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Introducción
El campo geotérmico Cerro Prieto se encuentra localizado en el Valle de Mexicali, aproximada-mente a 30 km al sureste de la ciudad de Mexicali, en el estado de Baja California, México (figura 1). Los yacimientos de este campo se sitúan en una
cuenca tectónica rellena de sedimentos aluviales y deltaicos, limitada por la falla Cerro Prieto en el este y por la falla Imperial en el oeste. El área que se explota actualmente tiene una extensión de aproximadamente 15 km2 (figura 1) y en ella se han
perforado más de 300 pozos, con profundidades que varían entre 1 250 y 3 550 metros.
Se realizó un estudio del yacimiento del área Cerro Prieto IV (CP IV), localizado en la parte NE del campo geotérmico Cerro Prieto, para definir sus características en el “estado temprano” y su respuesta inicial a la explotación (2000-2005). Las condiciones termodinámicas en el fondo de los pozos se obtuvieron mediante la simulación del flujo de fluidos y calor en pozos usando el programa WELLSIM y las historias de datos de producción. Se analizaron los datos químicos e isotópicos de los fluidos producidos para obtener sus patrones de comportamiento, así como sus cambios en el tiempo para relacionarlos con los resultados de simulación, para obtener un modelo conceptual del yacimiento. Las características termodinámicas, químicas e isotópicas indican que en el estado temprano de la explotación existían dos zonas con características muy diferentes. Esto se debe a que la Falla H divide a CP IV en dos áreas o bloques. De la línea formada por los pozos 429D, 420, 409 y 410 hacia el este-sureste, se observan pozos con entalpía muy elevada (2 000 kJ/ kg o mayor), con los valores de cloruros en el yacimiento más bajos del área (7 000 mg/kg o menos), con los valores más altos de CO2 (más de 6‰ molar) y δD en la descarga total (-94‰). A esta zona se le denominó bloque sur. De la línea formada por los pozos 419, 415 y 430D hacia el oeste-noroeste, los pozos muestran en general entalpías entre 1 400 y 1 800 kJ/kg; los cloruros de yacimiento alcanzan valores de hasta 12 000 mg/kg; los valores de CO2 son menores a 6‰ molar y los valores de δD menores a -94‰. Para los fines de este estudio, a esta zona la llamamos bloque norte. Los principales procesos de yacimiento derivados de la explotación que se identificaron incluyen ebullición y condensación de vapor en pozos del NW y de la periferia de CP IV, así como la entrada de fluidos de menor temperatura en la parte central del área. También se encontró que el sistema de fallas asociado con esta zona del campo Cerro Prieto controla la hidrodinámica del yacimiento. Actualmente, CP IV cuenta con una capacidad instalada de generación eléctrica de 100 MW.
Palabras clave: Cerro Prieto IV, procesos de yacimiento, condiciones termodinámicas, composición química de fluidos, explotación de yacimientos.
• Víctor Manuel Arellano-Gómez • Rosa María Barragán-Reyes • • Alfonso Aragón-Aguilar • Georgina Izquierdo-Montalvo •
• Enrique Portugal-Marín • Instituto de Investigaciones Eléctricas, México
• Marco Helio Rodríguez-Rodríguez • • Alfredo Pérez-Hernández • Comisión Federal de Electricidad, México
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Cerro Prieto
México
306
305 E-26A 329
E-37A 627 619 226 E-32
629 M-109
M-112A M-117A M-150A
M-110
617 607
601 603 613 609
E-35A 631 E-47A E-40 615
E-34 M-120A M-104
102 605
M-113 621623
600
E-39 307
309
426 404 403
405 412 413 406 427 E-46 E-49
M-197 400
M-192 410 430D
428D
M-200
3 587 000
3 585 000 217
E-54 T-328 216
618
T-336A E-56
-388 M-122 624
232 M-116 E-31
E-23 210
T-364 215 214 M-126213 209
E-29 630 620
224M-93A 219
T-395 218 M-128
214 221
138 T-402
M-79 M-73
E-60 E-18 103 T-401
666 000 668 000 144
T-400 E-15 612
E-2 108 E-62 M-30
M-20 M-19A
105 107 301
302 M-114
CP III
CP I
CP II
Campo Geotérmico Cerro Prieto Sector CP IV
Pozos productores
E-55
131
227T-394 E-38
M-127
E-30 E-20 201 M-160
E-51 M-102A
608 604
606 602
202 M-118211 T-350 610
622M-148A
Trazo Falla “H”
NL-1 423 E-414E-419
E-429D 418
E-407
E-25 E-43 CP IV
M-198 424
311 M-135
M-137 M-139A M-155 M-157
0 200 km
100o W
N
30o
20o
Golfo de México Océano
Pacífico
Estados Unidos de América
N
Figura 1. Localización del campo geotérmico Cerro Prieto y del sector CP IV. Se indica el trazo de la Falla H y la localización de pozos.
Con el fin de facilitar la administración del campo, el personal técnico de la Comisión Federal de Electricidad (CFE) lo ha dividido en cuatro áreas principales: Cerro Prieto I (CP I), que se encuentra en la parte oeste del campo; Cerro Prieto II (CP II), en la parte sureste; Cerro Prieto III (CP III), en la parte norte; Cerro Prieto IV (CP IV), en la parte este de CP III (figura 1).
En este campo se han identificado dos yacimientos: el yacimiento alfa, que se
encuentra entre 1 000 y 1 500 m de profundidad y únicamente en el área de CP I; y el yacimiento beta, que se encuentra a profundidades mayores a 1 500 m y que cubre toda el área del campo (Lippmann et al., 1991). En la actualidad (agosto de 2008), la capacidad de generación instalada en el campo es de 720 MWe.
Varios autores han discutido el
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de Lippmann (1987), Truesdell et al. (1989), Truesdell et al. (1997), Lippmann et al. (2000) y Lippmann et al. (2004). En la literatura pública existe muy poca información relacionada con las características y el comportamiento del área CP IV (Rodríguez, 2003), esto se debe a que el desarrollo importante de esta zona del campo se efectuó entre los años 2000 y 2004, periodo en el que se perforaron 21 de los 30 pozos existentes, con el fin de alimentar la planta de generación Cerro Prieto IV (100 MWe).
En este artículo se describen las caracterís-ticas y respuesta inicial a la explotación del área CP IV, que se obtuvieron a partir del análisis de los datos químicos, isotópicos y de producción de 28 pozos de la zona. Los objetivos del análisis fueron los siguientes: a) identificar los principales procesos que han ocurrido y están ocurriendo en el yacimiento correspondiente al área CP IV, como consecuencia de la extracción de fluidos y calor, y b) relacionar dichos efectos con sus probables causas.
Características del área en su estado natural o temprano
Los pozos producen fluidos del tipo clorurado sódico. La composición química de los fluidos producidos al inicio de la explotación se ilustra
en el diagrama de Schoeller de la figura 2. El diagrama muestra el mismo patrón de composición con mayor o menor concentración de especies, lo que denota cierta dilución del fluido del yacimiento, ya sea con condensado de vapor o con algún otro fluido más somero, menos salino y de menor temperatura. Asimismo, se observan diferencias en los valores de pH (entre 5 y 8).
Debido a que este análisis del comportamien-to del yacimiencomportamien-to se basa en el análisis de los datos químicos, isotópicos y de producción, y dado que la producción afecta el estado de las condiciones originales, aun los datos más tempranos sólo proporcionarán información aproximada del estado no perturbado del área CP IV. Como una aproximación al estado no perturbado, se tomaron los datos iniciales de los pozos que habían producido hasta el año 2001 (E-48, E-49, M-192, M-197, M-198, 403, 406, 413, 415, 420, 424 y 426). En la figura 3 se muestran las distribuciones tempranas de a) la entalpía de cabezal de los pozos; b) cloruros en el yacimiento obtenidos según el método propuesto por Truesdell et al. (1989); c) temperatura de yacimiento estimada mediante el geotermómetro Na/K (Nieva y Nieva, 1987); d) dióxido de carbono en la descarga total (CO2), y (d) δD en la descarga total, respectivamente.
En la figura 3a puede verse que la entalpía se incrementa de la parte oeste a la parte este del área de estudio. En la parte oeste se encuentran pozos con valores menores a 1 600 kJ/kg, mientras que en la parte este se encuentran pozos con valores mayores a los 2 200 kJ/kg. En la parte centro-norte de CP IV se observa que los pozos 406 y 413 muestran entalpías del orden de los 1 600 kJ/kg; este rompimiento del patrón de la distribución parece sugerir la entrada de fluidos más someros al yacimiento a través de la Falla H.
La distribución de cloruros en el yacimiento (figura 3b) muestra un comportamiento contrario al de la entalpía; disminuye de la parte oeste a la parte este. En la parte oeste, en las inmediaciones del pozo M-192, se encuentran valores mayores a 12 000 mg/kg, 10
8
6
4
2
0
-2
-4
pH y log de concentraciones en meq/l
217 403 404 405 406 407 408 409 410 412 413 414 415 418 419 420 421 423 424 426 427 231D 428D 429D 430D 431D E-21A E-48 E-49 M-119A M-192 M-197 M-198 NL-1 M-11
pH Na K Ca Mg Li HCO3 SO4 Cl B
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que disminuyen en una área muy pequeña a menos de 2 000 mg/kg en el pozo NL-1. Esta zona de altos cloruros ya había sido observada por Lippmann et al. (2004) en el área CP II, y se le interpretaba como la entrada de agua con
alta concentración de cloruros al yacimiento a través de la parte baja de la Falla H.
La temperatura del yacimiento se estimó tanto con geotermómetros de fase líquida (Fournier y Truesdell, 1973; Fournier y 3 587 500
3 587 000
3 586 500
3 586 000
3 585 500
3 587 500
3 587 000
3 586 500
3 586 000
3 585 500
426 (a) 426 4 5 6 6 6 7 8 7 5 5 3 3 3 2 4 4 4 404 404 407 407 408 408 409 409 M-197 M-197 415 415 421 421 217 217 E-21A E-21A M-119A M-119A 423 423 410 410 NL-1 NL-1 430D 430D 428D 428D 231D 231D 668 500 669 000
668 500 669 000 M-192 M-192 431D 431D E-49 E-49 1600 E-48 E-48 403 403 424 424 405 405 412 412 418 418 419 419 420 420 414 414 429D 429D 413 413 406 406 427 427 Entalpía inicial Pozo considerado
1 600 kJ/kg 2 200 kJ/kg
CO2 DT Pozo considerado
2 (per mil molar) 7 (per mil molar) M-198 M-198 1600 1600 1800 2000 2200 1600 1800 2000 N
3 587 500
3 587 000
3 586 500
3 586 000
3 585 500
426 404 408 409 M-197 415 421 217 E-21A M-119A 423 410 NL-1 430D 428D
668 500 669 000 231D M-192 431D E-48 403 424 427 E-49 405 406 407 414 419 412 413418 420 429D CI yac Pozo considerado
4 000 mg/kg 8 000 mg/kg
M-198 1000 0 8000 6000 6000 4000 8000 10000 (b) N
3 587 500
3 587 000
3 586 500
3 586 000
3 585 500
426 295 300 305 305 300 295 290 295 300 310 305 404 407 408 409 M-197 415 421 217 E-21A M-119A 423 410 NL-1 430D 428D 231D
668 500 669 000 M-192
431D E-49
E-48 403
424 405 412418
419 420 414 429D 413 406 427 Tyac (Na/K) Pozo considerado
270 oC
300 oC
M-198 (c)
N
3 587 500
3 587 000
3 586 500
3 586 000
3 585 500 -426 404 408 409 M-197 415 421 217 E-21A M-119A 423 410 NL-1 430D 428D
668 500 669 000 231D M-192 431D E-48 403 424 427 E-49 405 406 408 407 414 412 413418 420 429D D Pozo considerado -97 (%) -93 (%) M-198 -96 -95 -94 -97 -93 -92 -96 -95 -94 (e) N (d) N 1800
Figura 3. Distribuciones de: (a) entalpía de producción;
(b) cloruros en el yacimiento; (c) temperaturas de yacimiento; (d) CO2 en la descarga total de los pozos,
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Potter, 1982; Nieva y Nieva, 1987), como con métodos de equilibrio gaseoso. De acuerdo con el geotemómetro de composición catiónica (Na/K) (Nieva y Nieva, 1987), la mayoría de los fluidos muestra equilibrio total, indicando temperaturas de yacimiento entre 275 y 325 ºC.
La figura 3c muestra la distribución de temperatura de yacimiento empleando el geotermómetro Na/K (Nieva y Nieva, 1987). En esta figura puede verse que las temperaturas más altas de se encuentran en general sobre la traza de la Falla H, principalmente en la parte noreste, en las inmediaciones del pozo M-198. Los valores de temperatura disminuyen tanto hacia el noroeste como al sureste (temperaturas alrededor de los 270-280 ºC), en donde probablemente la Falla H tiene una menor influencia.
La distribución inicial de CO2 en la descarga total de los pozos (figura 3d) muestra que los valores más altos se localizan en la parte este del área de estudio (más de 7‰ molar), en donde los valores de entalpía de los pozos también son los más altos, indicando una elevada fracción de vapor. Dado que los volátiles se particionan en la fase vapor, es razonable que los pozos con alta entalpía produzcan altos valores de CO2.
En general, el comportamiento del CO2 en la descarga total es muy similar al de la entalpía.
La distribución inicial de valores de δD se presenta en la figura 3e; como puede verse, los valores más altos, -93 (‰), se encuentran en la parte este y sur del área, mientras que los valores más bajos, -97 (‰), se presentan en las inmediaciones de los pozos 413 y 424, en donde se habían observado entalpías bajas y se sospechaba la entrada de fluidos someros.
Como puede verse, en una área muy pequeña (de aproximadamente 2.5 km2), se
observan variaciones muy grandes en los diversos parámetros estudiados. Esto se debe a que la Falla H divide a CP IV en dos áreas o bloques con características diferentes. De la línea formada por los pozos 429D, 420, 409 y 410 hacia el este-sureste, se observan pozos con
entalpía muy elevada (2 000 kJ/kg o mayor), con los valores de cloruros en el yacimiento más bajos del área (7 000 mg/kg o menos), con los valores más altos de CO2 (más de 6‰ molar) y
δD en la descarga total (-94‰). Para los fines de este trabajo, a esta zona la llamaremos bloque sur.
De la línea formada por los pozos 419, 415 y 430D hacia el oeste-noroeste, los pozos muestran en general entalpías de entre 1 400 y 1 800 kJ/kg, los cloruros de yacimiento alcanzan valores de hasta 12 000 mg/kg, los valores de CO2 son menores a 6‰ molar y los valores de δD menores a -94‰. Para los fines de este estudio, a esta zona la llamaremos bloque norte.
Todas estas características tan diferentes entre sí pueden verse claramente en una gráfica entalpía-cloruros en la descarga total, para los datos iniciales de todos los pozos de CP IV (figura 4). La línea gruesa que ajusta el comportamiento global de los pozos se tomó como línea base para subsecuentemente estudiar el comportamiento específico de algunos pozos representativos.
3 000
2 000
1 000
0
Entalpía desca
rg
a total (kJ/kg)
0 4 000 8 000 12 000 16 000 Cloruros en descarga total (mg/kg) vap 423
429D 410 428D 431D 421
NL-1 M-197
M-198 412
420 415
426414
427407408413 430D M-192 E-49
403 418 424
404
Vapor
409
419
E-48
406
Figura 4. Entalpía versus cloruros en la descarga total de los
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5
0
Fluido pr
oducid (millones de ton
)
1985 1990 1995 2000 2005
Total Vapor Líquido
(2)
(5) (6) (7)(8)(9)
(13) (21)
(22) (28)
(27)
Año
Figura 5. Producción anual de fluidos del área CP IV; entre paréntesis se indica el número de pozos que contribuyen a la misma. Para el año 2005, los datos
corresponden hasta el mes de octubre. El yacimiento en producción
La extracción de fluidos en CP IV se inició en 1985, con la entrada en operación de los pozos M-192 y M-197; para el año 2000, ya se habían perforado nueve pozos en el área y para el año 2004, 28 pozos explotaban esta zona del yacimiento (figura 5). Hasta octubre de 2005 se habían extraído casi 150 millones de toneladas de fluidos, de los cuales el 51% era vapor y el 49% líquido a condiciones de superficie. La mayor parte del vapor de la zona alimenta las cuatro unidades de la central CP IV, que tiene una capacidad instalada de 100 MWe y entró en operación en 2000. Hasta 2005 no se reinyectaban fluidos en el área de estudio.
Metodología
Para conocer cómo estaba respondiendo esta zona del yacimiento a la extracción de fluidos y calor, primeramente se efectuó el análisis de los datos químicos, isotópicos y de producción para cada pozo, y posteriormente se efectuó
un análisis general del área. En particular, para cada pozo se estudió la evolución de los gastos de líquido, vapor y mezcla producidos; y de la presión y entalpía a fondo de pozo, estimadas por medio del simulador numérico
WELLSIM; (Gunn y Freeston, 1991), siguiendo la metodología dada por Arellano et al. (2005).
Con el objeto de identificar la ocurrencia de procesos en los pozos y en el yacimiento, se compararon los comportamientos en el tiempo de la entalpía de la descarga total con las entalpías de líquido correspondientes a las temperaturas estimadas con un geotermómetro de cationes (Na/K), de re-equilibrio “lento” (Nieva y Nieva, 1987) y con un geotermómetro de sílice (cuarzo) de re-equilibrio “rápido” (Fournier y Potter, 1982), de acuerdo con el método propuesto por Truesdell et al. (1995).
Subsecuentemente se estudió la evolución en el tiempo de los siguientes parámetros: fracción de vapor a la entrada del pozo; cloruros en la descarga total y en el yacimiento; CO2 en
la descarga total y en el yacimiento; saturación volumétrica de líquido (Sl), y δ18 O y δD en la
descarga total.
La fracción de vapor a la entrada del pozo (FVEP) se estimó mediante un balance de entalpía de acuerdo con el método propuesto por Truesdell et al. (1989):
FVEP = (HDT − HLIQ (TYAC))/(HVAP (TYAC))
− HLIQ (TYAC)) (1)
Donde HDT representa la entalpía de la descarga total; HLIQ (TYAC) representa la entalpía
del líquido a la temperatura de yacimiento estimada mediante un geotermómetro de Na/K y HVAP (TYAC) es la entalpía del vapor a la temperatura del yacimiento. En este trabajo, las temperaturas de yacimiento se estimaron mediante el geotermómetro Na/K (Nieva y Nieva, 1987).
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la concentración de cloruros (y otros solutos) de la descarga total es representativa de la concentración del líquido del yacimiento. En contraste, cuando un pozo se alimenta de fluido bifásico, el vapor diluirá las especies no volátiles en una cantidad que dependerá de la cantidad de vapor que entra al pozo, también denominado “exceso de vapor” (Nieva et al., 1987). En este caso, la concentración de cloruros puede estimarse corrigiendo la concentración de cloruros de la descarga total por el “exceso de vapor”. Otro método para estimar la concentración de cloruros del líquido del yacimiento (ClYAC) fue propuesto por Truesdell
et al. (1989):
ClYAC = ClLIQ (SEP) x (HVAP (SEP)
− HLIQ (TYAC))/(HVAP (SEP) − HLIQ (SEP)) (2)
Donde HLIQ (TYAC) es la entalpía del líquido a la temperatura del yacimiento; HLIQ (TYAC) se
utiliza en lugar de la entalpía de la descarga total; HLIQ (SEP) y HVAP (SEP) son las entalpías
de líquido y vapor a las condiciones de separación.
El cálculo de las concentraciones de CO2 en la descarga total y en el líquido del yacimiento se realizó según el método propuesto por Nieva et al. (1987). Este método proporciona una estimación del “exceso de vapor” (y) en los fluidos de alimentación de los pozos, considerando que las desviaciones reales de las concentraciones de las especies participantes en la reacción de Fischer-Tropsch, con respecto a las esperadas del equilibrio se deben a la adición (o pérdida) de vapor.
Resultados
En esta sección, y con fines de economía de espacio, únicamente se presentan los resultados relacionados con el análisis del comportamiento de la entalpía de los pozos, cloruros y tempera-tura de yacimiento, CO2 y δD en la descarga total. Se considera que estos parámetros presentan una buena idea de los principales procesos que ocurren en esta zona del campo.
Entalpía de los pozos
En la figura 6 se muestran las distribuciones de entalpía de 2004 y 2005 para los pozos del área de CP IV y cuatro pozos del área de CP II (217, 231D, E-21A y M-119A). En esta figura puede verse que para el año 2004, en la parte central del área de estudio, se encontraba un grupo de pozos (406, 407, 408, 413, 414 y 427) que presentaba entalpías de 1 600 kJ/ kg o menores (característica que ya se había observado en los datos tempranos). Al alejarse de esta zona, la entalpía se incrementa en todas las direcciones, encontrándose los valores de entalpía más altos en las fronteras del área. Por ejemplo, en la parte noreste se encuentra el pozo M-198, con 2 313 kJ/kg; en la parte este se encuentran los pozos 429D y 431D, con entalpías entre 2 480 y 2 550 kJ/kg; en la parte sureste se encuentra el pozo 423, con 2 530 kJ/ kg; en la parte suroeste se encuentra el pozo M-197, con 2 508 kJ/kg; en la parte oeste está el pozo E-49, con una entalpía de 2 340 kJ/kg, y en la parte noroeste el pozo 424 con 2 480 kJ/kg.
Para el año 2005 puede verse que el área de pozos con entalpías de 1 600 (kJ/kg) o menores se ha incrementado, incluyendo al pozo 419. Otros pozos que presentan disminuciones en la entalpía mayores a 50 (kJ/kg) con respecto al año anterior son el 404, 406, 412, 415 y M-192. Los pozos que presentan un incremento mayor a 50 (kJ/ kg) en la entalpía promedio son el 403, 420, 423, 424, 429D, 430D y M-198. En la figura 6 también puede verse que el pozo M-197 disminuye su entalpía, pero esto debido a un cambio de orificio.
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3 587 500
3 587 000
3 586 500
3 586 000
3 585 500
3 587 500
3 587 000
3 586 500
3 586 000
3 585 500
426 426
404 404
M-198 403
412 412
668 500 669 000 668 500 669 000 Entalpía en 2004 Entalpía en DT en 2005
Pozo considerado
405 405
406 406
418 418
419 419
414 414
415 415
425
420 420
421 431D 421 431D
407 407
E-49 E-49
E-48 E-48
M-197 M-197
M-192 M-192
430D 430D
231D 431D
217 217
2200
2400
2400
2200 2200
2000
1800
1800
1800 1600
2200 2400
2400 2200
2400 2000 1800
1600
2200
2200 2000
2000
2000
M-119A M-119A
E-21A E-21A
408 408
409 409
NL-1 423 NL-1 423
410 410
428D 428D
413 413
429D 429D
424 424
427 427
1 600 kJ/kg 2 200 kJ/kg
Pozo considerado 1 600 kJ/kg 2 200 kJ/kg 416
M-198 403
2000
Figura 6. Distribuciones de entalpía de la descarga total de pozos del sector CP IV, correspondientes a 2004 y 2005.
Los pozos 406, 407 y 430D se alimentan principalmente de líquido comprimido a la presión estimada a fondo de pozo. Los dos primeros muestran disminución de entalpía e incremento de presión, indicando la llegada de fluidos de menor temperatura a su zona de alimentación. En la figura 7 se muestra el comportamiento del pozo 406.
Los pozos 404, 408, 412, 413, 415, 418 y 419 sufren una disminución tanto de presión como de entalpía, generándose un proceso de ebullición local con disminución de vapor. En
la figura 7 se muestra el comportamiento del pozo 419. Con excepción del pozo 404, todos estos pozos se encuentran en la zona o en las inmediaciones de los pozos con entalpía de 1 600 kJ/kg o menor. Este grupo de pozos también está siendo afectado por la entrada de los fluidos más someros de menor temperatura.
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presentan entalpías muy elevadas (más de 2 300 kJ/kg) y por lo tanto un proceso de ebullición importante. La mayoría de ellos también sufre condensación de vapor. En la figura 7 su comportamiento se ve ejemplificado por el pozo 423.
Cloruros
En la figura 8 se muestra el comportamiento de los cloruros en el yacimiento para los años 2004 y 2005. En esta figura puede verse que en el año 2004 los valores más altos se encuentran en la parte suroeste del área de estudio, en donde se encuentran los pozos del área de CP II; siendo el valor más alto el del pozo 231D, con aproximadamente 15 500 (mg/kg). La figura sugiere que agua con alta concentración de cloruros entra en esta parte del yacimiento por la parte baja de la Falla H. El valor de los cloruros disminuye en dirección noreste hasta el pozo 430D, que presenta aproximadamente 10 000 mg/kg, pero principalmente disminuye hacia el este, en donde se encuentran los pozos de alta entalpía. En la zona de los pozos de baja entalpía, el 406 tiene cloruros de 8 200 mg/kg y el 413 tiene los cloruros más altos de esta zona, 10 400 mg/kg. Los pozos de alta entalpía tienen en general cloruros menores a 6 000 mg/kg.
Para el año 2005, los cloruros más altos de la zona se conservan en la parte suroeste, en donde se encuentran los pozos del área de CP II, y disminuyen hacia el pozo 430D y hacia la parte este, en donde se encuentran los pozos de alta entalpía. Los pozos que tienen bajas entalpías (406, 407, 408, 412, 413, etcétera) muestran una disminución en sus cloruros. El 406 presenta los cloruros más bajos, con aproximadamente 6 600 mg/kg, y el 413 los más altos, de alrededor de 10 000 mg/kg.
En la figura 9 puede verse el comportamien-to entalpía-cloruros en la descarga comportamien-total para los pozos representativos de los diversos procesos identificados (406, 419, M-192, 403 y 423). La línea gruesa que ajusta el comportamiento global de los pozos del área se tomó como la línea base para estudiar el comportamiento 400
100
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Pr
esión (bar)
500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 1985
2005
199819992002
2005 2005
2005
x=0.2 x=0.4 x=0.6 x=0.8
Entalpía (kJ/kg)
T=200 oC
2005 2003
T=300 oC
403 423 406 419 M-192
Figura 7. Diagrama presión de fondo versus entalpía de
fondo, que muestra los cambios característicos ocurridos en los pozos 403, 406, 419, 423 y M-192 tomados como
representativos.
hecho de que fluido menos caliente llega a su zona de alimentación. En la figura 7 se muestra el comportamiento del pozo M-192.
Los pozos 403, 420 y E-49 pierden presión de manera significativa (en promedio, 16.4 bar/ año) y ganan entalpía de manera importante (en promedio, 75.6 kJ/kg/año), generando un proceso de ebullición moderado con ganancia de vapor. Se define como un proceso de ebullición moderado tomando como base que la entalpía crece hasta valores ligeramente mayores a 2 000 kJ/kg; posteriormente se definirán como procesos de ebullición importante para pozos con valores de entalpía mayores de 2 300 kJ/kg. Los pozos 403 y E-49 presentan evidencias de que su área de drene está siendo recargada por un fluido más frío. Sin embargo, esta recarga no puede reponer el fluido a la misma velocidad con que es extraído, por lo que la presión disminuye y se incrementa la entalpía. En la figura 7 se muestra el comportamiento del pozo 403.
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de los pozos. En esta figura se ve claramente cómo el pozo 406 se mueve en la dirección de un fluido de menor temperatura y salinidad, que diluye los fluidos del yacimiento. Por otra parte, el pozo 419 se mueve sobre la línea de ebullición, pero en el sentido de pérdida de vapor. Esto está relacionado con la reducción del frente de ebullición por el ingreso de fluidos de menor temperatura, que se manifiesta por la disminución de la entalpía y el aumento de los cloruros en la descarga total.
El pozo M-192 es un ejemplo de los pozos que presentan un proceso de ebullición local con ganancia de vapor. En la figura 9 puede
verse cómo el pozo M-192 se mueve cercano a la línea de ebullición, pero nunca logra alcanzar valores altos de entalpía, a pesar de que sufre una pérdida de presión muy importante.
El pozo 403 desarrolla un proceso de ebullición moderado con ganancia de vapor. Este pozo sufre una pérdida de presión anual similar a la del M-192; sin embargo, el incremento de entalpía en el pozo 403 es mucho mayor. Lo que se observa en la figura 9 es la expansión de un frente de ebullición, que se manifiesta por el incremento de entalpía y la disminución de los cloruros en la descarga.
-3 587 500
3 587 000
3 586 500
3 586 000
3 585 500
3 587 500
3 587 000
3 586 500
3 586 000
3 585 500
426 426
416
668 500 669 000 668 500 669 000
Cloruros de yacimientos en 2004 Cloruros de yacimientos en 2005
404 404
8000
8000 6000
4000
2000 6000
8000
8000
8000
6000 8000
6000
1000
1000
1200 1200
4000
4000 6000
6000 8000
8000
403 M-108 403 M-108
412 412
405 405
424 418 424 418
413 413
406 406
427 427
407 407
E-49 E-49
E-48 421 E-48 421
423 423
428D 428D
430D 430D
231D 231D
217 217
E-21A E-21A
M-119A M-119A
M-197 M-197
M-192 NL-1 M-192 NL-1
431D 431D
414 414
415 415
425
420 420
408 408
409
410 410
409
419 429D 419 429D
Pozo considerado 4 000 mg/kg 8 000 mg/kg
Pozo considerado 4 000 mg/kg 8 000 mg/kg
4000
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El comportamiento del pozo 423 es un ejemplo representativo de los pozos que sufren un proceso de ebullición importante con condensación de vapor. Debido a ese fenóme-no, los pozos presentan valores mínimos de cloruros para valores muy altos de entalpía y valores de pH relativamente bajos.
Temperatura de yacimiento
Las distribuciones de temperaturas de yaci-miento correspondientes a 2004 y 2005 para el área de CP IV, estimadas mediante el geotermómetro Na/K (Nieva y Nieva, 1987), se muestran en la figura 10. En ambas distribuciones se aprecia que la máxima temperatura, >300 °C, se localiza en la dirección SSW-NNE de CP IV, con la misma orientación de la Falla H. En 2005, la isolínea de 300 °C prácticamente descansa en el borde inferior del sistema de fallas, indicando la gran influencia de éstas en el comportamiento hidrológico del yacimiento. Las temperaturas decrecen hacia la parte central oeste de CP IV (pozos E-48 y E-49), donde se localizan los mínimos
valores, aunque la mayoría de pozos muestran relativamente altas temperaturas, de entre 270 y 310 °C. Un cambio notable en la distribución de temperaturas correspondiente a 2005 con respecto a la de 2004, es que la isolínea de 300 °C, que en 2004 se extendía desde el este hacia el oeste en la parte norte de CP IV, en 2005 ya no continúa hacia la zona noreste. Esto se debe probablemente al ligero efecto de enfriamiento en la parte norte central de CP IV por el escurrimiento de agua de menor temperatura a través de la Falla H, tal como se ha discutido para el caso de los cloruros.
CO2 en la descarga total
En la figura 11 se presenta la distribución de CO2 en el área de estudio para los años 2004 y 2005. Para el año 2004 puede verse que hay dos zonas con valores bajos de CO2 (2‰ molar o menor):
una se encuentra en la parte suroeste del área de estudio (en donde se tenían los valores más altos de cloruros, figura 8), y otra en la zona donde se encuentran los pozos con valores bajos de entalpía. Al alejarse de los pozos con baja entalpía se incrementa el CO2, principalmente
hacia la parte noreste, alcanzándose el valor más alto en el pozo M-198 (10‰ molar). En la parte noroeste, el pozo 424 alcanza valores de 7‰ molar.
Como era de esperarse, los valores más altos de CO2 se encuentran en las zonas con
procesos de ebullición más importantes (bloque sur).
En el año 2005, las tendencias parecen ser las mismas; desafortunadamente, no se contó con información de algunos pozos importantes, como el 231D, 409, 421, 428D, 430D y E-49, lo que distorsiona un poco la figura de ese año.
Deuterio en la descarga total (δD)
En la figura 12 se presenta la distribución de
δD para los años 2004 y 2005. Para el año 2004, los valores más ligeros se centran en los pozos 406 y 407. Conforme nos alejamos de estos pozos, los valores se incrementan en todas
3 000
2 500
2 000
1 500
1 000
500
0
Entalpía desca
rg
a total (k
J/
kg)
0 5 000 10 000 15 000 20 000 25 000
Cloruros descargas total (mg/kg)
403 406 419 423 M-192
Dilución
Ebu llición
Vapor
Figura 9. Valores promedio anuales de la entalpía del
cabezal versus cloruros en la descarga total
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-3 587 500
3 587 000
3 586 500
3 586 000
3 585 500
3 587 500
3 587 000
3 586 500
3 586 000
3 585 500
426 426
2004 404 2005 404
290
300
300
300
403 M-198 403 M-198
416 416
405 405
424 418 424 418
412 412
406 406
E-49 E-49
E-48 421 E-48 421
425 425
423 423
428D 428D
430D 430D
217 217
E-21A E-21A
M-119A M-119A
M-197
414 414
415 415
420 420
408 408
409 409
410
419 429D 419 429D
Pozo considerado Pozo considerado
270 oC
300 oC 270
oC
300 oC
200
28 0
280 270
290
290
290
290
413 413
407 407
M-192 M-192
M-197
NL-1
431D 431D
231D 231D
300
427 427
668 500 669 000 668 500 669 000
N
270
Figura 10. Distribuciones de temperatura del yacimiento (Na/K), correspondientes a 2004 y 2005 de pozos del sector CP IV.
las direcciones. Los valores más altos de δD se encuentran en la parte suroeste entre los pozos M-192 y los pozos del área de CP II. El comportamiento de este parámetro es muy parecido al que se ha visto con anterioridad en la entalpía.
Para el año 2005 se sigue un comporta-miento similar, pero se observa que el área afectada por la entrada de fluidos someros y fríos se ha hecho significativamente más grande y afecta a un número cada vez más importante de pozos.
En la figura 13 se muestra el comportamiento
δD versusδ18O para el año 2004, en la que se
ha graficado una línea de mezcla de fluidos del yacimiento con un fluido más somero y de menor temperatura, cuya composición isotópica es de aproximadamente -14.5‰ para δ18O y -111‰ para δD (Portugal et al.,
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Conclusiones
La Falla H divide a CP IV en dos áreas o bloques, con características iniciales muy diferentes. De la línea formada por los pozos 429D, 420, 409 y 410 hacia el este-sureste, se observan pozos con entalpía muy elevada (iguales o mayores a 2 000 kJ/kg), con los valores de cloruros en el yacimiento más bajos del área (menos de 7 000 mg/kg), y con los valores más altos de CO2 (más de 6‰ molar) y δD en la descarga total (-94‰).
De la línea formada por los pozos 419, 415 y 430D hacia el oeste-noroeste, los pozos muestran
inicialmente entalpías entre 1 400 y 1 800 kJ/ kg; los cloruros alcanzan valores de hasta 12 000 mg/kg; los valores de CO2 son menores a
6‰ molar, y los valores de δD son inferiores a -94‰.
El análisis de los datos químicos, isotópicos y de producción de 28 pozos del área CP IV permitió la identificación de los principales procesos que ocurren en esta zona del yacimiento, como resultado de las políticas de explotación.
Los pozos ubicados en el denominado bloque sur responden a la explotación con incrementos de entalpía (valores generalmente
3 587 500
3 587 000
3 586 500
3 586 000
3 585 500
3 587 500
3 587 000
3 586 500
3 586 000
3 585 500
426 426
404
416 404
403 M-198 403 M-198
CO2 en descarga total en 2004 CO2 DT en 2005
(fracción mol x 1 000)
79
4
4
4
4 9
7 2
2
405 405
424 418 424 418
412 412
406 406
E-49 E-49
E-48 421 E-48 421
423 423
428D 428D
430D 430D
217 217
E-21A E-21A
M-119A M-119A
M-197 M-197
414 414
415
425 415
420 420
408 408
409 409
410 410
419 429D 419 429D
Pozo considerado Pozo considerado
2 fr. mol x 1 000
7 fr. mol x 1 000 27
413 413
407 407
M-192 NL-1 M-192 NL-1
431D 431D
231D 231D
427 427
668 500 669 000 668 500 669 000
2
10 12
4
7 7
4
7
7 4
7
Figura 11. Distribuciones de CO2 en la descarga total de pozos del sector CP IV,
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superiores a 2 300 kJ/kg) que generan procesos de ebullición importantes y condensación de vapor. Algunos de estos pozos presentan fluidos con pH ligeramente bajo que han afectado algunas de las tuberías.
La respuesta a la explotación del bloque norte es mucho más compleja que la del bloque sur, ya que se observan cambios como disminución de presión y gasto, ebullición, entrada de fluidos someros al yacimiento e incrementos temporales en la presión y en las tasas de producción.
A diferencia del bloque sur, en donde no se observa la entrada de fluidos de menor temperatura al yacimiento, en el bloque norte ese proceso es el que rige el comportamiento de un número importante de pozos. En este bloque se observa la entrada de fluidos someros a través de la Falla H, principalmente en la zona de los pozos 406 y 407. De los pozos estudiados en este bloque, los que presentan una significativa interferencia con fluidos someros son los siguientes: 406, 407, 408, 412, 413, 414, 415, 419 y 427.
3 587 500
3 587 000
3 586 500
3 586 000
3 585 500
3 587 500
3 587 000
3 586 500
3 586 000
3 585 500
426 426
404
416 404
403 M-198 403 M-198
Deuterio en 2004 Deuterio en 2005
-95
-94
-96
-94
-93
-93
-92
-97
-100
-98 -97 -96
-94
-93
-92
-98
-97
-96
-95
-93
-92
405 405
424 418 424 418
412 412
406 406
E-49 E-49
E-48 421 E-48
425 421
423 423
428D 428D
430D
217 217
E-21A E-21A
M-119A M-119A
M-197 M-197
414 414
415 415
420 420
408 408
409 409
410 410
419 429D 419 429D
Pozo considerado Pozo considerado
-97%o
-93%o -97%o-93%o
413 413
407 407
M-192 NL-1 M-192 NL-1
431D 431D
231D 231D
427 427
668 500 669 000 668 500 669 000
-96
430D
Figura 12. Distribuciones de δD en la descarga total de pozos del sector CP IV, correspondientes
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Agradecimientos
Los resultados que se presentan en este artículo forman parte del proyecto “Estudios Geocientíficos del Polígono Hidalgo del Campo Geotérmico de Cerro Prieto”, el cual forma parte de los trabajos que lleva a cabo la Gerencia de Proyectos Geotermoeléctricos (GPG) de la Comisión Federal de Electricidad en los campos y zonas geotérmicas de México. Los autores desean agradecer a las autoridades de la GPG por apoyar la publicación de este trabajo, así como a los revisores, al doctor David Nieva y a un árbitro anónimo por sus útiles comentarios.
Recibido: 02/10/2008 Aprobado: 08/04/2009 Referencias
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-88
-92
-96
-100
-104
-108
-112
-16 -14 -12 -10 -8 -6
18 O en descarga total (o/oo)
217
2004
423
E-49 403 414 424 412
420
408 404 419 406
407
Agua subterránea (Portugal et al., 2006)
413427 415
418
429D 410 430D NL-1
D
en desca
rg
a total (
o /oo
)
431D 428 421
409M-192 M-197
Figura 13. δD versusδ18O en la descarga total de pozos del
136
ia
s d
el
Ag
ua
,
en
er
o-m
ar
zo
d
e
20
10
Abstract
ARELLANO-GÓMEZ, V.M., BARRAGÁN-REYES, R.M., ARAGÓN-AGUILAR. A., IZQUIERDO-MONTALVO, G., PORTUGAL-MARÍN, E., RODRÍGUEZ-RODRÍGUEZ, M.H. & PÉREZ-HERNÁNDEZ, A. Characteristics and main processes in the Cerro Prieto IV reservoir. Water Technology and Sciences, formerly Hydraulic Engineering in Mexico
(in Spanish).Vol. I, no. 1, January-March, 2010, pp. 121-136.
A study of the Cerro Prieto IV reservoir, which is located in the NE of the Cerro Prieto geothermal field, was carried out in order to define the main characteristics at “baseline state” conditions (prior to commercial exploitation) and the initial response to exploitation for 2000-2005. The well-bottom thermodynamic conditions were obtained by simulation of heat and fluid flows in wells using the WellSim software with historical production data as input. Chemical and isotopic data of produced fluids were analyzed in order to define their behavior patterns over time. These patterns were then related to simulation results to obtain a conceptual model for the reservoir. The thermodynamic, chemical and isotopic characteristics for baseline state conditions indicated that there were two zones with different characteristics which are separated by the Fault H. From the boundary formed by the wells 429D, 420, 409 and 410 to the E-SE, wells with high enthalpies (≥2,000 kJ/kg), low reservoir chloride (≤ 7,000 mg/kg), high CO2 (≥ 6‰ molar) and relatively depleted δD values for the total discharge (≤ -94 ‰) were found. This zone was called “southern block”. The other zone was called “northern block” and is found from the location of the wells 419, 415 and 430 D to the W-NW, where wells exhibit lower enthalpies, (of between 1,400 and 1,800 kJ/kg), higher reservoir chlorides (up to 12,000 mg/kg), lower CO2 concentrations (≤ 6‰ molar) and more enriched δD values (≥ -94 ‰) compared to those characteristics found for the “southern block” wells. The main reservoir processes identified to occur due to exploitation were: boiling and steam condensation in wells located at the NW and in the periphery of CP IV and the entry of lower temperature waters in the central part of the CP IV area. It was also found that the fault system associated to this part of the Cerro Prieto geothermal field controls the reservoir hydrodynamics.0 At present, the CP IV area has an installed power capacity of 100 MWe.
Keywords: Cerro Prieto IV, reservoir processes, thermodynamic conditions, chemical composition of fluids, reservoir exploitation.
Dirección institucional de los autores Víctor Manuel Arellano-Gómez
Rosa María Barragán-Reyes Alfonso Aragón-Aguilar Georgina Izquierdo-Montalvo Enrique Portugal-Marín
Instituto de Investigaciones Eléctricas Gerencia de Geotermia
Reforma 113 Colonia Palmira
62490, Cuernavaca, Morelos, México teléfono: + (52) (777) 3623 811 [email protected]
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Marco Helio Rodríguez-Rodríguez Alfredo Pérez-Hernández
