Технология бурения нефтяных и газовых скважин

 
 
 
 
 
А. Н. Попов 
 
 
 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИЯ БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ 
И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
1 
 

 
 
УДК 622.24 
ББК 33.131 
П58 
 
 
 
Рецензенты: 
директор НИОКР «Перфобур» (г. Уфа) доктор технических наук А. В. Лягов; 
ведущий научный сотрудник ОАО НПФ «Геофизика»  
доктор технических наук А. Ш. Янтурин 
 
 
 
 
Попов, А. Н. 
П58   
Технология бурения нефтяных и газовых скважин : учебное пособие / А. Н. Попов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 228 с. : 
ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1368-8 
 
Содержатся краткие сведения по технологии бурения нефтяных и 
газовых скважин. Рассматриваются механические свойства горных пород, 
промывка скважины и осложнения при бурении скважин. Дано понятие о 
режиме бурения и способах его проектирования. 
Для студентов нефтегазовых направлений подготовки небуровых 
специальностей высших учебных заведений. Может быть полезно инженерам-технологам нефтепромысловых предприятий. 
 
УДК 622.24 
ББК 33.131 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1368-8 
” Попов А. Н., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
2 
 

1
4
2
6
z
5
d
9
8
3
              а                               б 
            Рисунок 1 - Схема скважины 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
«Технология бурения нефтяных и газовых скважин» - одна из специальных дисциплин, определяющих профиль инженера по машинам и оборудованию нефтяных и газовых промыслов. 
 
Предметом дисциплины являются технологические процессы и операции, 
а также инструменты для их осуществления при бурении скважин на нефть и 
газ. 
 
Скважина и этапы ее сооружения. Схема бурения скважины 
  
 
Основным средством разработки нефтяных и газовых месторождений является бурение скважин. Скважина в стадии бурения представляет собой цилиндрическую горную выработку, сооружаемую с помощью специальных инструментов без доступа в нее человека. Вход 1 в скважину (рисунок 1, а) называют устьем, полость скважины 2 - стволом, дно скважины 3 - забоем, а цилиндрическую поверхность 4 ствола - стенкой скважины. 
В законченном виде скважина 
представляет собой капитальное сооружение в земной коре (рису- 
нок 1, б), предназначенное для извлечения из недр земли жидких и газообразных полезных ископаемых или 
для других целей. Стенки скважины 
крепят обсадными трубами 4 и 5. 
Пространство между трубами и стенкой скважины заполняют цементным раствором 6, который, затвердев, 
изолирует пласты горных пород друг 
от друга, а трубы защищает от коррозии. Против продуктивного пласта 8 
в трубах и цементном камне перфораторами выполняются отверстия 9 
(фильтр) для гидравлического сообщения пласта со скважиной.  
Экологические и геологические условия бурения обусловливают необходимость спуска нескольких колонн обсадных труб (не менее двух, как показано 
на рисунке 1, б). Первая обязательная колонна 4 называется кондуктор. Каждую последующую колонну подвешивают на предыдущей. На фланце 7 последней колонны 5, называемой эксплуатационной, подвешивают нефтегазопромысловое оборудование, спускаемое в скважину, и монтируют устьевое 
оборудование. Эксплуатационная колонна также является обязательной. 
 
Цикл строительства скважины включает: 
- строительство подъездных путей, подвод воды и электроэнергии, подготовку основания, строительство и монтаж буровой; 
3 
 

 
 
- последовательное бурение совместимых по геологическим условиям интервалов ствола, их крепление трубами и разобщение пластов цементом; 
- оборудование устья и перфорацию обсадной колонны в интервале продуктивных пластов; 
- освоение и испытание скважины на продуктивность; 
- демонтаж бурового оборудования. 
 
 
Скважины классифицируют по нескольким признакам. 
По назначению: 
структурно-поисковые í для изучения геологического строения района, 
перспективного с точки зрения полезных ископаемых; 
разведочные í для выявления продуктивных горизонтов (пластов) и определения их промышленного значения; 
эксплуатационные í для извлечения из продуктивных горизонтов полезных ископаемых (в частности нефти, газа); 
нагнетательные í для закачки в продуктивные пласты воды или газа с 
целью поддержания пластового давления в процессе эксплуатации; 
специальные (опорные, опорно-технологические, оценочные, контрольные и т. д.) í для детализации изучения геологического разреза месторождения, 
отработки технологии бурения, наблюдения и контроля за разработкой месторождения и других специальных задач. 
 
 
По пространственному положению ствола скважины: 
вертикальные í ось скважины отклонена от вертикали не более чем на 
1…2q; 
наклонно-направленные í ось скважины искусственно совмещается с заданным профилем, при этом точка встречи скважины с продуктивным пластом 
(или проектным объектом, например, при тушении открытых фонтанов) находится на значительном расстоянии (сотни метров) от вертикали, проведенной 
через устье скважины; 
горизонтальные í скважины содержат хотя бы один участок, как правило, последний, ось которого отклонена от вертикали на угол, близкий к 90q. 
 
 
По размещению устья на месторождении: 
одиночные, как правило, вертикальные, реже наклонные или горизонтальные; 
кустовые, пробуренные последовательно с одного подготовленного основания.  
 
Бурение скважины ведется с помощью буровых установок с применением 
специальных инструментов и промывочных жидкостей. Простейшая схема 
приведена на рисунке 2. Скважина бурится долотом 1, которое нагружается весом бурильного инструмента и приводится во вращение забойным двигателем 2 
или ротором 6. Вращение от ротора передается долоту с помощью бурильного 
инструмента, включающего ведущую трубу 5 квадратного сечения, бурильные 
4 и утяжеленные трубы 3. Бурильный инструмент (колонна труб) через вертлюг 
7 подвешивается на вышке 9 с помощью полиспаста 8 (талевой системы), 
4 
 

 
 
включающей талевый канат. Один конец каната соединен с барабаном лебедки 
10 (ходовой конец каната), второй конец прикреплен к основанию буровой 
вышки (мертвый конец каната). Вертикальное перемещение бурильного инструмента обеспечивается наматыванием (подъем) или сматыванием (спуск) 
ходового конца каната при вращении барабана лебедки 10. Ротор и лебедка 
приводятся во вращение приводом 11. Во время бурения скважина промывается 
жидкостью, которую подает насос 12 к стояку 13, по буровому шлангу 14, через 
трубы к забойному двигателю и долоту. Жидкость выходит из отверстий долота 
на забой, очищает его от разрушенной породы (шлама) и по зазору между трубами и стенкой скважины выходит на поверхность. Затем по желобу 15 направляется в систему очистки от шлама (на схеме это емкость 16 для отстоя жидкости) и в приемную емкость 17 насоса 12.  
 

9
8
7
6
1
0
1
1
1
2
1
3
1
4
5
1
5
1
6
1
7
4
3
2
1
 
 
Рисунок 2 - Простейшая схема вращательного бурения скважины 
  
Непосредственно бурение скважины ведется в следующей последовательности. Долото 1 на трубах 3, 4 спускают до забоя, включают промывку 
скважины, включают вращение долота (при бурении ротором) и плавно нагружают долото требуемой осевой нагрузкой. После углубления скважины на величину свободной части ведущей трубы 5 отключают вращение и промывку, 
инструмент приподнимают до выхода из скважины резьбового соединения ведущей трубы и бурильного инструмента, отвинчивают ведущую трубу, навин5 
 

 
 
чивают следующую трубу, т. е. наращивают бурильную колонну, навинчивают 
рабочую трубу, опускают инструмент до забоя и продолжают бурение. 
 
Развитие бурения можно проиллюстрировать видом буровых установок. 
На рисунке 3 показан общий вид буровой установки, построенной товариществом Г.И. Зотов и Кq в 1910 году. Пробуренная этой установкой скважина дала 
первую нефть на северном Сахалине.  
 
 
 
Рисунок 3 - Буровая установка Г.И. Зотова 
 
 
Буровая смонтирована в деревянном сарае и была маломощной. Вышка 
обшита досками. Глубокие скважины в то время бурились месяцами и даже годами. 
 
 
 
Рисунок 4 - Буровая установка Уралмаш 5000/320 
6 
 

 
 
Современная буровая установка показана на рисунке 4. Эта установка 
предназначена для бурения скважин глубиной до 5000 м. Ее грузоподъемность 
составляет 320 тонн. Установка содержит вышку 1 и привышечные сооружения, включающие блок привода 2 и блок системы промывки 3. Такие установки 
позволяют пробурить скважину за несколько дней или недель. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 

 
 
 
Тема 1. ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ, ИХ ЗАЛЕГАНИЕ 
И СКОПЛЕНИЕ В НИХ НЕФТИ И ГАЗА 
 
1.1. Характеристики осадочных горных пород 
 
 
По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические, осадочные и метаморфические. 
 
Магматические породы образовались из магмы в результате ее застывания на глубине или лавы, излившейся на поверхность. 
 
Осадочные породы образовались в результате химико-физического преобразования ранее существующих пород с последующим их переносом и отложением в виде пластов (слоев). Они покрывают практически всю поверхность 
Земли. В эту группу также входят породы, образованные в результате жизнедеятельности организмов (органические осадочные породы). 
 
Метаморфические породы образовались в результате преобразования 
магматических и осадочных пород под действием высоких давления и температуры. 
 
Нефть и газ залегают преимущественно в осадочных породах, поэтому 
ниже рассматриваются только осадочные горные породы. 
 
Осадочные горные породы различают по возрасту и литологии. Изучением возраста горных пород занимается наука стратиграфия. Вся история Земли 
делится на условные отрезки времени í эры. Эры делятся на периоды, периоды 
на эпохи и века. Осадочные горные породы, образовавшиеся в соответствующие отрезки времени, делят на группы, системы, отделы и ярусы. В табли- 
це 1.1 показан возраст горных пород.  
Таблица 1.1 - Названия эр и периодов и их продолжительность 
Эра (группа) 
Период (система) 
Продолжительность,  
млн лет 
Кайнозойская 
Четвертичный(ая) 
Третичный(ая)
1 
65 
Мезозойская 
Меловой(ая) 
Юрский(ая) 
Триасовый(ая)
70 
45 
40 
Палеозойская 
Пермский(ая) 
Каменноугольный(ая) (карбон) 
Девонский(ая) 
Силурийский(ая) 
Ордовикский(ая) 
Кембрийский(ая)
45 
50 
80 
20 
60 
90 
Протерозойская 
1300 
Архейская 
- 
 
8 
 

 
 
 
Описанием горных пород по составу занимается наука литология. По литологии все породы делят на три подгруппы, характеристики которых приведены в таблице 1.2. В скобках показано примерное распространение пород в разрезах нефтяных и газовых месторождений. Обломочные горные породы состоят 
из монокристаллических или поликристаллических обломков, не связанных 
между собой (рыхлые) и связанных между собой цементирующим веществом 
(сцементированные). Цемент может быть кремнистым, карбонатным, глинистым и битуминозным. Состав и прочность цемента во многом определяют 
прочностные свойства обломочных горных пород. 
Таблица 1.2 í Осадочные горные породы 
Подгруппы 
Вид связей
Примеры 
Обломочные  
глинистые (54 ) 
Связные 
Сцементированные
Глины 
Аргиллиты, глинистые сланцы
Рыхлые 
Сцементированные 
Алевриты, пески 
Алевролиты, песчаники 
Обломочные  
мелкоземистые  
и песчаные 
(21 ) 
Кристаллизационные 
Кристаллические  
хемогенного  
и органогенного  
происхождения 
(24 ) 
Карбонаты (известняки, 
доломиты) 
Сульфаты (ангидриты, 
гипсы) 
Галоиды (каменная соль, 
калийная соль, бишофит)
 
 
Обломочные горные породы, как правило, полиминеральные, а кристаллические горные породы мономинеральные. 
 
Важнейшими характеристиками строения горных пород являются их пористость и проницаемость. Пористость обусловлена наличием пустот в горной породе и характеризуется коэффициентом пористости т: 
 
т = Vпор /Vг.п.,  
(1.1) 
где Vпор – объем пор; Vг.п.í объем горной породы. Величина пористости в долях 
единицы изменяется от нуля до 0,45. Пустоты (поры и трещины) заполнены 
жидкостями, газами и газожидкостными смесями, для которых используют общий термин í флюиды. 
 
 
Проницаемость характеризует сообщаемость пор, которая обеспечивает 
возможность перемещения флюидов в пласте при наличии перепада давления. 
Перемещение жидкости в пласте описывается формулой Дарси: 
 
 
v = 
,
dL
dP
k ˜
K
 м/с, 
(1.2) 
 
где v í скорость движения флюидов по пласту; k í коэффициент проницаемости; Ș í вязкость флюида; dP/dL í градиент давления при испытании. 
9 
 

 
 
  
Месторождения нефти и газа приурочены к пористым проницаемым горным породам, которые называют коллекторами. 
 
1.2. Горное и пластовое давления. Модели осадочных горных пород. 
Аномалии пластового давления 
 
 
Горные породы находятся в естественном напряженном состоянии, называемом горным давлением. Это давление создается весом вышележащих пород 
(рисунок 1.1). Вертикальная компонента называется геостатическим давлением рг, а горизонтальная - боковым давлением рб: 
 
 
рг = ȡgz;  
(1.3) 
 
 
рб = Ȝ рг,  
(1.4) 
 
где ȡ - плотность горных пород (ȡ = 1900…3000 кг/м3); g – ускорение силы тяжести; Ȝ - коэффициент бокового распора, зависящий от упругих свойств горной породы; z - глубина залегания горной породы (в осадочных горных породах Ȝ лежит в пределах от 0,1 до 1,0). 
 
 
Рисунок 1.1 - Компоненты горного давления 
 
 
Осадочные горные породы двухкомпонентные системы - скелет горной 
породы (твердая часть) и пластовый флюид в порах породы. В механике грунтов горные породы рассматриваются как зернистые системы, погруженные в 
жидкость (рисунок 1.2, а). 
 
Зернистая модель характерна для обломочных несцементированных горных пород с точечным контактом обломков друг с другом. Обломки горной породы 1 находятся во флюиде 2 и теряют часть своего веса в соответствии с законом Архимеда. Поэтому для зернистой модели горной породы введено понятие об эффективных напряжениях, равных разности между горным давлением, 
как в сплошной среде, и пластовым или поровым давлением: 
 
 
рэф = рг – рп . 
 (1.5) 
 
 
Действие закона Архимеда возможно, если имеет место как горизонтальная, так и вертикальная проницаемость горных пород на всю глубину. При бурении такие условия выполняются только для поверхностных отложений.  
10