Si sa che spesso i pozzi di produzione geotermica durante il funzionamento presentano problemi di incrostazione, che possono ridurre drasticamente o addirittura arrestare la produzione. Le incrostazioni sono generalmente costituite da calcite, ma nei giacimenti con una presenza significativa di silice nei fluidi possono contenere anche silice, che le rende più dure e difficili da rimuovere. Nei pozzi di produzione ad alta entalpia, possono verificarsi fenomeni di flashing e incrostazione sia nel foro del pozzo che nella formazione rocciosa stessa, anche se le incrostazioni della formazione sono particolarmente problematiche perché possono essere affrontate solo con sostanze chimiche e non con metodi meccanici. La Figura 1 mostra la struttura di un tipico pozzo geotermico, inclusa la posizione dell'incrostazione di una formazione.
Figura 1. Pozzo di produzione geotermica, che mostra la zona di produzione e l'incrostazione di una formazione. [1]
I metodi chimici tradizionali utilizzati per il recupero di questi pozzi si basano sull'acido cloridrico (HCl), che agisce sulla calcite, ma la silice e alcuni depositi a base di silice non sono solubili in HCI. Alcune aziende hanno provato a utilizzare il fango acido applicato attraverso un'unità di tubi a spirale. Tuttavia, la forza e l'aggressività degli acidi comportano rischi significativi - di corrosione, umani e ambientali - e i risultati sono stati diversi. Considerando queste problematiche, questo approccio è stato per lo più abbandonato.
L'innovazione presso Contact Energy
Contact Energy, il più antico generatore geotermico del mondo, ha registrato incrostazioni di pozzi e formazioni in alcuni dei suoi siti in Nuova Zelanda. In un pozzo di produzione da 8 megawatt (MW) presso l'impianto Wairakei da 200 megawatt a Taupō, l'accumulo di calcare ha ridotto il flusso di vapore a tal punto che il pozzo non riusciva più contribuire alla produzione di elettricità dell'impianto. L'abbandono del pozzo e la perforazione di uno nuovo sarebbero costati fino a 10 milioni di dollari, un'opzione non accettabile. Anche la pulizia del pozzo con sostanze chimiche aggressive, come l'acido fluoridrico, non è stata presa in considerazione a causa del costo, della sua natura aggressiva, dell'efficacia a breve termine e dei rischi per gli operatori.
Consapevoli dei problemi con i metodi chimici tradizionali e guidati da un impegno per il miglioramento continuo, gli ingegneri di Contact Energy hanno collaborato con gli esperti Solenis per sviluppare un approccio completamente nuovo alla pulizia delle incrostazioni e al ripristino della piena capacità dei pozzi di produzione compromessi. Solenis ha consigliato un nuovo metodo di pulizia della formazione rocciosa che coniugava soluzioni avanzate di ingegneria mineraria, geologia e dinamica di pompaggio. La soluzione utilizzava basse concentrazioni di sostanze chimiche, alta pressione, alte portate e un flusso accuratamente controllato per consentire alle sostanze chimiche pulenti di penetrare nelle fessure della formazione rocciosa e dissolvere gli accumuli di calcare, incrementando così il flusso (v. Figura 2).
Figura 2. Preparazione del pozzo di produzione per l'immissione del fluido di pulizia nel pozzo.
Oltre alle innovative tecniche di applicazione, il portafoglio di prodotti chimici comprendeva una combinazione unica di sequestranti, polimeri, acidi e soluzioni alcaline. Gli inibitori tradizionali dell'industria del petrolio e del gas sono costosi e spesso utilizzano additivi potenzianti, come l'antimonio, che sono velenosi e/o cancerogeni. La ricetta chimica sviluppata dal team Solenis si è dimostrata eccezionale nelle condizioni geotermiche, ha avuto un profilo di sicurezza significativamente migliore ed è risultata molto più conveniente in termini di costi.
Risultati premiati
Nei test condotti in altri pozzi di produzione, come quello in Messico, il nuovo approccio di Solenis si è dimostrato efficace nel ripristinare i pozzi di produzione inutilizzati riportandoli al 100% della massima capacità storica. Inoltre, è emerso che il metodo potrebbe costituire una tecnica di stimolazione, in grado di sciogliere i minerali della formazione piuttosto che solo le incrostazioni. Tuttavia, la geologia di Wairakei era molto più complessa, con zone di alimentazione intricate che rendevano difficile indirizzare efficacemente i prodotti chimici. Solenis si è affidata alle analisi della pressione transitoria di Contact Energy per garantire che le sostanze chimiche giuste penetrassero in profondità nella formazione e raggiungessero le zone adeguate.
Anche con questa complessità, la soluzione Solenis ha prodotto risultati eccezionali: il pozzo è stato riportato al 130% della capacità recuperabile prevista (v. Figura 3), il che si è tradotto in un aumento della produzione di energia elettrica di circa 50.000 megawattora nell'anno successivo alla pulizia, a una erogazione media di 7 MW. Poiché questa fonte di energia geotermica ha un tenore molto basso di carbonio, ha un effetto positivo sulle emissioni di carbonio. Le emissioni stimate di questi 7 MW di generazione geotermica in un anno sono pari a 1.080 tonnellate di CO2 equivalente (tCO2e, che include il metano), significativamente inferiori rispetto alle alternative a combustibile fossile. La generazione di 7 MW dal carbone produrrebbe circa 58.600 tCO2e o 23.900 tCO2e nel caso di gas a ciclo combinato.
Figura 3. Dopo la pulizia, la produzione è aumentata notevolmente da 2 t/h ad un picco di 39 t/h di vapore.
Sulla base di questi risultati, il progetto Contact Energy a Wairakei ha vinto il premio Solenis di Sostenibilità 2021 per la riduzione delle emissioni di carbonio. Il programma Premio di Sostenibilità di Solenis esamina i progetti dei clienti completati negli ultimi 12 mesi scegliendo quelli ad alto valore e con un impatto elevato. I premi sono assegnati a progetti in cinque categorie di sostenibilità, tra cui riduzione del consumo dell'acqua, riduzione del consumo energetico, miglioramento dell'impronta di carbonio, riduzione dei rifiuti e ottimizzazione dell'utilizzo delle materie prime.
Un cambiamento in meglio
Il successo di Wairakei, con la sua dinamica particolarmente complessa dei pozzi, dimostra la forza della collaborazione nel promuovere l'innovazione tecnica. Grazie alla loro collaborazione, Solenis e Contact Energy hanno sviluppato una soluzione con una serie di vantaggi chiari: utilizzo di sostanze chimiche più ecologiche e sicure, una migliore comprensione delle risposte di flusso dei pozzi, tecniche di applicazione della zona di alimentazione altamente mirate e un metodo di pulizia dei pozzi molto meno costoso rispetto alle tecnologie alternative o alla perforazione di nuovi pozzi.
Rispetto ai metodi tradizionali, questa nuova tecnologia ha apportato un cambiamento radicale nel modo in cui il settore può gestire le proprie risorse produttive in calo. Incoraggiamo qualsiasi generatore geotermico a contattare Contact Energy o Solenis per verificare se questo approccio può essere applicabile per supportare l'aumento della capacità di generazione nelle loro attività.
Bibliografia
[1] Zarrouk, S.J., and McLean, K. "Geothermal Well Test Analysis: Fundamentals, Applications and Advanced Techniques." Elsevier, prima edizione, (2019).