علوم نفت: چرا حفر چاه‌های بسیار عمیق بسیار دشوار است؟

چالش ۱: سیستم‌های فشار پیچیده در چاه‌های بسیار عمیق، طراحی سازه چاه را پیچیده می‌کنند

چاه‌های فوق عمیق در سازندهای زمین‌شناسی متعددی نفوذ می‌کنند و با رژیم‌های فشار منفذی بسیار پیچیده و درهم‌تنیده مواجه می‌شوند. مناطق پرفشار و کم‌فشار به طور متناوب تغییر می‌کنند و منجر به عوارض مکرر و درهم‌تنیده مانند ریزش سازند، گیر کردن لوله، از دست دادن گردش و لگدها می‌شوند. داده‌های حفاری برای سازندهای فوق عمیق کم است و داده‌های لرزه‌ای و ثبت وقایع موجود برای پیش‌بینی فشار منفذی محدود و بی‌کیفیت هستند. فقدان داده‌های مرجع قابل اعتماد، همراه با محدودیت‌های تکیه صرف بر نظارت بر فشار در زمان واقعی هنگام حفاری، منجر به مشکلات قابل توجه و دقت پایین در پیش‌بینی فشارهای سیستم می‌شود. این امر منجر به خطاهای قابل توجه در ارزیابی سازند، طراحی نامناسب عمق‌های قرارگیری لوله جداری و چگالی سیال حفاری و مشکلات شدید ناپایداری چاه می‌شود. فناوری‌های فعلی نمی‌توانند پارامترهای کلیدی مانند فشار سازند و خواص مکانیکی سنگ را به طور دقیق پیش‌بینی کنند، عدم قطعیت بالایی ایجاد می‌کنند و مدیریت ریسک درون چاه را بسیار چالش برانگیز می‌کنند. بر اساس نیازهای عملی اکتشاف و توسعه، که در آن تعمیق بیشتر چاه ممکن است ضروری باشد، طراحی ساختار چاه باید شامل یک یا دو بخش لوله جداری احتمالی باشد تا به طور موثر مناطق خطر بالقوه را جدا کند و هزینه‌های مرتبط را به طور قابل توجهی افزایش دهد.

چالش ۲: وزن بیش از حد رشته لوله در چاه‌های بسیار عمیق، مانع از عملیات ایمن اجرای پوشش می‌شود

حفاری‌های بسیار عمیق ممکن است با سازندهایی مانند گل‌سنگ خزنده و لایه‌های نمک-گچ با فشار بالا مواجه شوند که خطرات تغییر شکل، فروپاشی و پارگی لوله‌های جداری را به همراه دارد. این خطرات اغلب با افزایش ضخامت دیواره رشته‌های لوله جداری کاهش می‌یابند. در شرایط بخش‌های سیمان‌کاری بسیار طولانی، مشکلات طول و وزن بیش از حد رشته‌های لوله برجسته می‌شوند. به طور خاص، وزن رشته لوله جداری ممکن است از حد بارگذاری ایمن حتی یک دکل ۱۲۰۰۰ متری (۹۰۰ تن، معادل وزن ترکیبی ۱۵۰ تا ۱۸۰ فیل آفریقایی بالغ) فراتر رود. ظرفیت بالابری دکل‌های موجود برای معلق کردن چنین رشته‌های لوله جداری سنگین به طور معمول کافی نیست، چه رسد به انجام عملیات گیر کردن در هنگام بروز مشکلات یا برآورده کردن حاشیه ایمنی کششی لازم برای عملکرد ایمن.

۱۵۲۴۰ متر:در اکتبر 2022، شرکت ادنوک با چاه افقی UZ-688 خود در میدان زاکوم علیا، رکورد جهانی جدیدی را برای عمیق‌ترین چاه ثبت کرد و به عمق کلی (عمق اندازه‌گیری شده) 15240 متر رسید.

چالش ۳: سازندهای سخت و پیچیده در چاه‌های فوق عمیق، مانع از شکست کارآمد سنگ و شتاب کلی حفاری می‌شوند

سازندهای موجود در چاه‌های بسیار عمیق، پیچیده، بسیار ساینده و دارای قابلیت حفاری ضعیفی هستند. روش‌های موجود برای ارزیابی قابلیت حفاری، به ویژه در مناطق اکتشافی جدید، ناکافی و فاقد دقت پیش‌بینی هستند و به شدت مانع طراحی علمی و انتخاب مته‌های حفاری می‌شوند. طیف فعلی مته‌های حفاری و ابزارهای افزایش سرعت نفوذ (ROP) محدود است و محدودیت‌هایی در سازگاری و قابلیت اطمینان سازند وجود دارد. اثربخشی آنها ضعیف است و عمر مفید آنها در سازندهای چالش برانگیز تحت شرایط دما و فشار بالا (HTHP) کوتاه است. نیاز مبرمی به بررسی فناوری‌های جدید برای شکست کارآمد سنگ در چاه‌های عمیق و بسیار عمیق وجود دارد. انتقال انرژی هیدرولیکی و مکانیکی در بخش‌های بسیار طولانی چالش برانگیز است و افت فشار اصطکاکی قابل توجهی در امتداد رشته حفاری وجود دارد که منجر به قدرت ناکافی در مته شده و شکستن سنگ را دشوار می‌کند.

چالش ۴: حفظ رئولوژی سیال حفاری و پایداری چاه تحت شرایط HTHP فوق عمیق

حفاری فوق عمیق با دمای درون چاهی بیش از ۲۰۰ درجه سانتیگراد مواجه است و به سیالات حفاری نیاز دارد که مقاومت در برابر دمای بالا، چگالی بالا، تحمل نمک و پایداری طولانی مدت داشته باشند. دمای بالا می‌تواند باعث خرابی مواد شود، فشار بالا کنترل رئولوژیکی را دشوار می‌کند، محتوای بالای نمک بی‌ثباتی سیستم را تشدید می‌کند و عملیات طولانی مدت خطر افتادگی مواد وزنی را به همراه دارد. ترکیب این چهار نیاز عملکردی، چالش‌های فنی عظیم و تقریباً غیرقابل عبوری را ایجاد می‌کند. علاوه بر این، فناوری‌های موجود نمی‌توانند به طور مؤثر مسائلی مانند شکستگی ناشی از خنک شدن را هنگامی که سازندهای فوق داغ با سیالات حفاری نسبتاً خنک‌تر مواجه می‌شوند، یا بی‌ثباتی چاه ناشی از تغییرات در فعالیت آب در دماهای شدید، برطرف کنند.

چالش ۵: عملکرد ناکافی دوغاب‌های سیمان و فناوری‌های مرتبط تحت شرایط فشار بالا و پیچیده در عملیات حرارتی فوق عمیق

شرایطی که شامل عمق بسیار زیاد، دمای بالا، مقاطع سیمان‌کاری طولانی و سیستم‌های فشار پیچیده می‌شود، الزامات بسیار بالایی را بر خواص دوغاب سیمان، از جمله پایداری تعلیق، رئولوژی، کنترل مهاجرت گاز و پایداری مقاومت سیمان در برابر گیرش، تحمیل می‌کند. افزودنی‌های حیاتی مانند کنترل‌کننده‌های اتلاف سیال و کندکننده‌ها ممکن است در دماهای بسیار بالا تجزیه شوند یا به طور غیرطبیعی واکنش نشان دهند که منجر به خرابی عملکردی و حوادث بالقوه شدید درون چاهی می‌شود. محیط دمای بسیار بالا همچنین الزامات سختگیرانه‌ای را در مورد سازگاری بین سیستم افزودنی و موادی که از کاهش مقاومت سیمان جلوگیری می‌کنند، اعمال می‌کند.

۹,۳۹۶ متر:در سال ۲۰۲۳، چاه Guole 3C میدان نفتی تاریم رکورد عمیق‌ترین چاه افقی آسیا (عمق اندازه‌گیری شده) را از آن خود کرد.

چالش ۶: شرایط HTHP که از محدودیت‌های تحمل تجهیزات و ابزارهای حیاتی فراتر می‌رود

چاه‌های بسیار عمیق با شرایط بسیار سخت درون‌چاهی با دمای بیش از ۲۰۰ درجه سانتیگراد و فشار بیش از ۱۷۵ مگاپاسکال (معادل فشار آب در عمق ۱۷۵۰۰ متری، که بسیار بیشتر از فشار آب در کف گودال ماریانا است) مواجه هستند. محدودیت دما برای اکثر تجهیزات درون‌چاهی موجود حدود ۱۷۵ درجه سانتیگراد است. در شرایط عملیاتی سخت شامل فشار بسیار بالا (ultra-HTHP)، محیط‌های اسیدی و ارتعاشات شدید، ابزارها، وسایل و تجهیزات مستعد خرابی هستند. این موارد شامل تورم و پیری لاستیک‌های الاستومر در استاتورهای موتور گل و درزگیرها در ابزارهای ضربه گشتاور، نقص یا خرابی باتری قطعات الکترونیکی MWD/LWD و مقاومت ناکافی در برابر فشار ابزارهای تکمیل، که تجهیزات و ابزارهای حیاتی را غیرقابل استفاده می‌کند، می‌شود.

چالش ۷: تقاضاهای جدید برای فناوری بهره‌برداری از گمانه‌های بسیار عمیق، HTHP و با قطر کوچک

عمق چاه‌های فوق عمیق به حداکثر حد عملیاتی وینچ‌های فعلی قطع درختان نزدیک می‌شود و چالش‌هایی را برای سیستم‌های قدرت شامل کامیون‌های پرقدرت، کابل‌های فشار قوی، درام‌های با ظرفیت بالا و تجهیزات بالابری با مقاومت بالا ایجاد می‌کند. محیط HTHP درون چاهی به مرزهای بالایی ابزارهای سری ultra-HTHP مرسوم نزدیک می‌شود. در سطح بین‌المللی، هیچ ابزار کاملی برای خدمات تخصصی مانند تصویربرداری الکتریکی و رزونانس مغناطیسی هسته‌ای در چنین شرایطی وجود ندارد. خطر خرابی ابزار به دلیل محدودیت‌های دما و فشار زیاد است و منجر به ثبت‌های ناموفق یا بی‌کیفیت بالقوه می‌شود. تضعیف سیگنال در طول کابل‌های فوق طولانی ۱۳۰۰۰ متری به طور قابل توجهی بر سیستم‌های تله‌متری برای ثبت درختان با سیم تأثیر می‌گذارد و تضمین ارتباط پایدار را دشوار می‌کند.

چالش ۸: تضمین آزمایش چاه ایمن و کارآمد تحت شرایط سخت HTHP

محاسبات بر اساس چاه پر از گاز نشان می‌دهد که حداکثر فشار پیش‌بینی‌شده برای بسته شدن چاه برای چاه‌های بسیار عمیق می‌تواند از ۱۰۰ مگاپاسکال فراتر رود، که احتمالاً با وجود سولفید هیدروژن همراه است. ابزارهای پرکاربرد آزمایش و تکمیل چاه معمولاً برای ۷۰ مگاپاسکال و ۱۷۵ درجه سانتیگراد طراحی شده‌اند. رشته‌های آزمایش تولید برای چاه‌های بسیار عمیق اندازه‌های نسبتاً کوچکتری دارند، اما به استحکام بالایی نیاز دارند. استفاده از مواد ویژه و طراحی لوله‌های غیراستاندارد، بهینه‌سازی سیستم را پیچیده می‌کند و تجزیه و تحلیل تنش و تأیید را بسیار چالش برانگیز می‌کند. سیالات آزمایش چاه با چگالی بالا و ابزارهای آزمایش درون چاهی فعلی برای برآورده کردن الزامات عملیات با دمای بسیار بالا تلاش می‌کنند و انتخاب سیستم‌ها و ابزارهای سیال بهینه را دشوار می‌کنند.