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