ES2297429T3 - Metodo de construccion de un intercambiador de calor geotermico. - Google Patents

Abstract

Método de construcción de un intercambiador de calor geotérmico, método que comprende las etapas de: (1) perforar un pozo (34) de sondeo en el terreno utilizando un tubular (28); y (2) instalar un circuito (50) de calor en dicho pozo (34) de sondeo; caracterizado por la etapa de (3) durante la etapa (1) hacer vibrar dicho tubular (28) y bombear fluido de perforación hacia dicho tubular (28) para forzar al material movido por dicha perforación hacia un anillo (36) definido por una superficie de dicho pozo (34) de sondeo y una superficie exterior de dicho tubular (28), y/o hacia la formación que rodea dicho pozo de sondeo, por lo que el interior de dicho tubular (28) se mantiene sustancialmente libre de dicho material de modo que dicho circuito (50) de calor puede insertarse en el mismo.

Description

Método de construcción de un intercambiador de calor geotérmico.

La presente invención se refiere a un método de construcción de un intercambiador de calor geotérmico.

Un intercambiador de calor geotérmico utiliza la tierra como fuente o sumidero de calor. Por medio del fluido de intercambio de calor que fluye a través de una tubería enterrada en la tierra, el calor puede desprenderse o absorberse del fluido. El fluido puede utilizarse para calentar o enfriar un espacio en un edificio por ejemplo.

Con frecuencia la eficiencia energética de una bomba de calor geotérmica (geothermal heat pump, GHP) o sistema intercambiador es muy superior a las alternativas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (heating, ventilation and air-conditioning, HVAC) tradicionales tales como bombas de calor con alimentación de aire, calderas, enfriadores, hogares, torres de refrigeración, etc. Una bomba de calor geotérmica a menudo puede ahorrar aproximadamente el cincuenta por ciento de la energía necesaria para que funcione un sistema HVAC tradicional para calefacción o enfriamiento del mismo espacio.

Una razón por la que esta tecnología de calefacción/enfriamiento GHP eficiente energéticamente no se usa más ampliamente es porque el coste inicial de la instalación es normalmente superior que el de los sistemas HVAC tradicionales. Con frecuencia el cincuenta por ciento o más del coste de instalación de un sistema GHP es para construir uno o más intercambiadores de calor geotérmicos en el terreno. A pesar de los ahorros de dinero disponibles en la calefacción/enfriamiento de un espacio con la tecnología GHP, pueden necesitarse varios años para recuperar el coste de instalación. Por tanto es deseable que el coste de instalación se mantenga al mínimo para que la tecnología GHP se considere y se elija más ampliamente.

La construcción de un intercambiador de calor geotérmico conlleva perforar un pozo de sondeo en el terreno e instalar un circuito de calor en el mismo. Se inyecta in situ un medio térmicamente conductor al circuito de calor para transferencia de calor eficiente bien desde o hacia la tierra circundante. Sin embargo, cuando las condiciones geológicas son inusualmente difíciles, los costes de perforación y terminación pueden aumentar drásticamente, y el coste de instalar un sistema de bomba de calor geotérmica puede volverse prohibitivo.

Normalmente un pozo de sondeo se perfora hasta una profundidad de entre aproximadamente 46 m y 153 m (150 a 500 pies), se inserta en el pozo de sondeo un circuito de tuberías de polietileno de pequeño diámetro (diámetro de normalmente 0,02 m (0,75 pulgadas) a 0,03 m (1,25 pulgadas)), y se inyecta el circuito in situ. Posteriormente se cavan zanjas entre tales múltiples pozos de sondeo y los extremos de los circuitos de tierra se conectan entre sí en paralelo con un colector común, y posteriormente se conectan a bombas de calor. El agua entonces se hace circular a través de este sistema de circuito cerrado, y el calor es absorbido de o transferido a la tierra, según lo requieran las bombas de calor. Si se utiliza la denominada tecnología de bomba de calor de "intercambio directo", a menudo se sitúan conductos refrigerantes de cobre en contacto directo con la tierra, y el intercambio de calor se lleva a cabo directamente con la tierra en lugar de a través de un intercambio de calor secundario agua-a-refrigerante. Tanto los sistemas de tecnología de bomba de calor de "alimentación de agua" utilizados más ampliamente como la tecnología de bomba de calor de intercambio directo están disponibles. Ambos sistemas son similares en lo que respecta a los problemas de perforación y terminación de los intercambiadores de calor de tierra.

Un diseño típico de intercambiador de calor de circuito de tierra para una pequeña escuela podría requerir la perforación de aproximadamente 100 orificios, cada uno a una profundidad de aproximadamente 91 m (300 pies), mientras que una escuela grande podría requerir aproximadamente 1000 orificios de este tipo por ejemplo. Se prefieren altas tasas de perforación y producción en consecuencia para mantener bajos los costes del intercambiador de calor de tierra. Un tipo de disposición de perforación utilizada para construir un sistema de intercambiador de calor geotérmico proporciona un gran número de orificios que son relativamente profundos. La movilización y preparación rápidas entre orificios muy próximos, tasas de penetración de perforación rápidas, y estabilidad del orificio son críticas. Sin embargo, la tecnología de perforación utilizada en otras disciplinas de perforación no está muy adaptada u optimizada para tales aplicaciones geotérmicas. Por ejemplo, la perforación en cantera, la perforación sísmica y la perforación para construcción requieren todas gran número de orificios en una zona geográfica relativamente compacta, pero los orificios requeridos son de una profundidad relativamente superficial, normalmente inferior a aproximadamente 30 m (100 pies) de profundidad. En perforación de pozos acuáticos y perforación para investigación geotécnica, los orificios se perforan más profundos, pero son relativamente pequeños en número. Con operaciones auxiliares como toma de muestras, registros, instalación de bombas, instalación de controles y dispositivos de vigilancia, etc., la velocidad a la que se perforan pozos acuáticos o pozos del medio ambiente se vuelve menos crítica que en proyectos geotérmicos.

Además, se diseñan normalmente muchos equipos de perforación para perforar de manera óptima en sólo un tipo de formación específico. Formaciones no consolidadas tales como formaciones de arena/arcilla/grava normalmente se perforan mejor utilizando técnicas giratorias con lodo. El sistema de perforación giratoria con lodo utiliza un sistema de circulación/mezcla de lodo que incorpora bombas de lodo dobles o triples. El sistema de circulación de lodo de perforación transporta los escombros perforados fuera del orificio y también sirve para ayudar a mantener el orificio perforado sin colapsar. Si se encuentran condiciones de roca o duras, el avance de la perforación se ralentiza significativamente. Si se encuentran condiciones de suelo extremadamente inestables, el peso del lodo debe regularse con cuidado para impedir que el orificio colapse y/o impedir que se produzca sobreexcavación o "exceso de extracción".

La regulación de lodo constante puede ralentizar el avance de la perforación significativamente. La tasa de producción en aplicaciones giratorias con lodo puede variar ampliamente y se ve afectada por la geología de formación y por la pericia del perforador. Se requiere que el perforador sepa cuándo espesar, diluir o aumentar la densidad del lodo de perforación; qué barrena de perforación seleccionar; qué velocidad de giro utilizar; cuánto tiempo de circulación es adecuado; qué aditivos poner en el lodo; y cuánta fuerza de tracción aplicar, etc. Estas variables pueden cambiar significativamente a medida que cambia la litología con el aumento de la profundidad. Además, el lodo de perforación puede aumentar significativamente la resistencia térmica del pozo de sondeo en la zona próxima al pozo de sondeo construyendo una barrera de lodo de perforación de bentonita poco conductora térmicamente, requiriendo por tanto que se perforen orificios adicionales.

En otro extremo, formaciones duras tales como caliza, arenisca, granito, etc. se perforan normalmente de manera más económica con martillos de fondo de pozo accionados por aire comprimido. Incluso cuando las condiciones de perforación son predominantemente roca, normalmente hay una capa de recubrimiento (por ejemplo de arena, arcilla, grava) no consolidado encima de la roca que debe penetrarse y estabilizarse antes de que los martillos de fondo de pozo puedan empezar efectivamente a perforar la roca. Si el recubrimiento es muy blando o inestable, la parte superior del orificio debe soportarse con tubería de entubación, normalmente de acero, al menos con una profundidad hasta la roca. Si el recubrimiento no se estabiliza, la parte superior del orificio se erosionará o "se extraerá" a medida que la roca se perfora, provocando en casos extremos que el equipo de perforación vuelque. El gasto en la perforación tradicional y estabilización del recubrimiento ha hecho los costes de muchos proyectos geotérmicos prohibitivos.

Sólo es necesario entubar un pozo de sondeo temporalmente. Una vez que la tubería del intercambiador de calor se ha insertado y se ha inyectado in situ, puede retirarse la entubación. La entubación permanente no es sólo costosa, también puede inhibir la transferencia térmica de calor entre la tubería del intercambiador de calor y la tierra. Incluso cuando se maneja automáticamente la tubería de perforación con cargadores o cintas transportadoras, cualquier entubación se maneja a menudo manualmente, utilizando eslingas, cuerdas y cables. En muchas operaciones de entubación, las secciones de tubería de entubación se sueldan entre sí mientras se introducen en el orificio y se cortan con un soplete a medida que se extraen del orificio. Además de ser un trabajo muy exigente físicamente que requiere mano de obra adicional, el proceso de cargar tubería de entubación incómoda y pesada es peligroso para el personal. La logística de manejar la tubería de entubación en la superficie normalmente impone el uso de equipo de superficie adicional tal como elevadores de horquilla, grúas, camiones grúa, etc., incurriendo por tanto en costes adicionales de alquiler de equipos y de personal.

Los perforadores expertos en la técnica conocen ampliamente que estabilizar un pozo de sondeo utilizando acero u otra entubación es una manera fiable de garantizar la integridad del pozo de sondeo. Pero del mismo modo se reconoce habitualmente que la entubación de acero es normalmente el método más costoso de estabilizar un pozo de sondeo, y, debido a su coste tan alto, la entubación es un método que se usa únicamente como último recurso. Una práctica estándar de instalar entubación es perforar un pozo de sondeo mediante medios convencionales, y a continuación insertar la entubación en el orificio preperforado. Este método supone que el orificio aguantará lo suficiente para insertar la entubación hasta la profundidad deseada. Sin embargo, si la geología es muy inestable, lo que es con frecuencia la razón principal por la que la entubación se inserta, el orificio preperforado puede colapsar antes de que se haya completado la inserción de la entubación. Para compensar esta condición, se han desarrollado muchos procedimientos de perforación y herramientas especiales. Uno de los conceptos ampliamente conocidos es la perforación simultánea mientras se entuba, en el que la entubación se hace avanzar a medida que se perfora el orificio. En algunos sistemas de la técnica anterior se hacen avanzar simultáneamente, uno dentro de otro, dos conjuntos de tubulares de diferentes diámetros, es decir tubería de perforación y tubería de entubación. A menudo se emplean dos mecanismos de cabeza de perforación giratoria independientes, que cada uno hace girar la tubería de perforación y entubación en direcciones opuestas, y pudiendo cada cabeza giratoria desplazarse longitudinalmente de manera independiente a lo largo de una torre de perforación común. Puede ser una tarea compleja insertar de manera efectiva la tubería de perforación dentro de la entubación, presentarlas a dos cabezas de perforación separadas, sujetar los diámetros de diferentes tamaños de tubería mientras se unen y/o se separan las conexiones roscadas, se giran la tubería y la entubación en direcciones opuestas mientras se mueven hacia arriba y hacia abajo de manera independiente. El proceso es inherentemente costoso debido a que la máquina es muy complicada y se requieren equipos y mano de obra adicionales para manejar la tubería y la entubación. La producción de perforación, aunque es fiable, predecible, y rápida cuando se compara con perforar en primer lugar un orificio y a continuación instalar la entubación después, todavía es relativamente lento en comparación con perforar sin entubación.

Otro método de la técnica anterior de instalar entubación utiliza un martillo de entubación para clavar la entubación en el terreno. Una vez que la entubación se clava en su sitio, la tierra dentro de la entubación se extrae. Sin embargo, debido al rápido aumento de la fricción superficial entre la tierra y la entubación, las limitaciones físicas de la entubación, y la alta potencia requerida por el martillo, la hinca de la entubación es lenta, y frecuentemente sólo puede llevarse a cabo hasta profundidades bastante superficiales. La entubación frecuentemente también se atasca y/o resulta dañada.

Por tanto es evidente que cuando están presentes condiciones geológicas inestables, la instalación de un intercambiador de calor geotérmico puede no ser práctica con técnicas de perforación convencionales y/o puede ser prohibitivamente costosa. Por ejemplo, utilizando técnicas de perforación convencionales es posible para la mayoría de los perforadores colocar una longitud de entubación de aproximadamente 6m (20 pies) en formación blanda. Sin embargo, cuando se requiere más de una sección de entubación (es decir, la formación blanda está relativamente profunda), la dificultad de entubar el pozo de sondeo aumenta exponencialmente hasta un punto en el que no es posible completar un orificio con técnicas de perforación convencionales. Además, incluso si la instalación es satisfactoria en condiciones geológicas inestables, el perforador puede no poder extraer la entubación ya que la formación puede haber colapsado alrededor de la misma. Es demasiado costoso dejar la entubación en el fondo del pozo (al menos para aplicaciones de bomba de calor geotérmica) y altamente indeseable ya que las propiedades de transferencia de calor entre el circuito de calor y la tierra quedarán comprometidas. Por tanto, cuando existan condiciones de suelo inestables difíciles los proyectos de intercambio de calor geotérmico no se consideran debido a que la perforación o bien no es posible o bien es demasiado costosa.

Es evidente que hay una necesidad de un método mejorado de construcción de un intercambiador de calor geotérmico que permitiría la instalación de intercambiadores de calor geotérmicos en condiciones geológicas inestables, por ejemplo en recubrimientos blandos.

Realizaciones preferidas de la presente invención se basan en la compresión por parte del solicitante de que la aplicación de técnicas de perforación sónicas para la construcción de intercambiadores de calor geotérmicos tiene un número inesperado de ventajas que trabajan en conjunto para mejorar la construcción de bombas de calor geotérmicas por ejemplo en términos de tiempo y eficacia de funcionamiento del intercambiador terminado. El uso de una perforadora sónica para perforar el pozo de sondeo mejora las tasas de penetración; esto ahorra tiempo en el trabajo de construcción global, particularmente ya que un sistema de intercambio de calor geotérmico completo requiere a menudo que se perfore una pluralidad de pozos de sondeo (por ejemplo, 1000) y la instalación de circuitos de calor. Bombeando fluido de perforación por la sarta de tubulares durante la perforación, el interior del (los) tubular(es) puede mantenerse sustancialmente libre de material. Cuando se alcanza la profundidad deseada la sarta de tubulares proporciona un pozo de sondeo entubado, por lo que se inhibe el colapso del orificio mientras que se llevan a cabo los procedimientos de construcción restantes. Por tanto las etapas individuales de extraer la sarta de perforación e insertar una entubación pueden reducirse a una etapa. De este modo se reduce el periodo de tiempo en el que pueden colapsar los pozos de sondeo inestables. El pozo de sondeo entubado está abierto en su extremo superior y extremo inferior por lo que puede bombearse o verterse lechada de cemento en el pozo de sondeo a través del interior del (los) tubular(es); después del vertido de la lechada de cemento el (los) tubular(es) pueden hacerse vibrar con la cabeza de perforación sónica que reduce el puenteo y el encauzamiento de la lechada de cemento por ejemplo. De este modo puede mejorarse la eficiencia del intercambiador geotérmico. Los tubulares se recuperan durante o después de la etapa de vertido de la lechada de cemento, por lo que pueden utilizarse en la construcción del siguiente intercambiador de calor. La vibración ayuda a la retirada del (los) tubular(es) particularmente cuando ha colapsado la formación en el pozo de sondeo. Por tanto la totalidad del proceso de construcción es más rápido, económico y tiene como resultado un intercambiador de calor más eficiente.

Una perforadora sónica puede hacerse funcionar para hacer vibrar un tubular o sarta de tubulares generalmente paralelos a un eje longitudinal del (los) tubular(es). La frecuencia de vibración está normalmente entre aproximadamente 30 y 180 Hz (de ahí el nombre "sónico") y el operador puede variarla al usarla. Una perforadora sónica comprende una cabeza de perforación que tiene un oscilador y normalmente también un mecanismo para aplicar movimiento giratorio al (los) tubular(es). El oscilador se acciona por un motor hidráulico y utiliza pesos desequilibrados (rodillos que giran en sentidos contrarios) para generar altas fuerzas sinusoidales que se transmiten a una barrena de perforación en el otro extremo del (los) tubular(es). Se incorpora también un resorte neumático en la cabeza de perforación con el fin de confinar las fuerzas alternantes al (los) tubular(es). Al usarla, la barrena de perforación se hace vibrar hacia arriba y hacia abajo, se hace girar y se empuja hacia la formación. Estos tres movimientos trabajan juntos para producir tasas de penetración rápidas a través de la mayoría de tipos de formación, pero particularmente en formaciones de recubrimiento. La propia barrena de perforación es normalmente de forma anular, por lo que una muestra de sondeo de la formación pasa al (los) tubular(es).

Aunque los principios de la perforación sónica se conocen bien desde hace muchos años, la aplicación de estos principios se ha dedicado ampliamente a áreas especializadas de investigación geotécnica, toma de muestras de minerales, toma de muestras medioambiental y vigilancia de construcción de pozos. En estos tipos de perforación, muestras de sondeo relativamente no alteradas de tierra se capturan dentro de la entubación y se recuperan para su análisis a medida que la perforación avanza. Como el énfasis principal en estos tipos de perforación está en reunir muestras de suelo de calidad, la velocidad no es esencial, y el potencial para utilizar perforación sónica para producción de pozos de sondeo geotérmicos a velocidad relativamente alta no se ha considerado previamente. Además, la cabeza de perforación sónica y las herramientas utilizadas en la perforación sónica pueden ser sustancialmente más costosas que los equipos tradicionales giratorios con lodo o de perforación por aire; y, como la perforación geotérmica normalmente se ha considerado un trabajo de perforación muy "económico", la inversión en equipos sónicos de "alta tecnología" para perforar pozos de sondeo no se ha considerado.

Según la presente invención se proporciona un método de construcción de un intercambiador de calor geotérmico, método que comprende las etapas de:

(1) perforar un pozo de sondeo en la tierra utilizando un tubular; e

(2) instalar un circuito de calor en dicho pozo de sondeo;

caracterizado por la etapa de

(3) durante la etapa (1) hacer vibrar dicho tubular y fluido de perforación de bombeo en dicho tubular para forzar al material movido por dicha perforación hacia un anillo definido por una superficie de dicho pozo de sondeo y una superficie exterior de tubular, y/o hacia la formación que rodea dicho pozo de sondeo, por lo que el interior de dicho tubular se mantiene sustancialmente libre de dicho material de modo que dicho circuito de calor puede insertarse en el mismo. El método es particularmente ventajoso en condiciones inestables por ejemplo recubrimiento blando (por ejemplo, arena, arcilla, grava) que descansa sobre una formación más dura (por ejemplo pizarra, granito, caliza). El método puede utilizarse para estabilizar un pozo de sondeo en el recubrimiento blando antes de extender el pozo de sondeo hacia la formación más dura subyacente.

En una realización la vibración se proporciona mediante una cabeza de perforación sónica.

Preferiblemente, dicho fluido de perforación se bombea a tal volumen por unidad de tiempo que desplaza un volumen de material ligeramente superior que el volumen combinado de dicho tubular y el volumen encerrado por dicho tubular para facilitar el avance de dicho tubular hacia el terreno.

Ventajosamente, dicha vibración se realiza para licuar el material en la zona próxima al pozo de sondeo que se extiende a lo largo de la longitud de dicho tubular.

Ventajosamente, dicha etapa de vibración se realiza como parte de dicha etapa de instalación. Esta etapa de vibración puede realizarse con un tubular o sarta de tubulares diferentes que el que perforó el pozo de sondeo. Por tanto, se prevé que la etapa de perforación puede comprender la etapa de perforar utilizando un método de perforación no vibratorio, por ejemplo utilizando una perforadora giratoria. Después de esto puede insertarse un tubular separado en el pozo de sondeo para la vibración durante la etapa de instalación. La vibración durante la etapa de instalación ayuda a compactar lechada de cemento alrededor del circuito de calor e inhibir el puenteo de la lechada de cemento en el pozo de sondeo que de otro modo reduciría la eficiencia térmica cuando la bomba de calor geotérmica esté utilizándose.

Preferiblemente, el método comprende además la etapa de girar dicho tubular para ayudar a dicha perforación.

El fluido de perforación puede ser gel de perforación de poliacrilamida, goma xanthum, goma guar, fluidos naturales (por ejemplo, agua), y/o polímeros de perforación sintéticos por ejemplo.

Preferiblemente, el método comprende además la etapa de formar un pozo de sondeo entubado perforando hasta una profundidad deseada mientras se añaden uno o más tubulares a dicho tubular para formar una sarta de tubulares. Una ventaja de esto es que se inhibe el colapso del pozo de sondeo, particularmente en condiciones geológicas inestables. Otra ventaja es que el pozo de sondeo se entuba mientras está perforándose, por lo que se ahorra tiempo. En una realización, el pozo de sondeo permanece al menos parcialmente entubado durante la etapa de instalación. Durante la instalación una parte no entubada del pozo de sondeo puede rellenarse sustancialmente con lechada de cemento de modo que el pozo de sondeo se soporte sustancialmente en todo momento, o bien mediante un material de relleno, el (los) tubular(es) o una combinación de ambos.

Ventajosamente, la etapa (2) se realiza antes o mientras se retira dicha sarta de tubulares de dicho pozo de sondeo. De este modo el riesgo de que el pozo de sondeo colapse durante la etapa de instalación se reduce.

Preferiblemente, la etapa (2) comprende las etapas de insertar dicho circuito de calor en un interior de dicha sarta de tubulares, y forzar a dicho circuito de calor hacia el fondo de dicho pozo de sondeo.

Ventajosamente, el método comprende además la etapa de rellenar sustancialmente dicho circuito de calor con un fluido antes de dicha etapa de inserción.

Preferiblemente, la etapa (2) comprende la etapa de verter lechada de cemento en dicho circuito de calor en dicho pozo de sondeo. En una realización la etapa de verter lechada de cemento se completa sustancialmente (es decir, se rellena sustancialmente el pozo de sondeo) antes de la retirada y la vibración de dicho tubular. Puede necesitarse añadir lechada de cemento adicional para sustituir el volumen del tubular a medida que se retira. Durante la retirada, la vibración se detiene cuando un tubular necesita retirarse de la sarta. La lechada de cemento puede comprender un material para ralentizar o retrasar el fraguado de la lechada de cemento para dejar tiempo para que se complete la compactación de la lechada de cemento por vibración a lo largo del pozo de sondeo.

Ventajosamente, dicha etapa de vibración se realiza haciendo vibrar dicho tubular con una cabeza de perforación sónica, por lo que se provoca que una barrena de perforación en un extremo de dicho tubular vibre en una dirección sustancialmente paralela a un eje longitudinal de dicho tubular. En una realización se provoca que sustancialmente la totalidad del tubular o sarta de tubulares vibre.

Preferiblemente, una frecuencia de dicha vibración está entre aproximadamente 30 Hz y 150 Hz.

Ventajosamente, dicha etapa de perforación comprende la etapa de utilizar una barrena de perforación que tiene un cuerpo sustancialmente anular dotado de una superficie cortante. El cuerpo está abierto al volumen encerrado por el tubular, por lo que el fluido puede pasar a través de dicho tubular hacia el pozo de sondeo.

Preferiblemente, dicho cuerpo tiene un diámetro externo que es superior a un diámetro externo de dicho tubular.

Ventajosamente, dicho cuerpo tiene un diámetro interno que es sustancialmente igual a un diámetro interno de dicho tubular.

Preferiblemente, el método comprende adicionalmente las etapas de insertar medios de perforación en dicho tubular o sarta de tubulares, mover dichos medios de perforación al fondo del pozo de sondeo, y perforar una extensión a dicho pozo de sondeo. Una ventaja de esto es que el recubrimiento blando puede perforarse, entubarse y estabilizarse antes de perforar en una formación más sólida, por ejemplo, roca. Los medios de perforación pueden ser del grupo que consiste en: un sistema de perforación de tubería helicoidal; un sistema de perforación por aire comprimido; y un sistema de perforación con motor en fondo de pozo.

Ventajosamente, el método comprende además la etapa de repetir las etapas (1) a (3) para instalar una pluralidad de intercambiadores de calor geotérmicos en el mismo emplazamiento.

Preferiblemente, el método comprende además la etapa de conectar el o cada circuito de calor con un colector para hacer circular el fluido de intercambio de calor a través del mismo.

El método según la presente invención proporciona la construcción eficaz de un intercambiador de calor geotérmico y, en un aspecto particular, un sistema de este tipo para su uso con un sistema de refrigeración/calefacción de bomba de calor con fuente en el terreno (normalmente denominado sistema de bomba de calor geotérmica o "GHP"). En un aspecto un sistema de intercambio de calor de este tipo se instala según el método expuesto anteriormente utilizando una máquina de perforación sónica y entubación para perforar y estabilizar eficazmente pozos de sondeo de tierra hasta que el (los) circuito(s) de transferencia de calor puedan insertarse en el orificio perforado y verterse lechada de cemento in situ. Después de que se ha completado la instalación del (los) circuito(s) de transferencia de calor y el vertido de lechada de cemento, la máquina de perforación extrae la entubación temporal del pozo de sondeo, dejando el (los) circuito(s) de transferencia de calor sobre los que se ha vertido lechada de cemento in situ. La entubación recuperada puede entonces utilizarse en pozos de sondeo posteriores.

Muchos problemas y el gasto relacionado con la perforación en condiciones geológicas inestables o difíciles utilizando técnicas de perforación por aire o giratorias con lodo se mitigan o eliminan significativamente con un método según la presente invención, aumentando de ese modo las tasas y eficacia de perforación, las tasas y eficacia de inserción de circuito, y la productividad de vertido de lechada de cemento. En consecuencia, se reducen los costes de construcción del intercambiador de calor con circuito de tierra, haciendo por tanto a la tecnología de bomba de calor geotérmica que ahorra energía más competitiva según un "primer coste" en comparación con alternativas de refrigeración o aire acondicionado tradicionales.

Utilizando un método según la presente invención un pozo de sondeo entubado con acero de 0,127 m (5 pulgadas) de diámetro de 107 m (350 pies) de profundidad en una formación no consolidada (por ejemplo, pero sin limitarse a, arcilla arenosa) se perfora en 20 minutos, si no se encuentran condiciones de perforación inesperadas. En un aspecto el método puede realizarse utilizando un equipo de perforación que es una máquina montada sobre oruga o sobre camión. En un aspecto sólo se requiere un único operario para realizar la función de perforación y de entubación completa.

Preferiblemente, el pozo de sondeo tiene al menos 91 m (300 pies) de profundidad; el pozo de sondeo se perfora, el circuito de tuberías de intercambio de calor se baja, se introduce la lechada de cemento, y se extrae la entubación en aproximadamente una hora.

Ventajosamente, el método comprende además introducir agua al circuito de tuberías de intercambio de calor para inhibir el colapso del circuito de tuberías de intercambio de calor.

Preferiblemente, el circuito de tuberías de intercambio de calor se rellena sustancialmente con agua y se sella después de rellenarlo con agua.

Ventajosamente, el agua se bombea a una presión de aproximadamente 70.300 kg m^{-2} (100 p.s.i.).

Preferiblemente, la lechada de cemento incluye material retardante del fraguado.

Ventajosamente, el circuito de tuberías de intercambio de calor está fabricado de material del grupo que consiste en polietileno, acero, aluminio, aleación de aluminio, zinc, aleación de zinc, material compuesto y fibra de vidrio.

La presente invención, en al menos determinados aspectos, proporciona un método para instalar un circuito de tuberías de intercambio de calor en un pozo de sondeo, incluyendo el método perforar un pozo de sondeo en la tierra utilizando una cabeza de perforación sónica, teniendo la cabeza de perforación sónica entubación conectada a la misma, una zapata de perforación conectada a un extremo inferior de la entubación para que el movimiento (oscilación, golpeo arriba y abajo, y/u oscilación y rotación) de la entubación mediante la cabeza de perforación sónica perfore el pozo de sondeo en la tierra, bombear una mezcla de agua y fluido de perforación en la entubación durante la perforación, hacia fuera a través de un extremo inferior de la entubación, y hacia arriba hasta la superficie de la tierra en un espacio anular entre una superficie interior del pozo de sondeo y una superficie exterior de la entubación de modo que el material perforado fluya desde el pozo de sondeo a la superficie de la tierra, bajar un circuito de tuberías de intercambio de calor en la entubación, introducir lechada de cemento en la entubación alrededor del circuito de tuberías de intercambio de calor, desplazando la lechada de cemento una cantidad de la mezcla de agua y fluido de perforación desde dentro de la entubación, y extraer la entubación del pozo de sondeo.

En una realización, un método según la presente invención comprende las etapas de: perforación; inserción de circuito de tierra; vertido de lechada de cemento; y recuperación de entubación.

Según otro aspecto de la presente invención se proporciona un método para instalar un circuito de tuberías de intercambio de calor en un pozo de sondeo, comprendiendo el método

perforar un pozo de sondeo desde una superficie de tierra en la tierra utilizando un aparato sónico con una cabeza de perforación sónica, teniendo la cabeza de perforación sónica entubación conectada a la misma, estando el aparato de perforación conectado a un extremo inferior de la entubación de modo que el movimiento de la entubación por la cabeza de perforación sónica perfore el pozo de sondeo en la tierra, teniendo la entubación un interior,

bombear fluido de perforación en la entubación durante la perforación, hacia abajo a través de la entubación y hacia fuera a través del aparato de perforación, y hacia arriba en un espacio anular entre una superficie interior del pozo de sondeo y una superficie exterior de la entubación de modo que el material perforado fluya hacia arriba a través del espacio anular en el pozo de sondeo impidiendo que el material perforado fluya al interior de la entubación,

bajar un circuito de tuberías de intercambio de calor hacia abajo en la entubación,

introducir lechada de cemento en la entubación alrededor del circuito de tuberías de intercambio de calor, desplazando la lechada de cemento una cantidad de la mezcla de fluido de perforación desde dentro de la entubación, y

extraer la entubación del pozo de entubación.

Preferiblemente, el método comprende además introducir lechada de cemento en la entubación a medida que se extrae la entubación del pozo de sondeo.

Ventajosamente, el método comprende además introducir lechada de cemento en el pozo de sondeo alrededor del circuito de tuberías de intercambio de calor después de extraer la entubación del pozo de sondeo.

Preferiblemente, el método comprende además hacer oscilar la entubación con el aparato sónico a medida que se extrae la entubación del pozo de sondeo.

Ventajosamente, la oscilación de la entubación lleva a cabo al menos una función del grupo que consiste en: facilitar la extracción de la entubación; inhibir el puenteo de la lechada de cemento; desairear la lechada de cemento; aumentar la densidad de la lechada de cemento; hacer oscilar el material perforado; y reducción de la fricción entre la entubación y la lechada de cemento.

Preferiblemente, el método comprende adicionalmente hacer oscilar la entubación a medida que se introduce lechada de cemento en la entubación.

Ventajosamente, el método comprende además añadir aditivo de fluido de perforación al fluido de perforación durante la perforación.

Preferiblemente, el aparato sónico está sobre y puede moverse mediante aparato de oruga o camión, comprendiendo el método adicionalmente

mover el aparato sónico adyacente a una ubicación del pozo de sondeo.

Ventajosamente, el método comprende además bombear un volumen de fluido de perforación en la entubación que es superior a un volumen de material perforado.

Preferiblemente, la entubación comprende una sarta de piezas interconectadas de entubación y se añaden piezas de entubación según se necesite a la sarta a medida que avanza la perforación.

Ventajosamente, el aparato de perforación es una barrena o zapata de perforación con un diámetro externo dentro del 110% de un diámetro externo de la entubación.

Preferiblemente, la perforación produce material perforado y sustancialmente todo el material perforado no sale del pozo de sondeo en la superficie de la tierra.

Ventajosamente, el método comprende además

retirar el aparato de perforación del extremo inferior de la entubación,

insertar un aparato de perforación secundario a través de la entubación, y

perforar una extensión del pozo de sondeo con el aparato de perforación secundario.

Preferiblemente, el aparato de perforación secundario es del grupo que consiste en: un sistema de perforación de tubería helicoidal; un sistema de perforación por aire comprimido; y un sistema de perforación con motor en fondo de pozo.

Para una mejor comprensión de la presente invención se hará referencia ahora a modo de ejemplo a los dibujos adjuntos en los que:

la figura 1 es una vista en sección transversal lateral (a lo largo de la línea 1A-1A de la figura B) de una barrena de perforación y parte de un tubular utilizable en un método según la presente invención;

la figura 1B es una vista en planta desde abajo de la barrena de perforación de la figura 1A;

las figuras 2 a 7 son vistas laterales en sección transversal de seis fases durante la construcción de un intercambiador de calor geotérmico mediante una primera realización de un método según la presente invención; y

las figuras 8 y 9 son una vista lateral en sección transversal de dos fases durante la construcción de un intercambiador de calor geotérmico mediante una segunda realización de un método según la presente invención.

En referencia a las figuras 1A y 1B un aparato de perforación generalmente identificado mediante el número de referencia 10 comprende un tubular 12 (por ejemplo una pieza de tubería de perforación o entubación) interconectado con una sarta de tubulares (tubería de entubación o de perforación) que está conectada a su vez con una cabeza de perforación sónica (no mostrada en la figura 1A) de un sistema de perforación sónico por encima de la superficie del terreno. Una barrena de perforación que comprende un tubular 14 con un cuerpo 16 que tiene una parte con un diámetro externo superior al del tubular 12 tiene una parte 18 inferior con una pluralidad de dientes 19 de perforación separados que proporcionan una superficie cortante. Una superficie interior del cuerpo 16 es sustancialmente cilíndrica. Una superficie exterior del cuerpo 16 tiene sustancialmente la forma de un tronco de cono. La superficie exterior del cuerpo 16 aumenta en diámetro hacia los dientes 19 de perforación.

Está dentro del alcance de esta invención que los dientes 19 se eliminen y/o que la combinación de tubulares 12, 14 sea una única pieza solidaria. Está dentro del alcance de esta invención utilizar los dientes 19 (o eliminarlos) para cementar o dotar de una capa de carburo de tungsteno al extremo inferior del cuerpo 16 y/o el interior del extremo inferior del cuerpo 16. Opcionalmente, el tubular 14 puede conectarse de manera liberable al tubular 12 de modo que pueda abandonarse en el fondo del pozo de sondeo; o, con un tubular 14 adecuadamente configurado de modo que pueda recuperarse mientras que el tubular 12 y la sarta de entubación permanecen en su sitio. Opcionalmente puede utilizarse cualquier sólido conocido, barrena de perforación de cara completa y aparato asociado. Una barrena de este tipo se modifica, en un aspecto, con uno o más orificios a través de una cara inferior de la misma para permitir que el fluido fluya a través de la barrena. Opcionalmente, puede utilizarse cualquier zapata de entubación adecuada conocida para el tubular 14.

El sistema de perforación sónico (no mostrado) tiene una cabeza de perforación giratoria; un cargador o cinta transportadora a bordo tanto para la tubería de perforación como para la entubación; una bomba de agua a bordo; un compresor de aire a bordo; una torre de perforación a la que está conectada de manera móvil una cabeza de perforación sónica; aparato de movimiento para mover la cabeza de perforación sónica hacia arriba y hacia abajo (y la entubación conectada a la misma); y, opcionalmente, un sistema de bomba para bombear fluido de perforación y/o aditivos. La cabeza de perforación sónica tiene al usarla: una frecuencia de oscilación de entre aproximadamente 30 a 150 hertzios, una velocidad de giro de 0 a 150 rpm, y un par motor de aproximadamente 10.168 Nm (7.500 libras-pie), tal como el sistema 50K (TM) hecho por Sonic Drill Corporation de Vancouver, B.C. (véase www.sonic-drill.com); una cinta transportadora o un cargador a bordo con un mecanismo de manejo de entubación/varilla de perforación automático; una bomba de agua a bordo que es un tipo de desplazamiento positivo que puede alcanzar presiones en exceso de 7,7x10^{5} kg m^{-2} (1100 psi) con caudales de 0,005 m^{3}s^{-1} (90 galones/minuto) (como una bomba Weatherford (TM) 2075), un compresor de aire a bordo para entregar aire a 3,5x10^{5} kg m^{-2} (500 psi) a 0,4 m^{3}s^{-1} (900 scfm), por ejemplo, un sistema Sullaire 900 XHHDL(TM); y una pequeña bomba de medición para bombear un fluido de perforación y/o aditivos, por ejemplo, pero sin limitarse a gel de perforación de poliacrilamida, goma xanthum, goma guar, fluidos naturales, y/o polímeros de perforación sintéticos.

En referencia a la figura 2 un sistema 30 de perforación sónico (similar al descrito en la figura 1) utiliza una sarta 24 de entubación para perforar un pozo 34 de sondeo. La sarta 24 de entubación comprende un tubular 28 previsto en su extremo inferior con una barrena 40 de perforación, similar a la barrena de perforación descrita con referencia a la figura 1. El agua 21 se bombea (por ejemplo a una tasa de 0,0056 m^{3}s^{-1} (90 galones por minuto) a 7,7x10^{5} kg m^{-2} (1100 psi)) con un sistema 20 de bomba hacia abajo hacia el interior 22 de la sarta 24 de entubación conectada a una cabeza 26 de perforación sónica del sistema 30 de perforación sónico (opcionalmente móvil sobre un dispositivo 31 de movimiento, por ejemplo, un camión u oruga).

Durante la perforación, el sistema 20 de bombeo proporciona un flujo de agua (o de otro fluido de perforación) positivo constante en la sarta 24 de entubación que, en un aspecto, se extiende hacia abajo al menos hasta el nivel de la parte más inferior de la barrena 40 de perforación de modo que se impide que el material perforado vuelva a la barrena 40 de perforación y a la sarta 24 de entubación.

El agua se bombea en un volumen por unidad de tiempo tal que desplaza un volumen de material ligeramente superior que el volumen combinado de la sarta de entubación y el volumen encerrado por la sarta de entubación. Esto ayuda a que avance la sarta de entubación hacia dentro de la tierra. En un aspecto, el volumen de fluido bombeado hacia el fondo del pozo es ligeramente superior al volumen de tierra desplazado por la entubación a medida que se avanza hacia dentro de la tierra. Manteniendo la tasa de bombeo del fluido de perforación a una tasa ligeramente superior a la tasa de avance de la entubación, el extremo de la entubación abierta permanece no obstruido por el material de tierra que se desplaza.

A medida que el sistema 30 de perforación sónico mueve y hace oscilar la sarta 24 de entubación y la barrena 40 de perforación, el fluido sale del aparato 40 de perforación y sube hacia un anillo 36 entre el exterior de la sarta 24 de entubación y una pared 32 interior de un pozo 34 de sondeo. Se reduce la fricción entre el exterior del aparato 40 de perforación y la pared 32 interior del pozo 34 que está perforándose y se reduce la fricción entre el exterior de la sarta 34 de entubación y la pared 32 interior.

El material perforado, que incluye material perforado que se licua mediante la acción de perforación sónica, se mueve hacia arriba en el anillo 36 y, en una formación 38 de tierra adecuada se mueve hacia espacios intersticiales en la formación 38 de tierra. Al menos una parte de este material 37 se consolida en los bordes del pozo 34 de sondeo. En determinados aspectos la mayoría, o incluso sustancialmente todo, el material perforado entra en la formación y nada, o relativamente poca cantidad del material perforado llega a la superficie con agua, etc. fluyendo hacia arriba en el anillo 36.

Perforar de esta manera puede tener como resultado que vuelven menos restos de perforación o "escombros" a la superficie en comparación con la cantidad de tales restos producidos con la perforación giratoria con lodo tradicional. En la perforación giratoria con lodo, se mantiene la circulación en el espacio anular entre la tubería de perforación y la pared de tierra nativa. El fin principal de esta circulación de lodo es transportar los restos producidos por la barrena de perforación a la superficie. Si se pierde la circulación a la formación, partes inestables de la pared del pozo de sondeo pueden colapsar y compactarse alrededor de la tubería de perforación, atrapando por tanto el conjunto de perforación en el orificio. Como la barrena de perforación normalmente es de diámetro mucho más grande que la tubería de perforación, la extracción de la tubería de perforación del orificio a menudo es una consecuencia costosa y difícil. Con frecuencia, sartas enteras de tubería de perforación se pierden de manera permanente. Como poco, la productividad se ve afectada negativamente. Si la perforación avanza según lo planeado y se mantiene la circulación, se producen grandes cantidades de restos perforados en la superficie. En muchas formaciones un pozo de sondeo resultante puede "hundirse", lo que tiene como resultado un orificio mucho más grande de lo deseado con un diámetro significativamente superior al diámetro de la barrena que está utilizándose. Esto puede aumentar los costes de manipulación de escombros; aumentar los costes de lechada de cemento; y disminuir la productividad global. En algunos casos, los requisitos del proyecto o reglamentaciones del gobierno, etc. pueden exigir que los escombros de la perforación se retiren de la obra, lo que tiene como resultado altos costes de transporte y manipulación de material. A menudo, los escombros de perforación deben eliminarse como residuos peligrosos o incluso tóxicos, haciendo que los costes del proyecto suban incluso más. Debido a que a menudo se perforan cientos de orificios en el mismo emplazamiento en un proyecto geotérmico, estos costes de eliminación son muy significativos.

A menudo formaciones geológicas no consolidadas comprenden espacios intersticiales de aproximadamente el 25% al 45% en volumen. También hay grietas, vacíos, socavones, fisuras, hendiduras, etc., que se producen de manera natural que son responsables de la "circulación perdida" no deseable descrita anteriormente. Durante la perforación sónica, las oscilaciones de resonancia a lo largo de la longitud total de la sarta de entubación tiende a licuar los escombros de perforación y compactarlos en el espacio intersticial a través de la zona próxima al pozo de sondeo y hacia cualquier grieta o zona de circulación perdida. A menos que la formación sea muy compacta y no tenga espacio vacío, se producen pocos si no ningún escombro en la superficie. Como la entubación oscila y gira, y como la sarta de entubación no tiene barrena grande en el extremo, se reduce significativamente la posibilidad de que la sarta de perforación se atasque si se pierde la circulación de vuelta a la superficie. Por tanto, el coste de tratar la vuelta de escombros de perforación se reduce enormemente o se elimina, y la obra también permanece mucho más limpia y seca.

Se añaden tuberías de entubación adicionales a la sarta 24 de entubación de manera secuencial y la operación de perforación continúa hasta que el pozo 34 de sondeo alcanza la profundidad deseada. El resultado es un pozo de sondeo entubado con acero, abierto y no obstruido en el extremo inferior tal como se muestra en la figura 2.

En referencia a la figura 3, un circuito 50 de calor se ha empujado hacia el interior del pozo 34 de sondeo con una tubería 42 acampanada ("tremmie pipe")(instalada, por ejemplo, utilizando una unidad de tuberías helicoidales). El circuito 50 de calor se fabrica de polietileno y se rellena de agua, se le aplica presión y se sella, antes de bajarse al pozo de sondeo entubado. La tubería 42 acampanada tiene una abertura 44 inferior a través de la que se bombea la lechada de cemento. Opcionalmente, se utiliza un elemento 52 curvado en U inferior (por ejemplo, tal como se dio a conocer en nuestra solicitud anterior WO 99/63282 o cualquier elemento curvado en U conocido) en la parte inferior del circuito 50 de calor. En un aspecto particular la tubería 42 acampanada está fabricada de polietileno, pero está dentro del alcance de la presente invención fabricarla de un material adecuado, incluyendo, pero sin limitarse a, fibra de vidrio, plástico, metal, aleaciones de metal, materiales compuestos y/o una combinación de cualquiera de éstos.

La figura 4 ilustra el comienzo de la parte de vertido de lechada de cemento de la operación de construcción en la que la lechada 54 de cemento se bombea con un sistema 60 de bombeo de lechada de cemento. La lechada 54 de cemento desplaza el agua en la entubación y fluye hacia fuera desde la abertura 44, alrededor del elemento 52 curvado en U, y comienza a ascender dentro del interior 21 de la sarta 24 de entubación y el interior de la barrena 40 de perforación.

Como la barrena 40 de perforación es anular, el paso de la lechada 54 de cemento no se inhibe y una parte sale por debajo del aparato 40 de perforación y asciende en el espacio 36 anular. A medida que la tubería acampanada se libera del circuito 50 de tierra y comienza el bombeo de lechada de cemento, la tubería 42 acampanada se asciende dentro de la sarta 24 de entubación (por ejemplo, mediante una unidad de tuberías helicoidales). El agua desplazada fluye hacia fuera desde la parte superior del pozo 24 de sondeo para la recuperación o eliminación de la misma.

La lechada 54 de cemento es una mezcla conductora térmicamente que comprende aditivos adecuados para retardar el fraguado de la lechada de cemento y para mantener la lechada de cemento sustancialmente en un estado fluido hasta que puede extraerse la entubación temporal. Por ejemplo, en determinados aspectos se añaden materiales retardantes del fraguado del cemento, tales como, pero sin limitarse a, lignosulfato de sodio o calcio, en una cantidad suficiente para dar de 1 a 24 horas de retardo de fraguado. Un aditivo de goma xantana polisacáridos de cadena larga, por ejemplo DUOVIS^{TM} puede añadirse en una cantidad que varía entre 0,0001 y 0,0020 partes en peso seco para reducir la fricción de bombeado. Puede añadirse arcilla de bentonita (montmorillonita de sodio) en una cantidad desde aproximadamente el 6 por ciento hasta aproximadamente el 20 por ciento en peso del agua o del 1 al 5 por ciento del peso de los componentes de la lechada de cemento en seco para aumentar la plasticidad para controlar la pérdida de fluido (para controlar la pérdida de fluido de la mezcla durante el bombeado, lo que podría tener como resultado el puenteo de arena en la mezcla y el taponamiento de una tubería acampanada).

Tal como se muestra en la figura 5 una parte de la lechada 54 de cemento que se ha movido hacia arriba en el espaciado 36 anular se ha movido a la formación 38. La sarta 24 de entubación permanece en su sitio durante la operación de vertido de lechada de cemento; pero está dentro del alcance de la presente invención retirar la sarta 24 de entubación y la barrena 40 de perforación y a continuación comenzar una operación de vertido de lechada de cemento. En determinados aspectos esto es ventajoso cuando la formación de tierra es arena cementada o con un contenido de arcilla alto o presenta propiedades de estabilidad alta y el riesgo de colapso del pozo de sondeo es mínimo. En un aspecto particular el pozo 34 de sondeo tiene un diámetro de aproximadamente 0,127 m (5'') y el aparato 40 de perforación tiene un diámetro externo de aproximadamente 0,11 m (4^{1/2}'') como su parte más ancha.

Una vez que el pozo 34 de sondeo está sustancialmente relleno de lechada de cemento, puede comenzar la extracción de la sarta 24 de entubación.

En referencia a la figura 6 la sarta 24 de entubación y la barrena 40 de perforación se extraen del pozo 34 de sondeo. La lechada 54 de cemento o bien se bombea mediante un sistema de bombeo de lechada de cemento (no mostrado) o bien se vierte con un sistema 70 de vertido hacia el interior de la sarta 24 de entubación a medida que se extrae con el aparato de movimiento del sistema de perforación sónico para sustituir el volumen de la sarta de entubación. La lechada 54 de cemento que se mueve hacia el pozo de sondeo alrededor del circuito 50 de tierra desplaza el agua 21 hacia arriba y hacia fuera del pozo 34 de sondeo, minimizando (o impidiendo) por tanto el influjo de aire no deseable hacia la lechada 54 de cemento. En determinados aspectos una parte de la lechada de cemento fluye hacia la formación 38. La sarta 24 de entubación se hace vibrar mediante la cabeza de perforación sónica a medida que se empuja fuera del pozo 34 de sondeo. Esto inhibe el puenteo no deseable de la lechada de cemento; desairea la lechada de cemento; reduce vacíos en la lechada de cemento; y aumenta la densidad de la lechada de cemento por lo que aumenta la conductividad térmica de la lechada de cemento. Esto reduce también el tiempo necesario para una operación de vertido de lechada de cemento. El uso de la sarta 24 de entubación reduce el riesgo de colapso del pozo 34 de sondeo durante la perforación, durante el vertido de lechada de cemento, y durante la extracción de la entubación. De este modo el pozo 34 de sondeo se soporta sustancialmente en todo momento, o bien mediante la sarta 24 de entubación, la lechada 54 de cemento o una combinación de ambos.

La vibración puede realizarse sustancialmente de manera continua o periódica por ejemplo durante la retirada de la sarta 24 de entubación. La vibración licua (o fluidifica) y compacta la lechada 54 de cemento inhibiendo de ese modo el "puenteo". Sin la vibración, la lechada de cemento puede tender a compactar alrededor del circuito 50 de calor y provocar que el circuito de calor y la lechada de cemento se extraigan con la entubación en lugar de permanecer abajo dentro del pozo de sondeo. La vibración reduce la fricción superficial entre la pared de entubación y la tierra, reduciendo por tanto la tendencia de la entubación a atascarse en la tierra. Con frecuencia esta tendencia de atascarse de la entubación es una razón de que el uso de entubación sea un último recurso. Utilizar el aparato de perforación sónico produce un mejor trabajo de vertido de lechada de cemento, reduce el puenteo de la lechada de cemento, y facilita la extracción de la entubación mientras el circuito de tierra y la lechada de cemento permanecen en su sitio en el pozo de sondeo. Sin embargo, a medida que se retira la entubación, el nivel de la lechada de cemento fluida en el pozo caerá, debido a que la entubación que se ha retirado ya no la desplaza. En consecuencia, puede añadirse lechada de cemento adicional según se desee a determinados intervalos durante el procedimiento de extracción de la entubación (por ejemplo mientras se retira una pieza de entubación de la sarta de entubación, normalmente aproximadamente cada 4,6 m (15 pies)) para garantizar que la lechada de cemento está rodeando completamente la tubería de intercambio de calor. Esto impide también que la tierra alrededor de la tubería de intercambio de calor colapse. La lechada de cemento fluida fluye alrededor de la tubería de intercambio de calor a medida que se extrae la tubería de entubación temporal, encapsulando por tanto y acoplando térmicamente la tubería del intercambiador de calor a la formación de tierra.

Tras la extracción de toda la sarta 24 de entubación, tal como se muestra en la figura 7, y el aparato 40 de perforación, la lechada 54 de cemento encaja el circuito 50 de tierra y rellena el pozo 34 de sondeo. La construcción de esa bomba de calor geotérmica particular está completa y se deja que la lechada de cemento fragüe. Se construyen entonces bombas de calor geotérmicas adicionales de manera similar sobre el mismo emplazamiento. Una vez que todas las bombas de calor geotérmicas se han completado cada circuito de calor se conecta en paralelo a un colector (no mostrado) para la circulación de fluido de intercambio de calor.

Sin tener en cuenta la estabilidad de los suelos nativos, la tubería de entubación de acero mejora la integridad del pozo de sondeo durante la construcción. Si se encuentra una formación consolidada como caliza o granito, puede ser económicamente deseable terminar la instalación de entubación sónica una vez que el recubrimiento no consolidado se ha estabilizado con la entubación. Un martillo de fondo de pozo y tubería de perforación de menor diámetro se acoplan a la cabeza de perforación sónica, y la profundidad del pozo de sondeo restante se termina mediante perforación por aire comprimido a través de la entubación. Alternativamente, se utiliza una barrena de perforación sólida típica y aparato y equipos asociados.

En referencia a la figura 8 un pozo 34a de sondeo (como el pozo 34 de sondeo) se perfora en una formación que puede producir un pozo de sondeo que tiende a colapsar, por ejemplo, una formación 38a, que es un recubrimiento blando. El pozo 34a de sondeo se perfora como el pozo 34 de sondeo descrito anteriormente. Cuando la barrena 40 de perforación alcanza la parte superior de una formación 58 más dura y/o más consolidada (por ejemplo una formación de roca, caliza, granito, o arenisca) se inserta otro tipo de aparato 80 de perforación en el interior de la sarta 24 de entubación y a través del aparato 40 de perforación para continuar la perforación en la formación 58. El aparato 80 de perforación puede ser cualquier aparato de barrena sólido adecuado conocido y/o de sacrificio y/o que puede colapsar y/o aparato de barrena recuperable. En un aspecto particular el aparato 80 de perforación es un aparato de perforación de martillo de fondo de pozo por aire con un aparato 82 de barrena de martillo de fondo de pozo sobre una sarta 84 de perforación a través de la que se bombea aire comprimido mediante un sistema 86 para el funcionamiento del aparato 82. El aparato 80 de perforación produce una extensión 34b del pozo 34a de sondeo.

Tal como se muestra en la figura 9 un circuito 51 de calor (como el circuito 50 de tierra descrito anteriormente) se ha instalado en el pozo 34a, 34b de sondeo y se ha vertido lechada de cemento in situ con lechada 55 de cemento (como la lechada 54 de cemento descrita anteriormente).

En perforación en formación relativamente blanda, la tubería de entubación se ajusta con una barrena de perforación abierta tal como se ilustra en la figura 1. A medida que la tubería de entubación se hace girar y oscilar mediante la cabeza de perforación sónica, el agua que contiene aproximadamente del 0,5 al 1% de gel de perforación de poliacrilamida (por ejemplo, pero sin limitarse a, E-Z MUD (TM) disponible de Baroid Corporation), u otro material de perforación sintético o natural o polímero se bombea en la entubación. La acción de oscilación de la cabeza de perforación sónica hace vibrar la entubación (que puede ser una sarta de piezas individuales de entubación unidas entre sí) por ejemplo, pero sin limitarse a, resonancia, por lo que se licua el material en la zona próxima al pozo de sondeo que se extiende desde el extremo abierto de la barrena de perforación y a lo largo de la longitud de la entubación dentro del orificio.

Claims (19)

1. Método de construcción de un intercambiador de calor geotérmico, método que comprende las etapas de:

(1)

perforar un pozo (34) de sondeo en el terreno utilizando un tubular (28); y

(2)

instalar un circuito (50) de calor en dicho pozo (34) de sondeo;

caracterizado por la etapa de

(3)

durante la etapa (1) hacer vibrar dicho tubular (28) y bombear fluido de perforación hacia dicho tubular (28) para forzar al material movido por dicha perforación hacia un anillo (36) definido por una superficie de dicho pozo (34) de sondeo y una superficie exterior de dicho tubular (28), y/o hacia la formación que rodea dicho pozo de sondeo, por lo que el interior de dicho tubular (28) se mantiene sustancialmente libre de dicho material de modo que dicho circuito (50) de calor puede insertarse en el mismo.

2. Método según la reivindicación 1, en el que dicho fluido de perforación se bombea a un volumen por unidad de tiempo tal que desplaza un volumen de material ligeramente superior que el volumen combinado de dicho tubular (28) y el volumen encerrado por dicho tubular para facilitar el avance de dicho tubular en el terreno.

3. Método según la reivindicación 1 ó 2, en el que dicha vibración se realiza para licuar el material en la zona próxima al pozo de sondeo que se extiende a lo largo de la longitud de dicho tubular.

4. Método según la reivindicación 1, 2 ó 3, que comprende además la etapa de hacer girar dicho tubular (28) para ayudar a dicha perforación.

5. Método según cualquier reivindicación anterior, que comprende además la etapa de entubar dicho pozo (34) de sondeo perforando hasta una profundidad deseada mientras se añaden uno o más tubulares a dicho tubular para formar una sarta (24) de tubulares.

6. Método según la reivindicación 5, que comprende además la etapa de retirar dicha sarta (24) de tubulares de dicho pozo de sondeo.

7. Método según la reivindicación 5 ó 6, en el que la etapa (2) se realiza antes o mientras se retira dicha sarta (24) de tubulares de dicho pozo (34) de sondeo.

8. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que la etapa (2) comprende las etapas de insertar dicho circuito (50) de calor hacia un interior de dicho tubular (28), y forzar dicho circuito de calor hacia el fondo de dicho pozo (34) de sondeo.

9. Método según la reivindicación 8, que comprende además la etapa de rellenar sustancialmente dicho circuito (50) de calor con un fluido antes de dicha etapa de inserción.

10. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que la etapa (2) comprende la etapa de verter lechada de cemento sobre dicho circuito (50) de calor en dicho pozo (34) de sondeo.

11. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que dicha etapa de vibrado se realiza haciendo vibrar dicho tubular con una cabeza (26) de perforación sónica, por lo que se provoca que dicho tubular vibre en una dirección sustancialmente paralela a un eje longitudinal del mismo.

12. Método según la reivindicación 11, en el que una frecuencia de dicha vibración está entre aproximadamente 30 Hz y 150 Hz.

13. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que dicha etapa de perforación comprende la etapa de utilizar una barrena (40) de perforación que tiene un cuerpo sustancialmente anular dotado con una superficie (19) cortante.

14. Método según la reivindicación 13, en el que dicho cuerpo tiene un diámetro externo que es superior a un diámetro externo de dicho tubular (28).

15. Método según la reivindicación 13 ó 14, en el que dicho cuerpo tiene un diámetro interno que es sustancialmente igual a un diámetro interno de dicho tubular (28).

16. Método según cualquier reivindicación anterior, que comprende además las etapas de insertar medios (80) de perforación en dicho tubular (28) o sarta (24) de tubulares, mover dichos medios de perforación al fondo del pozo (34) de sondeo, y perforar una extensión a dicho pozo de sondeo.

17. Método según cualquier reivindicación anterior, que comprende además la etapa de repetir las etapas (1) a (3) para instalar una pluralidad de intercambiadores de calor geotérmicos sobre el mismo emplazamiento.

18. Método según cualquier reivindicación anterior, que comprende además la etapa de conectar el o cada circuito de calor con un colector para hacer circular el fluido de intercambio de calor a través del mismo.

19. Método según cualquier reivindicación anterior, que comprende además la etapa de formar dicho pozo de sondeo hasta una profundidad de entre aproximadamente 46 m y 153 m.