Prueba de sonda para medición de flujo de calor somero en zonas geotérmicas

Número de proyecto

P23

Título de proyecto

Prueba de sonda para medición de flujo de calor somero en zonas geotérmicas

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollo e innovación de técnicas de exploración

Responsable de proyecto

Víctor Hugo Garduño Monroy

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

Geocónsul, S.A. de C.V.

Hot Dry Rocks Pty Ltd, HDR

Antecedentes y justificación

La medición del flujo de calor de origen geotérmico, su mapeo y la elaboración de mapas locales, regionales o nacionales de su comportamiento y anomalías, es una de las fases iniciales fundamentales en la exploración geotérmica, ya que aquellas zonas con alto flujo de calor son las más atractivas para su exploración posterior con más detalle, principalmente cuando se exploran recursos geotérmicos de roca seca caliente y/o recursos de tipo hidrotermal sin manifestaciones termales superficiales (probables yacimientos ciegos). En un mapa de flujo de calor de una zona o región pueden destacarse zonas anómalas de calor que correspondan a fuentes de calor en el subsuelo, de manera análoga a la que los métodos geofísicos convencionales delinean anomalías gravimétricas, magnéticas, eléctricas o sónicas que pueden asociarse con un posible sistema geotérmico en el subsuelo.

La barrera principal para medir flujo de calor geotérmico a niveles someros es la perturbación térmica de los ciclos diurno y estacional de la temperatura en la superficie terrestre. Por lo tanto, el procedimiento convencional es perforar pozos de gradiente a profundidades de 100 metros o más a fin de evitar tal perturbación. Este procedimiento es relativamente costoso, porque implica el uso de un equipo de perforación similar a los empleados en minería o en la perforación de pozos de agua. Así, un método que permita calcular el flujo de calor geotérmico a partir de mediciones con sondas a escasa profundidad, haría más expedita y menos costosa la obtención de mapas de flujo de calor.

Por lo menos desde 1950 se han desarrollado sondas para medir flujo de calor en el océano (Bullard, 1954; Gerald et al., 1962). Esas primeras sondas evolucionaron hacia la llamada sonda Lister, que podía medir la conductividad térmica in situ. En tierra, Sass et al. (1981) construyeron una sonda para medir flujo de calor durante la perforación de pozos, lo que se hacía interrumpiendo la perforación. También se han empleado sondas para medición somera de temperatura en la exploración de sistemas geotérmicos convencionales, donde usualmente hay elevados flujos de calor y altos gradientes térmicos que hacen fácilmente detectables las anomalías. La mayoría de estas sondas requieren insertar los termistores a 1 o 2 metros de profundidad y dejar que la temperatura se equilibre. Más recientemente, Coolbaugh et al. (2007) describieron una metodología para detectar sistemas geotérmicos ciegos (sin manifestaciones termales superficiales) mediante la medición de temperatura a 2 m de profundidad con sondas que contenían termómetros con resistencias de platino. Una variante posterior del método (Coolbaugh et al., 2010) permite detectar anomalías del orden de ±0.5°C a 2 metros de profundidad.

El flujo de calor conductivo es producto del gradiente térmico y de la conductividad térmica. El flujo de calor promedio en los continentes es de 0.06 W/m2 (específicamente de 65 mW/m2, de acuerdo con Pollack et al., 1993), mientras que el gradiente térmico promedio es de unos 25°C por kilómetro de profundidad (0.025°C/m). Las anomalías de flujo calor que pueden ser de interés en la exploración geotérmica empiezan con valores 25% superiores al promedio. Por lo tanto, la temperatura promedio del terreno a un metro de profundidad tendría que ser al menos 0.006°C superior al promedio de 0.025°C para resultar de probable interés geotérmico. Para detectar una variación tan pequeña, se requiere una sonda y una metodología que resulten dos órdenes de magnitud más sensibles que la descrita por Coolbaugh et al. (2010).

Motivación

El flujo de calor conductivo es probablemente la única manifestación superficial medible del estado térmico de la corteza terrestre en un sitio determinado. Sin embargo, el componente geotérmico del flujo de calor (en promedio de unos 0.06 watts por metro cuadrado, como se indicó arriba) es enmascarado por la irradiación solar (el máximo promedio diario es de unos 300 W/m2) a niveles someros. Por ello, como se indicó antes, las mediciones de flujo de calor deben realizarse en pozos a un mínimo de 100 metros de profundidad, es decir más allá del nivel de influencia del ciclo estacional de la temperatura superficial.

La compañía Hot Dry Rocks (HDR), que es uno de los participantes de este proyecto, ha estado desarrollando y probando una herramienta para detectar variaciones del flujo de calor geotérmico a partir de mediciones realizadas a un máximo de 1.5 metros de profundidad (Beardsmore, 2012). La idea es registrar datos de series de tiempo y utilizar un filtrado de frecuencias para revelar variaciones en la señal de origen geotérmico enmascarada por la señal solar variable en el tiempo. El objetivo es detectar variaciones en el orden de una centésima de watt por metro cuadrado (0.01 W/m2), lo que significa una sensibilidad varios órdenes de magnitud mayor que las sondas de temperatura somera existentes en el mercado.

HDR ha diseñado, fabricado y calibrado un juego de doce sondas prototipo, que se han probado en condiciones reales del terreno en Australia, y que mediante este proyecto se probarían también en varias zonas geotérmicas de la República Mexicana. Estas pruebas contribuirán al diseño final de una sonda que eventualmente podría utilizarse de manera estándar como una herramienta geofísica adicional a las usadas convencionalmente en la exploración de nuevas zonas geotérmicas, particularmente en aquellas que carecen de manifestaciones termales superficiales, conocidas como sistemas geotérmicos ciegos. Adicionalmente, permitirían obtener datos puntuales de flujo de calor en esas mismas zonas geotérmicas de México.

Objetivos y metas

El objetivo general del proyecto es probar prototipos de sondas para medición somera de temperatura y definir datos de flujo de calor geotérmico en algunas zonas de México.

Los objetivos específicos y metas son las siguientes:

  • Probar y evaluar en condiciones reales de campo el prototipo más novedoso de sondas para medir temperaturas someras y definir flujo de calor geotérmico.
  • Identificar problemas o mejoras que puedan integrarse al diseño final de la sonda cuyo uso pudiera estandarizarse en mediciones futuras.
  • Obtener mediciones puntuales de flujo de calor geotérmico en las zonas y campos geotérmicos de Los Humeros y Acoculco, en el estado de Puebla, y Los Azufres y Simirao en el estado de Michoacán.
  • Comparar esas mediciones de flujo de calor geotérmico con datos previamente conocidos, y asociarlas con las características geológicas y geotérmicas conocidas en cada zona y campo geotérmico.
  • Definir una metodología para ofrecer eventualmente un servicio de exploración estandarizado a posibles clientes públicos y privados de México y del extranjero, que podría ampliarse a la exploración minera y a la búsqueda de otras fuentes de calor en el subsuelo.
  • Formar recursos técnicos y humanos en el CEMIE-Geo capaces de ofrecer eventualmente el servicio mencionado, en conjunto con la firma HDR.
  • Dejar instalado y operando en la UMSNH para el CEMIE-Geo el equipamiento siguiente: Prensa de carga GDS, Celda triaxial con componentes y empaques, Emisor-receptor de ondas sísmicas, Osciloscopio digital TDS2000C Tektronix, Transductores panamétricos V153-RM Olympus, Bastidor 50-C5902/FR con célula Hoek y accesorios para el bastidor, Cortadora tipo 45-D0536, Máquina para extracción de testigos tipo 45-C0330, Máquina pulidora de muestras tipo M 55-C0201/B, Porosímetro automatizado de mercurio, Bomba de vacío, Regulador de gas de dos fases, Estándar de material de referencia de baja presión, Bandeja para derrame de mercurio, Equipo para ensayo de tracción indirecta, Mini grúa de techo de 1000 kg de capacidad, Computadora de escritorio y mobiliario y equipo básico de laboratorio.

El programa general de trabajo constará de cuatro fases generales, que se llevarán a cabo en un total de tres etapas de seis meses naturales cada una, tal como se indica en el cronograma del punto X. El proyecto arrancará en la segunda etapa del CEMIE-Geo y terminará en la cuarta etapa, por lo que en la primera etapa no habrá actividades. Las cuatro fases del proyecto son las siguientes:

  • Fase 1 (Etapa 2 del CEMIE-Geo): Integración del grupo de trabajo y definición de la logística para desarrollar el proyecto.
  • Fase 2 (Etapas 2 y 3 del CEMIE-Geo): Los Azufres y Simirao, Mich. Instalación, monitoreo y recuperación de sondas, procesado e interpretación de datos recuperados.
  • Fase 3 (Etapas 3 y 4 del CEMIE-Geo): Los Humeros y Acoculco, Pue. Instalación, monitoreo y recuperación de sondas, procesado e interpretación de datos recuperados.
  • Fase 4 (Etapa 4 del CEMIE-Geo): Elaboración de un informe técnico final y un informe geotérmico de las zonas evaluadas.

Número de proyecto

P23

Título de proyecto

Prueba de sonda para medición de flujo de calor somero en zonas geotérmicas

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollo e innovación de técnicas de exploración

Responsable de proyecto

Víctor Hugo Garduño Monroy

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

Geocónsul, S.A. de C.V.

Hot Dry Rocks Pty Ltd, HDR