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Tendencias en modelado y simulación hidrogeológica aplicadas a la explotación de sistemas geotermales

Actualizado: hace 2 días


Introducción: El actual contexto climático global nos está poniendo a prueba como sociedad humana civilizada, y nos está exigiendo que debemos urgentemente apalancar el uso eficiente de los recursos naturales y la energía, disminuir las emisiones del CO2 a la atmósfera, y buscar fuentes energéticas alternativas a los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas). En tal sentido, los sistemas geotermales se proyectan como una fuente de considerables cantidades de energía.


Un sistema geotermal se puede definir como una unidad geológica donde se produce la coexistencia de una fuente de calor de las profundidades del subsuelo y de un reservorio de agua subterránea o acuífero, conformado por unidades estratigráficas permeables (unidades hidrogeológicas), junto con una fuente de recarga de agua apropiada al sistema. Debido a esto, resulta de suma importancia estudiar de manera integrada los aspectos hidrogeológicos (subsuelo), hidrológicos (superficie) y termodinámicos de los sistemas geotermales, con el fin de poder simular el flujo de fluidos en el subsuelo, de manera tal que se pueda predecir el comportamiento de un sistema geotermal en diversos escenarios posibles de recarga y explotación.


Metodología: Los acuíferos o reservorios de agua subterránea pueden clasificarse de diversas maneras. La clasificación más conocida es la que se refiere a su grado de confinamiento (aislamiento de la superficie), en la cual se tienen acuíferos libres, confinados y semi-confinados. Los acuíferos confinados o semi-confinados se caracterizan por presentar una capa sellante o impermeable al tope del mismo (cap rock), que generalmente esta conformada por arcillas o lutitas. Este confinamiento origina que la presión de los fluidos presentes dentro del acuífero (agua, vapor y otros gases) sea mayor que la presión hidrostática normal. Desde el punto de vista de la profundidad, se pueden clasificar de la siguiente manera: a) acuíferos someros, ubicados a menos de 1000 pies de profundidad (300 metros), b) acuíferos de profundidad moderada, ubicados entre 1000 y 3000 pies de profundidad (300 y 1000 metros), y c) acuíferos profundos, ubicados a más de 3000 pies de profundidad (1000 metros).


Generalmente, los acuíferos someros son los que más se han explotado para extracción de agua subterránea, mientras que los acuíferos profundos son los que están asociados a los yacimientos de petróleo y gas. Los acuíferos que más frecuentemente se encuentran asociados a sistemas geotérmicos son los de profundidad moderada y los profundos. Evidentemente, a medida que el acuífero se ubique a una profundidad más somera, más eficientemente se podrá hacer el intercambio de calor desde el subsuelo hacia las instalaciones de superficie.


Así mismo, los sistemas geotermales pueden clasificarse según su disposición natural de agua y su temperatura. En cuanto a su disposición natural de agua, si estos sistemas se asocian con un acuífero contenido en litologias de alta porosidad y permeabilidad (como rocas sedimentarias areniscas, limolitas o calizas karstificadas), relalivamente someros, que puede estarse recargando o no de forma frecuente, se denomina reservorio hidrotermal, y se explota con pozos de forma convencional. Uno de los sistemas hidrotermales más conocidos de Latinoamérica es el del Anticlinal El Tatio, en Antofagasta, Chile. Pero si el sistema geotermal no está asociado con un acuífero, con litologias impermeables (como rocas graniticas), que generalmente se encuentran a mayores profundidades (más de 1000 metros), se denomina reservorio de roca seca caliente (hot dry rock) y para explotarse se requiere efectuar fracturamientos hidráulicos e inyección de agua, por eso se llaman también sistemas geotermales mejorados (enhaced geotermal systems). Dentro de estos sistemas no convencionales o mejorados más conocidos está el del proyecto FORGE, en Utah, Estados Unidos. Por otro lado, en cuanto a su temperatura, los sistemas geotermales se pueden subdividir en reservorios de alta entalpia (con altas temperaturas, muy por encima de los 100°C), de moderada entalpia (con temperaturas entre los 70 y 100°C), y de baja entalpia (con temperaturas entre los 40 y 70°C).


La experiencia que hemos obtenido en diferentes proyectos de caracterización de yacimientos de petróleo y gas, al igual que en proyectos de caracterización de reservorios de agua, junto con el estado del arte en que se encuentran las tecnologías y métodos de explotación de energía geotérmica, nos permite proponer una metodología de trabajo para la caracterización integrada y la formulación de planes de explotación de sistemas geotermales, que consta de las siguientes etapas (ver Figura 1):


Figura 1 - Metodología de trabajo propuesta.


La metodología comienza con la recopilación y validación de todos los datos que puedan ser útiles de manera directa o indirecta. No debe descartarse ningún dato, ya que pueda resultar valioso durante cualquier etapa del proceso de caracterización. Es recomendable que esta recopilación inicial de datos se integren en un sistema de información geográfica (SIG) como ArcGIS (ESRI) o QGIS (software libre) para poderlos administrar de manera más fácil y ordenada, así como para generar el modelo digital de elevaciones del terreno y de la red de drenaje.


Luego de efectuar la primera recopilación de datos, es recomendable efectuar una visita de campo programada al área de estudio, lo cual permite hacer un reconocimiento general de la zona de estudio que se va a modelar, la validación de datos recopilados e incluso la adquisición de algunos datos faltantes. Es recomendable enfocarse en los siguientes aspectos: datos de pozos existentes (litologias de los estratos perforados, registros eléctricos, estimaciones de porosidad, permeabilidad, mediciones de temperatura, presiones, nivel del agua y caudales), datos de afloramientos (facies de los estratos aflorantes, rumbos, buzamientos, presencia de fracturas naturales), datos del terreno (geomorfología, topografía, vegetación y tipos de suelos: permeables o impermeables), red de drenaje (ríos, quebradas, lagos), mediciones geofísicas (datos sísmicos, electromagneticos y magnetotelúricos) y mediciones de parámetros físico-químicos del agua (temperatura, dureza, conductividad eléctrica y pH). El uso de isótopos naturales del agua también puede aportar datos valiosos. Es importante definir con exactitud el gradiente geotérmico del área de estudio. La integración de todos esos datos permitirá definir la configuración del acuífero o reservorio geotermal.


Resultados: La elaboración de un modelo conceptual robusto del subsuelo es fundamental para la posterior modelación numérica del sistema hidrogeológico o geotermal. Considerando esto, se debe recopilar e integrar toda la información existente del sistema en estudio, de manera tal que permita generar un modelo conceptual que represente tanto la geometría (estructura) como configuración estratigráfica interna (unidades hidrogeológicas) y las propiedades del reservorio o acuífero (litologías de las capas, porosidades, permeabilidades, saturaciones, transmisibilidades, conductividades, temperaturas y presiones de los fluidos, etc.).

Al finalizar la caracterización del modelo conceptual, todas estos elementos se integran en un modelo geológico 3D (ver Figura 2), que se denomina modelo geocelular, en el cual se pueden aplicar técnicas geoestadísticas, de data analytics y de machine learning, para analizar la variabilidad y modelar las diferentes propiedades del reservorio o acuífero, en aplicaciones especializadas para tal fin. Sobre estos aspectos, desde hace varios años existen en el mercado potentes aplicaciones que permite generar grillas tridimensionales de modelación a partir del modelo conceptual, las que son exportables a otras plataformas de modelación numérica, entre las cuales podemos mencionar Petrel (Schlumberger), Gocad (Paradigm), RMS (Roxar), Leapfrog (Seequent), SGeMS (Universidad de Stanford) y HEC-HMS (software libre).


Figura 2 - Vista 3D de una aplicación para el modelado 3D de un reservorio o acuífero.

Fuente: Cortesía de Centro redes (2021).


De la misma manera, es importante determinar el balance hídrico tanto de la cuenca hidrográfica como del sistema geotermal en estudio, estimando los volúmenes de descarga y recarga, para lo cual se utilizan datos hidrometeorológicos y datos los aforos o caudales de descarga tanto de los ríos principales del área de estudio como de las emanaciones (fuentes de vapor o aguas termales) del subsuelo, que constituyen las descargas del sistema geotérmico. Para una mejor comprensión de la dinámica de movimiento las aguas subterráneas, se utiliza la interpretación de datos hidrogeoquímicos existentes, incluyendo estudios de análisis de hidrología isotópica para determinar el origen de la recarga de agua (Durán y Lobo, 2004).


Uno de los aspectos más relevantes en el modelaje del sistema geotermal lo constituye la caracterización de la fuente de calor. En este sentido, se deben analizar tanto los antecedentes sobre el contexto tectónico que domina en el área de estudio, así como los datos petrológicos del basamento, la historia termal (eventos volcánicos cercanos) y la distribución de cuerpos ígneos aflorantes y en el subsuelo, con el objetivo de determinar si flujo calórico o gradiente geotérmico estimado en el área de estudio es acorde con el contexto tectónico que da origen al sistema geotermal.


A partir del modelo hidrogeológico conceptual, se construye el modelo hidrogeológico matemático, con el cual se efectuará la simulación del comportamiento dinámico de variables como la temperatura y la presión de poros, el flujo de fluidos y el flujo de calor, configurado en tres dimensiones (Díaz, 2017). En la actualidad existen diferentes tipos de software, dotados con códigos predefinidos con ecuaciones que rigen el transporte de flujo multifásico y el flujo de calor en medios porosos, tanto granulares (consolidados y no consolidados) como en medios fracturados, entre los cuales podemos mencionar ModFlow (USGS), CMG (Computer Modelling Group) y Eclipse (Schlumberger).


Adicionalmente y de manera opcional (si es requerido por el estudio), este modelo simulación de flujo de fluidos y flujo de calor puede acoplarse con el modelo geomecánico del área de estudio, para obtener de esta manera un modelo de simulación dinámica acoplada, que permite analizar los desplazamientos o deformaciones que pueden producirse a medida que cambia la presión de poro y los esfuerzos efectivos dentro del reservorio o acuífero del sistema geotermal.


La calibración del modelo se realiza mediante un análisis de sensibilidad, con el objetivo de determinar cuáles los parámetros que más influyen en los resultados globales del modelo. Una vez calibrado el sistema, se generan escenarios de simulación que permitieron analizar, predecir y comprender el funcionamiento del sistema geotermal a nivel cualitativo y cuantitativo.


Conclusiones: El fin último de esta metodología de trabajo es la definición de estrategias de explotación y perforación de pozos a corto (5-10 años), mediano (10-15 años) y largo plazo (más de 15 años), que permitan maximizar la rentabilidad y eficiencia del sistema geotermal.


Autores: Carlos Lobo, Ronny Movil, Douglas Durán y Carlos Bastidas. Consultores independientes de la empresa Geodynamic Solutions (Noviembre 2021). publicado en: #revistaPozozyAguaGuiaEmpresarial


Referencias Bibliográficas:

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