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Apr 12, 2023

Drillers vs. Granite: Hard Rock está perdiendo su ventaja

En el sitio de prueba de Utah FORGE, están perforando pozos para tratar de lograr

En el sitio de prueba de Utah FORGE, están perforando pozos para tratar de lograr algo que otros no han logrado en 50 años de intentarlo: inyectar agua en roca caliente y producir suficiente vapor para alimentar un generador eléctrico comercial.

Hay muchas razones por las que es difícil, particularmente encontrar una manera de utilizar la fracturación para crear lo que equivale a una inyección de agua de gran volumen y movimiento lento que calienta el agua a medida que fluye desde un pozo de inyección a un pozo de producción.

Es probable que se necesiten varios pares de pozos por planta de energía, por lo que otro problema es encontrar una manera de acelerar la perforación, que en el sitio requiere perforar una milla de granito a temperaturas superiores a 400 °F.

"Este enfoque requerirá cientos y cientos de pozos. El desafío es el costo, como en un pozo no convencional", dijo Fred Dupriest, profesor de prácticas de ingeniería en la Universidad de Texas A&M, mientras presentaba un documento en la reciente Conferencia Internacional de Perforación SPE/IADC ( ESP 208798).

La comparación con el esquisto es adecuada porque lo contrataron en Utah FORGE para enseñar a los perforadores cómo usar el hardware y los métodos que aceleran la perforación en no convencionales para acelerar la perforación a través de roca dura.

El alto costo de la perforación lenta en roca dura ha inspirado ideas futuristas como el uso de energía de plasma para desintegrar roca dura. La tecnología fue la base de una puesta en marcha, GA Drilling, que fue comprada recientemente por Nabors, que espera comercializarla para secciones de roca dura.

El desafío al que se enfrentaron Dupriest y su socio en el proyecto, Sam Noynaert, profesor asociado de prácticas de ingeniería en Texas A&M, fue demostrar que los métodos de perforación más rápidos son posibles utilizando la tecnología disponible.

El futuro de la energía geotérmica depende de esfuerzos como los de Utah FORGE, financiados por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), para superar las barreras subterráneas que han limitado la energía geotérmica a menos del 1 % del suministro eléctrico de EE. UU.

El crecimiento se ha visto limitado por los recursos disponibles. Hay muy pocos lugares en los EE. UU. o en el mundo que combinen calefacción geotérmica, agua y fracturas conductoras naturales que permitan perforar pozos que produzcan vapor sobrecalentado.

Por otro lado, no es difícil encontrar roca caliente y seca. Si se pueden construir sistemas rentables para inyectar el agua en formaciones calientes y producir suficiente agua muy caliente, las plantas de energía geotérmica podrían ubicarse cerca de los grandes mercados de energía urbanos.

Los profesores de Texas A&M fueron contratados para enseñar a los perforadores cómo reducir el tiempo necesario para perforar un pozo de inyección y dos pozos verticales que observarán el impacto de la fracturación y los futuros flujos de agua (Fig. 1).

Dupriest reconoció que lo que se considera rápido en esquisto es mucho más rápido que lo que es posible en roca dura, que describió como "5000 pies de encimera de cocina". Pero agregó que "los tipos de problemas que limitan la tasa de perforación y la forma en que los trata no son diferentes".

Combinaron algunos cambios obvios para los perforadores de shale, como el uso de brocas PDC (cortadores compactos de diamante policristalino en un cuerpo sólido que se gira durante la perforación) para cambiar la forma en que los perforadores manejan el proceso enseñándoles un flujo de trabajo de "rediseño limitador basado en la física". .

La física se refiere a una comprensión de la teoría. En un mundo perfecto, agregar más peso en la broca (WOB) significará una perforación más rápida. La realidad en el terreno es que hay límites que un perforador puede reconocer utilizando una medida de eficiencia de perforación: energía mecánica específica (MSE). La tendencia de datos de MSE juega un papel fundamental en el diagnóstico de los problemas que se esconden detrás de las barreras para una perforación más rápida.

El rediseño de limitadores es el proceso utilizado para diagnosticar la fuente de los límites de rendimiento o disfunciones y encontrar una manera de prevenirlos. Las soluciones a menudo requieren ponerse en contacto con ingenieros, proveedores o expertos para obtener asesoramiento. Para obtener una explicación más completa del método, consulte Lecturas adicionales al final de este artículo.

En tres pozos, el equipo de perforación redujo los tiempos de los pozos en "más de la mitad". Según sus resultados, perforar un promedio de 100 pies/hora fue una velocidad de perforación realista en granito y es posible más. El método también les permitió extender la vida útil de la barrena desde un recorrido de 742 pies en el primer pozo hasta un recorrido de 2100 pies en el último, según los autores del artículo.

"Este pozo realmente rompió la presa en términos de perforación en círculos geotérmicos porque demostró que la tecnología PDC podría mejorar drásticamente el rendimiento sobre los conos de rodillos [brocas tricónicas]", dijo John McLennan, líder técnico de Utah FORGE para la gestión de recursos y profesor asociado de química. ingeniería en la Universidad de Utah, que administra el sitio. Agregó: "Gran parte del crédito por esto es para dos personas de la Universidad Texas A&M, Fred Dupriest y Sam Noynaert".

Pozo de prueba 1

La razón obvia por la que la tasa de penetración (ROP) en el primer pozo de prueba fue mucho más alta que en el anterior fue que comenzaron a usar una barrena PDC.

El equipo de perforación logró establecer ese récord de corta duración al perforar el pozo más profundo del sitio con el diseño de pozo más complejo: un pozo desviado que se curvaba en un ángulo de 65° a unos 6000 pies de profundidad.

El hecho de que los perforadores geotérmicos no hayan utilizado mucho las brocas de PDC es una indicación de cómo se diferencia de la perforación de petróleo y gas.

La tecnología de perforación horizontal mejoró rápidamente durante la revolución del esquisto, que dependía de tasas de perforación más rápidas para reducir el costo de los muchos pozos horizontales necesarios para sostener el crecimiento de su producción.

En comparación, la perforación geotérmica es un pequeño nicho en el negocio en su propio camino lento. La atención se centró menos en perforar más rápido y más en saber cómo resolver problemas exclusivos de este sector, como perforar de manera segura mientras se ventila el vapor.

Los perforadores se conformaron con el equipo disponible. Se utilizó una plataforma de perforación de mesa giratoria para perforar el pozo piloto (pozo 58-32), que es un diseño antiguo que todavía se usa comúnmente en el desarrollo geotérmico, dijo Bill Rickard, presidente e ingeniero de perforación principal de Geothermal Resources, que fue contratado para planificar y gestionar la perforación de los pozos de Utah FORGE.

Para el pozo piloto perforado antes de la financiación del DOE, Rickard intentó aplicar MSE basándose en lo que había aprendido de los documentos técnicos. Mientras perforaba el pozo, un estudiante de posgrado contratado para analizar los datos le dijo que recopilar lecturas de MSE "usando un rodillo de torsión en una cadena rotatoria" era frustrante porque los datos estaban "por todas partes".

En ese momento, las brocas de PDC le parecieron a Rickard una mala elección para la geotermia. "En 1980, coloqué por primera vez una broca PDC en un pozo geotérmico; funcionó bien, pero era una herramienta costosa y podía perforar igual de rápido con una broca tricónica", dijo.

Era una forma diplomática de decirlo. Dijo que la barrena de PDC que se usó con éxito en el primer pozo de prueba en Utah FORGE fue "la primera que corrí en una formación granítica dura que no salió como un tapón de toro". En otras palabras, no terminó como un PDC con todos sus cortadores rotos.

Dupriest señaló que, si bien las barrenas ahora están construidas para resistir rocas duras y abrasivas, "también hemos aprendido cómo evitar golpearlas, particularmente en rocas duras". Según lo que aprendió de Dupriest y Noyaert durante la prueba, Rickard está utilizando brocas de PDC en otros pozos que administra para los clientes.

Todos los involucrados en la perforación asistieron a una clase de capacitación de 16 horas impartida por el equipo de Texas A&M, que cubría un flujo de trabajo basado en la "física de la perforación". La forma en que se utiliza el método durante la perforación se puede resumir en una frase: una combinación de perforación más rápida maximizando el WOB y maximizando la eficiencia del trabajo y la vida útil de la broca mediante el uso de la tendencia de datos MSE para ver cuándo algo anda mal.

MSE ofrece a los perforadores una medida superficial de la fuerza necesaria para perforar la roca. Normalmente es algo mayor que la fuerza necesaria para romper la roca en una prueba de laboratorio porque las condiciones del fondo del pozo afectan la perforación. Cuando el MSE se eleva muy por encima de ese nivel, los perforadores deben averiguar el origen de la disfunción.

Una parte importante del flujo de trabajo son las pruebas escalonadas periódicas en las que se agrega WOB en incrementos de 5000 lb hasta que la lectura de MSE muestra signos de disfunción, que comienza con una perforación ineficiente y puede llegar a un punto en el que destruye la broca.

Cuando se identifican esos límites, los equipos de perforación utilizan MSE y otros datos para diagnosticar el origen de la disfunción y buscan formas de eliminar el limitador en función de una lista establecida de disfunciones y sus tratamientos.

Los cambios que mejoraron significativamente el rendimiento en Utah FORGE incluyeron el uso de una tubería de perforación de mayor diámetro, la solicitud de cambios de diseño del fabricante de brocas y el cambio del fluido de perforación a agua.

Las clases de capacitación incluyeron a todos, desde gerentes de perforación hasta trabajadores de plataformas, y fueron diseñadas para persuadir a los equipos de perforación a trabajar juntos con el apoyo de los gerentes para aplicar un método que generalmente les pide que rompan con algunos viejos hábitos.

La frase "basada en la física" es fundamental cuando se trata de persuadir a quienes realizan y administran la perforación para que cambien sus formas.

"Nos resistimos al cambio cuando no tiene sentido para nosotros, y no nos resistimos cuando lo tiene", dijo Dupriest, y agregó que "debido a que tenían una comprensión física de cada limitador dominante, ellos mismos diagnosticaron la disfunción, identificaron el cambio necesario y lo implementó".

Según los comentarios, parece que los estudiantes valoraron lo que aprendieron.

"Siento que la capacitación brindada por Fred y Sam marcó la diferencia", dijo McLennan. Una señal de que los estudiantes valoraron la capacitación fue que "teníamos personas que querían volver a tomarla cuando regresaron para perforar pozos posteriores", dijo.

Pozo de prueba 2

El segundo pozo se perforó verticalmente, lo que mejoró el rendimiento al eliminar la necesidad de reducir la velocidad para deslizarse, girando el conjunto de fondo de pozo para dirigirlo.

La perforación también se benefició de los cambios realizados por NOV en las barrenas PDC. El nuevo diseño incluía cortadores "en forma de V" diseñados para hundirse más en la roca para un corte más profundo. Este diseño agresivo redujo la cantidad de rotaciones requeridas por pie, acelerando el progreso y extendiendo la vida útil de la broca.

Una cosa permaneció sin cambios con respecto al pozo de prueba 1: el WOB se limitó a un rango entre 35 000 y 45 000 lb, lo que impidió la evaluación del efecto de agregar más peso para acelerar el progreso. Aun así, el tiempo en el fondo se redujo en un tercio con respecto al pozo anterior, y el recorrido más largo de la barrena aumentó en un 66 %.

Pozo de prueba 3

El tercer pozo también era un pozo de observación vertical, pero esta vez querían ver si podían acelerar la perforación elevando el WOB hasta en un 50 %.

Para garantizar que la sarta de perforación rotatoria pudiera entregar el torque requerido en los pesos más altos sin disfunción, como atascos y deslizamientos, aumentaron el diámetro de la sarta de perforación de 5,0 a 5,5 pulgadas.

Con base en las pruebas escalonadas, decidieron que podían llevar el WOB a 68 000 lb, el límite estructural de la barrena según NOV.

Perforaron más rápido y extendieron su carrera récord en un 70 %, lo que proporciona evidencia del mensaje repetido de Dupriest de que más peso podría reducir el desgaste de la broca si el peso agregado no está causando una disfunción.

Sin embargo, la tripulación enfrentó otros problemas en el camino. Durante la perforación, las lecturas de MSE aumentaron hasta 85 000 psi, alrededor del doble de la fuerza requerida para perforar granito.

Después de considerar varias causas posibles, identificaron el lodo de perforación como el problema. Específicamente, a la presión del pozo, el lodo comprimió los cortes granulares finos, haciendo que se comportaran como si fueran una masa dura y provocando un pico en la energía necesaria para cortar y limpiar el pozo.

Para evitar que se formaran las masas duras, cambiaron a perforar solo con agua porque, a diferencia del lodo, el agua se mueve rápidamente entre los recortes, presionando esos espacios para que no tengan fuerza, dijo Dupriest.

Como resultado, "el ROP se duplicó y el MSE se redujo a la mitad cuando una pastilla de agua dulce de 100 bbl pasó a través de la broca", dijo el periódico.

Es una idea que se debe considerar en otros pozos geotérmicos. En algunas formaciones se requerirán cambios, como el uso de contrapresión para garantizar el control del pozo, dijo Dupriest, y agregó que "el premio es lo suficientemente grande como para ser creativo, si es necesario".

En última instancia, las ganancias debidas a la capacidad intelectual de perforación igualaron lo agregado por los bits de PDC. "Incluso después de que se introdujeron los PDC en el primer pozo, el tiempo de perforación en el fondo se redujo nuevamente a más de la mitad gracias a los continuos cambios realizados por el equipo", dijo Dupriest.

Jody Robins, ingeniera geotérmica sénior del Laboratorio Nacional de Energía Renovable que está trabajando en un informe sobre los costos de perforación, quedó impresionada por el hecho de que se alcanzaron "velocidades inauditas" en geotermia, donde un promedio común es de 10 pies/hora. Hubo "grandes saltos" de un pozo a otro y "en el tercer pozo, realmente lo derribaron", dijo Robins.

Los perforadores no convencionales han aprendido de muchos miles de pozos, por lo que es razonable suponer que hay margen de mejora en la perforación geotérmica después de una prueba de tres pozos.

Agregar más peso no parece ser una opción porque requeriría crear un poco capaz de manejar una carga aún mayor. Sin embargo, para hacer eso, Dupriest dijo que el diseñador de bits "podría necesitar sacrificar otras características importantes".

Hay otras opciones a considerar que, dijo, podrían aumentar potencialmente la velocidad de perforación en un 30% en roca dura. Una rotación más rápida podría permitir una mayor penetración por pie, pero eso requeriría motores más potentes y mayores flujos de fluido para evitar el sobrecalentamiento de la barrena.

Otro limitador del rendimiento, si se pudiera determinar y remediar su causa, es que cuando se comienza a perforar con una barrena nueva en roca dura, la ROP disminuye considerablemente durante los primeros 100 a 200 pies.

"El premio mayor es probablemente descubrir por qué las brocas están perdiendo ROP al principio de la carrera. Prácticamente todas las brocas comienzan a alrededor de 250 pies/hora, luego disminuyen durante los primeros 100 a 200 pies de perforación a aproximadamente la mitad de eso. Si un poco perfora 1 pie a 250 pies/hora, debe perforar cada pie de la misma roca a 250 pies/hora", dijo Dupriest.

Es difícil ver cómo el desgaste de la barrena es un problema porque dijo que "el desgaste observado es apenas perceptible, y la mayoría de los perforadores aún llamarían a la barrena 'verde'". Es probable que esté relacionado con una cantidad muy pequeña de desgaste, pero ese desgaste tiene que estar provocando una disfunción muy grande, y es la disfunción la que debemos descubrir", dijo.

Más rápido es mejor, pero ¿son lo suficientemente rápidos como para justificar el desarrollo de proyectos de inyección de roca caliente?

La respuesta es: están claramente más cerca del objetivo, que en este punto es probable que se mueva.

Después de las sorprendentes ganancias de estos tres pozos, Robins dijo que consideraron si su curva de costos de perforación de referencia "no es lo suficientemente agresiva" y concluyó que "la línea de base sigue siendo más barata que lo que podemos hacer en la vida real".

Los costos de una perforación más rápida se incorporarán en el Modelo de Evaluación de Tecnología de Electricidad Geotérmica del DOE que se utiliza para evaluar si este método se encuentra en un estado casi comercial. Si bien una perforación más rápida representa un ahorro significativo, no afecta otros costos de terminación, como la fracturación y la tubería de revestimiento. Como resultado, "hay rendimientos decrecientes después de 50 pies/hora", dijo.

Robins, que tiene más de 20 años de experiencia en perforación y terminación de pozos de petróleo y gas, señaló: "Si viene del lado del petróleo y el gas, no se da cuenta de cuán grandes deben ser los pozos" o el revestimiento de gran diámetro necesario. para proporcionar un flujo adecuado. Además, casi todos los empacadores y tapones puente que probaron en estos pozos calientes fallaron, lo que podría ser un problema costoso de resolver.

Se desconoce el número de pozos necesarios por megavatio generado. En pruebas anteriores, la producción de energía de cada pozo, basada en el volumen de agua y su contenido de calor, era tan baja que la cantidad de pozos necesarios para una planta de energía habría sido imposiblemente alta.

Pasará un tiempo antes de que Utah FORGE pueda ofrecer algún dato que muestre la eficiencia de su par de pozos. Recientemente fracturó el pozo de inyección y perforará y fracturará el pozo de producción en un año con planes basados ​​en los resultados de fracturamiento recientes.

Para Rickard, los pozos de prueba ya han cambiado su enfoque hacia la perforación geotérmica. Al enseñar el método y usar brocas de PDC, redujo los días por pozo de 50 a tan solo 31. Al momento de escribir, estaba trabajando en un trabajo que esperaba completar en 25 días.

Para Dupriest, contratar a otro maestro es una victoria mientras trata de descubrir cómo transmitir su trabajo a la próxima generación, que incluye un gran grupo de estudiantes que tomaron su curso en Texas A&M.

Rickard espera que sea una herramienta que le ayude a transmitir lo que sabe sobre perforación a los miembros de la empresa de ocho personas. "Había estado haciendo ese tipo de cosas durante toda mi carrera, pero no estaba tan bien organizado, sin la cantidad de pozos y los antecedentes que tiene Fred", dijo Rickard, y agregó: "Cuando duplicas el ROP en tres Bueno, hay mucho que decir al respecto".

Una prueba de tres pozos en el sitio FORGE de Utah mostró claramente que es posible perforar el doble de rápido a través del granito. Los gráficos incluidos en los informes de prueba ofrecen una visión más detallada de su rendimiento.

SPE 208798 Prácticas de perforación y flujos de trabajo para operaciones geotérmicas por Fred Dupriest y Sam Noynaert, Texas A&M University.

SPE 208777 Estandarización de ecuaciones mecánicas de energía específica y nomenclatura por Fred Dupriest, Texas A&M; Paul Pastusek, ExxonMobil Upstream Integrated Solutions Co.; Stephen Lai y Bob Best, Pason Systems et al.