Ciencia do petróleo: Por que é tan difícil perforar pozos ultraprofundos?

Desafío 1: Os sistemas de presión complexos en pozos ultraprofundos complican o deseño da estrutura dos pozos

Os pozos ultraprofundos penetran numerosas formacións xeolóxicas, atopando réximes de presión de poro moi complexos e entrelazados. As zonas de alta e baixa presión altérnanse, o que leva a complicacións frecuentes e entrelazadas, como o colapso da formación, atascos de tubaxes, perda de circulación e sacudidas. Existe escaseza de datos de perforación para formacións ultraprofundas, e os datos sísmicos e de rexistro dispoñibles para a predición da presión de poro son limitados e de mala calidade. A falta de datos de referencia fiables, xunto coas limitacións de depender unicamente da monitorización da presión en tempo real durante a perforación, resulta en dificultades significativas e baixa precisión na predición das presións do sistema. Isto leva a erros substanciais na avaliación da formación, un deseño inadecuado das profundidades de asentamento da carcasa e as densidades dos fluídos de perforación, e graves problemas de inestabilidade do pozo. As tecnoloxías actuais non poden predicir con precisión parámetros clave como a presión da formación e as propiedades mecánicas das rochas, o que crea unha gran incerteza e fai que a xestión de riscos no fondo do pozo sexa extremadamente desafiante. En función das necesidades prácticas de exploración e desenvolvemento, onde poida ser necesario profundizar aínda máis o pozo, o deseño da estrutura do pozo debe incorporar unha ou dúas seccións de carcasa de continxencia para illar eficazmente as zonas de risco potenciais, o que aumenta substancialmente os custos asociados.

Desafío 2: O peso excesivo das sartas de tubaxes en pozos ultraprofundos dificulta as operacións seguras de revestimento

A perforación ultraprofunda pode atopar formacións como lousa rastreira e capas de xeso e sal a alta presión, o que supón riscos de deformación, colapso e rotura do revestimento. Estes riscos adoitan mitigarse aumentando o grosor da parede das sartas de revestimento. En condicións de seccións de cementación extremadamente longas, os problemas de lonxitude e peso excesivos das sartas de tubaxes fanse pronunciados. Especificamente, o peso da sarta de revestimento pode superar o límite de carga segura incluso dunha plataforma de 12.000 metros (900 toneladas, equivalentes ao peso combinado de 150 a 180 elefantes africanos adultos). A capacidade de elevación das plataformas existentes é insuficiente para suspender sartas de revestimento tan pesadas normalmente, e moito menos para manexar operacións de disparo durante complicacións ou cumprir as marxes de seguridade á tracción requiridas para un funcionamento seguro.

15.240 metros:En outubro de 2022, ADNOC estableceu un novo récord mundial para o pozo máis profundo co seu pozo horizontal UZ-688 no campo Upper Zakum, alcanzando unha profundidade total (profundidade medida) de 15.240 metros.

Desafío 3: As formacións duras e complexas en pozos ultraprofundos impiden a rotura eficiente da rocha e a aceleración xeral da perforación

As formacións en pozos ultraprofundos son complexas, altamente abrasivas e teñen unha perforabilidade deficiente. Os métodos existentes para a avaliación da perforabilidade son inadecuados e carecen de precisión preditiva, especialmente en novas áreas de exploración, o que dificulta gravemente o deseño científico e a selección de brocas. A gama actual de brocas e ferramentas de mellora da taxa de penetración (ROP) é ​​limitada, con restricións na adaptabilidade e fiabilidade da formación. A súa eficacia é deficiente e a súa vida útil é curta en formacións desafiantes en condicións de alta temperatura e alta presión (HTHP). Existe unha necesidade urxente de explorar novas tecnoloxías para a rotura eficiente de rochas en pozos profundos e ultraprofundos. A transmisión de enerxía hidráulica e mecánica é un reto en seccións ultralongas, con perdas de presión por fricción significativas ao longo da sarta de perforación, o que resulta nunha potencia insuficiente na broca e dificulta a rotura de rochas.

Desafío 4: Mantemento da reoloxía do fluído de perforación e da estabilidade do pozo en condicións HTHP ultraprofundas

A perforación ultraprofunda enfróntase a temperaturas no fondo do pozo superiores a 200 °C, o que require que os fluídos de perforación posúan resistencia a altas temperaturas, alta densidade, tolerancia ao sal e estabilidade a longo prazo. As altas temperaturas poden causar fallas no material, a alta presión dificulta o control reolóxico, o alto contido de sal agrava a inestabilidade do sistema e a operación prolongada corre o risco de afundimento dos materiais de ponderación. A combinación destas catro esixencias funcionais presenta desafíos técnicos inmensos e case insuperables. Ademais, as tecnoloxías existentes non poden abordar eficazmente problemas como a fracturación inducida polo arrefriamento cando formacións ultraquentes atopan fluídos de perforación relativamente máis fríos, ou a inestabilidade do pozo causada por cambios na actividade da auga a temperaturas extremas.

Desafío 5: Rendemento inadecuado das lamas de cemento e as tecnoloxías asociadas en condicións de presión complexa e de alta eficiencia de cemento ultraprofundo

As condicións que implican ultraprofundidade, alta temperatura, longas seccións de cementación e sistemas de presión complexos impoñen esixencias extremadamente altas ás propiedades da suspensión de cemento, incluíndo a estabilidade da suspensión, a reoloxía, o control da migración de gases e a estabilidade da resistencia do cemento de fraguado. Os aditivos críticos, como os controladores de perda de fluídos e os retardadores, poden descompoñerse ou reaccionar de forma anormal a temperaturas ultraaltas, o que leva a fallos funcionais e a incidentes potencialmente graves no fondo do pozo. O ambiente de temperaturas ultraaltas tamén impón requisitos estritos sobre a compatibilidade entre o sistema de aditivos e os materiais, o que impide a retrogresión da resistencia do cemento.

9.396 metros:En 2023, o pozo Guole 3C de Tarim Oilfield estableceu un récord para o pozo horizontal máis profundo de Asia (profundidade medida).

Desafío 6: Condicións de HTHP que superan os límites de tolerancia de equipos e ferramentas críticos

Os pozos ultraprofundos enfróntanse a condicións extremas no fondo do pozo con temperaturas que superan os 200 °C e presións superiores a 175 MPa (equivalente á presión da auga a 17.500 metros de profundidade, superando con creces a do fondo da fosa das Marianas). O límite de temperatura para a maioría dos equipos de fondo de pozo existentes é de arredor dos 175 °C. En condicións de funcionamento adversas con ultra-HTHP, ambientes ácidos e fortes vibracións, as ferramentas, os instrumentos e os equipos son propensos a sufrir fallos. Estes inclúen o inchazo e o envellecemento das gomas elastómeras nos estatores dos motores de lama e nos selos das ferramentas de impacto de torque, o mal funcionamento ou a falla da batería dos compoñentes electrónicos MWD/LWD e unha resistencia insuficiente á presión das ferramentas de terminación, o que fai que os equipos e as ferramentas críticos sexan inoperables.

Desafío 7: Novas demandas na tecnoloxía de rexistro en pozos ultraprofundos, HTHP e de pequeno diámetro

A profundidade dos pozos ultraprofundos está a achegarse ao límite máximo operativo dos guindastres de rexistro actuais, o que supón desafíos para os sistemas de enerxía que inclúen camións de alta potencia, cables de alta tensión, tambores de gran capacidade e equipos de elevación de alta resistencia. O ambiente HTHP no fondo do pozo está a achegarse aos límites superiores dos instrumentos convencionais da serie ultra-HTHP. A nivel internacional, non existen ferramentas maduras para servizos especializados como a imaxe eléctrica e a resonancia magnética nuclear nestas condicións. O risco de fallo da ferramenta debido aos límites de temperatura e presión é alto, o que leva a rexistros incorrectos ou de mala calidade. A atenuación do sinal en cables ultralongos de 13.000 metros afecta significativamente aos sistemas de telemetría para o rexistro por cable, o que dificulta garantir unha comunicación estable.

Desafío 8: Garantir probas de pozos seguras e eficientes en condicións extremas de alta eficiencia de auga

Os cálculos baseados nun pozo cheo de gas indican que a presión máxima prevista de peche na cabeza do pozo para pozos ultraprofundos pode superar os 100 MPa, posiblemente con presenza de sulfuro de hidróxeno. As ferramentas de probas e terminación de pozos amplamente utilizadas adoitan ter unha capacidade nominal de 70 MPa e 175 °C. As sartas de probas de produción para pozos ultraprofundos teñen tamaños relativamente máis pequenos, pero requiren unha alta resistencia. O emprego de materiais especiais e deseños de tubaxes non estándar complica a optimización do sistema e fai que a análise de tensións e a verificación sexan moi desafiantes. Os fluídos de probas de pozos de alta densidade e as ferramentas de proba de fondo de pozo actuais teñen dificultades para cumprir os requisitos das operacións a temperaturas ultraaltas, o que dificulta a selección de sistemas e ferramentas de fluídos óptimos.