Khoa học dầu khí: Tại sao việc khoan giếng siêu sâu lại khó khăn đến vậy?

Thử thách 1: Hệ thống áp suất phức tạp trong giếng siêu sâu làm phức tạp thêm thiết kế cấu trúc giếng khoan

Giếng siêu sâu xuyên qua nhiều tầng địa chất, gặp phải các chế độ áp suất lỗ rỗng phức tạp và đan xen. Các vùng áp suất cao và áp suất thấp xen kẽ nhau, dẫn đến các sự cố thường xuyên và phức tạp như sụp đổ tầng địa chất, kẹt ống khoan, mất tuần hoàn dung dịch khoan và hiện tượng phun trào khí. Dữ liệu khoan cho các tầng địa chất siêu sâu rất khan hiếm, và dữ liệu địa chấn và ghi nhật ký giếng để dự đoán áp suất lỗ rỗng còn hạn chế và chất lượng kém. Việc thiếu dữ liệu tham khảo đáng tin cậy, cùng với những hạn chế của việc chỉ dựa vào giám sát áp suất thời gian thực trong khi khoan, dẫn đến những khó khăn đáng kể và độ chính xác thấp trong việc dự đoán áp suất hệ thống. Điều này dẫn đến sai sót đáng kể trong đánh giá tầng địa chất, thiết kế không phù hợp độ sâu đặt ống chống và mật độ dung dịch khoan, và các vấn đề nghiêm trọng về sự bất ổn định của giếng khoan. Các công nghệ hiện tại không thể dự đoán chính xác các thông số quan trọng như áp suất tầng địa chất và tính chất cơ học của đá, tạo ra sự không chắc chắn cao và khiến việc quản lý rủi ro dưới lòng đất trở nên vô cùng khó khăn. Dựa trên nhu cầu thăm dò và phát triển thực tế, trong trường hợp cần phải khoan sâu thêm giếng, thiết kế cấu trúc giếng khoan phải kết hợp một hoặc hai đoạn ống chống dự phòng để cách ly hiệu quả các vùng rủi ro tiềm tàng, làm tăng đáng kể chi phí liên quan.

Thử thách 2: Trọng lượng chuỗi ống quá lớn trong giếng siêu sâu cản trở hoạt động hạ ống chống an toàn

Khoan siêu sâu có thể gặp phải các tầng địa chất như đá bùn biến dạng và các lớp muối-thạch cao áp suất cao, gây ra nguy cơ biến dạng, sụp đổ và vỡ ống chống. Những rủi ro này thường được giảm thiểu bằng cách tăng độ dày thành ống chống. Trong điều kiện các đoạn xi măng hóa cực dài, vấn đề chiều dài và trọng lượng quá lớn của chuỗi ống trở nên rõ rệt. Cụ thể, trọng lượng của chuỗi ống chống có thể vượt quá giới hạn tải trọng an toàn ngay cả đối với giàn khoan 12.000 mét (900 tấn, tương đương với tổng trọng lượng của 150 đến 180 con voi châu Phi trưởng thành). Khả năng nâng của các giàn khoan hiện có không đủ để nâng đỡ các chuỗi ống chống nặng như vậy một cách bình thường, chứ chưa nói đến việc xử lý các hoạt động kéo ống trong trường hợp xảy ra sự cố hoặc đáp ứng các biên độ an toàn về sức căng cần thiết để vận hành an toàn.

15.240 mét:Vào tháng 10 năm 2022, ADNOC đã lập kỷ lục thế giới mới về giếng khoan sâu nhất với giếng khoan ngang UZ-688 tại mỏ Upper Zakum, đạt độ sâu tổng cộng (độ sâu đo được) là 15.240 mét.

Thử thách 3: Các tầng địa chất cứng và phức tạp trong giếng siêu sâu cản trở việc phá đá hiệu quả và tăng tốc độ khoan tổng thể.

Các tầng địa chất trong giếng siêu sâu rất phức tạp, có tính mài mòn cao và khả năng khoan kém. Các phương pháp đánh giá khả năng khoan hiện có không đầy đủ và thiếu độ chính xác dự đoán, đặc biệt là ở các khu vực thăm dò mới, gây cản trở nghiêm trọng đến việc thiết kế và lựa chọn mũi khoan một cách khoa học. Phạm vi các mũi khoan và dụng cụ tăng tốc độ khoan (ROP) hiện nay còn hạn chế, với những ràng buộc về khả năng thích ứng và độ tin cậy với các tầng địa chất khác nhau. Hiệu quả của chúng kém và tuổi thọ ngắn trong các tầng địa chất khó khăn dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao (HTHP). Cần khẩn cấp nghiên cứu các công nghệ mới để phá vỡ đá hiệu quả trong các giếng sâu và siêu sâu. Việc truyền tải năng lượng thủy lực và cơ học rất khó khăn trên các đoạn siêu dài, với tổn thất áp suất ma sát đáng kể dọc theo chuỗi khoan, dẫn đến công suất tại mũi khoan không đủ và gây khó khăn cho việc phá vỡ đá.

Thử thách 4: Duy trì tính lưu biến của dung dịch khoan và sự ổn định giếng khoan trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao ở độ sâu lớn.

Khoan siêu sâu phải đối mặt với nhiệt độ dưới lòng đất vượt quá 200°C, đòi hỏi dung dịch khoan phải có khả năng chịu nhiệt cao, mật độ cao, chịu được muối và ổn định lâu dài. Nhiệt độ cao có thể gây hư hỏng vật liệu, áp suất cao làm khó kiểm soát tính lưu biến, hàm lượng muối cao làm trầm trọng thêm sự bất ổn của hệ thống, và hoạt động kéo dài có nguy cơ làm giảm độ bền của vật liệu chịu tải. Sự kết hợp của bốn yêu cầu chức năng này tạo ra những thách thức kỹ thuật to lớn, gần như không thể vượt qua. Hơn nữa, các công nghệ hiện có không thể giải quyết hiệu quả các vấn đề như nứt vỡ do làm lạnh khi các tầng địa chất siêu nóng gặp phải dung dịch khoan có nhiệt độ tương đối thấp hơn, hoặc sự bất ổn của giếng khoan do thay đổi hoạt động của nước dưới nhiệt độ khắc nghiệt.

Thử thách 5: Hiệu suất không đạt yêu cầu của hỗn hợp xi măng và các công nghệ liên quan trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao siêu sâu và điều kiện áp suất phức tạp.

Các điều kiện liên quan đến độ sâu cực lớn, nhiệt độ cao, các đoạn xi măng dài và hệ thống áp suất phức tạp đặt ra những yêu cầu cực kỳ cao đối với các đặc tính của hỗn hợp xi măng, bao gồm độ ổn định huyền phù, tính lưu biến, kiểm soát sự di chuyển của khí và độ ổn định cường độ xi măng sau khi đông kết. Các chất phụ gia quan trọng như chất kiểm soát mất chất lỏng và chất làm chậm quá trình đông kết có thể bị phân hủy hoặc phản ứng bất thường dưới nhiệt độ cực cao, dẫn đến hỏng hóc chức năng và có khả năng gây ra các sự cố nghiêm trọng dưới lòng đất. Môi trường nhiệt độ cực cao cũng đặt ra những yêu cầu nghiêm ngặt về khả năng tương thích giữa hệ thống phụ gia và các vật liệu ngăn ngừa sự suy giảm cường độ xi măng.

9.396 mét:Vào năm 2023, giếng Guole 3C của mỏ dầu Tarim đã lập kỷ lục về giếng khoan ngang sâu nhất châu Á (độ sâu đo được).

Thử thách 6: Điều kiện HTHP vượt quá giới hạn cho phép của thiết bị và dụng cụ quan trọng.

Các giếng siêu sâu phải đối mặt với điều kiện khắc nghiệt dưới lòng đất với nhiệt độ vượt quá 200°C và áp suất trên 175 MPa (tương đương với áp suất nước ở độ sâu 17.500 mét, vượt xa áp suất ở đáy rãnh Mariana). Giới hạn nhiệt độ đối với hầu hết các thiết bị dưới lòng đất hiện có là khoảng 175°C. Trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt với nhiệt độ, áp suất và độ ẩm cực cao, môi trường axit và rung động mạnh, các dụng cụ, thiết bị và máy móc dễ bị hỏng. Những hư hỏng này bao gồm sự trương nở và lão hóa của cao su đàn hồi trong stato động cơ bùn và gioăng trong dụng cụ siết lực, trục trặc hoặc hỏng pin của các linh kiện điện tử MWD/LWD, và khả năng chịu áp suất không đủ của các dụng cụ hoàn thiện, khiến các thiết bị và dụng cụ quan trọng không hoạt động được.

Thử thách 7: Những yêu cầu mới đối với công nghệ ghi nhật ký giếng khoan từ các giếng khoan siêu sâu, nhiệt độ và áp suất cao (HTHP) và đường kính nhỏ.

Độ sâu của các giếng siêu sâu đang tiến gần đến giới hạn hoạt động tối đa của các tời ghi nhật ký hiện tại, đặt ra thách thức cho các hệ thống điện liên quan đến xe tải công suất cao, cáp điện cao thế, tang trống dung lượng lớn và thiết bị nâng hạ cường độ cao. Môi trường HTHP (nhiệt độ, áp suất và độ ẩm cao) dưới lòng đất đang tiến gần đến giới hạn trên của các thiết bị dòng ultra-HTHP thông thường. Trên phạm vi quốc tế, hiện chưa có công cụ hoàn thiện nào cho các dịch vụ chuyên biệt như chụp ảnh điện và cộng hưởng từ hạt nhân trong điều kiện như vậy. Nguy cơ hỏng hóc thiết bị do giới hạn nhiệt độ và áp suất là rất cao, dẫn đến khả năng ghi nhật ký không thành công hoặc chất lượng kém. Sự suy giảm tín hiệu trên các cáp siêu dài 13.000 mét ảnh hưởng đáng kể đến các hệ thống đo từ xa cho việc ghi nhật ký bằng dây dẫn, khiến việc đảm bảo liên lạc ổn định trở nên khó khăn.

Thử thách 8: Đảm bảo thử nghiệm giếng an toàn và hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ, áp suất và độ cao khắc nghiệt.

Các tính toán dựa trên giếng khoan chứa đầy khí cho thấy áp suất đầu giếng đóng tối đa dự kiến ​​đối với các giếng siêu sâu có thể vượt quá 100 MPa, có thể kèm theo sự hiện diện của hydro sunfua. Các dụng cụ thử nghiệm và hoàn thiện giếng được sử dụng rộng rãi thường có định mức 70 MPa và 175°C. Các chuỗi thử nghiệm sản xuất cho các giếng siêu sâu có kích thước tương đối nhỏ hơn nhưng lại yêu cầu độ bền cao. Việc sử dụng các vật liệu đặc biệt và thiết kế đường ống không tiêu chuẩn làm phức tạp việc tối ưu hóa hệ thống và khiến việc phân tích và kiểm chứng ứng suất trở nên rất khó khăn. Các chất lỏng thử nghiệm giếng có mật độ cao hiện nay và các dụng cụ thử nghiệm dưới lòng đất khó đáp ứng được các yêu cầu của hoạt động ở nhiệt độ cực cao, khiến việc lựa chọn hệ thống chất lỏng và dụng cụ tối ưu trở nên khó khăn.