TÍTULO: Perforaciones para riego AUTOR: Santiago Tovar INTRODUCCIÓN 1 PERFORACIÓN POR PERCUSIÓN 2. Maquinaria 2 Método de Perforación 3

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1 TÍTULO: Perforaciones para riego AUTOR: Santiago Tovar INTRODUCCIÓN 1 PERFORACIÓN POR PERCUSIÓN 2 Maquinaria 2 Método de Perforación 3 PERFORACIÓN POR ROTACIÓN 4 Elementos de la perforadora a rotación 5 Método y técnica 5 ENTUBACIONES 6 FILTROS 7 Nuevas técnicas de perforación en materiales rocosos 7 Perforación mediante tensiones inducidas mecánicamente. 7 Perforación mediante tensiones inducidas térmicamente. 8 Perforación mediante fusión y vaporización. 8 PERFORACIONES PARA RIEGO 8 Bibliografía 9 INTRODUCCIÓN Dos adelantos tecnológicos fundamentales han revolucionado en los últimos treinta años las técnicas de ejecución para pozos de captación de aguas subterráneas: a) La aparición de la sonda mecánica, capaz de perforar económica y rápidamente el subsuelo hasta grandes profundidades, aunque con diámetros relativamente reducidos (30, 50, 80 cm). b) El desarrollo de la bomba centrífuga vertical sumergida, de pequeño diámetro, capaz de extraer agua de los pozos perforados mecánicamente. Desde tiempos inmemoriales y antes de la introducción de estas nuevas técnicas, era obligado excavar los pozos a mano. Este hecho obligaba a darle a su Página 1 de 1

2 sección las necesarias dimensiones (no menos de 1,5 m de diámetro) y, en general a disponer un sistema de entibación (casi siempre de madera sección rectangular- o de ladrillo sección circular). Existen peligros de socavones laterales y derrumbamiento de la entibación, peligros serios para los poceros si se llega a atacar un manto artesiano que puede proyectarlos hacia arriba e incluso llenar el pozo con arenas de los mantos inferiores. Todos estos métodos de construcción de pozos a mano, salvo en casos excepcionales, están prácticamente extinguidos. A continuación veremos los métodos más utilizados para la perforación de pozos. PERFORACIÓN POR PERCUSIÓN El sistema de perforación mecánica por percusión, uno de los más antiguos utilizados, ha recibido en los últimos tiempos aportaciones tecnológicas, con la creación de las modernas y potentes sondas actuales, que hacen de él uno de los sistemas más utilizados actualmente en la ejecución de pozos para la captación de aguas subterráneas. El concepto básico de la perforación por percusión es el de un elemento metálico que golpea y deshace la formación: pico o trépano, y un elemento que recoge el terreno triturado: pala o cuchara de válvula. Con las nuevas y potentes sondas de percusión los rendimientos son espectaculares. La facilidad de manejo del caber en relación con el del varillaje en la perforación por rotación es una gran ventaja, otra ventaja es la de no necesitar este sistema lodos o mezclas tixotrópicas siempre nocivas al libre paso del agua por los acuíferos. Maquinaria Las funciones que tienen que cumplir la máquina son: 1º. Percusión. Se consigue por la repetición del ciclo de elevación y subsiguiente caída libre de una sarta de herramientas compuesta de distinta forma. 2º. Extracción de detritus o limpieza de sondeo. Se hace con la cuchara de válvula y es preciso un mecanismo que permita, de forma rápida, su descenso al fondo del sondeo y su elevación a la superficie. 3º. Manejo de tubería y herramientas. Se emplea para ello un aparejo de más o menos guarnes, según la importancia de los pesos que haya que manejar. La máquina de perforar a percusión costa de dos partes principales: armazón con mecanismo y mástil. El armazón, que primitivamente fue de madera, está formado de diversos perfiles unidos por soldadura o tornillos. Su forma es variable de unas marcas a otras y también la disposición de los distintos mecanismos. En el extremo contrario al mástil va el motor, que puede ser de explosión o de combustión generalmente son motores diesel, su potencia depende del tamaño de la máquina que depende de las profundidades y diámetros que se hayan de perforar con ella. Página 2 de 2

3 Herramientas La sarta de herramientas está formada por: a) Trépano. Es la herramienta de perforar propiamente dicha y, por tanto, la más importante de todas. Las funciones más importantes que cumple el trépano son: penetrar, triturar, escariar y mezclar. El carácter de la formación que se perfora determina cuál de estas misiones es más importantes así por ejemplo en terrenos calizos duros la misión más importante es penetrar en terrenos blandos sería mezclar. b) Barrón. Es una barra cilíndrica de acero forjado que lleva en su parte inferior una rosca hembra para recibir la rosca macho del trépano, y en su parte superior una rosca macho que conecta con la tijera o montera en su caso. La misión del barrón es proveer a la sarta de herramientas con el peso necesario para la perforación y también como guía para el movimiento alternativo de la sarta. c) Tijera o destrabador. No es una herramienta imprescindible, va encima del barrón. Formada por dos eslabones que permiten un cierto juego longitudinal del orden de 10 a 20 cm. Se utiliza para desatrancar la herramienta cuando ésta queda atascada en la perforación. d) Montera. Remata la sarta de herramientas y sirve para hacer la unión con el cable. El cable se une a un bulón cilíndrico alojado en el interior de la montera, permitiendo así el giro de la sarta de herramientas alrededor de su eje longitudinal, con lo que se consigue que la perforación sea cilíndrica y no aplastada. Tubería Para la entubación de sondeos se usan tuberías de muy diversos tipos y calidades. En España la más usada es tubería de chapa soldada, tiene la ventaja de su precio y, además, el tener el exterior liso la hace más fácilmente hincable cuando eso es necesario. Método de Perforación * Comienzo de la perforación. Si al comienzo el terreno es blando conviene cavar con pala un agujero inicial de un metro de profundidad, se llena el agujero de agua y se comienza la perforación. Si el terreno es duro conviene colocar un trozo de tubo como guía. Al comenzar la perforación debe llevarse la percusión a una velocidad pequeña hasta que se hayan obtenido un par de metros de perforación, y entonces se puede aumentar la velocidad. Empleo de la válvula Con la válvula no se perfora ningún sondeo, no obstante, es un elemento necesario y pocos sondeos pueden perforarse sin su uso. No se debe parar la perforación hasta que la válvula esté lista para funcionar. Página 3 de 3

4 Tres o cuatro minutos antes de parar el movimiento de perforación, se vierte un cubo de agua para aclarar el lodo y, de esta manera, la válvula se hundirá hasta el fondo y recogerá una carga completa. Tres viajes de la válvula limpian el pozo. * Cantidad de agua La cantidad de agua usada, la cantidad de agua vertida en el pozo y el periodo de tiempo entre cada vez que se echa el agua, tienen bastante efecto sobre los metros perforados en cada turno. Se debe vigilar el movimiento de las herramientas perforadoras, y cuando se observe algún arrastre o lentitud de las herramientas, hay que echar agua. Se añade agua en pequeñas cantidades cuando el lodo está bajo en el pozo y, a medida que este se profundiza y se produce más lodo, se aumenta la cantidad de agua vertida. El buen empleo del agua depende de la destreza del operador. * Toma de muestras Con la válvula, manejada convenientemente, se pueden tomar muestras representativas del terreno que se está perforando. Para conseguir que la muestra sea del terreno que se está perforando, sin mezcla de los terrenos superiores, y sobre todo en zonas de arena y grava, se debe hacer bajar la tubería hasta el fondo de la perforación y se usa el trépano para mezclar completamente el material que hay por debajo de la zapata de la tubería. Durante ese proceso de mezcla, las partes más finas ocupan la parte superior y las gruesas la inferior, no hay que limitarse a tomar una cucharada, sino varias y mezclarlas, cuarteando después las veces que sea necesario. * Perforación en roca Se usa siempre la carrera más corta de golpeo y es conveniente usar la tijera, no porque con ello se consiga mayor efecto, sino por razones de seguridad, pues se pueden encontrar zonas que se desprendan o fisuras que hacen que la herramienta se acuñe. Las principales dificultades que se suelen encontrar al perforar roca son las cavernas y los estratos inclinados. Perforación en formaciones no consolidadas El trabajo suele ser principalmente de mezcla. Es necesario ir entubando mientras se perfora. Las presiones laterales retienen la tubería y es necesario golpearla para que avance. Nunca se deben usar las tijeras cuando se está entubando. PERFORACIÓN POR ROTACIÓN Teniendo en cuenta el considerable valor del agua en regiones xerolíticas, cuyos recursos hídricos superficiales son muy escasos, se comprende que a veces haya que recurrir a captaciones de agua que sobrepasen los 500 m de profundidad sin que por ello dejen de ser rentables. La perforadora a rotación puede alcanzar profundidades de 600/700 m. La perforación de una roca por el sistema de rotación consiste en desgastar la mencionada roca por medio de un efecto de abrasión y cincelado, que proporciona una broca susceptible de introducirse en profundidad y animada de un movimiento rotatorio. La roca que se va fraccionando detritus de perforación, se extrae a la superficie por Página 4 de 4

5 medio de un fluido sometido a presión hidráulica que desciende por una tubería y sale por la broca, para limpiar los detritus ascendiéndolos por el espacio anular entre la mencionada tubería y el terreno. Elementos de la perforadora a rotación Los elementos que componen la perforadora a rotación son: - Elementos de perforación. Son las herramientas que juegan un papel decisivo en la perforación de las rocas: a) Brocas. Existen numerosos tipos de brocas, pero las que modernamente se usan hoy son las de rodillos (para rocas de mediana dureza o duras) y las llamadas colas de pez utilizadas para perforar rocas plásticas. b)mesa de Rotación. Tiene por misión este conjunto prestar un movimiento de rotación a la tubería que lleva en su extremo inferior la broca. - Elementos de suspensión. Son aquellos elementos que sirven para la extracción e introducción de las herramientas de perforar, así como para suspender las mismas en periodo de perforación. a)cabrestante. Se utiliza para arrollar el cable de acero que suspende toda la tubería de perforación. b) Torre. Las torres son telescópicas y se abaten para su transporte sobre el cuerpo de la perforadora, su altura oscila entre los 15 ó 20 metros. c) Cables. El cable es un elemento esencial del sistema de suspensión, ya que por su continuo trabajo se expone a roturas que acarrean serios inconvenientes. Todos los cables de la perforadora a rotación deben ser preformados ya que éstos tienen mayor duración, mayor resistencia a vibraciones, poca tendencia a girar sobre sí mismos y no saltan al romperse. d) Estructuras de los cordones. El tipo de cable usado en la perforación es aquel en que los cordones están formados por alambres de diversos diámetros. Hay tres tipos de estructura de cordones: Seale, Warrington y Fille-Wire. - Elementos mixtos de perforación y suspensión. Todos estos elementos componen la columna de perforación cuyas misiones a cumplir son sostener y hacer girar la broca, conducir el fluido de perforación para extraer el detritus y lubrificar la broca, imprimir peso a la broca, bajar y subir la broca. a) Barras de carga. Su uso está condicionado a proporcionar peso sobre la broca, además de mantener el pozo vertical. Desde el punto de vista de rendimiento efectivo de una perforación, las barras es una de las partes de la columna de perforación que iguala en importancia a la broca. b) Varillaje. Para que una perforación sea vertical es imprescindible mantener tensas las varillas de perforación. c) Barra conductora. Desempeña las funciones de suspender el varillaje, hacer que éste gire y conducir al fluido de perforación. d) Cabeza de inyección y sustentación. Suspende la columna de perforación, permite la rotación libre de la columna de perforación y proporciona la conexión de la manguera de lodos. Página 5 de 5

6 Método y técnica La técnica y el equipo más adecuado para un determinado pozo, no serán necesariamente los más modernos, sino los que mejor se adapten a la labor que han de realizar. El estudio que plantea una perforación a rotación de acuerdo con las diversas litologías a atravesar, realizado por un experto titulado, así como la maestría e intuición del capataz de la perforadora, serán elementos de básica importancia. Después les seguiría la calidad de los materiales que se empleen en la terminación del sondeo (tuberías, filtros, cementaciones, etc.). La perforadora ocupa el tercer lugar en orden a las razones que determinan el rendimiento práctico de un sondeo. Si los pozos se sitúan en zonas donde no hay perforaciones próximas, se desconoce el funcionamiento hidráulico de los probables acuíferos en cuanto a sus variables de caudal, nivel y calidad, se hace necesario efectuar un trabajo de reconocimiento hidrogeológico previo. En un pozo de investigación se extraerán testigos cuando cambie de horizonte estratigráfico sea propicio para actuar como un acuífero, cosa que se observa por la disminución de presión de la bomba, encontrarse el nuevo estrato bajo un potente lecho impermeable, etc. Cada vez que se atraviesa un posible acuífero, se debe descender la tubería de 20 cm, hasta el techo del mismo. En su parte inferior debe llevar una corona cónica para el cierre estanco en el acuífero y aislar así el fluido de perforación. Se harían las pruebas de aforo necesarias para determinar las constantes del alumbramiento: depresión y recuperación de niveles, transmisibilidad y análisis químico para comprobar la calidad del agua. Si un pozo está situado en una cuenca hidrográfica muy conocida, se puede perforar a diámetro de producción directamente, pero casi siempre se realiza ensanchando la perforación piloto de investigación. cementaciones Para la conservación de los pozos y acuíferos, debe ser requisito imprescindible efectuar siempre una entubación y cimentación primaria, se realizará en los primeros metros de perforación del pozo de producción. La necesidad de llevar a cabo las cementaciones primarias surge de los siguientes hechos: - Aislar el agua freática de la captada en el acuífero profundo, evitando contaminaciones químicas, bacteriológicas a veces, así como el trasvase de caudales y, por tanto, fluctuaciones de nivel. - Evitar la corrosión electrolítica y conservar mejor el primer tramo del pozo de producción. La cementación se debe efectuar mediante inyección a presión de abajo hacia arriba, para desalojar los fluidos de perforación, tapando mediante un obturador la perforación de investigación. ENTUBACIONES El trabajo fundamental de la tubería para el revestimiento de un pozo es exterior. Tendrá que soportar las presiones laterales de los terrenos, desplomes, etc., produciendo en las tuberías un efecto de cizalladura. También la presión hidráulica de acuíferos superficiales que pueden gravitar entre terrenos y tuberías es causa a veces del aplastamiento o abolladura de los entubados. Página 6 de 6

7 FILTROS Hasta hace poco no se ha dado la importancia que merece a la selección de filtros o rejillas adecuados, como elementos de paso del agua desde la formación permeable hasta el interior del pozo. Las finalidades que ha de cumplir un filtro son: - Servir de elemento de separación entre el terreno circundante y el interior del pozo, de modo que sólo una parte de ese terreno pueda atravesarlo, siendo la restante soportada por el filtro. - Por tanto, tener la resistencia mecánica suficiente para que el filtro no sea aplastado por el terreno, en cualquier régimen de explotación del pozo. - Ofrecer al paso del agua la mayor superficie libre de penetración. - Estar constituido de un material que, cumpliendo con todos los requisitos anteriores, sea resistente a las acciones corrosivas del agua y del suelo, y tienda a dificultar la formación de incrustaciones. Nuevas técnicas de perforación en materiales rocosos Perforación mediante tensiones inducidas mecánicamente. - Perforadoras de turbina: se utiliza una turbina de acción simple que hace girar a una rueda cortante con caras de diamante a una velocidad de 5000 a revoluciones por minuto en el fondo de la perforación. - Perforadoras de perdigones: utiliza pequeñas bolas de acero que golpean y rompen la formación. - Perforadoras de implosión: este sistema produce implosiones bombeando cápsulas esféricas herméticamente cerradas al fondo de la perforación y rompiéndolas contra la roca mediante impacto u otros sistemas. - Perforadora de chispas: la producción de chispas de alto voltaje produce pulsaciones de alta presión capaces de romper y perforar las rocas. - Perforadoras electrohidráulicas: las pulsaciones de alta presión producidas por la descarga de chispas subacuáticas pueden también utilizarse para la fracturación efectiva de las rocas. - Perforadoras con explosivos: consiste en dejar caer cápsulas explosivas en el sondeo a razón de 3 a 12 por minuto. - Perforadoras por erosión: chorros de agua a presión muy alta pueden perforar las rocas más duras sin utilizar abrasivos en el chorro. -Perforadoras ultrasónicas: las perforadoras ultrasónicas utilizan núcleos magneto-estrictivos o electro-estrictivos que emiten vibraciones para perforar la roca. Página 7 de 7

8 Perforación mediante tensiones inducidas térmicamente. - Perforadoras de dardo: este sistema utiliza una llama de oxígeno y fuel-oil que calienta y quebranta la roca. - Perforadoras de llama dirigida: similar al anterior excepto que se usa ácido nítrico en vez de oxígeno. - Perforadoras de ciclo térmico: rompe la roca calentándola y enfriándola cíclicamente. - Perforadoras micro-ondas: las rocas se calientan y pueden quebrantarse mediante la aplicación de micro-ondas. Perforación mediante fusión y vaporización. - Perforadoras de fusión eléctrica: se utiliza una resistencia de alambre de tungsteno o iridio para calentar la punta del trépano. - Perforadoras nucleares: los reactores nucleares producen temperaturas capaces de fundir la roca. - Perforadoras de plasma: los generadores de plasma producen llamas ionizadas con temperaturas del orden de ºC. - Perforadoras láser: - Perforación química: utilizan flúor y otros reactivos químicos que producen reacciones de alta velocidad para destruir la roca. Perforaciones para riego El rendimiento de un pozo para riego suplementario debe proveer el agua necesaria para regar en los períodos en que no llueve asegurando el buen desarrollo de los cultivos. En promedio, para superficies de 50 hectáreas de cultivos extensivos como maíz, trigo y soja, se requiere un pozo que rinda 120 mil litros por hora. El diseño de la perforación es una etapa importante del estudio previo a la instalación de un pozo para riego y es el resultado de un estudio completo de captación de agua subterránea. En el diseño se determinan las longitudes, los diámetros, el espesor más conveniente de caños, filtros, abertura de ranura, ubicación, engrabado, tipo de material a emplear, etc. La realización de la perforación debe incluir el encamisado, esto es, una armazón artificial compuesta por camisa, filtro y grava, para contrarrestar la desestabilización de los terrenos y permitir el ingreso de agua al pozo libre de partículas. El encamisado reduce también la posibilidad de contaminación de las capas profundas por el movimiento del agua en las primeras capas, las que suelen contener residuos de pesticidas y fertilizantes. Los pozos encamisados y con filtros tienen un costo aparentemente más elevado que los pozos abiertos, pero construyéndolos se evitan riesgos de derrumbes, Página 8 de 8

9 desgastes prematuros de las bombas y de los equipos regadores. Más aún, se evita la posibilidad de inhabilitar el pozo por contaminación de la fuente de agua. Bibliografía Captación de aguas subterráneas. Alberto Benítez. Dossat. Aguas subterráneas. Andrés Vicente Murcia. Ministerio de Agricultura. Página 9 de 9