Uso geotérmico de pozos de petróleo y gas abandonados. Reporte de campo: Alemania

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Dieter Michalzik*, Marcus Meisel*, Jens Steffahn*

CIENCIA UANL / AÑO 19, No. 82, NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2016

RESUMEN

La reutilización de pozos abandonados de petróleo y gas en algunas partes ofrece la oportunidad de minimizar y reducir los costos de inversión y mejorar la viabilidad económica de proyectos con potencial geotérmico en Alemania, donde los recursos de alta entalpía son difíciles de acceder debido a sus grandes profundidades. Pero aun para un país geotérmicamente avanzado como México, esta opción podría ser de utilidad para proporcionar energía sostenible además de regiones geotérmicas de alta temperatura conocidas para el país.

Palabras clave: Geotermia, energía sostenible, pozos de petróleo y gas, potencial de reutilización, Alemania.

ABSTRACT

The reuse of abandoned oil and gas wells in some parts provide a chance of minimizing and reducing investment costs and improve economic feasibility of potential geothermal projects in Germany where high enthalpy reservoirs are difficult to access due to their great depths. But even for a geothermally advanced country like Mexico, this option might prove helpful to provide sustainable energy outside the well-known hot spots.

Keywords: Goethermics, sustainable energy, oil and gas wells, reuse potential, Germany.

En los tiempos actuales, en los que existe una continua discusión sobre calentamiento global, la emisión de carbono o sobre los desechos de la energía nuclear, la energía geotérmica podría representar la esperanza para darle un giro radical a la energía global. Sin embargo, aunque existen las condiciones geológicas favorables, los altos costos de perforación generalmente limitan muchos proyectos útiles en geotermia. Esto es cierto por lo menos para proyectos fuera de las evidentes áreas de alta entalpía, que frecuentemente son, no obstante, sólo prospectos prometedores. Por otra parte, hay cientos y hasta miles de pozos abandonados de petróleo y gas en todo el mundo que por lo menos en algunos casos podrían ser convertidos para uso geotérmico (Reyes, 2007; Davis y Michaelides, 2009; Kurevija y Vulin, 2011).

En principio, para usar un pozo abandonado de petróleo o gas con fines geotérmicos, éste debe estar en condiciones adecuadas (instalaciones, tuberías). En segundo lugar, es necesario ubicar una estructura de recepción cercana para que la energía recuperada pueda ser accesible. El desarrollo preferido dependerá de la profundidad o más bien de la temperatura del pozo, análisis del flujo de calor y de la disponibilidad de agua termal en el reservorio. Si estas características están presentes, se deben monitorear varios parámetros: tipo de fluidos (hidroquímica), presión del yacimiento, la cantidad de hidrocarburos remanente, porosidad y permeabilidad, sustentabilidad de la tasa de producción y extensión de la roca reservorio (acuífero). Bajo circunstancias favorables, el acuífero tiene una extensión regional tal que asegura un flujo constante y una producción a largo plazo que abarque varias décadas. Adicionalmente, la hidroquímica del agua termal debería tener una mineralización mínima para permitir una operación con pocas complicaciones de la planta geotérmica respecto al escalamiento (o dimensiones) y la corrosión.

Sin embargo, en muchos casos, los parámetros relevantes para un eficiente sistema, como las dobletes hidrotermales, no se aplican y por lo tanto su uso debe ser considerado alternativo. La aplicación más directa sería convertir un pozo abandonado en un intercambiador calorífico profundo (sonda geotérmica). Como consecuencia, no sería necesario un segundo pozo para reinyección y los problemas de escalamiento por mineralización química y corrosión, tan frecuentemente vistos en sistemas hidrotermales relacionados con la composición química de salmueras, no ocurren. Para realizar una sonda geotérmica profunda se debe remover el gas o aceite y, si es necesario, el influjo remanente de formación de agua o de aceite-gas debe ser sellado mediante tapones de cemento (figura 1).

Figura 1. Pozo abandonado (izquierda) reestructurado como una sonda geotérmica/intercambiador de calor profundo (derecha).

Si el pozo está en condiciones apropiadas y el diámetro de tubería es adecuado, el único componente por implementar es una tubería interna aislada. Una desventaja de estos sistemas cerrados es una salida menor de energía en comparación con los sistemas hidrotermales. Sin embargo, en Austria y en Alemania existen algunos ejemplos de éxito para convertir pozos abandonados en sondas geotérmicas profundas. En tales casos, la menor eficiencia energética del sistema cerrado es económicamente compensada por los bajos costos de inversión.

En 2009 la compañía austriaca RAG (Rohöl-Aufsuchungs AG) perforó el pozo exploratorio Mühlleiten ML-002 cerca de Neukirchen a.d. Vöckla (figura 2), pero no tuvo éxito. Este pozo tiene una profundidad de 2,850 m y una temperatura de fondo de 105°C. En 2012 finalmente el pozo fue convertido en una sonda geotérmica profunda y desde entonces entrega básicamente 3,500 MWh por año hacia una red distrital calorífica (figura 3).

Figura 2. Ubicación de los sistemas geotermales mencionados.

 

Figura 3. Planta geotérmica Mühlleiten ML-002 (Doppelreiter, 2013).

 

Uno de los campos petroleros más antiguos a nivel mundial está ubicado en el área Pechelbronn, cerca de Landau, en el Valle Superior del Rin (Oberrheingraben), en una estructura de rift del suroeste de Alemania (figura 2). En las últimas décadas, cerca de 200 pozos han sido excavados, de los cuales aproximadamente 70 son aún productivos. Además, el Valle Superior del Rin es el lugar más conocido por aguas termales nonmagmáticos en un dominio extensional de Alemania (Harthill, 2002; Moeck, 2014). Bajo estas condiciones, aun los pozos más someros exhiben altas temperaturas. Dos pozos petroleros abandonados del área de Landau han sido convertidos en sondas geotérmicas profundas. La primera tiene una profundidad de cerca de 920 m y una temperatura al fondo mayor a los 80°C. Esta sonda, equipada con 4½″ de tubería epoxi, actualmente genera cerca de 88 kW de energía termal, la cual es subsecuentemente elevada por medio de una bomba calorífica a cerca de 110 kW y utilizada en un spa de un parque recreativo cercano.

El segundo pozo modificado en el Valle Superior del Rin tiene 797 m de profundidad y exhibe temperaturas al fondo cerca de los 80°C. Ha sido equipado con una tubería especial de polietileno reforzado con un tejido de acero y aislado en los últimos 300 m de su parte superior. El sistema entrega cerca de 80 kW de energía termal sin necesidad de instalar una bomba calorífica, con lo que abastece una red de calentamiento local (Mertel y Körper, 2015).

Por otra parte, cuando todos los parámetros relevantes aplican, se recomienda la conversión hacia un sistema de energía más eficiente, como el sistema hidrotermal binario. Considerando ese uso hidrotermal, se ha planeado recientemente la conversión de un pozo de gas abandonado, en el Rotliegend, cerca de Munster, en el noroeste de Alemania, por nuestra compañía GeoDienste GmbH. En el área de Munster, el campo Dethlingen fue uno de los principales prospectos en Alemania durante las últimas décadas. Sin embargo, hoy sólo dos pozos se encuentran en producción. Uno de éstos, cerca de la estructura de recepción potencial para calor, es decir, la ciudad de Munster, fue abandonado hace algunos años porque su proporción agua-gas se había incrementado intensamente, de tal modo que la producción de gas económica ya no fue posible. El pozo tenía una profundidad de 4,450 m TVD (total vertical depth-profundidad vertical total) y más de 5,100 m MD (measured depth-profundidad medida) con una temperatura al fondo de 147°C. A finales de 2015 el pozo cerrado fue abierto y monitoreado por una tubería enrollada (coiled tubing) (figura 4) para verificar la viabilidad de una reutilización geotérmica.

Figura 4. Monitoreo CT (coiled tubing) del pozo de gas abandonado en Munster a finales de 2015.

Finalmente, se preparó una prueba de inyección para confirmar la tasa de circulación de agua proyectada. Si los resultados empatan con las expectativas, la perforación será convertida a un pozo de inyección como parte de un sistema hidrotermal binario. A partir del sitio existente, se prepara una nueva perforación direccional para que sirva como pozo de producción (figura 5). Se espera que la salida térmica sea alrededor de los 10 MW, la cual debe entregarse a la red calorífica del distrito de la ciudad de Münster y convertirse parcialmente a electricidad (vía ORC- Organic Rankine Cycle).

Figura 5. Pozo Munster de gas original (izquierdo) convertido a un pozo de inyección (en medio) y nuevo pozo de producción (derecha).

Con respecto a la salida de energía térmica o de generación de electricidad a partir de pozos de gas y petróleo abandonados en Alemania, el uso de la tecnología de Sistemas Geotérmicos Mejorados (por sus siglas en inglés, EGS: Enhanced Geothermal Systems), debe ser considerada. La tecnología EGS nos permite el uso de energía geotérmica profunda aun en áreas con insuficiente disponibilidad de agua termal o en rocas calientes y secas. Con esto en mente, los pozos abandonados de petróleo y gas en lugares no favorables pueden ser considerados para una reutilización geotérmica, en especial en rocas más o menos homogéneas preferencialmente con altas temperaturas. Sin embargo, esto requeriría que el pozo esté en buenas y apropiadas condiciones para la estimulación hidráulica. En la mayoría de los casos, el trabajo de operaciones, y posiblemente de profundización o desviación del pozo, será necesario. Subsecuentemente, la estimulación hidráulica tiene que ser ejecutada donde las direcciones de las fracturas deben ser determinadas por el monitoreo sísmico. Finalmente, un segundo pozo tendrá que ser perforado, el cual debe ser orientado paralelamente hasta el estrés mínimo horizontal y perpendicular a las fracturas hidráulicas para completar el EGS doblete (figura 6).

Figura 6. Pozo de gas original (izquierdo) convertido a un pozo profundizado y desviado (medio) para formar un sistema EGS con un pozo nuevo.

Un ejemplo ya existente para el desarrollo de un pozo de gas abandonado a un sistema EGS que se localiza en el noreste de Alemania (figura 2) es el pozo Groß Schönebeck 3/90, el cual fue perforado en 1990 como un pozo de exploración de gas y fue abandonado debido a su nula productividad. En 2000 fue nuevamente reabierto y profundizado hasta 4,394 m TVD para servir como un laboratorio profundo para experimentos hidráulicos y para pruebas de estimulación masiva conducidos por el Centro de Investigación Alemana en Geociencias de Potsdam (Geoforschungszentrum Potsdam, 2001). En 2006, un segundo pozo fue perforado para formar un sistema de perforaciones conectadas hidráulicamente de manera artificial a una profundidad de 4,400 m en las areniscas y en rocas volcánicas del Rotliegend. El sistema geotérmico ha sido diseñado para la generación de 10 MW de energía térmica y cerca de 750 kW de electricidad. Sin embargo, durante los últimos años la planta se ha utilizado principalmente como un laboratorio científico. Lo mismo ocurre con el pozo Horstberg Z1 (figura 2) en el noroeste de Hannover; un pozo de gas que hoy es usado para experimentos hidráulicos profundo (Kehrer et al., 2007).

Debido a que la generación de energía térmica es aún un campo relativamente nuevo en Alemania, donde los recursos de alta entalpía no son de fácil acceso debido a las grandes profundidades para alcanzar las altas temperaturas, los costos de inversión para el desarrollo de la infraestructura geotérmica aún son altos. Creemos que con la reutilización de pozos de petróleo y gas abandonados existen oportunidades de minimizar y reducir los costos y mejorar la accesibilidad económica para distintas regiones en Alemania.

Aunque el uso de energía geotérmica en México, por lo menos dentro de las regiones de alta entalpía en la Faja Volcánica Transmexicana y del rift en el Golfo de California, está mucho más desarrollada, con la reutilización de pozos de petróleo y gas abandonados puede existir una posibilidad de ampliar el uso directo de energía geotérmica fuera de las áreas conocidas en México. Lo que es más importante, considerando que las mediciones del flujo de calor y el gradiente geotérmico son 100-200 (mW/m2 ) y 0.02-0.05 (°C), respectivamente, en las regiones petroleras del noreste, este y sureste de México (Prol-Ledesma y Juárez, 1986; Prol-Ledesma, 1991; Prol-Ledesma et al., 2016).

* GeoDienste GmbH, Alemania. Contacto: info@geodienste.com

REFERENCIAS

Davis, A.P., y Michaelides, E.E. (2009). Geothermal power production from abandoned oil wells. Energy 34: 866-872.

Doppelreiter, D. (2013). Tiefe Erdwärmesonde- nachhaltige, verlässliche und preisstabile Wärme, Presentación Augsburg, 18 de abril 2013.

Geoforschungszentrum Potsdam. (2001). In situ Geothermal Laboratory Groß Schönebeck: Drilling, logging, hydraulic test, formation fluids and clay minerals. Scientific Technical Report 2000/2001, 1-187.

Harthill, N. (2002). The Tectonic Basis of the Geothermal Region of the Oberrheingraben. 20 Jahre Tiefe Geothermie in Deutschland. 7. Geothermische Fachtagung, Waren (Müritz): 145-153.

Kehrer, P., et al. (2007). The GeneSys project-a contribution of Geozentrum Hannover to the development of Enhanced Geothermal Systems (EGS). Z. dt. Ges. Geowiss, 158/1: 119-132.

Kurevija, T., y Vulin, D. (2011). High Enthalpy Geothermal Potential of the Deep Gas Fields in Central Drava Basin, Croatia. Water Resources Management, 25: 3041–3052.

Mertel, B. y Körper, D. (2015). Beyond Petroleum – Wärmenutzung aus stillgelegten Erdölbohrungen. bbr Special issue Geothermie 2015, S. 72 – 77.

Moeck, I.S. (2014). Catalog of geothermal play types based on geologic controls. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 37: 867-882.

Prol Ledesma, R.M. y Juárez, M.G. (1986). Geothermal map of México. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 28/ 3-4: 351-362.

Prol Ledesma R.M. (1991). Heat flow in Mexico.- In: Cermak, V., and Rybach, L. (eds). Terrestrial heat flow and the lithosphere Strctures. Springer Verlag, Berlin-Heidelberg: 475-485.

Prol Ledesma, R.M., et al. (2016). Integration of heat flow measurements and estimations in the construction of Mexico´s heat flow map. European Geothermal Congress, Brussels.

Rag Rohöl-Aufsuchungs Aktien-Gesellschaft (2012). 3. Platz beim Energy Globe Award Oberösterreich für das Projekt Tiefe Erdwärme. Comunicado de prensa 9 de noviembre 2012.

Recibido: 03-10-16

Aceptado: 17-10-16

 

* GeoDienste GmbH, Alemania. Contacto: info@geodienste.com