Ingeniera Sanitaria

DISEO Y CONSTRUCCIN DE POZOS SUBTERRNEOS

I. DISEO DE POZOSLos factores a tomarse en cuenta para el diseo de pozo son:

Dimetro y longitud de la entubacin ciega. Dimetro y profundidad de la perforacin. Necesidad o no de prefiltro de grava. Diseo del mismo. Diseo de la rejilla o filtro.

1.1 Dimetro del PozoEl dimetro a disear incluye dos sectores: el sector superior que alojar a la bomba y el sector inferior, por debajo del mximo nivel dinmico o nivel de bombeo o debajo de la mxima longitud de la bomba.

Es decir que el gasto necesario del pozo y su capacidad especfica ms un cierto margen de seguridad por menor eficiencia del pozo, eventuales interferencias, o bombeo continuo, definen la mxima profundidad de la bomba a instalar.

Si se conoce el tiempo y caractersticas de la bomba a instalar puede entonces conocerse el dimetro exterior del cuerpo de bomba o tazones. Luego, el dimetro mnimo interior de la entubacin pasa a dos pulgadas (2") adicionales y el dimetro mximo econmico de cuatro pulgadas (4") ms que el dimetro exterior de los tazones.

Cuando no se ha definido previamente la marca de la bomba, debe operarse dentro de ciertos lmites ya conocidos para distintas bombas, a fin de permitir su instalacin y funcionamiento sin problemas.

En el cuadro, se muestra las relaciones entre dimetro de pozos y dimetros para bombas de turbina vertical o de motor sumergido. (Se emplean medidas de dimetros en pulgadas por ser las de uso ms comn en pozos y bombas).

DIAMETROS DE POZOS RECOMENDADOS(Segn E. E. Johnson, 1966) Rendimiento del pozoPrevisto(l/s)Dimetro Nominal de la bomba(")Dimetro ptimo de la entubacin(")Dimetro mnimo de laentubacin(")

Menos de 6 5 a 11 10 a 25 22 a 41 40 a 57 53 a 82 75 a 114 100 a 190 4 5 6 8 10 12 14 16 6 DI 8 DI 10 DI 12 DI 14 DI 16 DI 20 DI 24 DI 5 DI 6 DI 8 DI 10 DI 12 DI 14 DE 16 DE 20 DE

DI = Dimetro Interno; DE = Dimetro Externo

En el sector de entubacin por debajo del nivel dinmico mximo estimado puede reducirse el dimetro, tanto de la entubacin como del filtro (rejilla), pero teniendo en cuenta que ello trae aparejado una cierta reduccin de caudal para la misma depresin, lo que significa mayor depresin para el mismo caudal.

1.2 Dimetro del pozo a perforarPara revestimiento con lodo de cemento en el sector superior, se acostumbra incrementar como mnimo 50 mm (2") respecto del dimetro exterior de la entubacin. Para pozos que se utilizarn en el abastecimiento poblacional e industrial el incremento es de 100 mm (4").

1.3 Diseo de la Rejilla La rejilla es un elemento de importancia en el diseo de un pozo sus caractersticas guardan una estrecha relacin con los parmetros hidrulicos del acufero.

En los pozos que captan agua de acuferos no consolidados se requiere un filtro de caractersticas variables a determinar que satisfaga los requerimientos de: i) sirva como estructura soporte de la formacin acufera; ii) impida el paso de arena; iii) permita la circulacin del agua hacia el pozo a baja velocidad y con la mxima capacidad especfica.

En los acuferos consolidados, rocosos, el pozo perforado deja caras libres a las grietas, por donde fluye el agua; no se requiere estructura filtrante.

1.4 Caractersticas de la rejillaUn filtro o rejilla se define por las siguientes caractersticas tcnicas:i)material de fabricacin del tubo;ii)dimensiones del tubo:- dimetro- longitudiii)abertura de la rejilla- rea libre- tipo de abertura- tamao de aberturaiv)prefiltro de grava

Los siguientes parmetros de calidad de agua indican condiciones de corrosin:a)Acidez del agua pH < 7.0b)Oxgeno Disuelto (DO) > 2 mg/lc)Sulfuro de Hidrgeno (H2S) > 1 mg/ld)Total de slidos disueltos (TDS) > 100 mg/le)Dixido de carbono (CO2) > 50 mg/lf)Cloro (Cl) > 300 mg/lg)Altas temperaturas incrementan la corrosin

Los siguientes parmetros de calidad de agua indican incrustacin.a)pH > 7.5b)Dureza Carbonato > 300 mg/lc)Manganeso > 1 mg/l ms alto pH y alto DOd)Fierro (Fe) > 2 mg/le)Deposicin de arcilla y limo (si la velocidad del agua en el filtro es alta).

1.5 Dimetro de la Rejilla Se presentan dos casos: a) la bomba est ubicada sobre el filtro; b) la bomba est ubicada dentro del filtro o dentro de una tubera que une una seccin superior del filtro.

Cuando la bomba no est contenida en el filtro el dimetro de ste depende de su capacidad de admisin del caudal a bombear a una velocidad adecuada. La prdida de carga mnima eficiente se obtiene a una velocidad de entrada del agua menor o igual a 3 cm/s (Johnson).

Si la velocidad v es mayor a 3 cm/s debe aumentarse el dimetro y/o la longitud del filtro.Si la velocidad v es mucho menor que 3 cm/s puede analizarse el dimetro y longitud del filtro con criterio econmico.

El rea til por metro de rejilla (filtro) se obtiene de los manuales que proporcionan los fabricantes.

1.6 Ubicacin y longitud del filtro (rejilla)La ubicacin y longitud ptima del filtro o rejilla se decide en relacin con el espesor del acufero, abatimiento estimado y estratificacin del acufero.

1.7 Dimetro y longitud de la entubacin ciegaSe llama tambin tubera forro, tiene como propsito el de servir de soporte a las paredes del pozo. Generalmente en este tramo va colocada la bomba, otra funcin que cumplir es el sellado de capas acuferas. Para determinar el dimetro de la tubera ciega existen Cuadros en funcin del gasto esperado.

La longitud de la tubera ciega, viene dado por el tipo de acufero y la profundidad de los estratos permeables. En el diseo de la tubera forro se deber tener en cuenta la resistencia del material a la compresin, que puede originar las paredes del hueco por derrumbes y otras causas.

1.8 Dimetro y profundidad de la perforacinEste viene dado por el dimetro de la tubera ciega que se piensa instalar, as mismo influye el mtodo de perforacin utilizado y el destino o uso que se le va a dar al agua extrada del pozo. Se considera un incremento de 5 cm. como incremento de radio si se trata de pozos para riego, para el caso de abastecimiento poblacional el incremento de radio es de 10 cm.

El dimetro puede ser variable o igual para toda la profundidad cuando el dimetro es variable en los estratos superiores es mayor o menor hacia el fondo.

1.9 Necesidad o No de PrefiltroEl diseo del prefiltro de grava se establece sobre la base de la informacin granulomtrica de los materiales recopilados durante la perforacin.

Es necesario en consecuencia tener el anlisis granulomtrico de la formacin acufera y de otros estratos atravesados en la perforacin para decidir la necesidad de colocacin de prefiltro de grava o empaque de grava, se recomienda su uso en los casos siguientes:

1.10 Anlisis GranulomtricoMalla NmeroAbertura

mmPulgadas

46101420253040601002004.763.362.001.410.840.710.590.420.250.1490.0740.1870.1320.0790.0560.0330.0280.0230.0170.0100.0060.003

El anlisis granulomtrico y distribucin del tamao de granos de los materiales atravesados durante la fase de perforacin, son esencialmente para identificar el material acufero y poder disear el material que se debe de colocar en el derredor del pozo (prefiltro).

Durante el anlisis granulomtrico, una muestra de acufero se hace pasar a travs de un conjunto de mallas ordenadas con aberturas de mayor a menor tamao.

Tamao de mallas usadas Para anlisis granulomtrico

1.11 Diseo de la Rejilla o filtroComprende la seleccin de longitud, dimetro, tamao de abertura y consideraciones acerca del metal a utilizar.La longitud de la rejilla es determinada por el espesor del acufero, estratificacin y posible descenso dinmico del nivel del agua. En principio la rejilla debe tener el mayor largo posible. En acuferos libres homogneo de gran espesor la longitud de la rejilla ser de 1/2 a 1/3 del espesor, colocada a partir de la base impermeable. En acuferos homogneos confinados la longitud de la rejilla debe ser del 70% al 80% del espesor del acufero colocndose en posicin centrada. En acufero estratificado la rejilla estar colocada frente a los estratos ms permeables. La longitud ptima de la rejilla se estima segn:

Q = caudal en m3/s Vp = velocidad ptima de entrada m/sAo = rea abierta en m2/m de longitud de rejilla

Segn Johnson la vp = 3 cm/s. Walton establece el criterio de velocidad ptima permisible segn la permeabilidad, el rea abierta efectiva la considera como 50% del rea abierta: Ao = 0.5; donde A el rea abierta que proporcionan los fabricantes.

VELOCIDADES PTIMAS DE PASO DE AGUA POR LA REJILLAK (m/da)V (cm/s)

> 24024020016012010080604020< 206.05.55.04.54.03.53.02.52.01.51.0

K (mm/da) Permeabilidad del Acufero; V (cm/s) Velocidad Optima de Entrada de agua por las aberturas de la rejilla.

El dimetro del filtro puede ser seleccionado para satisfacer un diseo en principio a fin de proveer un rea abierta suficiente que mantenga una velocidad de entrada deseada a travs del filtro.

1.12 Tamao de abertura de la rejillaEn pozos con desarrollo natural el tamao de la abertura del filtro est basado en la curva de distribucin de tamao de dimetro. El diseo de la abertura de filtro en pozos con paquete de grava filtrante se hace concordante con la granulometra mnima del prefiltro.

a)Acuferos de grano uniforme, 3 < Cu 6i) Si hay posibilidad de derrumbe del material utilizar como tamao de abertura D40.ii) En caso de no haber posibilidad de derrumbe utilizar D60.

b)Acuferos de grano no uniforme Cu > 6i) Con posibilidad de derrumbe utilizar D50 ii) Sin posibilidad de derrumbe utilizar D70

c) Acuferos estratificados i) Si D50 material grueso 4 D50 material fino, sacar el clculo para el material ms fino y poner una sola rejilla.ii) Si no se cumple condicin anterior disear una rejilla para cada estrato del cual se desea sacar agua.

II. MTODOS CONSTRUCTIVOS 2.1 Mtodo De PercusinEs un mtodo empleado en la perforacin de pozos.

La perforacin se logra subiendo y dejando caer un barreno o trpano unido a la barra de peso. El impacto fractura y afloja el material del hueco. Este material se extrae mediante la cuchara, ya que debido al agregado de agua, o la propia de la formacin atravesada, se forma una especia de barro, que debe ser peridicamente extrado para poder continuar con la perforacin.

Salvo que se perfora en roca dura, es necesario ir agradando una caera de revestimiento a medida que se progresa en la perforacin, para evitar derrumbes de las paredes del hueco perforado.

El hincado de la caera es una capa impermeable, se realiza de la siguiente manera: las herramientas de perforacin, se bajan dentro de la caera lo suficiente para que el cuadro de la barra de peso quede justo en el extremo de la caera que debe ser golpeada. Se apernan las grapas golpeadores en el cuadro de la barra de peso. Con la mquina se alzan las herramientas de tal manera que las grapas queden suspendidas alrededor de 0.126m sobre la cabeza golpeadora, la cual ha sido colocada directamente en la caera. Este espacio entre las grapas y la cabeza, absorbe la alta tensin d choque producida en cada golpe de las herramientas, y da a sta una rpida y positiva levantada. La carrera de las herramientas deber mantenerse a una velocidad ordinaria de perforacin.Finalmente el proceso de hincado, debe realizarse la prueba hidrulica de dicha caera, a efectos de comprobar una correcta aislacin.

2.2 MTODO DE ROTACIN

En el sistema de perforado por rotacin, se inyecta el lodo o fluido de perforar por dentro de la columna formada por las barras de perforar el cual emerge en el trpano para ascender luego a travs de toda la seccin transversal del pozo. Este es el mtodo llamado de circulacin directa o ms abreviadamente rotacin directa. Consiste en un trpano que va avanzando animado de un movimiento de rotacin, que le comunica la columna de perforar. sta es a su ver hueca y por su interior se inyecta el lodo de perforacin (rotacin directa) o bien sube el lodo que desciende por la seccin del pozo (rotacin inversa).

Ventaja principal la rapidez de avance (varias veces superior al mtodo de percusin). Como el lodo recubre la pared del pozo contribuye a su estabilizacin y en general no se requiere tubera de recubrimiento mientras se perfora. En rocas muy duras se emplean los trpanos especiales trituradores (triconos). La desventaja principal es el enmascaramiento que produce la inyeccin para el anlisis del detritus que indican las caractersticas del suelo que se atraviesa y al hecho de que la inyeccin de lodo disminuye la permeabilidad de las arenas acuferas.

En una variante denominada rotacin inversa se hace circular el fluido de perforacin de manera ascendente por dentro de la tubera de perforado y al revs que antes desciende por la parte externa de la misma. Se emplea para pozos de dimetros grandes en formaciones no consolidadas.

Un mtodo alternativo al de rotacin directa con inyeccin de lodo es el de perforar con inyeccin de aire comprimido y se usa actualmente en rocas consolidadas. El trpano empleado en este caso es el denominado martillo de fondo o rotopercutor, que combina el golpeteo propio del mtodo de percusin con el rotatorio del sistema rotativo.

Tricono, trpano empleado en el sistema de rotacin

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