ANEXO 7: ESPECIFICACIONES ESPECIFICA CIONES PRUEBA S HIDROGEOLOGICAS HIDROGEOLOGICA S E INSTALA INSTA LA CION DE SENSORES, CON FINES GEOTECNICOS 1. ESPECIFIC ESPECIFICACIONES ACIONES PRUEBAS PRUEBAS DE PERMEABIL PERMEABILIDAD IDAD MEDIANTE MEDIANTE PACKER TEST O LUGEON EN SONDAJES HIDROGEOLOGICOS DE SUPERFICIE En adelante se detallará las actividades necesarias para ejecutar adecuadamente este tipo de prueba para la determinación de conductividad hidráulica de las unidades hidrogeológicas del proyecto MMH Profundo.
1.1 PREPARACION DEL ENSAYO Después de la identificación de las zonas para los ensayos de packer test durante la perforación, será necesario preparar el sondaje para los ensayos. En el caso de inestabilidad de las paredes, se perforan los sondajes con polímero para mantener estable las paredes y para ayudar a remover finos. Esta situación debe ser concordada expresamente con el personal de control técnico. El polímero puede reducir significativamente la permeabilidad de las fracturas durante los ensayos, por lo que será necesario desplazarlo antes que se efectúen los ensayos. La degradación del lodo con hipoclorito se puede realizar de dos maneras:
1) Inyección de hipoclorito en todo el pozo con un tiempo de reposo de por lo menos tres horas.
2) Inyección de hipoclorito y solución de hipoclorito exclusivamente en la cámara a ser probada con el packer. El problema que presenta el primer procedimiento es que el hipoclorito destruye el polímero adosado a la pared de todo el pozo, esta situación podría ser perjudicial o fatal para la estabilidad del mismo. La ventaja que presenta el procedimiento 2, es que el hipoclorito destruye el polímero que se encuentra sólo en la cámara, no afectando la columna de perforación restante. Además, dado que la metodología propuesta considera inyectar en una primera carga, hipoclorito concentrado, con una hora y media bastará para degradar los polímeros presentes en las paredes de la cámara. Si durante el avance de la perforación, se identifica una zona apta para un ensayo de packer se debe aplicar el procedimiento siguiente: 1) Se detiene la perforación. 2) Se inyecta agua para el desplazamiento o evacuación del polímero hasta que el retorno sea agua relativamente cristalina o con una turbidez baja y libre de polímero. 3) Degradación de lodo con hipoclorito. Para no desarmar el revestimiento con polímeros en todo el pozo, sólo se aplicará un proceso de degradación del lodo en la cámara de ensayo del packer.
4) Se levantan las barras hasta la profundidad indicada por el supervisor responsable de las pruebas. 5) Se baja el packer hasta que este se apoye en la corona. 6) Se estima el volumen de hipoclorito puro. 7) Se estima el volumen de agua a desplazar con la solución de agua - hipoclorito. 8) Aprovechando la fuerza de gravedad, agregar el volumen de hipoclorito calculado para el interior de la barra HQ (sin la bomba). 9) Con el dato de volumen de agua a desplazar, calcular los litros de agua y de hipoclorito para preparar la solución. 10) Se prepara la solución de hipoclorito - agua requerida para desplazar el agua del interior de la tubería HQ. 11) Con la bomba centrífuga, el packer desinflado y con la empaquetadura cerrada, se deberá inyectar la solución de hipoclorito para desplazar el hipoclorito puro hacia la cámara (0.5 litros * segundo). 12) Con el flujómetro se controlará el volumen ingresado. Se deberá detener la inyección de solución, cuando se alcance el volumen requ erido para desplazar el agua del interior de la barra HQ. 13) Inmediatamente después se deberá inflar el packer. 14) Con el packer inflado, para desplazar la solución de hipoclorito hacia la cámara, y utilizando la bomba centrífuga, se deberá inyectar agua con la presión de inyección mínima correspondiente al 50 %, de la presión máxima del test de packer. Es conveniente mantener la presión por 20 minutos para después, cerrar la válvula y apagar la bomba centrífuga. 15) Reposo de 70 minutos (más los 20 minutos anteriores se tendrá 1.5 horas de reposo). 16) Se desinfla el packer. 17) Se desplaza y diluye con agua la solución de hipoclorito calculando 1.2 veces el volumen total de agua contenida en el pozo. El agua se inyectará con la bomba centrífuga (con la empaquetadura puesta).
1.2 PROCEDIMIENTO PARA EL ENSAYO La zona para el ensayo de packer se seleccionará en base al mapeo geológico, geotécnico e hidrogeológico de los testigos obtenidos. Se debe realizar el mapeo en tiempo real para facilitar la identificación de las zonas para ensayos durante la perforación.
Se seleccionan las zonas para los ensayos con uno o más del siguiente criterio: • Zonas de falla bajo el nivel freático estimado. • Zonas de fracturas importantes (frecuencia de fracturas altas y RQD bajo) bajo en nivel freático estimado. • Cambios en la alteración o tipo de roca. • Cambios en la unidad hidrogeológica (cambios significativos en RQD o frecuencia de fracturas) • Roca Masiva. La configuración típica de un ensayo de packer se puede apreciar en la Figura 6.1. El ensayo se realiza en la siguiente forma: 1) Se levantan las barras de perforación a 1.5 m (que corresponde a la altura del packer) encima de la zona del ensayo. Se baja el packer dentro de las barras con el wireline. Cuando el packer llega al fondo se puede escuchar un sonido metálico (‘clink’). que indica que el packer está en la posición correcta. 2) Se limpia la zona con hipoclorito según el procedimiento del punto 1.1. 3) Se infla el packer con gas nitrógeno. Las presiones de inflado, en general varían entre 250 y 450 psi. No se debe inflar el packer mas que la presión recomendada por el fabricante. 4) Terminada esta operación se deberá medir el nivel del agua por el interior de las barras, y la altura del manómetro sobre el suelo. 5) Se rellenan las barras con agua y se instala de la empaquetadura de sello de las barras (discos de goma y metal). 6) Se aprieta la empaquetadura al mismo tiempo en forma lenta se inyecta agua dentro las barras, se debe eliminar todo el aire dentro las barras antes sellar la empaquetadura completamente. Cualquier aire que se queda dentro el sistema se elimina con una válvula. 7) Las presiones máximas de las pruebas de packer serán estimadas según la profundidad vertical entre la superficie y el tramo superior de la prueba multiplicado por 1.64 (factor de conversión de metro a psi). Para ensayos bajo 50 m se aplica un factor de seguridad de 25%, y la presión máximo se reduce por 25%.
Manguera para el inflado de los packers conectada a un estanque con nitrógeno comprimido y regulador de presión
Caja de empaquetaduras
Manómetro
hp
Flujómetro en línea Válvula de Guillotina
Cable "Wirelines"
Manguera para la inyección de agua
hg
Nota: Presión de inyección= hp+hg+hw-hf, donde hf= pérdida de carga debido al flujo del fluído Barras de perforación
Packer para sellar la tubería
hw
Nivel estático del agua en el tramo de ensayo
Packer superior
Pared del sondaje
Tramo de ensayo (entre los packers o entre el packer superior y el fondo del sondaje)
Figura 1.1. Configuración típica de un ensayo de packer.
8) Por ejemplo si el packer inferior esta posicionado en 100 m la presión máxima será 100 x 1.64 = 164 psi, luego aplicamos un factor de seguridad de 25%, obteniéndose la presión de inyección máxima de 123 psi (164 psi por 0.75 = 123 psi). 9) Abajo los 100 m se aplican presiones de 60, 90, 120 psi, en todas las pruebas.
10) La prueba consiste de 5 etapas de 50%, 75% 100%, 75% y 50% de la presión máxima. Ejemplo: si la presión máxima estimada es 123 psi, las presiones de la prueba serán 61, 92, 123, 91 y 61. 11) Entonces en la etapa 1, se inyecta agua con una presión manométrica de 61 psi, la inyección de agua es controlada exclusivamente por la presión. Durante cada etapa, se deben lograr lecturas de presión relativamente constantes. 12) La prueba y registro de datos empieza cuando la presión esta constante y no antes. Cada etapa tiene una duración de aprox. 10 minutos. Durante este periodo, las lecturas se harán cada 2 minutos (presión y caudal de inyección). 13) Terminada la etapa, se deberá aumentar el caudal hasta la presión de la etapa 2 (75% de la presión máxima, por ejemplo 92 psi). Se deberá repetir el procedimiento tomando mediciones de presión y caudal durante 10 minutos (5 lecturas cada 2 minutos). 14) Se deberá repetir este procedimiento hasta completar las tres etapas faltantes (100%, 75% 50%) con lecturas con la frecuencia indicada, después de obtenida la estabilización de la presión. La prueba completa debiera durar aproximadamente una hora. 15) Se desinfla y se saca el packer para seguir perforando.
2. ESPECIFICACIONES PARA HABILITACIÒN DE PIEZÓMETROS CON SENSORES DE CUERDA VIBRANTE SONDAJES HIDROGEOLOGICOS DE SUPERFICIE Como se mencionara con anterioridad, las perforaciones diamantinas hidrogeológicas de superficie tienen como objetivo la realización de pruebas de packer (especificaciones detalladas en el apartado anterior) a lo largo de la perforación de estos pozos y la habilitación de los mismos como piezómetros con instalación de sensores de cuerda vibrante. En adelante se describirá el procedimiento para esta habilitación, según diseño propuesto en la Figura 2.1.
2.1 HABILITACIÓN PIEZÓMETRO CON LECHADA CEMENTO – BENTONITA Una instalación piezómetrica debe satisfacer dos criterio bá sicos: • La presión medida debe ser suficientemente cercana a la presión de poros en la zona de la instalación, y • El piezómetro debe equilibrarse rápidamente con la presión de poros de la formación geológica. La instalación convencional con un empaque de grava y sellos de cemento-bentonita satisfacen los requisitos mencionados. Sin embargo instalaciones con lechada de cemento-bentonita (‘grouted-in’) puede no solamente satisfacer los requisitos mencionados, si no que además requiere de un menor tiempo para equilibrarse
(McKenna, 1995), por lo que en la práctica este tipo de habilitación a mostrado ser eficiente, razón por la cual será utilizada en la habilitación de los piezómetros propuestos.
Cable Sensores 0.00 m
Base Cemento
Casing HW
Sellado Completo "Grouted-in"
Lechada Mezcla de Cemento-Bentonita Perforación HQ3
180 m Sensor Somero
240 m Sensor Profundo 250 m
Figur a 2.1. Configuración habilitación piezómetros de superficie con lechada de cementobentonita.
2.2 SELECCIÓN DE LA ZONA PARA LA INSTALACIÓN DE SENSORES CV Cada piezómetro de superficie tiene un objetivo, el que se corroborará con el levantamiento geotécnico e hidrogeológico que se haga del sondaje, previo a la definición de las profundidades de instalación de los sensores. De igual forma, las zonas para la instalación de los sensores de cuerda vibrante se seleccionarán en base a los siguientes criterios generales: • Zonas de fallas o fracturas significativas. • Diferente alteración o tipos de rocas (unidad hidrogeológica). • Cambios significativos en el régimen hidrogeológico, es decir, cambios en el RQD o la frecuencia de fracturas.
2.3 PROCEDIMIENTO DE INSTALACION DE SENSORES Para la instalación de los sensores al interior de la perforación se recomienda seguir las siguientes etapas:
1) Una vez terminada la perforación del pozo, las barras HQ3 serán sacadas y reingresadas con una zapata en el pozo (cumplirán la función de un casing). La posición de las barras dependerá de las condiciones de estabilidad del sondaje.
2) Se ingresará la guía de acero de ¾ ” con los sensores y cables fijados. 3) Si se apoya la guía en el fondo del pozo, debe ser el menor tiempo posible y si es solamente necesario. Esta operación puede generar peso en la guía, con la consecuente deformación y potencial quiebre de la misma.
4) Se cortan los cables y se identifica cada sensor con el número de serie y se verifica las lecturas de cada sensor.
5) Las barras HQ serán posicionadas según las condiciones de estabilidad del sondaje y luego se bajará el tremmie para la inyección.
2.4 PREPARACIÓN E INYECCIÓN DE MEZCLA DE LECHADA Para sellar los piezómetros con sensores de cuerda vibrante, se debe calcular el volumen de mezcla de lechada requerido hasta la profundidad de perforación efectuada según el diseño. Para esta actividad se deben seguir las siguientes recomendaciones:
1) Se debe reducir el volumen total estimado de lechada que se mezclará en un 25%, esto por considerar la adicción de agua a la mezcla durante el proceso de inyección con el fin de mantener la consistencia.
2) La lechada debe mezclarse en estanques de 2.000 litros.
Para dar mayor flexibilidad a la lechada se recomienda considerar la siguiente razón de mezcla que tiene una conductividad hidráulica estimada de 10 -9. • 1 saco de cemento equivalente a 42.6 kilogramos. • 4.3 kilogramos de bentonita en polvo. • 42 litros de agua. Luego para preparar de la mezcla de lechada se siguen los siguientes pasos detallados a continuación: 1) El estanque donde se preparará la mezcla debe llenarse a un 75 % de la capacidad máxima con agua. 2) Deberán agregarse lentamente 1 o mas sacos de cemento al estanque. 3) Cada saco de cemento debe vaciarse lentamente a través del mezclador hidráulico en el estanque. 4) Simultáneamente debe agregarse muy lentamente el polvo de bentonita al estanque. 5) El fondo del estanque debe revisarse regularmente para verificar que no haya acumulación de grumos. 6) Una vez que se ha agregado la bentonita, la lechada debe mezclarse hasta que este completamente homogénea y sin grumos. 7) Una vez que la mezcla esta lista y libre de grumos, debe ser inyectada. 8) Debe tomarse una muestra de lechada al comienzo y al final de la inyección para permitir la estimación del tiempo requerido para que fragüe la lechada esta se debe depositar en uno de los estanques de agua para ir chequeando su consistencia en el tiempo. 9) Durante la inyección, el agua/lodo existente en el sondaje será desplazado por la lechada y fluirá hacia fuera de la parte superior del sondaje. Finalmente, para la inyección de la lechada se recomienda efectuar las siguientes actividades: 1) El contratista preparará la lechada según dosis de agua-cemento-bentonita, recomendada y deberá aplicar los procedimientos adecuados para garantizar la correcta preparación y viscosidad de la mezcla. 2) El procedimiento de inyección de la lechada es clave en la habilitación de estos pozos y se debe realizar con rigurosidad extrema. 3) Se deberá calcular el volumen de lechada que quedará en una primera etapa de relleno, en el interior de la tremmie con las barras HQ ubicadas en la posición indicada, y con la tremmie a 2 m por encima del sensor más profundo, se deberá
inyectar la lechada que debe tener una viscosidad adecuada (se debe formar un embudo en la mezcladora). 4) Antes de la inyección de lechada cemento bentonita se debe tener calculado el volumen de la zona para tener claro la cantidad de lechada que se debe preparar, es importante saber cuales son las características físicas del pozo a lechar. Esto tiene que ver con la presencia de zonas de sobre excavación u otras que tengan volúmenes diferentes de inyección. 5) Durante el procedimiento de inyección se deberá controlar el volumen inyectado con una vara marcada y paralelamente se deberá controlar el tiempo de inyección, si hay diferencias entonces se debe usar como patrón la medición con la vara (las mediciones de caudal con la bomba pueden estar afectadas por varios factores). 6) Generalmente, con este procedimiento, parte importante o el 100 % de la lechada va a estar en el interior de la tremmie, por lo que se requiere desplazar la lechada con la inyección de un volumen medido de agua inyectada con la bomba. 7) Se inyecta el volumen requerido de agua para desplazar la lechada, entonces se deberá extraer la tremmie necesaria hasta quedar 6 m por encima de la lechada. 8) Si las barras HQ extraídas no son suficientes para completar el nivel de lechada esperado, se deberá sacar, la batería de tremmie, y extraer más barras HQ (máximo 3 colleras), y repetir este procedimiento hasta completar el nivel deseado. 9) Inyección de agua a bajo caudal para limpiar la batería de tremmie. 10) Se deja el sondaje en reposo de fragüe. 11) Para tener claro que la lechada cemento bentonita a fraguado, se deben sacar muestras las cuales se dejaran al momento de realizarlas saturadas en agua en el interior de los estanques. 12) Chequeo de fraguado con la tremmie, en general va a ser difícil que se identifique el nivel de fraguado, esta se realizará con la plomada y solo si es necesario se chequeara con las tremmie. 13) La inyección debe continuarse hasta el fondo de instalación del sensor somero (piso de este) o hasta el contacto del casing HW, segun sea el caso. 14) Una vez que el sondaje está lleno será necesario esperar algunas horas y rellenar el sondaje con lechada si la lechada se empieza bajar, después puede retirarse del sitio el equipo de perforación. 15) Luego de terminar la habilitación del pozo se debe realizar inmediatamente la base de cemento para el pozo e instalar el letrero de advertencia.
En general, si la mezcla de lechada se espesa demasiado durante la inyección, puede bloquearse la tubería para la lechada impidiendo proseguir con la inyección. En este
caso, debe bombearse agua en el sondaje para intentar reducir la consistencia de la mezcla. En algunos casos si se requieren dos estanques de 2000 litros de lechada, deben prepararse simultáneamente para permitir una velocidad de inyección continua e impedir que la lechada comience a fragüar debido a un retraso entre la inyección de los lotes.
