Бурение скважин

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 
 

СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
В. В. Нескоромных 
 
 
БУРЕНИЕ  СКВАЖИН 
 
 
Рекомендовано Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего профессионального образования 
«Национальный минерально-сырьевой университет "Горный"» в качестве учебного пособия для студентов специальности 130102.65 «Технология геологической разведки» специализации «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых» (рег. № 2729 от 
13.03.2014 г.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 

СФУ 
2014 

 

УДК 622.24 (075.8) 
ББК  33.131я73 
Н55 
 
 
Р е ц е н з е н т : 
Н. В. Пашкевич, первый проректор, профессор Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (Санкт-Петербург) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Нескоромных, В. В. 
Н552 
 
Бурение скважин: учеб. пособие / В. В. Нескоромных. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2014. – 400 с. 
ISBN 978-5-7638-3043-9 
 
 
Представлены сведения о механике разрушения горных пород при различных способах бурения, современной буровой технике, технологиях бурения, инструменте, реагентах для приготовления буровых растворов, механизации и автоматизации бурового процесса.  
Рассмотрены вопросы проектирования скважин, выбора бурового оборудования и инструмента, рациональных параметров бурового процесса. 
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 130102.65 
«Технология геологической разведки». 
 

Электронный вариант издания см.: 
УДК 622.24 (075.8) 

http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 33.131я73 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-3043-9 
© Сибирский федеральный 
университет, 2014 

Введение 

3 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Учебный курс «Бурение скважин» является базовым при подготовке 
студентов по специальности «Технологии геологической разведки». 
Основная цель данного курса – получение студентами:  
знаний о назначении и способах бурения скважин, устройстве буровых станков, установок, бурового оборудования и инструмента, средствах 
и технологиях опробования, основ технологии, правил и приемов безопасного ведения буровых работ; 
умений спроектировать скважину и её конструкцию исходя из назначения и горно-геологических условий бурения, выбрать буровое оборудование, инструмент, вид бурового агента, рассчитать параметры режима бурения, задать параметры бурового агента;  
навыков безопасной работы с инструментами, выполнения спускоподъемных операций, управления агрегатами буровой установки, организации производства работ по бурению скважин. 
Исходя из поставленных задач в учебном пособии приведены сведения о способах бурения скважин, буровом оборудовании как отечественных, так и зарубежных производителей, способах бурения скважин, различных типах бурового инструмента, технологиях бурения и ликвидации 
осложнений и аварий при бурении, даны сведения о требованиях безопасности буровых работ. 
Буровые работы выполняют специальными техническими средствами (буровыми установками и инструментами) без доступа человека внутрь 
этих выработок. Бурение скважин (возможен вариант – строительство 
скважины), как и любая техническая отрасль знания, подразделяется на 
технику и технологию бурения. 
Бурением называется совокупность технологических операций по 
проведению в горных породах выработок круглого поперечного сечения, 
называемых скважинами, инструментом и агрегатами специального назначения.  

Буровой скважиной называется цилиндрическая горная выработка, 

имеющая диаметр во много раз меньше ее глубины.  

Диаметр буровых скважин может изменяться в широких пределах, но 

чаще всего к скважинам относят выработки диаметром от 16 до 1 500 мм. 
Диаметр и глубина скважины определяются её назначением. Современные 
геологоразведочные скважины имеют диаметр в основном в пределах 46–
112 мм, скважины для добычи углеводородного сырья – 151–508 мм.  

Глубина геологоразведочных скважин, буримых с целью поисков и раз
ведки твердых полезных ископаемых, в основном задается в пределах 800–

Введение 

4 

1 000 м, но известны подобные скважины глубиной более 2 000 и даже 
3 000 м. Глубина скважин, предназначенных для разведки и эксплуатации 
месторождений нефти и газа, составляет в основном 2 000–3 500 м. При 
этом подобные скважины, проникая на указанную глубину, могут иметь 
протяженность одного или нескольких стволов, в несколько раз превышающих это расстояние за счет наличия протяженных наклонных и горизонтальных участков, пронизывающих углеводородную залежь. 

Самая глубокая скважина в мире – Кольская сверхглубокая СГ-3, ко
торая, являясь частью международного научного проекта, начата на Кольском полуострове в 1971 г. и завершена, к сожалению, в 1992 г. по политическим и экономическим причинам. Её назначение – исследование строения земной коры. Скважина имела четыре ствола, самый глубокий из них 
достиг глубины 12 262 м. Проектная глубина скважины СГ-3 составляла 
15 000 м, а для её бурения было создано уникальное по возможностям оборудование. Опыт бурения СГ-3 и исследования недр с её помощью – уникальный научный результат и серьезный этап в развитии буровых техники 
и технологий. 

В 2010 г. на шельфе Сахалина компанией Exxon Neftegas Limited 

(ENL) пробурена самая протяженная скважина в мире – суммарная длина 
стволов вертикально-горизонтальной эксплуатационной скважины на месторождении газа составила 12 345 м. Бурение самой протяженной скважины осуществлено за 60 дней. Технология большого отхода забоя от вертикали позволяет проводить бурение скважин с берега под дном моря для 
достижения залежей нефти и газа, не нарушая принципов безопасности 
и охраны окружающей среды. 

Бурение скважин может производиться с земной поверхности, из 

подземных горных выработок, с поверхности водоемов (рек, озер, морей 
и океанов) и даже с поверхности других планет (например, с поверхности 
Луны или Марса). Глубокие скважины (более 3 500 м) пробурены во льдах 
Антарктиды с целью проведения научных исследований самого южного 
континента планеты. 
По заложению скважины могут быть вертикальными, наклонными, горизонтальными и восстающими, иметь самые разнообразные траектории 
и отклонения от направления заложения. Скважины чаще имеют один ствол, 
но широко применяются различные варианты многоствольных скважин, 
а количество дополнительных стволов может составлять несколько десятков.  

Бурение как средство проникновения в глубь земной коры с целью ее 

изучения и добычи полезных ископаемых использовалось человеком еще 
в древности. Самые первые шаги человеческой цивилизации были связаны 
с освоением минеральных богатств земных недр, которое невозможно без 
проходки разведочных и эксплуатационных скважин.  

Введение 

5 

1. Появление бурения связано с древнейшим периодом развития человеческого 
общества – 13–7 тысячелетие до н. э. Первые 
опыты человека в сверлении известны по 
древнейшим находкам пластинчатых кремневых сверл и изделий, в которых делались отверстия: бусы, блоки породы, каменные сосуды и др.  
Технология сверления (рисунок), очевидно, возникла при развитии методов 
и средств добывания огня трением с применением лучкового привода.  
Добывая огонь трением торцами палочек о дерево, человек заметил, что со временем на месте трения появляется 
выемка, и стал этот опыт использовать для формирования углублений, 
а затем и отверстий, сначала в древесине, а потом в камне и других материалах, решая свои технические задачи. Таким образом, одним из первых 
изобретений человека можно считать изобретение сверлильного (бурового) станка вслед за изобретением устройства для добывания рукотворного 
огня. 
Интересна связь бурения – первого бурового станка в виде лучкового 
сверлильного устройства, как уже было сказано, прототипом которого было устройство добывания огня трением (рисунок) с символами религии 
и веры человеческой цивилизации. Как считают исследователи древности, 
устройство для добывания огня в виде крестовины стало прообразом такого общечеловеческого символа веры, как крест.  
Действительно, если внимательно рассмотреть рисунок, то можно 
отметить два характерных места работы сил трения: в точке (1) осуществляется образование отверстия, в точке (2) – нагрев, тление и возгорание. 
Очевидно, что при сверлении требовалось гасить возможное тление и возгорание водой. 
Слово «крест» происходит от древнеславянского слова «крес» – огонь. 
Слово «огонь» же происходит от более древнего санкритского слова agn, которое обозначает понятие «естественный огонь», тогда как словом «крес» 
обозначался огонь добытый, т. е. искусственный. Отсюда возникло широко 
известное слово «кресало» – карманное устройство для добывания огня. 
Священный огонь, появляющийся в месте трения двух пересекающихся вертикальной стойки и горизонтального бруса, поклонение огню 
привело к тому, что люди стали поклоняться и средству добывания огнякреса. Поэтому в древнерусском наречии «крес» (огонь) и «крест» (средство его добывания) оказались однокоренными. Затем обобщенная 

 
Рис. Сверление в эпоху  
неолита 

3 

1 

2 

Введение 

6 

и стилизованная схема устройства для добывания огня стала символом веры, вечности и бесконечности, божественным знаком.  
Этимологический, лингвистический и исторический анализ показывает, что и технические термины «крест», а также слово «бур», имеют 
древнейшее происхождение и связаны с процессом добывания огня-креса 
древним человеком. Бур – это, вероятно, не что иное, как элемент устройства для добывания огня, а именно вертикальный деревянный стержень, 
который нагружался и вращался, вызывая процесс трения, нагрев и возгорание под торцом (позиция 3 на рисунке). Бур мог опираться на горизонтальное перекрестие (необходимое для устойчивости) двух брусков – 
крест. 
Таким образом, крест как божественный знак несет в себе черты 
первых устройств, созданных человеком для добывания огня и сверления, 
т. е. прообраза бурового станка.  
В данном случае символично то, что огонь дает тепловую энергию, 
а бурение во все времена применялось прежде всего для обеспечения человеческой цивилизации энергией – углем, нефтью, газом. 
Очевидно, основное направление развития сверления – удлинение 
просверливаемых отверстий. Появился привод в виде лука (тетива обвивается вокруг сверла и сверло вращается слева направо, а затем справа налево перемещением лука). 
Решив в основном задачу сверления отверстий использованием кремневых сверл, а также абразива, засыпаемого под торец деревянных брусков 
или медных трубок, человек делает попытки сверлить углубления в земной 
поверхности и достиг в этом стремлении значительных результатов. 
2. Второй этап развития сверления-бурения связан с использованием 
длинных колонн-сверл (очевидно из бамбука). Проблемой являлось ограничение глубины сверления. 
3. Китайский способ бурения III–IV вв. до н. э. – ударно-канатное 
бурение скважин глубиной до 500 м.  
4. Следующий этап возможно связан с возвратом к вращательному 
бурению, в том числе дробью и алмазами с использованием стальных колонн. Совершенствование конструктивных схем буровых станков шло от 
агрегатов с кремальерой с приводом от паровых машин и двигателей внутреннего сгорания к станкам шпиндельного типа с электроприводом и гидрофицированным, а далее – к полностью гидрофицированным буровым 
станкам с подвижными вращателями. 
 
 Кремальера – механизм подачи бурового станка через зубчатое зацепление 
рычага с корпусом вращателя. 
 
5. На следующем этапе развития осуществлена попытка отказаться 
от вращения колонны бурильных труб, так как с ростом глубины снижает

Введение 

7 

ся эффективность передачи энергии к забою. Появляются турбобуры, электробуры, винтовые забойные двигатели. 
При этом внедрение электробуров сдерживается проблемой передачи 
электроэнергии с поверхности через составную и периодически разбираемую бурильную колонну. 
6. С появлением забойных двигателей возникает стремление специалистов отказаться от жесткой составной бурильной колонны. Появляются: 
шлангокабель вместо составной бурильной колонны (1970-е гг.) и позднее 
(в 1990-е гг.) колтюбинг. 
 
 Шлангокабель – бурение скважин с использованием гибкой неразъемной 
трубы, изготовленной с использованием резины, пластика и стальной несущей арматуры, навиваемой на катушку-барабан, взамен традиционной разъемной бурильной колонны. 
 Колтюбинг (англ. coiled tubing – катушка-труба) – бурение скважин с использованием стальной длинномерной безмуфтовой гибкой трубы, навиваемой на 
катушку-барабан, взамен традиционной разъемной бурильной колонны. 
 
Внедрение колтюбинга решает проблему, связанную с внедрением 
электробуров, так как становится возможной подача электроэнергии к забою по сплошному электронесущему кабелю. 
7. С появлением неограниченных по качеству возможностей подачи 
к забою электрической энергии реально намечаются пути совершенствования способов разрушения горных пород. К таковым способам можно 
отнести: 
 термомеханическое бурение,  
 бурение плавлением,  
 разрушение породы лазером. 
Поскольку п. 7 не ограничивает современные рамки развития бурения, далее возможны следующие варианты развития буровых технологий. 
8. С появлением нового способа разрушения горных пород, для которого уже не потребуется промывочная жидкость, а значит, и канал для ее 
подачи, могут возникнуть условия для отказа от колонны гибких труб, которая будет заменена несущим кабелем. 
9. В дальнейшем возможны варианты исполнения бурового агрегата, 
в котором снаряд будет двигаться в скважине самостоятельно:  
 имея канал связи в виде кабеля; 
 вовсе без кабеля, управляемый посредством радиосвязи. 
Второй вариант предполагает использование мощного автономного 
источника энергии для работы подземного агрегата (например ядерного). 
Примером подобных систем может служить современная телеметрическая система и отклоняющие роторно-управляемые системы (РУС), которые имея автономный источник энергии, способны по заданной программе, 

Введение 

8 

управляемые дистанционно прокладывать скважину в любом заданном направлении. 
10. Далее возможен переход к созданию нового направления в науке 
и технике: глубинного подземного транспорта. Необходимость данного направления связана с освоением недр для размещения разнообразных и экологически небезопасных производств, прежде всего горно-обогатительных 
подземных фабрик и металлургических предприятий, энергетических 
станций, использующих тепло Земли, транспортных артерий, а также для 
получения новых источников энергии, выявления и добычи полезных ископаемых. 
 
 

1. Виды и параметры скважин, способы их бурения 

9 

1. ВИДЫ И ПАРАМЕТРЫ СКВАЖИН,  
СПОСОБЫ ИХ БУРЕНИЯ 
 
 
Поисково-разведочные скважины предназначены для обнаружения месторождений полезных ископаемых и их последующего всестороннего изучения с целью определения количества, физико-химических характеристик, условий залегания полезного ископаемого и оценки техникоэкономических перспектив разработки месторождения. 
Инженерно-геологические скважины бурят для отбора проб грунта и пород с целью оценки их механических свойств и определения прочностных параметров проектируемых зданий и сооружений. 
Эксплуатационные скважины используются для извлечения жидких и газообразных полезных ископаемых, в том числе растворяемых водой (растворение солей) или кислотами (выщелачивание ураносодержащих 
руд) и превращенных в раствор твердых полезных ископаемых, на поверхность. 
Технические скважины выполняют разнообразные функции при 
разведке и разработке месторождений полезных ископаемых (вентиляция, 
доставка грузов в подземные выработки), при строительстве зданий и сооружений, укреплении грунтов и береговых линий, прокладке коммуникаций и трубопроводов. 
Скважины для проведения научных исследований и параметрические скважины необходимы для получения информации и материала 
в виде керна о характеристиках и параметрах строения земной коры и донных отложений водоемов с целью выполнения научного анализа и формулировки выводов о перспективах площадей на предмет поиска и разведки 
полезных ископаемых. 
По своим техническим характеристикам скважины классифицируют 
по углу забуривания (заложения), характеру искривления, количеству 
стволов и последовательности их бурения. 
По углу заложения скважины можно разделить:  
 на вертикальные (направленные вниз или вверх – угол наклона 
скважины φ относительно горизонта равен 90°); 
 наклонные относительно горизонта (направленные вниз или вверх, 
угол наклона φ относительно горизонта меньше 90°); 
 горизонтальные. 
Основные варианты заложения скважин с поверхности или из горных выработок показаны на рис. 1.1. 
По характеру кривизны скважины разделяются: 
 на относительно прямолинейные; 

Бурение скважин 

10 

 плоско искривленные; 
 пространственно искривленные. 
Прямолинейная наклонная и плоско искривленная скважины в плане (проекция на горизонтальную плоскость) 
имеют вид прямых линий, вытянутых 
в направлении заданного при заложении 
скважины азимута, а пространственно 
искривленные при проецировании их оси 
на горизонтальную плоскость имеют вид 
криволинейной линии, отклоняющейся 
вправо (при увеличении азимутального 
угла скважины) и влево (при его уменьшении). 
Многозабойные скважины – бурение двух или более скважин одной 
буровой установкой последовательным 
спуском снаряда и углублением того или иного ствола. Каждый ствол 
скважины имеет устье и забой. 
Куст скважин – две и более скважины, пробуренные последовательно с одной буровой площадки, как правило, с существенным смещением забоя по горизонтали от точки забуривания.  
Многоствольная скважина имеет основной ствол и два или более 
дополнительных, являющихся продолжением основного. Многоствольная 
скважина имеет одно устье, а количество забоев равняется числу дополнительных стволов.  
Положение устья скважины, т. е. точка её заложения, всегда может 
определяться координатами x0, y0, z0, полученными путем топографической 
или маркшейдерской съемки. При известных значениях координат устья 
скважины положение оси (её координаты) прямолинейной скважины определяется начальными зенитным (θ) и азимутальным (α) углами.  
Зенитный угол θ (зенит – фр. zenith – точка небесной сферы) – угол 
между вертикалью и осью скважины в заданной точке. При искривлении 
скважины возможно увеличение (выполаживание) или уменьшение (выкручивание) зенитного угла.  
Азимутальный угол α (азимут – араб. as-simút – путь) – угол, определяющий направление ствола наклонной скважины относительно сторон 
света и замеряемый по часовой стрелке между направлением на север 
и осью скважины в заданной точке. При искривлении скважины азимутальный угол может уменьшаться (искривление влево) или увеличиваться 
(искривление вправо).  

 
 
Рис. 1.1. Возможные варианты забуривания (заложения) скважин 
с поверхности земли и из подземных горных выработок 

φ 

φ