IV. EXPLORACIÓN DE LOS RECURSOS GEOTÉRMICOS
EL PRINCIPAL propósito de la exploración de una zona geotérmica es definir su tamaño, forma y estructura y determinar sus características, como son: el tipo de fluido, su temperatura, composición química y su capacidad de producir energía.
Estas características pueden ser determinadas en dos formas: por exploración superficial y con perforaciones exploratorias. Puesto que es mucho más barato hacer exploración superficial que perforar pozos, se acostumbra realizar un extenso programa de exploración superficial antes de comenzar a hacer perforaciones.
La exploración de un campo se puede dividir en dos etapas: reconocimiento y evaluación; y aún durante la etapa de explotación, se emplean algunos métodos de exploración con el objeto de llevar a cabo un monitoreo del campo. La planeación de cada una de las etapas en cuanto a su desarrollo y los métodos a usar, varían mucho dependiendo de las características del campo en estudio y del país en que se encuentre: sin embargo, se pueden definir varios lineamientos generales:
—Comenzar con médos simples y bien establecidos.
—Esforzarse desde el principio por obtener datos del prospecto en su totalidad.
—Usar tanto como sea posible los recursos locales disponibles.
Por supuesto que todas estas recomendaciones están supeditadas a mantenerse dentro del presupuesto establecido para cada etapa y a la disponibilidad de equipo y personal capacitado.
El trabajo de exploración comienza aun antes del reconocimiento en el campo con la recopilación de toda la información disponible relacionada con la zona en estudio. Esta información comprende los datos topográficos, meteorológicos, geológicos, hidrogeológicos, geoquímicos, geofísicos y las observaciones de manantiales, géiseres y fumarolas. Todos estos datos deben ser cuidadosamente revisados para planear la estrategia adecuada a cada zona y emplear los diferentes métodos en la forma más apropiada. Cuando los datos reunidos indican la existencia de un campo geotérmico económicamente explotable, se procede a efectuar estudios geológicos, geofísicos y geoquímicos para evaluar el potencial del campo y la factibilidad de su explotación. Al final de cada una de las etapas, los resultados de los diferentes métodos son correlacionados para obtener modelos preliminares del campo, los cuales se irán perfeccionando al avanzar los trabajos de exploración.
Una vez que se han realizado todos los estudios posibles en la superficie, se determina la localización de un número reducido de pozos de exploración (generalmente alrededor de 3 pozos), que de dar buenos resultados serán seguidos por los pozos de producción requeridos para la explotación planeada del recurso geotérmico.
Hasta el momento de la perforación de los pozos de exploración, los modelos elaborados con base en los datos superficiales carecerán de verosimilitud hasta que puedan ser corroborados por los datos obtenidos en los pozos. Por esta razón, es aceptable dividir la exploración en dos etapas: exploración superficial y perforaciones de exploración.
Debido a que los campos geotérmicos de alta temperatura se localizan generalmente en las áreas de vulcanismo reciente relacionadas con las fajas sísmicas, son ésas precisamente las zonas que se seleccionarán para efectuar los primeros trabajos de reconocimiento. También es importante en el principio efectuar un mapeo de las manifestaciones termales superficiales localizadas dentro y fuera del área en estudio; esto es necesario, ya que éstas no se localizan necesariamente sobre el yacimiento (Figura 19), sino que los fluidos geotérmicos se desplazan siguiendo fallas o fisuras o cualquier otra zona de altá permeabilidad y, al clasificarlas, se puede inferir la trayectoria que han seguido hasta la superficie, así como los procesos de mezclado y ebullición que pudieron haber experimentado.
Las manifestaciones superficiales pueden proporcionar información acerca de las condiciones existentes en el yacimiento. Sin embargo, es necesario hacer notar que las manifestaciones superficiales no son un requisito indispensable para la existencia de un yacimiento geotérmico a profundidad, sino que hay campos geotérmicos en zonas que carecen totalmente de manifestaciones superficiales y en este caso se debe localizar el yacimiento con base en el conocimiento del entorno geológico.
De acuerdo a las técnicas empleadas, la exploración superficial se puede dividir en geológica, geofísica y geoquímica.
Los principales objetivos de los estudios geológicos en la etapa de reconocimiento son: identificar y catalogar todas las manifestaciones geotérmicas que haya en la superficie, ya sean activas o fósiles; efectuar una evaluación preliminar de su significado con respecto a los procesos subterráneos que tienen lugar en el sistema geotérmico; y recomendar las áreas para un estudio a mayor detalle. Esto se lleva a cabo examinando fotografías aéreas o imágenes de satélite y visitando el área para correlacionar los datos de éstas con la información obtenida en el campo.
Una vez terminado el reconocimiento del área, si se decide que la zona geotérmica tiene posibilidades para su explotación, se continua con la etapa de exploración propiamente dicha, en la cual se debe preparar un mapa geológico a detalle del prospecto geotérmico seleccionado y de las áreas circundantes. Este mapa debe incluir las manifestaciones superficiales y los rasgos geológicos (fallas, fracturas, distribución superficial y a profundidad de los diferentes tipos de rocas y su permeabilidad) que puedan contribuir a elaborar un modelo del sistema geotérmico y recomendar la localización de los pozos exploratorios.
Para cumplir con los objetivos de la exploración superficial, las técnicas geoquímicas efectúan los análisis de las aguas de los manantiales, las emisiones de las fumarolas, las descargas de gases y las aguas frías superficiales (ríos, lagos, lluvia, etc.) para hacer las siguientes inferencias de las condiciones del sistema hidrotermal:
—la variación en composición del fluido termal a profundidad,
—la temperatura (y presión) del fluido a profundidad,
—las rocas relacionadas con los fluidos termales a profundidad,
—el origen de los fluidos, la dirección de flujo en el área y los tiempos de residencia de los fluidos bajo la superficie,
—el gradiente geotérmico y la profundidad a la cual se presenta ebullición por primera vez en el sistema; esto incluye determinar la posibilidad de encontrar inversiones de temperatura con la profundidad,
—la posibilidad de que haya depositación de minerales a partir del fluido,
—las zonas que presentan un alto flujo,
—la posibilidad de encontrar a profundidad fluidos ácidos, que pueden causar serios problemas por corrosión en la etapa de explotación,
—determinar la existencia de componentes en el fluido que puedan tener importancia económica.
La determinación de todos estos parámetros se hace utilizando los resultados de los análisis químicos e isotópicos de las descargas del sistema en la superficie. Esta metodología se basa en la suposición de que tanto el equilibrio químico como el isotópico se han alcanzado en las interacciones entre el fluido y las rocas del yacimiento. Una vez que se ha alcanzado el equilibrio químico, las concentraciones de los iones que se intercambien entre el fluido y la roca van a depender de la temperatura. Por ejemplo al interaccionar un fluido termal y una roca, los cuales contienen sodio y potasio, estos iones se van a intercambiar de tal forma que cuanto mayor sea la temperatura a la que interaccionen, mayor será el contenido del potasio del fluido; por esta razón la relación entre las concentraciones de sodio y potasio en las aguas que descarga el sistema en la superficie es utilizada como un indicador de la temperatura del yacimiento. Otro indicador de la temperatura a profundidad lo es el contenido de sílice (Si02) disuelto en el fluido, ya que a mayor temperatura el agua puede disolver más sílice de la roca circundante. La determinación de la temperatura del sistema a profundidad utilizando métodos químicos es muy importante, ya que en la etapa de exploración, es éste el único método por el cual se puede obtener una estimación de la temperatura del yacimiento.
Los isótopos de un elemento son átomos cuyos núcleos tienen el mismo número
de protones pero diferente número de neutrones, o sea que tienen la misma carga
pero diferente peso atómico. Las moléculas de agua son las más abundantes en
los fluidos termales y en ellas se pueden encontrar variaciones dependiendo
de los isótopos de hidrógeno y oxígeno que las formen. El hidrógeno tiene tres
isótopos: el hidrógeno (H con peso atómico de 1), el deuterio (D con peso atómico
de 2) y el tritio (T con peso atómico de 3); y el oxígeno también con tres:
16O, 17O y 18O (el número indica su peso
atómico), de los cuales 16O el es el más común y el 18O
es el que le sigue en abundancia. La relación entre la abundancia del 18O
y del 16O, y del deuterio y el hidrógeno para las aguas de origen
meteórico (agua de lluvia) sigue en todo el mundo una relación lineal. Esto
se debe a que al evaporarse del agua de mar, las aguas de lluvia van a tener
una menor concentración de isótopos pesados (D y 18O) que la de mar
y a su vez, al ir descargando la lluvia, las moléculas con los isótopos más
pesados serán las primeras en precipitarse. Las zonas de mayor evaporación en
el océano se encuentran en la región del ecuador; a partir de éste y hacia los
polos el agua de lluvia irá teniendo una mayor pérdida de isótopos pesados.
Por esta razón, en cada región de la superficie de la Tierra las aguas de origen
meteórico van a tener una determinada concentración de isótopos pesados con
relación al valor estándar de la concentración de éstos para el agua de mar
(SMOW-Standard Mean Ocean Water).
Se ha observado que en relación con la concentración estándar del agua de mar, las aguas de origen termal presentan un enriquecimiento en la concentración del 18O y se ha demostrado que esto se debe principalmente al intercambio de isótopos de oxígeno con los minerales de las rocas, principalmente el sílice y algunos sulfatos. Como este intercambio también depende de la temperatura, la concentración relativa de isótopos de oxígeno en los fluidos también nos va a servir para determinar la temperatura del yacimiento. Por otra parte, como ya se dijo, los fenómenos como la evaporación van a afectar la composición isotópica del fluido, de esta forma va a ser posible detectar si en el yacimiento han tenido lugar procesos como ebullición o dilución con aguas de composición isótopica diferente. Es por esta razón que además de analizar las aguas termales, se analizan las aguas superficiales frías, para comparar su composición química e isotópica y determinar la relación entre ambas.
Es importante recalcar que todos éstos análisis deben restringirse a las aguas termales alcalinas o neutrales, ya que las aguas ácidas atacan las rocas de la superficie y los compuestos que contengan en solución no necesariamente provienen o están relacionados con las rocas del yacimiento a profundidad, por lo que se pueden obtener resultados erróneos.
Finalmente, además de aportar información durante la etapa de exploración del campo, las técnicas geoquímicas se aplican también durante la explotación para determinar los cambios que sufre el sistema debido a la extracción de los fluidos termales, como puede ser la entrada en el yacimiento de aguas subterráneas o superficiales frías.
La geofísica se va a utilizar para definir las dimensiones y la estructura del campo: área que ocupa, profundidad a la que se encuentra y principales estructuras relacionadas con la permeabilidad. Esto se logra mediante los siguientes estudios: sensores remotos, gravimetría, magnetometría, termometría, sismología y métodos eléctricos y electromagnéticos.
En las etapas de reconocimiento se aplican sobre todo métodos que no son muy caros y que permiten cubrir un máximo del área teniendo una alta razón entre beneficio y costo:
Medidas de emisividad en el infrarrojo a partir de imágenes aéreas o de satélite. Con este método se van a detectar zonas en las que el flujo de calor en la superficie es anómalamente alto. Al analizar las imágenes, se pueden obtener resultados cualitativos; sin embargo, para determinar valores de la descarga superficial de energía es necesario calibrar en el campo la relación entre emisividad y temperatura para los diferentes tipos de suelo.
Termografía (mediciones de temperatura en pozos poco profundos: de 1 a 100 m). Este método es útil para complementar el mapeo hecho por imágenes en el infrarrojo, con lo cual se obtiene un mapa con las anomalías de temperatura superficial y a varias profundidades (someras). Los resultados de estos estudios son básicos para establecer los patrones de descarga superficial del sistema hidrotermal y elaborar así un primer esquema de las zonas más permeables y por lo tanto más interesantes para la producción.
Método de perfiles eléctricos. Este método se basa en hacer circular una corriente eléctrica en el terreno que se va a estudiar. Esta corriente se inyecta por medio de dos electrodos y el potencial causado por ella se mide usando otros dos electrodos a una cierta distancia de los primeros. Con estos dos parámetros se puede calcular la resistividad de las rocas a una profundidad que depende de la separación entre los electrodos de corriente y los de medición (Figura 26). Este método es con mucho el más importante para la exploración geotérmica, ya que la resistividad de las rocas disminuye notablemente cuando éstas se encuentran saturadas por fluidos altamente mineralizados y a temperaturas elevadas, y también, cuando por la acción de estos fluidos los minerales que forman las rocas del yacimiento son alterados hidrotermalmente, transformándose principalmente en arcillas, las cuales son minerales con una conductividad muy elevada.
Sondeos eléctricos verticales. La determinación de la resistividad de
las rocas se efectúa por el método anterior, pero en lugar de llevar a cabo
una cobertura superficial del área, se obtiene en cada punto de observación
la variación de la resistividad para diferentes profundidades cambiando la separación
de los electrodos. Esto se puede hacer, ya que la profundidad de penetración
de la corriente depende de qué tan separados estén los electrodos: a mayor separación
de éstos, mayor es la profundidad que alcanza la corriente inyectada, excepto
en algunos casos particulares en que la corriente se concentra en alguna capa
altamente conductora y su penetración a mayores profundidades queda restringida
por este efecto.
Figura 26. Diagrama del método de Schlumberger para medir resistividad.
A y B: electrodos de inyección de corriente. M y N: electrodos de medición de
potencial eléctrico producido por la corriente inyectada.
Métodos magnetotelúricos. En este caso, en lugar de hacer circular una
corriente, se utilizan las fuentes naturales de la Tierra: las llamadas corrientes
telúricas. Estas corrientes son generadas por las variaciones en el campo magnético
terrestre relacionadas con tormentas eléctricas o emisiones provocadas por la
actividad solar. Debido a su origen, estas corrientes tienen un periodo de variación
(no son constantes) y por esta razón se les asocia no sólo un campo eléctrico,
sino también un campo magnético.
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La profundidad a la que pueden penetrar estas corrientes está relacionada con
el periodo de su variación; entre mayor sea éste, mayor será la profundidad
que logren alcanzar. Esta propiedad hace que se seleccionen las frecuencias
que se van a muestrear de acuerdo con las profundidades que interesan, en el
caso de los campos geotérmicos éstas son menores de 5 km, lo que determina el
uso de frecuencias entre 0.001 a 1 hertz (ciclos por segundo).
El conocimiento de las variaciones de resistividad habilita al geofísico para establecer variaciones verticales en el grado de alteración de la roca, la litología, la porosidad de las rocas del reservorio y en el grado de saturación, así como para inferir la profundidad a la que existen cambios de fase en los fluidos geotérmicos, ya que en contraste con los bajos valores de resistividad provocados por el líquido caliente y mineralizado, las rocas saturadas con vapor presentan valores altos de resistividad.
Detección del ruido sísmico natural. En un yacimiento que presenta un flujo bifásico (líquido y vapor), se observa un aumento de vibraciones debido a la separación de vapor y al movimiento de éste; a estas perturbaciones se les denomina ruido sísmico debido a la separación de vapor. Este método no es muy usado por la baja proporción entre beneficio y costo que presenta.
Una vez establecida durante la etapa de reconocimiento la existencia de un yacimiento geotérmico, los trabajos entran en la etapa de la exploración a detalle para determinar su potencial energético. Es posible emplear los métodos ya mencionados, concentrándose en las zonas más interesantes. En especial se utilizan los métodos eléctricos, aplicando diferentes arreglos geométricos de los electrodos para lograr mayor penetración o bien resaltar las anomalías producidas por cambios verticales y horizontales en las rocas. Además, se pueden ampliar los trabajos con los siguientes métodos:
Gravimetría y magnetometría. La determinación de las anomalías en los campos gravitacional y magnético de la Tierra, localizados dentro del prospecto geotérmico, nos permiten identificar las principales estructuras geológicas de la zona por el contraste en sus propiedades (densidad y susceptibilidad magnética). Por ejemplo: fallas, intrusiones, deformaciones, etc. Además, en el caso de la gravimetría también es posible determinar si existe una depositación de minerales hidrotermales con un contraste de densidad respecto a las rocas del yacimiento; y la magnetometría puede ayudar a localizar algunas zonas donde la roca original ha sido demagnetizada por la acción de los fluidos termales.
Métodos sísmicos. Los métodos sísmicos se caracterizan por su alto costo, tanto en los trabajos de campo como en la interpretación de los datos obtenidos. En algunos casos como la exploración petrolera estos métodos son casi indispensables para la localización de los mantos petrolíferos. Sin embargo, en su aplicación a la exploración geotérmica se tiene la desventaja del alto nivel de ruido sísmico existente, ya sea por los cambios de fase o por el movimiento subterráneo de los fluidos termales. En algunos países se ha estado experimentando con métodos de reflección y refracción de ondas sísmicas generadas por explosiones, pero no se han obtenido resultados que impulsen el empleo de estos métodos. También se ha experimentado con métodos telesísmicos, que se limitan a detectar las ondas generadas por movimientos sísmicos muy alejados; se ha observado que al pasar por un yacimiento geotérmico, las ondas sísmicas sufren un retraso y una atenuación, de esta forma se puede determinar la localización de éste. En el caso de la geotermia todos los métodos sísmicos tienen una razón entre beneficio y costo muy baja y en general se prefiere el uso de los otros métodos mencionados para la exploración del campo.
Durante la explotación del campo, los métodos geofísicos son útiles para mantener un sistema de monitoreo con el objeto de detectar fenómenos de subsidencia (hundimiento) y de aumento en la actividad sísmica. Por otra parte, puesto que los campos geotérmicos se encuentran localizados generalmente en zonas de actividad tectónica, la observación de la actividad sísmica es importante para tener un control de las fallas activas en las cercanías del campo. Las observaciones repetidas de la actividad microsísmica son útiles también para indicar los cambios en el campo de esfuerzos provocados por las variaciones de presión que resultan de la explotación del campo, ya sea por extracción o reinyección de los fluidos termales.
PERFORACIÓN DE POZOS EXPLORATORIOS
Una vez que se tiene un modelo preliminar del campo con base en los datos superficiales, se procede a situar un número reducido (de tres a cinco) de pozos exploratorios, con los cuales se pretende corroborar los modelos elaborados y justificar los gastos de la exploración superficial. La restricción en el número de pozos se debe a los altos costos de la perforación, ya que dependiendo de su profundidad y de los tipos de roca que atraviesen (dura o suave) el precio puede variar de 100 000 hasta más de un millón de dólares, o sea que el precio de un solo pozo equivale a varias veces el costo total de la exploración superficial.
Durante la perforación del pozo se toman muestras de las rocas que se van encontrando. Estas muestras tienen la forma de trozos pequeños de roca que se van cortando con el barreno (muestras de canal) y de cilindros de roca recortados con un barreno especial para este fin (núcleos). Por supuesto que los núcleos proveen de mejor información, ya que se conoce exactamente a qué profundidad corresponden. En cambio las muestras de canal de varias profundidades pueden mezclarse y dar resultados erróneos. Aún antes de terminar el pozo estas rocas son estudiadas para determinar los minerales que se han producido como resultado de la interacción de los fluidos termales y la roca del yacimiento. La formación de los minerales de alteración depende tanto de la composición química del fluido como de la temperatura y por lo tanto estos dos parámetros pueden ser inferidos a partir de las observaciones en las muestras, aún sin haber hecho mediciones directas.
Una forma de determinar la evolución térmica del sistema es por medio de pequeñas inclusiones del fluido que quedan atrapadas al formarse los minerales de alteración y que van a conservar la composición del fluido que las formó (Figura 27). La ventaja de estas inclusiones fluidas es que también se puede determinar la temperatura a la que se formaron: al enfriarse una inclusión el líquido se contrae por lo que queda un espacio donde se forma una burbuja; al calentarla, esa burbuja desaparecerá cuando se alcance la temperatura de su formación. Es así como se pueden determinar variaciones químicas y térmicas que pudieran haber tenido lugar durante la evolución del sistema hidrotermal.
A las muestras de rocas provenientes de los pozos se les hacen análisis químicos
para obtener la composición de rocas alteradas y no alteradas hidrotermalmente
y así determinar los efectos que ha tenido la interacción con fluidos
termales en la composición química de las rocas que forman el yacimiento.
Figura 27. Microfotografía de una inclusión fluida en un mineral hidrotermal
(calcita) proveniente del campo geotérmico de Los Humeros, Puebla, México. (Escala
1 cm : 0.12 mm).
Una vez que el pozo se ha terminado (lo cual puede llevar varios meses), se toman registros verticales de flujo, temperatura, conductividad y potencial eléctricos, velocidad sísmica, etc., para determinar las propiedades de las rocas que se encuentran a lo largo del pozo y la variación de la temperatura con la profundidad, lo que en forma indirecta ayuda a inferir la permeabilidad de las rocas, ya que después de haber sido enfriadas por los fluidos de perforación las capas de roca más permeables serán las que recuperen más rápido su temperatura anterior por la circulación de los fluidos termales a través de ellas.
Generalmente se deja "reposar" el pozo de unas cuatro a ocho semanas para que se estabilice, comparando las variaciones en los registros de temperatura y presión durante este tiempo. Una vez, estabilizado el pozo se induce su descarga, es decir la emisión continua de fluido, y es sólo entonces cuando se sabe cuánto fluido puede producir el pozo y a qué presión y temperatura, determinando de esta forma la cantidad de energía eléctrica que se puede obtener. Éste es el parámetro que nos va a indicar la factibilidad económica de la explotación de un campo: cuántos pozos son necesarios para obtener la cantidad planeada de kilowatts eléctricos, lo cual determina finalmente el costo de la electricidad.