Разрушение горных пород при бурении скважин

Введение 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации  
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
В. В. Нескоромных 
 
 
РАЗРУШЕНИЕ  ГОРНЫХ  ПОРОД  
ПРИ  БУРЕНИИ  СКВАЖИН 
 
 
Рекомендовано 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 130000 «Нефтегазовое дело» (рег. номер 2730 от 13 марта 2014 г.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск  
СФУ 
2014 
 

Введение 

2 

УДК 622.24(075.8) 
ББК 33.131я73 
        Н552 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Нескоромных, В. В.  
Н552          Разрушение горных пород при бурении скважин : учеб. пособие / 
В. В. Нескоромных. –  Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2014. – 336 с. 
ISBN 978-5-7638-3044-6 
 
Изложены основы механики сплошной среды. Рассмотрен механизм разрушения горных пород при бурении различными типами породоразрушающих 
инструментов. Приведены параметры и свойства, определяющие буримость горных пород.  
Предназначено для студентов, обучающихся по профилю подготовки бакалавров «Бурение нефтяных и газовых скважин» направления 130000 «Нефтегазовое дело». 
 
  
Электронный вариант издания см.: 
           http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 622.24(075.8) 
ББК 33.131я73
 
ISBN 978-5-7638-3044-6                                                             © Сибирский федеральный  
                                                                                                           университет, 2014 
 

Введение 
 

3 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Дисциплина «Разрушение горных пород при бурении скважин» является базовой по профилю подготовки «Бурение нефтяных и газовых 
скважин», а также специализации «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых» и основывается на знании законов общей физики, физики твердого тела, теоретической механики, сопротивления материалов и математики. 
Дисциплина включает информацию: 
● о способах разрушения горных пород; 
● свойствах горных пород, определяющих их прочность и буримость; 
● механике разрушения горных пород; 
● процессах разрушения горных пород различными породоразрушающими инструментами и методах интенсификации разрушения под 
воздействием различных технологических факторов; 
● процессах удаления продуктов разрушения горных пород из скважины.  
Процесс разрушения горных пород при  бурении – это разрушение 
горных пород на забое скважины вследствие механического или физикохимического 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, а также удаления образовавшихся продуктов 
разрушения, растворения или плавления с забоя скважины на поверхность 
или в скважинное пространство.  
Рациональное соотношение операций породоразрушающего воздействия 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 скважины – показатель эффективности данного процесса, определяемый   
как отношение затраченной на разрушение породы энергии к интервалу  
углубления (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 воз

Введение 

4 

можности 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 состоянием 
бурового инструмента, а также способом и параметрами процесса удаления продуктов разрушения из зоны породоразрушающего действия              
бурового инструмента. 
Количественно буримость можно оценить механической скоростью 
бурения.  
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 настоящее время далеко не исчерпаны. В связи с появлением новых сверхтвердых материалов и технологий их обработки, упрочнения металлов        
и сплавов, современных конструкций бурового инструмента и буровых  
установок, мощных и надежных забойных приводов и  гидродвигателей 
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,  которые  
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 разрушение породы: длинные импульсы с высокой частотой повторения приводят к плавлению породы, короткие импульсы с малой частотой к её растрескиванию.  
Министерство энергетики США в 2001 г. объявило о продолжении 
работ по бурению лазером. Предполагается, что энергия от лазера будет 
доставляться на забой с помощью пучка волоконно-оптических линий.  

Введение 
 

5 

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 совершенствование и модернизация буровых агрегатов, повышение их энерговооруженности, создание неразъемных бурильных колонн – колтюбинга. 
Колтюбинг (анг. 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, в сравнении с разъемной колонной, передачу к забою необходимую для работы лазера энергию через неразъемный проводной канал. 

Г л а в а  1 
 

6 

 
Г л а в а  1 

 
МЕТОДЫ  РАЗРУШЕНИЯ  И  СВОЙСТВА  
ГОРНЫХ ПОРОД 
 
 
1.1. Способы разрушения горных пород 
 
Известные методы разрушения горных пород, представленные           
в табл. 1.1, основываются на классификации проф. С. С. Сулакшина [27]. 
 
Таблица 1.1 

Методы, процессы и механизм разрушения горных пород 

Метод  
Процесс  
Механизм  

Физико-механическое 
воздействие на породу 
1. Смятие 
2. Раздавливание 
3. Дробление 
4. Скалывание 
5. Отрыв 
6. Резание 
7. Истирание 
8. Шелушение 
9. Растрескивание 
10. Раскалывание 

Механическое нарушение 
связей между веществами, 
слагающими породу, без 
изменения их состава и 
свойств  

Физико-химическое воздействие на породу 
1. Плавление 
2. Испарение 
3. Горение 
4. Растворение 

Нарушение связей между 
веществами, слагающими 
породу, с изменением их 
агрегатного 
состояния, 
состава и свойств  

Физико-механическое и 
химическое воздействие 
на породу 

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 эвеществами,  слагающими породу, 
с некоторым изменением 
их свойств  

Методы разрушения и свойства горных пород  
 

7 

Большинство способов бурения основано на механическом разделении некоторого объема породы (призабойного слоя) на частицы 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, вызванным 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 металлы извлекаются выщелачиванием, путем взаимодействия  с кислотами, 
щелочами или растворами солей. 
Для бурения используют также комбинированные способы разрушения горных пород, например термомеханический, 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.  

Г л а в а  1 
 

8 

Предварительные исследования показали, что скорость бурения термомеханическим способом  может возрасти от 2 до 100 раз по сравнению  
с механическим без какой-либо значительной зависимости от степени износа резца. 
 
 
1.2. Общие сведения о горных породах 
 
По происхождению горные породы разделяются на осадочные, магматические и метаморфизованные.  
Основные нефтяные и газовые месторождения сложены осадочными 
и измененными породами, такими как глины, песчаники, каменные соли, 
гипсы, доломиты, мергели, известняки, галечники, алевролиты и др.  
Значительная часть этих пород является водо-, газо- и нефтенасыщенными 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 породы-коллекторы – известняками и доломитами. 
 Все известные коллекторы нефти и газа подразделяются на поровые, 
трещинные и смешанные. 
Пустотность – наличие в горной породе пустотного пространства. 
Оно определяется наличием пор, а также трещин и каверн.  
Под пористостью понимают пустотность породы-коллектора, представленную межзерновыми порами. Количественно пористость выражается 
коэффициентом пористости, измеряется 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 происходит движение жидкости и 
газов; субкапиллярные (диаметр менее 0,0002 мм), действие молекулярных 
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. 

Методы разрушения и свойства горных пород  
 

9 

В лабораторных условиях пористость определяется путем измерения 
объема образца породы и суммарного объема пустот в нем. 
Трещиноватость – наличие в породе трещин. Трещины – это разрывы в горной породе (без перемещения блоков породы), характеризующиеся 
раскрытостью от десятков микрон до миллиметров, преимущественно тектонического происхождения. 
Проницаемость – способность породы пропускать через себя жидкости и газы (при наличии перепада давления). Проницаемость количественно характеризует фильтрационные свойства коллектора. 
Для горных пород характерна неоднородность: состава; распределения минеральных зерен; пористости и трещиноватости; плотности и механических свойств. 
Горные породы состоят из минеральных зерен, которые, в свою очередь, из кристаллов, составляющих «каркас» и структуру минерала, определяющих его деформируемость и прочность. Разновидность минералов, 
количественное их соотношение и структура распределения определяют 
вид горной породы. Физическое и прочностное состояние горной породы 
зависит еще и от её 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 (атомы, 
ионы или молекулы) располагаются закономерно наподобие узлов пространственных решеток.  
Правильная упорядоченная геометрически форма кристаллов обусловлена внутренним атомным строением.  
Кристаллы сохраняют свою форму в основном за счет электростатических 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 (силикаты, 
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. Примером атомной решетки может быть кристалл алмаза. 
Молекулярные решетки строятся таким образом, что в узлах располагаются молекулы. Подобные решетки характерны главным образом 
для органических соединений и достаточно слабы.  

Г л а в а  1 
 

10 

В природе часто встречаются и смешанные решетки – ионномолекулярные. Кристаллы с такими решетками 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. Например 
графит (рис. 1.1) имеет слоистое строение и легко делится на чешуйки, что 
объясняется ослаблением связи между слоями вследствие  бòльшего расстояния С между атомами углерода по сравнению с расстоянием между 
атомами, образующими кристалл в плоскости чешуйки а. 
Кристаллическая структура алмаза (рис.1.2) относится к кубической 
решетке, в которой атомы углерода размещены в вершинах элементарной 
кубической ячейки и в центрах её 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 размещенными атомами. Именно поэтому алмаз 
имеет очень высокую твердость, которая в тысячи раз выше твердости любого известного минерала. 

 

 
 
Рис. 1.1.  Структура графита 
(а = 2,46 Å, С = 3,41 Å) 
 
 
При одинаковом составе структура алмаза и графита имеет значительную разницу в свойствах. В табл. 1.2 приведены некоторые характеристики свойств графита и алмаза. 
На прочность связи в кристаллах большое влияние оказывает вода. 
Молекулы воды ослабляют внутренние связи, понижая прочность. 
Кристаллы обладают такими свойствами, как анизотропия, спайность (способность раскалываться по плоскостям) и наличие естественных 
дефектов. 

а 

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

С 

а