Baterías de Fondo de Pozo de Alta Temperatura

🎧 TEMPORADA 1 | EPISODIO 5: BATERÍAS DE FONDO DE POZO DE ALTA TEMPERATURA

Ken:
Soy Ken Miller.

David:
Y yo soy David Erdos.

Ken:
Bienvenidos al Podcast de Nuevas Tecnologías de Erdos Miller: donde pasamos nuestro tiempo no productivo hablando de todo lo relacionado con tecnología de perforación. Este podcast es para cualquiera interesado en aprender sobre la tecnología que nos ayuda a perforar más profundo y alcanzar más recursos cada día.

Nuestro invitado de hoy es Daniel Murphy, presidente de Charger Industries. Daniel comenzó su carrera en el sector petrolero con Weatherford hace 16 años en campo. Desde entonces ha ocupado numerosos cargos tecnológicos. En los últimos 8 años se ha enfocado en la tecnología de baterías para fondo de pozo, tanto como consumidor como productor de esta tecnología.

Bienvenido al programa, Daniel, ¿cómo estás hoy?

Daniel:
Ah, estoy bien. Muchas gracias, ¿y ustedes?

Ken:
Bien.

David:
Muy bien. Daniel, tengo dos preguntas. La primera: ¿qué tiene de especial una batería para fondo de pozo y por qué es diferente de cualquier otra batería que podrías comprar en la tienda? Y la segunda: ¿es cierto que en secreto trabajas como el conejito de Energizer?

Daniel:
Para responder primero la segunda: no. Solía correr mucho, así que la gente me molestaba diciéndome que era como el conejito de Energizer.

David:
Ok.

Daniel:
La diferencia principal —a nivel fundamental— es que las baterías de fondo de pozo realmente no son tan distintas de las que puedes comprar para superficie. De hecho, puedes comprar la misma química en Amazon o en otro lugar. La principal diferencia de una batería de fondo de pozo radica en su capacidad para resistir altas temperaturas y en su construcción, diseñada para hacerla más robusta y soportar el entorno hostil en el fondo del pozo.

Ken:
No tenía idea de que podía comprar ese tipo de baterías en Amazon. Lo acabo de buscar. ¡Totalmente hay baterías de litio con cloruro de tionilo en Amazon! Qué curioso.

Daniel:
Sí.

David:
¿Cómo afecta la temperatura a las químicas típicas de las baterías? ¿Por qué no funcionaría una batería alcalina normal a altas temperaturas?

Daniel:
Para ser honesto, no sé exactamente la respuesta técnica, pero se debe a la química y a la construcción de la batería. Solo hay unas pocas químicas que funcionan bien a altas temperaturas. Y otro de los requisitos principales para una batería de fondo de pozo es la densidad energética. Se busca una batería que dure mucho tiempo y resista altas temperaturas. Hay un número muy limitado de químicas que pueden hacer eso.

Ken:
Iba a interrumpir para preguntar: ¿por qué estas baterías necesitan ser especiales? Pero creo que, escuchando su conversación, queda claro que necesitan ser de muy alta densidad porque tenemos muchas cosas que alimentar; deben soportar temperaturas muy altas, ¿cierto? Si hablamos de fondo de pozo, creo que la mayoría están clasificadas para 175°C o 185°C, lo que serían unos 350°F o incluso un poco más. Y además, con el entorno de perforación viene toda la vibración e impactos fuertes al romper la roca.

Así que necesitamos una batería empaquetada de forma segura que pueda cumplir con todos esos requisitos. Y supongo que no hay una forma práctica de adaptar una línea de producción de baterías Energizer para que sobrevivan a todo eso.

Daniel:
Correcto. Básicamente sí, se trata de esos tres requisitos principales en fondo de pozo: temperatura, densidad energética—porque no quieres tener que sacar la herramienta cada tantas horas cuando se agota la batería—y la resistencia. Entonces la robustez y el diseño de la batería. Estas baterías están diseñadas y fabricadas específicamente para soportar los entornos hostiles del fondo de pozo. Y esas son realmente las diferencias clave entre lo que comprarías en Amazon y lo que comprarías específicamente para una aplicación de fondo de pozo.

Ken:
Entonces si veo una batería para fondo de pozo, diría algo como "litio con cloruro de tionilo", y esa es la química que se utiliza, ¿cierto?

Daniel:
Correcto. Es lo que se llama una química primaria de litio. Es decir, es una batería no recargable. El litio es el ánodo y el cátodo es cloruro de tionilo, que es un químico.

Ken:
¿Y todas las baterías de fondo de pozo usan esa misma química?

Daniel:
En realidad, en fondo de pozo se usan principalmente dos químicas: litio con cloruro de tionilo y litio con cloruro de sulfurilo. Y esas dos químicas están muy relacionadas. La única diferencia entre ellas es básicamente una molécula de oxígeno. El cloruro de tionilo es SOCl₂ y el cloruro de sulfurilo es SO₂Cl₂. Así que son prácticamente la misma química.

Ken:
Bueno, saqué muy malas notas en química, así que voy a confiar en tu palabra. ¿Hay una química más popular que la otra? ¿Por qué elegirías una sobre la otra?

Daniel:
La ventaja del cloruro de sulfurilo, el SO₂Cl₂, es que tiene un voltaje ligeramente más alto. Opera a unos 3.9 voltios en circuito abierto y alrededor de 3.6 voltios en circuito cerrado. La desventaja del cloruro de sulfurilo es que no funciona tan bien a altas temperaturas. Genera mucho gas. Produce el doble de gas como subproducto de la reacción química, por lo que a altas temperaturas hay mucha presión dentro de la celda. Así que normalmente estas baterías están limitadas a un máximo de, digamos, 150°C o 164°C.

Las baterías de cloruro de tionilo tienen un voltaje un poco menor, entre 3.6–3.7 voltios en circuito abierto, y tal vez 3.3 voltios en circuito cerrado, pero generan menos presión con la temperatura. Y hay casos exitosos de uso de baterías de cloruro de tionilo hasta temperaturas de 225°C, que es el valor más alto que conozco.

Ken:
Ok. Entonces, si estoy operando a bajas temperaturas, podría interesarme por la batería de cloruro de sulfurilo por su mayor densidad energética. Y si estoy trabajando a temperaturas más altas, sacrifico un poco esa densidad energética, pero gano en confiabilidad con el cloruro de tionilo.

Daniel:
Correcto. Normalmente se ve más cloruro de sulfurilo en la industria del pigging de ductos, en midstream. Sus aplicaciones tienden a estar limitadas a unos 95°C o 100°C. Así que esa industria más o menos se ha estandarizado en torno al cloruro de sulfurilo. En cambio, la industria de fondo de pozo está más inclinada hacia la química de cloruro de tionilo. Aunque también se ve algo de cloruro de sulfurilo en aplicaciones de registro de memoria, como wireline memory logging, herramientas de slickline, etc.

Ken:
Entendido. Ahora, dijiste una palabra que me pareció interesante: "primaria". ¿Qué significa eso?

Daniel:
"Primaria" simplemente significa no recargable. Todas las químicas de baterías que hemos mencionado hasta ahora son químicas no recargables.

Ken:
Probablemente recibimos dos correos al mes preguntándonos: “¿Cuándo vamos a tener baterías recargables para fondo de pozo?” ¿Qué lo impide?

Daniel:
El problema con las recargables realmente es la temperatura. Hay muchas químicas recargables buenas disponibles, pero la mayoría están limitadas a un máximo de 85°C o 100°C. Y cuando empiezas a subir a las temperaturas más altas que se requieren en aplicaciones de fondo de pozo, las celdas dejan de funcionar. Hay problemas con la química.

Algunas podrían funcionar a 125°C o un poco más, pero la vida útil en ciclos —el número de veces que puedes cargar y descargar la batería— se reduce hasta el punto en que prácticamente deja de ser una batería recargable. Tal vez obtengas uno o dos ciclos.

Ken:
Ok. Entonces tal vez podamos recargarlas una o dos veces, pero no vale la pena, ¿cierto? No vamos a obtener 100 ciclos de carga.

Daniel:
Sí, correcto, con la tecnología actual. Pero sé que hay varias empresas trabajando en esto. Y creo —sin adelantarme mucho— que esa será una de las grandes innovaciones que probablemente veamos en los próximos 5 a 10 años en la industria: una batería recargable para fondo de pozo de alta temperatura, con una vida útil razonable en ciclos, de manera que sea viable económicamente.

Ken:
Entonces, David Erdos, hablando de adelantarse… voy a saltarme un poco el orden y pasar a la trivia. Luego volvemos a tu siguiente pregunta que era: ¿cuándo empezamos a usar baterías en fondo de pozo en la industria petrolera? ¿Está bien?

David:
Me parece bien.

Ken:
Muy bien. La primera es para David, y la segunda pregunta de trivia será para Daniel. Entonces, David, ¿cuál fue el primer país en bombear y consumir petróleo crudo? Y te daré una pista: en uno de nuestros episodios anteriores hablamos de con qué materiales se fabricaban las primeras plataformas y herramientas de perforación en ese país.

David:
Sí, recuerdo que hablamos de cómo algunas de las primeras plataformas de perforación estaban hechas de bambú en China. Así que voy a adivinar que fue China.

Ken:
Correcto. Y las opciones eran: Estados Unidos, Brasil, Rusia o China, y elegiste China. ¡Muy bien! Entonces, la pregunta de seguimiento para Daniel es: ¿hace cuánto tiempo ocurrió eso? ¿Fue hace 2500 años, 1200 años, 500 años o 133 años? Y te doy una pista: una de esas opciones es una trampa.

Daniel:
Hmm, esa está difícil. Voy a adivinar que hace 1200 años.

Ken:
Desafortunadamente no es correcto. Los primeros casos de extracción de petróleo del suelo—y probablemente no era nada parecido a cómo lo hacemos hoy, ni siquiera a cómo se hacía hace 100 años—fueron hace aproximadamente 2500 años. Así que, como civilización, llevamos mucho tiempo consumiendo petróleo.

También recuerdo que en los primeros días de Texas, había quienes decían que podías caminar y encontrarte con charcos de petróleo en el suelo en algunos lugares. Así que no necesitabas una plataforma muy sofisticada para extraerlo.

Daniel:
Sí, yo sueño con esos días.

Ken:
Bien, David, volvemos contigo.

David:
Hablamos bastante sobre las químicas que se usan hoy en día, pero ¿cuándo se empezaron a usar baterías en fondo de pozo? ¿Y qué nos puedes contar sobre eso?

Daniel:
Hasta donde sé, el inicio del uso de baterías en fondo de pozo comenzó en los años 70, en paralelo con el desarrollo de las herramientas de Measurement While Drilling (MWD). Sé que Gearhart Industries fue uno de los principales pioneros—al menos en Estados Unidos—en poner baterías en fondo de pozo.

A medida que hacían la transición de herramientas de wireline hacia MWD, necesitaban una fuente de energía porque ya no podían bajar un cable. Y comenzaron a usar celdas de cloruro de tionilo que ya existían, utilizadas en aplicaciones militares e industriales. Porque tenían alta densidad energética y podían soportar altas temperaturas. Así que empezaron a poner esas celdas en fondo de pozo.

David:
¿Sabes si la química ha cambiado mucho desde entonces? ¿O ha sido bastante estable?

Daniel:
Creo que fundamentalmente no ha cambiado mucho desde los años 70. Creo que el gran desarrollo fue cuando empezaron a tomar esas celdas industriales o militares y adaptarlas al fondo del pozo, pero al principio tenían problemas de confiabilidad bastante significativos.

Y según cuenta la historia, Marvin Gearhart contactó a un científico de baterías en Boston llamado Nikola Marinchek, quien, según tengo entendido, trabajaba para la marina o alguna agencia similar, desarrollando baterías de cloruro de tionilo para uso militar. Marvin Gearhart y Nikola Marinchek trabajaron juntos para reforzar y desarrollar una celda más específicamente diseñada para soportar los rigores de la perforación en fondo de pozo.

Nikola Marinchek luego fundó Battery Engineering, que evolucionó hasta convertirse en Electrochem, probablemente el mayor proveedor de celdas para fondo de pozo. Marinchek también fue clave en la fundación de Engineered Power, que probablemente sea el segundo mayor fabricante de baterías para el sector petrolero.

Y mucho de eso surgió, creo, del desarrollo original que hizo junto con Gearhart en los años 70 y 80.

David:
Es increíble.

Ken:
Sí, eso es fantástico. Si no has tenido el placer de conocer a Marvin, definitivamente es una de las pocas personas que se pueden considerar una leyenda del sector petrolero.

Daniel:
Marinchek, Nikola Marinchek, también es una especie de figura legendaria en el mundo de las baterías. Tuve el gusto de conocerlo cuando recién comencé en este mundo. Creo que en ese momento tenía más de 80 años. Y me gusta contar un chiste que él mismo dijo. Cuando hablaba ante el público, contaba que había desarrollado muchas baterías a lo largo de los años y para muchas aplicaciones diferentes. Y decía que solo ofrecía una garantía de por vida para una batería, y era para una batería de marcapasos. Decía: “Garantizo que esta batería durará el resto de tu vida.”

Ken:
Ese fue un buen chiste. Si estuviéramos en una reunión con una gran empresa de servicios petroleros, habríamos tenido que comenzar esta reunión con un momento de seguridad. Lo cual es una gran idea, y también he escuchado que la seguridad es una gran preocupación con las baterías de fondo de pozo. Cuéntame un poco sobre eso.

Daniel:
Sí, desafortunadamente hoy en día, cuando se habla de baterías, la mayoría de las personas —ya sea en la industria petrolera o en la electrónica de consumo— lo primero en lo que piensan son los problemas de seguridad. Y eso es algo muy importante en la industria del petróleo. Ha habido varios incidentes, algunos relativamente conocidos, en los que las baterías han causado grandes problemas. Así que como proveedor dedicamos mucho tiempo a educar a nuestros clientes, a los clientes de nuestros clientes, y a cualquier persona involucrada en baterías sobre los aspectos y preocupaciones de seguridad.

Desafortunadamente, una celda con alta densidad de energía es justo lo que quieres, porque significa que va a durar mucho tiempo. Pero también significa que esa celda contiene mucha energía. Y en caso de que se comporte mal, por así decirlo, existe mucho potencial de daño.

He escuchado una comparación que dice que una celda de cloruro de tionilo tiene aproximadamente la misma densidad de energía que la pólvora negra. Así que si llenaras un volumen con pólvora y tuvieras una celda del mismo volumen, obtendrías más o menos la misma cantidad de energía de ambos. La diferencia es que, con la batería, intentas extraer esa energía lentamente con el tiempo; con la pólvora, la obtienes toda de golpe. Pero con una batería también podrías liberar toda esa energía de golpe. Así que la seguridad siempre es una gran consideración.

Ken:
Entonces, si tomo un cartucho de batería lleno de cloruro de tionilo, y otro lleno de pólvora, y enciendo ambos, ¿van a explotar más o menos igual?

Daniel:
Sí, se liberaría más o menos la misma magnitud de energía. Es algo aterrador si alguna vez has estado cerca cuando eso ocurre.

Ken:
Entonces, David, una de las tendencias que he notado en baterías es la tendencia hacia tener baterías inteligentes. ¿Por qué no le preguntas a Daniel sobre eso?

David:
Sí, también he escuchado mucho sobre baterías inteligentes y sus características, lo cual es curioso de decir: las “funciones” que pueden tener las baterías hoy en día. ¿Puedes contarnos sobre las baterías inteligentes y si hay implicaciones de seguridad que las hagan más seguras?

Daniel:
Sí, realmente cuando la gente habla de baterías inteligentes, no es que las celdas en sí mismas tengan inteligencia, sino que se trata de la incorporación de electrónica a los paquetes de baterías. Hay dos componentes fundamentales en una batería inteligente. Uno es simplemente el seguimiento de la vida útil de la batería.

Una de las ventajas y desventajas de la química primaria de litio —cloruro de tionilo y de sulfurilo— es que tienen una curva de descarga de voltaje plana. Es decir, en cualquier punto de descarga, el voltaje se mantiene prácticamente igual.

Así que si tienes una batería nueva y mides el voltaje, y luego una batería al 95% descargada, ambas mostrarán más o menos el mismo voltaje. Eso es bueno desde el punto de vista electrónico porque no tienes que preocuparte por caídas de voltaje o manejar un amplio rango de voltajes.

Pero la desventaja es que no tienes forma de saber cuánta energía queda en la celda. Con una batería alcalina común, como una Energizer, el voltaje está más directamente relacionado con cuánta energía queda. Así que puedes medir el voltaje y saber cuánto queda.

En estas baterías, hacer seguimiento al uso es esencial, porque es la única manera real de saber cuánta vida útil queda. Y esa es la función más básica de una batería inteligente: monitorear el uso para estimar cuánta energía queda.

Desde ahí, la gente ha innovado agregando otras funciones que aportan valor. Como monitorear parámetros ambientales: temperaturas, condiciones de vibración e impacto en fondo de pozo.

También monitorear corriente y voltaje extraídos de la batería, lo cual sirve como diagnóstico tanto para el rendimiento de la herramienta como de la batería. Porque la cantidad de energía que puedes extraer depende mucho de cómo se descarga: ¿qué temperatura había?, ¿cuál era la tasa?, ¿era una carga pulsante o una carga constante?

Recolectar todos esos datos permite usar la batería de forma más eficiente. Así que, para la mayoría de nuestros clientes, la razón principal para usar una batería inteligente es el ahorro: puedes monitorear mejor su uso, aprender más sobre tus herramientas y optimizar tus operaciones para maximizar la vida útil y el valor de cada batería.

Ken:
Entonces, convierte nuestras baterías normales en algo que nos da mucha más información sobre cómo las usamos, cuánta energía queda y cómo seguir usándolas de forma segura.

Daniel:
Exactamente. Y sí hay un aspecto de seguridad ahí. Uno de los riesgos es la sobre-descarga de la batería. Si puedes rastrear cuánto has consumido, tienes una mejor idea de cuánta vida útil queda.

También puedes incluir conmutadores. Algunos sistemas de batería inteligente pueden cortar la batería para evitar que se descargue por debajo de cierto nivel. O puedes tener conmutación entre dos baterías: una primaria y una de respaldo. Así puedes agotar completamente la primaria y cambiar automáticamente a la secundaria sin riesgo de sobre-descarga, porque la electrónica se encarga de hacerlo.

Ken:
Genial. Bueno, se nos acaba el tiempo. Así que te haré una última pregunta, y luego David puede cerrar. ¿Qué podemos esperar del futuro de la tecnología de baterías? ¿Hacia dónde vamos?

Daniel:
La verdad, es bastante emocionante. Decir que no ha cambiado mucho desde los años 70... lo emocionante es que creo que en los próximos 5 años veremos grandes mejoras.

Hay nuevas químicas emergentes. Hay empresas que están fabricando una química llamada fluoruro de carbono de litio, o CFx. Todavía es una química no recargable, pero tiene una densidad de energía muy alta, funciona bien a altas temperaturas y permite integrar más características de seguridad. Han hecho pruebas con estas celdas —he visto resultados— donde pueden perforarlas con un clavo y no se ventilan, no explotan, no se incendian.

Creo que eso es un avance muy prometedor que está en proceso de comercialización. Y luego, la próxima gran innovación será una celda recargable de alta temperatura. No me sorprendería que en los próximos 5 años alguien comercialice una celda que pueda operar a 150°C o incluso 165°C y que tenga una vida útil en ciclos razonable, lo cual la haría económicamente viable.

Ken:
Realmente espero ver eso. Bueno, ese fue nuestro episodio de hoy, ¿Dave?

David:
Gracias por acompañarnos, Daniel. Nosotros también estamos esperando con ansias las baterías recargables.

Daniel:
Gracias, ha sido un placer.

David:
Soy David Erdos.

Ken:
Y yo soy Ken Miller.

David:
Y este ha sido otro episodio del Erdos Miller New Technology Podcast. Envíanos tus preguntas sobre tecnología a podcast@ErdosMiller.com, ¡podríamos responderlas en el programa!