Ciència del petroli: Per què és tan difícil perforar pous ultraprofunds?

Repte 1: Els sistemes de pressió complexos en pous ultraprofunds compliquen el disseny de l'estructura dels pous

Els pous ultraprofunds penetren nombroses formacions geològiques, trobant règims de pressió de porus altament complexos i entrellaçats. Les zones d'alta pressió i baixa pressió s'alternen, cosa que provoca complicacions freqüents i entrellaçades com ara el col·lapse de la formació, canonades enganxades, pèrdua de circulació i cops de peu. Hi ha escassetat de dades de perforació per a formacions ultraprofundes, i les dades sísmiques i de registre disponibles per a la predicció de la pressió de porus són limitades i de mala qualitat. La manca de dades de referència fiables, juntament amb les limitacions de confiar únicament en el monitoratge de la pressió en temps real durant la perforació, resulta en dificultats importants i baixa precisió en la predicció de les pressions del sistema. Això condueix a errors substancials en l'avaluació de la formació, un disseny inadequat de les profunditats de col·locació de la carcassa i les densitats del fluid de perforació, i greus problemes d'inestabilitat del pou. Les tecnologies actuals no poden predir amb precisió paràmetres clau com la pressió de la formació i les propietats mecàniques de la roca, cosa que crea una alta incertesa i fa que la gestió del risc al fons del pou sigui extremadament difícil. Basant-se en les necessitats pràctiques d'exploració i desenvolupament, on pot ser necessari aprofundir més el pou, el disseny de l'estructura del pou ha d'incorporar una o dues seccions de carcassa de contingència per aïllar eficaçment les zones de risc potencials, augmentant substancialment els costos associats.

Repte 2: El pes excessiu de les canonades en pous ultraprofunds dificulta les operacions de funcionament segur de la carcasa

La perforació ultraprofunda pot trobar formacions com ara fang rastrer i capes de guix salícola a alta pressió, cosa que presenta riscos de deformació, col·lapse i ruptura del revestiment. Aquests riscos sovint es mitiguen augmentant el gruix de la paret de les sartes de revestiment. En condicions de seccions de cimentació extremadament llargues, els problemes de longitud i pes excessius de les sartes de canonades es tornen pronunciats. En concret, el pes de la sarta de revestiment pot superar el límit de càrrega segura fins i tot d'una plataforma de perforació de 12.000 metres (900 tones, equivalents al pes combinat de 150 a 180 elefants africans adults). La capacitat d'elevació de les plataformes existents és insuficient per suspendre sartes de revestiment tan pesades normalment, i molt menys per gestionar les operacions de desplaçament durant les complicacions o complir els marges de seguretat a la tracció requerits per a un funcionament segur.

15.240 metres:A l'octubre de 2022, ADNOC va establir un nou rècord mundial del pou més profund amb el seu pou horitzontal UZ-688 al camp Upper Zakum, assolint una profunditat total (profunditat mesurada) de 15.240 metres.

Repte 3: Les formacions dures i complexes en pous ultraprofunds impedeixen una ruptura de roca eficient i una acceleració general de la perforació

Les formacions en pous ultraprofunds són complexes, altament abrasives i tenen poca perforabilitat. Els mètodes existents per a l'avaluació de la perforabilitat són inadequats i manquen de precisió predictiva, especialment en noves àrees d'exploració, cosa que dificulta greument el disseny científic i la selecció de broques. La gamma actual de broques i eines de millora de la taxa de penetració (ROP) és limitada, amb restriccions sobre l'adaptabilitat i la fiabilitat de la formació. La seva eficàcia és deficient i la vida útil és curta en formacions desafiadores en condicions d'alta temperatura i alta pressió (HTHP). Hi ha una necessitat urgent d'explorar noves tecnologies per a la ruptura eficient de roques en pous profunds i ultraprofunds. La transmissió d'energia hidràulica i mecànica és un repte en seccions ultrallargues, amb pèrdues de pressió per fricció significatives al llarg de la columna de perforació, la qual cosa resulta en una potència insuficient a la broca i dificulta la ruptura de roques.

Repte 4: Mantenir la reologia del fluid de perforació i l'estabilitat del pou en condicions HTHP ultraprofundes

La perforació ultraprofunda s'enfronta a temperatures al fons del pou superiors a 200 °C, cosa que requereix que els fluids de perforació tinguin una resistència a altes temperatures, una alta densitat, tolerància a la sal i estabilitat a llarg termini. Les altes temperatures poden causar fallades del material, l'alta pressió dificulta el control reològic, un alt contingut de sal agreuja la inestabilitat del sistema i un funcionament prolongat corre el risc de l'enfonsament dels materials de pes. La combinació d'aquestes quatre demandes funcionals presenta reptes tècnics immensos, gairebé insuperables. A més, les tecnologies existents no poden abordar eficaçment problemes com la fracturació induïda pel refredament quan les formacions ultracalentes es troben amb fluids de perforació relativament més freds, o la inestabilitat del pou causada per canvis en l'activitat de l'aigua a temperatures extremes.

Repte 5: Rendiment inadequat de les suspensions de ciment i les tecnologies associades en condicions de HTHP ultraprofundes i pressió complexes

Les condicions que impliquen profunditats extremes, altes temperatures, seccions de cimentació llargues i sistemes de pressió complexos imposen demandes extremadament altes a les propietats de la pasta de ciment, incloent-hi l'estabilitat de la suspensió, la reologia, el control de la migració de gasos i l'estabilitat de la resistència del ciment endurit. Els additius crítics, com ara els controladors de pèrdua de fluids i els retardadors, poden descompondre's o reaccionar de manera anormal a temperatures ultra altes, cosa que pot provocar fallades funcionals i incidents potencialment greus al fons del pou. L'entorn de temperatures ultra altes també imposa requisits estrictes sobre la compatibilitat entre el sistema d'additius i els materials, cosa que impedeix la regressió de la resistència del ciment.

9.396 metres:El 2023, el pou Guole 3C de Tarim Oilfield va establir un rècord del pou horitzontal més profund d'Àsia (profunditat mesurada).

Repte 6: Condicions HTHP que superen els límits de tolerància d'equips i eines crítiques

Els pous ultraprofunds s'enfronten a condicions extremes de fons de pou amb temperatures superiors a 200 °C i pressions superiors a 175 MPa (equivalent a la pressió de l'aigua a 17.500 metres de profunditat, superant amb escreix la del fons de la fossa de les Marianes). El límit de temperatura per a la majoria dels equips de fons de pou existents és d'uns 175 °C. En condicions de funcionament dures amb ultra-HTHP, ambients àcids i fortes vibracions, les eines, els instruments i els equips són propensos a fallades. Aquestes inclouen la inflor i l'envelliment dels cautxús elastomèrics en els estators dels motors de fang i els segells de les eines d'impacte de parell, el mal funcionament o la fallada de la bateria dels components electrònics MWD/LWD, i una resistència a la pressió insuficient de les eines de finalització, cosa que fa que els equips i les eines crítiques siguin inoperables.

Repte 7: Noves demandes en tecnologia de registre de pous ultraprofunds, HTHP i de petit diàmetre

La profunditat dels pous ultraprofunds s'acosta al límit màxim operatiu dels cabrestants de registre actuals, cosa que planteja reptes als sistemes d'energia que impliquen camions d'alta potència, cables d'alta tensió, tambors de gran capacitat i equips d'elevació d'alta resistència. L'entorn HTHP de fons de pou s'acosta als límits superiors dels instruments convencionals de la sèrie ultra-HTHP. A nivell internacional, no hi ha eines madures per a serveis especialitzats com ara imatges elèctriques i ressonància magnètica nuclear en aquestes condicions. El risc de fallada de l'eina a causa dels límits de temperatura i pressió és alt, cosa que pot provocar registres incorrectes o de mala qualitat. L'atenuació del senyal en cables ultrallargs de 13.000 metres afecta significativament els sistemes de telemetria per al registre per cable, cosa que dificulta garantir una comunicació estable.

Repte 8: Garantir proves de pous segures i eficients en condicions extremes de HTHP

Els càlculs basats en un pou ple de gas indiquen que la pressió màxima prevista de tancament del cap de pou per a pous ultraprofunds pot superar els 100 MPa, possiblement amb presència de sulfur d'hidrogen. Les eines de prova i terminació de pous més utilitzades solen tenir una capacitat nominal de 70 MPa i 175 °C. Les sarntes de proves de producció per a pous ultraprofunds tenen mides relativament més petites, però requereixen una alta resistència. L'ús de materials especials i dissenys de canonades no estàndard complica l'optimització del sistema i fa que l'anàlisi i la verificació d'esforços siguin molt difícils. Els fluids de prova de pous d'alta densitat actuals i les eines de prova de fons de pou tenen dificultats per complir els requisits de les operacions a temperatures ultra altes, cosa que dificulta la selecció dels sistemes i les eines de fluids òptims.