Análisis termo-hidráulico para la extracción de calor en un pozo geotérmico utilizando un sistema de airlift

Abstract

The air pump system, commonly called airlift, is a common technique for transporting mass, momentum or energy in engineering. Although air transport is not a common technique applied in the field of geothermal energy, this work presents the thermo-hydraulic analysis of the implementation of an airlift system in an existing geothermal well, with the purpose of taking advantage of the heat on the surface either for the generation of electrical energy by one of the existing methods or any other desired application. For this, an airlift system was mounted on the mouth of the existing geothermal well and air injection tests were carried out to see if it was possible to excite the well or make the well flow, that is, for the geothermal fluid to achieve come to the surface by promoting a two-phase mixture inside the well, which was successful. The existing geothermal well has a depth of 1,344 m, with a temperature profile that goes from 40°C in its water mirror to 140°C at a depth of 180 m and shows a slight decrease with increasing depth managing to maintain approximately 140 °C. We worked with the design parameters of the air injection nozzles, the diameters of the injection nozzle holes and therefore in the injection area, different air immersion ratios were tested inside the geothermal well with the purpose of obtaining the greatest flow of geothermal water and with the highest possible temperature. Additionally, we worked on an experimental investigation of the annular airlift pump, at the laboratory level, focusing on the impact of different configurations of air injection nozzles.

El transporte aéreo, comúnmente denominado airlift, es una técnica común de transporte de masa, momento o energía en ingeniería. Aunque el transporte aéreo no es una técnica aplicada en el campo de la geotermia, en este trabajo se presenta el análisis termo-hidráulico de la implementación de un sistema airlift en un pozo geotérmico existente, con el propósito de aprovechar el calor en la superficie, bien sea para generación de energía eléctrica por alguno de los métodos existentes o cualquier otra aplicación que se deseé. Para esto, se montó un sistema de transporte aéreo o airlift sobre la boca del pozo geotérmico existente y se realizaron pruebas de inyección de aire para ver si era posible excitar el pozo o lograr que el pozo fluyera, es decir, que el fluido geotérmico lograra salir a la superficie al propiciar una mezcla bifásica en el interior del pozo, con lo cual se tuvo éxito. El pozo geotérmico existente cuenta con una profundidad de 1344 m, con un perfil de temperaturas que va desde los 40°C en su espejo de agua hasta los 140 °C a una profundidad de 180 m y presentando una ligera disminución conforme avanza en la profundidad, lográndose mantener en los 140 °C aproximadamente. Se trabajó con los parámetros de diseño de las boquillas de inyección de aire, en los diámetros de los orificios de las boquillas de inyección y por consiguiente en el área de inyección, se probaron diferentes relaciones de inmersión de aire en el interior del pozo geotérmico con el propósito de obtener el mayor flujo de agua geotérmica y con la mayor temperatura posible. Adicionalmente se trabajó en una investigación experimental de la bomba de transporte aéreo (airlift) anular, a nivel laboratorio, centrándose en el impacto de diferentes configuraciones de boquillas de inyección del aire.