Aprovechar el calor de la roca supercaliente: el enfoque de Mazama Energy

UtilizarCaptación de calor de un yacimiento de roca supercaliente de fractura hidráulica mediante pozos geotérmicos perforados horizontalmente (fuente: Mazama Energy) el calor de la roca supercaliente: el enfoque de Mazama Energy

Oscar Llamosa Ardila 23 Jul 2024

En 2024, las empresas de servicios públicos estadounidenses casi duplicaron sus pronósticos sobre cuánta energía adicional necesitarán para 2028, impulsadas principalmente por la demanda de un número cada vez mayor de centros de datos. Para 2050, se estima que Estados Unidos necesitará entre 700 y 900 GW adicionales de capacidad firme limpia para respaldar el aumento de la demanda. Para satisfacer responsablemente esta creciente demanda, se deben desarrollar nuevas fuentes de energía limpia y escalables.

Un recurso prometedor son las rocas supercalientes (SHR, > 374°C), que son enormes y contienen 100 veces la energía de todas las reservas conocidas de combustibles fósiles. El objetivo de Mazama Energy es recolectar calor de SHR para generar energía de carga base a escala de servicios públicos y libre de carbono.

Mazama Energy™ tiene la intención de crear sistemas geotérmicos mejorados (EGS) duraderos en SHR para hacer circular agua entre pozos horizontales y maximizar la extracción de calor. Al extraer calor con agua por encima de 374°C en el yacimiento (supercrítico), los pozos de Mazama Energy pueden generar una densidad de energía entre 5 y 7 veces mayor que los sistemas geotérmicos equivalentes a 200°C. La alta densidad térmica de SHR EGS también reducirá el uso de agua en un 75 % en comparación con los proyectos de EGS existentes.

Mazama Energy se ha centrado en avances en tres áreas tecnológicas clave para desarrollar recursos SHR de manera confiable y a un costo razonable:

1. Ingeniería y construcción de pozos para garantizar una larga vida útil de los pozos SHR;
2. Perforación de pozos horizontales o casi horizontales para aumentar el contacto con la formación SHR; y
3. Creación de rutas de flujo estimuladas, duraderas y de alta capacidad en SHR para conectar los pozos inyectores y productores.

Mazama MUSE™ (Energía supercaliente modular no convencional)

MUSE™ de Mazama es la síntesis de avances operativos y de ingeniería para reducir el costo de la electricidad. Las innovaciones incluyen un enfoque patentado para perforar y guiar pozos horizontales en SHR, novedosas técnicas de estimulación para crear grandes yacimientos de EGS y estrategias avanzadas de recolección de calor para maximizar la energía. Las proyecciones de desempeño de MUSE indican que los proyectos de energía se pueden desarrollar a costos inferiores a $50 por MWh.

Perforación de roca supercaliente (SHR)

En el transcurso de un programa de tres pozos, el equipo de perforación de FORGE de Utah redujo los tiempos de perforación de los pozos a más de la mitad, con aumentos instantáneos de la ROP de más del 500 % en la zona productiva de granito grueso. Al mismo tiempo, el metraje grabado por bit aumentó más del 200%. Aprovechar estos avances para perforar pozos horizontales en SHR es una consideración clave en el programa de desarrollo de tecnología de perforación de Mazama Energy.

En la Conferencia Geotérmica de Islandia de 2024, Tony Pink (asesor de perforación) y Suri Suryanarayana (jefe de tecnologías de pozos) presentaron un análisis de brechas que destaca la tecnología necesaria para perforar, encajonar y cementar pozos geotérmicos SHR. Su evaluación fue que perforar pozos en SHR no requiere un avance científico, sino más bien una planificación sólida, extensas iteraciones de ingeniería y la determinación de continuar con la perforación. Las herramientas de control direccional actuales para perforar pozos horizontales no están clasificadas para temperaturas SHR, por lo que debemos crear el entorno para que funcionen.

Sin embargo, Mazama Energy está desarrollando actualmente un novedoso sistema de perforación que permita el uso de herramientas de perforación direccional existentes en condiciones SHR. Este avance utiliza CO2 supercrítico (sCO2) como fluido de perforación y aprovecha las técnicas de perforación a presión administrada (MPD) a partir de petróleo y gas para generar caídas de temperatura significativas en todo el conjunto del fondo del pozo. Combinando la perforación con sCO2, que puede permitir herramientas de perforación direccional disponibles en el mercado, con los avances en perforación realizados en Utah FORGE y otros sitios geotérmicos, los pozos horizontales en SHR serán mucho más baratos y confiables.

Thermal Lattice™ – Creación de yacimientos

Thermal Lattice™ es la innovación de Mazama Energy para diseñar yacimientos geotérmicos duraderos y de alta capacidad. Uno de los mayores desafíos a la hora de aprovechar el calor del subsuelo es lograr rutas de transferencia de fluidos entre el inyector y el productor que permitan una comunicación significativa.

En la mayoría de los sistemas hidrotermales donde hay permeabilidad nativa, la conexión del inyector a los pozos productores se puede establecer más fácilmente. En entornos profundos, SHR, donde las permeabilidades de la roca huésped son mínimas, la conexión entre los pozos se produce a través de vías creadas sintéticamente y sistemas de fractura naturales.

El enfoque de Mazama Energy implica una aplicación híbrida de varias técnicas para mejorar significativamente el volumen de roca estimulada. Una vez completado el trabajo teórico y avanzando bien las pruebas experimentales en los laboratorios, la creación de un depósito de EGS sostenible en SHR ahora parece factible. Aprovechar los conceptos de mecánica de rocas, las experiencias pasadas en pozos HPHT y diversos enfoques tecnológicos de diagnóstico ayudarán a allanar el camino para maximizar la exposición a la temperatura de un futuro pozo SHR mientras se utiliza una cantidad mínima de fluido. En las próximas aplicaciones de campo de Mazama Energy, se probarán varios componentes para lograr conexiones efectivas entre pozos, incluidos apuntaladores y materiales de alta temperatura.

Thermal Lattice™ no es solo un proceso, sino una convergencia entre la aplicación y las necesidades únicas de SHR. Mazama Energy está colaborando con varios laboratorios nacionales para comprender el comportamiento de los materiales utilizados en la estimulación y la mecánica de las rocas en condiciones SHR. Además, varios socios de la industria están colaborando para acelerar los avances tecnológicos en apuntalantes, herramientas de terminación y fluidos para hacer realidad Thermal Lattice™.

Heat Harvester ™: predicción, modelado y optimización de la dinámica de conversión de calor a energía

Para predecir el desempeño de los pozos SHR EGS, Mazama ha desarrollado un modelo de Gestión Integrada de Activos (IAM). Heat Harvester™ fue desarrollado para representar el ciclo completo del sistema, incluidos los pozos de inyección, la extracción de calor de roca supercaliente estimulada, los pozos de producción y la generación eléctrica.

Este marco patentado se basa en la física fundamental de la transferencia de calor y masa, que abarca la conducción, la convección y la advección para la extracción de calor de SHR. Heat Harvester utiliza equilibrios transitorios de presión y entalpía resueltos a través de un modelo celular finito. En las celdas del modelo, el agua se mueve:

1. hacia el subsuelo con los pozos de inyección,
2. a través de la red térmica diseñada para el máximo contacto con la roca,
3. traída a la superficie por pozos de producción
4. a través de turbinas de vapor para generación eléctrica, y
5. finalmente se recicla de nuevo con los pozos de inyección.

El modelo puede determinar cómo operar todo el proyecto SHR EGS de manera integrada para lograr y sostener mejor un objetivo de generación de energía eléctrica específico. Heat Harvester™ aborda los desafíos de modelado de agua por encima de 374 °C, donde se vuelve supercrítica y sus propiedades termofísicas cambian dramáticamente. La fase supercrítica afecta las características de presión y temperatura de un pozo de producción de manera diferente en comparación con los sistemas geotérmicos convencionales. Heat Harvester™ permite a Mazama Energy simular y optimizar los parámetros, configuraciones de pozos y estrategias de desarrollo de Thermal Lattice™ para facilitar la planificación teniendo en cuenta el valor económico.

El proyecto piloto de Newberry

La geotermia SHR es una de las oportunidades más prometedoras para que el mundo cree una nueva fuente de energía baja en carbono. Se necesitará innovación, ingenio y una fuerte colaboración entre industrias para que esto se haga realidad.

Para avanzar en la ciencia necesaria para operar en condiciones de SHR y demostrar el inmenso potencial de SHR, el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha seleccionado a Mazama Energy para demostrar el primer piloto de SHR EGS de su tipo en Newberry, Oregon, una Sitio totalmente permitido para pruebas de tecnología. MUSE™ tiene el potencial de convertirse en la fuente de energía libre de carbono, de menor costo y a escala de teravatios. La visión de Mazama Energy es catalizar una transición energética equitativa proporcionando esta energía limpia, confiable y asequible para la mayoría de la población mundial.

Fuente de referencia vía nuestra plataforma global ThinkGeoEnergy