Развитие технологий и технических средств бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин

 
 
 
 
 
 
 
И. Д. Мухаметгалиев 
 
 
 
 
 
 
РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ БУРЕНИЯ 
НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 
 

 
 
 
УДК 622.24 
ББК 33.131 
М92 
 
 
 
Рецензенты: 
д. т. н., доцент, доцент кафедры «Бурение нефтяных 
и газовых скважин» ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной 
технический университет» А. Х. Аглиуллин; 
д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Бурение нефтяных 
и газовых скважин» ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной 
технический университет» Р. А. Исмаков 
 
 
 
 
 
 
 
Мухаметгалиев, И. Д. 
М92  
Развитие технологий и технических средств бурения наклоннонаправленных и горизонтальных скважин : монография / И. Д. Мухамет- 
галиев. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 108 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1737-2 
 
Приведен исторический анализ развития технических средств и технологий бу- 
рения наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Выполнена систематизация этапов развития техники и технологии по бурению ННГС, а также их влияния 
на повышение эффективности ННБ. Разработана компьютерная программа-тренажер 
для моделирования имитации основных процессов бурения ННГС на основе метода 
начальных параметров. 
Для специалистов и инженеров по бурению ННС, выполняющих тренировочную 
работу с целью обучения проводке и телеметрическому сопровождению бурения нефтяных и газовых скважин сложного профиля. 
 
УДК 622.24 
ББК 33.131 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1737-2 
” Мухаметгалиев И. Д., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 
 

 
ʝʒʚʏʑʚʔʜʗʔ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................................. 5 
 
Глава 1 
ЗАРОЖДЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ДЛЯ ДОБЫЧИ 
НЕФТИ И ГАЗА......................................................................................................... 6 
1.1. Становление технологии бурения  на суше в XIX–XX веках ...................... 6 
1.2. История освоения морского бурения в России и за рубежом ...................... 8 
1.3. Возникновение горизонтально-направленного бурения 
............................. 14 
Выводы по главе 1 
.................................................................................................. 17 
 
 
Глава 2 
АНАЛИЗ ИСТОРИЧЕСКИХ ЭТАПОВ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ 
СРЕДСТВ ДЛЯ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ 
................... 19 
2.1. Литературный анализ исторических данных о зарождении                  
наклонно-направленного бурения ........................................................................ 19 
2.2. Исторический посыл к зарождению наклонно-направленного бурения      
и методики забуривания скважин под углом ...................................................... 22 
2.3. Ранние методы измерения зенитного угла и азимута                            
наклонной скважины.............................................................................................. 24 
2.4. Способы забуривания скважин под направлением и состояние обучения  
инженеров наклонно-направленного бурения .................................................... 26 
2.5. Отклоняющие устройства, их совершенствование, интегрирование              
в компоновку нижней части бурильной колонны .............................................. 28 
2.6. Эволюция скважинных приборов для измерения зенитного угла                        
и азимута ................................................................................................................. 33 
2.7. Обобщение этапов развития наклонно-направленного бурения ............... 34 
Выводы по главе 2 
.................................................................................................. 39 
 
Глава 3 
ИСТОРИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ                
НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ НА ШЕЛЬФЕ И МОРЕ .............................. 41 
3.1. Этапы развития технологий бурения направленных скважин                      
и механизация забойного оборудования  
............................................................. 41 
3.2. Развитие способов и технических средств для морского бурения ............ 45 
3.3. История освоения крупнейшего нефтяного месторождения                  
Нефтяные Камни .................................................................................................... 52 
Выводы по главе 3 
.................................................................................................. 54 
 
 
3 
 

 
 
Глава 4 
ИСТОРИЧЕСКИЙ ПОСЫЛ К РАЗВИТИЮ МОДЕЛИРОВАНИЯ             
ПАРАМЕТРОВ КОМПОНОВКИ НИЖНЕЙ ЧАСТИ БУРИЛЬНОЙ        
КОЛОННЫ ДЛЯ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ ............... 56 
4.1. Развитие скважинного оборудования и технологий                                     
для наклонно-направленного бурения ................................................................. 56 
4.2. Исторический анализ методик расчета и моделирования параметров      
компоновки нижней части бурильной колонны для управления траекторией  
при бурении наклонных скважин ......................................................................... 58 
4.3. Методика расчета компоновок низа бурильной колонны методом         
начальных параметров 
........................................................................................... 60 
4.4. Итоги разработки человеко-машинного интерфейса тренажера               
для наклонно-направленного бурения ................................................................. 71 
4.4.1. Требования к разработке человеко-машинного интерфейса               
тренажера для наклонно-направленного бурения 
........................................... 77 
4.4.2. Аналитико-экспериментальная оптимизация облика                           
диалоговых окон человеко-машинного интерфейса ....................................... 78 
4.5. Влияние качества человеко-машинного интерфейса на эффективность  
совместного обучения на тренажере 
.................................................................... 79 
4.6. Перспективы развития моделирования производственных процессов       
на базе программных тренажеров ........................................................................ 81 
Выводы по главе 4 
.................................................................................................. 90 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 92 
 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ  
.......................................... 93 
 
 
 
4 
 

 
 
ʑʑʔʓʔʜʗʔ 
 
Начало XXI века ознаменовалось усилением глобальной конкуренции на 
мировом нефтяном рынке между Россией и ведущими западными странами, 
следствием чего стала санкционная война этих держав против России. Стало понятно, что без создания новых и укрепления действующих отечественных производственных мощностей в топливно-энергетическом комплексе России на базе отечественных технологий будет невозможно выдержать эту конкуренцию. 
В 2013 г. об импортозамещении и независимости от импорта заговорили как 
о реальном средстве, способном вывести страну из стагнации и обеспечить экономический рост. Мероприятия, утвержденные Приказом Министерства промышленности и торговли РФ от 31.03.2015 № 645, предполагали переход от импортного оборудования к отечественному внутри всего топливно-энергетического комплекса. Для индустрии наклонно-направленного бурения (ННБ) вопрос стал еще более актуальным, поскольку на тот момент привлекались десят- 
ки международных фирм, занимающихся не только производственным про- 
цессом, но и задействованных в смежных областях: снабжение программным 
обеспечением, обучение специалистов и т. д. Согласно Приказу Минпромтор- 
га России к 2020 г. максимальная доля потребления импортного оборудования 
в виде роторно-управляемых систем, приборов телеметрии и геофизического 
каротажа в процессе бурения должна была снизиться с 83  до 60 , а доля 
программного обеспечения для моделирования процессов бурения нефтегазовых скважин – с 95  до 70 . Однако, несмотря на активный процесс разработки отечественных роторно-управляемых систем, приборов каротажа и программных продуктов показатели эффективности работы российских компаний 
в данном сегменте топливно-энергетического комплекса остаются недостаточно удовлетворительными. Дополнительным решением вопроса импортозамещения в области повышения эффективности техники и технологий в бурении 
нефтяных и газовых скважин является глубокий и всесторонний анализ этапов 
развития технических средств и технологических способов для ННБ с целью 
их перепроектирования с учетом современного прогресса и мировых достижений в науке и технике. 
В связи с этим, исторический анализ развития технических средств и технологий бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин (ННГС), 
позволивших осуществить бурение многозабойных, горизонтально-направленных скважин, в том числе с большим отходом от вертикали для увеличения 
дебита нефтегазовых скважин, является актуальной задачей и может способствовать дальнейшему интенсивному развитию технологии бурения скважин 
в России и мире.  
 
5 
 

 
ʒ ˎ ˃ ˅ ˃  1 
 
ʖʏʟʝʕʓʔʜʗʔʡʔʤʜʝʚʝʒʗʗʐʢʟʔʜʗʮʠʙʑʏʕʗʜ 
ʓʚʮʓʝʐʪʦʗʜʔʣʡʗʗʒʏʖʏ 
 
1.1. ʠ˕˃ːˑ˅ˎˈːˋˈ˕ˈ˘ːˑˎˑˆˋˋ˄˖˓ˈːˋˢ 
 
 ː˃˔˖˛ˈ˅XIX–XX ˅ˈˍ˃˘ 
 
Технология добычи полезных ресурсов путем бурения направленных скважин появилась относительно недавно. Негативный фактор, который заключался 
в естественном искривлении скважины, горные инженеры со временем научились направлять в полезное русло [33].  
Искривление скважин – это отклонение скважины от заданного направления. 
О пользе нефти знали уже в античные времена. Древние люди использовали нефть для освещения и в качестве топлива. Само название «нефть» появилось от слова «naphtha» («nephtoi») и означало место добычи нефти. Из древнеалбанских письменных источников до VII века н. э. получены первые сведения 
о добыче и нефти на Апшероне (Апшеронском полуострове). Ранние сведения 
о нефтедобыче на Апшеронском полуострове с VIII по XIII век описаны арабскими учеными, которые писали: «...в Баку было два главных источника: из одного добывалась желтая и белая нефть, а из другого – черная и синяя…». Са- 
мые крупные колодцы для добычи нефти в Апшероне размещались возле се- 
лений Балаханы (Рисунок 1.1), Биби-Эйбат, Сабунчи, Бинагады, Сураханы, Романы и Шубаны [34]. 
По предложению члена Совета Главного управления Кавказом Василия 
Семенова в 1846 г. на Биби-Эйбате была пробурена первая в мире скважина 
глубиной 21 м ручным вращательным способом, которая была предназначена 
для разведки нефти. Бурением руководил майор Алексеев, который являлся 
директором Бакинских нефтяных промыслов корпуса горных инженеров.  
Механический ударно-канатный способ использовался в 1864 г. при бурении нефтяной скважины глубиной 55 м, которая находится на берегу реки Кудако на Кубани (Рисунок 1.2) [75, 76]. 
6 
 

 
 
 
Рисунок 1.1 – Нефтяные вышки в Балаханах (1910 г.) 
 
 
 
 
Рисунок 1.2 – Памятник на месте бурения скважины для добычи нефти в 1864 г. 
 
В 70-х гг. XIX века глубокие исследования в нефтехимии привели к интенсивному росту темпов добычи нефти во всем мире. Исследования свойств 
нефти и нефтепродуктов были проведены химиками и технологами: Д. Менде- 
леевым, A. Бутлеровым, К. Энглером, В. Марковниковым, В. Шуховым, С. Квит7 
 

 
 
ко и др. С начала 70-х гг. XIX века снижается доля неглубоких скважин из-за 
внедрения новых технологических решений: паровые машины для ударного бурения, специальные емкости для добычи нефти наподобие длинных железных 
ведер и т. д. С 1878 г. на полуострове Апшерон началось испытание различ- 
ных технических новшеств для бурения скважин и добычи нефти. Уже в эти годы на полуострове находились в режиме активной эксплуатации 301 добывающая скважина [33]. В научных трудах отечественного ученого К. И. Джафарова 
приводятся данные о бурении более 36 тыс. м в период 1929–1933 гг. в районе 
Грознефти, что свидетельствует о наращивании темпов добычи нефти [27]. 
На американском континенте первая скважина для добычи пробурена в 
1859 г. Скважина глубиной 22 м пробурена в районе города Тайтесвилл, штат 
Пенсильвания отставными железнодорожником Эндрю Дрейком, работавшим 
в фирме «Сенека Ойл Компани». Знаменательную дату начала нефтяной промышленности принято связывать с бурением первой скважины для добычи 
нефти. В Румынии нефтяные скважины начали бурить в 1857 г. к северо-вос- 
току от Бухареста, на румынской стороне Карпат. В Канаде завершено буре- 
ние первой нефтяной скважины в 1858 г. в Ойл-Спрингс в провинции Онтарио 
под руководством Джеймса Миллера Уильямса. В Венесуэле – в 1863 г. [72].  
В 1876 г. пробурена первая коммерческая нефтяная скважина в США на 
нефтяном месторождении Калифорнии в каньоне Пико в округе Лос-Анджелес. 
Буровые работы проводились в 1875 г. по найму Чарльза Александра Ментри 
компанией «Star Oil Works». Данная местность в итоге стала нефтяным месторождением Пико-Каньон. За период с 1875 г. по 1876 г. пробурено 4 скважины 
под руководством Ментри. На скважине № 4 получена фонтанирующая нефть. 
Скважина № 4 начата бурением в июле 1876 г. 26.09.1876 на глубине 110 м получен мощный приток нефти и суточный дебит составил 4 м3. Другую скважину Ментри пробурил в 1877 г. до глубины 170 м. Увеличение глубины скважины позволило увеличить дебит скважины до 24 м3/сут. Примечателен тот факт, 
что скважина № 4 добывала нефть в течение 114 лет и была законсервирова- 
на в 1990 г. 
 
1.2. ʗ˔˕ˑ˓ˋˢˑ˔˅ˑˈːˋˢˏˑ˓˔ˍˑˆˑ˄˖˓ˈːˋˢ 
 ˅ʟˑ˔˔ˋˋˋˊ˃˓˖˄ˈˉˑˏ 
 
Первые упоминания о содержании нефти в недрах Каспийского моря найдены в вахтенном журнале эскадры Войновича в 1778 г. Эскадра приблизилась 
к острову Жилой вблизи полуострова Апшерон. В вахтенном журнале сообщалось: «Резко запахло нефтью, на поверхности воды появились большие нефтяные пятна. Явление сие не иначе растолковано быть может, как тем, что пла8 
 

 
 
вающая на поверхности моря нефть выходит из самородных ключей, на дне 
находящихся и по легкости своей наверх всплывающих, ибо весь Бакинский 
берег изобилует такими ключами...». 
В России первая скважина на море пробурена в 1925 г. в бухте Ильича 
(сейчас Баил Лиманы) на искусственно созданном островке. Для бурения этой 
скважины применялись деревянные сваи. Вторая платформа была сооружена 
там же в 1932 г.  
Однако еще в 1896 г. горный инженер Згленицкий просил отвести два 
участка моря для их разведки в Управление государственными имуществами 
Бакинской губернии, но безуспешно.  
Другой инженер Заковенко предложил разработку кесона-понтона в 1905 г., 
что также было отвергнуто. Эти инициативы могли способствовать более раннему началу освоения морской нефти России [32].  
Работы по засыпке бухты близ Биби-Эйбат начались только в 1909 г. и завершились спустя 16 лет. Там же горные инженеры провели первую разведочную скважину в 1932 г. Буровыми работами руководил инженер П. Н. Потоцкий, который впоследствии был похоронен здесь же в 1932 г. 
На американском континенте в 1897 г. (Рисунок 1.3) пробурена первая 
нефтяная скважина в Тихом океане [34] неподалеку от острова Сомерленд 
(штат Калифорния). 
 
 
 
Рисунок 1.3 – Обложка издания «Горный журнал» (Том 3, 1885) 
9 
 

 
 
Хронология развития бурения нефтяных и газовых скважине в море [57]: 
1871 г. – завершено бурение скважины, из которой нефть добывалась ручным способом путем вычерпывания с ее дна;  
1900 г. – в России начато бурение на искусственно воздвигнутых остро- 
вах на Бакинских месторождениях;  
1903 г. – в США выполнено бурение скважины с платформы на озере в 
штате Луизиана, который находится на побережье Мексиканского залива; 
1932 г. – в Техасе на барже смонтировали первую вышку для примене- 
ния в морском бурении; 
1933 г. – конструируются погружные платформы для бурения скважин; 
1934 г. – достигнуты успешные показатели бурения в Мексиканском заливе. В СССР активно внедряется бурение наклонно-направленных скважин; 
1954 г. – вслед за погружной платформой конструируются самоподъемные платформы; 
1955 г. – строятся трехопорные самоподъемные плавучие буровые установки (СПБУ), которые способны подниматься над уровнем воды на колоннах; 
1959 г. – коммерческие фирмы Голландии начали освоение нефтяных и 
газовых месторождений Северного моря; 
1961 г. – конструирование подводного комплекса на дне Мексиканско- 
го залива для добычи полезных ископаемых. Первые попытки бурения на морской платформе дистанционным способом; 
1966 г. – впервые выпущена советская СПБУ «Апшерон»; 
1978 г. – в целях масштабного освоения морских недр произведено бо- 
лее 140 плавучих буровых установок, с которых ведется бурения на глубинах 
до 300 м. Некоторые морские платформы достигают веса до 500 000 т; 
1983 г. – применяется морская буровая установка на натянутых связях; 
1987 г. – бурение первой газоконденсатной скважины на Штокманоском 
месторождении в Баренцевом море; 
1991 г. – установка в Бразилии оборудования для бурения и добычи морской нефти на глубине 720 м компанией «Pеtrobras»; 
1992 г. – в России приступили к масштабному освоению Штокмановского 
месторождения; 
1994 г. – создана компания «Сахалин Энерджи», которая разрабатывает 
Пильтун-Астохское и Лунское месторождения в Охотском море; 
2002 г. – компании «Газпром» и «Роснефть» создали совместное пред- 
приятие «Севморнефтегаз», которое разрабатывает Штокмановское месторождение; 
2004 г. – начато промысловое освоение Кравцовского месторождения в 
Балтийском море; 
10