса России  
Соколовский Эдуард Владимирович;  
доктор геолого-минералогических наук, профессор (Кубанский аграрный 
университет, г. Краснодар) Александров Борис Леонтьевич 
Б90  
Бурение скважин. Геолого-технологические исследования. 
Забойные телеметрические системы : учебное пособие / [Н. Ф. Ря- 
занцев и др.].  Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022.  316 с. : 
ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0745-8 
Изложены теоретические основы нефтегазовой геологии. Представлена технология 
бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин с применением забойных 
телеметрических систем ориентирования и каротажа в процессе бурения. Рассмотрены 
методы предупреждения возможных аварийных ситуаций и промысловые примеры 
успешного ведения буровых работ на больших глубинах и в условиях одновременного 
существования сложных горно-геологических ситуаций в необсаженных скважинах. 
Для студентов и преподавателей геологоразведочных факультетов высших учебных 
заведений. Издание может быть полезно инженерам-технологам нефтепромысловых 
предприятий. 
УДК 622.24 
ББК 33.131 
ISBN 978-5-9729-0745-8  
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022


ˁʽʪʫˀʮʤʻʰʫ
Предисловие 
........................................................................................................................................ 7 
Обращение к читателям 
................................................................................................................... 8 
 
1. ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................................. 10 
 
2. ОСНОВЫ НЕФТЕГАЗОВОЙ ГЕОЛОГИИ 
............................................................................... 14 
2.1. Земная кора, минералы, горные породы ....................................................................... 14 
2.2. Фильтрационно-ёмкостные свойства пород-коллекторов .......................................... 19 
2.3. Электрические и магнитные характеристики горных пород ...................................... 25 
2.4. Накопление нефти и газа в недрах Земли, формирование залежей  
и месторождений, графическое изображение геологических структур .................... 29 
2.5. Запасы месторождений нефти и газа 
............................................................................. 33 
2.5.1. Классификация от 8 апреля 1983 года ................................................................... 33 
2.5.2. Классификация от 1 января 2016 года ................................................................... 36 
2.6. Общие характеристики нефтей и нефтепродуктов  
(ГОСТы, классификации, справочные перечни) ......................................................... 38 
 
3. ОБЩАЯ СХЕМА БУРЕНИЯ И ПРИМЕНЯЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 
................................. 43 
3.1. Классификация скважин ................................................................................................. 43 
3.2. Буровые установки .......................................................................................................... 46 
3.3. Буровые долота ................................................................................................................ 53 
3.4. Бурильная колонна .......................................................................................................... 68 
 
4. ОСНОВНЫЕ АГРЕГАТНЫЕ БЛОКИ БУРОВЫХ УСТАНОВОК 
......................................... 73 
4.1. Буровая лебёдка ............................................................................................................... 73 
4.2. Ротор буровой установки 
................................................................................................ 74 
4.3. Буровые насосы ............................................................................................................... 76 
4.4. Компенсатор 
..................................................................................................................... 79 
4.5. Силовой привод буровой установки 
.............................................................................. 80 
 
 
3

ʥ˄ˀʫʻʰʫˁʶʦʤʮʰʻ.ʧʫʽʸʽʧʽͲ˃ʫˈʻʽʸʽʧʰˋʫˁʶʰʫʰˁˁʸʫʪʽʦʤʻʰ˔.
ʯʤʥʽʱʻˏʫ˃ʫʸʫʺʫ˃ˀʰˋʫˁʶʰʫˁʰˁ˃ʫʺˏ
5. ВАРИАНТЫ КОНСТРУКЦИЙ СКВАЖИН ............................................................................. 82 
5.1. Обсадные трубы и способы их соединения .................................................................. 82 
5.2. Обоснование оптимальных схем крепления скважины 
............................................... 88 
5.3. Варианты обустройства призабойных зон скважин 
..................................................... 94 
5.4. Противовыбросовое оборудование 
................................................................................ 96 
 
6. ГИДРОДИНАМИКА БУРЕНИЯ .............................................................................................. 100 
6.1. Режимы бурения и скоростные показатели ................................................................ 100 
6.2. Буровые растворы 
.......................................................................................................... 108 
6.3. Забойные двигатели для буровых долот ..................................................................... 120 
6.3.1. Устройство и принципиальная схема работы турбобуров ................................ 121 
6.3.2. Общие принципы работы гидровинтовых забойных двигателей (ВЗД) .......... 126 
 
7. ФОРМИРОВАНИЕ ПРОФИЛЯ СТВОЛА СКВАЖИНЫ  
И НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОЕ БУРЕНИЕ 
...................................................................... 135 
7.1. Геолого-технологические основания  
и принципы наклонно-направленного бурения ......................................................... 135 
7.2. Варианты бурения скважин с несколькими стволами ............................................... 140 
7.3. Технологии бурения наклонных и горизонтальных скважин  
с применением забойных систем ориентирования 
.................................................... 143 
 
8. КРЕПЛЕНИЕ СКВАЖИН 
......................................................................................................... 147 
8.1. Технология спуска обсадных колонн в скважину 
...................................................... 148 
8.2. Цементирование обсадных колонн 
.............................................................................. 150 
8.3. Схема установки цементных мостов ........................................................................... 154 
 
9. МЕТОДИКА КОМПЛЕКСНОГО ИЗУЧЕНИЯ СТРАТИГРАФИЧЕСКИХ РАЗРЕЗОВ  
В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ СКВАЖИН .................................................................................... 156 
9.1. Геолого-технологическая программа исследований 
.................................................. 156 
9.2. Обеспечение геологической информативности бурения .......................................... 161 
9.3. Термометрия скважин ................................................................................................... 167 
9.4. Выявление зон аномально высокого пластового или порового давления  
и оценка давлений 
......................................................................................................... 169 
 
10. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН 
........................................ 174 
10.1. Методы электрического каротажа ............................................................................. 174 
10.2. Распространенные методы электромагнитного каротажа 
....................................... 183 
10.2.1. Диэлектрический каротаж .................................................................................. 183 
10.2.2. Индукционный каротаж ...................................................................................... 187 
10.2.3. Высокочастотные измерительные многозондовые системы 
........................... 190 
4


ˁʽʪʫˀʮʤʻʰʫ
10.3. Радиационные геофизические методы ...................................................................... 193 
10.3.1. Радиоактивный каротаж 
...................................................................................... 196 
10.3.2. Гамма-каротаж ..................................................................................................... 197 
10.3.3. Нейтронный каротаж 
........................................................................................... 198 
10.3.4. Ядерно-магнитный каротаж 
................................................................................ 200 
10.4. Акустический каротаж 
................................................................................................ 201 
 
11. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ГЕОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  
И ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ 
НЕФТЕГАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ 
............................................................................................. 204 
11.1. Выбор объектов для испытания скважин в процессе бурения ............................... 205 
11.2. Технология испытания скважины в процессе бурения ........................................... 209 
11.3. Технологическая схема испытания с применением оборудования,  
спускаемого на трубах 
................................................................................................ 212 
 
12. ЗАКАНЧИВАНИЕ И ОСВОЕНИЕ СКВАЖИН ................................................................... 219 
12.1. Вскрытие продуктивного пласта бурением (первичное вскрытие) 
........................ 219 
12.2. Вторичное вскрытие пласта в колонне. Насосно-компрессорные трубы.  
Перфораторы ............................................................................................................... 223 
12.3. Вызов притока из пласта 
............................................................................................. 225 
12.4. Методы воздействия на призабойную зону пласта 
.................................................. 234 
 
13. СБОИ И ОСЛОЖНЕНИЯ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН. МЕТОДЫ  
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ВОЗМОЖНЫХ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ  
И СПОСОБЫ ЛИКВИДАЦИИ АВАРИЙ ............................................................................. 241 
13.1. Применение испытателя пластов для ликвидации прихвата бурильного  
инструмента в необсаженном стволе ........................................................................ 243 
13.2. Теоретические принципы работы ударных яссов .................................................... 247 
13.3. Управление забойными клапанными механизмами посредством  
перемещений труб. Расчёт сил трения 
...................................................................... 254 
13.4. Оценка прочности и устойчивости горных пород, вскрываемых бурением ......... 259 
 
14. КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН КАК ОБОСНОВАНИЕ  
И ВОЗМОЖНОСТИ НЕТРАДИЦИОННОГО ВЕДЕНИЯ БУРОВЫХ РАБОТ  
И ОЦЕНКИ РЕСУРСНОЙ ПЕРСПЕКТИВНОСТИ ИЗУЧАЕМЫХ  
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР 
............................................................................................ 262 
14.1. Теоретические основы разработки продуктивных залежей  
при разных вариантах эксплуатации скважин ......................................................... 262 
14.2. Разработка нефтегазовой залежи на завершающей стадии эксплуатации 
............. 270 
5

ʥ˄ˀʫʻʰʫˁʶʦʤʮʰʻ.ʧʫʽʸʽʧʽͲ˃ʫˈʻʽʸʽʧʰˋʫˁʶʰʫʰˁˁʸʫʪʽʦʤʻʰ˔.
ʯʤʥʽʱʻˏʫ˃ʫʸʫʺʫ˃ˀʰˋʫˁʶʰʫˁʰˁ˃ʫʺˏ
14.3. Корректировка плотности бурового раствора в бурящейся скважине  
и открытие газового месторождения ........................................................................ 276 
14.4. Совместное вскрытие и раздельное испытание интервалов  
с разными пластовыми давлениями .......................................................................... 282 
14.5. Подсчеты дебита газа, сгорающего на факелах........................................................ 286 
15. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА  
И КОМПЛЕКТОВАНИЯ ЗАБОЙНЫХ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ 
....................... 288 
15.1. Силовые и энергетические характеристики электрического  
и магнитного полей 
..................................................................................................... 288 
15.2. Электромагнитные колебания 
.................................................................................... 294 
15.3. Электромагнитные волны 
........................................................................................... 297 
15.4. Магнитное поле Земли и ориентация скважин 
......................................................... 301 
15.5. Схемы объединённых телеметрических комплексов  
для управляемого ориентирования стволов и каротажа скважин  
в процессе бурения (системы M/LWD) 
..................................................................... 306 
 
16. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................................ 313 
 
ЛИТЕРАТУРА 
................................................................................................................................ 314 
6

 
 
Предисловие 
Уважаемый читатель, авторы этой книги более 15 лет работают в области бурения  
и геофизических исследований скважин. Особый интерес у них вызывает развитие отечественных технологий и услуг в области каротажа и ориентирования наклонно-направленных 
и горизонтальных нефтяных и газовых скважин (ННС и ГС) в процессе бурения.  
Современное освоение месторождений углеводородов основано на ННБ, которое позволяет оптимизировать процесс добычи углеводородов, осваивать трудноизвлекаемые запасы (ТРИЗ) углеводородов, увеличивать дебит углеводородов и сократить расходы при освоении месторождений. Для наклонно-направленного бурения (ННБ) нефтяных и газовых скважин коллективом авторов и российской Группой компаний GERS Group (компании «ГЕРС 
Инжиниринг» и «ГЕРС Технолоджи») разработан, изготовлен и введён в эксплуатацию отечественный забойный телеметрический комплекс оборудования LWD+RSS; M/LWD, MWD. 
Процесс строительства и ремонта скважин сегодня неразрывно связан с необходимостью получения геологических и геофизических данных при бурении в реальном времени  
и их сравнением с имеющимися данными технического задания освоения месторождения. 
Следует отметить, что процесс бурения скважин и сопровождающие его гидродинамические и физико-химические воздействия на геологические пласты всегда нарушают первоначально установившееся глубинное энергетическое состояние. А это нередко приводит  
к возникновению аварийно-технических ситуаций, сбоев и режимных отклонений от рабочих 
программ бурения. И решать такие проблемы инженерам по бурению скважин всегда помогают знания в области геологии и геофизики, умение применять в работе справочнометодическую информацию из области точных и прикладных наук, а также знание достижений общетехнического прогресса и собственный промысловый опыт.  
Мы надеемся, что наше издание внесет свою лепту в знания и, отчасти, в промысловый опыт наших читателей. Фактически любая технологическая операция в скважине, какой 
бы успешной она ни оказывалась в части решения главной поставленной задачи, содержит в 
себе новые нюансы и представляет богатое поле для углублённого научного изучения и, нередко, неожиданных открытий.  
 
7

 
 
Обращение к читателям 
Структура учебного пособия предполагает сначала вкратце ознакомить будущих специалистов геологов-нефтяников с перечнем работ и исследований, которые придётся выполнять 
при строительстве скважин, а также с тем, с какой техникой предстоит иметь дело и с какими 
очень серьёзными затруднениями (и даже опасностью) им неизбежно придётся столкнуться на 
избранном направлении обучения и в последующей практической деятельности. Далее – доступно представить информационно-теоретические разделы, показывающие методику обработки данных, полученных при бурении скважин, и приёмы гарантированного преодоления 
возникающих аварийных осложнений. А в заключительных разделах – привести несколько 
промысловых эпизодов и результаты нестандартно проведённых исследовательских работ  
в осложнённых скважинах, т. е. убедить читателя в том, что при неожиданном возникновении 
помех не всё так безнадёжно, как иногда кажется с первого взгляда, и что можно многое преодолеть, опираясь на глубокие знания и трудовой опыт.  
Не так давно к нам для интерпретации и выдачи экспертного заключения поступили 
материалы об открытии газового месторождения на одной из площадей Севера Восточной 
Сибири со следующим репортажным описанием работ (приводим почти дословно). 
«Прилетели на буровую, и сразу закипела горячая работа. Собрали на мостках испытательное оборудование, опрессовали, начали спускать. Спуск проходил нормально, без проблем. В трубы залили буферную жидкость – воду, сколько планировали. Нащупали забой, 
смонтировали устьевую обвязку, начали испытание.  
Приток был такой мощный, что все супервайзеры от страха разбежались по балкам. 
Уже через 4 минуты из труб начал выливаться "буфер", а ещё через 4 минуты скважина заработала чистым газом. Зажгли факел, но пламя высотой 8–10 м всё время отрывалось от трубы. Пришлось срочно закрыть вращением запорный забойный клапан и почти 6 часов  
с длинной зажигалкой в руках стравливать газ из труб.  
Когда пласт утихомирился, приступили к подъёму. 
Тут же обнаружилось, что инструмент намертво прихвачен. Расхаживали, тянули, били ясcами – ничего не помогло. Тогда решили снова тянуть трубы на свой страх и риск. Ваш 
Рязанцев в своих таблицах предупреждает, что на такие компоновки нельзя давать растягивающие нагрузки больше 40 тонн сверх собственного веса, но мы дали натяжку почти  
в 70 тонн, не порвали трубы, а выдернули их из зоны прихвата. Правда, в скважине осталась 
вся пакерная резина. Ничего страшного! В любом случае будем проводить дополнительный 
спуск бурильной компоновки для проработки ствола и размалывания резины». 
Мы привели только один пример реального исследования. В соответствующих разделах данного пособия приводятся и другие промысловые эпизоды, но уже облачённые в строгие научно-технические формы. 
Даже в такой трудной и ответственной работе, как бурение и исследование скважин, 
есть своя романтика, и неформальной иллюстрацией существования такой романтики может 
выступить следующее небольшое стихотворение: 
 
 
8


(Скв. № 1 Бурунная, 7501 м, Астраханские степи) 
 
Жизнь, километры покрывая,  
Плывёт, несётся и летит. 
И лишь «немая» буровая 
В степи, забытая, стоит. 
 
И пассажирам в самолётах, 
И пассажирам в поездах 
Нет интереса и заботы 
Смотреть на голые места, 
 
Смотреть на эту степь пустую, 
Что ровной скатертью лежит.  
Смотреть на эту буровую,  
Которая как будто спит. 
 
Но люди там не спят, не дремлют. 
Там днём и ночью, в дождь и снег, 
Дрожа, дробят долота землю, 
А наверху – веселье, смех: 
 
«Квадрат» над ротором «играет», 
Бурильщик бдительно следит, 
Как метр за метром исчезает  
И как внизу раствор бурлит. 
Помбуры собирают «свечи». 
Ключи машинные гремят, 
Неистово сжимая плечи 
Неунывающих ребят. 
 
И счастлив я, что в жизни этой 
Мне доводилось там бывать 
И с вдохновением поэта 
Задор и силу воспевать! 
 
(Н. Ф. Рязанцев) 
 
Надеемся, что некоторые из читателей данной книги также «зажгутся» романтикой 
трудной профессии и, в конце концов, предложат для ознакомления и возможного декламирования свои «опытно-промысловые» лирические впечатления. 
Желаем Вам блестящих успехов и в трудовой деятельности: старайтесь избегать ошибок, набирайтесь опыта и не унывайте! 
9

1.ʦʦʫʪʫʻʰʫ
Добыча всех полезных ископаемых связана с техническим нарушением первоначальной земной коры и строительством капитальных, длительно действующих сооружений – как 
на поверхности земли, так и на разном углублении от земной поверхности (карьеры, шахты, 
колодцы, туннели, штольни, уклоны и др.). Все эти сооружения называют горными выработками. К их числу относят и буровые скважины, являющиеся важнейшим средством поиска, 
разведки и практического использования разнообразных природных богатств и энергетических ресурсов в хозяйственной жизнедеятельности.  
Скважина – это цилиндрическая горная выработка с условно круглым поперечным 
сечением, диаметр которого во много раз меньше её осевой протяжённости (глубины), которая осуществляется специальными буровыми комплексами без доступа человека внутрь выработки (в отличие от колодца или шахты). Буровые комплексы включают в себя: тяжёлое 
наземное оборудование для спусков-подъёмов колонн труб, глубинных механизмов и породоразрушающих инструментов; систему приготовления буровых растворов и промывки 
скважины для удаления выбуренной породы, очистки ствола, его охлаждения и поддержания 
необходимого противодавления на вскрываемые горизонты; развёрнутую наземную систему 
противовыбросового оборудования.  
К основным элементам скважины относятся: 
í устье скважины (её начало) – место пересечения горной выработки с земной поверхностью; 
í забой скважины (дно горной выработки) – переменная величина при непосредственном углублении; 
í стенки скважины – боковые поверхности горной выработки в разных интервалах 
глубин; 
í ствол скважины – геометрический объём в недрах земли, сформированный бурением и удалением разрушаемых при этом горных пород;  
í траектория скважины – пространственные геометрические координаты оси горной 
выработки; 
í глубина (для вертикальных скважин) или протяжённость (для всех прочих форм 
осей) – линейная размерность скважин; 
í зенитный угол – угол отклонения выбранного очень короткого, условно прямолинейного участка оси от вертикали; 
í азимут – отклонение условной плоскости пересечения наклонённого элементарного 
участка оси скважины с вертикальной осью относительно выбранного отсчётного 
(«начального») земного меридиана. В учебных пособиях эта плоскость именуется 
апсидальной (греч. Hapsis – свод). 
10