Métodos eléctricos de prospección apoyados en el uso de sondeos para la explotación de energía geotérmica

      El trabajo de investigación recogido en la tesis fue realizado durante mi estancia como estudiante de postgrado en el Departamento de Ingeniería Minera y de Recursos Naturales, Facultad de Ingeniería, de la Universidad Tohoku, en la ciudad de Sendai ( Japón ), entre los años 1984 y 1987. En dicho período pertenecí al grupo de investigación GEEE, tomando parte activa en las fases II y III del Proyecto F.

      Mi labor en el curso de este proyecto se dedicó a la asistencia a las medidas de sondeos eléctricos verticales, testificación eléctrica, y registro de emisión acústica en el campo geotérmico de Higashi Hachimantai, y a la realización de extensas medidas de laboratorio de la resistividad eléctrica de rocas saturadas con una disolución acuosa a alta temperatura.

      La tesis se centra en dos temas principales de estudio:

      – Desarrollo de un método para la interpretación de diagrafías eléctricas de resistividad.

      – Determinación de la relación entre la resistividad eléctrica de las rocas y su temperatura.

      Ambos temas se combinan en una aplicación práctica de interés geotérmico: la estimación de la temperatura del subsuelo a partir de medidas eléctricas.

      El trabajo se divide en cinco capítulos. El Capítulo 1 es una introducción general a los temas tratados en la tesis.

      El Capítulo 2 se refiere al análisis de diagrafías eléctricas de resistividad. Los modelos geoeléctricos propuestos toman en consideración los efectos de la columna de lodo en el sondeo y de capas delgadas de alta resistividad. En cada caso se ha puesto a punto un método de cálculo eficaz.

      El Capítulo 3 trata de la determinación experimental de la variación de la resistividad eléctrica de rocas saturadas de agua con la temperatura, así como de sus implicaciones prácticas para la prospección geotérmica.

      El Capítulo 4 presenta un ejemplo de campo de la aplicación de los resultados obtenidos en las secciones anteriores a la estimación del gradiente de temperatura del subsuelo.

      El Capítulo 5 recoge las principales conclusiones de la tesis.

II. ANÁLISIS DE DIAGRAFÍAS ELÉCTRICAS DE RESISTIVIDAD 25
II-1. INTRODUCCIÓN 26
II-2. TESTIFICACIÓN GEOFÍSICA 27
II-2.1 Generalidades 27
II-2.2 Métodos de testificación de resistividad 29
II-3. SOLUCIÓN ANALÍTICA DEL PROBLEMA FUNDAMENTAL DE LA TESTIFICACIÓN DE RESISTIVIDAD 38
II-3.1 Generalidades 38
II-3.2 El problema directo. Cálculo numérico del potencial eléctrico 38
II-3.3 Procedimiento de inversión 45
II-3.4 Efecto de la posición real de los electrodos 48
II-4. SOLUCIÓN DEL PROBLEMA FUNDAMENTAL DE LA TESTIFICACIÓN DE RESISTIVIDAD CON EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS ( FEM ) 52
II-4.1 Generalidades 52
II-4.2 El método de elementos finitos ( FEM ) 54
II-4.3 Resultados numéricos 63
II-4.4 Interpretación 69
II-5. CONCLUSIONES 110

III. MEDIDA EXPERIMENTAL DE LA RESISTIVIDAD ELÉCTRICA DE ROCAS SATURADAS DE AGUA A ALTA TEMPERATURA Y PRESIÓN 111
III-1. INTRODUCCIÓN 112
III-2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 115
III-2.1 Aparatos de medida 115
III-2.2 Toma de datos 118

III-3. MATERIALES 125
III-3.1 Descripción de las muestras 125
III-3.2 Preparación de las muestras 125
III-4. RESULTADOS EXPERIMENTALES 129
III-5. ANÁLISIS DE DATOS. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 146
III-5.1 Dependencia respecto a la temperatura de la resistividad de rocas saturadas de agua 146
III-5.2 Efecto de histéresis de resistividad 153
III-5.3 Efecto de la fracturación térmica sobre las medidas de resistividad eléctrica 161
III-6. CONCLUSIONES 171

IV. APLICACIONES PRACTICAS 173
IV-1. INTRODUCCIÓN 174
IV-2. EL CAMPO GEOTÉRMICO DE HIGASHI HACHIMANTAI 175
IV-3. COMPARACIÓN DE DIAGRAFÍAS ELÉCTRICAS Y MEDIDAS DE LABORATORIO 179 
IV-4. CONCLUSIONES 183

V. CONCLUSIONES 184
V-l. CONCLUSIONES 185

AGRADECIMIENTOS 187

REFERENCIAS 190

ANEXO 199

      1. Se han desarrollado métodos de cálculo eficaces para la interpretación de datos de diagrafías eléctricas de resistividad, en términos de la resistividad real de las formaciones rocosas. Los métodos propuestos se refieren tanto a modelos sólo con contornos cilíndricos como a modelos con contornos cilíndricos y plano-paraleos. El uso conjunto de ambos métodos de interpretación puede resultar muy útil en proyectos de exploración geofísica en general, y en particular en los realizados en campos geotérmicos.

      2. La resistividad eléctrica de las rocas saturadas de agua está controlada por la disolución electrolítica que llena el espacio poral hasta una temperatura de 200 °C aproximadamente. Sin embargo, por encima de esta temperatura, otros factores, tales como las características de fracturación de la matriz rocosa y las reacciones químicas entre la disolución saturante y los minerales que forman la roca, afectan significativamente a la conducción eléctrica en las rocas y a su dependencia respecto a la temperatura. Se ha comprobado, en particular, que la fracturación térmica da lugar a fenómenos de histéresis en la resistividad eléctrica.

      
3. Los métodos eléctricos de medida de la resistividad que hacen uso de sondeos mecánicos pueden encontrar nuevas aplicaciones prácticas en la exploración de recursos geotérmicos, tales como el monitoraje de fracturas hidráulicas durante el funcionamiento de un sistema geotérmico HDR ( Hot Dry Rock ), y la estimación de la distribución de temperaturas en el subsuelo.

      Para el monitoraje de un sistema HDR en funcionamiento han sido sugeridos con anterioridad métodos de tomografía sísmica, basados en la variación
de las velocidades de las ondas P y S con la densidad de fracturas hidráulicas saturadas de una disolución acuosa. Los métodos basados en la medida de la resistividad eléctrica presentarían la ventaja de ser sensibles no sólo a la densidad de fracturación, sino también a la temperatura y a los ciclos térmicos.

      La viabilidad de la estimación de la distribución de temperaturas en el subsuelo a partir de medidas de la resistividad eléctrica ha sido refrendada mediante un ejemplo práctico de campo. No obstante, se considera necesario un esfuerzo de investigación continuado para establecerla como una técnica rutinaria.