Технология и техника бурения

ТЕХНОЛОГИЯ 
И ТЕХНИКА БУРЕНИЯ

В 2 частях

Часть 1. Горные породы 
и буровая техника

Допущено
Министерством образования Республики Беларусь
в качестве учебного пособия для студентов 
учреждений высшего образования по специальностям
«Разработка месторождений полезных ископаемых», 
«Геология и разведка месторождений полезных ископаемых»,
«Горные машины и оборудование»

2021

Под общей редакцией 
академика Российской академии естественных наук, 
доктора технических наук, профессора В.С. Войтенко

Москва
«ИНФРАМ»

УДК 622.24(075.8)
ББК 33.131я73
 
Т38

Технология и техника бурения : учебное пособие / В.С. Войтенко [и др.] ; под общ. ред. В.С. Войтенко. В 2 ч. Ч. 1. Горные 
породы и буровая техника. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 
237 с. : ил. — (Высшее образование: Бакалавриат). 

ISBN 978-5-16-006700-1 (ИНФРА-М, общий)
ISBN 978-5-16-006699-8 (ИНФРА-М, ч. 1)

Рассматриваются теория, технические средства и технология бурения скважин различного назначения при разработке месторождений 
полезных ископаемых. В первой части описываются основные характеристики горных пород, способы их разрушения при бурении скважин, а также буровые установки различных типов. Рассматриваются 
области сооружения скважин, которые по технике и технологии производства буровых работ кардинально отличаются друг от друга.
Для студентов специальностей горного и геологического профилей.

УДК 622.24(075.8)
ББК 33.131я73

Т38

 
© ООО «Новое знание», 2013
ISBN 978-5-16-006700-1 (ИНФРА-М, общий)
ISBN 978-5-16-006699-8 (ИНФРА-М, ч. 1)

Авторы:
В.С. Войтенко, А.Д. Смычник, А.А. Тухто, С.Ф. Шемет

Рецензенты:
кафедра динамической геологии Белорусского государственного университета (зав. кафедрой — доктор географических наук, профессор В.Н. Губин);
директор БелНИПИнефть кандидат технических наук Н.А. Демьяненко

Оглавление

Предисловие ..................................................................................................6
Введение .........................................................................................................9

РАЗДЕЛ I 

ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 
ГОРНЫХ ПОРОД, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИХ БУРИМОСТЬ

1. Общие сведения о горных породах ..............................................32

1.1. Понятие «горная порода» ..........................................................32
1.2. Горные породы ...............................................................................38

1.2.1. Состав горных пород ........................................................38
1.2.2. Структура горных пород .................................................40
1.2.3. Текстура горных пород ....................................................44
1.2.4. Неоднородность горных пород .....................................46

1.3. Классификация горных пород по степени связности,  

степени устойчивости  и гранулометрическому  
составу  .............................................................................................47

1.4. Силы сцепления в горных породах ........................................51
1.5. Параметры состояния горных пород .....................................54
1.6. Флюидонасыщенность, естественная влажность  

и влагоемкость горных пород ...................................................59

1.7. Энергетика влаги в системе скважина — горный  

массив ...............................................................................................65

2. Физико-механические и технологические свойства  

горных пород .........................................................................................75
2.1. Упругие свойства горных пород ..............................................75
2.2. Пластичность и хрупкость горных пород .............................84
2.3. Прочность горных пород ............................................................88
2.4. Твердость горных пород .............................................................94
2.5. Тепловые свойства горных пород ......................................... 100
2.6. Абразивная способность горных пород ............................. 105
2.7. Буримость горных пород ......................................................... 108
2.8. Анизотропия технологических свойств горных  

пород .............................................................................................. 113

Оглавление

РАЗДЕЛ II

СПОСОБЫ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД  

ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН

3. Основные закономерности разрушения горных пород ..... 118
4. Разрушение горных пород при бурении .................................. 127
5. Использование лабораторных данных  

в практике бурения .......................................................................... 137

6. Способы разрушения горных пород при бурении  .............. 142

6.1. Общие сведения ......................................................................... 142
6.2. Разрушение пород с помощью специальных  

породоразрушающих инструментов ................................... 146

6.3. Разрушение пород без специальных  

породоразрушающих забойных инструментов ............... 147

6.4. Комбинированный метод разрушения горных пород ... 151

РАЗДЕЛ III 

БУРОВЫЕ УСТАНОВКИ

7. Выбор буровых установок ............................................................ 156

7.1. Общие сведения ......................................................................... 156
7.2. Расчет мощности при бурении скважин ............................ 157
7.3. Ручные (переносные) буровые станки и комплексы .... 166
7.4. Бурильно-крановые машины ................................................. 171

8. Буровые установки для бурения инженерно- 

геологических скважин и сооружения набивных свай ..... 174

9. Буровые станки, применяемые при разработке  

месторождений твердых полезных ископаемых ................. 179
9.1. Передвижные буровые станки с пневмоударниками  

для бурения скважин на подземных горных  
разработках .................................................................................. 179

9.2. Буровые станки для бурения взрывных скважин  

на открытых горных разработках......................................... 180

9.3. Буровые установки ударно-канатного и шнекового  

бурения .......................................................................................... 181

10. Буровые установки комбинированного бурения ................. 182
11. Буровые установки низкооборотного бурения..................... 199
12. Буровые установки высокооборотного бурения ................. 202

Оглавление 
5

13. Буровые установки для бурения глубоких скважин .......... 207
14. Буровые мачты и буровые вышки .............................................. 211
15. Морские буровые установки ........................................................ 214
16. Буровая установка для проходки вертикальных  

шахтных стволов ............................................................................... 220

17. Буровые установки для работы с колонной гибких  

труб  ........................................................................................................ 226

18. Силовые приводы буровых установок ..................................... 229
Литература .................................................................................................. 236

Предисловие

Учебное пособие «Технология и техника бурения» предназначе
но для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Разработка месторождений полезных ископаемых» 
со специализацией «Буровые работы», а также по всем другим 
направлениям подготовки и переподготовки горных инженеров. 
Оно сформировано в соответствии требованиями типовой программы «Технология и техника бурения», утвержденной Учебнометодическим объединением вузов Республики Беларусь по образованию в области горнодобывающей промышленности.

Целью изучения данной дисциплины является освоение сту
дентами теории, технических средств и технологии бурения скважин различного назначения при разработке месторождений полезных ископаемых.

Курс «Технология и техника бурения» основывается на таких 

дисциплинах, как физика, химия, математика, гидравлика, тепло- 
и электротехника, сопротивление материалов, горные машины и 
оборудование, общая геология, геофизика, минералогия и петрография.

В результате изучения курса «Технология и техника бурения» 

студент должен:

знать: 

 
теоретические основы и практику бурения скважин различ
ного назначения;

 
историю развития буровых работ и назначение скважин;

 
технические характеристики и целевое назначение буровых 

установок, оборудования и технологических инструментов, применяемых при бурении скважин;

 
горные породы и их свойства, влияющие на процесс бурения 

и качество строительства скважин, классификацию способов разрушения горных пород и технологии бурения;

 
основные технологические процессы, способы бурения и ме
тоды проектирования конструкций скважин различного назначения;

 
теоретические основы и методы расчета режимов бурения, 

бурильных и обсадных колонн, промывки и цементирования, вы

Предисловие 
7

бора и рациональной отработки породоразрушающего инструмента;

 
способы борьбы с произвольным искривлением стволов 

скважин, методы расчета профилей наклонно направленных скважин и технологии бурения боковых стволов, горизонтально-разветвленных, кустовых, многозабойных и горизонтальных скважин;

 
технологии вскрытия, испытания и освоения продуктивных 

пластов;

 
основные причины осложнений и аварий в бурении, методы 

их предупреждения и ликвидации;

 
технико-экономические показатели бурения, организацию 

буровых работ, документацию и порядок ликвидации буровых 
скважин;

уметь:

 
выбирать способы бурения, буровое оборудование, техноло
гический инструмент, оптимальные параметры режима бурения, 
буровых и цементных растворов;

 
проектировать рациональные конструкции; 

 
выполнять инженерные расчеты всех технологических про
цессов бурения скважины;

 
выбирать эффективные способы вскрытия, испытания и 

освоения продуктивных пластов, а также способы предупреждения 
и ликвидации аварий и осложнений;

 
составлять (разрабатывать) технические проекты на строи
тельство скважин.

В учебном пособии учтены особенности не только аналогичных 

дисциплин, изучаемых в горных вузах, но и специфика бурения 
глубоких геологоразведочных и нефтегазовых скважин, поскольку в сложившейся сегодня экономической и социальной ситуации 
(и не только в Беларуси) задача, по-видимому, заключается в подготовке творчески мыслящих молодых специалистов, обладающих 
базовыми знаниями по бурению скважин любого назначения и 
умением применять их на практике.

Учебное пособие составлено в основном по материалам работ 

советских и зарубежных ученых — специалистов в области бурения 
и горного дела: Н.И. Шацов, В.С. Федоров, С.М. Кулиев, Р.А. Иоаннесян, Р.И. Шищенко, Л.С. Гликман, Л.В. Балицкий, А.У. Маккрей, 

Предисловие

Ф.У. Коле, С.С. Сулакшин, Б.И. Воздвиженский, И.П. Мельничук, Ю.А. Пешалов, Э.О. Миндели, К.И. Иванов, В.А. Латышев, 
В.Д. Андреев, А.И. Спивак, А.Н. Попов, Ю.В. Вадецкий, Ю.В. Михайлов, В.Ф. Носков, В.Я. Прушак, Н.И. Сердюк, В.В. Куликов, А.А. Тунгусов, С.И. Минаков, И.В. Сауков, А.Е. Кравченко, Б.В. Шибанов, В.Г. Манчуков, Ю.Н. Ермаков, В.Ю. Бебенин, 
В.М. Митровка, М.Г. Лысов, В.М. Шенберг, Г.П. Зозуля, М.Г. Гейхман, И.С. Матиешин, А.В. Кустышев, В.С. Войтенко, А.М. Киреев, 
А.Д. Смычник, С.Ф. Шемет. Эти работы охватывают разные области теоретического обоснования и производства буровых работ 
и практически весь спектр работ по сооружению скважин как по 
глубинам, так и по целевому назначению.

Возможно, предлагаемое учебное пособие имеет определенные 

недостатки, поэтому авторы будут признательны преподавателям, 
научным работникам, инженерам, техникам, студентам и другим 
читателям, которые укажут на недочеты и упущения данной книги.

Все отзывы и пожелания просьба посылать по адресу: ул. Ок
тябрьская, 19, Минск, 220030, Республика Беларусь.

 
ВВЕДЕНИЕ

Бурение — процесс сооружения горной выработки цилиндри
ческой формы — скважины, шпура или шахтного ствола путем 
разрушения горных пород на забое. Бурение осуществляется, как 
правило, в земной коре, реже в искусственных материалах (бетоне, 
асфальте и др.). Основные области применения бурения: 

 
изучение свойств горных пород; 

 
добыча жидких, газообразных и твердых (при выщелачива
нии, растворении, газификации и других методах) полезных ископаемых через эксплуатационные скважины; 

 
производство взрывных работ; 

 
выемка твердых полезных ископаемых; 

 
искусственное закрепление горных пород (замораживание, 

битумизация, цементирование и др.); 

 
осушение обводненных месторождений полезных ископае
мых и заболоченных районов; 

 
вскрытие месторождений; 

 
прокладка подземных коммуникаций; 

 
сооружение свайных фундаментов.
В историческом плане бурение развивалось и специализирова
лось применительно к трем основным областям техники: 

 
наиболее глубокие скважины (несколько километров) бу
рятся главным образом на нефть и газ; 

 
менее глубокие (сотни метров) — для поисков и разведки 

твердых полезных ископаемых; 

 
скважины и шпуры глубиной от нескольких до десятков 

метров для размещения зарядов взрывчатых веществ (преимущественно в горном деле и строительстве).

Впервые в мировой практике скважины (диаметром 12–15 см 

и глубиной до 900 м) вручную бурились в Китае более 2 тыс. лет 
назад для добычи соляных растворов. Буровой инструмент (долото 
и бамбуковые штанги) опускали в скважину на канатах толщиной 
1–4 см, свитых из индийского тростника. 

Бурение первых скважин в России относится к IX в. и связано 

с добычей растворов поваренной соли (Старая Русса). Затем соля

Введение

ные промыслы стали развиваться в Балахане (XII в.) и в Соликамске (XVI в.). 

На русских соляных промыслах применялось ударное штанго
вое бурение. Во избежание ржавления буровые штанги делали деревянными, стенки скважины закрепляли деревянными трубами. 
В XVII в. в рукописном труде «Роспись, как зачать новую трубу на 
новом месте»1 подробно описаны методы бурения того периода. 

Первый буровой колодец, закрепленный трубами, был пробу
рен на воду в 1126 г. в провинции Артуа (Франция), отсюда глубокие колодцы с напорной водой получили название артезианских.

В России развитие методов (технологии) и техники бурения 

началось в XIX в. в связи с необходимостью снабжения крупных 
городов питьевой водой. В 1831 г. в Одессе было образовано «Общество артезианских фонтанов» и пробурены четыре скважины 
глубиной от 36 до 189 м. В 1831–1832 гг. пробурили скважины в 
Петербурге (на Выборгской стороне), в 1833 г. — в Царском Селе, 
Симферополе и Керчи, в 1834 г. — в Тамбове, Казани и Евпатории, 
в 1836 г. — в Астрахани. В 1844 г. была заложена первая буровая 
скважина для артезианской воды в Киеве. В Москве первая артезианская скважина глубиной 458 м пробурена в 1876 г. на Яузском 
бульваре. 

В США первая скважина пробурена в 1806 г. для добычи соля
ного раствора близ Чарлстона в Западной Вирджинии. 

Поворотный момент, с которого начинается бурный прогресс в 

бурении, связан с развитием нефтедобычи. Первая нефтяная скважина была пробурена в США случайно в 1826 г. около Берневилла 
в Кентукки при поисках рассолов.

Первую скважину на нефть заложил в 1859 г. американец — 

полковник Дрейк вблизи г. Тайтесвилла в Пенсильвании. 29 августа 1859 г. в этой скважине на глубине 71 фута (около 20 м) была 
встречена нефть, что положило начало нефтяной промышленности 
США. В России первая скважина на нефть пробурена в 1864 г. около Анапы (Северный Кавказ).

Технические усовершенствования бурения в XIX в. открыва
ются предложением немецкого инженера Эйгаузена (1834) при
1 Известия императорского археологического общества. 1868. Т. 6, отд. 1, 

§ 3. С. 238–255.

Введение 
11
 
11

менять так называемые ножницы (сдвигающаяся пара звеньев при 
штанговом бурении). Идея сбрасывать соединенное со штангами 
долото привела к изобретению Киндом (1844) и Фабианом (1849) 
свободно падающего бурового инструмента («фрейфала»). Этот 
способ назвали «немецкий». В 1846 г. французский инженер Фовель сообщил о новом способе очистки буровых скважин водяной 
струей, подаваемой насосом с поверхности в полую штангу. Первый успешный опыт бурения с промывкой проведен им в Перпиньяне (Франция).

В 1859 г. Г.Д. Романовский впервые механизировал буровые ра
боты, применив паровой двигатель для бурения скважины вблизи 
Подольска.

На нефтяных промыслах Баку первые паровые машины появи
лись в 1873 г., а через 10 лет они почти повсеместно заменили конную тягу.

При бурении скважин на нефть на первом этапе получил раз
витие ударный способ (бурение штанговое, канатное, быстроударное с промывкой забоя). В конце 80-х гг. XIX в. в Новом Орлеане 
в Луизиане (США) внедряется роторное бурение с применением 
лопастных долот и промывкой скважины глинистым раствором. В 
России вращательное роторное бурение с промывкой впервые применили в 1902 г. в г. Грозном для бурения скважин глубиной 345 м 
на нефть. 

В 1901 г. в Сураханах (Баку) на территории завода Кокорева 

была заложена скважина для добычи газа. Через год в ней на глубине 207 м был получен газ, который использовали для отопления 
завода. В 1901 г. на Бакинских нефтепромыслах появились электродвигатели, заменившие паровые машины при бурении. В 1907 г. 
была пройдена скважина вращательным бурением сплошным забоем с промывкой глинистым раствором.

Автомат для регулирования подачи инструмента при роторном 

бурении был предложен в 1924 г. Хилдом (США). В начале ХХ в. 
разработан метод наклонного роторного бурения долотами малого 
диаметра для забуривания с последующим расширением скважин.

Предложения по созданию забойных двигателей, т.е. размеще
нию двигателя непосредственно над буровым долотом у забоя скважины, появились еще в 70-е гг. XIX в. Созданием такого двигателя 

Введение

занимались крупнейшие специалисты во многих странах, проектируя его на принципе получения энергии от гидравлического потока, позднее — на принципе использования электрической энергии.

В 1873 г. американский инженер Х.Г. Кросс запатентовал ин
струмент с гидравлической одноступенчатой турбиной для бурения скважин. В 1883 г. Дж. Вестингаус (США) сконструировал 
турбинный забойный двигатель. Эти изобретения не были реализованы, и проблема считалась неразрешимой.

В 1890 г. бакинский инженер К.Г. Симченко запатентовал ро
тационный гидравлический забойный двигатель. В начале ХХ в. 
польский инженер Вольский сконструировал быстроударный забойный гидравлический двигатель (так называемый таран Вольского), который нашел промышленное применение и явился прототипом современных гидроударников.

В 1922 г. М.А. Капелюшников, С.М. Волох и Н.А. Корнев за
патентовали турбобур, примененный двумя годами позже для 
бурения в Сураханах. Этот турбобур был выполнен на базе одноступенчатой турбины и многоярусного планетарного редуктора. 
Турбобуры такой конструкции применялись при бурении нефтяных скважин до 1934 г. В 1935–1939 гг. П.П. Шумилов, Р.А. Иоаннесян, Э.И. Тагиев и М.Т. Гусман разработали и запатентовали 
более совершенную конструкцию многоступенчатого безредукторного турбобура, ставшую базовой для всех последующих типов 
секционных турбобуров с пониженной частотой вращения и увеличенным вращающим моментом. Благодаря этим разработкам турбинный способ бурения стал основным в СССР.

В 1899 г. в России был запатентован электробур на канате. В 

30-х гг. ХХ в. в США прошел промышленное испытание электробур с якорем для восприятия реактивного момента, опускавшийся 
в скважину на кабеле-канате. В 1936 г. впервые в СССР Квитнер 
и Н.В. Александров разработали конструкцию электробура с редуктором, а в 1938 г. А.П. Островский и Н.В. Александров создали 
электробур, долото которого приводилось во вращение погружным 
электродвигателем. В 1940 г. в Баку электробуром была пробурена 
первая скважина.

В 1951–1952 гг. в Башкирии при бурении нефтяной скважи
ны по предложению А.А. Минина, А.А. Погарского и К.Ф. Чефранова впервые применили электробур знакопеременного вра

Введение 
13
 
13

щения для гашения реактивного момента, опускаемый на гибком 
электрокабеле-канате. В конце 1960-х гг. конструкция электробура была значительно усовершенствована (повышена надежность, 
улучшен токопровод и др.).

В 1962 г. американской фирмой «Смит Тул» был создан винто
вой забойный двигатель «Дайна-Дрилл», представляющий собой 
обращенный одновинтовой насос, изобретенный в 1930 г. французским инженером Р. Муано. Характеристики двигателя «ДайнаДрилл» незначительно отличаются от характеристик современных 
турбобуров. Его эксплуатационные данные оказались более подходящими для наклонного бурения, что и определило его распространение за рубежом в этой области бурения.

На выбор режимов бурения решающее значение оказали успе
хи в развитии конструкций шарошечных долот с маслонаполненными опорами и вооружением из твердосплавных зубьев. Эти долота установили жесткие ограничения в частоте вращения долота 
(до 200 об./мин). Для работы на таких режимах в 1966 г. группой 
советских ученых (М.Т. Гусман, С.С. Никомаров, Ю.В. Захаров, 
В.Н. Меньшенин, Н.Д. Деркач) был предложен новый тип винтового двигателя, в котором многозаходные винтовые рабочие органы выполняют функцию планетарного редуктора. Это позволило 
получить тихоходную (100–200 об./мин) машину с высоким вращающим моментом.

В 80-е гг. ХХ в. во ВНИИБТ и его пермском филиале Д.Ф. Бал
денко, Ю.В. Вадецким, М.Т. Гусманом, Ю.В. Захаровым, А.М. Кочневым и С.С. Никомаровым были заложены основы теории рабочего процесса, конструирования и технологии изготовления, 
разработана современная технология бурения винтовыми (объемными) забойными двигателями.

Появление наклонного бурения относится к 1894 г., когда 

С.Г. Войслав провел этим способом скважину на воду вблизи 
Брянска. Успешная проходка скважины в бухте Ильича (Баку) 
по предложению Р.А. Иоаннесяна, П.П. Шумилова, Э.И. Тагиева 
и М.Т. Гусмана (1941 г.) турбинным наклонно-направленным бурением положила начало внедрению наклонного турбобурения. 
В 1941 г. в СССР Н.С. Тимофеев предложил в устойчивых породах 
применять многозабойное бурение.