ACABADO CONSTRUCTIVO DE LA CAPTACIÓN. Diseño de la zona de admisión

Transcripción

1 ACABADO CONSTRUCTIVO DE LA CAPTACIÓN Entubaciones Rejillas y prefiltros Diseño de la zona de admisión Cementaciones

2 ENTUBACIONES Revestimiento, aislamiento o protección de las paredes de la obra. Finalidad Proporcionar una sección uniforme a la obra de forma permanente Impedir el derrumbe de las paredes del sondeo. Aislar acuíferos de diferente calidad o niveles piezométricos. Evitar pérdidas de circulación. Aislar zonas peligrosas de gran plasticidad y expansibilidad. Según la función Auxiliar: Se utiliza durante la perforación y se suele recuperar al terminar ésta. A veces puede quedarse en el sondeo como tubería definitiva, o bien por imposibilidad de extracción. Provisional: Se utiliza para aislar acuíferos y poder estudiar sus características independientemente. Definitiva: Es la que se instala al final de la perforación y queda para la explotación de la captación.

3 Descenso de la columna de entubación Biselado para mejor soldadura Topes soldados Abrazadera No se deforma la tubería No se deforma por las cuñas Seguro, permite buena alineación de tubos Buenas profundidades Debe prepararse en taller, refrentando los tubos al torno, numerándolos y biselándolos a 45º Perfecta alineación Poco recomendable, aunque muy usado Requiere volver a soldar los orificios practicados en la tubería

4 Descenso de entubación y rejillas Cables de sujección aprovechando los centradores Centradores Para el descenso de la columna, una vez soldada, y colocar la siguiente: Elevar 0,5 m. la columna Golpear (A) la mesa de entubación y extraer cuñas Las cuñas para sujección durante la soldadura se colocan por golpes con (B) B A Los dos tubos biselados Soldadura autógena Mesa de entubación Se apoya directamente en la plataforma, tubería provisional, etc.. (acero macizo) Soldadura (tubos refrentados y biselados) Tubería provisional (recuperable) Tubos biselados en uno de sus bordes Rejilla

5 DESCENSO DE LA COLUMNA DE ENTUBACION

6 SUJECION DE LA COLUMNA EN LA MESA DE ENTUBACION CON EMPLEO DE CUÑAS

7 SOLDADURA ENTRE TUBOS

8 SUJECION DE LA COLUMNA A LA MESA DE ENTUBACION CON MORDAZA DE CADENA

9 REJILLAS Objetivo primordial Permitir la libre circulación del agua hacia el pozo con el mínimo posible de rozamiento para evitar pérdidas de carga parásitas Sirven de contención de la grava artificial Permiten el desarrollo del pozo Evita el arrastre de materiales que no se desea eliminar La selección de la rejilla se hace en función de: Posición de los acuíferos Curva granulométrica del acuífero Diámetro más adecuado Caudal que se espera conseguir en cada captación

10 Materiales utilizados en rejillas Material ACERO NORMAL (chapa naval o similar) ALEACIONES (Bronce amarillo, bronce rojo,..) ALUMINIO Cloruro de polivinilo PVC ACERO INOXIDABLE FIBRA DE VIDRIO O MADERA BANDEADA, PRENSADA Y EMBEBIDA EN RESINA Polietileno poroso Características Bajo coste inicial. Limitada resistencia a la corrosión e incrustación. En general, no recomendable para servicios de larga duración. Diseños: troquelada, puentecillo, persiana, macizo de grava pegada con resina a un tubo base taladrado, troquelado,.. Coste de 3 a 5 veces mayor que el acero normal, pero más adaptable a diseños de rejilla de apertura continua. Generalmente, más resistente a la corrosión que el acero excepto en aguas de ph bajo y alto contenido en CO 2. Adecuado en diseños ranurados, troquelados o perforados. Existen diseños con pared exterior rugosa y apertura continua. Moderada resistencia a la presión exterior. Peligro de aplastamiento, sobre todo en la fase de desarrollo. Buena resistencia a la corrosión por aguas salinas Dos a tres veces el coste del acero y mayor duración. Cuatro a seis veces el coste del acero normal.. Material habitual en rejillas de apertura continua. Buena resistencia a la corrosión Dos a cuatro veces el coste del acero normal. Excelente resistencia a la corrosión e incrustación. Profundidad máxima 300 m. Sólo diseños troquelados o ranurados y paredes exteriores rugosas. Elevado coste. Indicado en drenajes superficiales. Arenas finas y muy finas.

11 Abertura de las rejillas Es función del diámetro de los granos de la formación determinado mediante análisis granulométrico y del tanto por ciento del material que se desee eliminar durante el desarrollo. En pozos proyectados sin empaque de gravas, el diámetro de abertura de la rejillas deberá ser igual o menor que el diámetro de los granos de la formación que se quieran retener. Cuando el sondeo haya sido diseñado con empaque de gravas el diámetro de la abertura debe ser igual al de la grava de mayor tamaño utilizada en el empaque multiplicado por 0.8. En todo caso, la rejilla debería retener, al menos, el 90% de la grava colocada. Selección del material Debe elegirse en función de su resistencia mecánica y de su resistencia a los componentes químicos del agua. Las rejillas deben estar concebidas para soportar tres tipos de esfuerzos: compresión, aplastamiento y tracción La compresión es el esfuerzo a que está sometida la rejilla en razón del peso de la columna de entubación cuando ésta descansa en el fondo del sondeo. Este inconveniente debe evitarse dejando la columna colgada a partir del primer filtro; de este modo la rejilla trabaja a tracción y se evitará que, además de su propio peso, tenga que soportar el peso de la tubería que pudiera colocarse sobre ella. En ningún caso es justificable incrementar la resistencia de la rejilla disminuyendo el área de paso, puesto que siempre es posible mantener el área de paso incrementando el diámetro.

12 Tipos de rejillas Tipo Rejillas de pared exterior lisa Rejillas de pared exterior rugosa Rejillas especiales Apertura continua Apertura discontinua Tubo base y forro Puente Persiana Pestaña Apertura continua y pared exterior rugosa Tubo base y macizo de arena y gravilla pegada Rejillas dobles para colocación de macizos Rejillas de materiales singulares Rejillas "naturales" Variedades Tubería rajada Tubería taladrada Tubería troquelada Sencillos Dobles Area hueca % > 15 > 15 >

13 Las más utilizadas son: Tubería lisa rajada Se trata sencillamente de realizar aberturas longitudinales, a pie de obra y con la ayuda de un soplete. Presenta la dificultad de la falta de control en el paso de luz y de que para obtener una superficie eficaz de interés, la resistencia mecánica del tubo puede comprometerse. ). Su superficie eficaz es del orden del 2%. Tubería de filtro de puentecillo La superficie eficaz es superior al 7% y tiene buena resistencia mecánica. Tubería Johnson Tubería de ranura continua con una superficie eficaz que llega al 40%. Muy cara. Imprescindible con empaques de grava de granulometría extremadamente fina. Tubería de persiana Poco frecuente. Requiere filtro de grava artificial. Tubería troquelada Aberturas practicadas en fábrica, con ayuda de troqueles. Diversidad de formas y dimensiones de las ventanas, de superficie eficaz y de resistencia mecánica.

14 Disposición de las rejillas La posición 1 es incorrecta por dejar la zona inferior del acuífero desprovista de rejilla. El sondeo tendría una respuesta de pozo incompleto, con la consiguiente reducción del caudal potencial del acuífero. El tramo sin rejilla no podrá ser desarrollado. La posición 2 es semejante a la primera con el añadido de que se provocan mayores descensos en el acuífero. La posición 3 se considera correcta cuando se trata de acuíferos de gran espesor y se prevean presiones laterales que pudieran colapsar el sondeo por aplastamiento de la tubería. Los tramos de tubería ciega intercalados darán una mayor consistencia a la columna de entubación. de La pérdida caudal originada por esta disposición puede quedar compensada por el margen de seguridad. La posición 4 puede ser correcta en sondeos que captan acuíferos cautivos. En este supuesto la rejilla se enfrenta a la casi totalidad del espesor del acuífero. Conviene dejar un pequeño margen por arriba y por debajo sin rejilla para evitar arrastres de las formaciones limítrofes. Aunque en general es recomendable instalar rejilla en el 80% del acuífero, este porcentaje debe ser ajustado en función del espesor del mismo y del espesor de la zona de transición. La posición 5 es la correcta cuando se trata de acuíferos libres. En estos casos siempre habrá un abatimiento de niveles como consecuencia de los bombeos y, por tanto, en la zona superior no es necesario colocar rejjlla.

15 Criterios para la selección de rejillas y filtros Deben estar orientados a conseguir que el agua afluya al interior del sondeo con filtrado total de arenas y con la mínima pérdida de carga. Abertura de paso Diámetro de rejilla Porcentaje de paso Resistencia mecánica a empujes radiales (Cuña de Rankine) La abertura de paso vendrá dada por la fracción de arena que se desea dejar pasar en la operación de desarrollo, y la que se quiere retener de una manera estable. Se elige en función de la curva granulométrica y de que se instale o no empaque de gravas. Tanto el diámetro de la rejilla como el porcentaje de paso son factores que cuantifican la superficie por la que el agua debe atravesar el filtro. Esta superficie de paso determinará la velocidad del circulación del agua a través de la rejilla, siendo el parámetro definitorio de las pérdidas de carga. Desde un punto de vista experimental, se considera que las pérdidas de carga son prácticamente despreciables para velocidades iguales o inferiores a 3 cm/seg.

16 Pozos sin rejilla Pozo sin entubar (sólo materiales consolidados que no derrumben) Pozo con entubación parcial (sólo materiales consolidados en la zona productora) Pozos con rejilla Pozo con tramo de rejillas independiente de la entubación general Pozo con las rejillas conectadas o solidarias de la entubación general Cámara de bombeo Cámara de bombeo o zona estéril Zona productora Tramo de rejillas Cámara de bombeo Cono reducción Zona productora sin entubar Fisuración y/o karstificación. Granitos, gneises, calizas, areniscas, basaltos. Doble permeabilidad (intergranular y fisuración (calcarenitas) Fisuración (karstificación) Cámara de bombeo Zona estéril o no convenienente Tramo de rejillas Prefiltro Todo tipo de medios litológicos, consolidados y no consolidados. Todo tipo de pozos

17 MACIZOS, PREFILTROS, GRAVEL - PACK A) COMO ESTABILIZADOR DE LAS PAREDES DEL SONDEO (Relleno espacio anular) No importa la granulometría del prefiltro Puede instalarse en cualquier tipo de medio litológico B) COMO ESTABILIZADOR DE LA FORMACIÓN ACUÍFERA GRANULAR Y NO CONSOLIDADA El empaque de gravas: Es importante la granulometría del prefiltro en relación con la granulometría del medio acuífero Es importante una buena técnica de colocación (evitar puentes, evitar segregación de tamaños en el prefiltro) Impide que se provoquen arrastres de materiales sólidos durante la explotación del sondeo Aumenta la permeabilidad en el entorno del pozo Disminuye la velocidad de circulación del agua en su paso por el empaque Aumenta el rendimiento específico del sondeo al reducirse las pérdidas de carga. Sirve de base para poder desarrollar el sondeo mediante la eliminación de un determinado porcentaje de finos

18 Muestra clasificación granulométrica Arenas finas a medias 0,06 0,2 mm 1 kg Criterios para toma de decisiones sobre el terreno Aspecto visual Uniformes. Homométricas. No se distinguen los granos. Vuelan fácilmente al soplar Aspecto al tacto y lupa Redondeadas y suaves al tacto Angulosas y rugosas. Espesor prefiltro (mm) Doble anillo 80 Granu. prefiltro (mm) Tipo rejilla y paso MAPR, AC, P, RD PR=0,5-1mm Observaciones Macizo de arena pegada con resina. No usar lodos bentoníticos en la perforación. Arenas gruesas 0,6 2 mmç 2 kg Bastante uniformes. Se distinguen los granos. Al soplar, vuelan con dificultad. Poco heterométricas Redondeadas, suaves al tacto Angulosas y rugosas R, AC, P PR=1-2mm R, AC, P PR=3mm Mr=15-20% Rejillas doble con macizo incorporado Grava y gravilla mezclada con arena Gg 6 60 mm Gf 2 6 mm Sg 0,2 2 mm 1/3 en volumen tamaño gravilla o grava Moderamente heterométricas Fracción arenosa suave y redondeada Fracción arenosa rugosa y angulosa 80 mm R, AC, P PR=3mm PR=3-5mm Mr =15-25% Instalación con tubos engravadores o mét. De inyección hidráulica. Evitar el puenteo. Asegurarse asentamiento Gravas medias y gruesas predominando sobre la fracciób fina Gm 6 a 20 mmç Gg > 20 mm ½ en volumen tamaño Gm o superior Heterométricas Angulosas, aplanadas Redondeadas, poco aplanadas No procede Desarrollo natural redondeada Idem. Sólo relleno espacio anular excesivo R, AC, P PR=5-10mm Mr=10-20% Desarrollo natural con sistemas bidireccionales R=ranurado, troquelado; AP=apertura continua; P=puente; MAPR=tubo base y arenas pegadas con resinas; PR=paso rejilla; Mr=porosidad rejilla; RD=rejillas dobles con macizo incorporado

19 Características de la grava lo más redondeada posible de composición silícea con cierto grado de uniformidad de paredes lisas En los sondeos donde se prevean posteriores tratamientos con ácido, el porcentaje máximo admisible de materiales calcáreos no debe superar el 5%; de lo contrario, la mayor parte del ácido se consumiría en disolver las partículas calcáreas en vez de eliminar las incrustaciones de calcio o hierro que hayan podido producirse en las tuberías y filtros. La grava deberá estar limpia, debiendo lavarse con agua dulce. Las gravas limpias, bien clasificadas y redondeadas ofrecen un menor rozamiento del agua y, por tanto, los sondeos acondicionados con gravas de estas características tienen menores pérdidas de carga, lo que supone un ahorro energético durante su explotación.

20 Espesor del macizo filtrante El espesor debe estar comprendido entre 8 y 15 cm, con un mínimo de 2 ó 3 cm en los tramos más estrechos Conviene tener en cuenta lo siguiente: Cuanto mayor sea el espesor del empaque, menor será la velocidad de circulación del agua en el acuífero y, consecuentemente, aumentaría la dificultad de eliminación de materiales finos durante el proceso de desarrollo. Si el espesor del filtro artificial de grava diseñado es muy pequeño se corre el riesgo de que queden zonas desprovistas de empaque, originándose problemas de arrastre de arenas durante la explotación del sondeo. Un empaque de espesor excesivo requiere grandes diámetros de perforación, lo que implica un incremento innecesario del coste económico de la obra. Las paredes de las perforaciones sometidas al contacto con los lodos de perforación presentan una película impermeable cuya eliminación será tanto más fácil cuanto menor sea el espesor del macizo. El empaque de gravas es mínimamente percolante en sentido vertical, por lo que es equivocado pensar que a través del mismo el agua circula con normalidad y que constituya de este modo un medio adecuado para conectar acuíferos situados a cotas diferentes.

21 Estabilización de las formaciones acuíferas no consolidadas K 1 < K 2 < K 3 Pozo sin prefiltro = desarrollo natural La limpieza de cierta fracción granulométrica fina mediante sistemas de desarrollo unidireccionales o bidireccionales crea un anillo de mayor permeabilidad en los entornos de la rejilla La reducción de la velocidad del flujo radial convergente hacia el pozo se traduce en una menor pérdida de carga (menos descensos para un caudal dado) Pozo con prefiltro Cuando el tamaño granulométrico no permite el desarrollo natural se estabiliza la formación con un prefiltro inyectado desde superficie o pegado a la rejilla Formación acuífera Prefiltro Rejilla Granulometría del prefiltro bien elegida. Agua exenta de finos Pozo con prefiltro El prefiltro no estabiliza la formación acuífera Granulometría del prefiltro mal elegida Se ciega el prefiltro El pozo produce arena Baja la capacidad específica Puede ser inviable la explotación

22 Granulometría del macizo de gravas Granulometría excesivamente gruesa Acuífero Régimen laminar Macizo Agua y arena Pérdidas de carga por turbulencia, rozamientos y pérdida de área efectiva Granulometría correcta Acuífero Régimen laminar Macizo Agua exenta de arena Poca distorsión del flujo. Menor pérdida de carga GpR (Gravel-pack-ratio) = D 50 macizo / D 50 formación acuífera > 10 > 20 Máxima eficiencia. No entran arenas Menor eficiencia Menor eficiencia. El pozo produce arenas Macizo ineficaz. Gran producción de arenas

23 Colocación de prefiltros A ) PROCEDIMIENTOS NATURALES (Inyección, vertido desde la superficie) 1. Vertido por el espacio anular Manual Pozos prof de m) Manual ayudado con la circulación Pozos prof. de 150 a 400 m Adecuado en pozos construidos a percusión, sin excluir los otros sistemas Preferentemente en pozos construidos con técnicas de rotación y circulación de fluidos 2. Inyección hidráulica Métodos a pozo abierto Métodos a pozo cerrado (todas las profundidades) Adecuados en pozos construidos con técnicas de rotación y circulación de fluidos B) PROCEDIMIENTOS ARTIFICIALES (preparados en superficie) Se colocan como una rejilla cualquiera Rejillas dobles Rejillas con macizo de arena pegada con resina (interior o exterior) Tubo base ranurado y macizo adosado con tela metálica o de plástico

24 Colocación de prefiltros (algunas precauciones (1)) Conseguir que no se produzca una clasificación por tamaño en sentido vertical como consecuencia de las diferentes velocidades con que circulan en el agua las partículas de distinto tamaño. Aproximadamente, un grano de un diámetro dado adquiere una velocidad dentro del agua del orden de cuatro veces superior a otro grano de la mitad de diámetro. El riesgo de que se formen puentes o espacios vacíos cuando la profundidad del sondeo es considerable Sólo en pozos de menos de 100 metros y que dispongan de tubería auxiliar además de la definitiva, podría colocarse la grava a medida que se va extrayendo dicha tubería Para profundidades mayores podrían presentarse problemas para la extracción de la tubería auxiliar En sondeos de profundidades moderadas se utiliza con eficacia un tubo de 2" de diámetro unido a una tolva donde se deposita la grava. Se añade agua para que la grava descienda más fácilmente y evitar la formación de puentes En pozos profundos la colocación de. gravas debe hacerse con circulación inversa manteniendo el sondeo lleno para evitar. desprendimientos de las paredes.

25 Colocación de prefiltros (algunas precauciones (2)) Cuando en un mismo sondeo existan niveles de material fino sobre otros de material más grueso, debe colocarse grava clasificada correspondiente al material grueso por encima de su nivel en cantidad suficiente para que cubra el volumen vaciado que se produce como consecuencia de la extracción de finos en el proceso de desarrollo En un sistema multicapa formado por numerosos acuíferos con separaciones reducidas y granulometrías semejantes es aconsejable colocar un macizo de la misma composición granulométrica ya que la columna de gravas de diferentes tamaños enfrentados a cada uno de los horizontes acuíferos puede sufrir un desplazamiento como consecuencia del volumen desarenado, descolocando la grava elegida para cada acuífero por asentamiento de la columna. La columna de gravas debe colocarse varios metros por encima del acuífero más próximo a la superficie garantizando de esta manera que ningún acuífero quede desprotegido ante un imprevisto descenso del macizo filtrante...

26 Colocación de prefiltros por procedimientos naturales Vertido por el espacio anular Manual Manual ayudado con la circulación Socavación por cuchareo con o sin tubería auxiliar de limpieza Vertido manual Vertido manual a través de tubos de inyección retraíbles por el anular Vertido manual con tubería auxiliar con ventanas Vertido manual y retracción simultánea de la tubería provisional Vertido manual y circulación inversa Vertido manual y bombeo con aire comprimido Vertido manual y cuchareo Vertido manual, pistoneo y bombeo con aire comprimido simultáneo Vertido manual simultáneo con bomba de aspiración Inyección hidráulica Métodos a pozo abierto Inyección mediante tubos auxiliares y retraibles por el espacio anular (según tamaño granulométrico precisa tubos de 3 de diámetro lo que obliga a grandes diámetros de perforación) Inyección a través del varillaje con un distribuidor sobre la rejilla. Método cross-over (rejillas independientes de la entubación general o cámara de bombeo) Métodos a pozo cerrado Inyección por el anular. Retorno por el varillaje auxiliar o propia entubación del pozo - Dispositivo normal - Dispositivo de seguridad

27 CEMENTACION Colocación y fraguado de suspensiones de cemento en determinadas zonas de un pozo con diversas finalidades Finalidad Unir la tubería ciega del revestimiento de un pozo con la pared del taladro, rellenando el espacio anular u otros espacios anulares (cementación entre tuberías). 1º. Aislar la zona superior del pozo no productora Para evitar las diversas formas de contaminación por fluidos superficiales a través del espacio anular y, en su caso, macizo de arena y grava (prefiltro) Para evitar los desprendimientos del terreno hacia las zonas de admisión (filtros) Para disminuir la corrosión en las tuberías de revestimiento, protegiéndolas del colapso 2º. Evitar siempre que interese la comunicación entre acuíferos Sellar acuíferos contaminados que por su mayor o menor potencial hidráulico pueden inyectar "in ascensum" o "in descendum" a través del pozo aguas a acuíferos no contaminados impedir el vaciado incontrolado y perpetuo a otro nivel o acuífero superior por flujo ascendente de un acuífero inferior con mayor potencial hidráulico 3º. Cementación entre tuberías para evitar comunicaciones no deseables entre diversos acuíferos superpuestos 4º. Taponar el fondo del pozo Misiones e interés de las cementaciones 5º. Liberar dentro de lo posible presiones radiales centrípetas contra las tuberías

28 Algunos ejemplos de la necesidad de una correcta cabeza del pozo y cementación del espacio anular de la zona superior no productora o no conveniente Posible contaminación a través de la cabeza de pozo Necesidad de válvula para evitar retornos al pozo Contaminación a través del espacio anular sin cementar Contaminación a través del prefiltro

29 Preparación de lechada de cemento o cemento-bentonita Las suspensiones de cemento son tanto más estables cuanto mayor es la relación cemento / agua. Su bombeabilidad va en razón inversa. Bentonita /cemento % Densidad Agua por saco de cemento (litros) Suspensión resultante por saco de cemento (50 kg) (litros) Las suspensiones de cemento y bentonita son mucho más estables que las de cemento sólo. Son, asimismo, más fáciles de manejar y su retracción, una vez fraguada, es mucho menor. Es aconsejable su empleo. Proporciones del 2 al 6% del peso del cemento es lo normal, es decir, de 1 a 3 kg de bentonita por cada saco de cemento (50 kg).

30 Preparacion de lechadas de cemento-bentonita para cementación de espacios anulares Densidad conveniente: 1.9 Aceleradores de fraguado Retardadores de fraguado 100 kg de cemento lento 50 litros de agua 5 kg de bentonita Ca 2 Cl (2% peso de cemento empleado) NaCl (2-5% peso de cemento empleado) lignosulfatos, CMC, etc..

31 Abaco para calcular directamente las proporciones aguacemento para lograr un determinado volumen de lechada de densidad Litros lechada cemento densidad 1, Kg de cemento EJEMPLO 625 l. de lechada 1,9 825 kg de cemento 360 litros de agua Litros de agua

32 Sistemas usados en la cementación de espacios anulares o tuberías Columna < 50 m. < 500 m > 500 m Vertido manual Diseños constructivos en los que las rejillas se descienden conectadas a la entubación general del pozo Inyección con varillaje en fondo y por el interior de la tubería de revestimiento obturada en cabeza Método del "casing" Sistema Vertido manual y desplazamiento con la tubería taponada por el fondo Diseños constructivos con tramo de rejillas no solidarias de la entubación general del pozo (cámaras de bombeo superiores y emboquilladuras Tubería obturada y apoyada en fondo Tubería ligeramente elevada sobre el fondo y sin obturar Sin prefiltro Con prefiltro Sin válvula de pié Con válvula de pié y varillaje rosca a izquierdas Con un tapón separador Con dos tapones separadores Cementación por fases utilizando anillos de cementación (varios tapones separadores)