Sandia publica un compendio sobre el rendimiento de las brocas geotérmicas del proyecto FORGE

Melanie Schneider, ingeniera mecánica de Sandia National Laboratories, sostiene una broca compacta de diamante policristalino. A pesar de décadas de investigación en Sandia y en otros lugares, recién hace poco que estas brocas se han vuelto viables para la perforación de pozos geotérmicos. (Fuente: Craig Fritz / Sandia National Laboratories)

Oscar Llamosa Ardila 10 Dec 2024

Sandia National Laboratories (SNL) ha publicado un informe detallado y un compendio del rendimiento de las brocas basadas en la perforación de cuatro pozos geotérmicos como parte del proyecto Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy (FORGE) en el suroeste de Utah. Los resultados del estudio, conocidos colectivamente como “Análisis de datos de parámetros de plataformas de perforación utilizando restricciones de modelado de procesos de perforación”, se resumen en los siguientes artículos:

Volumen 1: Resumen de los pozos FORGE de Utah 16A(78)-32, 56-32, 78B-32 y 16B(78)-32 (https://doi.org/10.2172/2462933)
Volumen 3: Pozo FORGE de Utah 56-32 (https://doi.org/10.2172/2462932)
Volumen 4: Pozo FORGE de Utah 78B-32 (https://doi.org/10.2172/2462931)
Volumen 5: Pozo FORGE de Utah 16B(78)-32 (https://doi.org/10.2172/2462930)

El análisis realizado por SNL sobre los registros de perforación del proyecto FORGE tiene como objetivo proporcionar cierto nivel de orientación sobre la selección de la broca adecuada para la perforación de pozos geotérmicos, en función de la ubicación y la profundidad, para reducir los costos de perforación.

“En el sitio FORGE, se perforaron varios pozos a profundidades de aproximadamente 10.000 pies, y se perforaron en gran parte con brocas compactas de diamante policristalino”, dijo David Raymond, ingeniero mecánico de Sandia y líder del análisis. “Esta es una de las mayores aplicaciones de brocas de diamante para la perforación geotérmica en sus 40 años de historia. Producimos un compendio de todas las brocas utilizadas y su rendimiento”.

El proyecto FORGE de Utah, financiado por el Departamento de Energía de EE. UU., es un laboratorio de campo subterráneo dedicado al desarrollo, prueba y aceleración de avances en tecnologías de sistemas geotérmicos mejorados para promover la captación de recursos geotérmicos en todo el mundo. A principios de este año, el equipo FORGE anunció resultados exitosos de pruebas de circulación a largo plazo, lo que indica una buena conectividad a través del yacimiento geotérmico estimulado.

El equipo de investigación de Sandia, dirigido por Raymond y con la ingeniera mecánica Melanie Schneider, analizó los datos de las plataformas de perforación de los cuatro pozos perforados en el sitio FORGE, observando los datos de respuesta y las fotos posteriores a la operación de cada broca compacta de diamante policristalino. Las brocas compactas de diamante policristalino han demostrado ser más rentables que las brocas de rodillos para la perforación de petróleo y gas. Este compendio podría ayudar a hacer lo mismo para la perforación geotérmica.

Análisis para mejores brocas

Se perforaron cuatro pozos para inyección, producción y monitoreo en el sitio FORGE, principalmente utilizando brocas compactas de diamante policristalino. Estas brocas utilizan la resistencia de los diamantes fabricados en laboratorio en forma de cortadores en forma de disco. Muchos de estos cortadores están incrustados en la broca en una disposición específica diseñada para cortar mejor la roca. Los diamantes industriales en estas brocas son diminutos, cultivados en un laboratorio para mayor resistencia en lugar de estética.

Para evaluar el rendimiento de la broca, el equipo de Sandia recopiló datos sobre cuatro parámetros clave: la fuerza aplicada a la broca por la plataforma, la velocidad de rotación establecida por los operadores, la velocidad de perforación y la potencia necesaria para alcanzar esa velocidad, e introdujeron esos números en un modelo informático. Utilizaron el algoritmo para modelar la interacción entre la broca y la roca, comparándola con la respuesta de un único cortador de diamante estandarizado.

El equipo también tuvo en cuenta los costos de perforación, analizando el equilibrio entre la velocidad de perforación y la distancia perforada y cómo esto influye en el costo por pie perforado por cada broca. Uno de los principales costos en la perforación de pozos geotérmicos es el gasto diario de alquiler de una plataforma de perforación, dijo Raymond. Sin embargo, Schneidier enfatizó que esto no significa que perforar más rápido sea siempre la solución más rentable. Dependiendo de la profundidad ya perforada y el tiempo que se tarde en hacer llegar una broca nueva al fondo del pozo, un enfoque más lento y constante puede ser más rentable, agregó Raymond.

“Un gran costo es realmente el tiempo que lleva entrar y salir del pozo cuando se está a profundidad”, dijo Schneider. “Una conclusión clave de nuestro informe es que no se trata necesariamente de ir rápido o con más fuerza; se trata de tratar de extender la vida útil de la broca y aprovechar al máximo cada una. Ya estamos viendo una gran mejora en el rendimiento de la perforación a lo largo de los cuatro pozos en FORGE”.

Una historia de trabajo con brocas de diamante

La historia de las brocas de diamante está estrechamente relacionada con los Laboratorios Nacionales Sandia. A principios de los años 80, cuando se empezó a fabricar diamantes sintéticos, el Departamento de Energía de los EE. UU. patrocinó una investigación en Sandia para desarrollar brocas de diamante para perforar en sistemas geotérmicos.

Los investigadores de Sandia, dirigidos por David Glowka, probaron cortadores de diamante de varios fabricantes en el laboratorio, midiendo las fuerzas necesarias para raspar la roca en función del ángulo de corte y otros parámetros. Los datos de estos experimentos se introdujeron en un modelo informático que permitió la simulación de fuerzas en cualquier diseño de broca. Luego, este código se publicó y se proporcionó a las empresas de brocas para que informaran sobre el diseño de los cortadores de sus brocas, lo que fue fundamental para catalizar la industria.

Desde entonces, la industria del petróleo y el gas ha adoptado ampliamente el uso de brocas de diamante. Sin embargo, persistían desafíos en la perforación en sitios geotérmicos, como la alta temperatura y la roca dura que hacían que las brocas se desgastaran demasiado rápido. Sandia ha seguido perfeccionando las brocas de diamante para la perforación geotérmica a lo largo de los años, realizando modelos computacionales de vibraciones específicas en rocas duras y participando en pruebas de campo para mejorar el uso de las brocas de diamante en rocas extremadamente duras.

Raymond espera que este compendio del rendimiento de las brocas en el sitio FORGE ayude a los fabricantes de brocas a diseñar brocas con un rendimiento aún mejor y ayude a los perforadores de pozos geotérmicos a seleccionar las mejores brocas para sus condiciones. Ambos deberían ayudar a reducir los costos iniciales de las plantas de energía geotérmica que producen electricidad limpia y constante.

“Ha sido un largo camino llegar a este punto en el que las brocas compactas de diamante policristalino son una solución viable para la perforación geotérmica”, dijo Raymond. “No es intuitivamente obvio cómo se deben colocar los cortadores a lo largo de la broca para equilibrar la velocidad y la vida útil, pero eso es lo que nuestro análisis ha logrado. Aquí hay una increíble cantidad de información sobre lo que funcionó y lo que no funcionó en estas brocas de diamante sintético”.

Fuente de referencia vía nuestra plataforma global ThinkGeoEnergy / Sandia National Laboratories