Parámetros Críticos en el Diseño y Construcción de pozos: Primera Parte

Raúl Campillo Urbano HidroGeólogo Senior

Parámetros Críticos en el Diseño y Construcción de pozos: Primera Parte Introducción

La evidencia empírica obtenida por este consultor sobre la base de una gran cantidad de pozos que le ha tocado diagnosticar, indica que muchísimos pozos, aparentemente bien diseñados y construidos por empresas de cierto prestigio, fallan al corto tiempo después de su puesta en operación... Se entienden como fallas disminuciones del gasto específico y del caudal, producción de arena, etc. que se traducen en que el pozo que entregó la empresa perforista no tiene nada que ver con el pozo en la actualidad. Lo paradojal es que, habiendo revisado el diseño de algunos de esos pozos, cuando ha habido información suficiente, se concluye que se han aplicado casi correctamente las indicaciones del libro de la Johnson, El Agua Subterránea y los Pozos. Sin embargo el resultado es que los pozos igualmente fallan con graves daños al prestigio de las empresas perforistas y severos perjuicios económicos al propietario del pozo. Estos daños no son menores pues, a los mayores consumos energéticos evitables hay que agregar la construcción de nuevos pozos para recuperar el caudal necesario para funcionar y los costos de “rehabilitaciones” en muchos casos inútiles y caras. Finalmente hay que agregar que el prestigio de la industria de la captación de aguas subterráneas cae continuamente a punto tal, que entre los usuarios existe un justificado descontento que, en algunos casos, llegan a los Tribunales de Justicia. Es mi opinión, basada en 40 años dedicados a la actividad que, una parte de estos fracasos son evitables con una capacitación técnica sobre parámetros críticos en el diseño y construcción de pozos que, en la mayoría de los casos, son absolutamente ignorados en muchas empresas. Creo igualmente que hay empresas cuyo propósito principal no es precisamente construir buenos pozos de agua subterránea, sino maximizar sus utilidades. En una serie de artículos, en entregas sucesivas, haré un breve análisis de los parámetros que considero críticos y que inciden de manera fundamental en un buen diseño y construcción; este análisis lo haré en términos lo más prácticos y sencillos dado que están destinados a quienes laboran en la construcción de pozos y no al mundo académico. Parámetro 1. Efecto 1. Efecto que tiene el largo de la rejilla o ranurado Dado que el fin perseguido es un pozo eficiente y de alta duración, el tema del costo de cuánta rejilla o ranurado colocar en un pozo es un aspecto que no analizaré. La experiencia internacional y nacional demuestra, fuera de toda duda, que el mayor costo de colocar buenos materiales y en la cantidad requerida, representan un costo marginal que es absolutamente irracional evitárselo. Fono 09 2231880 Fax 32 770077 e-mail: [email protected] Casilla 19 Maitencillo

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La importancia del largo de rejilla o ranurado que se coloque en el pozo reside en que este parámetro incide de manera significativa en el Gasto Específico del pozo, es decir, los litros por segundo que entregará el pozo por cada metro de Depresión de su nivel de agua, lo que puede apreciarse en la siguiente ecuación:

En la fórmula anterior el significado de los términos es el siguiente: Q = Caudal s = Depresión K = Conductividad Hidráulica b = Largo de la rejilla o ranurado de un pozo de penetración total ro = Radio para Depresión igual acero re = Radio Efectivo del pozo

De la fórmula anterior se desprende que el Gasto Específico es directamente proporcional al largo de rejilla que enfrente el acuífero. Evidentemente que el análisis anterior se refiere a un acuífero confinado o artesiano. Sobre la base de un exhaustivo análisis de los Gastos Específicos de los pozos estudiados por Dennis Williams (2), se ha confeccionado la siguiente figura. Puede apreciarse en ella que mientras mayor largo de rejilla ha sido instalada en los pozos, mayor es el gasto específico y consecuentemente mayor el caudal. Usando el promedio de los pozos habilitados con rejillas del tipo Shutter o Louver, fabricadas por Roscoe Moss Co., el gasto específico con 300 pies de rejilla es de 40 gpm/ft (ver la recta superior de la figura) Si el pozo fuera bombeado a un caudal de 2000 gpm, la depresión sería de 50 pies. Si el mismo pozo fuera habilitado con 900 pies de rejilla, de la figura se obtiene que el gasto específico resultante es de 120 gpm/pie y, para dicho caudal, la depresión sería de 17 pies. Esto se traduce en un ahorro de 33 pies de elevación que es una considerable economía de energía por toda la vida útil del pozo, que paga con exceso el mayor costo de instalar una mayor cantidad de rejilla. Este factor es muchísimo más relevante que el área abier-






El largo de rejilla o ranurado a colocar en un pozo habilitado en un acuífero freático o libre ha sido analizado en otro artículo. (3) Referencias 1) Williams, D. E. : Modern Techniques in Well Design. Roscoe Moss Co. 2) Williams, D. Analysis and comparison of the wells in the Pleasant Valley Area of Ventura County, California. Roscoe Moss Co . 3) Campillo, R. E. : ¿Cómo diseñar y explotar un pozo en un acuífero freático para obtener el mejor resultado posible en el largo plazo? www.aprchile.cl

HidroGeólogo Senior






Parámetros Críticos en el Diseño y Construcción de pozos: Segunda Parte Parámetro 2: Radio 2: Radio Crítico y Flujo Turbulento A raíz de varias experiencias de este consultor con pozos que, habiendo sido buenos inicialmente, fallaron corto tiempo después, se logró establecer un concepto nuevo al que se Crítico , un determinado caudal que, de excederse en la prueba de caudal denominó Caudal Crítico, variable, provocaba un deterioro irreversible en el pozo. En casos extremos, la pérdida total del pozo. Este tema también analizado en un artículo que ha tenido una amplia difusión “Desarrollo de Pozos y Depresión Específica” en Específica” en que se constataba que, si la pendiente de la recta del gráfico Depresión Específica versus Caudal, aumentaba, era un indicador de que se estaba excediendo el Caudal Crítico. Se constataba un hecho, pero no se comprendían en ese momento las causas que originaban este fenómeno. Investigaciones hechas con modelos analógicos y digitales concluyeron en un concepto Pozos. (1) nuevo en Hidrogeología: Radio Hidrogeología: Radio Crítico de Pozos. En la misma medida que el agua que se extrae de un pozo mediante bombeo va acercándose a este, la velocidad del agua subterránea va aumentando por la sencilla razón de que el área por la cual debe pasar va disminuyendo. Para mantener la solución de continuidad de que el caudal por cada cilindro concéntrico al pozo es idéntico y constante, si disminuye el área la única forma de que el caudal se mantenga es que la velocidad aumente. Se define como Radio Crítico de un Pozo a la distancia desde el centro del pozo hasta un punto en que el flujo deja de ser laminar y pasa a ser turbulento, es decir, el flujo no se rige por la Ley de Darcy. Este fenómeno dice relación directa con el acuífero y el empaque de grava y su dimensionamiento debe ser correctamente hecho si se desea que el Radio Crítico sea igual al Radio al Radio Nominal del pozo, es decir, que no haya flujo turbulento en el entorno del pozo por los problemas que este tipo de flujo ocasiona. Si bien el concepto de Radio de Radio Crítico tiene un desarrollo matemático y conceptual complejo, puede expresarse en términos sencillos diciendo que cada metro de pared o empaque de grava tiene una limitada capacidad para transmitir agua que, si se excede, provoca un flujo turbulento. Por ejemplo si se desea explotar un Caudal de 100 l/s de un pozo de 12” de diámetro, habilitado en un acuífero cuyo análisis granulométrico indica que el tamaño 50% que pasa es de






Por lo tanto para extraer un caudal de 100 l/s, el largo mínimo de rejilla o ranurado debe ser 100 / 1.9 = 53 metros. Si en lugar de colocar la cantidad de metros calculada de rejilla o ranurado se coloca una Nominal creando pérdidas de carga turcantidad menor, el Radio Crítico excede el Radio el Radio Nominal creando bulentas en las inmediaciones del pozo. Estas pérdidas de carga adicionales y evitables afectan toda la vida del pozo incrementando los costos energéticos. Si, por ejemplo, se colocan solamente 40 metros de rejilla o ranurado, el Gasto Específico sería 2.5 l/s/m y el Radio Crítico resultante sería de 8”. En este caso el Radio Crítico sería superior al Radio Nominal, creándose flujo turbulento en el entorno al pozo que implicaría arrastre de partículas finas del acuífero las que pueden obstruir el empaque de grava que inicialmente puede haber quedado correctamente instalado.

Como conclusión, si se obtienen buenas muestras representativas del acuífero, se hacen los análisis granulométricos correctamente, además de poder hacer un correcto diseño del empaque de grava, conociendo el diámetro en que se considera habilitar el pozo, es dable estimar el Caudal que se puede explotar, sin exceder el Radio Crítico y, en consecuencia, no superar el Caudal Crítico. Referencias 1) Williams, Williams, D. E.: Modern Techniques in Well Design. Roscoe Moss Co. 2) Campillo, R.: Caudal www.aprchile.cl

Crítico

en

la

explotación

de

pozos

profundos.

3) Campillo, R.: Desarrollo de Pozos y Depresión Específica. www.aprchile.cl






Parámetros Críticos en el Diseño y Construcción de pozos: Tercera Parte Parámetro 3: Área de admisión y Velocidad de entrada del agua al pozo En el pasado se le dio una gran importancia al área abierta del elemento filtrante y se fijaron estándares que nadie cuestionó como que la velocidad de entrada del agua al pozo a través de la rejilla o ranurado, debía ser inferior a 3 cm./seg. Las razones para establecer esta velocidad límite nunca estuvieron claras, pero lo que estaba claro eran dos cosas: a) que para que se respetaran esas velocidades máximas, en muchos casos la única posibilidad era instalar rejillas, en esa época de muy alto precio y b) que pozos habilitados con ranurados y una mínima área abierta exhibían un comportamiento similar o superior al de las rejillas, pese a que el área de admisión del agua de estos últimos, era una mínima fracción de la de las rejillas. Investigaciones realizadas por diversos investigadores, principalmente por especialistas de la empresa Roscoe Moss Co. han demostrado que las creencias sobre cuya base se ha sustentado el diseño de pozos, carecían absolutamente de base científica, se basaban en experimentos que jamás se realizaron y/o en investigaciones “en curso” cuyos resultados nunca se publicaron y aún no se publican, pese a que han transcurrido 5 décadas desde que se mencionaron como fundamento técnico para hacer una serie de afirmaciones sobre diseño de pozos que la teoría y la práctica han demostrado eran absolutamente erróneas. El hecho práctico es que velocidad de entrada del agua al pozo no es un parámetro crítico de diseño y así queda demostrado en una serie de estudios que se citan en las Referencias al final de este artículo. En la siguiente figura, parte A, se muestra el resultado que obtuvo Williams D. tras una serie numerosa de experiencias en un modelo analógico en que se intentó evaluar el efecto que el área de admisión del elemento filtrante tenía sobre la Eficiencia de los pozos. Tal como se aprecia en dicha figura si el área abierta para la entrada del agua al pozo se sitúan entre 3 y 5%, no se logran mejorías de importancia en este parámetro si se la aumenta. Debe recordarse que algunos tipos de rejillas alcanzan un área abierta del orden del 30%. En la parte B de la misma figura se muestra la relación entre la Eficiencia de un pozo y la Velocidad de entrada del agua. Con velocidades de 60 a 120 cm./seg. Se alcanzan eficiencias tan altas como las que se pueden lograr con áreas de admisión superiores. Es más, debe tenerse presente que un factor crítico de diseño en los pozos de agua subterránea es el desarrollo. Mientras menor sea el área del elemento filtrante mayor será la canti-








alta eficiencia constructiva, debido precisamente a que el desarrollo era más enérgico que si utilizaban rejillas con un mayor área.

Referencias






Parámetros Críticos en el Diseño y Construcción de pozos: Cuarta Parte material de la rejilla o ranurado ranurado y de la tubeParámetro 4: Composición del material ría El dilema respecto de qué material elegir se plantea desde el punto de vista técnico solamente, ya que si se trata de construir un pozo barato, el material a elegir carece casi de importancia. Si se trata de elegir un material apropiado para que el pozo tenga una larga vida útil, siempre se debe elegir el mejor disponible. Y las razones son varias. La primera de ellas es que el agua subterránea puede ser corrosiva, neutra o incrustante. Si el agua es corrosiva el material que se emplee en habilitar el pozo debe ser resistente a este fenómeno. Si el agua es incrustante, el material de la habilitación debe ser resistente a los elementos físicos y químicos que se deberán aplicar para atacar y eliminar las incrustaciones. En el evento de que las aguas sean neutras, es decir, ni incrustantes ni corrosivas, debe tenerse presente que un fenómeno de normal ocurrencia el la formación de incrustaciones debidas a la presencia de bacterias de variado tipo las que obstruyen el pozo y que se deben eliminar, mediante procesos que requieren que el pozo esté construido con materiales apropiados a los tratamientos necesarios. Otro aspecto a considerar es que el elemento filtrante, se trate de rejilla o ranurado, debe ser de la misma composición que la cañería ciega, por cuanto si son diferentes, se generan corrientes eléctricas que atacan al elemento más débil,






tiempos sumergidos y fueron posteriormente sometidos a pruebas de laboratorio con análisis microscópicos detallados. Los resultados de dichas experiencias, únicas en el mundo del agua subterránea se resumen en la tabla siguiente. En la primera columna se aprecian los materiales más comúnmente usados en la construcción de pozos. En la segunda de indica la pérdida promedio medida de metal al año en milímetros. En la tercera se indica el Factor de Resistencia asignándole el valor 1 al Acero Dulce. En la cuarta columna el factor de Costo en que el valor 1 corresponde también al Acero Dulce. Finalmente Finalmente en la última columna se da el Factor Costo Total del pozo, el que es mayor mientras mejor es el material empleado. El empleo de Acero Inoxidable del Tipo 316 L, aumenta el costo total del pozo en un 33%, pero su Factor de Resistencia a la Corrosión es 472 superior. Se entiende que estos factores de costo expresan la estructura de costo de los pozos hechos en USA que es distinta a la de otros países.

Pérdida de Metal (mm/año)

Factor Resistencia a la Corrosión*

Factor Costo Acero*

Factor Costo Total del Pozo*

316 L inoxidable

0.0061

472 X

2.2 X

1.33 X

304 inoxidable

0.0118

244 X

2X

1.27 X

ASTM A 606 tipo 4

0.3131

9X

1.4 X

1.08 X

Tipo de Acero

Parámetros Críticos en el Diseño y Construcción de pozos: Primera Parte

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