La perforación por microondas suena a ciencia ficción, pero también lo parece la perforación 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 entre 10 y 20 km hasta donde la temperatura de la roca sea de 400 a 500°C.

La motivación para perforar pozos en basamentos de roca extremadamente dura es hacer que la energía eléctrica geotérmica sea asequible mediante la producción de vapor que podría usarse para repotenciar plantas más antiguas conectadas a redes eléctricas que abastecen 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 producir vapor de alta calidad.

Generalmente se dispone de roca caliente y seca, pero para producir el vapor supercrítico necesario es necesario perforar a profundidades de 10 a 20 km, dependiendo del gradiente de temperatura en esa parte de Estados Unidos. A esa profundidad, el perforador se enfrentará a rocas como granito y basalto. La roca es capaz de producir vapor sobrecalentado y destruir los microchips y sellos necesarios para la perforación direccional.

Quaise planea perforar agujeros ultraprofundos generando microondas de alta potencia en el lugar de perforación. Las microondas se transmitirán en el fondo del pozo para hacer el agujero derritiendo y vaporizando la roca del basamento. El único equipo de fondo de pozo es un tubo largo para guiar las olas hacia su objetivo.

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

"Hay que pensar de manera 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 la perforación de pozos de 10 a 20 km de profundidad (33.000 a 66.000 pies) plantean la pregunta: ¿no existe una alternativa?

Una opción más sencilla, rápida y económica sería utilizar métodos de perforación probados para alcanzar niveles no tan profundos donde el vapor producido no esté 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 sistemas centrales de refrigeración, 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 como para generar energía eléctrica.

Se habla de utilizar vapor de zonas que no son tan profundas, pero el análisis de Quaise concluyó que la gran inversión necesaria para construir centrales eléctricas capaces de utilizar ese vapor para la generación eléctrica haría que la producción fuera antieconómicamente costosa.

Quaise sostiene que encontrar una manera de perforar pozos extremos vale la pena el costo y los riesgos técnicos que conllevan las nuevas tecnologías y la perforación en formaciones poco conocidas porque ahorraría el costo de construir una planta de energía. Su objetivo es abastecer plantas más antiguas que funcionan con combustibles fósiles cuyos propietarios estarían ansiosos por convertirlas a vapor geotérmico debido al asombroso costo 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 vapor geotérmico sería competitivo con el costo del carbón y el gas y una fracción del costo del vapor geotérmico de menor temperatura.

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

Para que esto sea una realidad, planean utilizar una combinación de métodos de perforación convencionales y por microondas. Utilizarían perforación rotativa, que es más rápida y económica, hasta que la combinación de calor extremo, roca dura y largos tiempos de disparo la conviertan en la opción costosa.

"Perforaremos lo más profundo posible utilizando la forma más barata y económica de hacerlo", dijo Phan. Si bien pruebas recientes han demostrado que es posible perforar más rápido y por más tiempo usando una broca PDC en granito, "en algún momento la economía (de la perforación rotativa) no funciona y luego la 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 no productivo en comparación con la perforación rotativa 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 diésel portátiles o energía de la red.

Los perforadores probablemente describirían una guía de ondas, que suministra energía de microondas al fondo del pozo con un mínimo de pérdida de energía, como una delgada tubería de perforación.

Dos de los principales inversores de Quaise también tienen profundas conexiones con el negocio petrolero. Se trata del 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 función ha sido crear el plasma de temperatura ultraalta contenido dentro de un campo magnético.

El método que Quaise está intentando 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 la tecnología de microondas de alta energía, más probable que se utilizara 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 un artículo en línea del MIT.

Investigaciones anteriores sobre perforación por microondas utilizaron microondas de menor energía para tensar la roca, lo que permitió que un taladro la puliera más rápido con menos desgaste.

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

Las muestras de roca dura utilizadas para las pruebas mostraron cada una con un agujero redondo con un perímetro oscuro con la textura de lava endurecida o roca, dependiendo de la roca. Si la roca tiene un grano uniformemente fino, 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 riesgo del MIT, The Engine.

La compañía posee los derechos exclusivos de la patente del MIT sobre el uso de microondas para perforación y ha solicitado y obtenido patentes adicionales basándose en 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 marca anterior. Al mismo tiempo, están diseñando equipos más potentes y duraderos necesarios 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 pozo superior manejaría la guía de ondas a medida que el pozo se profundizara.

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

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

El único equipo de fondo de pozo es la guía de ondas. El tubo necesario para una guía de ondas es considerablemente más ligero que el utilizado para taladrar porque el diámetro del tubo es más estrecho y no tan grueso. Esto es posible porque el peso de la broca y el torque no son factores que influyen en el rendimiento de la perforación con 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 trayectoria recta del pozo es fundamental porque las curvas pueden interferir con un haz de energía que viaja en línea recta.

Eso requeriría una gestión estricta de los problemas de calidad de los pozos que se encuentran comúnmente en los pozos petroleros, 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 utilizar una corriente de gas a alta presión para limpiar los escombros de la perforación, que Bonebrake describió como "partículas finas vaporizadas".

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 manejar pequeñas cantidades de agua encontradas 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. Es poco probable que tales peligros ocurran en un basamento rocoso 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 frágil corteza (normalmente entre los 15 y 20 kilómetros superiores)", dijo Mark Zoback, profesor de geofísica de la Universidad de Stanford. Agregó que el “agua se concentra en fracturas y fallas, pero la matriz también está saturada, aunque la porosidad y permeabilidad son bastante bajas”.

Zoback fue coautor de un artículo en Geology (2000) que citaba varios estudios que miden la permeabilidad en la roca del basamento. Informó grandes diferencias en la permeabilidad observada en muestras de rocas pequeñas versus 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 mayor que la medida en muestras de núcleos, parece mantenerse mediante fallas críticamente estresadas y facilita en gran medida el movimiento de fluidos a través de la frágil corteza", 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 petroleros extremadamente profundos, no eran de granito porque es muy poco probable que haya hidrocarburos allí.

El objetivo de Quaise es perforar mucho más allá del pozo de investigación más profundo mencionado en el artículo: el pozo Kola Superdeep en Rusia, que tenía 12,2 km de profundidad. Todos los demás se encontraban a menos de 10 kilómetros de profundidad.

Si encuentran 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 perforamos y mantener el agua detrás de la pared vitrificada. Si el volumen de agua es significativamente mayor del que podemos sellar, entonces podemos convertirlo en un pozo hidrotermal tradicional”.

La roca verdaderamente caliente y seca presenta sus propios desafíos. Generar 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 quede expuesta a la roca el tiempo suficiente para sobrecalentarse. El volumen también importa porque necesitan limitar la cantidad de pozos costosos necesarios.

En el lado positivo, el documento sobre la permeabilidad profunda decía que existen fracturas naturales que ayudan a crear dichas 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 con fondos federales en las instalaciones FORGE de Utah del Departamento de Energía de EE. UU.

"Todo esto es algo que necesita ser probado", dijo Phan.

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