석유 과학: 초심층 유정을 시추하기 어려운 이유는 무엇일까요?

과제 1: 초심층 유정의 복잡한 압력 시스템으로 인해 유정 구조 설계가 어려워짐

초심부 시추공은 다양한 지질층을 관통하며, 매우 복잡하고 서로 얽혀 있는 공극압력 체계에 직면합니다. 고압대와 저압대가 번갈아 나타나면서 지층 붕괴, 파이프 걸림, 순환 손실, 킥과 같은 빈번하고 복합적인 문제들이 발생합니다. 초심부 지층에 대한 시추 데이터는 매우 부족하며, 공극압력 예측에 사용 가능한 지진 및 검층 데이터는 제한적이고 품질이 낮습니다. 신뢰할 수 있는 기준 데이터의 부족과 시추 중 실시간 압력 모니터링에만 의존하는 한계로 인해 시스템 압력 예측에 상당한 어려움이 발생하고 정확도가 떨어집니다. 이는 지층 평가의 오류, 부적절한 케이싱 설치 깊이 및 시추 유체 밀도 설계, 심각한 시추공 불안정 문제로 이어집니다. 현재 기술로는 지층 압력 및 암석 역학적 특성과 같은 주요 매개변수를 정확하게 예측할 수 없어 불확실성이 높고 시추공 위험 관리가 매우 어렵습니다. 실제 탐사 및 개발 요구 사항에 따라 시추공을 더 깊게 파야 할 경우, 시추공 구조 설계에는 잠재적 위험 구역을 효과적으로 격리하기 위해 하나 또는 두 개의 예비 케이싱 구간을 포함해야 하며, 이로 인해 관련 비용이 상당히 증가합니다.

과제 2: 초심층 유정에서 과도한 파이프 스트링 무게는 안전한 케이싱 설치 작업을 방해합니다.

초심해 시추 과정에서는 점토질 이암이나 고압 염석고층과 같은 지층을 만날 수 있으며, 이로 인해 케이싱의 변형, 붕괴 및 파열 위험이 발생합니다. 이러한 위험은 일반적으로 케이싱 스트링의 벽 두께를 증가시켜 완화합니다. 그러나 극도로 긴 시멘팅 구간에서는 케이싱 스트링의 과도한 길이와 무게 문제가 두드러지게 나타납니다. 특히 케이싱 스트링의 무게는 12,000미터급 시추 장비의 안전 적재 한계(900톤, 성인 아프리카 코끼리 150~180마리의 무게에 해당)를 초과할 수 있습니다. 기존 시추 장비의 인양 능력은 이러한 무거운 케이싱 스트링을 정상적으로 매달기에 부족할 뿐만 아니라, 문제 발생 시 인양 작업을 처리하거나 안전한 시추 작업에 필요한 인장 안전 여유를 확보하는 것은 더욱 어렵습니다.

15,240미터:2022년 10월, ADNOC는 어퍼 자쿰 유전의 UZ-688 수평정을 통해 총 깊이(측정 깊이) 15,240미터에 도달하여 세계에서 가장 깊은 유정 기록을 세웠습니다.

과제 3: 초심층 유정의 단단하고 복잡한 지층은 효율적인 암석 파쇄 및 전반적인 시추 속도 향상을 저해한다

초심부 유정의 지층은 복잡하고 마모성이 매우 높으며 시추성이 떨어집니다. 기존의 시추성 평가 방법은 특히 새로운 탐사 지역에서 예측 정확도가 부족하고 부적절하여 드릴 비트의 과학적인 설계 및 선택을 심각하게 저해합니다. 현재 사용 가능한 드릴 비트 및 시추 속도(ROP) 향상 도구의 종류는 제한적이며, 지층 적응성과 신뢰성에 제약이 있습니다. 고온·고압(HTHP) 조건의 까다로운 지층에서 이러한 도구들의 효과는 저조하고 수명도 짧습니다. 심부 및 초심부 유정에서 효율적인 암석 파쇄를 위한 새로운 기술을 시급히 개발해야 합니다. 유압 및 기계적 에너지 전달은 초장거리 구간에서 매우 어렵고, 드릴 스트링을 따라 상당한 마찰 압력 손실이 발생하여 비트에 전달되는 동력이 부족해지고 암석 파쇄가 어려워집니다.

과제 4: 초심부 고온고압 조건에서 시추 유체의 유동학적 특성 및 시추공 안정성 유지

초심층 시추는 시추공 내부 온도가 200°C를 초과하는 극한 환경에 직면하기 때문에, 시추 유체는 고온 저항성, 고밀도, 내염성 및 장기 안정성을 갖춰야 합니다. 고온은 재료 파손을 유발할 수 있고, 고압은 유동학적 제어를 어렵게 하며, 높은 염분 함량은 시스템 불안정성을 악화시키고, 장기 작동 시 중량 재료의 처짐 위험을 초래합니다. 이러한 네 가지 기능적 요구 사항을 모두 충족하는 것은 엄청나게 어렵고 거의 극복 불가능한 기술적 난제입니다. 더욱이, 기존 기술로는 초고온 지층이 상대적으로 차가운 시추 유체와 접촉할 때 발생하는 냉각 유발 파쇄나 극한 온도에서 수분 활성도 변화로 인한 시추공 불안정성과 같은 문제를 효과적으로 해결할 수 없습니다.

과제 5: 초고온고압 및 복합 압력 조건에서 시멘트 슬러리 및 관련 기술의 부적절한 성능

초고심도, 고온, 긴 시멘팅 구간 및 복잡한 압력 시스템과 같은 조건은 현탁 안정성, 유동성, 가스 이동 제어 및 경화 강도 안정성을 포함한 시멘트 슬러리 특성에 매우 높은 요구 조건을 부과합니다. 유체 손실 제어제 및 지연제와 같은 중요한 첨가제는 초고온 환경에서 분해되거나 비정상적으로 반응하여 기능 장애 및 잠재적으로 심각한 시추공 사고로 이어질 수 있습니다. 또한 초고온 환경은 시멘트 강도 저하를 방지하기 위해 첨가제 시스템과 재료 간의 호환성에 대한 엄격한 요구 사항을 제시합니다.

9,396미터:2023년, 타림 유전의 구올레 3C 유정은 아시아에서 가장 깊은 수평 시추공(측정 깊이 기준)이라는 기록을 세웠습니다.

과제 6: 중요 장비 및 도구의 허용 오차 한계를 초과하는 고온고압(HTHP) 조건

초심해 유정은 200°C를 초과하는 온도와 175MPa 이상의 압력(수심 17,500m에서의 수압에 해당하며, 마리아나 해구 바닥의 수압을 훨씬 초과함)과 같은 극한의 시추공 환경에 직면합니다. 대부분의 기존 시추공 장비의 온도 한계는 약 175°C입니다. 초고온고압, 산성 환경, 강한 진동과 같은 가혹한 작업 조건에서 공구, 계측기 및 장비는 고장 발생 가능성이 높습니다. 이러한 고장에는 머드 모터 고정자의 엘라스토머 고무 팽창 및 노화, 토크 임팩트 공구의 씰 손상, MWD/LWD 전자 부품의 오작동 또는 배터리 고장, 그리고 완결 공구의 압력 저항 부족으로 인한 중요 장비 및 공구의 작동 불능 등이 포함됩니다.

과제 7: 초심층, 고온고압 및 소구경 시추공에서 요구되는 새로운 로깅 기술 조건

초심층 시추공의 깊이가 현재 로깅 윈치의 최대 작동 한계에 근접함에 따라 고출력 트럭, 고압 케이블, 대용량 드럼 및 고강도 리프팅 장비를 포함하는 동력 시스템에 문제가 발생하고 있습니다. 시추공 내부의 고온고압 환경은 기존 초고압 시리즈 계측기의 한계에 가까워지고 있습니다. 전 세계적으로 이러한 조건에서 전기 영상 및 핵자기 공명과 같은 특수 서비스를 위한 성숙한 계측기는 없습니다. 온도 및 압력 한계로 인한 계측기 고장 위험이 높아 로깅이 실패하거나 품질이 저하될 가능성이 큽니다. 13,000미터에 달하는 초장거리 케이블에서 발생하는 신호 감쇠는 와이어라인 로깅용 원격 측정 시스템에 상당한 영향을 미쳐 안정적인 통신을 보장하기 어렵게 합니다.

과제 8: 극한의 고온고압 조건에서 안전하고 효율적인 유정 시험 보장

가스로 채워진 유정 내벽을 기준으로 한 계산에 따르면, 초심층 유정의 최대 예상 폐쇄 압력은 100MPa를 초과할 수 있으며, 이 경우 황화수소가 존재할 가능성이 있습니다. 널리 사용되는 유정 시험 및 완결 장비는 일반적으로 70MPa 및 175°C의 내열성을 갖도록 설계되었습니다. 초심층 유정의 생산 시험용 파이프는 상대적으로 크기가 작지만 높은 강도가 요구됩니다. 특수 재료 및 비표준 파이프 설계를 사용하는 경우 시스템 최적화가 복잡해지고 응력 분석 및 검증이 매우 어려워집니다. 현재 사용되는 고밀도 유정 시험 유체와 시추공 시험 장비는 초고온 작업 조건을 충족하는 데 어려움을 겪고 있어 최적의 유체 시스템 및 장비를 선택하기가 쉽지 않습니다.