Para aprovechar los reservorios geotérmicos, Los pozos deben perforarse profundamente en la corteza terrestre. Debido a las presiones y temperaturas extremas involucradas, esto es caro y requiere mucho tiempo. Un equipo de investigación de Fraunhofer IEG ha desarrollado ahora un banco de pruebas que simula las condiciones del fondo del pozo a varios miles de metros por debajo de la superficie de la tierra. El análisis de estos experimentos permite a los operadores optimizar la perforación durante la etapa de planificación y operación y les ayuda a desarrollar y probar nuevas herramientas de perforación. minimizando así costos y riesgos económicos. Esto hará que la ingeniería geotérmica sea más eficiente, ayudando a acelerar la transición a una nueva, economía energética sostenible.

Con la era de la producción de carbón llegando a su fin, La energía geotérmica está ganando más atención como el próximo recurso principal para proporcionar cantidades virtualmente inagotables de energía. Puede explotarse en forma de calor o utilizarse para generar electricidad, independientemente de las condiciones meteorológicas o de la hora del día. La ingeniería geotérmica profunda implica la perforación de pozos hasta profundidades de varios miles de metros por debajo de la superficie de la tierra, donde las temperaturas pueden alcanzar los 100 grados centígrados. El proceso de perforación puede encontrar múltiples tipos de roca, cada uno con diferentes propiedades como dureza, fuerza y ​​densidad. Cada tipo de roca puede interactuar de manera completamente diferente con la broca y el equipo de perforación de fondo de pozo. Dados todos estos factores, el proceso completo de perforación y los requisitos de su equipo de superficie, como bombeo, son procedimientos complejos que requieren una planificación cuidadosa.

i.BOGS simula condiciones extremas del yacimiento

En respuesta a este desafío, la Institución de Investigación Fraunhofer para Infraestructuras Energéticas y Sistemas Geotérmicos IEG, ha desarrollado y está operando un nuevo banco de pruebas, partido con nombre BOGS. Está diseñado para simular condiciones in situ durante las operaciones de perforación y fondo de pozo. El banco de pruebas consta de tres módulos principales:i.BOGS, un sistema de autoclave; taladro. un módulo de perforación; y fluido.BOGS, un módulo para producir fluidos sintéticos. match.BOGS se puede utilizar para simular físicamente y permitir la investigación de todos los procesos involucrados en la perforación de un pozo hasta una profundidad de 5000 metros. El sistema de monitoreo cuenta con una gama de sensores que incluyen acústicos, sistemas de medición térmica y óptica.

El análisis de los datos del sistema de monitoreo ofrece información sobre la configuración y optimización del funcionamiento de las herramientas de perforación. "Esto hace que sea más fácil planificar las operaciones de perforación y determinar, por adelantado, parámetros como el tipo de herramienta de perforación, parámetros del proceso de perforación y presiones requeridas, "explica Volker Wittig, jefe de Tecnologías Avanzadas de Perforación en Fraunhofer IEG.

El sistema de autoclave i.BOGS fue desarrollado y construido exclusivamente para el equipo de investigación de Fraunhofer IEG de acuerdo con sus especificaciones precisas. Puede manipular muestras de rocas con una longitud de 3 metros y un diámetro de hasta 25 centímetros. El recipiente a presión dentro del sistema de autoclave somete estas muestras a presiones de hasta 1250 bares y temperaturas de hasta 180 grados Celsius. Esto simula condiciones de fondo de pozo equivalentes a aquellas a una profundidad de 5000 metros por debajo de la superficie de la tierra. El recipiente a presión tiene un grosor de pared de 20 centímetros y está asegurado por un total de 25 pernos, cada uno con un peso de 9 kilogramos. Por lo tanto, el banco de pruebas puede soportar condiciones extremas de forma segura. También se pueden incorporar bombas o herramientas de perforación especiales con el fin de probar requisitos específicos.

Herramientas de perforación con láser y pulsos de alta tensión

El módulo Drill.BOGS cuenta con dos cilindros hidráulicos que proporcionan una fuerza de avance de hasta 400 kilonewtons (kN). Un motor eléctrico impulsa la barra de perforación hacia la muestra de roca con valores de par de hasta 12 kilonewton metros (kNm). Las tecnologías integradas de medición y control de procesos hacen que este proceso sea completamente automático.

Este módulo puede equiparse con una variedad de herramientas de perforación para permitir a los investigadores de Fraunhofer IEG probar no solo herramientas convencionales, que operan por medio de la desintegración mecánica de la roca, sino también tecnologías de perforación novedosas. Las nuevas tecnologías pueden utilizar, como ejemplo, ráfagas de alto voltaje, un rayo láser o un chorro de llama para penetrar más fácilmente en la superficie de la roca. "Estas tecnologías de perforación sin contacto dan como resultado una reducción significativa de las altas tasas de desgaste de las costosas herramientas de perforación, extendiendo así su vida útil, "Wittig explica. Como tal, Las pruebas realizadas en Fraunhofer IEG también están ayudando a avanzar en el desarrollo de herramientas de perforación novedosas y convencionales.

Los fluidos sintéticos ayudan al proceso de perforación

Para aprovechar la energía geotérmica, el agua caliente de los depósitos subterráneos se bombea a través de un circuito cerrado a la superficie, donde se utiliza para producir calor o para impulsar turbinas de vapor para generar electricidad. Luego, el líquido enfriado se retroalimenta al depósito subterráneo para recalentar las rocas del depósito. "Es por eso que también necesitamos pruebas para simular el comportamiento de los fluidos en condiciones de yacimiento a medida que se bombean a la superficie". "dice Tilman Cremer, becario de investigación en Fraunhofer IEG. Junto con estas aplicaciones geotérmicas, También puede ser posible extraer materias primas valiosas como metales, metales pesados, y minerales raros de estos geo fluidos.

El módulo fluid.BOGS produce estos fluidos sintéticos. Luego, los investigadores usan el módulo i.BOGS para investigar sus propiedades de flujo mientras interactúan con las muestras de roca. Por lo tanto, los expertos de Fraunhofer IEG pueden estudiar muestras de fluidos reales tomadas de depósitos específicos o geofluidos, que han sido creados sintéticamente. Estos pueden comprender una mezcla de agua calculada con precisión con, por ejemplo, cloro, calcio, magnesio y varios otros minerales dentro del autoclave del módulo i.BOGS. Como consecuencia, estos fluidos pueden investigarse por sus propiedades de flujo.

Cuando se trata de operaciones de perforación reales, Los fluidos especiales conocidos como lodos de perforación juegan un papel indispensable. "Estos fluidos lubrican, enjuagar y enfriar las herramientas de perforación, y también se llevan la roca extraída durante la perforación, "Explica Wittig.

La combinación de los tres módulos i.BOGS, taladro. BOGS y fluido. BOGS, y todas sus diversas configuraciones, Haga que el banco de pruebas de BOGS sea una instalación única. Como Jascha Börner, miembro del equipo e investigador de Fraunhofer IEG, explica:"Podemos configurar individualmente cada uno de los diversos parámetros:presión, temperatura, velocidad de flujo, la composición de la muestra de roca, y la proporción de mezcla de los fluidos ". Por lo tanto, es posible simular las condiciones más diversas y producir datos de planificación precisos para proyectos de perforación reales.

Un impulso para la ingeniería geotérmica

Prepararse para las pruebas en las nuevas instalaciones es un proceso complicado. En primer lugar, los sistemas de autoclave deben estar equipados con muestras de rocas. A continuación, se aumentan sucesivamente la presión y la temperatura. Mientras tanto, Se instalan las herramientas de perforación y se preparan los fluidos necesarios. Como una regla de oro, se tarda casi un día entero en prepararse para el inicio de la simulación. El esfuerzo vale la pena, ya que aporta una amplia gama de beneficios para el avance de la industria de la perforación. Mediante el uso de técnicas de simulación para probar las condiciones reales en un sitio específico, Los operadores de perforación pueden planificar las operaciones de perforación reales con más confianza. Esto aumenta la eficiencia de la operación ya que todas las herramientas de perforación se pueden configurar correctamente con anticipación, resultando en un ahorro de millones de euros. Estas medidas para optimizar la ingeniería geotérmica ayudarán a que la transición a un sistema energético sostenible sea más económica y eficiente.