¿Cuánta energía produce un pozo geotérmico?

La descarga

Todo el mundo está alerta y en silencio…

Una válvula empieza a abrirse y escuchas un ruido leve…

La válvula comienza a abrirse más y más rápido, el ruido se incrementa, el pozo descarga muchos gases!… la válvula se abre completamente y esperas que el pozo llegue al máximo en ese momento… Peeero…

¡De repente vuelve la tranquilidad!… Parece que solo se ha despresurizado… Como si se pinchara un neumático… Como si se hubiera muerto…

¿Qué pasó?… - Calma, calma, ya viene…-

Entonces escuchas un estruendo impresionante que te golpea el pecho… Imagínalo como un rayo cayendo “lentamente” y a lo lejos…

O como un cantante de metal haciendo una voz gutural muy grave con unos altavoces gigantes... Algo así 😂... Solo que en lugar de un cantante es la tierra misma…

Es el flujo del pozo pasando por las tuberías a gran velocidad y potencia y descargándose a la atmósfera.

Cuando lo vez por primera vez es impresionante… y cada vez que sucede de nuevo, lo vuelve a ser…

Cuando el flujo sale a superficie el ruido se vuelve más agudo y sí o sí debes tener protección auditiva. Aquí te dejo un video cortito para que tengas una mejor idea.

El vapor y agua fluyen por el pozo de varios cientos o miles de metros de profundidad. Provienen de un reservorio a alta presión y temperatura, con mucha energía almacenada a lo largo de miles de años.

¿Pero cuánta energía entregan? y ¿Cómo se mide?

La energía de la tierra

Esto se puede extender tanto como queramos… Pero voy a ser breve (eso espero)…

Y como esto se puede ramificar un montón, vamos a hablar de los pozos geotérmicos de alta energía que tienen una fase de vapor y una de agua. Es decir pozos de campos geotérmicos de líquido dominante. Que son la mayoría de los campos en Latinoamérica.

Estos pozos pueden fluir a la superficie por sí mismos o con un poco de ayuda en un principio.

¿Cómo se mide?

El problema en este tipo de medición es el flujo en dos fases que sale del pozo (flujo bifásico), vapor y agua. ¿Cómo se miden simultáneamente? Hoy por hoy hay limitaciones tecnológicas para hacer una “medición directa“.

Una forma de solucionarlo es separar las fases y medir vapor y agua independientemente, pero este método tiene algunas limitantes, como el tamaño de los equipo y los costos.

Esto impacta sobre todo en campos geotérmicos en fases tempranas, cuando se está probando el potencial del campo.

Pero conocer cuánta energía entrega un pozo es de gran importancia técnica, para la toma de decisiones de diseño, estrategia de desarrollo del campo y financiación.

Así que normalmente se opta por un usar el “Método Russel James“

Es un método empírico que permite medir el potencial energético de un pozo geotérmico a diferentes presiones de cabezal y a costos reducidos…

El método requiere de algunas constantes empíricas y otros datos, como el diámetro de la descarga. Esto puede ser “preconfigurado“ antes de la prueba, y durante la prueba solo introducir 3 variables importantes:

• La presión de cabezal, que se hace variar con una válvula.

• La presión de labio o crítica. Esta es una presión tomada justo en la salida de la tubería de descarga del pozo a la atmósfera.

• El flujo de agua. Normalmente se usa un vertedero, se mide el nivel y se calcula el flujo de agua.

Te dejo un esquema, se entiende mejor así…

El procedimiento - La Prueba de Producción

El esquema muestra una idea de cómo se hace una prueba de producción.

El pozo se deriva al “silenciador” de torres gemelas por una tubería. En el silenciador las fases de vapor y líquido se separan, el vapor fluye a la atmósfera y el agua a un vertedero para medir su flujo, el agua después debe colectarse en una pileta y/o reinyectarse…

Al inicio se apertura completamente la válvula V1, normalmente conocida como válvula maestra, también la válvula V2 debe estar completamente abierta. La válvula V3 debe estar cerrada.

Con el pozo completamente derivado al “silenciador“, se monitorean las presión de cabezal, abreviado como WHP, la presión de labio, o presión crítica Pc y el nivel en vertedero Nv, y como todo ingeniero tengo la tabla para vertederos cuadrados y triangulares de color verde, rojo y amarillo, para “convertir” el nivel a flujo 😁.

Dependiendo del campo se registran datos cada 5 o 10 minutos, aunque si se tienen equipos electrónicos se pueden hacer cada segundo si se quiere.

Cuando tenemos una condición estable de presiones y el flujo empezamos a cerrar la válvula V2. La referencia suele ser la longitud del vástago de la válvula V2, esta suele ser una válvula de compuerta.

Lo primero que notamos es un incremento en la presión de cabezal WHP, una reducción en la Pc y en el nivel en vertedero. Después de esta perturbación volvemos a esperar suficiente tiempo para que los parámetros que monitoreamos se estabilicen. Esto puede tardar desde 20 minutos hasta 3 horas, depende de cada pozo. Ahora sí, podemos registrar estos datos como válidos.

Repetimos el proceso, provocamos un estrangulamiento, esperamos, tomados datos estabilizados (aunque el monitoreo de los parámetros es constante)

Al finalizar la prueba tomamos un último punto de WHP, en el que justo se cierra la válvula V2. Esta es la máxima presión de cierre.

Los resultados

Al final terminamos con una tabla de datos que debemos procesar usando las ecuaciones empíricas. En las referencias te dejo algunos enlaces por si quieres profundizar.

Estos resultados de flujo y presión pueden graficarse. En general las gráficas tienden a ser como las curvas de una bomba centrífuga, otras tienen un comportamiento extraño. Te dejo la más “típica”

Como vemos, en tanto más alta es la presión de cabezal menos flujo entrega el pozo en ambas fases, y viceversa. A la relación entre el flujo de vapor entregado y el flujo total (ambos másicos) se le conoce como “calidad“, claramente se apunta a pozos con mayor calidad…

Con esta información, podemos estimar la potencia que puede entregar un pozo. Con el vapor, podemos asumir que se expandirá en la turbina desde una “presión alta“, hasta una “presión baja”.

La presión alta es la presión de entrada a la turbina más las perdidas en tubería (este valor puede ser asumido en un inicio). Este salto de presión provoca un salto entálpico que multiplicado por el flujo de vapor nos da una potencia.

Por ejemplo…

Si tenemos un flujo de 10 kg/s a una presión de entrada de 4.5 barg y salida a 0.1 barg, nos estaría generando unos 4 MW.

El mismo flujo 10 kg/s de vapor, pero a 8 barg nos estaría dando 5 MW.

Así que la presión de entrada a la turbina que marca ese punto operativo en el pozo es muy importante para optimizar el proceso…

Los pozos pueden entregar potencias muy variables, que pueden ser desde menos de 1MW hasta 12MW, incluso más…

Imagina 5MW… operando el 90% del tiempo, durante un año, a un precio por MWh de $100…

Estamos hablando de unos ingresos de más o menos $3.9 millones…

Y con el agua, pues dependerá de la tecnología que se use para extraer el calor, ya sea un “doble flasheo” o una planta de ciclo binario, o alguna otra forma, pero es de recordar que la energía almacenada en el agua es mucho menor que la del vapor, una cuarta parte, más o menos.

¿Qué pasa cuando se tienen varios pozos conectados?

Aquí ya se puso interesante… porque cada pozo tiene características particulares de presión y flujo, todas las curvas son distintas. Pero si todos van a alimentar a la misma turbina, deberían tener presiones de cabezal similares, o no?…

En este sentido no podemos decir: vamos a hacer que todos los pozos produzcan al máximo, no podrían, porque todo el sistema al equilibrarse, provocaría que cada pozo tuviera puntos operativos diferentes y rara vez van a coincidir con su potencia máxima…

Algo así como si en un sistema de bombeo tuvieramos bombas con diferentes capacidades, con curvas completamente distintas y separados en sitios con distintas alturas.

Sus puntos operativos probablemente no coincidan con el de máxima eficiencia… Pero con las bombas al menos se pueden seleccionar en función del comportamiento… Pero los pozos no… “ya nacen así“…

Lo que se hace es un proceso de optimización desde la presión de entrada a la turbina se modela “hacia arriba“ el comportamiento del fluído en las tuberías hasta llegar a conectar con el pozo, del que también conocemos su curva.

Dependiendo de las premisas se hacen varios escenarios. Las premisas deberían tomar en cuenta el flujo extraído y la sostenibilidad del recurso.

Este equilibrio es delicado porque quizás se quiera extraer la máxima cantidad para tener la máxima generación y recuperar la inversión, pero podría implicar la sobreexplotación del campo…

Y al final… ¿qué se hace de todo ese flujo que se extrajo del pozo?

Bueno… la reinyección es otra historia…

Es otro pequeño mundo que suele más complejo de lo que parece…

Eso lo dejamos para otro día…

Recursos

• Este documento explica cómo funciona el método por Rusell James

• Y en este otro lo aplican en un campo geotérmico

• Este documento compara dos método para una prueba de producción

• Y aquí están las tablas para vertederos de color rojo, verde y amarillo… ajajajaja, no no tanto así, pero quizás te pueda servir.

¿Llegaste hasta aquí?

Debo reconocértelo, y espero que hayás aprendido algo nuevo.

Si crees que esto le puede servir a alguien más, compartelo.

Si tienes alguna duda, si hay algo que no lo he dejado muy claro, o hay algún tema del que te gustaría que habláramos, puedes responder este correo y hacérmelo saber.

Sin más, me despido.

Que tengas una excelente semana!

Ricardo.