Sciences du pétrole : Pourquoi les puits ultra-profonds sont-ils si difficiles à forer ?

Défi 1 : Les systèmes de pression complexes dans les puits ultra-profonds compliquent la conception de la structure du puits.

Les puits ultra-profonds traversent de nombreuses formations géologiques, rencontrant des régimes de pression de pore extrêmement complexes et imbriqués. L'alternance de zones de haute et de basse pression engendre des complications fréquentes et interdépendantes telles que l'effondrement de la formation, le coincement de la colonne de production, les pertes de circulation et les venues de fluides. Les données de forage pour les formations ultra-profondes sont rares, et les données sismiques et de diagraphie disponibles pour la prédiction de la pression de pore sont limitées et de faible qualité. Le manque de données de référence fiables, combiné aux limites de la surveillance en temps réel de la pression pendant le forage, entraîne des difficultés importantes et une faible précision dans la prédiction des pressions du système. Ceci conduit à des erreurs substantielles dans l'évaluation de la formation, à une conception inappropriée des profondeurs de tubage et des densités des fluides de forage, ainsi qu'à de graves problèmes d'instabilité du puits. Les technologies actuelles ne permettent pas de prédire avec précision des paramètres clés comme la pression de formation et les propriétés mécaniques de la roche, ce qui crée une forte incertitude et rend la gestion des risques de fond de puits extrêmement difficile. En fonction des besoins pratiques d'exploration et de développement, lorsqu'un approfondissement du puits peut s'avérer nécessaire, la conception de la structure du puits doit intégrer une ou deux sections de tubage de secours afin d'isoler efficacement les zones à risque potentielles, ce qui augmente considérablement les coûts associés.

Défi 2 : Le poids excessif des tubes de tubage dans les puits ultra-profonds entrave la sécurité des opérations de tubage.

Le forage ultra-profond peut rencontrer des formations telles que des mudstones fluctuants et des couches de sel-gypse à haute pression, engendrant des risques de déformation, d'effondrement et de rupture du tubage. Ces risques sont souvent atténués par l'augmentation de l'épaisseur des parois des tubages. Dans le cas de sections de cimentation extrêmement longues, les problèmes liés à la longueur et au poids excessifs des trains de tiges deviennent préoccupants. Plus précisément, le poids du train de tiges peut dépasser la limite de charge admissible, même pour une installation de 12 000 mètres (900 tonnes, soit l'équivalent du poids combiné de 150 à 180 éléphants d'Afrique adultes). La capacité de levage des installations existantes est insuffisante pour suspendre normalement de tels trains de tiges, et encore moins pour gérer les opérations de descente en cas de complications ou respecter les marges de sécurité en traction requises pour une exploitation en toute sécurité.

15 240 mètres :En octobre 2022, ADNOC a établi un nouveau record mondial pour le puits le plus profond avec son puits horizontal UZ-688 dans le champ d'Upper Zakum, atteignant une profondeur totale (profondeur mesurée) de 15 240 mètres.

Défi 3 : Les formations rocheuses dures et complexes des puits ultra-profonds entravent le concassage efficace de la roche et l’accélération globale du forage.

Les formations des puits ultra-profonds sont complexes, très abrasives et difficiles à forer. Les méthodes actuelles d'évaluation de la forabilité sont inadéquates et manquent de précision prédictive, notamment dans les nouvelles zones d'exploration, ce qui entrave considérablement la conception scientifique et le choix des trépans. La gamme actuelle de trépans et d'outils d'amélioration de la vitesse de pénétration (ROP) est limitée, avec des contraintes d'adaptabilité et de fiabilité liées à la formation. Leur efficacité est faible et leur durée de vie courte dans les formations difficiles soumises à des conditions de haute température et de haute pression (HTHP). Il est urgent d'explorer de nouvelles technologies pour un fracturation efficace de la roche dans les puits profonds et ultra-profonds. La transmission de l'énergie hydraulique et mécanique est complexe sur des sections extrêmement longues, avec des pertes de charge importantes par frottement le long de la garniture de forage, ce qui entraîne une puissance insuffisante au niveau du trépan et rend la fracturation de la roche difficile.

Défi 4 : Maintenir la rhéologie du fluide de forage et la stabilité du puits dans des conditions HTHP ultra-profondes

Le forage ultra-profond se heurte à des températures de fond de puits dépassant 200 °C, exigeant des fluides de forage une résistance élevée à la température, une densité élevée, une tolérance au sel et une stabilité à long terme. Les hautes températures peuvent provoquer la rupture des matériaux, les hautes pressions rendent le contrôle rhéologique difficile, une forte salinité aggrave l'instabilité du système et un fonctionnement prolongé risque de provoquer l'affaissement des matériaux de lestage. La combinaison de ces quatre exigences fonctionnelles représente des défis techniques immenses, voire insurmontables. De plus, les technologies actuelles ne permettent pas de résoudre efficacement des problèmes tels que la fracturation induite par le refroidissement lorsque des formations ultra-chaudes rencontrent des fluides de forage relativement plus froids, ou l'instabilité du puits causée par les variations d'activité de l'eau sous des températures extrêmes.

Défi 5 : Performances insuffisantes des coulis de ciment et des technologies associées dans des conditions de haute pression, de haute température et de pression complexes à très grande profondeur.

Les conditions de forage à très grande profondeur, à haute température, sur de longues sections de cimentation et sous des systèmes de pression complexes imposent des exigences extrêmement élevées aux propriétés du coulis de ciment, notamment la stabilité de la suspension, la rhéologie, le contrôle de la migration des gaz et la stabilité de la résistance du ciment durci. Les additifs critiques, tels que les régulateurs de pertes de fluide et les retardateurs, peuvent se décomposer ou réagir anormalement à ces températures extrêmes, entraînant des défaillances fonctionnelles et des incidents de fond de puits potentiellement graves. Cet environnement à très haute température impose également des exigences strictes quant à la compatibilité entre le système d'additifs et les matériaux afin d'éviter la régression de la résistance du ciment.

9 396 mètres :En 2023, le puits Guole 3C du champ pétrolier de Tarim a établi un record pour le puits horizontal le plus profond d'Asie (profondeur mesurée).

Défi 6 : Conditions HTHP dépassant les limites de tolérance des équipements et outils critiques

Les puits ultra-profonds sont soumis à des conditions extrêmes, avec des températures dépassant 200 °C et des pressions supérieures à 175 MPa (équivalentes à la pression de l'eau à 17 500 mètres de profondeur, bien plus élevées qu'au fond de la fosse des Mariannes). La température limite de fonctionnement de la plupart des équipements de fond de puits existants est d'environ 175 °C. Dans ces conditions d'exploitation difficiles, caractérisées par des températures ultra-haute pression, des environnements acides et de fortes vibrations, les outils, instruments et équipements sont sujets à des défaillances. Celles-ci incluent le gonflement et le vieillissement des élastomères des stators des moteurs de forage et des joints des outils à percussion, le dysfonctionnement ou la défaillance des batteries des composants électroniques MWD/LWD, ainsi qu'une résistance à la pression insuffisante des outils de complétion, rendant inutilisables les équipements et outils critiques.

Défi 7 : Nouvelles exigences en matière de technologie de diagraphie pour les forages ultra-profonds, à haute pression et haute température et de petit diamètre

La profondeur des puits ultra-profonds approche la limite opérationnelle maximale des treuils de diagraphie actuels, ce qui met à rude épreuve les systèmes d'alimentation électrique utilisant des camions de forte puissance, des câbles à haute tension, des tambours de grande capacité et des équipements de levage à haute résistance. L'environnement HTHP (haute, haute pression et forte intensité) de fond de puits atteint les limites supérieures des instruments conventionnels de la série ultra-HTHP. À l'échelle internationale, il n'existe pas d'outils éprouvés pour des services spécialisés tels que l'imagerie électrique et la résonance magnétique nucléaire dans de telles conditions. Le risque de défaillance des outils dû aux limites de température et de pression est élevé, ce qui peut entraîner des diagraphies infructueuses ou de mauvaise qualité. L'atténuation du signal sur des câbles ultra-longs de 13 000 mètres affecte considérablement les systèmes de télémétrie pour la diagraphie filaire, rendant difficile la garantie d'une communication stable.

Défi 8 : Garantir des essais de puits sûrs et efficaces dans des conditions HTHP extrêmes

Les calculs basés sur un puits rempli de gaz indiquent que la pression maximale prévue en tête de puits à l'arrêt pour les puits ultra-profonds peut dépasser 100 MPa, potentiellement en présence de sulfure d'hydrogène. Les outils d'essai et de complétion de puits couramment utilisés sont généralement conçus pour une pression de 70 MPa et une température de 175 °C. Les trains de tiges d'essai de production pour les puits ultra-profonds sont de dimensions relativement réduites, mais doivent présenter une résistance élevée. L'utilisation de matériaux spéciaux et de conceptions de tubes non standard complexifie l'optimisation du système et rend l'analyse et la vérification des contraintes extrêmement difficiles. Les fluides d'essai de puits haute densité actuels et les outils d'essai de fond de puits peinent à répondre aux exigences des opérations à très haute température, ce qui rend difficile le choix des systèmes de fluides et des outils optimaux.