Vol. 16, núm. 3 (2001)

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Distribución de presión inicial en el campo geotérmico

de Los Humeros, Puebla, México

Víctor M. Arellano Georgina Izquierdo

Alfonso Aragón Rosa María Barragán

Alfonso García

Instituto de Investigaciones Eléctricas

Arturo Pizano

Comisión Federal de Electricidad

Para inferir las distribuciones de presión no perturbadas del fluido del yacimiento, se analizó una considerable cantidad de información relacionada con los aspectos geológicos, geoquími- cos, geofísicos, de perforación e ingeniería de yacimientos, correspondiente a pozos del campo geotérmico de Los Humeros, Puebla. Sobre la base de los datos analizados se desarro- llaron modelos de distribución de la presión del yacimiento en su estado inicial. Dichos mode- los revelan la existencia de, cuando menos, dos yacimientos. El primero y más superficial se encuentra localizado entre y metros sobre el nivel del mar (msnm), y dada su exce- lente concordancia con el perfil de presión correspondiente a una columna de agua en ebulli- ción, puede afirmarse que se trata de un yacimiento de líquido dominante. El perfil de presión de este yacimiento corresponde a una columna de agua en ebullición de a aproxi- madamente. El segundo yacimiento se encuentra localizado por debajo de los msnm y hasta donde se tienen datos, puede decirse que se extiende cuando menos hasta los msnm, por lo cual se considera que es un yacimiento de baja saturación de líquido. Para los pozos que se alimentan en esta zona del campo se estimaron temperaturas entre y 400°C.

Palabras clave: modelo conceptual, presión inicial, Los Humeros.

Introducción

El campo geotérmico de

Los

Humeros, Puebla, se encuentra localizado en el extremo oriental del cinturón volcánico mexicano 40' latitud norte; 25' longi- tud oeste), aproximadamente a km de la ciudad de México (ilustración En la Comisión Federal de Electricidad (CFE) efectuó los primeros estudios geológicos, geoquímicos y geofísicos (Mena y Gonzá- lez, 1978; Pérez, 1978; Yáñez

et

al., 1979; Palacios y García, 1981). En se perforó el primer pozo profundo con el objeto de confirmar

los

resultados de los estudios. En se inició la explotación comercial del yacimiento con la instalación de la primera unidad de MWe. A la fecha se han perforado más de cuarenta pozos (ilustración y se encuentran instaladas siete unidades de MWe cada una (Quijano y Torres, 1995).

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Instituto de Investigaciones Eléctricas (I (IIE), decidieron participar conjuntamente en un proyecto para desarro- llar un modelo conceptual del estado inicial del sistema geotérmico de Los Humeros (Arellano et a/., 1998). En este artículo se presentan los resultados del análisis de los registros de perforación, perfiles de pre- sión y temperatura medidos durante el calentamiento, temperaturas estabilizadas y curvas características de producción de pozos del campo. El objeto de este análisis fue determinar la profundidad a la cual los pozos alcanzan zonas permeables, en las que las medi- ciones o estimaciones de la presión corresponden realmente a las condiciones del yacimiento. Los resultados del estudio individual de cada pozo se utilizaron para estimar la distribución de presión inicial en el sistema geotérmico y se integraron en un modelo que sir- vió como base para analizar las características funda- mentales del sistema hidrotermal de Los Humeros.

Características geológicas del área de Los Humeros

La geología del área de Los Humeros ha sido descrita por diversos autores, entre los que se encuentran Pé- rez Yáñez et a/. Ferriz y Mahood

Viggiano y Robles (1988 a, b) y Cedillo (1997). El basa- mento local está constituido por un complejo paleo- zoico metamórfico e intrusivo de esquistos de clorita- muscovita, una secuencia sedimentaria mesozoica plegada, intrusiones sieníticas y granodioríticas del Terciario Inferior y andesitas pliocénicas.

Se considera que la actividad volcánica inicial en el área de Los Humeros está representada por lavas an- desíticas y ferrobasálticas de la formación Teziutlán, cuya edad varía de a millones de años. Sin embargo, la mayor parte de las unidades volcánicas del área se emplazaron hace menos de millones de años siendo acompañadas por la formación de calde- ras (ilustración El colapso de la caldera de Los Hu- meros fue provocado por la erupción de la ignimbrita Xáltipan (0.46 millones de años), después de lo cual se formaron varios domos silícicos (0.3 millones de años). La emisión de la ignimbrita Zaragoza (0.1 millones de años) provocó el colapso de la caldera de Los Potreros y las emisiones de andesitas, andesitas basálticas y lavas, pómez y cenizas (0.08 a millones de años), dieron origen a la estructura de El Xalapazco. La actividad volcánica más reciente se encuentra representada por los basaltos de olivino (0.02 millones de años). El equipo de geología de la CFE efectuó estudios detallados que han permitido conocer las características petrográficas de las unidades atravesadas por los pozos, así como reconstruir la columna litológica del campo

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ilustración 4). También se dificulta reconstruir la com- posición de la fase líquida en el yacimiento, ya que la fracción de material condensado (alto en bicarbonatos y sulfatos) es grande, además de que algunos de los pozos tienen o han tenido aportación de fluidos de más de un estrato. El agua producida es diluida en sales (0.17% en peso de sólidos totales di-sueltos en el pozo

H-1) y presenta pH de neutro a básico en condiciones de separación, con algunas excepciones, como en los pozos H-4 y H-16, localizados en el Colapso Central y que por un tiempo produjeron fluidos ácidos, ocasio- nando corrosión en las tuberías (Barragán

et

al., 1989; Gutiérrez y Viggiano, 1990; Truesdell, 1991). En el cua- Características geoquímicas de los fluidos

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al., 1998) pone de manifiesto que existe permeabilidad en las siguientes formaciones (en función de la profundidad): andesitas de augita, andesitas de Hornblenda, basaltos y mármoles. De estas unidades litológicas, los mármoles son los de menor permeabilidad primaria, sin embargo, un número significativo de pozos pa- recen alimentarse de esa zona del yacimiento. Esto im- plica que debe existir un fracturamiento importante en algunas zonas de esta unidad permitiendo el flujo de fluidos profundos.

Distribución d e presión

Una vez que se identificaron los horizontes en los cuales el pozo y el yacimiento están en contacto, se pro- cedió a reconstruir el perfil de presión no perturbado del yacimiento. La ilustración presenta los resultados del análisis de los registros tomados con el pozo cerra- do después de su perforación y antes de que comen- zara a producir de manera significativa. Una caracte- rística importante evidenciada por los datos recogidos es el amplio rango cubierto por las elevaciones de las zonas productoras (entre y msnm). Esto se refleja, por supuesto, en la distribución vertical de la presión que varía desde hasta bar. Debido a la cantidad de datos disponibles, el campo de Los Hu- meros ofrece la oportunidad de estudiar con cierto de- dro se presenta el análisis químico del agua separa-

da de algunos de los pozos del campo en estudio.

Metodología

Con el fin de establecer la distribución natural de pre- sión y temperatura se empleó la siguiente metodología: a) Los horizontes permeables en los cuales el pozo y el yacimiento se encuentran en contacto se determina- ron a partir del análisis de la información de perfora- ción, de los registros de presión y temperatura medidos durante el calentamiento, de las temperaturas estabilizadas y de las correlaciones geológicas; b) el perfil de presión no perturbado del yacimiento se re- construyó a partir del análisis de los registros de pre- sión y del análisis de pruebas de presión. Los valores de presión obtenidos de esta manera se graficaron como función de la elevación, con el fin de analizar las características principales del sistema geotérmico de Los Humeros. En este primer análisis no se intentó nin- guna corrección por el contenido de sales o gases en los fluidos hidrotermales.

Resultados y discusión

Horizontes permeables

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talle el perfil vertical de un yacimiento geotérmico no perturbado, sobre un amplio rango de elevaciones.

En la ilustración se aprecia la distribución vertical de presiones no perturbadas del yacimiento. La línea llena representa el perfil de presión correspondiente a una columna de agua en ebullición (modelo PPEP: Per- fil de Presión de Ebullición versus Profundidad; Grant,

et

al., 1982). Como puede observarse, el ajuste del modelo PPEP es bueno para un rango de elevación

que va de a unos msnm. Debajo de esta

elevación, aproximadamente a msnm, se observa un grupo de pozos cuyo comportamiento es diferente

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comportamiento del modelo PPEP, se considera que es un yacimiento de baja saturación de líquido. El perfil de presión descrito por la expresión es un perfil in- termedio entre uno vaporstático y uno hidrostático. Este tipo de perfil se presenta cuando ocurre el fenómeno de contra flujo. Es decir, primero asciende vapor que a cierta profundidad se condensa y después fluye agua líquida en la dirección contraria.

El comportamiento de la distribución de presión parece sugerir que la capa que separa los dos yacimientos es la Toba Vítrea (unidad litológica que se caracteriza por tener baja permeabilidad (cuadro El espesor promedio de esta capa es de m, aproximadamente.

Respecto a la distribución de presión, puede decirse que, en general, el yacimiento presenta continuidad hidráulica. Los pozos que no siguen el comportamien- to general (H-2, H-5, H-24 y H-25) probablemente indican el límite del yacimiento (pozo H-25 en el este; pozo H-2 en el suroeste; pozo H-24 en el sureste, y pozo H- en el oeste del campo). Los valores de presión de los pozos H-9, H-26 y H-40 quizá indican algún error en la medición. En las zonas productoras de los pozos H-9 y H-26 se estimaron temperaturas estáticas muy eleva- das (más de mientras que el pozo H-40 tiene temperatura moderada (279 grados centígrados).

Como parte del estudio, se efectuó el análisis de pruebas de presión correspondientes a pozos del campo. Con el objeto de obtener toda la información Con saturaciones bajas, el vapor se vuelve la fase que

controla la presión (Truesdell y White, 1973). Las presiones y elevaciones de estos pozos conforman un perfil subvertical que puede representarse por medio de la expresión:

donde P es la presión en bar y Z es la elevación en msnm. En la ilustración se muestra el ajuste de los datos tanto al modelo PPEP (de a msnm) como a la expresión (de a msnm). Como se puede observar, el ajuste es bueno.

De los datos de presión discutidos en el párrafo an- terior, puede concluirse que en el sistema geotérmico de Los Humeros existen, cuando menos, dos yacimientos. De acuerdo con la distribución de presión, el primero y más superficial se encuentra localizado aproximadamente entre y msnm y, dada la excelente concordancia con el modelo PPEP, puede decirse que se trata de un yacimiento de líquido dominante. El perfil de presión del yacimiento más somero corresponde a una columna de agua en ebullición entre y grados centígrados.

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posible del yacimiento, primeramente se efectuó un análisis de las pruebas por medio de las técnicas con- vencionales (Earlougher, 1977; Bodvarsson y Tsang, 1980; Benson y Bodvarsson, las cuales, ade- más de proporcionarnos, en algunos casos, una esti- mación de la presión promedio inicial del yacimiento en las inmediaciones del pozo, sirvieron como guía para efectuar el análisis por medio de la técnica de curva tipo, empleando para ello las soluciones presen- tadas por Bourdet y Gringarten (1980) para pozos con almacenamiento y daño en yacimientos con comportamiento de doble porosidad. En el análisis de algunas de las pruebas fue necesario emplear las curvas tipo desarrolladas por Agarwal

et

al. (1970) para pozos en un sistema infinito con almacenamiento y daño. El ana- lisis detallado de estas pruebas se presentará más ade- lante, en otro artículo que se prepara en la actualidad. En la ilustración se presenta la distribución vertical de las presiones obtenidas por medio del análisis de pruebas de presión. Como puede apreciarse, el ajuste con el modelo PPEP es aceptable. Debido a que algunas de las pruebas se efectuaron cuando el pozo aún no se encontraba terminado, o bien, porque la CFE las efectuó con algún fin operativo específico no relacionado necesariamente con la principal zona pro- ductora del yacimiento, la elevación de los pozos re- portada en las ilustraciones y es diferente.

En general, puede decirse que los resultados obtenidos con el análisis de pruebas de presión, concuerdan

con lo con lo que se expresó anteriormente sobre el yacimiento identificado en la parte superior del sistema.

Alteración hidrotermal

A fin de contar con una línea de evidencia indepen- diente que permitiera comprobar algunas de las ob- servaciones antes citadas, se efectuó un estudio sobre la alteración hidrotermal en el sistema geotérmico. La proporción y distribución de minerales de neoforma- ción en el yacimiento (especialmente calcita y epidota), demuestran que existe una zona donde ocurre la mayor proporción de minerales de alteración y que corresponde a la zona formada por Andesita de Augita Teziutlán (unidad cuadro 1). En general se observa que al aumentar la profundidad, la alteración en los nú- cleos y recortes de perforación disminuye notablemen- te,

lo cual indica tal vez baja relación agua-roca.

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Esta misma observación se aplica claramente para la epidota cuya distribución indica la interacción agua- roca, principalmente en la Andesita de Augita Teziutlán, a una temperatura mayor a 200°C. AI igual que la calcita, su ausencia o baja proporción en la parte profun- da del sistema obedece posiblemente a la baja relación agua-roca en la zona de baja saturación de líquido.

En la ilustración se presenta un resumen de las características principales del modelo anteriormente descrito para el campo geotérmico de Los Humeros. Puede verse que el yacimiento más somero se encuentra contenido en las andesitas de augita, en tanto que el yacimiento más profundo aparece en las andesitas de Hornblenda (unidad basaltos (unidad 8) y parte de los mármoles (unidad 9). El comportamiento de la distribución de presión, sugiere que la capa que separa los dos yacimientos es la toba Vítrea (unidad litológica 6). Las flechas negras indican que en algunas zonas del yacimiento profundo primero asciende vapor que a cierta profundidad se condensa y des- pués fluye agua líquida en la dirección contraria. La distribución de temperatura parece sugerir el ascenso de fluido más caliente en la zona denominada Colapso Central. Las temperaturas que se utilizaron para pre- parar las isotermas de dicha ilustración, son las que se estimaron con el método de la Esfera (Ascencio et al.,

para cada uno de los pozos a diversas profun- didades. En esta ilustración puede verse claramente el ascenso de fluido-más caliente en la zona denominada Colapso Central (en la ilustración dicha zona se extiende entre los pozos H-31 y H-10).

Conclusiones

Para inferir las distribuciones de presión no perturbadas del fluido del yacimiento se analizó una considerable cantidad de información relacionada con aspectos geológicos, geoquímicos, geofísicos, de perforación e ingeniería de yacimientos, correspondiente a pozos del campo geotérmico de Los Humeros.

Con base en los datos analizados y las distribuciones de presión y temperatura resultantes, se desarro- llaron modelos del yacimiento no perturbado. Estos modelos muestran que en el sistema geotérmico de Los Humeros existen cuando menos dos yacimientos. El primero y más superficial se encuentra localizado entre y msnm y dada la excelente concordancia con el modelo PPEP, puede decirse que es un yacimiento de líquido dominante. El perfil de presión del yacimiento más somero corresponde a una columna de agua en ebullición aproximadamente entre y 330°C. El segundo yacimiento se encuentra localizado debajo de los msnm, aproximadamente, y hasta donde se tiene información puede decirse que se extiende cuando menos hasta msnm y dado que se aparta del comportamiento del modelo PPEP, se considera que se trata de un yacimiento de baja satu- ración de líquido. Para los pozos que se alimentan de esta zona del campo se estimaron temperaturas de entre y grados centígrados.

El comportamiento de la distribución de presión, sugiere que la capa que separa los dos yacimientos es la Toba Vítrea (unidad litológica que se caracteriza por tener baja permeabilidad (cuadro El espesor promedio de esta capa es de aproximadamente metros. En algunos pozos se identificó la zona de alimenta- ción en las calizas (permeabilidad primaria baja), lo que sugiere que en ciertos lugares éstas se encuentran fracturadas permitiendo el flujo de fluidos profundos.

Agradecimientos

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eléctricos, particularmente a los doctores Gerardo Hiriart L., y José Luis Quijano L., y a los ingenieros Saúl Venegas S. y Raúl Estrada S.,

quienes autorizaron la publicación de este trabajo. También hace- mos un reconocimiento especial al personal técnico de la Residen- cia del Campo Geotérmico de Los Humeros, ya que sin su colabora- ción, apoyo y comentarios no hubiera sido posible la realización de este estudio. De igual manera, expresamos nuestro agradecimiento a dos árbitros anónimos, cuyos valiosos comentarios y sugerencias hicieron posible la elaboración de un mejor artículo.

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Recibido: Aprobado:

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Abstract

Arellano, V.M., G. Izquierdo, A. Aragón, R.M. Barragán, A. García A. Pizano, “Initial Pressure Distribution in the Geothermal Field of Los Humeros, Puebla, Mexico”, Hydraulic Engineering in Mexico (in Spanish), vol. XVl, num. pages July-September,

To obtain the undisturbed distribution of pressures of a field flow, a significant amount of data concern- ing geological, geochemical, geophysical, and field drilling and engineering aspects, from wells located at the geothermal field of Los Humeros, was analyzed. Based on the studied data, models of the field pres- sure distribution in its initial state were developed. The models reveal the existence of at least two deposits. One of them, the most superficial, is located between and meters over the sea level, and from its excellent congruence with the pressure profile of a boiling water column, it may be considered as a pre- dominantly liquid field. The pressure profile of this field is that of a boiling water column, at a temperature of about The second field is below meters over the sea level and from the known data it reaches at least meters over the sea level. It is considered a low-liquid saturated field. The temperatu- res of the wells supplied by this field were estimated to be about

Key words: conceptual model, initial pressure, Los Humeros.

Dirección institucional de los autores:

Victor M. Arellano Georgina Izquierdo Alfonso Aragón Rosa María Barragán Alfonso García

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