Erdölwissenschaft: Warum sind ultra-tiefe Bohrungen so schwierig?

Herausforderung 1: Komplexe Drucksysteme in ultratiefen Bohrungen erschweren die Bohrlochstrukturplanung

Ultratiefbohrungen durchdringen zahlreiche geologische Formationen und stoßen dabei auf hochkomplexe und miteinander verwobene Porenwasserdruckverhältnisse. Hoch- und Niederdruckzonen wechseln sich ab und führen zu häufigen und sich gegenseitig verstärkenden Komplikationen wie Formationskollaps, Festklemmen des Bohrgestänges, Spülungsverlust und Gasausbrüchen. Es mangelt an Bohrdaten für ultratiefe Formationen, und die verfügbaren seismischen und Logging-Daten zur Porenwasserdruckvorhersage sind begrenzt und von geringer Qualität. Der Mangel an zuverlässigen Referenzdaten, verbunden mit den Einschränkungen der alleinigen Echtzeit-Drucküberwachung während des Bohrens, führt zu erheblichen Schwierigkeiten und einer geringen Genauigkeit bei der Vorhersage der Systemdrücke. Dies führt zu erheblichen Fehlern bei der Formationsbewertung, einer ungeeigneten Auslegung der Verrohrungstiefen und der Bohrflüssigkeitsdichten sowie zu gravierenden Problemen mit der Bohrlochstabilität. Aktuelle Technologien können Schlüsselparameter wie Formationsdruck und gesteinsmechanische Eigenschaften nicht präzise vorhersagen, was zu hoher Unsicherheit führt und das Bohrlochrisikomanagement extrem erschwert. Ausgehend von den praktischen Anforderungen der Exploration und Entwicklung, bei denen eine weitere Vertiefung der Bohrung erforderlich sein kann, muss die Bohrlochstruktur ein oder zwei Notfallverrohrungsabschnitte umfassen, um potenzielle Risikozonen effektiv zu isolieren, was die damit verbundenen Kosten erheblich erhöht.

Herausforderung 2: Zu hohes Gewicht des Bohrgestänges in extrem tiefen Bohrungen behindert sichere Verrohrungsarbeiten

Bei Tiefbohrungen können Formationen wie kriechender Tonstein und unter hohem Druck stehende Salz-Gips-Schichten angetroffen werden, was die Gefahr von Verformungen, Einstürzen und Brüchen des Bohrrohrs birgt. Diese Risiken werden häufig durch die Erhöhung der Wandstärke der Bohrrohre gemindert. Bei extrem langen Zementierungsabschnitten treten die Probleme der übermäßigen Länge und des Gewichts der Bohrrohre deutlich hervor. Insbesondere kann das Gewicht des Bohrrohrs die zulässige Belastungsgrenze selbst einer 12.000 Meter tiefen Bohranlage überschreiten (900 Tonnen, entsprechend dem Gesamtgewicht von 150 bis 180 ausgewachsenen afrikanischen Elefanten). Die Hubkraft bestehender Bohranlagen reicht nicht aus, um solch schwere Bohrrohre normal zu halten, geschweige denn, um bei Komplikationen das Ein- und Ausfahren der Bohrrohre zu ermöglichen oder die erforderlichen Zugfestigkeitsreserven für einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.

15.240 Meter:Im Oktober 2022 stellte ADNOC mit seiner Horizontalbohrung UZ-688 im Upper Zakum-Feld einen neuen Weltrekord für die tiefste Bohrung auf und erreichte eine Gesamttiefe (gemessene Tiefe) von 15.240 Metern.

Herausforderung 3: Harte und komplexe Gesteinsformationen in ultratiefen Bohrungen behindern effizientes Gesteinsbrechen und die Beschleunigung des gesamten Bohrprozesses

Die Gesteinsformationen in ultratiefen Bohrungen sind komplex, stark abrasiv und schwer zu bohren. Bestehende Methoden zur Bewertung der Bohrbarkeit sind unzureichend und weisen insbesondere in neuen Explorationsgebieten eine geringe Vorhersagegenauigkeit auf, was die wissenschaftliche Auslegung und Auswahl von Bohrmeißeln erheblich behindert. Das derzeitige Angebot an Bohrmeißeln und Bohrgeschwindigkeitssteigerungswerkzeugen ist begrenzt und unterliegt Einschränkungen hinsichtlich Formationsanpassungsfähigkeit und Zuverlässigkeit. Ihre Effektivität ist gering und ihre Lebensdauer kurz in anspruchsvollen Formationen unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen (HTHP). Es besteht dringender Bedarf an neuen Technologien für effizientes Gesteinsbrechen in tiefen und ultratiefen Bohrungen. Die Übertragung hydraulischer und mechanischer Energie über extrem lange Abschnitte ist aufgrund signifikanter Reibungsdruckverluste entlang des Bohrgestänges eine Herausforderung. Dies führt zu unzureichender Kraft am Meißel und erschwert das Gesteinsbrechen.

Herausforderung 4: Aufrechterhaltung der Rheologie der Bohrflüssigkeit und der Bohrlochstabilität unter extrem tiefen HTHP-Bedingungen

Bei Tiefbohrungen herrschen Temperaturen von über 200 °C im Bohrloch. Daher müssen die Bohrflüssigkeiten hochtemperaturbeständig, hochdicht, salztolerant und langfristig stabil sein. Hohe Temperaturen können zu Materialversagen führen, hoher Druck erschwert die rheologische Kontrolle, ein hoher Salzgehalt verschärft die Systeminstabilität, und bei längerem Betrieb besteht die Gefahr des Durchhängens der Beschwerungsmaterialien. Die Kombination dieser vier funktionalen Anforderungen stellt immense, nahezu unüberwindbare technische Herausforderungen dar. Darüber hinaus können bestehende Technologien Probleme wie durch Abkühlung verursachte Rissbildung beim Auftreffen ultraheißer Formationen auf relativ kühlere Bohrflüssigkeiten oder Bohrlochinstabilität aufgrund von Änderungen der Wasseraktivität bei extremen Temperaturen nicht effektiv lösen.

Herausforderung 5: Unzureichende Leistungsfähigkeit von Zementsuspensionen und zugehörigen Technologien unter extremen Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen sowie komplexen Druckbedingungen

Bedingungen wie extreme Tiefe, hohe Temperaturen, lange Zementierabschnitte und komplexe Drucksysteme stellen höchste Anforderungen an die Eigenschaften von Zementsuspensionen, darunter Suspensionsstabilität, Rheologie, Gasmigrationskontrolle und Festigkeitsstabilität des erhärteten Zements. Kritische Additive wie Flüssigkeitsverlustminderer und Verzögerer können sich unter extrem hohen Temperaturen zersetzen oder abnormal reagieren, was zu Funktionsstörungen und potenziell schwerwiegenden Zwischenfällen im Bohrloch führen kann. Die extremen Temperaturen stellen zudem hohe Anforderungen an die Kompatibilität des Additivsystems mit Materialien, die einen Festigkeitsverlust des Zements verhindern sollen.

9.396 Meter:Im Jahr 2023 stellte die Guole 3C-Bohrung des Tarim-Ölfelds einen Rekord für die tiefste horizontale Bohrung in Asien auf (gemessene Tiefe).

Herausforderung 6: HTHP-Bedingungen, die die Toleranzgrenzen kritischer Ausrüstung und Werkzeuge überschreiten

In extremen Tiefbohrungen herrschen extreme Bedingungen im Bohrloch mit Temperaturen von über 200 °C und Drücken von über 175 MPa (entspricht dem Wasserdruck in 17.500 Metern Tiefe und liegt damit weit über dem Druck am Grund des Marianengrabens). Die Temperaturgrenze der meisten vorhandenen Bohrlochgeräte liegt bei etwa 175 °C. Unter diesen rauen Betriebsbedingungen mit extrem hohen Temperaturen und hohen Drücken, sauren Umgebungen und starken Vibrationen sind Werkzeuge, Instrumente und Geräte anfällig für Ausfälle. Dazu gehören das Aufquellen und Altern von Elastomergummis in Schlammmotorstatoren und Dichtungen in Drehmomentschlagwerkzeugen, Fehlfunktionen oder Batterieausfälle elektronischer Komponenten von MWD/LWD sowie eine unzureichende Druckbeständigkeit von Fertigstellungswerkzeugen, wodurch kritische Geräte und Werkzeuge funktionsunfähig werden.

Herausforderung 7: Neue Anforderungen an die Bohrlochmesstechnik bei ultratiefen, HTHP- und Kleinbohrlöchern

Die Tiefe von Ultratiefbohrungen nähert sich der maximalen Betriebsgrenze aktueller Bohrlochmesswinden und stellt die Energieversorgungssysteme mit ihren Hochleistungsfahrzeugen, Hochspannungskabeln, Großtrommeln und hochbelastbaren Hebezeugen vor große Herausforderungen. Die Hochdruck-Hochtemperatur-Umgebung im Bohrloch stößt an die Leistungsgrenzen konventioneller Ultrahochdruck-Messgeräte. International gibt es keine ausgereiften Werkzeuge für Spezialanwendungen wie elektrische Bildgebung und Kernspinresonanz unter diesen Bedingungen. Das Risiko eines Geräteausfalls aufgrund von Temperatur- und Druckgrenzen ist hoch, was zu potenziell erfolglosen oder qualitativ minderwertigen Messungen führen kann. Die Signaldämpfung über 13.000 Meter lange Kabel beeinträchtigt die Telemetriesysteme für die Drahtseilmessung erheblich und erschwert eine stabile Kommunikation.

Herausforderung 8: Gewährleistung sicherer und effizienter Bohrlochtests unter extremen HTHP-Bedingungen

Berechnungen auf Basis eines gasgefüllten Bohrlochs zeigen, dass der maximal zu erwartende Absperrdruck am Bohrlochkopf für ultratiefe Bohrungen 100 MPa überschreiten kann, möglicherweise auch bei Vorhandensein von Schwefelwasserstoff. Die gängigen Bohrlochtest- und Fertigstellungswerkzeuge sind typischerweise für 70 MPa und 175 °C ausgelegt. Die Produktionsprüfstränge für ultratiefe Bohrungen weisen relativ kleine Abmessungen auf, erfordern aber dennoch hohe Festigkeit. Der Einsatz spezieller Materialien und nicht standardisierter Rohrkonstruktionen erschwert die Systemoptimierung und macht die Spannungsanalyse und -verifizierung äußerst anspruchsvoll. Aktuelle Bohrlochtestflüssigkeiten mit hoher Dichte und Bohrlochtestwerkzeuge erfüllen die Anforderungen von Ultrahochtemperaturanwendungen nur unzureichend, was die Auswahl optimaler Flüssigkeitssysteme und Werkzeuge erschwert.