Investigadores pioneros en una nueva visión de las fracturas de rocas profundas para la energía geotérmica

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El flujo de señales de corriente eléctrica cambia en fracturas profundas debajo de la tierra.

Por Cristina Núñez

El granito ardientemente caliente en las profundidades del subsuelo se puede aprovechar para obtener energía abriendo grietas en la roca. Este recurso potencial, conocido como energía geotérmica mejorada, requiere un sentido claro de los cambios que ocurren en la roca a lo largo del tiempo, una imagen compleja que puede ser difícil de capturar.

Un equipo dirigido por investigadores de Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) ha demostrado una nueva forma de monitorear fracturas profundas del subsuelo. La técnica, la tomografía de resistividad eléctrica (ERT), mide los cambios subterráneos midiendo la conductividad eléctrica en la roca. ERT produce imágenes 4D, es decir, 3D más time-lapse, del subsuelo.

¿Qué es un sistema geotérmico mejorado?

Los sistemas geotérmicos convencionales dependen del agua y las vías de flujo que ya están presentes dentro de la roca caliente. Un sistema geotérmico mejorado recolecta el calor atrapado dentro de la roca seca al introducir agua y grietas. Los operadores perforan dos pozos subterráneos a miles de pies por debajo de la superficie y luego inyectan fluido a alta presión para fracturar la roca entre los pozos. El proceso de fracturamiento por calor es similar a lo que se conoce como “fracking” de roca de esquisto para liberar petróleo y gas.

Las temperaturas a este nivel pueden superar los 200 ° C (392 ° F). El agua bombeada de un pozo a otro y de regreso a la superficie recolecta el calor de la roca, generando vapor que puede impulsar una turbina para generar electricidad.

Los sistemas geotérmicos mejorados podrían proporcionar un estimado de 100 gigavatios de electricidad – suficiente para alimentar 100 millones de hogares. Pero tales sistemas implican perforaciones costosas y necesitan un mejor monitoreo y predicción de los cambios subterráneos para reducir la incertidumbre y el riesgo asociados con un proyecto determinado.

Como cualquier entorno subterráneo, los sistemas geotérmicos mejorados cambian con el tiempo. Las fracturas en la roca se abren y cierran en respuesta a tensiones causadas por inyecciones de fluido a alta presión, cambiando la producción de calor del sistema. La actividad sísmica es un indicador del estrés del subsuelo, pero la información del monitoreo microsísmico es limitada.

“En estas rocas profundas y calientes, es demasiado caro perforar suficientes pozos de monitoreo para comprender lo que está sucediendo usando muestreo directo”, dijo. Tim Johnson, científico computacional de PNNL quien fue coautor del estudio. “El enfoque principal de este proyecto es comprender mejor y, en última instancia, predecir, cómo se comportarán las fracturas en un entorno de alto estrés cuando intente conectarlas entre dos pozos”.

Obtener una imagen subterránea más clara

ERT implica colocar electrodos metálicos dentro de los pozos de monitoreo y luego obtener imágenes de la conductividad de la roca cuando se envía corriente eléctrica entre ellos. Los aumentos en la conductividad con el tiempo muestran dónde se abren las fracturas; cuando las fracturas son más estrechas o cerradas, la conductividad disminuye. Johnson desarrolló software llamado E4D que opera en sistemas de supercomputación y convierte toda esta información eléctrica en una imagen que se parece un poco a un mapa de calor, que muestra variaciones de conductividad a lo largo del tiempo. E4D ganó un Premio R&D 100 en 2016.

Tomografía time-lapse de resistividad eléctrica. (Time-lapse de Tim Johnson, et al. | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico)

“Es similar a las imágenes médicas, excepto que estás haciendo un lapso de tiempo”, dijo Johnson. “Así que estás observando cómo cambian las cosas y, por lo general, el cambio se relaciona con cómo fluye el fluido en el subsuelo”.

Johnson y otros investigadores de PNNL han sido pioneros en el uso de ERT como herramienta de monitoreo 3D y E4D a profundidades menores de hasta 350 pies, donde se ha utilizado para detectar y rastrear contaminantes, por ejemplo. Para probarlo en el subsuelo profundo, el equipo lo implementó en el Instalación de investigación subterránea de Sanford en Lead, Dakota del Sur. El trabajo, que cuenta con el apoyo de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía (DOE) a través de su Oficina de Tecnologías Geotérmicas, es parte de un esfuerzo de colaboración más amplio en el DOE para mejorar el acceso a los recursos naturales y el almacenamiento en el subsuelo. El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley lidera el esfuerzo, conocido como el Colaboración de sistemas geotérmicos mejorados (EGS). Los laboratorios asociados incluyen PNNL, Sandia National Laboratories, Lawrence Livermore National Laboratory, Idaho National Laboratory y Los Alamos National Laboratory.

Pioneros en una nueva técnica de imágenes del subsuelo

La intención del monitoreo de ERT en Sanford era monitorear el flujo de fluido, como se había hecho en niveles menos profundos. Pero los resultados inicialmente no parecían alinearse con esos usos anteriores.

El banco de pruebas experimental ubicado en un túnel de mina a 4,850 pies debajo de la superficie, en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford. (Foto de Hunter Knox | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico)

Después de años de buscar una respuesta, Johnson la encontró en artículos científicos de las décadas de 1960 y 1970. Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts y también del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley habían observado cambios en la conductividad de las rocas cristalinas en respuesta al estrés: apretar la roca en experimentos de laboratorio la hacía menos conductora. Esto significaba que el ERT no estaba simplemente siguiendo el fluido subterráneo. Estaba trazando la apertura y el cierre de fracturas en respuesta al estrés. ”Lo que estábamos viendo con los cambios en la conductividad no tenía sentido en términos de flujo de fluidos”, dijo Johnson. Pero si la conductividad no reflejaba el movimiento de los fluidos, ¿qué mostraba?

“Una vez que hicimos ese vínculo, todo tuvo sentido en términos de lo que estaban haciendo las imágenes de lapso de tiempo”, dijo Johnson.

ERT ofrece varias ventajas. Sin partes móviles ni electrodos instalados fuera del revestimiento del pozo, el equipo requiere poco mantenimiento y puede funcionar mientras se realizan las inyecciones. Y las imágenes se obtienen en tiempo real, lo que brinda a los operadores de las instalaciones comentarios que pueden usar casi de inmediato, si es necesario. Sin embargo, ERT no se puede utilizar con revestimientos metálicos de pozos, que son omnipresentes en proyectos subterráneos profundos.

Hay formas de sortear este obstáculo, como usar una carcasa de fibra de vidrio, recubrir la carcasa con un epoxi no metálico o usar un material no metálico completamente diferente. Pero por ahora, Johnson y su equipo continúan mejorando y probando el uso de ERT en las instalaciones de Sanford.

El papel, “Imágenes proxy 4D de dilatación de fracturas y sombreado de estrés mediante tomografía de resistividad eléctrica durante inyecciones de alta presión en una formación de roca cristalina, ”Se publicó en octubre en el Revista de investigación geofísica: Tierra sólida. Los coautores con Johnson fueron Jeff Burghardt, Chris Strickland, Hunter Knox, Vince Vermeul y Mark White en PNNL; Paul Schwering y Doug Blankenship en Sandia National Laboratories; Tim Kneafsey del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; y el equipo de EGS Collab.

Cortesía de Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico.

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