Нефтедобыча: Почему бурение сверхглубоких скважин так сложно?

Задача 1: Сложные системы давления в сверхглубоких скважинах усложняют проектирование конструкции ствола скважины.

Сверхглубокие скважины проникают в многочисленные геологические формации, сталкиваясь со сложными и взаимосвязанными режимами порового давления. Зоны высокого и низкого давления чередуются, что приводит к частым и взаимосвязанным осложнениям, таким как обрушение пласта, застревание бурильной колонны, потеря циркуляции и выбросы газа. Данные бурения сверхглубоких пластов крайне ограничены, а имеющиеся сейсмические и каротажные данные для прогнозирования порового давления недостаточны и имеют низкое качество. Отсутствие надежных эталонных данных в сочетании с ограничениями, связанными с использованием только мониторинга давления в реальном времени во время бурения, приводит к значительным трудностям и низкой точности прогнозирования давления в системе. Это приводит к существенным ошибкам в оценке пласта, неправильному проектированию глубины установки обсадной колонны и плотности бурового раствора, а также к серьезным проблемам нестабильности ствола скважины. Современные технологии не позволяют точно прогнозировать ключевые параметры, такие как пластовое давление и механические свойства горных пород, что создает высокую неопределенность и делает управление рисками в скважине чрезвычайно сложной задачей. Исходя из практических потребностей разведки и разработки, где может потребоваться дальнейшее углубление скважины, проектирование конструкции ствола скважины должно включать одну или две резервные секции обсадной колонны для эффективной изоляции потенциальных зон риска, что существенно увеличивает связанные с этим затраты.

Проблема 2: Чрезмерный вес трубной колонны в сверхглубоких скважинах препятствует безопасному спуску обсадной трубы.

При сверхглубоком бурении могут встречаться такие пласты, как ползучий аргиллит и высоконапорные соляно-гипсовые слои, что создает риски деформации, обрушения и разрыва обсадной колонны. Эти риски часто снижаются за счет увеличения толщины стенок обсадных колонн. В условиях чрезвычайно длинных участков цементирования проблемы чрезмерной длины и веса обсадных колонн становятся особенно актуальными. В частности, вес обсадной колонны может превышать допустимую нагрузку даже для буровой установки длиной 12 000 метров (900 тонн, что эквивалентно суммарному весу от 150 до 180 взрослых африканских слонов). Грузоподъемность существующих буровых установок недостаточна для нормального подвешивания таких тяжелых обсадных колонн, не говоря уже о проведении операций по спуску в случае осложнений или обеспечении требуемых запасов прочности на растяжение для безопасной работы.

15 240 метров:В октябре 2022 года компания ADNOC установила новый мировой рекорд по глубине скважины – горизонтальной скважины UZ-688 на Верхнем Закумском месторождении, достигнув общей глубины (измеренной глубины) в 15 240 метров.

Задача 3: Твердые и сложные геологические породы в сверхглубоких скважинах препятствуют эффективному разрушению горных пород и общему ускорению бурения.

Пласты в сверхглубоких скважинах сложны, обладают высокой абразивностью и плохой буримостью. Существующие методы оценки буримости неадекватны и не обладают достаточной точностью прогнозирования, особенно в новых разведочных районах, что серьезно затрудняет научное проектирование и выбор буровых долот. Текущий ассортимент буровых долот и инструментов для повышения скорости проходки ограничен, что создает ограничения в отношении адаптации к пластам и надежности. Их эффективность низка, а срок службы короткий в сложных пластах в условиях высоких температур и высокого давления. Существует острая необходимость в изучении новых технологий для эффективного разрушения горных пород в глубоких и сверхглубоких скважинах. Передача гидравлической и механической энергии представляет собой сложную задачу на сверхдлинных участках, сопровождающуюся значительными потерями давления на трение вдоль буровой колонны, что приводит к недостаточной мощности на долоте и затрудняет разрушение горных пород.

Задача 4: Поддержание реологических свойств бурового раствора и устойчивости ствола скважины в условиях сверхглубокого воздействия высоких температур и давления.

При сверхглубоком бурении температура в скважине превышает 200 °C, что требует от буровых растворов высокой термостойкости, высокой плотности, устойчивости к солям и долговременной стабильности. Высокие температуры могут привести к разрушению материала, высокое давление затрудняет реологический контроль, высокое содержание солей усугубляет нестабильность системы, а длительная эксплуатация может привести к провисанию утяжеляющих материалов. Сочетание этих четырех функциональных требований представляет собой огромные, практически непреодолимые технические проблемы. Кроме того, существующие технологии не могут эффективно решать такие проблемы, как растрескивание, вызванное охлаждением, когда сверхгорячие пласты сталкиваются с относительно более холодными буровыми растворами, или нестабильность ствола скважины, вызванная изменениями активности воды при экстремальных температурах.

Проблема 5: Недостаточная эффективность цементных растворов и сопутствующих технологий в условиях сверхглубокого воздействия высоких температур и высокого давления, а также в сложных условиях давления.

Условия, связанные со сверхглубокой закачкой, высокими температурами, длинными участками цементирования и сложными системами давления, предъявляют чрезвычайно высокие требования к свойствам цементного раствора, включая стабильность суспензии, реологию, контроль миграции газа и стабильность прочности цемента на схватывание. Критические добавки, такие как регуляторы потерь жидкости и замедлители, могут разлагаться или вступать в аномальные реакции при сверхвысоких температурах, что приводит к функциональным отказам и потенциально серьезным инцидентам в скважине. Сверхвысокотемпературная среда также предъявляет жесткие требования к совместимости между системой добавок и материалами, предотвращая снижение прочности цемента.

9396 метров:В 2023 году скважина Guole 3C на Таримском нефтяном месторождении установила рекорд как самая глубокая горизонтальная скважина в Азии (измеренная глубина).

Задание 6: Условия высокой температуры и давления, превышающие допустимые пределы для критически важного оборудования и инструментов.

Сверхглубокие скважины сталкиваются с экстремальными условиями внутри скважины: температура превышает 200°C, а давление — 175 МПа (что эквивалентно давлению воды на глубине 17 500 метров, значительно превышающему давление на дне Марианской впадины). Предельная температура для большинства существующего внутрискважинного оборудования составляет около 175°C. В суровых условиях эксплуатации, характеризующихся сверхвысоким давлением и высоким температурным режимом, кислой средой и сильными вибрациями, инструменты, приборы и оборудование подвержены отказам. К ним относятся набухание и старение эластомерной резины в статорах буровых двигателей и уплотнениях ударных инструментов, неисправности или отказ батарей электронных компонентов MWD/LWD, а также недостаточная устойчивость к давлению инструментов для заканчивания скважин, что делает критически важное оборудование и инструменты неработоспособными.

Задача 7: Новые требования к технологиям каротажа в сверхглубоких, высокотемпературных и малодиаметрных скважинах.

Глубина сверхглубоких скважин приближается к максимальному рабочему пределу существующих каротажных лебедок, что создает проблемы для энергосистем, включающих мощные автоцистерны, высоковольтные кабели, барабаны большой емкости и высокопрочное подъемное оборудование. Высокотемпературная и высокодавленная среда в скважине приближается к верхним пределам возможностей обычных приборов сверхвысокой и высокой давления. На международном уровне отсутствуют зрелые инструменты для специализированных услуг, таких как электровизуализация и ядерно-магнитный резонанс, в таких условиях. Риск отказа прибора из-за температурных и давлевых ограничений высок, что может привести к некачественным или неудачным результатам каротажа. Затухание сигнала на сверхдлинных кабелях длиной более 13 000 метров значительно влияет на телеметрические системы каротажа, что затрудняет обеспечение стабильной связи.

Задача 8: Обеспечение безопасного и эффективного проведения испытаний скважин в экстремальных условиях высокого давления и температуры.

Расчеты, основанные на данных для скважины, заполненной газом, показывают, что максимальное ожидаемое давление на устье сверхглубоких скважин может превышать 100 МПа, потенциально при наличии сероводорода. Широко используемые инструменты для испытаний и заканчивания скважин обычно рассчитаны на 70 МПа и 175 °C. Эксплуатационные колонны для сверхглубоких скважин имеют относительно меньшие размеры, но при этом требуют высокой прочности. Использование специальных материалов и нестандартных конструкций труб усложняет оптимизацию системы и делает анализ напряжений и проверку крайне сложной задачей. Современные высокоплотные жидкости для испытаний скважин и внутрискважинные инструменты с трудом справляются с требованиями сверхвысокотемпературных режимов работы, что затрудняет выбор оптимальных систем жидкостей и инструментов.