La tecnología de levantamiento artificial impulsa el desarrollo de la industria geotérmica

Artículo destacado: La tecnología de levantamiento artificial impulsa el desarrollo de la industria geotérmica

Oscar Llamosa Ardila 6 May 2025

La tecnología de bombas electrosumergibles (BES) ha desempeñado un papel fundamental en la expansión del uso de recursos geotérmicos en todo el mundo, en particular para aplicaciones de calentamiento directo. Sin embargo, las condiciones extremas de los entornos geotérmicos presentan desafíos para el diseño y la operación de las BES. También es necesario considerar factores de eficiencia, operación y mantenimiento para maximizar la rentabilidad de los proyectos geotérmicos que utilizan BES.

En este artículo invitado, escrito por Hans Sjerps, Frank Corredor, Juan Pablo Atencia y Alasdair McPhail, analizamos los numerosos desafíos técnicos comunes de las operaciones con BES y cómo Halliburton los aborda mediante soluciones a medida.

En la década de 1990, los operadores geotérmicos descubrieron los beneficios de las bombas electrosumergibles (BES), una tecnología de levantamiento artificial, para la extracción de agua geotérmica. Estas bombas, de eficacia probada en yacimientos petrolíferos para maximizar la extracción de hidrocarburos, se basaban en técnicas consolidadas para la extracción de fluidos del subsuelo, lo que las hacía atractivas para operaciones a menor escala, como redes de calefacción locales y centros de bienestar.

A medida que los operadores geotérmicos superaron los límites de las aplicaciones tradicionales y comenzaron a explorar a mayor profundidad, el uso de bombas electrostáticas (BES) se expandió para manejar caudales más significativos, de hasta 150 litros por segundo, y soportar temperaturas de 150 °C.

Sin embargo, las bombas electrostáticas tradicionales alcanzaron sus límites en aplicaciones geotérmicas. Las temperaturas extremas, las salmueras corrosivas y las condiciones operativas extenuantes plantean desafíos y obligan a los operadores a buscar soluciones más resistentes. El fluido extraído de los pozos geotérmicos carece de aceite, lo que afecta la lubricación. Los carbonatos de calcio derivados de la piedra caliza también podrían causar incrustaciones en áreas esenciales de la bomba y los sellos.

Si bien las bombas electrostáticas tradicionales de alto caudal funcionan bien en la extracción de agua estándar, presentan un riesgo potencial de fallas en estas intensas condiciones geotérmicas. Con los cambios estacionales de temperatura, los cojinetes del motor y los conectores de alimentación pueden experimentar aún más tensión, lo que podría causar fallas.

Los riesgos de las bombas de tazón atornillado resaltan la necesidad de soluciones a medida.

La industria geotérmica adaptó originalmente las bombas de tazón atornillado, originarias de aplicaciones de extracción en aguas frías poco profundas. Sin embargo, sus limitaciones y preocupaciones de seguridad hicieron que la industria requiriera una nueva solución para soportar las demandas de las aplicaciones geotérmicas profundas. De lo contrario, los operadores podrían experimentar fallas en los equipos debido a la presión, la temperatura y las vibraciones inherentes a los pozos geotérmicos.

Un incidente notable con un cliente en Europa puso de relieve los riesgos inherentes a las bombas de tazón atornillado. Cuando una bomba falló en el sitio, el operador perdió el equipo en el fondo del pozo. Tras una inspección más detallada, el operador descubrió vibraciones debidas a la presión en el pozo, que desprendieron los pernos orientados hacia el fondo y agrietaron los tazón por fatiga del metal. Esto subrayó los peligros de utilizar bombas no diseñadas para las condiciones de los pozos geotérmicos profundos.

El costo y el espacio generan inquietudes para los proyectos geotérmicos.

Los proyectos geotérmicos requieren la máxima eficiencia para garantizar el retorno de la inversión. Sin embargo, los sistemas geotérmicos tradicionales suelen utilizar tecnología más adecuada para el yacimiento petrolífero, lo que resulta en una menor eficiencia.

Por ejemplo, los sistemas geotérmicos convencionales utilizan cables de alimentación circulares para mantener campos electromagnéticos equilibrados, lo que prolonga la vida útil y la eficiencia de los motores sumergibles. Sin embargo, estos cables circulares ocupan el doble de espacio que los cables planos. Con un controlador de frecuencia integrado en la bomba sumergible (BES) para corregir los desequilibrios causados ??por los cables planos, los operadores pueden optimizar el espacio y ahorrar energía, reduciendo así los costos.

Los ciclos térmicos y la resistencia a las incrustaciones también aumentan los costos para los operadores geotérmicos durante la extracción de fluidos geotérmicos. Las entradas de las bombas tradicionales suelen obstruir el movimiento del fluido, lo que provoca cavitación y la formación de incrustaciones debido a las caídas de presión. Un área de entrada más grande para las BES que las tomas estándar puede solucionar el problema de los altos caudales en carcasas pequeñas y ayudar a reducir los costos.

Otra forma de reducir los costos es la reducción de la necesidad de elevación. El diseño tradicional de la toma requiere hasta 50 kW más de potencia para elevar y satisfacer las altas demandas de flujo geotérmico. Sin embargo, una reducción de 2 bares con un caudal de 400 m³/h (111 L/s) requiere 45 kW menos de potencia de elevación aplicada en la superficie. Calculado en 0,30 € por kWh al año, esto equivale a un ahorro de unos 128.000 € al año.

Además, las operaciones geotérmicas abarcan la generación de energía y la calefacción directa, que exigen caudales versátiles con variaciones estacionales en la demanda de calor. Los operadores podrían reducir costes mediante un dispositivo integrado en el ESP que ajusta con precisión la configuración del motor para adaptarse a las fluctuaciones de las condiciones de carga, una capacidad fuera del alcance de los controladores de frecuencia convencionales. Las pruebas de campo con estos dispositivos demostraron un ahorro de energía de hasta 50 kW para un motor de 1650 HP a 40 Hz, en comparación con la velocidad máxima de 60 Hz, lo que se traduce en una reducción anual estimada del coste energético de unos 130.000 €.

El software facilita la monitorización y gestión en tiempo real de las bombas sumergibles (BES).

La economía del proyecto, el rendimiento de las bombas y el tiempo de funcionamiento general se benefician de la observación en tiempo real. Permite a los operadores detectar eventos anormales con antelación para evitar paradas.

Las plataformas SCADA para la monitorización en tiempo real deben incluir recopilación de datos de alta resolución, paneles de visualización, medición de indicadores clave de rendimiento (KPI) y control remoto en un entorno en la nube 24/7/365 para garantizar la disponibilidad y seguridad de los datos mediante comunicaciones privadas cifradas mediante VPN. El entorno en la nube facilita la monitorización y la gestión, independientemente de la ubicación o el dispositivo móvil.

Sin estas funciones, los operadores no alcanzarán sus objetivos y no podrán monitorizar y gestionar continuamente en tiempo real las plantas geotérmicas y los sistemas BES.

Los algoritmos y técnicas de aprendizaje automático mejoran aún más las operaciones de las BES. Sirven como herramientas de ingeniería avanzadas para las condiciones de referencia relacionadas con el caudal, la presión y la temperatura, lo que mejora las funciones de comparación de datos de la plataforma en línea. Gracias a estos avances en el análisis y procesamiento de datos, la industria geotérmica ahora puede utilizar el seguimiento del rendimiento de las bombas y la monitorización del rendimiento del flujo de entrada a los pozos. También permite establecer parámetros de referencia de consumo energético y previene anomalías electromecánicas.

Además, el aprendizaje automático proporciona parámetros virtuales con márgenes de error inferiores al 5 % en comparación con los medidores reales de fondo de pozo. Los sensores virtuales, combinados con el sensor físico de fondo de pozo, podrían, por ejemplo, detectar una obstrucción en la entrada de una bomba para programar el mantenimiento. Los sensores virtuales pueden encargarse de la generación de informes de datos a las autoridades mineras sin necesidad de retirar un sistema de bombeo en funcionamiento en caso de fallo del sensor físico.

Ingenieros de vigilancia especializados realizan análisis de datos, evaluaciones del estado de las bombas y análisis de tendencias de los ESP dentro de la plataforma. Basan sus análisis en un manual de operaciones específico para plantas geotérmicas con mejores prácticas y eventos históricos, lo que permite la ejecución consistente de las recomendaciones técnicas y la preservación de la integridad del sistema en diferentes escenarios operativos. La colaboración entre operadores y servicios de monitoreo, con el apoyo de herramientas digitales y analíticas, extiende la vida útil operativa de los ESP.

Desbloqueando el potencial geotérmico con bombas electrostáticas de diseño

Para afrontar los retos de los entornos geotérmicos hostiles, los operadores necesitan bombas electrostáticas de diseño que soporten las exigencias de pozos geotérmicos profundos y aborden problemas como la lubricación, la formación de incrustaciones y el estrés térmico.

Cuando los ingenieros de Halliburton desarrollaron el sistema de bombeo GeoESP®, comenzaron con un marco que consideraba los entornos geotérmicos y priorizaba la seguridad, la flexibilidad y la eficiencia. El sistema GeoESP surgió como un conjunto tecnológico versátil, modular y robusto que consta de la bomba GeoESP y sus componentes relacionados: la toma GeoESP, el contenedor de prueba GeoESP, el paquete de superficie GeoController® y el patín GeoESP. Estos módulos funcionan con la plataforma digital Intelevate™ para ayudar a los operadores a adaptarse a diversos entornos geotérmicos, maximizar la extracción de agua geotérmica y minimizar los costos de energía.

Desde su concepción, los ingenieros diseñaron la bomba GeoESP para superar las limitaciones y los problemas de seguridad asociados con las bombas de tazón atornillado, comúnmente utilizadas en la industria de la elevación de agua. El rediseño incluye carcasas adicionales para los tazón para evitar movimientos laterales causados ??por tuberías ascendentes largas, que podrían provocar fatiga del metal y, como consecuencia, el desprendimiento de los pernos. Las carcasas de las bombas pueden soportar presiones diferenciales de hasta 193 bar, muy superiores a las requeridas para aplicaciones geotérmicas. Además, las conexiones bridadas con pernos orientados hacia arriba y un anillo centralizador aseguran las etapas de la bomba, reduciendo el riesgo de pernos sueltos.

Gracias a que los ingenieros diseñaron el sistema GeoESP como una solución modular, los operadores pueden utilizar configuraciones predefinidas con cinco, siete, 11 o 14 etapas de bomba para gestionar caudales de 20 a 160 litros por segundo. El diámetro exterior estándar de 9,5 pulgadas le otorga al sistema GeoESP la adaptabilidad necesaria para manejar diversas condiciones de entrada al pozo.

Simplifica el proceso de adaptación en el pozo para una variedad de caudales y requisitos de elevación. Además, garantiza la compatibilidad con un único conjunto de centralizadores para todas las configuraciones de bomba. Para los clientes con múltiples pozos, la estandarización también les ayuda a reducir la cantidad de inventario en un solo sistema GeoESP.

Los componentes modulares de los sistemas ESP mejoran la seguridad y reducen los costos

Halliburton fabrica los componentes de los sistemas GeoESP con materiales de alta calidad y resistentes al calor (150-250 °C, 303-482 °F BHT) que resisten las incrustaciones, la corrosión y la abrasión, además de tecnologías nuevas e innovadoras para satisfacer las demandas únicas de las aplicaciones geotérmicas. Estos componentes modulares mejoran la seguridad y reducen los costos de energía, además de mejorar la eficiencia en los pozos geotérmicos:

• Admisión de GeoESP: Los sistemas ESP de instalación profunda deben manejar altos caudales desde diámetros de tubería de revestimiento pequeños, pero las admisiones de tamaño pequeño pueden representar un desafío. Además, las admisiones de bombas tradicionales suelen obstruir el movimiento del fluido, lo que puede provocar cavitación e incrustaciones debido a las caídas de presión. La toma de entrada GeoESP, una toma de bomba modular, fácil de cambiar e intercambiable, se inspiró en diseños intersectoriales como la tecnología médica. El sistema cuenta con un área de entrada un 500 % mayor que las tomas estándar, con reducciones de pérdida de presión de más del 30 % para caudales de aproximadamente 10 litros por segundo. Cuenta con una carcasa apantallada que la protege contra sólidos y residuos de pequeño tamaño. La geometría optimizada de la entrada reduce la caída de presión, lo que aumenta el ahorro energético y mitiga aún más la formación de incrustaciones y la erosión de la carcasa alrededor de la entrada de la bomba.
• Contenedor de prueba GeoESP: Una sencilla solución de superficie lista para usar de 2000 kVA para pruebas de rendimiento de entrada que ayuda a los operadores a ahorrar tiempo y dinero. El contenedor de prueba GeoESP también puede utilizarse como solución definitiva a largo plazo que podría ahorrar costos de pozo relacionados con la construcción de la planta de superficie, la ingeniería del proyecto y el tiempo de operación.
• Paquete de superficie GeoController: Las operaciones geotérmicas abarcan la generación de energía y el calentamiento directo. Estas operaciones exigen caudales versátiles debido a las variaciones estacionales en la demanda de calor. El sistema GeoESP ahora incluye el paquete de superficie GeoController. Este dispositivo ajusta con precisión la configuración del motor GeoESP para adaptarse a las fluctuaciones de las condiciones de carga, una capacidad fuera del alcance de los controladores de frecuencia convencionales. Las pruebas de campo demostraron que el paquete de superficie GeoController puede lograr un ahorro de energía de hasta 50 kW para un motor de 1650 HP a 40 Hz, en comparación con la velocidad máxima de 60 Hz. Esto se traduce en una reducción anual estimada del costo de energía de 130.000 €. El paquete de superficie GeoController facilita una comunicación fluida entre varios sistemas, con un procesamiento de datos eficiente, monitoreo de sensores en tiempo real e intervenciones remotas para operaciones avanzadas de GeoESP, protecciones y un consumo de energía optimizado.
• Patín GeoESP: Diseñado para aumentar la seguridad y la velocidad de ejecución del ESP, el patín GeoESP protege el equipo GeoESP durante el almacenamiento, el transporte y la preparación del pozo. Resiste la flexión y los impactos, y ofrece características de diseño integradas más seguras. El patín GeoESP ayuda a que el ESP llegue al pozo listo para su ensamblaje y reduce la necesidad de personal para su manipulación e elevación. Una sola persona puede preparar la plataforma sin necesidad de montacargas ni grúa para asistencia adicional. El patín GeoESP simplifica el almacenamiento a largo plazo gracias a su apilamiento, la posibilidad de purgar el aceite y el control de fugas.

Los operadores ahorran más de 1,5 millones de euros con el sistema GeoESP

La eficacia de los equipos de levantamiento artificial diseñados, en particular el sistema GeoESP, se demuestra en el ahorro que obtienen los operadores al evitar pérdidas evitables debido a bombas inadecuadas.

Por ejemplo, un operador geotérmico alemán utilizaba dos ESP para extraer agua, pero optó por un único sistema GeoESP con un rango operativo más amplio. Mientras el ingeniero evaluaba el equipo para su instalación, identificó problemas irreparables de calidad de la energía en la salida del variador de velocidad (VSD) de baja tensión, lo que provocaría seis meses de inactividad a la espera de nuevos equipos. Esta inactividad no solo afectaría los costes, sino que también podría dejar a miles de alemanes sin calefacción.

Sin embargo, el operador instaló un contenedor de prueba GeoESP, que proporcionó una solución de superficie sin interrupciones durante el proceso de sustitución del VSD. El contenedor de prueba GeoESP puede adaptarse a diferentes tensiones de red en toda Europa y dar soporte a la planta geotérmica mientras el equipo sustituye el VSD. El paquete de superficie GeoController proporcionó al operador una interfaz rápida y sencilla para el servicio de campo y se conectó a la plataforma digital Intelevate, lo que le permitió analizar datos en tiempo real desde un teléfono móvil. Esta implementación acelerada del contenedor de prueba evitó una posible pérdida de más de 1,5 millones de euros en tiempo de inactividad y costes asociados.

En otro escenario, un operador de geotermia experimentó tres fallos en el BES en 60 días debido a la acumulación de incrustaciones, lo que provocó el agarrotamiento de los sistemas y la rotura de pozos. El impacto financiero de estos fallos podría haber ascendido a 500.000 euros, incluyendo gastos de extracción, sustitución de equipos y tiempo de inactividad operativa. La introducción de una toma de GeoBESP y la monitorización del sistema a través de la plataforma Intelevate permitieron la detección temprana de la formación de incrustaciones. El operador implementó las medidas preventivas sugeridas, prolongó el tiempo de funcionamiento y mejoró la eficiencia general de la operación, lo que se tradujo en un ahorro de costes.

A medida que más gobiernos y consumidores recurren a la geotermia como una fuente de energía rentable y fiable, la capacidad de mantener bajos los costes y continuar las operaciones impulsará la industria. Las soluciones de levantamiento artificial adaptadas a aplicaciones geotérmicas, como el sistema GeoESP, ayudan a los operadores a aprovechar al máximo el potencial de la geotermia, aumentar la seguridad y la eficiencia, y reducir los costos.

Para obtener más información sobre el sistema GeoESP y las capacidades geotérmicas de Halliburton, visite Halliburton.com/geothermal.

Fuente de referencia vía nuestra plataforma global ThinkGeoEnergy.