Parámetros Críticos en el Diseño y Construcción de pozos: Parámetro 12: Selección del tipo y características del elemento filtrante

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1 Parámetros Críticos en el Diseño y Construcción de pozos: Parámetro 12: Selección del tipo y características del elemento filtrante 1. Introducción Los criterios aplicados en Chile, y en gran parte del mundo, tienen su origen en el libro de la Johnson El Agua Subterránea y los Pozos. Los numerosos artículos que se pueden encontrar en la red y que se refieren a este tema, son una copia total o parcial de lo que contiene dicho libro, verdadero manual para muchos profesionales dedicados a la actividad de asesoría y construcción de pozos de agua subterránea. En varios trabajos de reciente data, dichos criterios han sido cuestionados científicamente y se ha demostrado que no son correctos y que carecen de fundamento científico técnico y se apoyaron en apreciaciones o estimaciones de lo que se creía era apropiado. Un detallado y fuertemente crítico análisis del contenido del libro de la Johnson se encuentra en el informe Screen Open Area, del que es autor George Moss (1992), que puede ser bajado de la página de Roscoe Moss Co. ( ) Otros artículos de especial importancia para la Hidrogeología Moderna y para el Diseño y Construcción de pozos se encuentran en la misma página y deben destacarse por su excelencia científica y técnica los de Dennis E. Williams (PhD) y E. John List (PhD) en la parte referida a Investigación y Desarrollo. Otro sitio que puede ser visitado para obtener información útil basada en experiencias en Chile, es en la parte referida a Aguas Subterráneas. En los años que lleva la construcción de pozos se han desarrollado distintos elementos filtrantes; rejillas y tubos ranurados y perforados y otros, para satisfacer los igualmente diversos requerimientos de los pozos de agua subterránea. El sentido común, indica que no existe ningún tipo específico de elemento filtrante que sea el mejor para todas las condiciones. Si no se toman en cuenta los costos, el número de opciones se reduce drásticamente.

2 Cada producto que se ha inventado ha sido para resolver problemas específicos como lo fueron las rejillas de alambre en su tiempo o los ranurados al oxicorte y los tubos ranurados de PVC. Por otra parte no basta elegir buenos materiales, ya que es condición obvia que dichos materiales deben ser usados correctamente. Ni el mejor material generará un buen pozo si en su diseño y/o construcción son empleados incorrectamente. Las rejillas o los elementos filtrantes en general, tienen como finalidad no solo retener el empaque de grava o el material del acuífero en los casos en que se aplica la técnica de desarrollo natural, y en este sentido son un filtro, pero a diferencias de otro tipo de filtros, la rejilla no debe taparse y, en el caso que ocurra, debe posibilitar que se le restituya su capacidad original. Debe, además, permitir un flujo expedito del agua y posibilitar el desarrollo del pozo. En consecuencia el uso de rejillas solo puede facilitar la construcción de un pozo eficiente, garantizar su operación eficaz y prolongar su vida útil al máximo posible, con la condición que se adopten correctas decisiones durante el diseño, construcción, operación y mantenimiento del pozo. 2. Criterios Fundamentales en la selección de Rejillas para pozos 2.1. Economía a) Costos de Inversión. El factor costo es el más importante criterio de decisión en Chile para construir un pozo y, lo frecuente es que las propuestas para construirlos sean bajo la modalidad de suma alzada como si la construcción de un pozo fuera una obra similar a la construcción de casas u otro tipo de obras en que todo es conocido. En Hidrogeología trabajamos con probabilidades, nunca con certezas. Si bien el costo es un factor importante, se olvida que en los costos de los pozos no son solo existen los costos de inversión. En este punto es importante darse cuenta que el costo de inversión dice relación con la Vida Útil del pozo. Qué sentido tiene construir un pozo barato si este durará, pocos años, como ocurre con frecuencia? La vida útil de un pozo debe superar los 30 años y, alcanzar los 50, no es una exageración. En muchos lugares de

3 USA se encuentra en operación pozos construidos hace 100 años suministrando agua a empresas sanitarias, las que requieren una alta confiabilidad y seguridad en su producción. b) Costos Operacionales. Existen además, y no se incluyen en las evaluaciones, los Costos de Operación los que en la casi totalidad de los casos que conozco son desconocidos y/o ignorados. b.1.) Eficiencia. Los costos operacionales están fuertemente impactados por la Eficiencia porque incide en los costos energéticos. Experiencias personales han demostrado que dos pozos construidos en el mismo recinto proporcionan el mismo caudal, pero la depresión de uno es 350% superior a otro construido con una técnica y materiales apropiados. Los costos energéticos en un caso concreto superaron los costos de construcción de un pozo el que, además, duró en funcionamiento solo 5 años y debió ser reemplazado por uno nuevo, pues era irrecuperable. b.2. Costos de Rehabilitación. En los costos operacionales no se consideran los costos de las rehabilitaciones que son necesarias en más del 80% de los pozos a lo largo de su vida útil y con una frecuencia, que dependiendo de ciertas condiciones, se deben hacer en promedio una vez cada cinco años o cuando el Gasto Específico ha disminuido un 20% del original. Muchos métodos de rehabilitación pueden alcanzar resultados sorprendentes en términos de recuperar si no total al menos parcialmente la capacidad productiva original del pozo, pero dichos métodos no son aplicables a ciertos pozos porque los materiales con los que se construyó no los resistirían y los destruirían. Muchos métodos requieren el empleo de métodos mecánicos, incluso explosivos y químicos que no pueden ser usados si los materiales con los que se construyó el pozo no son suficientemente resistentes a ellos.

4 b.3. Costos de reemplazo. Además de los costos de construir un nuevo pozo una prolongada vida útil es y seguirá siendo una necesidad imperiosa considerar los costos de reemplazo especialmente en los sectores urbanos, donde las posibilidades de construir un pozo disminuyen cada vez más, ya sea porque no hay espacio disponible para instalar una máquina de perforación y/o los ruidos de estos equipos son incompatibles con las actividades que se desarrollan en el lugar. Un ejemplo anecdótico lo constituyen los pozos de la casa matriz de BancoEstado, los que se encuentran actualmente en el tercer subterráneo del edificio corporativo. b.4. Corrosión. Muchas aguas subterráneas de excelente calidad para todos los usos y con contenidos de sales tan bajos como 200 miligramos por litro, son fuertemente corrosivas y en esos casos si no se emplean materiales de alta resistencia (que existen en el mercado) y que se deben obligatoriamente utilizar para que prolonguen la vida útil del pozo. Si para elegir el material apropiado se siguen las indicaciones del libro de la Johnson, es altamente probable que e tome una decisión equivocada. b.5. Trámites. Si un pozo falla y se construye un nuevo pozo, los derechos del que falló deben ser trasladados al pozo nuevo. Además de los costos de los nuevos trámites, pueden presentarse oposiciones y acciones legales que no solo tienen un costo, significan tiempo. Muchos sencillamente optan por la alternativa de no hacer este trámite. Total: Quién controla? 3. Instalación y manipulación de elementos filtrantes Los materiales empleados en la construcción de pozos deben tener una alta resistencia mecánica pues son sometidos a grandes solicitaciones, tensión, tracción y torsión no solo en la instalación sino durante la vida del pozo. El taponamiento de las aberturas puede inducir colapsos pese a que el material parecía ser apropiado. Otros pozos en muchas áreas del país requieren ser profundizados por bajas de niveles y producción y en algunos casos esta posibilidad de recuperar parte de la producción original es impracticable.

5 4. Tipos de Elementos Filtrantes En otros artículos el título es Tipos de Rejillas. Opto por Elemento Filtrante porque además de las rejillas existen los tubos ranurados que especialmente en Chile son de generalizado uso; en el pasado hasta fines de los 80 y actualmente en los pozos construidos con la técnica de Perforación y Entubamiento Simultáneo o Rotopercusión. Teniendo en mente los criterios expuestos en la sección anterior, pueden analizarse los tipos de rejillas de uso más común. a) Tubos Ranurados al oxicorte La primera rejilla considerada - tubería con ranuras verticales hechas con soplete u oxicorte - representa, en toda circunstancia, una elección no deseada. Afortunadamente, esta práctica ha perdido popularidad y hoy en día su uso es poco frecuente. La única razón para incluir el uso de este tipo de material en un pozo de agua es la falta de otras opciones. Se ha mejorado la calidad de este tipo de elementos usando la técnica del plasma para hacer las ranuras. b) Tubos ranurados frezados La única diferencia con los tubos ranurados al oxicorte es uniformidad de las aperturas y disponibilidad en una gama bastante amplia y en general se han aplicado en la industria del petróleo donde los pozos son de baja producción comparativamente con los de los grandes caudales de agua subterránea. c) Rejillas de Alambre o de Espira Continua Es una rejilla de generalizado uso y se construye enrollando un alambre alrededor de barras longitudinales. El alambre se suelda a la barra con una

6 soldadura por resistencia, produciendo una configuración cilíndrica en forma de jaula. En Chile las más utilizadas especialmente en los últimos años son las que se venden como ACP (Acero al Carbón Pintado) El diseño de las rejillas de espira continua es de comienzos del siglo pasado y fue ideada para solucionar los problemas de desarrollo de pozos de agua en cierto tipo de acuíferos en USA. Antes de la construcción de pozos por el método de rotación directa y el empleo en el diseño del empaque de grava, los pozos entregaban grandes cantidades de arena si se le explotaba a plena capacidad ya que dichos acuíferos eran de excelentes propiedades. Para resolver este problema se desarrolló este tipo de rejillas, el que resulto realmente exitoso. d) Rejillas de Puente trapezoidal Otra de las rejillas que se fabrica en los Estados Unidos es la llamada "de puente trapezoidal". Ésta se fabrica con láminas en una prensa. La apertura de la ranura es generalmente vertical y proporciona dos orificios alineados longitudinalmente con el eje. Normalmente, se unen secciones de cinco pies de rejilla de puente para formar largos mayores adecuados. En términos generales se aplican a pozos construidos con empaque de grava.

7 e) Rejillas Louver o Persiana Este tipo de rejilla se diseñó hace muchos años para usarse en pozos con envoltorio de grava y ha tenido un éxito significativo. La rejilla de persiana se fabricó originalmente haciendo aperturas de persiana en tubos cortos, que luego se soldaban para formar secciones de hasta 20 pies de largo. Se ha desarrollado un método más moderno que permite fabricarla en tubos de hasta 50 pies de largo. 5. Criterios de Diseño 5.1. Velocidad de Ingreso El adecuado diseño de la rejilla minimiza las pérdidas de carga friccionales asociadas con el ingreso de agua al pozo. Este punto se ha exagerado en el pasado, aduciéndose ciertas virtudes en las rejillas con las mayores áreas de apertura (menor velocidad de ingreso), que no han sido confirmadas por los datos obtenidos en terreno. Una extensa investigación - incluyendo los análisis matemáticos, la revisión de la experiencia práctica y extensas pruebas con modelos - ha establecido que las velocidades de ingreso de hasta 3,5 pies/segundo (1 m/s) generan pérdidas de carga mínimas. Sin embargo, un factor importante en la determinación real de la velocidad de ingreso que es "el área efectiva de la apertura", que puede ser inferior a la apertura medida debido al bloqueo o invasión de material fino. Usualmente, éste es el resultado de un envoltorio de grava y/o elección del tamaño de la apertura deficiente. La apertura de la rejilla debe estar calculada correctamente para minimizar esta posibilidad. Las buenas muestras son fundamentales y su análisis una necesidad imperiosa que frecuentemente no se hacen.

8 Aunque ha habido muchas declaraciones sin fundamentos ni científicos ni técnicos relativos al rol de la velocidad de ingreso por una rejilla con respecto a la corrosión e incrustación, la evidencia teórica y de terreno no ha probado la existencia de ninguna relación con respecto al rango normal de velocidades de entrada del agua en los diferentes tipos de elementos filtrantes Forma de la abertura Tanto durante el desarrollo del pozo como durante su explotación es necesario que la entrada de material al pozo sea expedita y no quede tapando la abertura, por lo que las aberturas de caras paralelas son inapropiadas debido a que progresivamente van reduciendo el área original de entrada del agua. La forma de la abertura es un elemento de alta importancia en la eficacia del desarrollo, la tarea más importante en la obtención de un buen pozo de agua y de alta eficiencia. También es muy importante en la rehabilitación Resistencia a la Corrosión Tal como se mencionó cierto tipo de aguas son fuertemente corrosivas, fenómeno debido en cierta medida a las características químicas del agua y especialmente a su contenido de oxígeno el que puede ser mayor que el que naturalmente contiene el agua subterránea debido a las cascadas de agua que se producen cuando el nivel deprimido en el pozo se sitúa por debajo del sector enrejillado más alto. La caída del agua provoca que se introduzca aire

9 y las bombas no están diseñadas para bombear agua con aire, solo agua. Para este tipo de problemas, especialmente cuando se habilita un acuífero freático y uno o más confinados, la solución es el pozo encamisado (Casing Path Well), diseño patentado por Roscoe Moss Co Forma Interior Este factor es de vital importancia por varias razones. En primer lugar está el desarrollo mediante el empleo de pistones, a veces demasiado ajustados. Para que el desarrollo por este método sea realmente efectivo es condición fundamental que la superficie interna del elemento filtrante sea lisa. Si no es lisa, el desarrollo es ineficaz ya que gran parte de la energía aplicada se disipa llegándose al límite que el desarrollo ni siquiera alcanza al empaque de grava, menos aún a la zona dañada del acuífero que es el principal objetivo del desarrollo Resistencia Mecánica Aunque para pozos de pequeño diámetro y poca profundidad pueden usarse materiales de baja resistencia mecánica a las solicitaciones que son sometidos los elementos filtrantes, para pozos de mayor diámetro y profundidad la selección de materiales de alta resistencia es fundamental aunque su costo es superior. No basta cumplir ciertos requisitos mecánicos porque igualmente se pueden colapsar por taponamiento Manipulación e Instalación Si bien tanto cañerías como rejillas se comercializan en longitudes fijas, especialmente las rejillas, adecuar una columna de habilitación requiere necesariamente que el elemento filtrante pueda unirse a la cañería ciega rápida, fácil y eficazmente con los elementos disponibles en la faena de perforación Resistencia a las Técnicas de Rehabilitación El empleo de los elementos que habitualmente son requeridos para rehabilitar exitosamente un pozo requiere como condición sin e qua non que los materiales del elemento filtrante sean lo suficientemente resistentes pues son faenas que someten a los pozos a condiciones de alta energía. Se aplican esfuerzos mecánicos y sustancias químicas que pueden destruir el pozo.

10 5.8. Longitud del enrejillado A menudo, aun cuando se hayan observado los mejores procedimientos de muestreo y se haya realizado e interpretado un sondeo eléctrico, el enrejillado selectivo puede derivar en el bloqueo inadvertido de los acuíferos productivos. Otra consideración importante es la tendencia al desplazamiento de la grava en los extremos superiores de las secciones de rejillas. Es difícil, y a veces imposible, consolidar la grava en la tubería ciega. Los posibles resultados incluyen el bombeo de arena o el bloqueo del agua debido al desprendimiento del material impermeable contra el acuífero. Esto no se aplica al fondo del pozo, donde debe instalarse una sección de 10 ó 20 pies de tubería ciega para proporcionar una cuenca al material sedimentario. Por otra parte ha sido suficientemente demostrado que el gasto específico de un pozo es función directa de la proporción de acuífero enrejillado. 6. Ventajas y Desventajas de los distintos elementos filtrantes Este análisis de los distintos elementos filtrantes, para ser comprensible y no confundir al lector, debe ser hecho sobre la base de cómo cada uno de ellos responde a los requerimientos descritos en el punto anterior. Describir las ventajas y ventajas de cada uno de ellos tiende a confundir y al final no queda claro cuál puede ser mejor para resolver un determinado problema de diseño de un pozo en particular Velocidad de Ingreso Si bien se dice que la máxima velocidad de ingreso debe ser de 3 cm/s elementos filtrantes con áreas comprendidas entre 3 y 5 % permiten construir pozos de igual o superior eficiencia que elementos con elevadísimas áreas de admisión como es el caso de las rejillas de espira continua que tienen casi 5 veces más área que las Rejillas Louver y hasta 30 veces la de los ranurados al oxicorte Forma de la abertura Las aberturas de caras paralelas como los ranurados frezados y las irregulares e incontrolables de los tubos ranurados al oxicorte solo sirven para facilitar el taponamiento ya que si la partícula entra, no pasa al interior del pozo y

11 suele ser en extremo difícil y a menudo imposible sacarla. En este sentido las rejillas de espira continua o alambre con su abertura en forma de V y la de las Rejillas Louver son una alternativa indiscutiblemente superior Resistencia a la corrosión Aunque se emplee acero inoxidable, las ranuras al oxicorte tienden a cambiar la composición del metal alrededor de ellas lo que las deja como puntos favorables al ataque ya sea químico y/o biológico. Las rejillas de espira continua, al tener una gran superficie de entrada de agua, por lógica consecuencia, tienen una mayor área de exposición al ataque químico que todos los distintos elementos filtrantes descritos.

12 6.4. Forma Interior La configuración interior de las rejillas de alambre dificulta el pistoneo, un método simple y efectivo para desarrollar, redesarrollar y limpiar pozos. Esto se debe a que, debido a los cortes transversales de las barras verticales, la superficie interna de la rejilla de alambre no es un cilindro liso. Los pistones ajustados no pueden emplearse eficazmente debido a que el agua se desvía a través del espacio anular entre las barras, en lugar de entrar y salir de la formación y el empaque de grava. Para ilustrar este importante aspecto se incluyen dos fotografías una de una rejilla e alambre y otra de una Rejilla Louver. Interior de Rejilla de Alambre

13 Interior Rejilla Louver o Shutter

14 Además, el desarrollo con chorros de aire y/o agua a alta presión o velocidad no son métodos muy efectivos especialmente en pozos con empaque de grava. A menudo con estos métodos aplicados a los pozos con rejillas de alambre, la energía se disipa totalmente en el empaque de grava y no alcanza a afectar la formación, que es el objetivo principal del desarrollo Resistencia Mecánica Por construcción las rejillas de alambre son menos resistentes que la cañería ciega hecha con el mismo material lo cual torna más riesgosa su aplicación. Las rejillas de PVC de alta área de entrada y con ranuras de tipo horizontal se debilitan y son al igual que las de alambre, menos resistentes que el material empleado en su construcción. A diferencia de las anteriores las Rejillas Louver son, por diseño y construcción, mucho más resistentes que el material de la cañería que son hechas y lo novedoso y paradojal es que son más resistentes mientras mayor es el área abierta.

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16 6.6. Manipulación e Instalación En este aspecto las rejillas de plástico (PVC), más económicas que las de acero, no son manipulables en terreno ya que vienen en dimensiones fijas. Por otra parte, salvo en diámetros pequeños, los hilos de las uniones distan de ser perfectos y tan resistentes como la soldadura u otro tipo de uniones más sofisticadas Resistencia a las Técnicas de Rehabilitación Todas las técnicas de rehabilitación de pozos actualmente en uso, tanto antiguas como modernas, requieren como condición fundamental que el elemento que emplean penetre profundamente el empaque de grava y el acuífero. Por lo mencionado anteriormente las rejillas de alambre y los tubos ranurados con baja área de entrada, son una limitación a la efectividad de estos métodos. En resumen la ventaja de las rejillas de PVC son solamente su bajo costo, pero no son apropiadas para pozos de gran profundidad y gran diámetro; a

17 lo anterior se suma su más difícil manipulación y la posibilidad de ser dañadas por los métodos mecánicos de rehabilitación. Dado que las rejillas de alambre fueron diseñadas para pozos sin empaque de grava, su uso debe ser evaluado muy críticamente para cerciorarse que cumplen con los requisitos de este tipo de pozos. La principal ventaja exhibida de la gran área abierta, que se ha demostrado no es un factor crítico de diseño, se convierte en su más severa desventaja en la versión Acero al Carbón por la gran área expuesta a la corrosión. A igual resistencia las rejillas de alambre son más caras y no tienen ventajas que justifiquen su empleo. Es más experiencias llevadas realizadas por terceros independientes han demostrado que los pozos con Rejillas Louver generan pozos más eficientes que con rejillas de alambre en idénticas condiciones hidrogeológicas Longitud del enrejillado Este factor es de vital importancia por cuanto y con la idea de ahorrar se optan por dos soluciones: a) Usar materiales más económicos y b) Usar menores longitudes de rejillas, para no perder la propuesta. Las experiencias de laboratorio, las efectuadas con modelos analógicos y lo que es más importante, las experiencias en terreno con pozos reales, han demostrado fuera de toda duda que ambas decisiones son incorrectas, inconvenientes y antieconómicas. No se sugiere usar el material más caro disponible en el mercado porque esto no garantiza necesariamente la construcción de un buen pozo, eficiente y de larga vida. Lo que se sugiere es hacer una selección racional del material que mejor se adecue a las condiciones que se enfrentan, teniendo presente que el factor costo es uno más de los factores de diseño, pero no es el más importante. Es incomprensible que antes de iniciar la perforación de pozos, ya se haya elegido la rejilla, al menos en cuento a su abertura. Sin análisis granulométricos lo que demuestra que muchas habilitaciones son hechas literalmente a ciegas. A continuación se muestran de manera sintética las principales características de los elementos filtrantes antes descritos

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20 Se recomienda: - Evitar el enrejillado selectivo (tramos ciegos con tramos enrejillados) - No deben usarse rejillas con aberturas demasiado pequeñas - En pozos con empaque de grava, raras veces existe una condición que requiera aperturas menores que 1 milímetro (Slot 40) - Si bien la forma en V de la apertura de la rejilla de alambre reduce el bloqueo, no facilita la estabilización de las partículas del empaque de grava - El tamaño de la apertura de la rejilla de alambre es uno que retenga el tamaño 90% del empaque de grava. Esto resulta en un tamaño de apertura mucho menor que el que es posible con otros diseños de rejillas como, por ejemplo, las rejillas Louver. - Tamaños muy pequeños de apertura de rejillas como el Slot 40 pueden provocar lo que se conoce como sellos de arena y los consiguientes colapsos. - La tolerancia al rango de empaque de grava de las Rejillas Louver mejora. Se han completado exitosamente muchos pozos con una capacidad en que más del 80% pasa por las aperturas. Aunque la relación de paso recomendada es del 35 al 20%, esta amplitud proporciona protección contra las variaciones del empaque de grava, debido, entre otras razones, a la segregación en su instalación y/o durante la explotación del pozo. Otras ventajas, además de las señaladas para las rejillas Louver son que facilitan y/o evitan los problemas que se ilustran en las siguientes figuras.

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22 Se puede aducir que el costo es más alto y esto es efectivo, pero la incidencia del costo de una excelente rejilla en el costo total del pozo es marginal y despreciable al considerar la vida útil del pozo. Pero el costo debe necesariamente ser hecho comparando materiales que respondan igualmente a los requerimientos del pozo. Por ejemplo no es comparable un material que si es resistente a los procesos de rehabilitación con uno que no lo resistirá. Lo mismo es válido al considerar las resistencias relativas de los distintos materiales a los diferentes tipos de colapsos.

23 Referencias Handbook of Ground Water Development, 1990, Roscoe Moss Company, John Wiley and Sons, New York, NY Guía para la selección de cañerías y rejillas para pozos de agua Roscoe Moss Company. Raúl Campillo Urbano