Métodos de Evaluación Inicial de Yacimientos Geotérmicos

¿Qué es un Método de Evaluación Inicial?

Modelo Matemático Simplificado que es capaz de dar una estimación preliminar de la potencia del yacimiento con información de exploración mínima, ayudando a disminuir el riesgo de inversión inicial en un proyecto geotérmico.

Inversión vs Riesgo

Metodologías para la Evaluación Preliminar de un Campo Geotérmico

Existen métodos sencillos ampliamente utilizados que representan una aproximación real al potencial geotérmico.

Si se requiere una estimación mas detallada es imprescindible recurrir a estudios detallados de la geología, geofísica, geohidrología y termodinámica que retroalimenten los métodos.

USGS - HEAT IN PLACE

Es un método volumétrico publicado por el U.S. Geological Survey (USGSC790) basado en el cálculo del calor almacenado.

Actualizado en el 2005, (DiPiPPo).

Evalúa la cantidad de calor recuperable, determinando el calor disponible en el yacimiento y suponiendo que el fluido geotérmico es llevado a superficie con un factor de recuperación térmica.

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Energías Alternas, Estudios y Proyectos, S.A. de C.V. México, D.F. ® Derechos Reservados

Parámetros necesarios para la estimación:

Grupo 1:

Area (km2)

Espesor (m)

Temperatura del Yacimiento (°C)

Factor de Recuperación Térmica(%)

Porosidad (%)

Grupo 2:

Capacidad calorífica Volumétrica (kJ/m3-K)

Temperatura de Referencia (°C)

Eficiencia de utilización (%)

Vida del Proyecto (años)

Factor de Planta (%)

El segundo grupo son parámetros que no cambian sustancialmente de un proyecto a otro, por lo que se pueden considerar valores típicos.

Los parámetros del primer grupo dependen de las características propias de cada sistema geotérmico.

Metodología inicial que se utiliza en una primera etapa de evaluación, cuando se carece de información detallada de la zona a estudiar y se desconocen algunos de los valores necesarios para realizar la estimación del potencial.

El criterio para estimar las características del sistema geotérmico es suponer los valores faltantes, mediante la literatura (grupo 1) y/o a través de valores típicos (Grupo 2).

Realizando campañas de exploración (geofísica, geoquímica, geología) y/o información de pozos perforados.

Se pueden realizar distintos tipos de estimaciones:

• Positivas (utilizando los valores máximos)

• Negativas (utilizando los valores mínimos)

• Esperadas (utilizando los valores medios)

Grupo 1• Área En la circular 790 del USGS se recomienda utilizar un área mínima de 1 km2 y una máxima de 3 km2, asumiendo

un área esperada de 2 km2. Brook et al. (1978).

• Espesor De igual forma, el USGS sugiere un espesor mínimo de 0.5 km, máximo de 2.0 km, y esperado de 1.5 km. • Temperatura Será estimada y seleccionada a partir de geotermometría de aniones y cationes (manifestaciones

superficiales).

• Factor de Recuperación TérmicaEste factor resume las limitaciones físicas y tecnológicas que impiden extraer toda la energía térmica

almacenada en el reservorio.

• PorosidadPorosidad mínima de 3.0% y máxima de 7.0% son utilizadas usualmente.

Circular 790 (USGS) 0.25

Muffler en 1979 0 - 0.5

Lovekin, 2004; Williams, 2004,2007 0.05 - 0.2

Grupo 2• Temperatura de Referencia Puede ser el promedio anual de la temperatura ambiente en superficie (en US, 15°C, Circular 790) o la

temperatura típica del condensador (~40 °C) • Capacidad calorífica volumétrica de la Roca (densidad de la roca* capacidad calorífica de la roca)

Un valor promedio usual es de 2,613 kJ/m3°C, basado en la capacidad calorífica de la roca a 177°C y una densidad promedio de 2700 kg/m3. En la Circular 790 se utiliza un valor de 2,700 kJ/m3°C

• Vida del Proyecto Todos los casos (generalmente) asumen una vida de 30 años.

• Factor de Planta

Se utiliza 0.90, valor común en las plantas geotérmicas modernas con buenas prácticas de mantenimiento y operación.

ÁreaRevisando la información disponible de las campañas de geofísica ( MT y TEM) y geoquímica (manifestaciones superficiales); en caso de contar con información de pozos perforados.

EspesorEn caso de contar con pozos perforados y consecuentemente con registros de Temperatura.

Temperatura del yacimientoUtilizando la información de los geotermómetros o la temperatura medida directamente en los pozos (registros de temperatura). Siempre es bueno comparar los geotermómetros con los registros.

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

Na

1000Mg^0.5

10 K

6080

100120140160180

200220

240260

280300

320340 Partial Equilibration

Immature Waters

PorosidadUtilizando los resultados de los núcleos obtenidos durante la perforación o

suponiendo valores típicos de la zona.

Factor de Recuperación TérmicaBasado en los valores definidos en la literatura, conforme se vaya

conociendo mas del sitio se definirá el valor correcto.

Temperatura de ReferenciaPromedio de la temperatura anual medida en la región (estación

meteorológica).

Densidad de la RocaCon base en la litología de los pozos o considerando el valor probable

de 2.7 ton/m3

Calor Específico de la RocaPuede ser considerado como 0.9-1 kJ / kg ° C

USGS-Montecarlo

• Evalúa la función a estudiar (potencial geotérmico) con “n” escenarios diferentes, seleccionados de manera aleatoria, asignando al azar un valor a cada variable en su dominio de pertenencia; por lo tanto se tendrá un muestra aleatoria de los posibles resultados de la función Potencial geotérmico.

• Si se obtiene la media de la muestra se encontrará el valor más probable de ocurrir

*Tamaño de la muestra: 10,000 interaciones aleatorias

• Valores Mínimos, Valores Máximos, Valores Probables

Grupo 1:

Area (km2)

Espesor (m)

Temperatura del Yacimiento (°C)

Factor de Recuperación Térmica(%)

Grupo 2:

Capacidad calorífica Volumétrica (kJ/m3-K)

Temperatura de Referencia (°C)

Eficiencia de utilización (%)

Vida del Proyecto (años)

Factor de Planta (%)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

50

100

150

200

250Histograma

Potencia MW

Frec

uenc

ia

Método de Trabajo

1. Estudiar la metodología y entender la importancia del valor de cada parámetro.

2. Compilación de la información disponible, geología, geofísica, geoquímica y petrología.

3. Evaluación del Potencial, selección de la metodología(s).

4. Constante retroalimentación conforme se obtenga nueva información.

Definición de Parámetros necesarios para la estimación:

Área (km2) 5

Espesor (m) 1000

Temperatura del Yacimiento (°C) 250

Factor de Recuperación Térmica(%) 20

Porosidad (%) 5

Densidad (kg/m3) 2700

Capacidad calorífica de la roca (kJ/kg-K) 1

Temperatura de Referencia (°C) 40

Eficiencia de utilización (%) 40

Vida del Proyecto (años) 30

Factor de Planta (%) 90

Metodología (Excel)

Primero se determina el calor disponible en el sitio:

Donde q es el calor disponible, Ø la Porosidad, ρ la densidad, C el calor específico a presión constante

𝑞𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒=ρ𝐶

]

Datos conocidos:Porosidad

Densidad de la Roca

Calor específico de la roca

Temperatura del yacimiento

Datos desconocidos:Densidad del agua

Calor específico del agua

Datos conocidos:Porosidad

Densidad de la Roca

Calor específico de la roca

Temperatura del yacimiento

Datos desconocidos:Densidad del agua

(@Temperatura del Yacimiento)

Calor específico del agua(@Temperatura del Yacimiento)

posteriormente se evalúa la cantidad de calor que se puede recuperar del yacimiento (calor recuperable):

Donde V el volumen total del yacimiento, Ø la Porosidad, ρ la densidad, C el calor específico a presión constante y T la temperatura.

𝑞𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑏𝑙𝑒=ρ𝐶𝑉 (𝑇𝑅−𝑇 0)

Datos conocidos:Porosidad

Densidad de la RocaCalor específico de la roca

Temperatura del yacimientoDensidad del agua

Calor específico del aguaÁrea

EspesorTemperatura del yacimiento

Temperatura de referencia (ambiente)

Datos desconocidos:Volumen

suponiendo que el recurso geotérmico (totalmente en fase líquida) se lleva hasta la superficie con una cierta efectividad de recuperación, se calcula el calor Recuperable en la cabeza del pozo (qwh):

Donde qr es el calor recuperable, qwh el calor recuperable en el cabezal del pozo y Rg es el Factor de recuperación térmica

𝑅𝑔=𝑞𝑊𝐻𝑞𝑅

𝑞𝑊𝐻=𝑅𝑔∗𝑞𝑅

Datos conocidos:Calor Recuperable

Factor de Recuperación térmica (Rg)

Se prosigue con el cálculo de la masa extraíble:

Donde qwh es el calor disponible en el cabezal del pozo, hwh es la entalpía del fluido producido y h0 es la entalpía del fluido a la temperatura de referencia.

𝑞𝑊𝐻=𝑚𝑊𝐻 (h𝑊𝐻− h𝑜)

𝑚𝑊𝐻=𝑞𝑊𝐻 /(h𝑊𝐻− h𝑜)

¿Qué es entalpía?

•es la cantidad de energía que posee un kilogramo de una sustancia.

•Se expresa en kJ/kg

•la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno

•es la suma de la energía interna, energía que posee una sustancia debida al movimiento y posición de sus partículas a nivel atómico, y la energía mecánica asociada a la presión.

Datos conocidos:

Calor Recuperable en la cabeza del pozo

Datos desconocidos:

Entalpía del fluido del yacimiento

Entalpía de referencia

Datos conocidos:

Calor Recuperable en la cabeza del pozo

Datos desconocidos:

Entalpía del fluido del yacimiento(@temperatura del yacimiento)

Entalpía de referencia(@temperatura de referencia)

Exergía:

Donde mWh es la masa extraíble, hwh es la entalpía del fluido producido, h0 es la entalpía del fluido a la temperatura de referencia, sWH es la entropía del fluido producido y s0 es la entropía del fluido a la temperatura de referencia.

(SWH – S0)]

¿Qué es entropía?

•Entropía es el grado de desorden que tiene un sistema.

•permite distinguir la energía útil, que es la que se convierte en su totalidad en trabajo, de la inútil, que se pierde en el medio ambiente.

•Se expresa en kJ/kg°K

¿Qué es exergía?

•La exergía es una medida de la disponibilidad de la energía.

•la cantidad máxima de energía que puede transformarse en trabajo útil.

•es la parte de la energía que puede convertirse en trabajo mecánico.

•medida cuantitativa de la máxima cantidad de trabajo que puede obtenerse de un desequilibrio entre un sistema físico y el ambiente que lo rodea.

•Se expresa en Joules

Datos conocidos:

Masa extraíbleEntalpía del yacimientoEntalpía de referencia

Datos desconocidos:

Entropía del yacimiento

Entropía de referencia

Datos conocidos:

Masa extraíbleEntalpía del yacimientoEntalpía de referencia

Datos desconocidos:

Entropía del yacimiento(@Temperatura del yacimiento)

Entropía de referencia(@Temperatura de referencia)

Ahora calcularemos, la energía eléctrica total producida:

Donde E es la exergía y nu es la eficiencia de utilización.

𝑊𝑒=𝐸η𝑢

Finalmente, el potencial:

Donde We es la energía eléctrica total, Fp el factor de planta y t es el tiempo de vida del proyecto (en segundos).

𝑃𝑜𝑡=𝑊𝑒𝐹𝑝∗𝑡

Resultado

Pot = 66 MWe

Método Volumétrico

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Tarea

• Modelar en Excel el modelo USGS

• Modelar USGS con Montecarlo (opcional)

• Ejercicio de Sensibilidad cambiando únicamente un parámetro por ejercicio.

Simulación Numérica(siguiente paso)

Propósito de la simulación Numérica

– Es una herramienta que permite cuantificar la capacidad y viabilidad del recurso geotérmico.

– Intenta predecir el potencial que se puede instalar en un campo geotérmico y consecuentemente cuanto se puede producir durante un determinado tiempo.

– Además, pretende estimar cuantos pozos productores e inyectores se necesitarán, así como la major ubicación de éstos.

Metodología

Modelo inicial: definir el estado inicial del reservorio (antes de ser explotado) debe ajustarse con los registros de presión y temperatura.

Modelo durante la Producción: empatar los registros históricos de producción (temperatura, presión, entalpía, pruebas de presión, trazadores, etc.)

Pronóstico: declinación de la temperatura, presión, entalpía y producción de los pozos.

0 50 100 150 200 250 300

Pressure (kscg), or temperature (°C)

-1600

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

Ele

vatio

n, m

eter

s

measured temperaturemeasured pressurecalculated temperaturecalculated pressure

Preguntas ?

Graciasjoroma38@hotmail.com