Abastecimiento de agua pozos perforados

Ing. Mirtha Bravo Obando; Ing. Verónica Valentina Galo

OBRAS DE CAPTACION: POZOS PERFORADOS ABASTECIMIENTO DE AGUA

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INDICE

1. POZOS PERFORADOS ..................................................................................................................... 2

2. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO ............................................................................................... 3

3. CONVENIENCIA DE SU APLICACIÓN .............................................................................................. 4

4. CRITERIOS DE DISEÑO .................................................................................................................... 5

4.1. Periodo de Diseño ...................................................................................................................... 5

4.2. Profundidad del Pozo................................................................................................................. 5

4.3. Diámetro del pozo ..................................................................................................................... 5

4.4. Longitud, diámetro y material de Rejilla. .................................................................................. 6

4.4.1. Longitud de la Rejilla ............................................................................................................. 6

4.4.2. Diámetros de las rejillas: ....................................................................................................... 7

4.4.3. Material de la Rejilla ............................................................................................................. 8

4.5. Filtro de Grava ........................................................................................................................... 9

5. PROCEDIMIENTOS DE DISEÑOS ................................................................................................... 10

5.1. Búsqueda y análisis de Información para la determinación de la capacidad y calidad del

acuífero ................................................................................................................................................ 10

5.2. Investigaciones y trabajo de campo ........................................................................................ 10

6. BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................. 11

7. ANEXOS ....................................................................................................................................... 12

7.1. Esquema de pozo perforado .................................................................................................... 12

7.2. Áreas abiertas de rejillas Jonson del tipo telescópico ............................................................. 13

7.3. Metales de las rejillas y sus aplicaciones. ................................................................................ 14



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1. POZOS PERFORADOS

Un pozo es una estructura hidráulica que debidamente diseñada y construida permite efectuar la extracción económica de agua de una formación acuífera. Para tal fin, se necesita considerar los siguientes factores:

Una aplicación inteligente de los principios de la hidráulica en el análisis del pozo y del comportamiento del acuífero.

La destreza al perforar y construir los pozos lo que permite tomar ventaja de la condición geológica.

Una selección tal de los materiales que asegure una larga duración de la estructura.

El pozo perforado consiste en la abertura de un orificio de forma vertical, en general de forma cilíndrica y de diámetro mucho menor que la profundidad. El agua penetra a lo largo de las paredes creando un flujo de tipo radial.

El nivel de agua en el pozo de bombeo es más bajo que en cualquier otro lugar de la formación que rodea a este de manera que le agua se desplaza desde la formación hacia el pozo, tratando de reponer el volumen extraído por la bomba. La fuerza o presión que impulsa el agua hacia el pozo, la carga representada por la diferencia de niveles del agua dentro del pozo y en otro punto cualquiera fuera de aquel.

1.1 Elementos que componen el Pozo perforado.

Ademe del pozo: Es una tubería generalmente de acero, colocada con holgura dentro de

la perforación. Este componente proporciona una conexión directa entre la superficie y el



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acuífero, y sella el pozo de las aguas indeseables superficiales o poco profundas; además soporta las paredes el aguajero de perforación.

Tubería Ranurada (rejilla): Consiste en una tubería ranurada fabricada especialmente

para la captación del agua subterránea. La ranuración depende del tipo de material no consolidado tal como la arena, que se encuentre en el acuífero. La rejilla permite que el agua fluya libremente hacia el pozo desde la formación saturada, evitando que la arena penetre y además actúa como un retenedor estructural que estabiliza el agujero dentro del material consolidado.

Empaque de grava o filtro de grava: Proporciona una zona anular de alta permeabilidad, aumentando el radio efectivo del pozo y su gasto de explotación.( Ver anexo No.7.1 elementos de pozo perforado).

2. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

El funcionamiento de los pozos está basado en el principio de cómo el agua almacenada en

los materiales del acuífero es cedida por drenaje gravitacional.

La ley de Darcy, es la expresión que rige el principio básico que gobierna el flujo de agua

subterránea, y la misma relaciona la velocidad del flujo con las pérdidas de energía que tienen

lugar a lo largo de su recorrido. El análisis es aplicable a las condiciones de acuífero libre y

confinado.

Las conclusiones de Darcy, se pueden expresar asi:

En la cual V es la velocidad del agua, h la diferencia de cargas ente dos puntos separados por

una distancia igual a l, i es el gradiente hidráulico y k una constante que depende de las

características del acuífero.

Debe entenderse que al efectuarse la extracción del agua de un pozo, con equipo de bombeo,

ocurre un abatimiento de la superficie libre del agua dentro del ademe deteniéndose hasta

que ocurra un equilibrio con la aportación de los mantos acuíferos, esto provoca una

depresión llamada “cono de abatimiento” y el cual influye directamente sobre el caudal

extraído y la clase de material que rodea al pozo.

Curva de abatimiento

dhV K

dlV Ki



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3. CONVENIENCIA DE SU APLICACIÓN

Un cuerpo de agua subterránea presenta diversas ventajas con relación a los cuerpos superficiales ya que por el lado de la calidad del agua, la filtración natural del agua hace menos costoso el tratamiento que deba darse a esta para tornarla potable; por otro lado, un acuífero puede tener una gran extensión por lo cual podrá planearse la captación lo más cercana posible a la zona de demanda, ahorrando por tanto en costos de infraestructura para la fase de conducción del sistema de suministro

El potencial de un pozo se estima a partir de las características de los materiales que lo

alojan y también a través de pruebas de bombeo, en las cuales mediante el registro de

caudal de bombeo - abatimiento del nivel en el pozo, se obtienen los parámetros de

formación del medio filtrante como son: el coeficiente de permeabilidad y el de

almacenamiento, los cuales enmarcan el posible rendimiento del acuífero que se desea

explotar.



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4. CRITERIOS DE DISEÑO

4.1. Periodo de Diseño

20– 25 años: Fáciles de ampliar cuando el crecimiento y las tasas de interés son bajas, menor del 3% anual.

10 – 15 años: Cuando las tasas de crecimiento e interés son altas, mayor del 3% anual.

4.2. Profundidad del Pozo

La profundidad que se espera darle al pozo se determina por lo general mediante el registro de pozo de prueba, de los registros de otros pozos cercanos en el mimo acuífero o durante la perforación del pozo, por lo general el pozo se determina en el fondo del acuífero. Esto es de desear por las razones siguientes:

Se utilizan mayor espesor del acuífero como intervalo de captación del pozo lo que mejora su capacidad específica.

Puede obtenerse mayor abatimiento disponible, permitiendo al pozo erogar más caudal.

Una excepción a estas reglas serian:

Cuando se sitúa la rejilla centrándola entre las partes superiores e inferiores del acuífero, práctica que a veces se sigue para lograr un uso más eficiente de una cierta longitud de rejilla en un acuífero artesiano uniforme.

Cuando se encuentra agua de mala calidad en la parte inferior del acuífero, en tal caso el pozo deberá de completarse hasta una profundidad de excluya esa agua y obtener así la mejor calidad que se encuentre disponible.

4.3. Diámetro del pozo

El diámetro del pozo debe de escogerse de modo que satisfaga los siguientes requisitos:

El ademe debe de ser lo suficientemente amplio para que permita acomodar la bomba con la tolerancia adecuada para su instalación y funcionamiento.

El diámetro del intervalo de captación del pozo debe ser tal que garanticen una buena eficiencia hidráulica del mismo. Al escogerse el diámetro del pozo el factor que gobierna es el tamaño de la bomba que va a necesitarse para la descarga deseada o potencial del pozo.

El diámetro de ademe deberá ser dos números mayor que el diámetro nominal de la bomba, y bajo ninguna circunstancia deberá escoger un diámetro menor de por lo menos un numero



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más grande que los tazones de la bomba. En la tabla siguiente se muestran los tamaños de ademe que se recomiendan:

Diámetros recomendados de pozos

Producción Prevista del

Pozo (m3/min)

Diámetro nominal de los tazones

de la bomba

(cm)

Diámetro optimo del ademe del pozo (cm)

Mínimo diámetro de ademe

(cm)

menos de 0.4

10 15 ID 1 12.5 ID

0.3 - 0.7 12.5 20 ID 15 ID

0.6 - 1.5 15 25 ID 20 ID

1.3 - 2.5 20 30 ID 25 ID

2.3 - 3.4 25 35 OD 2 30 OD

3.2 - 5.0 30 40 OD 35 OD

4.5 - 6.8 35 50 OD 40 OD

6.0 -12.0 40 60 OD 50 OD

Si el ademe de la tabla se escoge de acuerdo a la tabla anterior, existirá una luz adecuada para la instalación de la turbina vertical; el eje de la misma constituirá la plomada y no se forzara la bomba, aunque el ademe se halle ligeramente fuera de la línea y no exactamente a plomo. Esta luz o tolerancia es plenamente adecuada para bombas sumergibles. Asimismo, si la bomba se emplaza por debajo de alguna sección enrejillada, habrá suficiente área alrededor de los tazones como para permitir que el agua pase hacia abajo hasta la captación de la bomba como un mínimo de la perdida.

4.4. Longitud, diámetro y material de Rejilla.

4.4.1. Longitud de la Rejilla La longitud óptima de rejilla debe de escogerse con relación al espesor de acuífero, abatimiento disponible y estratigrafía de la formación. Las reglas que siguen se pueden aplicar a cuatro situaciones:

Acuíferos artesianos homogéneos: En este tipo de acuíferos, deberá enrejillados de un 70 a un 80 por ciento del espesor del material acuífero, suponiendo que el nivel del agua no descienda por debajo del techo de este.

Si el acuífero tiene menos de unos 8 metros de espesor, es suficiente con enrejillar el 70 por ciento.

1 ID Diámetro interior

2 OD Diámetro exterior



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Si su espesor se halla comprendido entre 8 y 15 metros, deberá colocarse rejilla en un 75 por ciento de este.

Si es mayor de 15 metros deberá de enrejillarse no menos del 80 por ciento.

Las longitudes de rejillas indicadas harán posibles captar alrededor del 90 por ciento o más de la máxima capacidad específica que se podría obtener al enrrejillar todo el acuífero.

Acuíferos artesianos heterogéneos: en este tipo de formación acuífera lo mejor es enrejillar el estrato más permeable.

La definición del estrato más permeable puede definirse con algunas de las siguientes pruebas:

Se realizan pruebas de permeabilidad de las muestras que representan los estratos respectivos de la formación acuífera.

Se realizan análisis granulométricos de aquellas muestras que representan los correspondientes estratos de la formación, mediante una comparación de las curvas granulométricas, se deducen la permeabilidad relativa de cada muestra.

Se hacen luego una inspección visual y una comparación, de los materiales que representan cada estrato. La permeabilidad relativa de cada uno se estima mediante una apreciación de la bastedad limpieza (ausencia de limo y arcilla) del material.

Acuíferos freáticos homogéneos: tanto la teoría como la experiencia han demostrado que al enrejillar el tercio inferior del acuífero se obtiene el mejor diseño para esta condición, sin embargo se pueden enrejillar la mitad inferior del acuífero para obtener una mayor capacidad especifica.

En los pozos de nivel freático, la selección de rejillas presenta una alternativa con dos factores:

Se obtienen la mayor capacidad específica cuando se usan la mayor longitud de tubería posible.

Se obtiene mayor abatimiento disponible si se utilizan la menor longitud posible de rejilla.

4.4.2. Diámetros de las rejillas: El diámetro de la rejilla se escoge de manera que se cumpla el principio básico de proveer suficiente área de entrada para que la velocidad de acceso del agua al pozo no exceda de un cierto valor estipulado. Por pruebas de laboratorios y por pruebas de campo se ha determinado que si la velocidad de entrada a través de la rejilla es menor o igual a 3 cm/seg, se obtendrán los siguientes resultados:

La pérdida por fricción en las aberturas será de un valor despreciable La velocidad de incrustación será mínima La velocidad de corrosión será también mínima



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La velocidad se calcula dividiendo la descarga deseada o que se espera obtener por el área total abierta de las ranuras de la rejilla. Si la cifra que se obtiene es mayor que 3 cm/s, se deberá aumentar el diámetro de la rejilla de modo que se provea suficiente área abierta y la velocidad se aproxime a lo indicado.

Si la velocidad calculada de esa manera es menor, (1.5 cm/s), se podrá entonces reducir el diámetro de la rejilla en cierta proporción. Se tiene que garantizar que el diámetro de la rejilla sea tan grande como se pueda, para mantener el valor de la velocidad de entrada por debajo del valor límite de 3 cm/s.

Se supone que la bomba se colocará sobre la rejilla y que las pérdidas de carga relacionadas con el flujo vertical ascendente del agua a través de la rejilla son pequeñas.

La mayor parte de los fabricantes de las rejillas suministran tablas que indican el área abierta por metro de cada tamaño de ésta y para diversos anchos de ranuras. En el anexo 7.2 se muestran los ejemplos para cada ancho de rejilla.

4.4.3. Material de la Rejilla

El material de la rejilla debe ser seleccionado según:

Contenido mineral del agua. Presencia de jaleas bacterianas. Requisitos de resistencia de la rejilla. Mediante análisis de químicos del agua se puede determinar si el agua es corrosiva o

incrustante. El agua corrosiva causa la corrosión de la rejilla y esta a su vez, falla o deterioro del pozo,

invasión de una excesiva cantidad de arena en el pozo. Por lo anterior se hace necesario utilizar un material que evite la corrosión.

El agua incrustante ostenta estas características por la tendencia a depositar minerales en la superficie de la rejilla y en los poros de la formación cercana a estas. Tales disposiciones obstruyen las aberturas de las rejillas. El agua corrosiva puede estar determinada por los siguientes índices:

Valor bajo de pH. Si este es menor que 7 el agua es ácida y existen condiciones de corrosividad.

Oxígeno disuelto. Si este excede de 2 ppm, el agua es corrosiva. El oxígeno disuelto se encuentra de preferencia en los pozos freáticos someros.

Sulfuro de hidrógeno. Su presencia puede establecerse por su olor característico a huevo podrido. Concentraciones de 1 ppm pueden causar corrosión severa.

Sólidos disueltos totales. Si el contenido mineral disuelto excede de 1000 ppm la conductividad eléctrica del agua es suficientemente alta como para causar corrosión electrolítica. Para evitar esto utilizar rejillas de un solo metal.

Dióxido de carbono. Si la presencia de este gas excede de 50 ppm, el agua es corrosiva.



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Cloruros. Si el contenido sobrepasa de 50 ppm, el agua es corrosiva. Agua incrustante. El agua con esta característica tiene tendencia a depositar minerales en

la superficie de la rejilla y en los poros de las formaciones cercanos a ellos. Se obstruyen las formaciones de la rejilla. El agua incrustante puede estar determinada por los siguientes índices:

Alto valor de pH, por encima de 7.5. Dureza de carbonatos, si excede de 300 ppm se formaran costras de cal. Hierro. Si su contenido sobrepasa las 2.0 ppm Las rejillas de pozos con agua de estas características deben ser construidas con metales

resistentes que soportan la acción corrosiva. Los materiales más comunes son Everdur y acero inoxidable 304.

La bacteria denominada bacteria ferruginosa, presente en algunas aguas, es un organismo molesto que causa obstrucción de los poros de la formación acuífera y de las aberturas de una rejilla.

Estas bacterias produce material pegajoso de consistencia viscosa causando oxidación y precipitación de hierro disuelto y manganeso. Debido al efecto combinado de la proliferación de los microorganismos y minerales precipitados en un corto tiempo se produce la obstrucción casi completa del pozo. ( ver anexo No.7.3 metales de las rejillas de pozos y sus aplicaciones)

4.5. Filtro de Grava

Los filtros de grava y su diseño dependen de las condiciones geológicas que existen en la formación inmediata al pozo, y el propósito del mismo es retener todo el material de la formación.

Se deberán diseñar los espesores, basados en el análisis granulométrico de los materiales más finos que componen el acuífero, y se deberán construir todas las curvas granulométricas de todos los estratos que componen el acuífero.

Debe multiplicarse el tamaño de arena correspondiente al 70% de retención, por un factor que va desde 4 hasta 6, usando un factor de 4 como multiplicador si la formación es fina y uniforme, usando 6 si esta es más gruesa y no uniforme.

El límite máximo para el espesor del filtro de grava debe ser como máximo 20 cms.



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5. PROCEDIMIENTOS DE DISEÑOS

5.1. Búsqueda y análisis de Información para la determinación de la capacidad y calidad del acuífero

Para el diseño de Pozos profundos se debe contar con la siguiente información Geológica y estratigráfica.

Tipo de formaciones geológicas presentes en el área de investigación Características físicas de los acuíferos (magnitud, espesor, límites, permeabilidad,

rendimiento específico, permeabilidad de los acuíferos adjuntos, coeficiente de almacenamiento, etc).

Hidrológico: Nivel piezométrico para el cual es necesario conocer la profundidad y los cambios de altura de las capas freáticas.

Precipitación anual, escorrentía y posibles recargas al sub-suelo, pérdidas por evaporación, transpiración y descargas de aguas subterráneas.

Calidad del agua: Características minerales del agua de cada acuífero.

5.2. Investigaciones y trabajo de campo

Para Obtener la información mencionada se deben realizar las siguientes investigaciones:

Investigación Geológica Para evaluar la fuente se utiliza la información geológica disponible, (en Nicaragua normalmente INETER administra dicha información) conjuntamente con la información geológica que se obtiene en el reconocimiento de campo. Tales informaciones son interpretadas por un experto en el campo de la hidrogeología quien define de esta forma las formaciones existentes y las características de los acuíferos.

Inventario de Pozos. Se debe hacer una investigación de los pozos que existan en la zona, de fotografías aéreas y planos geológicos para hacer un avalúo tentativo, a fin de determinar las condiciones de los acuíferos utilizables. Los planos de suelos y fuentes superficiales que hayan sido preparados en base a las fotografías aéreas, pueden ser utilizados para localizar acuíferos poco profundos.

Otro tipo de Investigaciones En caso de que las investigaciones anteriores resulten insuficientes para determinar la presencia y características de un acuífero se podrá realizar también cualquier de las siguientes investigaciones:



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Investigación geofísica Método de refracción sísmica: Este método no es adaptable a zonas pequeñas, debido a la interferencia de vibraciones.

Revisión de la Oferta y Demanda de Agua

Una vez revisada la capacidad de producción, recarga y demás características físicas del acuífero, incluyendo su posible calidad físico – química, se deberá revisar que la capacidad de producción del pozo sea la suficiente para cubrir la demanda de agua requerida.

5.3. Dimensionamiento o Diseño Preliminar Una vez definida las características del acuífero y conocida la capacidad de bomba requerida se podrá proceder al cálculo del diámetro del pozo, longitud de la tubería ciega y ranurada, selección del tipo, diámetro y material de las rejillas y el dimensionamiento del filtro de grava de acuerdo a los criterios de diseño mencionados. Se debe mencionar sin embargo que el dimensionamiento final de estos elementos se definirá al momento de la perforación, la cual incluirá el registro de los materiales litológicos a partir de los cuales se establecerá las longitudes de tubería y demás criterios.

6. BIBLIOGRAFIA

MSc. Ing. Yalena Navarro Cajina. Asignatura de abastecimiento de agua. Centro de investigación y estudios en medio ambiente. CIEMA UNI. Managua. 2001.

Valdez E.C. Abastecimiento de agua potable. Volumen I. UNAM. México. 1994.

E.E. Johnson, INC. El agua Subterranea y los pozos. Primera edición Minnesota. 1975.



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7. ANEXOS

7.1. Esquema de pozo perforado



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7.2. Áreas abiertas de rejillas Jonson del tipo telescópico

Diámetro de la rejilla en pulgadas

Área de captación por pie lineal en pulgadas cuadradas

Abertura No.10

Abertura No.20

Abertura No.40

Abertura No.60

Abertura No.80

Abertura No.100

Abertura

No.150

3 10 19 32 42 43 55 65

4 14 26 44 57 58 74 88

5 18 33 55 72 73 94 112

6 21 39 65 85 87 111 132

8 28 51 87 113 116 131 160

10 36 65 110 143 147 166 203

12 42 77 130 170 174 180 223

14 38 71 123 163 177 198 251

15 39 76 132 175 190 217 268

16 35 69 123 164 171 198 250

18 39 78 139 186 193 224 283

20 47 88 156 209 218 252 318

24 46 87 158 217 266 307 389

26 49 91 166 227 278 321 406

30 57 108 192 268 239 379 480

36 65 124 224 307 376 434 550



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7.3. Metales de las rejillas y sus aplicaciones.

METAL

ALEACIÓN

COMPOSICIÓN

NOMINAL

APLICACIONES SUGERIDAS

Monel 70% Níquel 30% cobre

Alto cloruro de sodio combinado con oxigeno disuelto, como en el agua del mar. No se necesita por general agua subterránea potable

Acero inoxidable

74% acero 18% cromo 8% níquel

Sulfuro de hidrogeno. Oxigeno disuelto. Dióxido de carbono. Bacterias ferrosas. Excelente resistencia

Everdur 96% cobre 3% sílice

1% manganeso

Alta dureza Total, Alto cloruro de sodio en ausencia de oxigeno disuelto. Alto contenido de hierro. Extremadamente resistente a los tratamientos con ácidos.

Bronce rojo al silicio

83% cobre 16% zinc 1% sílice

Usado para las mismas condiciones de Everdur, pero inferior y no tan resistente. Se usan para guas no muy activas.

Hierro armaco 99.84% hierro puro (doblemente galvanizado)

No es resistente a la corrosión, pero actúa satisfactoriamente en varias aéreas. Se utilizan en pozos para riegos, en donde las aguas son relativamente neutras.

Acero 99.35/99.72 hierro 0.09/0.15 carbono 0.20/0.50 manganeso (doble galvanización)

No es resistente a la corrosión. Por lo general se usa en pozos no permanentes, tales como de prueba o pozos para desecación. Alcanzan una vida útil satisfactoria, especialmente si el agua no es corrosiva o incrustante.

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