Petroleumwetenschap: Waarom is het zo moeilijk om ultradiepe putten te boren?

Uitdaging 1: Complexe druksystemen in ultradiepe putten bemoeilijken het ontwerp van de putboringsstructuur.

Ultradiepe putten doorboren talrijke geologische formaties en stuiten daarbij op zeer complexe en onderling verweven poriedrukregimes. Hoge- en lagedrukzones wisselen elkaar af, wat leidt tot frequente en onderling samenhangende complicaties zoals formatie-instorting, vastzittende boorpijp, circulatieverlies en blowouts. Er is een tekort aan boorgegevens voor ultradiepe formaties en de beschikbare seismische en loggegevens voor poriedrukvoorspelling zijn beperkt en van slechte kwaliteit. Het gebrek aan betrouwbare referentiegegevens, in combinatie met de beperkingen van het uitsluitend vertrouwen op realtime drukmonitoring tijdens het boren, resulteert in aanzienlijke moeilijkheden en een lage nauwkeurigheid bij het voorspellen van de systeemdruk. Dit leidt tot substantiële fouten in de formatie-evaluatie, een onjuist ontwerp van de diepte van de casing en de dichtheid van de boorvloeistof, en ernstige problemen met de instabiliteit van het boorgat. De huidige technologieën kunnen belangrijke parameters zoals formatiedruk en gesteentemechanische eigenschappen niet nauwkeurig voorspellen, wat leidt tot grote onzekerheid en een extreem lastig risicomanagement in het boorgat. Op basis van praktische exploratie- en ontwikkelingsbehoeften, waarbij verdere verdieping van de put noodzakelijk kan zijn, moet het ontwerp van de boorgatstructuur één of twee reserve-casingsecties bevatten om potentiële risicozones effectief te isoleren, wat de bijbehorende kosten aanzienlijk verhoogt.

Uitdaging 2: Overmatig gewicht van de boorpijp in ultradiepe putten belemmert veilige plaatsing van de casing.

Bij ultradiep boren kunnen formaties zoals kruipende moddersteen en hogedruk zout-gipslagen worden aangetroffen, wat risico's met zich meebrengt op vervorming, instorting en breuk van de casing. Deze risico's worden vaak beperkt door de wanddikte van de casing te vergroten. Onder omstandigheden met extreem lange cementeringssecties worden de problemen van de excessieve lengte en het gewicht van de buizen duidelijk merkbaar. Het gewicht van de casing kan met name de veilige belastinglimiet van zelfs een boorinstallatie van 12.000 meter overschrijden (900 ton, equivalent aan het gecombineerde gewicht van 150 tot 180 volwassen Afrikaanse olifanten). De hijscapaciteit van bestaande boorinstallaties is onvoldoende om dergelijke zware casing normaal te hijsen, laat staan ​​om in geval van problemen de buizen te laten in- en uittrekken of om te voldoen aan de vereiste treksterkte-veiligheidsmarges voor een veilige werking.

15.240 meter:In oktober 2022 vestigde ADNOC een nieuw wereldrecord voor de diepste put met de horizontale put UZ-688 in het Upper Zakum-veld, waarbij een totale diepte (gemeten diepte) van 15.240 meter werd bereikt.

Uitdaging 3: Harde en complexe formaties in ultradiepe putten belemmeren efficiënte gesteentebreking en algehele boorversnelling.

Gesteenteformaties in ultradiepe putten zijn complex, zeer abrasief en moeilijk te boren. Bestaande methoden voor het beoordelen van de boorbaarheid zijn ontoereikend en missen voorspellende nauwkeurigheid, met name in nieuwe exploratiegebieden, wat het wetenschappelijk ontwerp en de selectie van boorbeitels ernstig belemmert. Het huidige aanbod aan boorbeitels en hulpmiddelen voor het verhogen van de boorsnelheid (ROP) is beperkt, met beperkingen op het gebied van aanpasbaarheid aan verschillende formaties en betrouwbaarheid. Hun effectiviteit is gering en hun levensduur is kort in uitdagende formaties onder hoge temperatuur- en hogedrukomstandigheden (HTHP). Er is dringend behoefte aan onderzoek naar nieuwe technologieën voor efficiënte gesteentebreking in diepe en ultradiepe putten. De overdracht van hydraulische en mechanische energie is een uitdaging over zeer lange trajecten, met aanzienlijke wrijvingsverliezen langs de boorstreng, wat resulteert in onvoldoende vermogen aan de boorbeitel en gesteentebreking bemoeilijkt.

Uitdaging 4: Het behouden van de reologie van de boorvloeistof en de stabiliteit van het boorgat onder ultradiepe HTHP-omstandigheden.

Bij ultradiep boren komen temperaturen in het boorgat van meer dan 200 °C voor, waardoor boorvloeistoffen bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen, een hoge dichtheid moeten hebben, zouttolerant moeten zijn en langdurig stabiel moeten blijven. Hoge temperaturen kunnen leiden tot materiaalbreuk, hoge druk maakt reologische controle moeilijk, een hoog zoutgehalte verergert de systeeminstabiliteit en langdurig gebruik brengt het risico met zich mee dat de verzwaringsmaterialen doorzakken. De combinatie van deze vier functionele eisen vormt een enorme, bijna onoverkomelijke technische uitdaging. Bovendien kunnen bestaande technologieën problemen zoals door afkoeling veroorzaakte breuken wanneer ultrahete formaties relatief koelere boorvloeistoffen tegenkomen, of instabiliteit van het boorgat als gevolg van veranderingen in de wateractiviteit bij extreme temperaturen, niet effectief aanpakken.

Uitdaging 5: Onvoldoende prestaties van cementmengsels en bijbehorende technologieën onder ultradiepe HTHP- en complexe drukcondities.

Omstandigheden zoals ultradiep boren, hoge temperaturen, lange cementeringssecties en complexe druksystemen stellen extreem hoge eisen aan de eigenschappen van cementmortel, waaronder suspensiestabiliteit, reologie, beheersing van gasmigratie en stabiliteit van de cementsterkte. Kritische additieven zoals vloeistofverliesregelaars en vertragers kunnen ontbinden of abnormaal reageren bij ultrahoge temperaturen, wat kan leiden tot functioneel falen en mogelijk ernstige incidenten in het boorgat. De ultrahoge temperaturen stellen ook strenge eisen aan de compatibiliteit tussen het additievensysteem en de materialen om achteruitgang van de cementsterkte te voorkomen.

9.396 meter:In 2023 vestigde de Guole 3C-put van het Tarim-olieveld een record voor de diepste horizontale put in Azië (gemeten diepte).

Uitdaging 6: HTHP-omstandigheden die de tolerantiegrenzen van kritieke apparatuur en gereedschap overschrijden.

Ultra-diepe putten worden geconfronteerd met extreme omstandigheden in de boorgatwand, met temperaturen van meer dan 200 °C en drukken van meer dan 175 MPa (gelijk aan de waterdruk op een diepte van 17.500 meter, veel hoger dan op de bodem van de Marianentrog). De temperatuurlimiet voor de meeste bestaande boorgatapparatuur ligt rond de 175 °C. Onder zware bedrijfsomstandigheden met ultrahoge temperaturen en hoge druk, zure omgevingen en sterke trillingen zijn gereedschappen, instrumenten en apparatuur gevoelig voor storingen. Deze omvatten zwelling en veroudering van elastomeerrubbers in stators van moddermotoren en afdichtingen in momentsleutels, storingen of batterijuitval van elektronische componenten van MWD/LWD, en onvoldoende drukbestendigheid van afwerkingsgereedschappen, waardoor cruciale apparatuur en gereedschappen onbruikbaar worden.

Uitdaging 7: Nieuwe eisen aan meettechnologie bij ultradiepe, HTHP- en boorgaten met een kleine diameter

De diepte van ultradiepe putten nadert de maximale operationele limiet van de huidige lierinstallaties voor boorgatmetingen, wat uitdagingen met zich meebrengt voor de aandrijfsystemen met krachtige trucks, hoogspanningskabels, grote trommels en zware hijsapparatuur. De HTHP-omgeving in de put nadert de bovengrens van conventionele ultra-HTHP-instrumenten. Internationaal zijn er geen volwaardige instrumenten beschikbaar voor gespecialiseerde diensten zoals elektrische beeldvorming en nucleaire magnetische resonantie onder dergelijke omstandigheden. Het risico op instrumentfalen als gevolg van temperatuur- en druklimieten is hoog, wat kan leiden tot mogelijk mislukte of kwalitatief slechte metingen. Signaalverzwakking over ultralange kabels van 13.000 meter heeft een aanzienlijke impact op telemetriesystemen voor draadgebonden boorgatmetingen, waardoor stabiele communicatie moeilijk te garanderen is.

Uitdaging 8: Het waarborgen van veilige en efficiënte puttesten onder extreme HTHP-omstandigheden

Berekeningen gebaseerd op een met gas gevulde boorgatwand geven aan dat de maximaal verwachte afsluitdruk bij de boorgatkop voor ultradiepe putten meer dan 100 MPa kan bedragen, mogelijk met de aanwezigheid van waterstofsulfide. De veelgebruikte test- en afwerkingsinstrumenten voor putten zijn doorgaans geschikt voor 70 MPa en 175 °C. De productietestbuizen voor ultradiepe putten hebben relatief kleinere diameters, maar vereisen een hoge sterkte. Het gebruik van speciale materialen en niet-standaard buisontwerpen bemoeilijkt de systeemoptimalisatie en maakt spanningsanalyse en -verificatie zeer complex. De huidige hogedichtheidsvloeistoffen voor puttesten en ondergrondse testinstrumenten voldoen niet aan de eisen van ultrahoge temperaturen, waardoor de selectie van optimale vloeistofsystemen en instrumenten lastig is.