Ciência do Petróleo: Por que os poços ultraprofundos são tão difíceis de perfurar?

Desafio 1: Sistemas de pressão complexos em poços ultraprofundos complicam o projeto da estrutura do poço

Poços ultraprofundos penetram inúmeras formações geológicas, encontrando regimes de pressão de poros altamente complexos e interligados. Zonas de alta e baixa pressão se alternam, levando a complicações frequentes e interligadas, como colapso da formação, aprisionamento da coluna de perfuração, perda de circulação e influxos. Há escassez de dados de perfuração para formações ultraprofundas, e os dados sísmicos e de perfilagem disponíveis para a previsão da pressão de poros são limitados e de baixa qualidade. A falta de dados de referência confiáveis, juntamente com as limitações de se basear exclusivamente no monitoramento de pressão em tempo real durante a perfuração, resulta em dificuldades significativas e baixa precisão na previsão das pressões do sistema. Isso leva a erros substanciais na avaliação da formação, projeto inadequado das profundidades de assentamento do revestimento e das densidades do fluido de perfuração, além de graves problemas de instabilidade do poço. As tecnologias atuais não conseguem prever com precisão parâmetros-chave como a pressão da formação e as propriedades mecânicas da rocha, criando alta incerteza e tornando o gerenciamento de riscos no fundo do poço extremamente desafiador. Com base nas necessidades práticas de exploração e desenvolvimento, onde o aprofundamento do poço possa ser necessário, o projeto da estrutura do poço deve incorporar uma ou duas seções de revestimento de contingência para isolar eficazmente as zonas de risco potenciais, aumentando substancialmente os custos associados.

Desafio 2: Peso excessivo da coluna de tubos em poços ultraprofundos dificulta operações seguras de instalação do revestimento.

A perfuração em profundidades ultraprofundas pode encontrar formações como folhelho siltoso e camadas de sal-gesso de alta pressão, representando riscos de deformação, colapso e ruptura do revestimento. Esses riscos são frequentemente mitigados pelo aumento da espessura da parede das colunas de revestimento. Em condições de seções de cimentação extremamente longas, os problemas relacionados ao comprimento e peso excessivos das colunas de tubos tornam-se evidentes. Especificamente, o peso da coluna de revestimento pode exceder o limite de carga segura até mesmo de uma plataforma de 12.000 metros (900 toneladas, equivalente ao peso combinado de 150 a 180 elefantes africanos adultos). A capacidade de içamento das plataformas existentes é insuficiente para suspender colunas de revestimento tão pesadas normalmente, muito menos para lidar com operações de manobra em caso de complicações ou atender às margens de segurança de tração necessárias para uma operação segura.

15.240 metros:Em outubro de 2022, a ADNOC estabeleceu um novo recorde mundial para o poço mais profundo com seu poço horizontal UZ-688 no campo de Upper Zakum, atingindo uma profundidade total (profundidade medida) de 15.240 metros.

Desafio 3: Formações duras e complexas em poços ultraprofundos dificultam a quebra eficiente de rochas e a aceleração geral da perfuração.

As formações em poços ultraprofundos são complexas, altamente abrasivas e apresentam baixa perfurabilidade. Os métodos existentes para avaliação da perfurabilidade são inadequados e carecem de precisão preditiva, particularmente em novas áreas de exploração, o que dificulta severamente o projeto científico e a seleção de brocas. A gama atual de brocas e ferramentas para aumento da taxa de penetração (ROP) é ​​limitada, com restrições quanto à adaptabilidade à formação e à confiabilidade. Sua eficácia é baixa e a vida útil é curta em formações desafiadoras sob condições de alta temperatura e alta pressão (HTHP). Há uma necessidade urgente de explorar novas tecnologias para a quebra eficiente de rochas em poços profundos e ultraprofundos. A transmissão de energia hidráulica e mecânica é um desafio em seções ultralongas, com perdas significativas de pressão por atrito ao longo da coluna de perfuração, resultando em potência insuficiente na broca e dificultando a quebra da rocha.

Desafio 4: Manutenção da reologia do fluido de perfuração e da estabilidade do poço em condições de alta temperatura e alta pressão em profundidades extremas

A perfuração em profundidades ultraprofundas enfrenta temperaturas no fundo do poço superiores a 200 °C, exigindo fluidos de perfuração com alta resistência à temperatura, alta densidade, tolerância a sais e estabilidade a longo prazo. Altas temperaturas podem causar falhas nos materiais, a alta pressão dificulta o controle reológico, o alto teor de sal agrava a instabilidade do sistema e a operação prolongada acarreta o risco de afundamento dos materiais de lastro. A combinação dessas quatro exigências funcionais apresenta desafios técnicos imensos e praticamente intransponíveis. Além disso, as tecnologias existentes não conseguem lidar eficazmente com problemas como a fratura induzida pelo resfriamento quando formações ultraquentes encontram fluidos de perfuração relativamente mais frios, ou a instabilidade do poço causada por alterações na atividade da água sob temperaturas extremas.

Desafio 5: Desempenho inadequado de pastas de cimento e tecnologias associadas em condições de alta temperatura e alta pressão (HTHP) ultraprofundas e pressões complexas.

As condições que envolvem profundidades extremas, altas temperaturas, longos trechos de cimentação e sistemas de pressão complexos impõem exigências extremamente elevadas às propriedades da pasta de cimento, incluindo estabilidade da suspensão, reologia, controle da migração de gases e estabilidade da resistência do cimento endurecido. Aditivos críticos, como controladores de perda de fluido e retardadores, podem se decompor ou reagir de forma anormal sob temperaturas extremamente elevadas, levando a falhas funcionais e a incidentes potencialmente graves no fundo do poço. O ambiente de temperatura extremamente elevada também impõe requisitos rigorosos quanto à compatibilidade entre o sistema de aditivos e os materiais, prevenindo a regressão da resistência do cimento.

9.396 metros:Em 2023, o poço Guole 3C do campo petrolífero de Tarim estabeleceu um recorde como o poço horizontal mais profundo da Ásia (em profundidade medida).

Desafio 6: Condições HTHP que excedem os limites de tolerância de equipamentos e ferramentas críticos

Poços ultraprofundos enfrentam condições extremas no fundo do poço, com temperaturas superiores a 200 °C e pressões acima de 175 MPa (equivalente à pressão da água a 17.500 metros de profundidade, muito superior à do fundo da Fossa das Marianas). O limite de temperatura para a maioria dos equipamentos de fundo de poço existentes é de cerca de 175 °C. Sob condições operacionais severas, caracterizadas por temperaturas extremamente altas e alta pressão (HTHP), ambientes ácidos e fortes vibrações, ferramentas, instrumentos e equipamentos estão sujeitos a falhas. Estas incluem o inchaço e envelhecimento de borrachas elastoméricas em estatores de motores de lama e vedações em ferramentas de impacto de torque, mau funcionamento ou falha da bateria de componentes eletrônicos de MWD/LWD e resistência insuficiente à pressão de ferramentas de completação, tornando equipamentos e ferramentas críticas inoperáveis.

Desafio 7: Novas exigências para a tecnologia de perfilagem em poços ultraprofundos, de alta temperatura e alta pressão (HTHP) e de pequeno diâmetro.

A profundidade dos poços ultraprofundos está se aproximando do limite operacional máximo dos guinchos de perfilagem atuais, representando desafios para os sistemas de energia que envolvem caminhões de alta potência, cabos de alta tensão, tambores de grande capacidade e equipamentos de elevação de alta resistência. O ambiente de alta temperatura e alta pressão (HTHP) no fundo do poço está se aproximando dos limites superiores dos instrumentos convencionais da série ultra-HTHP. Internacionalmente, não existem ferramentas consolidadas para serviços especializados, como imageamento elétrico e ressonância magnética nuclear, nessas condições. O risco de falha das ferramentas devido aos limites de temperatura e pressão é alto, levando a perfis potencialmente malsucedidos ou de baixa qualidade. A atenuação do sinal em cabos ultralongos de 13.000 metros impacta significativamente os sistemas de telemetria para perfilagem a cabo, dificultando a garantia de uma comunicação estável.

Desafio 8: Garantir testes de poços seguros e eficientes em condições extremas de alta temperatura e alta pressão (HTHP)

Cálculos baseados em um poço preenchido com gás indicam que a pressão máxima prevista na cabeça do poço durante o fechamento, para poços ultraprofundos, pode exceder 100 MPa, potencialmente com a presença de sulfeto de hidrogênio. As ferramentas de teste e completação de poços mais utilizadas são normalmente classificadas para 70 MPa e 175 °C. As colunas de teste de produção para poços ultraprofundos têm dimensões relativamente menores, porém exigem alta resistência. O emprego de materiais especiais e projetos de tubulação não padronizados complica a otimização do sistema e torna a análise e verificação de tensões extremamente desafiadoras. Os fluidos de teste de poço de alta densidade e as ferramentas de teste de fundo de poço atuais têm dificuldades para atender aos requisitos de operações em temperaturas ultra-altas, dificultando a seleção de sistemas de fluidos e ferramentas ideais.