Petroleumvetenskap: Varför är ultradjupa brunnar så svåra att borra?

Utmaning 1: Komplexa trycksystem i ultradjupa brunnar komplicerar utformningen av brunnshålsstrukturer

Ultradjupa brunnar penetrerar ett flertal geologiska formationer och stöter på mycket komplexa och sammanflätade portrycksregimer. Högtrycks- och lågtryckszoner växlar mellan varandra, vilket leder till frekventa och sammanflätade komplikationer som formationskollaps, fastnade rör, förlorad cirkulation och spark. Det finns en brist på borrdata för ultradjupa formationer, och tillgängliga seismiska och loggade data för portrycksprognoser är begränsade och av dålig kvalitet. Bristen på tillförlitliga referensdata, i kombination med begränsningarna med att enbart förlita sig på realtidstryckövervakning under borrning, resulterar i betydande svårigheter och låg noggrannhet vid prognostisering av systemtryck. Detta leder till betydande fel i formationsutvärderingen, olämplig design av foderrörsdjup och borrvätskedensiteter, samt allvarliga problem med instabilitet i borrhålet. Nuvarande teknik kan inte exakt förutsäga viktiga parametrar som formationstryck och bergmekaniska egenskaper, vilket skapar hög osäkerhet och gör riskhantering i borrhålet extremt utmanande. Baserat på praktiska prospekterings- och utvecklingsbehov, där ytterligare fördjupning av brunnen kan vara nödvändig, måste brunnshålsstrukturens design innefatta en eller två beredskapsfoderrörssektioner för att effektivt isolera potentiella riskzoner, vilket avsevärt ökar de därmed sammanhängande kostnaderna.

Utmaning 2: För hög rörsträngsvikt i ultradjupa brunnar hindrar säker foderrörsdrift

Ultradjupborrning kan stöta på formationer som krypande lersten och högtryckssalt-gipslager, vilket innebär risker för foderrörsdeformation, kollaps och bristning. Dessa risker mildras ofta genom att öka foderrörsträngarnas väggtjocklek. Under förhållanden med extremt långa cementeringssektioner blir problemen med rörsträngarnas överdrivna längd och vikt uttalade. Mer specifikt kan foderrörsträngens vikt överstiga den säkra belastningsgränsen för även en 12 000 meter lång rigg (900 ton, motsvarande den sammanlagda vikten av 150 till 180 vuxna afrikanska elefanter). Lyftkapaciteten hos befintliga riggar är otillräcklig för att normalt hänga upp sådana tunga foderrörsträngar, än mindre hantera utlösningsoperationer under komplikationer eller uppfylla de erforderliga dragsäkerhetsmarginalerna för säker drift.

15 240 meter:I oktober 2022 satte ADNOC ett nytt världsrekord för den djupaste brunnen med sin horisontella brunn UZ-688 i Upper Zakum-fältet, och nådde ett totalt djup (uppmätt djup) på 15 240 meter.

Utmaning 3: Hårda och komplexa formationer i ultradjupa brunnar hindrar effektiv bergbrytning och total borrningsacceleration

Formationer i ultradjupa brunnar är komplexa, mycket slipande och har dålig borrbarhet. Befintliga metoder för utvärdering av borrbarhet är otillräckliga och saknar prediktiv noggrannhet, särskilt i nya prospekteringsområden, vilket allvarligt hindrar den vetenskapliga designen och valet av borrkronor. Det nuvarande utbudet av borrkronor och verktyg för förbättring av penetrationshastighet (ROP) är begränsat, med begränsningar vad gäller formationens anpassningsförmåga och tillförlitlighet. Deras effektivitet är dålig och livslängden är kort i utmanande formationer under höga temperaturer och höga tryckförhållanden (HTHP). Det finns ett akut behov av att utforska nya tekniker för effektiv bergbrytning i djupa och ultradjupa brunnar. Överföringen av hydraulisk och mekanisk energi är utmanande över ultralånga sektioner, med betydande friktionstryckförluster längs borrsträngen, vilket resulterar i otillräcklig kraft vid borrkronan och gör bergbrytning svår.

Utmaning 4: Bibehålla borrvätskereologi och borrhålsstabilitet under ultradjupa HTHP-förhållanden

Ultradjupborrning möter temperaturer i borrhålet som överstiger 200 °C, vilket kräver att borrvätskor har hög temperaturbeständighet, hög densitet, salttolerans och långsiktig stabilitet. Höga temperaturer kan orsaka materialfel, högt tryck försvårar reologisk kontroll, hög salthalt förvärrar systeminstabilitet och långvarig drift riskerar att tyngande material sjunker. Kombinationen av dessa fyra funktionella krav innebär enorma, nästan oöverstigliga tekniska utmaningar. Dessutom kan befintliga tekniker inte effektivt hantera problem som kylningsinducerad sprickbildning när ultraheta formationer stöter på relativt kallare borrvätskor, eller borrhålsinstabilitet orsakad av förändringar i vattenaktivitet under extrema temperaturer.

Utmaning 5: Otillräcklig prestanda hos cementslam och tillhörande tekniker under ultradjupa HTHP- och komplexa tryckförhållanden

Förhållanden som involverar ultradjup, hög temperatur, långa cementeringssektioner och komplexa trycksystem ställer extremt höga krav på cementuppslamningens egenskaper, inklusive suspensionsstabilitet, reologi, gasmigrationskontroll och cementens hållfasthetsstabilitet. Kritiska tillsatser som vätskeförlustkontroller och retardatorer kan sönderfalla eller reagera onormalt under ultrahöga temperaturer, vilket leder till funktionsfel och potentiellt allvarliga incidenter nere i borrhålet. Den ultrahöga temperaturmiljön ställer också stränga krav på kompatibiliteten mellan tillsatssystemet och material som förhindrar tillbakagång av cementens hållfasthet.

9 396 meter:År 2023 satte Tarim Oilfields Guole 3C-brunn rekord för den djupaste horisontella brunnen i Asien (uppmätt djup).

Utmaning 6: HTHP-förhållanden som överskrider toleransgränserna för kritisk utrustning och verktyg

Ultradjupa brunnar utsätts för extrema förhållanden nere i borrhålet med temperaturer över 200 °C och tryck över 175 MPa (motsvarande vattentrycket på 17 500 meters djup, vilket vida överstiger trycket på botten av Marianergraven). Temperaturgränsen för den mesta befintliga utrustningen nere i borrhålet ligger runt 175 °C. Under hårda driftsförhållanden med ultra-HTHP, sura miljöer och starka vibrationer är verktyg, instrument och utrustning benägna att haverera. Dessa inkluderar svullnad och åldring av elastomergummin i slammotorstatorer och tätningar i momentslagverktyg, funktionsfel eller batterifel i MWD/LWD elektroniska komponenter, och otillräcklig tryckmotståndskraft hos kompletteringsverktyg, vilket gör kritisk utrustning och verktyg obrukbara.

Utmaning 7: Nya krav på avverkningsteknik från ultradjupa, högtrycks- och smådiameterborrhål

Djupet på ultradjupa brunnar närmar sig den maximala driftsgränsen för nuvarande skogsvinschar, vilket innebär utmaningar för kraftsystem som involverar högeffektstruckar, högspänningskablar, trummor med stor kapacitet och höghållfast lyftutrustning. HTHP-miljön nere i borrhålet närmar sig de övre gränserna för konventionella ultra-HTHP-instrument. Internationellt finns det inga mogna verktyg för specialiserade tjänster som elektrisk avbildning och kärnmagnetisk resonans under sådana förhållanden. Risken för verktygsfel på grund av temperatur- och tryckgränser är hög, vilket leder till potentiellt misslyckade eller dåliga loggar. Signaldämpning över 13 000 meter ultralånga kablar påverkar telemetrisystem för trådbunden loggning avsevärt, vilket gör det svårt att säkerställa stabil kommunikation.

Utmaning 8: Säkerställa säker och effektiv brunnstestning under extrema HTHP-förhållanden

Beräkningar baserade på ett gasfyllt brunnshål indikerar att det maximala förväntade avstängningstrycket vid brunnshuvudet för ultradjupa brunnar kan överstiga 100 MPa, potentiellt med vätesulfid närvarande. De allmänt använda verktygen för brunnstestning och komplettering är vanligtvis klassade för 70 MPa och 175 °C. Produktionsteststrängarna för ultradjupa brunnar har relativt mindre storlekar men kräver hög hållfasthet. Användningen av speciella material och icke-standardiserade rörkonstruktioner komplicerar systemoptimering och gör spänningsanalys och verifiering mycket utmanande. Nuvarande högdensitetsvätskor för brunnstestning och borrhålstestverktyg har svårt att uppfylla kraven för ultrahöga temperaturer, vilket gör valet av optimala vätskesystem och verktyg svårt.