Perforar con microondas suena a ciencia ficción, pero también lo hace perforar hasta la roca más caliente

Cuando se le pidió que describiera Quaise Energy, el director financiero Kevin Bonebrake dijo: "En su forma más simple, fabricaremos vapor".

Su objetivo es producir vapor lo suficientemente caliente como para alimentar un generador eléctrico construido para funcionar con combustibles fósiles. Planean hacerlo inyectando agua 10 a 20 km hacia abajo, donde la temperatura de la roca es de 400 a 500 °C.

La motivación para perforar pozos en roca de base extremadamente dura es hacer que la energía eléctrica geotérmica sea asequible mediante la producción de vapor que podría usarse para recargar plantas más antiguas conectadas a las redes eléctricas que sirven a los principales mercados.

En el pasado, la energía geotérmica se ha utilizado poco porque hay pocos lugares en el mundo con la combinación adecuada de roca caliente, agua y permeabilidad necesaria para generar vapor de alta calidad.

La roca seca y caliente suele estar disponible, pero producir el vapor supercrítico necesario requiere perforar a profundidades de 10 a 20 km, según el gradiente de temperatura en esa parte de los EE. UU. A esa profundidad, el perforador se enfrentará a rocas como granito y basalto. La roca es capaz tanto de producir vapor sobrecalentado como de destruir los microchips y sellos necesarios para la perforación direccional.

Quaise planea perforar pozos ultraprofundos generando microondas de alta potencia en el sitio de perforación. Las microondas se transmitirán al fondo del pozo para hacer el pozo al derretir y vaporizar la roca del sótano. El único equipo de fondo de pozo es un tubo largo para guiar las olas hacia su objetivo.

Es una de esas ideas en las que la primera reacción de la mayoría de la gente es "eso suena a ciencia ficción", que habla tanto del problema como de la solución propuesta.

"Tienes que pensar diferente para lidiar con ese tipo de temperatura", dijo Henry Phan, vicepresidente de ingeniería de Quaise, cuyo trabajo es convertir este invento en una realidad de ingeniería.

Las altas barreras para perforar pozos de 10 a 20 km de profundidad (33 000 a 66 000 pies) plantean la pregunta, ¿no hay una alternativa?

Una opción más simple, rápida y económica sería usar métodos de perforación probados para alcanzar niveles no tan profundos donde el vapor producido no es tan caliente. Phan lo describió como "vapor más frío, de menor presión y más húmedo".

Ese tipo de energía geotérmica puede ser útil para fines tales como proporcionar calor para la desalinización o energía para los sistemas de enfriamiento central, según un análisis de los esfuerzos de Omán para aprovechar la energía de las zonas de agua caliente debajo de los campos petroleros. Estas zonas no eran lo suficientemente calientes para generar energía eléctrica.

Se habla de usar vapor de zonas que no son tan profundas, pero el análisis de Quaise concluyó que la gran inversión requerida para construir centrales eléctricas capaces de usar ese vapor para generar electricidad haría que la producción fuera antieconómicamente costosa.

Quaise argumenta que encontrar una manera de perforar pozos extremos vale la pena el costo y los riesgos técnicos que conlleva la nueva tecnología y la perforación en formaciones poco conocidas porque ahorraría el costo de construir una planta de energía. Su objetivo es suministrar plantas de combustibles fósiles más antiguas cuyos propietarios estarían ansiosos por convertirse a vapor geotérmico debido al costo asombroso de cumplir con las regulaciones ambientales.

Según el análisis de costos de Quaise, el costo de vida útil por kWh de las centrales eléctricas convertidas que funcionan con su vapor geotérmico sería competitivo con el costo del carbón y el gas y una fracción del costo del vapor geotérmico de baja temperatura.

Eso supone que pueden desarrollar un método para perforar de manera confiable un pozo de gran diámetro (alrededor de 8,5 pulgadas) tan lejos por un precio que no es un factor decisivo.

Para hacer esto realidad, planean utilizar una combinación de métodos de perforación convencionales y de microondas. Usarían la perforación rotatoria, que es más rápida y económica, hasta que la combinación de calor extremo, roca dura y largos tiempos de viaje la conviertan en una opción costosa.

"Perforaremos tan profundo como sea posible utilizando la forma más barata y económica de hacerlo", dijo Phan. Si bien las pruebas recientes han demostrado que es posible perforar más rápido y durante más tiempo usando una barrena PDC en granito, "en algún momento la economía (de la perforación rotatoria) no funciona y luego cambiaremos", dijo.

La perforación con microondas no es tan rápida, pero se espera que la simplicidad del equipo de fondo de pozo (un tubo largo y recto llamado guía de ondas que termina a una distancia segura del fondo del pozo durante la perforación) limite el tiempo improductivo en comparación con la perforación rotatoria en granito. que desgasta rápidamente las brocas. A 30 000 pies, las reparaciones de hardware requieren mucho tiempo.

La energía de microondas se generaría en la superficie con una unidad llamada girotrón alimentada por generadores diesel portátiles o energía de red.

Los perforadores probablemente describirían una guía de ondas, que entrega la energía de microondas en el fondo del pozo con un mínimo de pérdida de energía, como si se pareciera a una tubería de perforación delgada.

Dos de los principales inversionistas de Quaise también tienen profundas conexiones con el negocio del petróleo. Son el gran contratista de perforación, Nabors Industries, y el proveedor de equipos, TechEnergy Ventures, que forma parte del Grupo Techint. Tenaris, un importante fabricante de tubulares para yacimientos petrolíferos, es parte de Techint. Si la perforación por microondas alguna vez despega, las guías de ondas y los equipos automatizados de perforación ultraprofunda podrían ser una forma de beneficiarse de la transición energética.

Los componentes básicos utilizados para la perforación por microondas están probados, pero no para la perforación de pozos.

El girotrón ha sido una herramienta esencial en la búsqueda durante décadas de una forma eficiente de generar energía mediante la fusión de átomos de hidrógeno para crear helio y energía. Su papel ha sido crear el plasma de temperatura ultra alta que está contenido dentro de un campo magnético.

El método que Quaise está tratando de comercializar fue desarrollado por Paul Woskov, ingeniero investigador del Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). En ese momento, estaba buscando una aplicación de tecnología de microondas de alta energía, más probable que se usara durante su vida que la energía de fusión.

"Pensé, ¿por qué no dirigir estos rayos de alta potencia, en lugar de plasma de fusión, hacia la roca y vaporizar el agujero?", dijo Woskov en una historia en línea del MIT.

Las investigaciones anteriores sobre la perforación con microondas utilizaron microondas de baja energía para tensar la roca, lo que permitió que un taladro la triturara más rápido con menos desgaste.

El método que imaginó Woskov sería conceptualmente como usar un láser para cortar, pero las microondas de tamaño milimétrico más grande serían una mejor combinación para crear agujeros de mayor tamaño.

Las muestras de roca dura que se usaron para las pruebas mostraron cada una un orificio redondo con un perímetro oscuro con textura de lava o roca endurecida, según la roca. Si la roca tiene un grano fino uniforme, el calor extremo puede vitrificarla y crear una pared de vidrio.

Quaise fue cofundada por Carlos Araque, su director ejecutivo, un ex ingeniero de Schlumberger con experiencia en desarrollo de productos. Aprendió sobre el método de perforación por microondas cuando era director técnico de la firma de capital de riesgo del MIT, The Engine.

La compañía posee los derechos exclusivos de la patente del MIT sobre el uso de microondas para perforar y ha solicitado y obtenido patentes adicionales en función de lo que ha aprendido desde que comenzó en 2018.

El objetivo de Quaise es perforar los pozos necesarios para alimentar una planta de energía piloto para 2026 y entregar un sistema comercial para 2028. Por ahora, el equipo de ingeniería de 28 miembros, ubicado cerca de Houston, en Boston y Cambridge, Reino Unido, está trabajando en la perforación. agujeros más largos en el laboratorio y preparándose para las pruebas de campo en los próximos dos años.

Este año, su objetivo es perforar un pozo 100/1, es decir, un pozo de 100 pulgadas de largo y 1 pulgada de diámetro, o diez veces su mejor nivel anterior. Al mismo tiempo, están diseñando los equipos más potentes y duraderos que se necesitan para perforar pozos más grandes y más largos en el campo.

Para hacerlo, ordenaron un girotrón de 1 MWh que les permitirá escalar en un sitio donde la plataforma de perforación que perforó el orificio superior manejaría la guía de ondas a medida que el pozo se profundiza.

"Estamos diseñando la plataforma para tomar todo este equipo que han estado usando en los experimentos de fusión y haciéndolo más resistente y haciéndolo para que pueda usarse con una plataforma terrestre típica", dijo Bonebrake.

En comparación con la perforación rotatoria, hacer agujeros con microondas parece tan simple como disparar una pistola de rayos.

El único equipo de fondo de pozo es la guía de ondas. El tubo que se necesita para una guía de ondas es considerablemente más liviano que el que se usa para perforar porque el diámetro de la tubería es más angosto y no tan grueso. Esto es posible porque el peso sobre la broca y el torque no son factores en el desempeño de la perforación por microondas.

No hay partes móviles en el fondo del pozo, pero hay muchos elementos de diseño patentados en la guía de ondas, desde cómo se ensancha en el punto de salida para estimular un área de tamaño constante hasta modificaciones dentro del tubo para limitar la pérdida de energía.

Mantener una ruta de pozo recta es fundamental porque las curvas pueden interferir con un haz de energía que se desplaza en línea recta.

Eso requeriría una gestión estricta de los problemas de calidad del pozo que se encuentran comúnmente en los pozos de petróleo, donde los estudios de trayectoria del pozo basados ​​en mediciones de fondo de pozo durante la perforación incluyen un área llamada "cono de incertidumbre".

Las preocupaciones sobre la interferencia también afectan los planes sobre cómo gestionar la limpieza de los pozos. Al cambiar a la perforación por microondas, planean usar una corriente de gas a alta presión para limpiar los desechos de perforación, que Bonebrake describió como "partículas vaporizadas finas".

Dos opciones en juego son el nitrógeno y el aire. El aire es más barato pero contiene algo de agua.

El haz de microondas puede lidiar con pequeñas cantidades de agua que se encuentran durante la perforación; Phan dijo que "las microondas pueden vaporizarlo". Pero eso no funcionaría si perforaran una gran falla llena de agua con alta permeabilidad. Tales peligros son "poco probables de ocurrir en la roca del sótano profundo", dijo Bonebrake.

Un profesor cuyo trabajo se ha centrado en las propiedades de las formaciones a estas profundidades dijo que la roca seca y caliente no está totalmente seca.

"Hay indicios de fluidos en toda la corteza frágil (típicamente los 15 a 20 km superiores)", dijo Mark Zoback, profesor de geofísica en la Universidad de Stanford. Agregó que el "agua se concentra en fracturas y fallas, pero la matriz también está saturada, aunque la porosidad y la permeabilidad son bastante bajas".

Zoback fue coautor de un artículo en Geology (2000) que cita varios estudios que miden la permeabilidad en la roca del basamento. Informó grandes diferencias en la permeabilidad observada en muestras de rocas pequeñas frente a medidas de áreas más amplias basadas en pruebas de presión. Explicó esa brecha señalando que las grandes áreas incluían fracturas y fallas, algunas aisladas y otras conectadas a redes más grandes de fisuras.

"La alta permeabilidad, de tres a cuatro órdenes de magnitud más alta que la medida en muestras de núcleos, parece ser mantenida por fallas sometidas a esfuerzos críticos y facilita en gran medida el movimiento de fluidos a través de la corteza quebradiza", escribieron los autores.

Al describir las fuentes de datos, los autores mostraron cuán pocos pozos de investigación se han perforado a esas profundidades. Si bien se han perforado algunos pozos de petróleo extremadamente profundos, no estaban en granito porque es muy poco probable que haya hidrocarburos allí.

El objetivo de Quaise es perforar mucho más allá del más profundo de los pozos de investigación mencionados en el documento: el pozo superprofundo de Kola en Rusia, que tenía 12,2 km de profundidad. Todos los demás tenían menos de 10 km de profundidad.

Si golpean una falla llena de agua en una roca extremadamente profunda mientras perforan con microondas, Phan dijo que su primera opción sería sellar el pozo "mientras estamos perforando y mantener el agua detrás de la pared vitrificada. Si el volumen de agua es significativamente mayor que podemos sellar, luego podemos convertir esto en un pozo hidrotermal tradicional".

La roca verdaderamente caliente y seca presenta sus propios desafíos. La generación de vapor requerirá encontrar formas de crear rutas de flujo desde los pozos de inyección de agua hasta los productores de vapor. Esas fracturas deberán estrecharse lo suficiente para garantizar que el agua esté expuesta a la roca durante el tiempo suficiente para sobrecalentarse. El volumen también es importante porque necesitan limitar la cantidad de pozos costosos requeridos.

En el lado positivo, el documento sobre permeabilidad profunda decía que existen fracturas naturales para ayudar a crear tales redes. Bonebrake y Phan dijeron que la compañía está en contacto con varias compañías que trabajan en el problema, que también es el foco de un proyecto de investigación financiado por el gobierno federal en las instalaciones FORGE de Utah del Departamento de Energía de EE. UU.

"Todo esto es algo que debe probarse", dijo Phan.

Cómo las fallas mantienen la corteza fuerte por John Townend y Mark D. Zoback. Geología (2000) 28 (5): 399–402.