Geomecánica: el pilar de la energía geotérmica
"Geomechanics: The backbone of geothermal energy" - a guest article by TEVERRA
Oscar Llamosa Ardila
4 Feb 2025
El estudio de la geomecánica juega un papel crucial aunque poco apreciado en la energía geotérmica, desde la estabilidad del pozo hasta la efectividad de la estimulación hidráulica.
La geomecánica, el estudio del comportamiento mecánico de las rocas y los suelos, desempeña un papel crucial en el desarrollo y la operación de sistemas de energía geotérmica, en particular en los proyectos de sistemas geotérmicos mejorados (EGS) y rocas supercalientes (SHR). Al comprender el estado de tensión, la resistencia de la roca y el comportamiento del flujo de fluidos en el subsuelo, la geomecánica ayuda a optimizar el diseño de pozos, la fracturación hidráulica y la gestión de yacimientos (Liu et al., 2022).
Si bien esto se entiende conceptualmente, todavía existe cierta confusión sobre cuán valiosos y extensos pueden ser los estudios de geomecánica dentro de la industria geotérmica. En el peor de los casos, la falta de un modelo geomecánico o un modelo incorrecto podría provocar un tratamiento inadecuado del pozo y la pérdida del mismo; en el mejor de los casos, un modelo geomecánico adecuado puede conducir a una planta de energía geotérmica exitosa, optimizada y rentable.
Este artículo invitado escrito por TEVERRA destaca las aplicaciones clave de la geomecánica en la industria geotérmica, incluida la estabilidad de pozos, la fracturación hidráulica, los desafíos específicos de los sistemas geotérmicos de roca supercaliente (SHR), el diseño de revestimientos, la selección de apuntalantes y el análisis de tensiones térmicas.
Estabilidad de pozos
La estabilidad de pozos es vital para desarrollar y operar con éxito proyectos de energía geotérmica, en particular en entornos de alta temperatura y alta presión. Las temperaturas extremas, las altas presiones de fluidos y las tensiones térmicas pueden afectar significativamente la integridad del pozo.
El análisis geomecánico es esencial para predecir y mitigar posibles problemas de estabilidad, incluido el colapso del pozo, la ampliación del pozo y la pérdida de circulación, para garantizar la viabilidad a largo plazo de los pozos geotérmicos. Al optimizar el diseño del fluido de perforación, el revestimiento, los programas de cementación y las estrategias de terminación de pozos, los ingenieros pueden mejorar la estabilidad del pozo y maximizar los beneficios económicos y ambientales de la energía geotérmica (Madyarov et al., 2021).
La figura anterior muestra un ejemplo de los resultados del modelo de simulación de estabilidad de pozos: distribuciones de la tensión principal máxima (izquierda) y mínima (derecha) alrededor del pozo con presión hidrostática en el pozo.
Fracturación hidráulica
La fracturación hidráulica, una técnica bien establecida en la industria del petróleo y el gas, se ha adaptado para su uso en la industria geotérmica para mejorar la permeabilidad del yacimiento y mejorar la extracción de energía. Al inyectar fluido a alta presión en la formación del subsuelo, la fracturación hidráulica crea redes de fracturas complejas que facilitan el flujo de fluidos geotérmicos al pozo de producción y la extracción eficiente de calor del yacimiento.
Sin embargo, los 20 años de experiencia en fracturación hidráulica en la industria del petróleo y el gas muestran que no todos los diseños de fracturación hidráulica son exitosos. El modelado geomecánico es crucial para optimizar las operaciones de fracturación hidráulica al predecir la propagación de fracturas, minimizar la sismicidad inducida y maximizar la productividad del yacimiento. La consideración cuidadosa de factores como las propiedades de la roca, el estado de tensión in situ y los parámetros de inyección de fluidos es esencial para garantizar el éxito de los tratamientos de fracturación hidráulica en yacimientos geotérmicos (Porlles y Jabbari, 2022).
Sistemas geotérmicos de roca supercaliente (SHR)
Los sistemas geotérmicos de roca supercaliente (SHR) ofrecen una vía prometedora para aprovechar grandes cantidades de energía geotérmica de formaciones rocosas profundas y de alta temperatura (Houde et al., 2021). Estos sistemas implican la perforación de pozos profundos en la corteza terrestre para acceder a la roca caliente, fracturada para crear un yacimiento. Se inyecta agua en las fracturas para extraer calor, que luego se utiliza para generar electricidad.
Si bien existen oportunidades significativas, las condiciones extremas de temperatura y presión asociadas con los sistemas SHR plantean desafíos técnicos importantes, incluida la estabilidad del pozo, la sismicidad inducida y la corrosión. Las tecnologías de perforación avanzadas, las técnicas de fracturación hidráulica y el diseño robusto de los pozos son esenciales para superar estos desafíos, muchos de los cuales no se pueden probar hasta que comience la perforación SHR.
Al comprender las propiedades geomecánicas de las formaciones rocosas y simular la perforación y la terminación de pozos en condiciones de SHR, la industria puede avanzar hacia la optimización del diseño y el funcionamiento de los sistemas SHR. Una vez que tengan éxito, los sistemas SHR liberarán el enorme potencial de esta fuente de energía limpia y sostenible (Cladouhos y Callahan, 2024).
La figura anterior muestra un modelo numérico geomecánico (geometría y malla) realizado para probar la estabilidad de un pozo hipotético de roca supercaliente.
Selección de apuntalante
La selección de apuntalante en la industria geotérmica implica elegir materiales sólidos y granulares bombeados a fracturas hidráulicas para mantener su permeabilidad y mejorar el flujo de fluidos.
A diferencia de las aplicaciones convencionales de petróleo y gas, los yacimientos geotérmicos a menudo experimentan temperaturas y presiones más altas y exposición a fluidos corrosivos. Estas condiciones de operación son incompatibles con muchos apuntalantes de la industria del petróleo y el gas; por lo tanto, los apuntalantes deben seleccionarse cuidadosamente para soportar estas duras condiciones y mantener su integridad a lo largo del tiempo.
Los factores clave a considerar en la selección de apuntalante incluyen el análisis de laboratorio de apuntalante mediante pruebas de trituración geomecánica, la distribución del tamaño de partícula, la resistencia, la estabilidad térmica, la resistencia química y la rentabilidad. Al optimizar la selección y la colocación de apuntalantes, los ingenieros pueden mejorar el rendimiento de los yacimientos geotérmicos y maximizar la extracción de energía (Liu et al., 2023).
Análisis de tensión térmica
El análisis de tensión térmica en la industria geotérmica implica evaluar el impacto de los gradientes de temperatura en el comportamiento mecánico de las formaciones rocosas y los componentes del pozo. Las diferencias de alta temperatura entre la roca caliente del yacimiento y el fluido de perforación más frío o el agua inyectada pueden inducir tensiones térmicas significativas, lo que genera posibles problemas como inestabilidad del pozo, fractura de la roca y reducción de la productividad del yacimiento.
Las técnicas de modelado geomecánico, incluido el análisis de elementos finitos (FEA), simulan la distribución de la tensión térmica y evalúan su impacto en la integridad del pozo y el rendimiento del yacimiento. Al comprender el régimen de tensión térmica, los ingenieros pueden optimizar el diseño del pozo, la selección de la tubería de revestimiento y las estrategias de producción para mitigar los riesgos asociados con la expansión y contracción térmica (Zhou et al., 2022). La geomecánica nos ayuda a comprender los patrones de grietas del modelo numérico que se muestran en la siguiente figura.
El futuro de la geomecánica en la energía geotérmica
El uso y la aplicación futuros de la geomecánica en la energía geotérmica podrían liberar un inmenso potencial de recursos, con avances tecnológicos y un énfasis creciente en las fuentes de energía sostenibles. Al integrar técnicas avanzadas de modelado numérico, aprendizaje automático y monitoreo en tiempo real, la geomecánica será crucial para optimizar el diseño de pozos, mejorar la eficiencia de la perforación y aumentar la productividad de los yacimientos.
A medida que la industria continúa explorando nuevos enfoques de extracción de energía, como los sistemas geotérmicos mejorados (EGS) y las tecnologías de rocas supercalientes (SHR), la geomecánica será esencial para abordar desafíos complejos relacionados con la estabilidad de los pozos, la fracturación hidráulica y la gestión de yacimientos (Jia et al., 2022).
Al comprender la intrincada interacción entre los procesos geológicos, mecánicos y térmicos, la geomecánica allanará el camino para el desarrollo y la utilización sostenibles de la energía geotérmica.
Referencias
Cladouhos, T. T. y Callahan, O. A. (2024). Extracción de calor de rocas supercalientes: desarrollo de tecnología.
Houde, M., Woskov, P., Lee, J. y Oglesby, K. (2021). Desbloqueo de recursos de rocas supercalientes profundas mediante tecnología de perforación con ondas milimétricas. GRC Transactions, 45.
Jia, Y., Tsang, C.-F., Hammar, A. y Niemi, A. (2022). Estrategias de estimulación hidráulica en sistemas geotérmicos mejorados (EGS): una revisión. Geomecánica y geofísica para geoenergía y georecursos, 8(6), 211. https://doi.org/10.1007/s40948-022-00516-w
Liu, S., Balushi, F. y Dahi, A. (2023). Agentes de soporte conductores para mejorar la extracción de calor. 48.° Taller sobre ingeniería de yacimientos geotérmicos.
Madyarov, A., Porlles, J., Batir, J. y Soroush, H. (2021). Modelo de estabilidad de pozo para un pozo de inyección en roca supercaliente perforado con CO2 de MMW. La innovación es nuestra pasión. www.petrolern.com
Porlles, J. W. y Jabbari, H. (26 de junio de 2022). Modelado económico basado en simulación de fracturación hidráulica para sistemas geotérmicos mejorados. Todos los días. https://doi.org/10.56952/ARMA-2022-2326
Zhou, Z., Mikada, H., Takekawa, J. y Xu, S. (2022). Simulación numérica de fracturación hidráulica en sistemas geotérmicos mejorados considerando grietas por tensión térmica. Geofísica pura y aplicada, 179(5), 1775–1804. https://doi.org/10.1007/s00024-022-02996-z
Fuente de referencia vía nuestra plataforma global ThinkGeoEnergy.
