Nauka o ropie naftowej: Dlaczego tak trudno jest wiercić bardzo głębokie odwierty?

Wyzwanie 1: Złożone systemy ciśnieniowe w odwiertach o bardzo dużej głębokości komplikują projektowanie konstrukcji otworu wiertniczego

Ultragłębokie odwierty penetrują liczne formacje geologiczne, napotykając na wysoce złożone i splecione reżimy ciśnienia porowego. Strefy wysokiego i niskiego ciśnienia naprzemiennie występują, co prowadzi do częstych i powiązanych komplikacji, takich jak zapadnięcie się formacji, zakleszczenie rurociągu, utrata cyrkulacji i wypiętrzenia. Brakuje danych wiertniczych dla ultragłębokich formacji, a dostępne dane sejsmiczne i geofizyczne do prognozowania ciśnienia porowego są ograniczone i niskiej jakości. Brak wiarygodnych danych referencyjnych, w połączeniu z ograniczeniami wynikającymi z polegania wyłącznie na monitorowaniu ciśnienia w czasie rzeczywistym podczas wiercenia, powoduje znaczne trudności i niską dokładność prognozowania ciśnień w systemie. Prowadzi to do istotnych błędów w ocenie formacji, niewłaściwego projektowania głębokości osadzenia rur okładzinowych i gęstości płynu wiertniczego oraz poważnych problemów z niestabilnością otworu wiertniczego. Obecne technologie nie są w stanie dokładnie przewidzieć kluczowych parametrów, takich jak ciśnienie w formacji i właściwości mechaniczne skał, co powoduje wysoki poziom niepewności i sprawia, że ​​zarządzanie ryzykiem w otworze wiertniczym jest niezwykle trudne. Biorąc pod uwagę praktyczne potrzeby eksploracji i rozwoju, w przypadku których może okazać się konieczne dalsze pogłębianie odwiertu, projekt konstrukcji otworu wiertniczego musi uwzględniać jedną lub dwie sekcje obudowy awaryjnej w celu skutecznego odizolowania potencjalnych stref ryzyka, co znacznie zwiększa związane z tym koszty.

Wyzwanie 2: Nadmierna masa rurociągów w studniach o bardzo dużej głębokości utrudnia bezpieczne prowadzenie prac obudowych

Podczas wierceń na bardzo dużych głębokościach mogą wystąpić formacje takie jak pełzający mułowiec i wysokociśnieniowe warstwy soli i gipsu, co stwarza ryzyko deformacji, zapadnięcia i pęknięcia rur okładzinowych. Ryzyko to jest często minimalizowane poprzez zwiększenie grubości ścianek rur okładzinowych. W warunkach ekstremalnie długich odcinków cementowania, problemy związane z nadmierną długością i masą rur okładzinowych stają się wyraźniejsze. W szczególności, masa rury okładzinowej może przekroczyć bezpieczny limit obciążenia nawet dla platformy wiertniczej o długości 12 000 metrów (900 ton, co odpowiada łącznej masie 150–180 dorosłych słoni afrykańskich). Udźwig istniejących platform wiertniczych jest niewystarczający do normalnego podwieszania tak ciężkich rur okładzinowych, nie mówiąc już o obsłudze operacji wydobywczych w przypadku komplikacji lub zachowaniu wymaganych marginesów bezpieczeństwa rozciągania dla bezpiecznej pracy.

15 240 metrów:W październiku 2022 r. ADNOC ustanowiło nowy światowy rekord najgłębszego odwiertu dzięki poziomemu odwiertowi UZ-688 na złożu Upper Zakum, osiągając całkowitą głębokość (zmierzoną głębokość) wynoszącą 15 240 metrów.

Wyzwanie 3: Twarde i złożone formacje w bardzo głębokich odwiertach utrudniają efektywne rozbijanie skał i ogólne przyspieszenie wiercenia

Formacje w odwiertach ultragłębokich są złożone, wysoce abrazyjne i charakteryzują się słabą podatnością na wiercenie. Istniejące metody oceny podatności na wiercenie są niewystarczające i nie zapewniają precyzyjnego przewidywania, szczególnie w nowych obszarach poszukiwawczych, co poważnie utrudnia naukowe projektowanie i dobór świdrów. Obecny asortyment świdrów i narzędzi do zwiększania szybkości penetracji (ROP) jest ograniczony, a także ma ograniczenia dotyczące możliwości adaptacji i niezawodności formacji. Ich skuteczność jest niska, a żywotność jest krótka w trudnych formacjach w warunkach wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia (HTHP). Istnieje pilna potrzeba zbadania nowych technologii efektywnego rozbijania skał w głębokich i ultragłębokich odwiertach. Przenoszenie energii hydraulicznej i mechanicznej jest trudne na bardzo długich odcinkach, ze znacznymi stratami ciśnienia tarcia wzdłuż przewodu wiertniczego, co skutkuje niewystarczającą mocą świdra i utrudnia rozbijanie skał.

Wyzwanie 4: Utrzymanie reologii płynu wiertniczego i stabilności otworu wiertniczego w warunkach ultra-głębokich wierceń HTHP

Podczas wierceń na bardzo dużą głębokość temperatury w otworze przekraczają 200°C, co wymaga od płynów wiertniczych odporności na wysokie temperatury, wysokiej gęstości, tolerancji na zasolenie i długotrwałej stabilności. Wysokie temperatury mogą powodować uszkodzenia materiału, wysokie ciśnienie utrudnia kontrolę reologiczną, wysoka zawartość soli pogarsza niestabilność systemu, a długotrwała eksploatacja grozi uginaniem się materiałów obciążających. Połączenie tych czterech wymagań funkcjonalnych stwarza ogromne, niemal niemożliwe do pokonania wyzwania techniczne. Co więcej, istniejące technologie nie są w stanie skutecznie rozwiązać takich problemów, jak pękanie indukowane chłodzeniem, gdy ultragorące formacje napotykają na stosunkowo chłodniejsze płyny wiertnicze, czy niestabilność otworu wiertniczego spowodowana zmianami aktywności wody w ekstremalnych temperaturach.

Wyzwanie 5: Niewłaściwa wydajność zaczynów cementowych i powiązanych technologii w warunkach bardzo głębokiej HTHP i złożonych warunków ciśnienia

Warunki związane z bardzo dużą głębokością, wysoką temperaturą, długimi sekcjami cementowania i złożonymi systemami ciśnieniowymi stawiają niezwykle wysokie wymagania dotyczące właściwości zaczynu cementowego, w tym stabilności zawiesiny, reologii, kontroli migracji gazów i stabilności wytrzymałości cementu. Krytyczne dodatki, takie jak regulatory utraty płynów i opóźniacze wiązania, mogą ulegać rozkładowi lub nieprawidłowo reagować w bardzo wysokich temperaturach, prowadząc do awarii funkcjonalnych i potencjalnie poważnych incydentów w odwiercie. Środowisko o bardzo wysokiej temperaturze stawia również surowe wymagania dotyczące kompatybilności między systemem dodatków a materiałami, zapobiegając spadkowi wytrzymałości cementu.

9396 metrów:W 2023 roku odwiert Guole 3C na polu naftowym Tarim ustanowił rekord najgłębszego odwiertu poziomego w Azji (zmierzona głębokość).

Wyzwanie 6: Warunki HTHP przekraczające granice tolerancji krytycznego sprzętu i narzędzi

Ultragłębokie odwierty pracują w ekstremalnych warunkach, z temperaturami przekraczającymi 200°C i ciśnieniami przekraczającymi 175 MPa (co odpowiada ciśnieniu wody na głębokości 17 500 metrów, znacznie przewyższającemu ciśnienie na dnie Rowu Mariańskiego). Dopuszczalna temperatura dla większości istniejących urządzeń wiertniczych wynosi około 175°C. W trudnych warunkach pracy, w tym przy ultra-wysokiej mocy (HTHP), kwaśnym środowisku i silnych wibracjach, narzędzia, instrumenty i sprzęt są podatne na awarie. Do awarii zalicza się pęcznienie i starzenie się gum elastomerowych w stojanach silników płuczkowych i uszczelnieniach w narzędziach udarowych, awarię lub awarię akumulatora podzespołów elektronicznych MWD/LWD oraz niewystarczającą odporność narzędzi do uszlachetniania, co uniemożliwia ich działanie.

Wyzwanie 7: Nowe wymagania dotyczące technologii rejestrowania danych z otworów wiertniczych o bardzo dużej głębokości, HTHP i małej średnicy

Głębokość ultragłębokich odwiertów zbliża się do maksymalnego limitu operacyjnego obecnych wciągarek geofizycznych, co stanowi wyzwanie dla systemów energetycznych wykorzystujących wozy o dużej mocy, kable wysokiego napięcia, bębny o dużej pojemności i urządzenia dźwigowe o dużej wytrzymałości. Środowisko HTHP w otworach wiertniczych zbliża się do górnych limitów konwencjonalnych instrumentów z serii ultra-HTHP. Na świecie brakuje dopracowanych narzędzi do specjalistycznych zastosowań, takich jak obrazowanie elektryczne i jądrowy rezonans magnetyczny w takich warunkach. Ryzyko awarii narzędzi z powodu ograniczeń temperaturowych i ciśnieniowych jest wysokie, co może prowadzić do potencjalnie nieudanych lub niskiej jakości pomiarów geofizycznych. Tłumienie sygnału w ultradługich kablach o długości 13 000 metrów znacząco wpływa na systemy telemetryczne do pomiarów geofizycznych, utrudniając zapewnienie stabilnej komunikacji.

Wyzwanie 8: Zapewnienie bezpiecznego i wydajnego testowania odwiertów w ekstremalnych warunkach HTHP

Obliczenia oparte na odwiercie wypełnionym gazem wskazują, że maksymalne przewidywane ciśnienie zamknięcia głowicy odwiertu w przypadku odwiertów ultragłębokich może przekraczać 100 MPa, potencjalnie z obecnością siarkowodoru. Powszechnie stosowane narzędzia do testowania i uzupełniania odwiertów są zazwyczaj przystosowane do ciśnienia 70 MPa i temperatury 175°C. Rury testowe do odwiertów ultragłębokich mają stosunkowo mniejsze rozmiary, ale wymagają wysokiej wytrzymałości. Stosowanie specjalnych materiałów i niestandardowych konstrukcji rur komplikuje optymalizację systemu i sprawia, że ​​analiza naprężeń i ich weryfikacja są bardzo trudne. Obecne płyny do testowania odwiertów o wysokiej gęstości i narzędzia do testowania wgłębnego mają trudności ze spełnieniem wymagań operacji w ultrawysokich temperaturach, co utrudnia dobór optymalnych systemów i narzędzi do płynów.