Petroleumsvitenskap: Hvorfor er ultradype brønner så vanskelige å bore?

Utfordring 1: Komplekse trykksystemer i ultradype brønner kompliserer design av brønnhullstrukturer

Ultradype brønner trenger inn i en rekke geologiske formasjoner og støter på svært komplekse og sammenvevde poretrykksregimer. Høytrykks- og lavtrykkssoner veksler, noe som fører til hyppige og sammenflettede komplikasjoner som formasjonskollaps, fastkjørte rør, tapt sirkulasjon og spark. Det er mangel på boredata for ultradype formasjoner, og tilgjengelige seismiske og loggedata for poretrykksprediksjon er begrensede og av dårlig kvalitet. Mangelen på pålitelige referansedata, kombinert med begrensningene ved å stole utelukkende på sanntidstrykkovervåking under boring, resulterer i betydelige vanskeligheter og lav nøyaktighet i å forutsi systemtrykk. Dette fører til betydelige feil i formasjonsevaluering, upassende design av foringsrørsdybder og borevæsketettheter, og alvorlige problemer med brønnhullsinstabilitet. Nåværende teknologier kan ikke nøyaktig forutsi viktige parametere som formasjonstrykk og bergmekaniske egenskaper, noe som skaper høy usikkerhet og gjør risikostyring nedihulls ekstremt utfordrende. Basert på praktiske lete- og utviklingsbehov, der ytterligere utdyping av brønnen kan være nødvendig, må brønnhullstrukturdesign inkludere en eller to beredskapsforingsrørseksjoner for effektivt å isolere potensielle risikosoner, noe som øker de tilhørende kostnadene betydelig.

Utfordring 2: For stor vekt på rørstrengen i ultradype brønner hindrer sikker drift av foringsrøret

Ultradyp boring kan støte på formasjoner som krypende leirstein og høytrykkslag av salt-gips, noe som utgjør risiko for deformasjon, kollaps og brudd i foringsrøret. Disse risikoene reduseres ofte ved å øke veggtykkelsen på foringsrørstrengene. Under forhold med ekstremt lange sementeringsseksjoner blir problemene med overdreven lengde og vekt på rørstrengene uttalte. Mer spesifikt kan vekten av foringsrørstrengen overstige den sikre lastegrensen for selv en 12 000 meter lang rigg (900 tonn, tilsvarende den samlede vekten av 150 til 180 voksne afrikanske elefanter). Løftekapasiteten til eksisterende rigger er utilstrekkelig til å henge opp slike tunge foringsrørstrenger normalt, enn si håndtere utløsningsoperasjoner under komplikasjoner eller oppfylle de nødvendige strekksikkerhetsmarginene for sikker drift.

15 240 meter:I oktober 2022 satte ADNOC ny verdensrekord for den dypeste brønnen med sin horisontale brønn UZ-688 i Upper Zakum-feltet, og nådde en total dybde (målt dybde) på 15 240 meter.

Utfordring 3: Harde og komplekse formasjoner i ultradype brønner hindrer effektiv fjellbryting og generell boreakselerasjon

Formasjoner i ultradype brønner er komplekse, svært slipende og har dårlig borbarhet. Eksisterende metoder for evaluering av borbarhet er utilstrekkelige og mangler prediktiv nøyaktighet, spesielt i nye leteområder, noe som i alvorlig grad hindrer vitenskapelig design og valg av borekroner. Det nåværende utvalget av borekroner og verktøy for forbedring av penetrasjonsrate (ROP) er begrenset, med begrensninger på formasjonens tilpasningsevne og pålitelighet. Effektiviteten deres er dårlig, og levetiden er kort i utfordrende formasjoner under forhold med høy temperatur og høyt trykk (HTHP). Det er et presserende behov for å utforske nye teknologier for effektiv fjellbryting i dype og ultradype brønner. Overføring av hydraulisk og mekanisk energi er utfordrende over ultralange seksjoner, med betydelige friksjonstap langs borestrengen, noe som resulterer i utilstrekkelig kraft ved borekronen og gjør fjellbryting vanskelig.

Utfordring 4: Opprettholde borevæskens reologi og brønnstabilitet under ultradype HTHP-forhold

Ultradyp boring står overfor temperaturer nedihulls som overstiger 200 °C, noe som krever at borevæsker har høy temperaturbestandighet, høy tetthet, salttoleranse og langsiktig stabilitet. Høye temperaturer kan forårsake materialsvikt, høyt trykk vanskeliggjør reologisk kontroll, høyt saltinnhold forverrer systemustabilitet, og langvarig drift risikerer at vektmaterialer siger. Kombinasjonen av disse fire funksjonelle kravene presenterer enorme, nesten uoverstigelige tekniske utfordringer. Videre kan ikke eksisterende teknologier effektivt løse problemer som kjøleindusert oppsprekking når ultravarme formasjoner møter relativt kaldere borevæsker, eller brønnhullstabilitet forårsaket av endringer i vannaktivitet under ekstreme temperaturer.

Utfordring 5: Mangelfull ytelse av sementslam og tilhørende teknologier under ultradype HTHP- og komplekse trykkforhold

Forhold som involverer ultradybde, høye temperaturer, lange sementeringsseksjoner og komplekse trykksystemer stiller ekstremt høye krav til sementslammens egenskaper, inkludert suspensjonsstabilitet, reologi, gassmigrasjonskontroll og sementstyrkestabilitet. Kritiske tilsetningsstoffer som væsketapkontrollere og retardere kan dekomponere eller reagere unormalt under ultrahøye temperaturer, noe som kan føre til funksjonssvikt og potensielt alvorlige hendelser nedihullet. Det ultrahøye temperaturmiljøet stiller også strenge krav til kompatibiliteten mellom tilsetningsstoffsystemet og materialer som forhindrer tilbakegang av sementstyrken.

9 396 meter:I 2023 satte Tarim Oilfields Guole 3C-brønn rekord for den dypeste horisontale brønnen i Asia (målt dybde).

Utfordring 6: HTHP-forhold som overskrider toleransegrensene for kritisk utstyr og verktøy

Ultradype brønner står overfor ekstreme forhold nede i hullet med temperaturer over 200 °C og trykk over 175 MPa (tilsvarer vanntrykket på 17 500 meters dyp, noe som langt overstiger trykket på bunnen av Marianergropen). Temperaturgrensen for det meste eksisterende nedihullsutstyr er rundt 175 °C. Under tøffe driftsforhold med ultra-HTHP, sure miljøer og sterke vibrasjoner, er verktøy, instrumenter og utstyr utsatt for feil. Disse inkluderer hevelse og aldring av elastomergummier i slammotorstatorer og tetninger i momentverktøy, funksjonsfeil eller batterisvikt i elektroniske MWD/LWD-komponenter, og utilstrekkelig trykkmotstand hos kompletteringsverktøy, noe som gjør kritisk utstyr og verktøy ubrukelige.

Utfordring 7: Nye krav til loggingteknologi fra ultradype, HTHP- og smådiameterborehull

Dybden på ultradype brønner nærmer seg den maksimale driftsgrensen for nåværende loggevinsjer, noe som skaper utfordringer for kraftsystemer som involverer kraftige trucker, høyspentkabler, tromler med stor kapasitet og løfteutstyr med høy styrke. HTHP-miljøet nedihulls nærmer seg de øvre grensene for konvensjonelle ultra-HTHP-serieinstrumenter. Internasjonalt finnes det ingen modne verktøy for spesialiserte tjenester som elektrisk avbildning og kjernemagnetisk resonans under slike forhold. Risikoen for verktøysvikt på grunn av temperatur- og trykkgrenser er høy, noe som kan føre til potensielt mislykkede eller dårlige logger. Signaldemping over 13 000 meter lange ultralange kabler påvirker telemetrisystemer for kabellogging betydelig, noe som gjør det vanskelig å sikre stabil kommunikasjon.

Utfordring 8: Sikre sikker og effektiv brønntesting under ekstreme HTHP-forhold

Beregninger basert på et gassfylt brønnhull indikerer at det maksimale forventede brønnhodetrykket for ultradype brønner kan overstige 100 MPa, potensielt med hydrogensulfid tilstede. De mye brukte verktøyene for brønntesting og komplettering er vanligvis klassifisert for 70 MPa og 175 °C. Produksjonsteststrengene for ultradype brønner har relativt mindre størrelser, men krever høy styrke. Bruk av spesielle materialer og ikke-standard rørdesign kompliserer systemoptimalisering og gjør spenningsanalyse og verifisering svært utfordrende. Nåværende brønntestvæsker med høy tetthet og testverktøy nedihulls sliter med å oppfylle kravene til operasjoner med ultrahøye temperaturer, noe som gjør valg av optimale væskesystemer og verktøy vanskelig.