Разрушение горных пород при бурении скважин

РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ 
ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ 

СКВАЖИН

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

В.В. Нескоромных

Рекомендуется  Федеральным государственным бюджетным 
образовательным учреждением высшего профессионального 

образования «Национальный минерально-сырьевой  

университет “Горный”» в качестве учебного пособия  

для студентов, обучающихся по профилю подготовки

бакалавров «Бурение нефтяных и газовых скважин» 

направления 21.00.00 «Нефтегазовое дело» 

(регистрационный номер рецензии 2730 от 13.03.2014, МГУП)

Министерство образования и науки Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

 
Москва 
Красноярск

 
ИНФРА-М 
СФУ

Н 55

УДК 550.82 (075.8)
ББК 33.13я73
Н 55

Подписано в печать 25.09.2014. Формат 60 ×90/16. Бумага офсетная.  
Гарнитура «Newton». Печать офсетная. Усл. печ. л. 21,0. Уч.-изд. л. 22,68 
ПТ10. 
Цена свободная. 
TK 466250-455795-250914

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29 
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru

Редакционно-издательский отдел Библиотечно-издательского комплекса
Сибирского федерального университета
660041, г.  Красноярск, пр. Свободный, 79
Тел./факс: (391) 206-21-49. E-mail: rio@sfu-kras.ru   http://rio.sfu-kras.ru

Нескоромных В.В.
Разрушение горных пород при бурении скважин : учебное пособие. — Москва : ИНФРА-М; Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2023. — 
337 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/5766.
ISBN 978-5-16-009729-9 (print)
ISBN 978-5-16-101133-1 (online)
Рассмотрены основы прочности и механики сплошной среды, методы определения 
механических свойств горных пород, процессы при механическом вращательном бурении горных пород различными типами буровых инструментов, параметры и свойства, 
определяющие буримость горных пород. Внимание уделено механизму разрушения 
горных пород при бурении различными типами породоразрушающих инструментов, 
таких как долота и коронки с твердосплавными резцами и резцами PDC, алмазным 
однослойным и импрегнированным инструментом и шарошечными долотами. 
Проанализированы условия разрушения горных пород при бурении глубоких скважин, 
влияние параметров режима бурения, очистных агентов и горно-геологических условий.
Предназначено для студентов вузов по направлению подготовки «Нефтегазовое 
дело», профиль подготовки «Бурение нефтяных и газовых скважин»; может использоваться студентами вузов, обучающимися по специальности «Технологии геологической 
разведки», специализация «Технология и техника разведки месторождений полезных 
ископаемых»; также будет полезно аспирантам научных специальностей «Бурение 
и освоение скважин» и «Технология и техника геологоразведочных работ» и инженерно-техническим работникам, занятым в сфере производства буровых работ.

УДК 550.82 (075.8)
ББК 33.13я73

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ISBN 978-5-16-009729-9 (print)
ISBN 978-5-16-101133-1 (online) 
© Нескоромных В.В., 2015

Р е ц е н з е н т ы :
К.И. Борисов, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой Национального исследовательского томского политехнического университета;
П.С. Пушмин, канд. техн. наук, доцент Национального исследовательского иркутского государственного технического университета

Введение

Дисциплина «Разрушение горных пород при бурении скважин» явля
ется базовой при изучении дисциплин по профилю подготовки «Бурение 
нефтяных и газовых скважин», «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых», а ее изучение основывается на знании законов общей физики, физики твердого тела, теоретической механики, 
сопротивления материалов и математики.

Курс дисциплины включает информацию:

 
• о способах разрушения горных пород;

 
• свойствах горных пород, определяющих их прочность и буримость;

 
• механике разрушения горных пород;

 
• процессах разрушения горных пород различными породоразрушаю
щими инструментами и методах интенсификации разрушения под 
воздействием различных технологических факторов;

 
• процессах удаления продуктов разрушения горных пород из скважины.

Процесс разрушения горных пород при бурении — разрушение горных по
род на забое скважины вследствие механического или физико-химического воздействия на породу, производимого с целью формирования поля 
механических напряжений, достаточных для нарушения сплошности определенного объема (слоя) горного массива или преобразования породы 
в расплав, пар, раствор и удаления образовавшихся продуктов разрушения, 
растворения или плавления с забоя скважины на поверхность или в скважинное пространство. 

Рациональное соотношение операций породоразрушающего воздей
ствия на породу и удаления продуктов разрушения с забоя из-под торца 
бурового инструмента является важным аспектом, определяющим минимальную энергоемкость и соответственно эффективность бурового процесса.

Энергоемкость процесса разрушения горных пород на забое скважи
ны — показатель эффективности процесса разрушения горных пород, 
который определяется как отношение затраченной на разрушение породы 
энергии к интервалу углубки (объему разрушенной породы) за определенный отрезок времени.

В данном случае важно подчеркнуть, что процесс разрушения породы 

при бурении — два взаимосвязанных явления: собственно нарушение целостности породы породоразрушающим действием и удаление, по возможности мгновенное, полученных продуктов разрушения из зоны работы породоразрушающих элементов инструмента. Эти два взаимосвязанных 
явления объединены в понятии «буримость».

Буримость — сопротивляемость горной породы разрушению буровым 

инструментом, задаваемая совокупностью прочностных и абразивных 
свойств горной породы, способом и интенсивностью породоразрушающего действия, конструктивными параметрами и техническим состояни

ем бурового инструмента, а также способом и параметрами процесса удаления продуктов разрушения из зоны породоразрушающего действия 
бурового инструмента.

Количественно буримость можно оценить механической скоростью бу
рения. 

В начале ХХI в. способы механического разрушения горных пород по
прежнему обеспечивают основной объем буровых работ, именно поэтому 
в учебном пособии основное внимание уделено механическому разрушению горных пород под воздействием поля механических напряжений.

Следует отметить, что резервы механических способов бурения в на
стоящее время далеко не исчерпаны. В связи с появлением новых сверхтвердых материалов, технологий их обработки, упрочнения металлов 
и сплавов, новых конструкций бурового инструмента, мощных и надежных 
забойных приводов, забойных гидродвигателей, новых конструкций буровых установок непрерывно растет производительность бурения.

В то же время получают развитие и новые, перспективные способы 

бурения, основывающиеся на физико-химических воздействиях на горную 
породу, например бурение плавлением пород и лазером.

В США (1997 г.) в Gas Technology Institute начат проект лазерного бурения. 

В проекте участвуют Арагонская национальная лаборатория министерства 
энергетики США и Горная школа Колорадо. Для экспериментов предоставлены два армейских лазера MIRACL и COIL. Оба они работают в инфракрасном диапазоне, потребляют мощность до 1 МВт. Параметры лазера: 
длина волны — 1,06 мкм; средняя мощность — 1,6 кВт; максимальная пиковая мощность — 32 кВт; длительность импульса — 0,1–10 мс; частота 
повторения 25–800 имп/с; максимальная энергия — 100 Дж/имп.

Установлено, что режим работы лазера существенно влияет на разру
шение породы: длинные импульсы с высокой частотой повторения приводят к плавлению породы, короткие импульсы с малой частотой — к ее 
растрескиванию. 

Министерство энергетики США в 2001 г. объявило о продолжении ра
бот по бурению лазером. Предполагается, что энергия от лазера будет доставляться на забой с помощью пучка волоконно-оптических линий. 

Считается, что скорость бурения лазером может возрасти в 10–100 раз 

в сравнении с достигаемой механическим разрушением, что обещает мощный технологический прорыв в бурении.

Развитию этих перспективных способов способствуют совершенство
вание и модернизация буровых агрегатов, повышение их энерговооруженности, создание неразъемных бурильных колонн — колтюбинга.

Колтюбинг (англ. coiled tubing — катушка, труба) — бурение скважин 

с использованием стальной длинномерной безмуфтовой гибкой трубы, 
навиваемой на катушку-барабан, взамен традиционной разъемной бурильной колонны. Колтюбинг способен обеспечить надежную по сравнению 
с разъемной колонной передачу к забою энергии, необходимой для работы 
лазера.

Глава 1. 
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТОДАХ 
РАЗРУШЕНИЯ И СВОЙСТВАХ ГОРНЫХ 
ПОРОД

1.1. 
СПОСОБЫ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Известные методы разрушения горных пород, представленные 

в табл. 1.1, основываются на классификации профессора С.С. Сулакшина1 с добавлением метода физико-механического и химического 
воздействия на породу.

Таблица 1.1

Методы и процессы разрушения горных пород

Воздействие на породу
Процесс разрушения
Механизм разрушения

Физико-механическое 

1. Смятие.
2. Раздавливание.
3. Дробление.
4. Скалывание.
5. Отрыв.
6. Резание.
7. Истирание.
8. Шелушение.
9. Растрескивание.
10. Раскалывание

Механическое нарушение связей между элементами, слагающими породу, без изменения 
состава и свойств веществ, 
слагающих породу

Физико-химическое 

1. Плавление.
2. Испарение.
3. Горение.
4. Растворение

Нарушение связей между элементами, слагающими породу, 
с изменением агрегатного состояния, состава и свойств 
вещества

Физико-механическое 
и химическое 

1. Механическое разрушение 
и адсорбционное понижение 
твердости.
2. Механическое разрушение 
и интенсификация адсорбционного понижения твердости 
воздействием ультразвука, 
магнитными и иными полями.
3. Механическое разрушение 
и размягчение породы нагреванием

Механическое нарушение связей между элементами, слагающими породу, с некоторым возможным изменением свойств 
вещества

Большинство способов бурения основано на механическом раз
делении некоторого объема породы (призабойного слоя) на частицы 

1 
 Сулакшин С.С. Разрушение горных пород при бурении скважин: Учеб. пособие для вузов. Томск: Изд-во ТПУ, 2004.

небольшого размера. Разделение объема породы происходит под воздействием поля механических напряжений, создаваемых в отдельных 
точках забоя, в которых напряжения достигают критических с точки 
зрения прочности горных пород значений. 

При механическом разрушении напряжения в определенных зонах 

забоя превышают сопротивление внутренних связей в горной породе. 
Концентрированные напряжения возникают под воздействием внешних сил, появление которых связано с силовым воздействием со стороны буровых инструментов, оснащенных породоразрушающими 
элементами, твердость которых существенно выше твердости горных 
пород. 

В результате взаимодействия породоразрушающего инструмента 

с забоем в горной породе под торцом инструмента формируется поле 
механических напряжений как результат объемно-геометрического 
суммирования напряжений от действия отдельных сил со стороны 
каждого породоразрушающего элемента. 

Напряжения в горной породе могут возникать и без использования 

специальных породоразрушающих инструментов вследствие напора 
струи жидкости, при действии взрывной волны или расширяющихся 
при взрыве газов, гидравлического удара.

Разрушение может происходить в результате действия внутренних 

сил, возникающих под влиянием градиента температуры породы, 
задаваемого струей раскаленных газов, электрическим полем или 
электромагнитным излучением оптического диапазона малой частоты, вызванного лазером, и др. 

При термическом воздействии на горную породу происходит ее 

плавление с выделением газа. 

Растворению водой подвержены соли. 
Из некоторых руд, например золота, урана, меди, молибдена, ме
таллы извлекаются выщелачиванием — путем взаимодействия с кислотами, щелочами или растворами солей.

Для бурения известно также использование комбинированных 

способов разрушения горных пород, например термомеханического, когда породоразрушающий инструмент для бурения механическим способом нагревается до температуры, достаточной для пластического размягчения горной породы в призабойном слое. В данном случае интенсификация процесса разрушения достигается за 
счет наложения полей механических напряжений и температурного поля. Нагрев породоразрушающего инструмента производится 
за счет подачи электроэнергии, нагрева паром или различными горелками. 

Предварительные исследования показали, что скорость бурения 

может возрасти от 2 до 100 раз в сравнении с механическим бурением 
без какой-либо значительной зависимости от степени износа резца.

1.2. 
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГОРНЫХ ПОРОДАХ

По происхождению горные породы разделяются на осадочные, маг
матические и метаморфизованные. 

Основные нефтяные и газовые месторождения сложены осадоч
ными и измененными породами, такими как глины, песчаники, каменные соли, гипсы, доломиты, мергели, известняки, галечники, 
алевролиты и др. 

Значительная часть этих пород являются водо-, газо- и нефтена
сыщенными коллекторами. Коллекторами нефти и газа называются 
горные породы, способные вмещать жидкости и газы и пропускать 
их через себя при наличии перепада давления. Наиболее распространенные коллекторы нефти и газа — терригенные и карбонатные горные породы. Терригенные породы-коллекторы представлены в основном песчаниками и алевролитами, карбонатные — известняками 
и доломитами.

Все известные коллекторы нефти и газа подразделяются на поро
вые, трещинные и смешанные.

Пустотность — наличие в горной породе пустотного пространства, 

которое определяется наличием пор, а также трещин и каверн. 

Под пористостью понимают пустотность породы-коллектора, 

представленную межзерновыми порами. Количественно пористость 
выражается коэффициентом пористости, измеряемым в процентах 
или долях единицы.

Коэффициентом полной пористости называют отношение объема 

всех пор образца породы к видимому объему этого образца. В зависимости от размера различают поры: 

 
• сверхкапиллярные (диаметр — более 0,508 мм), жидкость в них 

активная и может свободно передвигаться; 

 
• капиллярные (диаметр — 0,508–0,0002 мм), в них также происхо
дит движение жидкости и газов; 

 
• субкапиллярные (диаметр — менее 0,0002 мм), действие молеку
лярных сил в них настолько велико, что жидкость при наблюдающихся перепадах давления не может перемещаться.
Эффективная пористость — объем поровой системы, способной 

вместить нефть и газ, с учетом остаточной водонасыщенности, т.е. 
она характеризует полезную емкость пород для нефти и газа и отражает газонефтенасыщенность. В лабораторных условиях пористость 
определяется путем измерения объема образца породы и суммарного 
объема пустот в нем.

Трещиноватость — наличие в породе трещин. Трещины — это раз
рывы в горной породе (без перемещения блоков породы), характеризующиеся раскрытостью от десятков микрон до миллиметров, преимущественно тектонического происхождения.

Проницаемость — способность породы пропускать через себя жид
кости и газы (при наличии перепада давления). Проницаемость количественно характеризует фильтрационные свойства коллектора.

Для горных пород характерна неоднородность состава, распреде
ления минеральных зерен, пористости и трещиноватости, плотности 
и механических свойств.

Горные породы состоят из минеральных зерен, а те в свою очередь — 

из кристаллов, составляющих «каркас» и структуру минерала и определяющих его деформируемость и прочность. Разновидность минералов, количественное их соотношение и структура распределения 
в породе определяют вид горной породы. Физическое и прочностное 
состояние горной породы будет зависеть еще и от ее разупрочнения, 
которое чаще всего определено наличием трещин и жидкости в них. 
Трещины в породе, как правило, развиваются по плоскостям контакта минеральных зерен.

Кристалл — твердое тело, в котором материальные частицы (ато
мы, ионы или молекулы) располагаются закономерно наподобие узлов пространственных решеток. Правильная, геометрически упорядоченная форма кристаллов обусловлена внутренним атомным строением. 

Кристаллы сохраняют свою форму в основном за счет электроста
тических сил взаимодействия между элементарными частицами. Например, может проявляться ионная связь, причем ионов различного 
заряда. Прочность (Р) ионной связи определяется расстоянием (L) 
и величиной заряда (А):

 
A
P
.
L
=
 
(1.1)

Ионные решетки присущи неорганическим соединениям (силика
ты, галогены и др.). Классическим примером ионной решетки является пространственная решетка кристаллов каменной соли, в узлах 
которой находятся положительные ионы Na+ и отрицательные ионы 
Cl –.

У атомных решеток в узлах находятся нейтральные атомы. При
мером атомной решетки может быть кристалл алмаза.

Молекулярные решетки строятся таким образом, что в узлах распо
лагаются молекулы. Такие решетки характерны главным образом для 
органических соединений и достаточно слабы.

В природе часто встречаются и смешанные — ионно-молекулярные 

решетки. Такие кристаллы отличаются тем, что в одном слое (плоскости) может быть ионная связь, а между слоями — молекулярная. 
Такие кристаллы, например глинистый минерал монтмориллонит, 
легко разрушаются по плоскостям.

Слоистые кристаллы возможны и при однородной связи. Напри
мер, графит (рис. 1.1) имеет слоистое строение и легко делится на 
чешуйки, что объясняется ослаблением связи между слоями вследствие большего расстояния (С) между атомами углерода по сравнению 
с расстоянием между атомами, образующими кристалл в плоскости 
чешуйки (а).

С  

а  

Рис. 1.1. Структура графита (а = 2,46 Å, С = 3,41 Å)

Кристаллическая структура алмаза (рис. 1.2) относится к кубиче
ской решетке, в которой атомы углерода размещены в вершинах элементарной кубической ячейки и в центрах ее граней. От обычной 
кубической решетки структура алмаза отличается наличием четырех 
атомов углерода, размещенных в центрах четырех из восьми маленьких кубов элементарного куба. Вследствие этого каждый атом углерода 
в решетке очень прочно связан с четырьмя соседними атомами. Именно поэтому алмаз имеет очень высокую твердость, которая в тысячи 
раз выше твердости любого известного минерала.

а 

Рис. 1.2. Структура алмаза (a = 1,54 Å)

При одинаковости состава структура алмаза определяет значитель
ную разницу в свойствах алмаза и графита (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Характеристики свойств графита и алмаза

Свойство
Графит
Алмаз

Плотность, г/ cм3
2,25
3,5

Прочность при растяжении, МПа
3,5–17 
1800

Твердость по шкале Мооса
0,15
10

Модуль упругости, кПа
0,5·107
113·107

На прочность связи в кристаллах большое влияние оказывает вода. 

Молекулы воды ослабляют внутренние связи, понижая прочность.

Кристаллы обладают такими свойствами, как анизотропия, спай
ность (способность раскалываться по плоскостям) и наличие естественных дефектов.

По строению горные породы бывают кристаллическими (из осадоч
ных — соль, а в основном это породы магматического происхождения), 
аморфными (магматические — обсидиан, кремень), обломочными (продукты разрушения различных пород).

Структура породы — особенности строения горных пород, связан
ные с размерами и формой минералов. 

По величине кристаллов (К) структура горных пород может быть:

 
• крупнокристаллическая (К > 1,0 мм) — различимы глазом;

 
• среднекристаллическая (К = 0,1–1,0 мм) — различимы лупой;

 
• скрытокристаллическая (К = 0,01–0,1 мм) — различимы в микро
скоп;

 
• полиморфная (К < 0,01 мм) — различимы в микроскоп.

По отношению размеров кристаллов горные породы могут быть 

равномерно-зернистые, разнозернистые и порфировые (крупные кристаллы на фоне мелких).

С увеличением размеров зерен прочность равномерно-зернистых 

пород снижается. Это связано с тем, что, как установлено П.А. Ребиндером, чем меньше частицы, слагающие твердое тело, например 
породу, тем меньше микротрещиноватость и другие нарушения, которые являются основной причиной разрушения твердого тела. Изменение размеров зерен от 1 до 100 мкм снижает прочность пород 
почти в 2 раза1.

Обломочные породы по структуре бывают брекчиями и конгломе
ратами.

Осадочные породы бывают рыхлыми и сцементированными, напри
мер пески и песчаники. Песчаники отличаются как по составу зерен 
песка и их размеру, так и по составу связки. Данные особенности существенно влияют на абразивные и прочностные характеристики 

1 
Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физикохимическая механика: Избр. труды. М.: Наука, 1979.