IV. EXPLORACI�N DE LOS RECURSOS GEOT�RMICOS
EL PRINCIPAL prop�sito de la exploraci�n de una zona geot�rmica es definir su tama�o, forma y estructura y determinar sus caracter�sticas, como son: el tipo de fluido, su temperatura, composici�n qu�mica y su capacidad de producir energ�a.
Estas caracter�sticas pueden ser determinadas en dos formas: por exploraci�n superficial y con perforaciones exploratorias. Puesto que es mucho m�s barato hacer exploraci�n superficial que perforar pozos, se acostumbra realizar un extenso programa de exploraci�n superficial antes de comenzar a hacer perforaciones.
La exploraci�n de un campo se puede dividir en dos etapas: reconocimiento y evaluaci�n; y a�n durante la etapa de explotaci�n, se emplean algunos m�todos de exploraci�n con el objeto de llevar a cabo un monitoreo del campo. La planeaci�n de cada una de las etapas en cuanto a su desarrollo y los m�todos a usar, var�an mucho dependiendo de las caracter�sticas del campo en estudio y del pa�s en que se encuentre: sin embargo, se pueden definir varios lineamientos generales:
—Comenzar con m�dos 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 est�n supeditadas a mantenerse dentro del presupuesto establecido para cada etapa y a la disponibilidad de equipo y personal capacitado.
El trabajo de exploraci�n comienza aun antes del reconocimiento en el campo con la recopilaci�n de toda la informaci�n disponible relacionada con la zona en estudio. Esta informaci�n comprende los datos topogr�ficos, meteorol�gicos, geol�gicos, hidrogeol�gicos, geoqu�micos, geof�sicos y las observaciones de manantiales, g�iseres y fumarolas. Todos estos datos deben ser cuidadosamente revisados para planear la estrategia adecuada a cada zona y emplear los diferentes m�todos en la forma m�s apropiada. Cuando los datos reunidos indican la existencia de un campo geot�rmico econ�micamente explotable, se procede a efectuar estudios geol�gicos, geof�sicos y geoqu�micos para evaluar el potencial del campo y la factibilidad de su explotaci�n. Al final de cada una de las etapas, los resultados de los diferentes m�todos son correlacionados para obtener modelos preliminares del campo, los cuales se ir�n perfeccionando al avanzar los trabajos de exploraci�n.
Una vez que se han realizado todos los estudios posibles en la superficie, se determina la localizaci�n de un n�mero reducido de pozos de exploraci�n (generalmente alrededor de 3 pozos), que de dar buenos resultados ser�n seguidos por los pozos de producci�n requeridos para la explotaci�n planeada del recurso geot�rmico.
Hasta el momento de la perforaci�n de los pozos de exploraci�n, los modelos elaborados con base en los datos superficiales carecer�n de verosimilitud hasta que puedan ser corroborados por los datos obtenidos en los pozos. Por esta raz�n, es aceptable dividir la exploraci�n en dos etapas: exploraci�n superficial y perforaciones de exploraci�n.
Debido a que los campos geot�rmicos de alta temperatura se localizan generalmente en las �reas de vulcanismo reciente relacionadas con las fajas s�smicas, son �sas precisamente las zonas que se seleccionar�n para efectuar los primeros trabajos de reconocimiento. Tambi�n es importante en el principio efectuar un mapeo de las manifestaciones termales superficiales localizadas dentro y fuera del �rea en estudio; esto es necesario, ya que �stas no se localizan necesariamente sobre el yacimiento (Figura 19), sino que los fluidos geot�rmicos se desplazan siguiendo fallas o fisuras o cualquier otra zona de alt� permeabilidad y, al clasificarlas, se puede inferir la trayectoria que han seguido hasta la superficie, as� como los procesos de mezclado y ebullici�n que pudieron haber experimentado.
Las manifestaciones superficiales pueden proporcionar informaci�n 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 geot�rmico a profundidad, sino que hay campos geot�rmicos en zonas que carecen totalmente de manifestaciones superficiales y en este caso se debe localizar el yacimiento con base en el conocimiento del entorno geol�gico.
De acuerdo a las t�cnicas empleadas, la exploraci�n superficial se puede dividir en geol�gica, geof�sica y geoqu�mica.
Los principales objetivos de los estudios geol�gicos en la etapa de reconocimiento son: identificar y catalogar todas las manifestaciones geot�rmicas que haya en la superficie, ya sean activas o f�siles; efectuar una evaluaci�n preliminar de su significado con respecto a los procesos subterr�neos que tienen lugar en el sistema geot�rmico; y recomendar las �reas para un estudio a mayor detalle. Esto se lleva a cabo examinando fotograf�as a�reas o im�genes de sat�lite y visitando el �rea para correlacionar los datos de �stas con la informaci�n obtenida en el campo.
Una vez terminado el reconocimiento del �rea, si se decide que la zona geot�rmica tiene posibilidades para su explotaci�n, se continua con la etapa de exploraci�n propiamente dicha, en la cual se debe preparar un mapa geol�gico a detalle del prospecto geot�rmico seleccionado y de las �reas circundantes. Este mapa debe incluir las manifestaciones superficiales y los rasgos geol�gicos (fallas, fracturas, distribuci�n superficial y a profundidad de los diferentes tipos de rocas y su permeabilidad) que puedan contribuir a elaborar un modelo del sistema geot�rmico y recomendar la localizaci�n de los pozos exploratorios.
Para cumplir con los objetivos de la exploraci�n superficial, las t�cnicas geoqu�micas efectúan los an�lisis de las aguas de los manantiales, las emisiones de las fumarolas, las descargas de gases y las aguas fr�as superficiales (r�os, lagos, lluvia, etc.) para hacer las siguientes inferencias de las condiciones del sistema hidrotermal:
—la variaci�n en composici�n del fluido termal a profundidad,
—la temperatura (y presi�n) del fluido a profundidad,
—las rocas relacionadas con los fluidos termales a profundidad,
—el origen de los fluidos, la direcci�n de flujo en el �rea y los tiempos de residencia de los fluidos bajo la superficie,
—el gradiente geot�rmico y la profundidad a la cual se presenta ebullici�n por primera vez en el sistema; esto incluye determinar la posibilidad de encontrar inversiones de temperatura con la profundidad,
—la posibilidad de que haya depositaci�n de minerales a partir del fluido,
—las zonas que presentan un alto flujo,
—la posibilidad de encontrar a profundidad fluidos �cidos, que pueden causar serios problemas por corrosi�n en la etapa de explotaci�n,
—determinar la existencia de componentes en el fluido que puedan tener importancia econ�mica.
La determinaci�n de todos estos par�metros se hace utilizando los resultados de los an�lisis qu�micos e isot�picos de las descargas del sistema en la superficie. Esta metodolog�a se basa en la suposici�n de que tanto el equilibrio qu�mico como el isot�pico se han alcanzado en las interacciones entre el fluido y las rocas del yacimiento. Una vez que se ha alcanzado el equilibrio qu�mico, 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 ser� el contenido del potasio del fluido; por esta raz�n la relaci�n 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 s�lice (Si02) disuelto en el fluido, ya que a mayor temperatura el agua puede disolver m�s s�lice de la roca circundante. La determinaci�n de la temperatura del sistema a profundidad utilizando m�todos qu�micos es muy importante, ya que en la etapa de exploraci�n, es �ste el �nico m�todo por el cual se puede obtener una estimaci�n de la temperatura del yacimiento.
Los is�topos de un elemento son �tomos cuyos n�cleos tienen el mismo n�mero
de protones pero diferente n�mero de neutrones, o sea que tienen la misma carga
pero diferente peso at�mico. Las mol�culas de agua son las m�s abundantes en
los fluidos termales y en ellas se pueden encontrar variaciones dependiendo
de los is�topos de hidr�geno y ox�geno que las formen. El hidr�geno tiene tres
is�topos: el hidr�geno (H con peso at�mico de 1), el deuterio (D con peso at�mico
de 2) y el tritio (T con peso at�mico de 3); y el ox�geno tambi�n con tres:
16O, 17O y 18O (el n�mero indica su peso
at�mico), de los cuales 16O el es el m�s com�n y el 18O
es el que le sigue en abundancia. La relaci�n entre la abundancia del 18O
y del 16O, y del deuterio y el hidr�geno para las aguas de origen
mete�rico (agua de lluvia) sigue en todo el mundo una relaci�n lineal. Esto
se debe a que al evaporarse del agua de mar, las aguas de lluvia van a tener
una menor concentraci�n de is�topos pesados (D y 18O) que la de mar
y a su vez, al ir descargando la lluvia, las mol�culas con los is�topos m�s
pesados ser�n las primeras en precipitarse. Las zonas de mayor evaporaci�n en
el oc�ano se encuentran en la regi�n del ecuador; a partir de �ste y hacia los
polos el agua de lluvia ir� teniendo una mayor p�rdida de is�topos pesados.
Por esta raz�n, en cada regi�n de la superficie de la Tierra las aguas de origen
mete�rico van a tener una determinada concentraci�n de is�topos pesados con
relaci�n al valor est�ndar de la concentraci�n de �stos para el agua de mar
(SMOW-Standard Mean Ocean Water).
Se ha observado que en relaci�n con la concentraci�n est�ndar del agua de mar, las aguas de origen termal presentan un enriquecimiento en la concentraci�n del 18O y se ha demostrado que esto se debe principalmente al intercambio de is�topos de ox�geno con los minerales de las rocas, principalmente el s�lice y algunos sulfatos. Como este intercambio tambi�n depende de la temperatura, la concentraci�n relativa de is�topos de ox�geno en los fluidos tambi�n nos va a servir para determinar la temperatura del yacimiento. Por otra parte, como ya se dijo, los fen�menos como la evaporaci�n van a afectar la composici�n isot�pica del fluido, de esta forma va a ser posible detectar si en el yacimiento han tenido lugar procesos como ebullici�n o diluci�n con aguas de composici�n is�topica diferente. Es por esta raz�n que adem�s de analizar las aguas termales, se analizan las aguas superficiales fr�as, para comparar su composici�n qu�mica e isot�pica y determinar la relaci�n entre ambas.
Es importante recalcar que todos �stos an�lisis deben restringirse a las aguas termales alcalinas o neutrales, ya que las aguas �cidas atacan las rocas de la superficie y los compuestos que contengan en soluci�n no necesariamente provienen o est�n relacionados con las rocas del yacimiento a profundidad, por lo que se pueden obtener resultados err�neos.
Finalmente, adem�s de aportar informaci�n durante la etapa de exploraci�n del campo, las t�cnicas geoqu�micas se aplican tambi�n durante la explotaci�n para determinar los cambios que sufre el sistema debido a la extracci�n de los fluidos termales, como puede ser la entrada en el yacimiento de aguas subterr�neas o superficiales fr�as.
La geof�sica se va a utilizar para definir las dimensiones y la estructura del campo: �rea que ocupa, profundidad a la que se encuentra y principales estructuras relacionadas con la permeabilidad. Esto se logra mediante los siguientes estudios: sensores remotos, gravimetr�a, magnetometr�a, termometr�a, sismolog�a y m�todos el�ctricos y electromagn�ticos.
En las etapas de reconocimiento se aplican sobre todo m�todos que no son muy caros y que permiten cubrir un m�ximo del �rea teniendo una alta raz�n entre beneficio y costo:
Medidas de emisividad en el infrarrojo a partir de im�genes a�reas o de sat�lite. Con este m�todo se van a detectar zonas en las que el flujo de calor en la superficie es an�malamente alto. Al analizar las im�genes, se pueden obtener resultados cualitativos; sin embargo, para determinar valores de la descarga superficial de energ�a es necesario calibrar en el campo la relaci�n entre emisividad y temperatura para los diferentes tipos de suelo.
Termograf�a (mediciones de temperatura en pozos poco profundos: de 1 a 100 m). Este m�todo es �til para complementar el mapeo hecho por im�genes en el infrarrojo, con lo cual se obtiene un mapa con las anomal�as de temperatura superficial y a varias profundidades (someras). Los resultados de estos estudios son b�sicos para establecer los patrones de descarga superficial del sistema hidrotermal y elaborar as� un primer esquema de las zonas m�s permeables y por lo tanto m�s interesantes para la producci�n.
M�todo de perfiles el�ctricos. Este m�todo se basa en hacer circular una corriente el�ctrica 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 par�metros se puede calcular la resistividad de las rocas a una profundidad que depende de la separaci�n entre los electrodos de corriente y los de medici�n (Figura 26). Este m�todo es con mucho el m�s importante para la exploraci�n geot�rmica, ya que la resistividad de las rocas disminuye notablemente cuando �stas se encuentran saturadas por fluidos altamente mineralizados y a temperaturas elevadas, y tambi�n, cuando por la acci�n de estos fluidos los minerales que forman las rocas del yacimiento son alterados hidrotermalmente, transform�ndose principalmente en arcillas, las cuales son minerales con una conductividad muy elevada.
Sondeos el�ctricos verticales. La determinaci�n de la resistividad de
las rocas se efect�a por el m�todo anterior, pero en lugar de llevar a cabo
una cobertura superficial del �rea, se obtiene en cada punto de observaci�n
la variaci�n de la resistividad para diferentes profundidades cambiando la separaci�n
de los electrodos. Esto se puede hacer, ya que la profundidad de penetraci�n
de la corriente depende de qu� tan separados est�n los electrodos: a mayor separaci�n
de �stos, 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 penetraci�n a mayores profundidades queda restringida
por este efecto.
Figura 26. Diagrama del m�todo de Schlumberger para medir resistividad.
A y B: electrodos de inyecci�n de corriente. M y N: electrodos de medici�n de
potencial el�ctrico producido por la corriente inyectada.
M�todos magnetotel�ricos. En este caso, en lugar de hacer circular una
corriente, se utilizan las fuentes naturales de la Tierra: las llamadas corrientes
tel�ricas. Estas corrientes son generadas por las variaciones en el campo magn�tico
terrestre relacionadas con tormentas el�ctricas o emisiones provocadas por la
actividad solar. Debido a su origen, estas corrientes tienen un periodo de variaci�n
(no son constantes) y por esta raz�n se les asocia no s�lo un campo el�ctrico,
sino tambi�n un campo magn�tico.2![[Nota 2]](../imgs/mcommnt.gif){kind=small}
La profundidad a la que pueden penetrar estas corrientes est� relacionada con
el periodo de su variaci�n; entre mayor sea �ste, mayor ser� 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 geot�rmicos �stas 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 geof�sico para establecer variaciones verticales en el grado de alteraci�n de la roca, la litolog�a, la porosidad de las rocas del reservorio y en el grado de saturaci�n, as� como para inferir la profundidad a la que existen cambios de fase en los fluidos geot�rmicos, ya que en contraste con los bajos valores de resistividad provocados por el l�quido caliente y mineralizado, las rocas saturadas con vapor presentan valores altos de resistividad.
Detecci�n del ruido s�smico natural. En un yacimiento que presenta un flujo bif�sico (l�quido y vapor), se observa un aumento de vibraciones debido a la separaci�n de vapor y al movimiento de �ste; a estas perturbaciones se les denomina ruido s�smico debido a la separaci�n de vapor. Este m�todo no es muy usado por la baja proporci�n entre beneficio y costo que presenta.
Una vez establecida durante la etapa de reconocimiento la existencia de un yacimiento geot�rmico, los trabajos entran en la etapa de la exploraci�n a detalle para determinar su potencial energ�tico. Es posible emplear los m�todos ya mencionados, concentr�ndose en las zonas m�s interesantes. En especial se utilizan los m�todos el�ctricos, aplicando diferentes arreglos geom�tricos de los electrodos para lograr mayor penetraci�n o bien resaltar las anomal�as producidas por cambios verticales y horizontales en las rocas. Adem�s, se pueden ampliar los trabajos con los siguientes m�todos:
Gravimetr�a y magnetometr�a. La determinaci�n de las anomal�as en los campos gravitacional y magn�tico de la Tierra, localizados dentro del prospecto geot�rmico, nos permiten identificar las principales estructuras geol�gicas de la zona por el contraste en sus propiedades (densidad y susceptibilidad magn�tica). Por ejemplo: fallas, intrusiones, deformaciones, etc. Adem�s, en el caso de la gravimetr�a tambi�n es posible determinar si existe una depositaci�n de minerales hidrotermales con un contraste de densidad respecto a las rocas del yacimiento; y la magnetometr�a puede ayudar a localizar algunas zonas donde la roca original ha sido demagnetizada por la acci�n de los fluidos termales.
M�todos s�smicos. Los m�todos s�smicos se caracterizan por su alto costo, tanto en los trabajos de campo como en la interpretaci�n de los datos obtenidos. En algunos casos como la exploraci�n petrolera estos m�todos son casi indispensables para la localizaci�n de los mantos petrol�feros. Sin embargo, en su aplicaci�n a la exploraci�n geot�rmica se tiene la desventaja del alto nivel de ruido s�smico existente, ya sea por los cambios de fase o por el movimiento subterr�neo de los fluidos termales. En algunos pa�ses se ha estado experimentando con m�todos de reflecci�n y refracci�n de ondas s�smicas generadas por explosiones, pero no se han obtenido resultados que impulsen el empleo de estos m�todos. Tambi�n se ha experimentado con m�todos teles�smicos, que se limitan a detectar las ondas generadas por movimientos s�smicos muy alejados; se ha observado que al pasar por un yacimiento geot�rmico, las ondas s�smicas sufren un retraso y una atenuaci�n, de esta forma se puede determinar la localizaci�n de �ste. En el caso de la geotermia todos los m�todos s�smicos tienen una raz�n entre beneficio y costo muy baja y en general se prefiere el uso de los otros m�todos mencionados para la exploraci�n del campo.
Durante la explotaci�n del campo, los m�todos geof�sicos son �tiles para mantener un sistema de monitoreo con el objeto de detectar fen�menos de subsidencia (hundimiento) y de aumento en la actividad s�smica. Por otra parte, puesto que los campos geot�rmicos se encuentran localizados generalmente en zonas de actividad tect�nica, la observaci�n de la actividad s�smica es importante para tener un control de las fallas activas en las cercan�as del campo. Las observaciones repetidas de la actividad micros�smica son �tiles tambi�n para indicar los cambios en el campo de esfuerzos provocados por las variaciones de presi�n que resultan de la explotaci�n del campo, ya sea por extracci�n o reinyecci�n de los fluidos termales.
PERFORACI�N DE POZOS EXPLORATORIOS
Una vez que se tiene un modelo preliminar del campo con base en los datos superficiales, se procede a situar un n�mero reducido (de tres a cinco) de pozos exploratorios, con los cuales se pretende corroborar los modelos elaborados y justificar los gastos de la exploraci�n superficial. La restricci�n en el n�mero de pozos se debe a los altos costos de la perforaci�n, 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 m�s de un mill�n de d�lares, o sea que el precio de un solo pozo equivale a varias veces el costo total de la exploraci�n superficial.
Durante la perforaci�n del pozo se toman muestras de las rocas que se van encontrando. Estas muestras tienen la forma de trozos peque�os 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 (n�cleos). Por supuesto que los n�cleos proveen de mejor informaci�n, ya que se conoce exactamente a qu� profundidad corresponden. En cambio las muestras de canal de varias profundidades pueden mezclarse y dar resultados err�neos. A�n antes de terminar el pozo estas rocas son estudiadas para determinar los minerales que se han producido como resultado de la interacci�n de los fluidos termales y la roca del yacimiento. La formaci�n de los minerales de alteraci�n depende tanto de la composici�n qu�mica del fluido como de la temperatura y por lo tanto estos dos par�metros pueden ser inferidos a partir de las observaciones en las muestras, a�n sin haber hecho mediciones directas.
Una forma de determinar la evoluci�n t�rmica del sistema es por medio de peque�as inclusiones del fluido que quedan atrapadas al formarse los minerales de alteraci�n y que van a conservar la composici�n del fluido que las form� (Figura 27). La ventaja de estas inclusiones fluidas es que tambi�n se puede determinar la temperatura a la que se formaron: al enfriarse una inclusi�n el l�quido se contrae por lo que queda un espacio donde se forma una burbuja; al calentarla, esa burbuja desaparecer� cuando se alcance la temperatura de su formaci�n. Es as� como se pueden determinar variaciones qu�micas y t�rmicas que pudieran haber tenido lugar durante la evoluci�n del sistema hidrotermal.
A las muestras de rocas provenientes de los pozos se les hacen an�lisis qu�micos
para obtener la composici�n de rocas alteradas y no alteradas hidrotermalmente
y así determinar los efectos que ha tenido la interacci�n con fluidos
termales en la composici�n qu�mica de las rocas que forman el yacimiento.
Figura 27. Microfotograf�a de una inclusi�n fluida en un mineral hidrotermal
(calcita) proveniente del campo geot�rmico de Los Humeros, Puebla, M�xico. (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 el�ctricos, velocidad s�smica, etc., para determinar las propiedades de las rocas que se encuentran a lo largo del pozo y la variaci�n de la temperatura con la profundidad, lo que en forma indirecta ayuda a inferir la permeabilidad de las rocas, ya que despu�s de haber sido enfriadas por los fluidos de perforaci�n las capas de roca m�s permeables ser�n las que recuperen m�s r�pido su temperatura anterior por la circulaci�n de los fluidos termales a trav�s 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 presi�n durante este tiempo. Una vez, estabilizado el pozo se induce su descarga, es decir la emisi�n continua de fluido, y es s�lo entonces cuando se sabe cu�nto fluido puede producir el pozo y a qu� presi�n y temperatura, determinando de esta forma la cantidad de energ�a el�ctrica que se puede obtener. Éste es el par�metro que nos va a indicar la factibilidad econ�mica de la explotaci�n de un campo: cu�ntos pozos son necesarios para obtener la cantidad planeada de kilowatts el�ctricos, lo cual determina finalmente el costo de la electricidad.
