Ciencia del petróleo: ¿Por qué es tan difícil perforar pozos ultraprofundos?

Desafío 1: Los sistemas de presión complejos en pozos ultraprofundos complican el diseño de la estructura del pozo.

Los pozos ultraprofundos penetran numerosas formaciones geológicas, encontrando regímenes de presión de poro altamente complejos e interrelacionados. Las zonas de alta y baja presión se alternan, lo que genera complicaciones frecuentes e interconectadas, como el colapso de la formación, el atascamiento de la tubería, la pérdida de circulación y las surgencias. Existe escasez de datos de perforación para formaciones ultraprofundas, y los datos sísmicos y de registro disponibles para la predicción de la presión de poro son limitados y de baja calidad. La falta de datos de referencia fiables, junto con las limitaciones de depender únicamente del monitoreo de presión en tiempo real durante la perforación, resulta en dificultades significativas y baja precisión en la predicción de las presiones del sistema. Esto conlleva errores sustanciales en la evaluación de la formación, un diseño inadecuado de las profundidades de asentamiento del revestimiento y las densidades del fluido de perforación, y graves problemas de inestabilidad del pozo. Las tecnologías actuales no pueden predecir con precisión parámetros clave como la presión de la formación y las propiedades mecánicas de la roca, lo que crea una gran incertidumbre y hace que la gestión del riesgo en el fondo del pozo sea extremadamente difícil. En función de las necesidades prácticas de exploración y desarrollo, donde podría ser necesario profundizar aún más el pozo, el diseño de la estructura del pozo debe incorporar una o dos secciones de revestimiento de contingencia para aislar eficazmente las zonas de riesgo potenciales, lo que aumenta sustancialmente los costos asociados.

Desafío 2: El peso excesivo de la sarta de tuberías en pozos ultraprofundos dificulta las operaciones seguras de instalación del revestimiento.

La perforación ultraprofunda puede encontrar formaciones como lutitas reptantes y capas de sal y yeso a alta presión, lo que plantea riesgos de deformación, colapso y rotura de la tubería de revestimiento. Estos riesgos suelen mitigarse aumentando el espesor de la pared de las tuberías. En condiciones de secciones de cementación extremadamente largas, los problemas derivados de la longitud y el peso excesivos de las tuberías se acentúan. En concreto, el peso de la tubería de revestimiento puede superar el límite de carga segura incluso de una plataforma de perforación de 12 000 metros (900 toneladas, equivalente al peso combinado de entre 150 y 180 elefantes africanos adultos). La capacidad de izaje de las plataformas existentes es insuficiente para suspender tuberías de revestimiento tan pesadas de forma normal, y mucho menos para realizar operaciones de extracción durante complicaciones o cumplir con los márgenes de seguridad de tracción necesarios para una operación segura.

15.240 metros:En octubre de 2022, ADNOC estableció un nuevo récord mundial para el pozo más profundo con su pozo horizontal UZ-688 en el campo Upper Zakum, alcanzando una profundidad total (profundidad medida) de 15.240 metros.

Desafío 3: Las formaciones duras y complejas en pozos ultraprofundos dificultan la fractura eficiente de la roca y la aceleración general de la perforación.

Las formaciones en pozos ultraprofundos son complejas, altamente abrasivas y presentan una baja perforabilidad. Los métodos existentes para evaluar la perforabilidad son inadecuados y carecen de precisión predictiva, especialmente en nuevas áreas de exploración, lo que dificulta considerablemente el diseño científico y la selección de brocas. La gama actual de brocas y herramientas para mejorar la tasa de penetración (ROP) es limitada, con restricciones en cuanto a la adaptabilidad y fiabilidad de la formación. Su eficacia es baja y su vida útil es corta en formaciones difíciles bajo condiciones de alta temperatura y alta presión (HTHP). Existe una necesidad urgente de explorar nuevas tecnologías para la fractura eficiente de la roca en pozos profundos y ultraprofundos. La transmisión de energía hidráulica y mecánica es compleja en secciones ultralargas, con importantes pérdidas de presión por fricción a lo largo de la sarta de perforación, lo que resulta en una potencia insuficiente en la broca y dificulta la fractura de la roca.

Desafío 4: Mantener la reología del fluido de perforación y la estabilidad del pozo en condiciones de alta temperatura y alta presión (HTHP) a ultraprofundidad.

La perforación ultraprofunda se enfrenta a temperaturas en el fondo del pozo que superan los 200 °C, lo que exige que los fluidos de perforación posean alta resistencia a la temperatura, alta densidad, tolerancia a la sal y estabilidad a largo plazo. Las altas temperaturas pueden provocar fallas en los materiales, la alta presión dificulta el control reológico, el alto contenido de sal agrava la inestabilidad del sistema y la operación prolongada conlleva el riesgo de hundimiento de los materiales de lastre. La combinación de estas cuatro exigencias funcionales presenta desafíos técnicos inmensos, casi insuperables. Además, las tecnologías existentes no pueden abordar eficazmente problemas como la fracturación inducida por enfriamiento cuando las formaciones ultracalientes se encuentran con fluidos de perforación relativamente más fríos, o la inestabilidad del pozo causada por cambios en la actividad del agua bajo temperaturas extremas.

Desafío 5: Rendimiento inadecuado de las lechadas de cemento y tecnologías asociadas en condiciones de alta temperatura y alta presión (HTHP) ultraprofundas y complejas.

Las condiciones que implican profundidades extremas, altas temperaturas, largas secciones de cementación y sistemas de presión complejos imponen exigencias extremadamente altas a las propiedades de la lechada de cemento, incluyendo la estabilidad de la suspensión, la reología, el control de la migración de gases y la estabilidad de la resistencia del cemento fraguado. Los aditivos críticos, como los controladores de pérdida de fluido y los retardadores, pueden descomponerse o reaccionar de forma anómala a temperaturas ultraaltas, lo que puede provocar fallos funcionales e incidentes potencialmente graves en el fondo del pozo. El entorno de temperaturas ultraaltas también impone requisitos estrictos a la compatibilidad entre el sistema de aditivos y los materiales, evitando así la pérdida de resistencia del cemento.

9.396 metros:En 2023, el pozo Guole 3C del yacimiento petrolífero de Tarim estableció un récord como el pozo horizontal más profundo de Asia (profundidad medida).

Desafío 6: Condiciones de alta temperatura y alta presión que superan los límites de tolerancia de equipos y herramientas críticos.

Los pozos ultraprofundos se enfrentan a condiciones extremas en el fondo del pozo, con temperaturas que superan los 200 °C y presiones superiores a 175 MPa (equivalente a la presión del agua a 17 500 metros de profundidad, muy superior a la del fondo de la Fosa de las Marianas). El límite de temperatura para la mayoría de los equipos de fondo de pozo existentes ronda los 175 °C. En condiciones operativas adversas, caracterizadas por temperaturas ultraaltas y altas presiones, entornos ácidos y fuertes vibraciones, las herramientas, los instrumentos y los equipos son propensos a fallar. Esto incluye la hinchazón y el envejecimiento de los cauchos elastoméricos en los estatores de los motores de lodo y los sellos en las herramientas de impacto de torsión, el mal funcionamiento o la falla de la batería de los componentes electrónicos MWD/LWD, y la resistencia a la presión insuficiente de las herramientas de terminación, lo que deja inoperativos los equipos y herramientas críticos.

Desafío 7: Nuevas exigencias para la tecnología de registro geofísico en pozos ultraprofundos, de alta temperatura y alta presión (HTHP) y de diámetro reducido.

La profundidad de los pozos ultraprofundos se acerca al límite operativo máximo de los cabrestantes de registro actuales, lo que supone un desafío para los sistemas de energía que incluyen camiones de alta potencia, cables de alta tensión, tambores de gran capacidad y equipos de elevación de alta resistencia. El entorno de alta temperatura y alta presión (HTHP) en el fondo del pozo se aproxima a los límites superiores de los instrumentos convencionales de la serie ultra-HTHP. A nivel internacional, no existen herramientas maduras para servicios especializados como imágenes eléctricas y resonancia magnética nuclear en tales condiciones. El riesgo de fallo de las herramientas debido a los límites de temperatura y presión es alto, lo que puede dar lugar a registros fallidos o de baja calidad. La atenuación de la señal en cables ultralargos de 13 000 metros afecta significativamente a los sistemas de telemetría para el registro geofísico con cable, lo que dificulta garantizar una comunicación estable.

Desafío 8: Garantizar pruebas de pozos seguras y eficientes en condiciones extremas de alta temperatura y alta presión (HTHP).

Los cálculos basados ​​en un pozo lleno de gas indican que la presión máxima prevista en la cabeza del pozo cerrado para pozos ultraprofundos puede superar los 100 MPa, posiblemente con presencia de sulfuro de hidrógeno. Las herramientas de prueba y terminación de pozos de uso común suelen estar clasificadas para 70 MPa y 175 °C. Las sarta de prueba de producción para pozos ultraprofundos tienen tamaños relativamente pequeños, pero requieren alta resistencia. El uso de materiales especiales y diseños de tuberías no estándar complica la optimización del sistema y dificulta enormemente el análisis y la verificación de esfuerzos. Los fluidos de prueba de pozos de alta densidad y las herramientas de prueba de fondo de pozo actuales tienen dificultades para cumplir con los requisitos de las operaciones a temperaturas ultraaltas, lo que dificulta la selección de sistemas de fluidos y herramientas óptimos.