Scienza del petrolio: perché è così difficile perforare pozzi ultra-profondi?

Sfida 1: I complessi sistemi di pressione nei pozzi ultra-profondi complicano la progettazione della struttura del pozzo

I pozzi ultraprofondi penetrano numerose formazioni geologiche, incontrando regimi di pressione dei pori estremamente complessi e interconnessi. Zone ad alta e bassa pressione si alternano, dando luogo a frequenti e complesse complicazioni come il collasso della formazione, l'inceppamento delle tubazioni, la perdita di circolazione e le eruzioni incontrollate. Esiste una scarsità di dati di perforazione per le formazioni ultraprofonde e i dati sismici e di logging disponibili per la previsione della pressione dei pori sono limitati e di scarsa qualità. La mancanza di dati di riferimento affidabili, unita ai limiti derivanti dall'affidarsi esclusivamente al monitoraggio della pressione in tempo reale durante la perforazione, comporta notevoli difficoltà e una bassa precisione nella previsione delle pressioni di sistema. Ciò si traduce in errori sostanziali nella valutazione della formazione, in una progettazione inadeguata delle profondità di installazione del rivestimento e delle densità del fluido di perforazione e in gravi problemi di instabilità del pozzo. Le tecnologie attuali non sono in grado di prevedere con precisione parametri chiave come la pressione di formazione e le proprietà meccaniche della roccia, creando un'elevata incertezza e rendendo estremamente complessa la gestione del rischio in profondità. In base alle esigenze pratiche di esplorazione e sviluppo, laddove potrebbe essere necessario approfondire ulteriormente il pozzo, la progettazione della struttura del pozzo deve includere una o due sezioni di rivestimento di emergenza per isolare efficacemente le potenziali zone di rischio, aumentando sostanzialmente i costi associati.

Sfida 2: L'eccessivo peso delle tubazioni nei pozzi ultra-profondi ostacola le operazioni di calata del rivestimento in sicurezza

Le perforazioni ultraprofonde possono incontrare formazioni come argilliti a scorrimento lento e strati di gesso salino ad alta pressione, con conseguenti rischi di deformazione, collasso e rottura del rivestimento. Questi rischi vengono spesso mitigati aumentando lo spessore delle pareti delle colonne di rivestimento. In presenza di sezioni di cementazione estremamente lunghe, i problemi legati all'eccessiva lunghezza e al peso delle colonne di tubi diventano evidenti. Nello specifico, il peso della colonna di rivestimento può superare il limite di carico di sicurezza anche di una piattaforma di perforazione di 12.000 metri (900 tonnellate, equivalenti al peso combinato di 150-180 elefanti africani adulti). La capacità di sollevamento delle piattaforme esistenti è insufficiente per sospendere normalmente colonne di rivestimento così pesanti, per non parlare della gestione delle operazioni di estrazione e retrazione in caso di complicazioni o del rispetto dei margini di sicurezza a trazione richiesti per un funzionamento sicuro.

15.240 metri:Nell'ottobre del 2022, ADNOC ha stabilito un nuovo record mondiale per il pozzo più profondo con il suo pozzo orizzontale UZ-688 nel giacimento di Upper Zakum, raggiungendo una profondità totale (profondità misurata) di 15.240 metri.

Sfida 3: Le formazioni dure e complesse nei pozzi ultra-profondi ostacolano l'efficiente frantumazione della roccia e l'accelerazione complessiva della perforazione.

Le formazioni nei pozzi ultra-profondi sono complesse, altamente abrasive e presentano una scarsa perforabilità. I ​​metodi esistenti per la valutazione della perforabilità sono inadeguati e mancano di accuratezza predittiva, soprattutto nelle nuove aree di esplorazione, ostacolando gravemente la progettazione scientifica e la selezione delle punte di perforazione. L'attuale gamma di punte di perforazione e strumenti per l'aumento della velocità di penetrazione (ROP) è limitata, con vincoli di adattabilità alla formazione e affidabilità. La loro efficacia è scarsa e la durata utile è breve in formazioni difficili in condizioni di alta temperatura e alta pressione (HTHP). Vi è un'urgente necessità di esplorare nuove tecnologie per una frantumazione efficiente della roccia nei pozzi profondi e ultra-profondi. La trasmissione di energia idraulica e meccanica è problematica su sezioni ultra-lunghe, con significative perdite di pressione per attrito lungo la colonna di perforazione, che si traducono in una potenza insufficiente alla punta e rendono difficile la frantumazione della roccia.

Sfida 4: Mantenere la reologia del fluido di perforazione e la stabilità del pozzo in condizioni di alta pressione e alta temperatura a profondità estreme.

La perforazione ultraprofonda si confronta con temperature in fondo pozzo superiori a 200 °C, il che richiede fluidi di perforazione dotati di elevata resistenza alle alte temperature, alta densità, tolleranza al sale e stabilità a lungo termine. Le alte temperature possono causare cedimenti dei materiali, l'alta pressione rende difficile il controllo reologico, l'elevato contenuto di sale aggrava l'instabilità del sistema e il funzionamento prolungato rischia di provocare l'abbassamento dei materiali di zavorra. La combinazione di queste quattro esigenze funzionali presenta sfide tecniche immense, quasi insormontabili. Inoltre, le tecnologie esistenti non sono in grado di affrontare efficacemente problemi come la fratturazione indotta dal raffreddamento quando formazioni ultra-calde incontrano fluidi di perforazione relativamente più freddi, o l'instabilità del pozzo causata da variazioni dell'attività dell'acqua a temperature estreme.

Sfida 5: Prestazioni inadeguate delle miscele di cemento e delle tecnologie associate in condizioni di alta pressione e alta temperatura estremamente profonde e in condizioni di pressione complesse.

Le condizioni che comportano profondità estreme, temperature elevate, lunghi tratti di cementazione e sistemi di pressione complessi impongono requisiti estremamente elevati alle proprietà della malta cementizia, tra cui la stabilità della sospensione, la reologia, il controllo della migrazione dei gas e la stabilità della resistenza del cemento indurito. Additivi critici come i regolatori di perdita di fluidi e i ritardanti possono decomporsi o reagire in modo anomalo a temperature ultra-elevate, causando guasti funzionali e potenzialmente gravi incidenti in fondo pozzo. L'ambiente ad altissima temperatura impone inoltre requisiti rigorosi sulla compatibilità tra il sistema di additivi e i materiali, al fine di prevenire la regressione della resistenza del cemento.

9.396 metri:Nel 2023, il pozzo Guole 3C del giacimento petrolifero di Tarim ha stabilito il record per il pozzo orizzontale più profondo dell'Asia (in termini di profondità misurata).

Sfida 6: Condizioni HTHP che superano i limiti di tolleranza di apparecchiature e strumenti critici

I pozzi ultraprofondi sono soggetti a condizioni estreme in profondità, con temperature superiori a 200 °C e pressioni superiori a 175 MPa (equivalenti alla pressione dell'acqua a 17.500 metri di profondità, di gran lunga superiore a quella sul fondo della Fossa delle Marianne). Il limite di temperatura per la maggior parte delle attrezzature di fondo pozzo esistenti si aggira intorno ai 175 °C. In condizioni operative difficili, caratterizzate da temperature e pressioni ultra-elevate, ambienti acidi e forti vibrazioni, utensili, strumenti e attrezzature sono soggetti a guasti. Questi includono il rigonfiamento e l'invecchiamento delle gomme elastomeriche negli statori dei motori a fango e nelle guarnizioni degli utensili a percussione di coppia, il malfunzionamento o lo scaricamento della batteria dei componenti elettronici MWD/LWD e l'insufficiente resistenza alla pressione degli strumenti di completamento, rendendo inutilizzabili attrezzature e strumenti critici.

Sfida 7: Nuove esigenze per la tecnologia di registrazione dei dati provenienti da pozzi ultra-profondi, ad alta temperatura e pressione e di piccolo diametro.

La profondità dei pozzi ultra-profondi si sta avvicinando al limite operativo massimo degli attuali verricelli di registrazione, ponendo sfide ai sistemi di alimentazione che impiegano autocarri ad alta potenza, cavi ad alta tensione, tamburi di grande capacità e attrezzature di sollevamento ad alta resistenza. L'ambiente HTHP (alta, alta e alta pressione) in fondo al pozzo si sta avvicinando ai limiti superiori degli strumenti convenzionali della serie ultra-HTHP. A livello internazionale, non esistono strumenti maturi per servizi specializzati come l'imaging elettrico e la risonanza magnetica nucleare in tali condizioni. Il rischio di guasto degli strumenti a causa dei limiti di temperatura e pressione è elevato, con conseguenti registrazioni potenzialmente inefficaci o di scarsa qualità. L'attenuazione del segnale su cavi ultra-lunghi di 13.000 metri ha un impatto significativo sui sistemi di telemetria per la registrazione wireline, rendendo difficile garantire una comunicazione stabile.

Sfida 8: Garantire test di pozzo sicuri ed efficienti in condizioni estreme di alta, alta e alta pressione.

I calcoli basati su un pozzo riempito di gas indicano che la pressione massima prevista in testa pozzo a pozzo chiuso per pozzi ultra-profondi può superare i 100 MPa, potenzialmente in presenza di acido solfidrico. Gli strumenti di collaudo e completamento pozzi comunemente utilizzati sono generalmente classificati per 70 MPa e 175 °C. Le colonne di prova di produzione per pozzi ultra-profondi hanno dimensioni relativamente ridotte, ma richiedono un'elevata resistenza. L'impiego di materiali speciali e di tubazioni con design non standard complica l'ottimizzazione del sistema e rende l'analisi e la verifica delle sollecitazioni estremamente complesse. Gli attuali fluidi di prova per pozzi ad alta densità e gli strumenti di prova in fondo pozzo faticano a soddisfare i requisiti delle operazioni ad altissima temperatura, rendendo difficile la selezione di sistemi fluidici e strumenti ottimali.