Evaluación del potencial y la sobre-explotación de la capacidad de poder geotérmico de México usando isótopos de gases nobles

Número de proyecto

P20

Título de proyecto

Evaluación del potencial y la sobre-explotación de la capacidad de poder geotérmico de México usando isótopos de gases nobles

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Evaluación de los recursos geotérmicos nacionales

Responsable de proyecto

Aída López Hernández

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

University of Michigan, UMICH

Université du Québec à Montréal, UQÀM

University of Waterloo, UWATERLOO

Antecedentes y justificación

México está en una encrucijada decisional en la diversificación de sus fuentes energéticas y el desarrollo pleno (y/o mantenimiento) de su capacidad de energía geotérmica. Por un lado, la exploración de nuevos objetivos esta detenida: en los últimos años la falta de apoyo financiero han limitado el desarrollo de nuevos campos geotérmicos como Las Tres Vírgenes y Los Humeros. Las Tres Vírgenes es el más reciente campo de operación en México. Se encuentra en el centro de la península de Baja California. Este campo tiene sólo 4 pozos perforados y una planta de energía de la capacidad limitada. Otro campo geotérmico descubierto y desarrollado a principios de los años 80, Los Humeros, cuenta con 24 pozos perforados en una caldera Cuaternaria situada en la parte centro-oriental de México, en el extremo oriental de la Faja Volcánica Transmexicana (región de Puebla). Este campo se ha trasladado recientemente a la fase II, casi 30 años después de su descubrimiento, que entró en pleno funcionamiento con una nueva planta de energía de 50 MHW comisionada en 2012. Nuevas áreas más pequeñas, como el lago de Cuitzeo están en el comienzo de la fase de exploración (ver Flores-Armenta, 2012 para una revisión del estado del arte del desarrollo geotérmico mexicano) y prácticamente no se han realizado aun estudios extensos.

Por otro lado, los dos campos geotérmicos de nivel mundial de México, Cerro Prieto y Los Azufres se enfrentan a cada vez más problemas de disminución de la capacidad de energía y la reducción de la duración de la reserva. Cerro Prieto es el campo geotérmico mexicano más grande y antiguo en funcionamiento. Situado en la parte norte de México, los primeros propulsores fueron comisionados en 1973. La explotación comercial comenzó en 1973, por lo que este yacimiento ha estado bajo condiciones de extracción por alrededor de 40 años. Más de 400 pozos geotérmicos se han perforado en 38 años: 174 pozos de producción estaban todavía en funcionamiento durante el año 2011. También había 18 pozos de inyección en funcionamiento (Flores-Armenta, 2012). En la actualidad, existe una campaña de exploración en marcha y proyectos para regular la producción de vapor con el fin de compensar el descenso y ser capaz de alcanzar un nivel sostenible de producción y generación en el campo. El descenso está relacionado con la extracción a gran escala llevada a cabo en los años 90, junto con la re-inyección de salmueras frías utilizadas para mantener la presión del yacimiento, pero que tiene la consecuencia de la reducción de la entalpía del reservorio.

Los Azufres es el segundo campo geotérmico que opera en México, en el estado de Michoacán. Está en funcionamiento desde 1988, con más de 100 pozos perforados en dos áreas separadas dentro de la caldera de Los Azufres. Varios pozos de reinyección aseguran el mantenimiento de la presión. Sin embargo, dos estudios separados realizados en un intervalo de 10 años (González-Partida et al, 2005; Pinti et al, 2013) han demostrado claramente que la invasión de agua más fría se acerca peligrosamente a la zona de alta entalpía del depósito donde la producción en masa está concentrada. Aunque lejos de la disminución de la producción de Cerro Prieto, un programa de monitoreo serio es establecido para evitar la reducción de la producción de vapor y, posiblemente, el desarrollo de nuevas áreas de producción.

A solicitud del personal de la Gerencia de Proyectos Geotermoeléctricos de la CFE, se incluirá en este proyecto, el campo geotérmico de La Primavera, ubicado en el estado de Jalisco, al oeste de la ciudad de Guadalajara. Se trata de una zona geotérmica asociada a una caldera volcánica cuaternaria cuyos productos son principalmente silíceos. Este campo aún no se ha desarollado y se pretenden conocer sus condiciones iniciales.

La comprensión de las condiciones del yacimiento en el campo geotérmico de nuevo y en desarrollo (Las Tres Vírgenes y Los Humeros) y su evolución en los más antiguos (Los Azufres y Cerro Prieto) se ha hecho históricamente, entre otros, con amplios estudios geoquímicos (por ejemplo, Arnold y Gonzales-Partida, 1987; Truesdell et al, 1979; Welhan et al, 1979. Birkle et al, 2001; Gonzales-Partida et al, 1995; Verma et al, 2006). Sin embargo, uno de los marcadores más potentes de la evolución de fluidos en un depósito geotérmico, es decir los isótopos de gases nobles, ha sido mayormente ignorado para su aplicación en la exploración de los campos geotérmicos mexicanos. Efectivamente, con la excepción de los trabajos de Mazor y Truesdell (1984), Truesdell et al. (1979) y Welhan et al. (1979) en Cerro Prieto y algunos datos de Polyak et al. (1985) y Prasolov et al. (1999) en Los Azufres, los estudios de gases nobles están simplemente ausentes. Unos pocos estudios tratan con las mediciones de concentraciones de He y Ar en varios pozos de Los Azufres como seguimiento de trazadores de producción (Arriaga, 2002. Barragán et al, 2006). Sólo recientemente, Pinti et al. (2013) llevaron a cabo una investigación más extensa sobre gases nobles en ambos pozos geotérmicos y aguas termales de Los Azufres utilizando gases nobles, los isótopos estables del agua (C, O, H) e isótopos radiogénicos (proporciones 87Sr/86Sr). Este estudio permitió, entre otros, identificar mejor las fuentes magmáticas del campo, su extensión geográfica situada fuera de la caldera hacia el Lago de Cuitzeo, y mostró el aumento de la invasión de las salmueras utilizadas cerca de la zona de producción. En la actualidad se obtuvo un nuevo estudio sobre los isotopos de Cl y Br con la universidad de Waterloo (O. Shouakar-Stash) y se obtuvieron algunos datos de LTV y CP (Birkle, Pinti y Castro, datos no publicados).

Sin embargo, los gases nobles, elementos químicos inertes y raros, son excelentes marcadores de la dinámica de fluidos dentro de un depósito geotérmico (por ejemplo, Mazor y Truesdell, 1984; Smith y Kennedy, 1985; Kennedy et al, 1991; Kennedy y Truesdell, 1996; Kennedy y Van Soest, 2006). Sus isótopos se pueden originar a partir de tres fuentes: la fuente magmática del campo (He3); atmosférica del agua subterránea que recarga (20 Ne, Ar36, 84 Kr y Xe132) y radiogénicos (principalmente 4He pero a veces 40Ar*) del decaimiento de U, Th y K contenido en las rocas del yacimiento.

El He3 Magmático es el principal isótopo utilizado en campos geotérmicos para la detección de los fluidos que más interactuaron con el cuerpo magmático en el origen del campo (y por lo tanto las áreas donde los fluidos de alta entalpía circulan). El coeficiente He3/He4 varía desde el valor atmosférico de 1.386 x 10 -6 (o 1Ra por definición; Lupton, 1983) en aguas dulces de recarga entran en el campo a 7-8 veces del valor Ra para agua magmática pura (Giggenbach, 1992) (8RA es el valor de la parte superior del manto; Ozima y Podosek, 1983). Un amplio estudio de los isótopos de helio en ambos pozos y manantiales o fumarolas termales naturales puede dar pistas sobre la región donde los fluidos más profundos y más calientes se mueven cerca de la superficie, relacionando estos movimientos con características tectónicas o geológicas. Junto con otros sistemas isotópicos como los isótopos radiogénicos (Nd, Sr), el helio puede ser útil para determinar el origen magmático procedente del campo. Este tipo de estudios puede tener algunos resultados sorprendentes. A modo de ejemplo, Pinti y colaboradores (2013) han demostrado, mediante el acoplamiento de isotópos de Sr y He medidos en fluidos de Los Azufres, que las fuentes de calor magmático no están relacionados con los cuerpos riolíticos diferenciados del Cuaternario tardío que están extruidos en la parte sur del campo, pero están muy arraigados a los plutones basálticos primitivos, probablemente intruidos en el basamento metamórfico bajo las rocas volcánicas.

Los gases nobles atmosféricas se disuelven en agua a la recarga. Sus concentraciones relativas y proporciones elementales dependen de sus respectivas solubilidades en agua a una temperatura determinada (por ejemplo, Mazor, 1972). Sólo los procesos físicos en profundidad pueden modificar estas relaciones elementales. Se ha encontrado que en los pozos geotérmicos estas relaciones se modifican en gran medida durante la separación de ebullición y vapor de agua causada por la re-inyección de fluidos o durante la presión del yacimiento y los cambios de temperatura (por ejemplo, Mazor y Truesdell, 1984; Kennedy et al, 1985; Pinti et al., 2013). Más interesantes, las concentraciones absolutas de gases nobles atmosféricos pueden ser utilizadas para calcular los volúmenes de fluidos inyectados, una forma de cuantificar la invasión de salmuera en la zona productiva (Kennedy et al, 1999; Kennedy y Schuster, 2000).

Finalmente los gases radiogénicos como el 4Ha sido mayormente ignorado en el depósito geotérmico, suponiendo que el agua dulce recarga el sistema, se calienta y luego se descarga en un breve periodo. Ahora, una de las principales preocupaciones en yacimientos geotérmicos es el tiempo de residencia del agua en el sistema. Este es un parámetro importante para cuantificar porque la tasa de explotación de los fluidos y la tasa de recarga del sistema está profundamente relacionada con la "edad" del fluido explotado. Ahora el helio radiogénico de la "corteza" se encuentra en la mayoría de los yacimientos geotérmicos. Esto es a menudo interpretado como un reflejo del envejecimiento del cuerpo magmático: campos geotérmicos más jóvenes muestran fluidos dominados por 3He magmáticas mientras que los campos más viejos donde el emplazamiento de la fuente magmática ocurrió hace varios cientos de miles o millones de años atrás, los fluidos están dominadas por He4 de la corteza producido por desintegración del U y Th contenido en el cuerpo de magmático antiguo. Sin embargo, conociendo la tasa de producción de helio en las rocas del yacimiento, la cantidad de helio podría dar estimaciones del tiempo de residencia de los fluidos en el depósito (por ejemplo, Phillips y Castro, 2003). En efecto, los datos no publicados (Birkle, Pinti y Castro, 2012) obtenidos en Las Tres Vírgenes sugiere un tiempo de residencia mínimo del fluido de 10-14 Ka, dentro del rango de edades 14 C obtenidas por Birkle y Portugal-Marin (2012, enviado). Sin embargo, las edades U-Th/He obtenidas de unos pozos de Cerro Prieto dan edades mínimas de 2-3 Ma, edad de la formación de arenisca de alojamiento, sugiriendo la presencia de agua en los poros connados en las secciones más profundas del reservorio.

La investigación propuesta pretende llenar este vacío científico y tecnológico en la exploración de energía geotérmica de México utilizando ampliamente los gases nobles, junto con los isótopos estables de la molécula de agua clásicos (H, C, O) y nuevos (Cl, Br) y los isótopos radiogénicos (Sr) en 4 campos geotérmicos, a saber, Cerro Prieto (CP), Los Azufres (LA), Los Humeros (LH) y Las Tres Vírgenes (LTV). El objetivo principal es ayudar a explorar e identificar nuevas zonas de producción en el LTV y LH y controlar la evolución del fluido en LA y CP. Teniendo en cuenta las vueltas de corta duración para la realización de este proyecto (4 años), que no tiene la ambición de ser concluyente, pero sin duda los resultados de estos estudios darán beneficios inmediatos en la comprensión de los yacimientos geotérmicos explotados. Serán también una orientación directa y unívoca para futuros desarrollos en la investigación geotérmica y la exploración de nuevas áreas.

Objetivos y metas

El objetivo principal de este estudio es llevar a cabo un amplio estudio con gases nobles en los cuatro campos geotérmicos citados, a saber, Cerro Prieto (CP), Los Azufres (LA), Los Humeros (LH) y Las Tres Vírgenes (LTV). Y a solicitud expresa de CFE se incluye el muestreo en La Primavera con el propósito de conocer las condiciones iniciales de ese yacimiento. Estos trazadores de fluidos, junto con otros isótopos (Sr, H, C, O) serán herramientas únicas para:

  • Identificar las áreas donde los fluidos geotérmicos de alta entalpía circulan en el depósito utilizando He3magmático como un proxy de flujo de calor (por ejemplo, Kennedy et al, 1985; Sano y Wakita, 1985). Esto se realizará por primera vez en Los Humeros, en todos los pozos perforados disponibles y de aguas termales y fumarolas (sólo existen unos datos para Los Humeros no.1, pero el valor está claramente sobreestimado y debe ser reproducido, Polyak et al., 1985). Tenemos datos no publicados de cuatro pozos de Las Tres Vírgenes, pero la contaminación atmosférica obstaculizo los datos de este campo. Además tenemos que ampliar la investigación con helio a las manifestaciones locales y superficiales gaseosas y de agua caliente. En Cerro Prieto y Los Azufres, el estudio con helio debe integrarse con los valores conocidos anteriores y seleccionar un número razonable de pozos para obtener la imagen más clara posible de la distribución de fluidos calientes en profundidad. El estudio de helio estará acompañado por los análisis específicos de isótopos Sr e isótopos de carbono en pozos seleccionados con el fin de identificar, sin ambigüedades, las fuentes magmáticas de los campos (por ejemplo, Pinti et al., 2013).
  • Monitorear la invasión de las salmueras usadas en el depósito y su enfriamiento mediante el análisis de los gases nobles de la atmósfera cuyo fraccionamiento es proporcional a los efectos de ebullición producidos por la invasión de agua más fría (Mazor y Truesdell, 1984). Este estudio se realizara de forma sistemática en todos los cuatro campos geotérmicos con el fin de simular la vida útil de cada reservorio. El estudio estará acompañado de los análisis de isótopos de H y O. En efecto Gonzales-Partida et al. (1995) han demostrado claramente que la medición sistemática de isótopos estables en los pozos geotérmicos después de un lapso de tiempo es útil para determinar la evolución de la invasión de agua que modifica de una manera característica la composición isotópica inicial del volumen de agua. La comparación de los nuevos datos H y O con los anteriores y los gases nobles atmosféricos serán útiles en la construcción de simulaciones sólidas de la invasión de campo.
  • El helio-4 se analizará de manera sistemática y considerada en términos de posible estimación del tiempo de residencia en el depósito. Este es un parámetro importante para identificar el área donde las aguas connadas son explotados y por lo tanto el campo es la extracción de reservas no recargables (Pinti y Marty, 1998). Las edades calculadas con U-Th-4He se compararán con 14 C, el tritio y otros datos disponibles en los sitios.

Los datos obtenidos serán utilizados exclusivamente para alcanzar los dos objetivos mencionados anteriormente y en comparación con la gran base de datos de la química publicada para estos campos. Los gases nobles, combinados con otros trazadores químicos, podrían dar pistas útiles sobre las cuestiones sin resolver en relación con el origen del fluido y la evolución en los distintos campos.

El programa general de trabajo constará de ocho etapas de seis meses naturales cada una, tal como se indica en el cronograma del punto X. Las ocho fases del proyecto son las siguientes:

  1. Organización del proyecto. Muestreo en Los Azufres.
  2. Análisis de laboratorio de muestras de Los Azufres. Recolección de fluidos en Los Humeros.
  3. Análisis de laboratorio de Los Humeros e interpretación de datos de Los Azufres.
  4. Interpretación de datos de Los Humeros. Artículo de Los Humeros. Análisis de los resultados con CFE.
  5. Recolección de muestras de Cerro Prieto y Tres Vírgenes e inicio de los análisis isotópicos de estas muestras.
  6. Recolección de muestras en Cerritos Colorados. Continúa el análisis de las muestras recolectadas en Cerro Prieto, Tres Vírgenes y Cerritos Colorados. Análisis de los resultados con CFE.
  7. Interpretación de datos de Cerro Prieto, Las Tres Vírgenes y Cerritos Colorados. Artículos de éstas zonas.
  8. Elaboración de un informe técnico final de las zonas evaluadas.

Número de proyecto

P20

Título de proyecto

Evaluación del potencial y la sobre-explotación de la capacidad de poder geotérmico de México usando isótopos de gases nobles

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Evaluación de los recursos geotérmicos nacionales

Responsable de proyecto

Aída López Hernández

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

University of Michigan, UMICH

Université du Québec à Montréal, UQÀM

University of Waterloo, UWATERLOO