Naftna znanost: Zakaj je tako težko vrtati ultra globoke vrtine?

Izziv 1: Kompleksni tlačni sistemi v ultra globokih vrtinah otežujejo načrtovanje strukture vrtine

Ultragloboke vrtine prodirajo skozi številne geološke formacije in se srečujejo z zelo kompleksnimi in prepletenimi režimi pornega tlaka. Izmenjujejo se območja visokega in nizkega tlaka, kar vodi do pogostih in prepletenih zapletov, kot so porušitev formacije, zagozditev cevi, izguba cirkulacije in udarci. Podatkov o vrtanju za ultragloboke formacije je malo, razpoložljivi seizmični in karotažni podatki za napovedovanje pornega tlaka pa so omejeni in slabe kakovosti. Pomanjkanje zanesljivih referenčnih podatkov, skupaj z omejitvami zanašanja izključno na spremljanje tlaka v realnem času med vrtanjem, povzroča znatne težave in nizko natančnost pri napovedovanju sistemskih tlakov. To vodi do znatnih napak pri ocenjevanju formacije, neprimerne zasnove globine postavitve ohišja in gostote vrtalne tekočine ter resnih težav z nestabilnostjo vrtine. Trenutne tehnologije ne morejo natančno napovedati ključnih parametrov, kot sta tlak v formaciji in mehanske lastnosti kamnin, kar ustvarja veliko negotovost in otežuje upravljanje tveganj v vrtini. Glede na praktične potrebe raziskovanja in razvoja, kjer bi lahko bilo potrebno nadaljnje poglabljanje vrtine, mora zasnova strukture vrtine vključevati enega ali dva rezervna dela ohišja, da se učinkovito izolirajo potencialna območja tveganja, kar znatno poveča s tem povezane stroške.

Izziv 2: Prekomerna teža cevovodov v ultra globokih vrtinah ovira varno delovanje zaščitnega ohišja

Pri ultra globokem vrtanju se lahko pojavijo formacije, kot so plazeči se laporovci in plasti visokotlačne soli in mavca, kar predstavlja tveganje za deformacijo, porušitev in razpok ohišja. Ta tveganja se pogosto zmanjšajo s povečanjem debeline sten ohišja. V pogojih izjemno dolgih cementnih odsekov postanejo težave zaradi prevelike dolžine in teže cevnih nizov izrazite. Natančneje, teža ohišja lahko preseže varno mejo obremenitve celo 12.000-metrske ploščadi (900 ton, kar ustreza skupni teži 150 do 180 odraslih afriških slonov). Dvižna zmogljivost obstoječih ploščadi ni zadostna za normalno obešanje tako težkih ohišj, kaj šele za obvladovanje izkopavanja med zapleti ali izpolnjevanje zahtevanih nateznih varnostnih meja za varno delovanje.

15.240 metrov:Oktobra 2022 je ADNOC s svojo horizontalno vrtino UZ-688 na polju Zgornji Zakum postavil nov svetovni rekord za najglobljo vrtino, ki je dosegla skupno globino (izmerjeno globino) 15.240 metrov.

Izziv 3: Trde in kompleksne formacije v ultra globokih vrtinah ovirajo učinkovito lomljenje kamnin in splošno pospeševanje vrtanja

Formacije v ultra globokih vrtinah so kompleksne, zelo abrazivne in imajo slabo možnost vrtanja. Obstoječe metode za ocenjevanje možnosti vrtanja so neustrezne in nimajo napovedne natančnosti, zlasti na novih raziskovalnih območjih, kar močno ovira znanstveno načrtovanje in izbiro svedrov. Trenutna ponudba svedrov in orodij za izboljšanje hitrosti prodiranja (ROP) je omejena, z omejitvami glede prilagodljivosti in zanesljivosti formacije. Njihova učinkovitost je slaba, življenjska doba pa kratka v zahtevnih formacijah pri visokih temperaturah in visokem tlaku (HTHP). Nujno je treba raziskati nove tehnologije za učinkovito lomljenje kamnin v globokih in ultra globokih vrtinah. Prenos hidravlične in mehanske energije je na ultra dolgih odsekih zahteven, saj so izgube tlaka zaradi trenja vzdolž vrtalne kolone znatne, kar ima za posledico nezadostno moč na svedru in otežuje lomljenje kamnin.

Izziv 4: Ohranjanje reologije vrtalne tekočine in stabilnosti vrtine v pogojih ultra globokega vrtanja z visoko gostoto (HTHP)

Pri ultra globokem vrtanju temperature v vrtini presegajo 200 °C, kar zahteva, da imajo vrtalne tekočine visoko temperaturno odpornost, visoko gostoto, toleranco na sol in dolgoročno stabilnost. Visoke temperature lahko povzročijo odpoved materiala, visok tlak otežuje reološki nadzor, visoka vsebnost soli poslabša nestabilnost sistema, dolgotrajno delovanje pa tvega posedanje uteži. Kombinacija teh štirih funkcionalnih zahtev predstavlja ogromne, skoraj nepremostljive tehnične izzive. Poleg tega obstoječe tehnologije ne morejo učinkovito obravnavati težav, kot so lomljenje zaradi ohlajanja, ko ultra vroče formacije naletijo na relativno hladnejše vrtalne tekočine, ali nestabilnost vrtine, ki jo povzročajo spremembe aktivnosti vode pri ekstremnih temperaturah.

Izziv 5: Neustrezna učinkovitost cementnih suspenzij in z njimi povezanih tehnologij pri ultra globokem visokotlačnem izkopavanju in kompleksnih tlačnih pogojih

Pogoji, ki vključujejo ultra globoke, visoke temperature, dolge odseke cementiranja in kompleksne tlačne sisteme, nalagajo izjemno visoke zahteve glede lastnosti cementne kaše, vključno s stabilnostjo suspenzije, reologijo, nadzorom migracije plinov in stabilnostjo trdnosti strjenega cementa. Kritični dodatki, kot so regulatorji izgube tekočine in zakasnitve, se lahko pri ultra visokih temperaturah razgradijo ali reagirajo nenormalno, kar povzroči funkcionalno odpoved in potencialno hude nesreče v vrtini. Okolje ultra visokih temperatur postavlja tudi stroge zahteve glede združljivosti med sistemom dodatkov in materiali, ki preprečujejo zmanjšanje trdnosti cementa.

9.396 metrov:Leta 2023 je vrtina Guole 3C naftnega polja Tarim postavila rekord za najglobljo horizontalno vrtino v Aziji (izmerjena globina).

Izziv 6: Pogoji HTHP, ki presegajo tolerančne meje kritične opreme in orodij

Ultra globoke vrtine se soočajo z ekstremnimi pogoji v vrtinah s temperaturami nad 200 °C in tlaki nad 175 MPa (kar ustreza vodnemu tlaku na globini 17.500 metrov, kar daleč presega tlak na dnu Marianskega jarka). Temperaturna omejitev za večino obstoječe opreme v vrtinah je okoli 175 °C. V težkih obratovalnih pogojih, ki vključujejo ultra visokotemperaturno delovanje (HTHP), kislo okolje in močne vibracije, so orodja, instrumenti in oprema nagnjeni k okvaram. Te vključujejo nabrekanje in staranje elastomernih gum v statorjih blatnih motorjev in tesnilih v orodjih za udarni moment, okvaro ali odpoved baterije elektronskih komponent MWD/LWD ter nezadostno tlačno odpornost orodij za dokončanje, zaradi česar kritična oprema in orodja ne delujejo.

Izziv 7: Nove zahteve glede tehnologije karotažnih meritev iz ultra globokih, visokozmogljivih in vrtin majhnega premera

Globina ultra globokih vrtin se približuje največji operativni meji trenutnih karotažnih vitlov, kar predstavlja izziv za energetske sisteme, ki vključujejo visokozmogljive tovornjake, visokonapetostne kable, bobne z veliko zmogljivostjo in visoko trdnostno dvižno opremo. Okolje ultra globokih vrtin (HTHP) se približuje zgornjim mejam konvencionalnih instrumentov serije ultra HTHP. Na mednarodni ravni ni zrelih orodij za specializirane storitve, kot sta električno slikanje in jedrska magnetna resonanca, v takšnih pogojih. Tveganje za okvaro orodja zaradi temperaturnih in tlačnih omejitev je veliko, kar vodi do morebitnih neuspešnih ali nekakovostnih karotažnih meritev. Slabljenje signala na 13.000 metrih ultra dolgih kablov bistveno vpliva na telemetrične sisteme za žično karotažno meritev, zaradi česar je težko zagotoviti stabilno komunikacijo.

Izziv 8: Zagotavljanje varnega in učinkovitega testiranja vrtin v ekstremnih pogojih visokega tlaka (HTHP)

Izračuni, ki temeljijo na plinom napolnjeni vrtini, kažejo, da lahko najvišji pričakovani tlak ob zaprtju ultra globokih vrtin preseže 100 MPa, potencialno ob prisotnosti vodikovega sulfida. Široko uporabljena orodja za testiranje in dokončanje vrtin so običajno zasnovana za 70 MPa in 175 °C. Proizvodne testne vrvi za ultra globoke vrtine so relativno manjše, vendar zahtevajo visoko trdnost. Uporaba posebnih materialov in nestandardnih zasnov cevi otežuje optimizacijo sistema ter otežuje analizo in preverjanje napetosti. Trenutne tekočine za testiranje vrtin z visoko gostoto in orodja za testiranje v vrtinah težko izpolnjujejo zahteve delovanja pri ultra visokih temperaturah, zaradi česar je izbira optimalnih tekočinskih sistemov in orodij težka.