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ACONDICIONAMIENTO DEL TALADRO PARA CONVERTIRLO EN POZO DE PRODUCCIÓN DE AGUA

8.9. ENTUBACIONES

Introducción

Una vez finalizado el taladro deberán realizarse una serie de tareas para habilitarlo como un pozo de extracción de agua que comienzan con la elaboración del diseño constructivo del pozo. En función de dicho diseño se procederá a la entubación y cementación del pozo y, según sean las características del acuífero, a la colocación de rejillas y prefiltros. El diseño constructivo del pozo se debe realizar analizando conjuntamente una serie de datos obtenidos durante las tareas de perforación, tales como los resultados de las diversas diagrafías realizadas, el perfil litológico del subsuelo, la velocidad de avance y la granulometría del estrato acuífero. 8.9.1. Finalidad de la entubación y aspectos generales Las tareas de entubación pueden ser necesarias durante la ejecución del taladro cuando existe la posibilidad de derrumbamiento de las paredes, produciéndose enganches o bloqueos de la herramienta de perforación. Se les denomina tubería de maniobra y su uso es más frecuente cuando el método de perforación es el de percusión, siendo de interés extraerla del taladro después de finalizada la obra. También se utiliza esta tubería provisional para conocer los caudales parciales de los diversos acuíferos atravesados en un mismo taladro o bien para aislarlos hidráulicamente previniendo la contaminación entre ellos. La tubería puede ser toda de un mismo diámetro o de diámetros decrecientes en profundidad, esta última se denomina tubería telescópica. Su uso permite aislar durante las tareas de perforación tramos con tendencia a desmoronarse, ya sea por alteración de la roca o por la abundancia de agua, continuando el taladro sin riesgos de caídas de sus paredes. El uso de tubería telescópica debe planificarse previamente a la ejecución del taladro, con el objetivo de que las sucesivas reducciones de diámetro permitan alcanzar la profundidad prevista. Para ello es importante obtener información del subsuelo, ya sea por métodos directos (sondeos mecánicos, cartografía geológica, etc.) o métodos indirectos como la prospección geofísica.


En acuíferos fracturados con bajo grado de alteración de la roca, se suelen entubar solamente los primeros 10 o 12 m del taladro con el objetivo de impedir infiltraciones superficiales que pudieran contaminar el pozo. La herencia de la tecnología petrolera ha supuesto un gran avance en los diseños constructivos de pozos de producción de agua, no obstante, la similitud entre ambos tipos de pozos finaliza con la perforación del agujero del taladro. Los métodos y materiales usados en la construcción de pozos de petróleo, sin ser contraindicados resultan sobredimensionados, excesivamente costosos e inadecuados en la construcción de pozos de agua. Las especificaciones API respecto a las características de los tubos de revestimiento del taladro, es decir: − Altas prestaciones resistentes y anticorrosivas − Roscados − Sin costuras − Aceros especiales son superfluas en pozos de agua ya que éstos son menos profundos, los tubos pesan mucho más, existen dificultades de roscado en los tubos metálicos por encima de las 12” de diámetro, los tubos son más caros y no existe peligro de incendio que impida la soldadura autógena Por las anteriores razones en la entubación de pozos de agua se utilizan tuberías metálicas de chapa de acero naval con bajo contenido en carbono para que sean fácilmente soldables o bien tubos de PVC, roscados o no, siempre que toleren la presión exterior. En los tubos metálicos conviene que sus extremos estén refrentados al torno y biselados para permitir la instalación de la soldadura a tope.

8.9.2. Selección de la entubación

El material y el diámetro de los tubos a utilizar dependerán de factores geológicos, económicos y de los requerimientos de caudal de agua a extraer de la perforación. Debe tenerse en cuenta que el diámetro de la cámara de bombeo condicionará el tamaño de la bomba y las pérdidas de carga producidas por bombeo (Tabla 8.9.1), influyendo también la profundidad a la cual deba colocarse la bomba debido a los problemas que involucran la verticalidad y alineación del pozo. El diámetro de la tubería será como


mínimo el de la bomba más una holgura razonable para el descenso y extracción de áquella y para la circulación del caudal bombeable por el espacio anular comprendido entre la pared de la bomba y la pared interior de la tubería.

Diámetro óptimo del revestimiento (cm )

Diámetro mínimo del revestimiento (cm)

Diámetro de la carcasa de la bomba en cm

Caudal previsto para el pozo (I/seg)

15,0 DI 12,5 DI 10,0 > 7 20,0 DI 15,0 DI 12,0 5 - 12 25,0 DI 20,0 DI 15,0 10 - 25 30,0 DI 25,0 DI 20,0 20 - 40 35,0 DE 30,0 DI 25,0 38 - 60 40,0 DE 35,0 DE 30,0 55- 85 50,0 DE 40,0 DE 35,0 75-115 60,0 DE 50,0 DE 40,0 100-200

DI: diámetro interior; DE: diámetro exterior, *: incluida la sobremedida necesaria para el cable

Tabla 8.9.1. Relación entre el diámetro de la tubería y el caudal previsto de explotación

(Custodio y Llamas, 1983). En la Tabla 8.9.2. se presenta la relación recomendada entre el diámetro del taladro y de la tubería en función del tipo de método constructivo de la perforación. Debe tenerse la precaución de que el diámetro de la tubería y de la bomba no condicionen la velocidad de ascensión del agua, que no debería superar los 150 cm/seg.

8.9.3. Tipo de material de las tuberías

Actualmente las perforaciones de agua se revisten generalmente con tubería metálica o de PVC, debiéndose considerar en su elección la agresividad del agua y los esfuerzos mecánicos de tracción, aplastamiento y de estallido. También suele usarse mampostería y hormigón armado en piezas prefabricadas de 1 a 2 m de longitud en pozos de más de 1 m de diámetro. En medios rocosos consolidados también se utilizan, aunque son poco recomendados por su baja resistencia mecánica, materiales plásticos de baja densidad (acrilonitrilo butadieno estireno, ABS).


Tabla 8.9.2. Relación de diámetros de taladro y de tubería.

En la Tabla 8.9.3 se presenta una relación de materiales usados en la entubación de pozos tubulares, mientras que en la Tabla 8.9.4 se detalla específicamente la composición y características de diversos materiales metálicos. En lo que respecta a las tuberías metálicas es de uso frecuente la de acero estirado sin soldadura o soldada según generatrices o helicoidales con doble cordón interior y exterior o bien soldadas longitudinalmente, de menor coste y resistencia. Los tubos suelen fabricarse con una longitud que varía entre los 3 y los 9 m, acoplándose entre sí con manguitos de unión o con uniones soldadas. La longitud de los tubos estará condicionada por la envergadura de la torre de la máquina de perforar. Los manguitos de unión, también denominadas cuplas, suelen presentar rosca de sección rectangular o redonda, con 2 o 4 hilos por pulgada. Las uniones soldadas deben realizarse con electrodos elegidos en función de las características del acero de la tubería. Es un factor importante para la vida útil del pozo que los tramos de la tubería sean todos del mismo material para evitar la corrosión del metal. Siempre es recomendable


referirse a tuberías normalizadas, como pueden ser las normas ASTM (American Society for Testing and Materials), DIN (Norma Alemana), BS (British Standard) y API (American Petroleum Institute).

Tabla 8.9.3 Diversos materiales usados en la entubación de pozos tubulares (síntesis de la

documentación docente de A. Bayó)

Cuando por la agresividad de las aguas o del terreno exista el riesgo de una alteración importante de las paredes de la tubería de acero, debe recurrirse a aleaciones resistentes a la corrosión, con bajo contenido de carbono para facilitar la soldadura. En los costos de una perforación se debe considerar además del costo inicial, el de mantenimiento y la prolongación de su vida útil, por lo que se debe ser minucioso con la elección del material, sección y calidad de la tubería y rejillas. Una cuestión importante para la selección de la entubación es el espesor de su pared, principalmente en el caso de tubos de PVC, debiendo determinarse los esfuerzos a que estará sometida.


8.9.4. Características resistentes fisicoquímicas (corrosión – incrustación) En el diseño de la captación deben considerarse ciertos factores que pueden afectar su vida útil. Las causas más importantes de pérdida de eficiencia de un pozo bien construido hay que buscarlas en los fenómenos de corrosión e incrustación. Sus efectos se traducen en una disminución del caudal específico, en la colmatación progresiva del pozo y en la admisión de agua de otros niveles con caracteres indeseables.

Tabla 8.9.4 Composición de algunos materiales metálicos usados en la entubación de pozos

tubulares (síntesis de la documentación docente de A. Bayó).


La incrustación consiste en una deposición de materiales en la superficie del filtro, la tubería o bien en el propio acuífero. La corrosión consiste en un ataque a los materiales con eliminación superficial de los mismos Juegan un papel importante los iones de la disociación del agua, los relacionados con el equilibrio carbónico y las sales alcalinotérreas. Debe considerarse el pH del agua, y los contenidos en CO2 disuelto, CO3H- en CO3

2- y Ca2+. Si el agua presenta un contenido de CO2 disuelto superior al CO2 de equilibrio o bien el pH es menor que el de equilibrio, entonces el agua será agresiva a la caliza y al metal por un exceso de iones H+ (Figura 8.9.1). En el caso contrario, es decir, que el agua presente un contenido de CO2 disuelto inferior al CO2 de equilibrio o bien un pH mayor que el de equilibrio, entonces el agua tendrá un carácter incrustante si las condiciones son favorables al depósito de material sobre las superficies sólidas.

Figura 8.9.1. Corrosión electrolítica en entubaciones y rejillas metálicas Un índice experimental de agresividad o incrustabilidad es el índice de estabilidad de Ryznar (IER), que se define como: IER = 2pHequilibrio – pHagua En el siguiente cuadro se observa el carácter del agua en función de citado índice:


IER Carácter del agua 4.0 a 5.0 muy incrustante 5.0 a 6.0 moderadamente incrustante 6.0 a 7.0 poco incrustante o corrosiva 7.0 a 7.5 Corrosiva 7.5 a 9.0 francamente corrosiva > a 9.0 muy corrosiva

En la Tabla 8.9.5 se presentan los materiales de la tubería y rejillas a usar en función del índice de Ryznar.

Tabla 8.9.5. Materiales adecuados para rejillas en función de las características químicas del

agua. Como norma general se considera que son indicadores de corrosión o de incrustación los criterios expuestos en el siguiente cuadro:


El contenido en oxigeno también juega un importante papel en la corrosión de los metales por el agua. 8.9.5 Características resistentes mecánicas Los empujes que debe soportar la tubería son la compresión exterior, la tensión axial, la cizalladura, la torsión, bucking, Figura 8.9.2.

Figura 8.9.2 Esquema de los empujes a que se puede ver sometida una tubería. En la Tabla 8.9.6 se presenta un esquema de las causas que se relacionan con los diversos esfuerzos.

EMPUJE SUELO O TERRENO (empuje activo)

Teoría del tablestacado Teoría del silo o efecto arco

EMPUJE EN EL PREFILTRO En el momento de su colocación (aumento de g) Empuje hidrostático Empuje activo

EMPUJE ACTIVO POR RELAJACION DEL MACIZO ROCOSO

Rocas geoestresadas (dilatación de rocas vítreas, salinas, descompresión en general)

EMPUJE HIDROSTATICO P = g. H

Cementación de largas columnas Diferencia piezométrica entre anular e interior del pozo Colocación de prefiltros

IMPACTO Colapso súbito en el entorno del pozo Subsidencia, compactación.

CIZALLADURA, BUCKING, TORSION Movimientos sísmicos (pozos geotérmicos y de petróleo). No suele considerarse en pozos de producción de agua salvo en los muy profundos.

Tabla 8.9.6 Empujes que soporta la entubación


Resistencia a los esfuerzos de tracción El esfuerzo de tracción al cual esta sometida la tubería en cualquier punto es el resultado del peso de los tubos que se encuentran por debajo de él más el rozamiento contra las paredes del taladro y las fuerzas de inercia. Su magnitud debe ser inferior al límite elástico del material de la tubería, siendo su componente principal la relación entre el peso de los tubos por debajo del punto considerado y su sección, según:

APCo α≥

siendo Co límite elástico α coeficiente de seguridad (suele tomarse 1,75) A sección del tubo P peso de la columna No obstante el esfuerzo a la tracción esta determinado por la parte roscada de las uniones de la tubería, siendo función de la longitud del roscado y las dimensiones de la tubería. La resistencia límite a la tracción de la rosca suele variar entre el 40 y el 80% de la parte lisa de los tubos, aumentando con la longitud de la rosca. Se fabrican dos tipos de longitud de rosca, la larga y la corta y sus resistencias se pueden estimar en función de las siguientes expresiones: Tubos rosca corta

3T

1R C·10 (856,24 D)( 0,9626)·At 1,810

−= − +−

Tubos rosca larga

3T

1R C·10 (649,73 D)( 0,9626)·At 1,810

−= − +−

2 2A 0,7854 (D 3,619) d = − −

siendo


D diámetro externo d diámetro interno t espesor de la tubería en m Rt resistencia a la tracción en Tn C constante (ver cuadro)

Constante C Acero Rosca corta Rosca Larga F25 0.03010 H40 0.04075 J55 0.05425 0.0894 N-80 0.06320 0.1041 P-110 0.08267 0.1362

El aligeramiento del peso de la tubería se puede realizar usando el efecto Arquímedes

(Figura 8.9.3), para lo cual se utiliza un tapón en el fondo de la tubería de un material

perforable, como puede ser madera, baquelita, válvulas de bolas perforables, etc.

2

f

Figura 8.9.3 Aligeramiento de la tubería mediante el efecto Arquímedes.

r


siendo

sf peso específico del fluido sa peso específico del tubo

R1 Radio exterior de la tubería R2 Radio interior de la tubería

Por ejemplo:

( ) ( ) LrRLrRP L2

12

12

12

1 γ⋅−π−γ⋅−π=Lγ

γL

siendo del agua o lodo que contenga la perforación

del acero de la tubería (=7.85)

o de PVC (=1.4)

r1

R1

Resistencia a los esfuerzos de compresión exterior Los esfuerzos más desfavorables a los que se ve sometida una tubería de revestimiento son los de compresión radial o aplastamiento, debido a los empujes del terreno y a las cargas hidrostáticas por diferencia de nivel de fluidos entre el interior y el exterior del pozo. Estas diferencias de nivel se producen cuando se vacía la columna de fluido durante las operaciones de prueba de producción o en caso de pérdida de circulación. La presión hidrostática ejercida por el lodo de perforación en cualquier punto representa un límite superior de la presión exterior mientras sea capaz de evitar la caída de las paredes del pozo y superar la presión del agua de los acuíferos encontrados.


Así, el material de la tubería a utilizar debe tener en cualquier punto del pozo una resistencia al aplastamiento superior al esfuerzo producido por el medio. Dicha resistencia dependerá de la relación entre el diámetro y el espesor de la tubería, observándose en la Figura 8.9.4 que para valores grandes de la misma poco influye el tipo de acero en los valores de resistencia al aplastamiento (Manual de sondeos, 2000). Existen varias fórmulas y procedimientos para calcular la carga de rotura por compresión de una tubería, por ejemplo la considerada por Allievi:

3

de

KE2P

=

en donde P = carga máxima admisible frente al aplastamiento en kg/cm2

e = espesor de la pared del tubo en cm d = diámetro interior del tubo en cm K = coeficiente de seguridad E = módulo de elasticidad del acero en kg/cm2 Los problemas de resistencia a la compresión exterior en el entubado suelen venir por otros motivos que no son el empuje del terreno, tales como: Vaciado intencionado de una columna para ensayos de producción (el fluido exterior

ejerce presión sin contrapresión) Descenso de la entubación con una válvula de flotación Accidentalmente, cuando se pierde el lodo de una perforación Diferencia excesiva entre los niveles de los fluidos en el interior y exterior de la

tubería o entubación Diferencia de densidades entre el fluido interior y exterior durante los procesos de

cementación y colocación de prefiltros Tensión por peso de largas columnas de entubación que disminuye la resistencia al

aplastamiento Subsidencia y compactación en acuitardos que pueden hacer notable el empuje del

terreno Colapso por extracción de arenas


Figura 8.9.4. Resistencia al aplastamiento para diversos aceros de tuberías. Los esfuerzos de tracción y aplastamiento provocan tensiones de igual signo, por lo que deben considerarse conjuntamente en los cálculos. En el ábaco de la Figura 8.9.5 se puede estimar la resistencia a la compresión exterior en función del diámetro exterior y la pared de tubos rígidos de PVC serie azul especial para pozos.


presión exterior (bars)

diámetro ext./espesor tubería (mm)

Figura 8.9.5. Ábaco para determinar la resistencia al aplastamiento en tubos de PVC.


Empuje del prefiltro y suelo contra la entubación

γ’

ko = co

g.Z

eficiente de reposo

Tabla 8.9.7. Valores del coeficiente Ko


Este fenómeno puede tener importancia en entubaciones de PVC o de chapa de acero de menos de 6 mm de grosor. Al verterse el prefiltro en el espacio anular, aumenta el peso específico en el exterior de la tubería (Figura 8.9.6). La presión resultante (PR) será la diferencia de la presión total exterior (PT) y la presión

hidrostática interior (PHI). El aplastamiento de la tubería se produce cuando PR > Pcrítica.

La presión total exterior (PT) es la presión hidrostática exterior (PHE) más la presión de prefiltro sumergido (PF). PF = gs . h . Ko

siendo


gs el peso específico aparente sumergido (efecto Arquímedes). ko = coeficiente de reposo PF = presión prefiltro sumergido

Figura 8.9.6. Empuje provocado por el prefiltro y el suelo contra la entubación


Cálculo del empuje radial centrípeto del prefiltro contra la entubación (empuje activo) Ley del empuje triangular – empuje activo sobre superficie plana (cuña de Rankine)

Ejemplos de cálculo de los empujes producidos por el terreno y el prefiltro:

PESO ESPECIFICO (T/m3)


Empuje del terreno: E = K0*h*γ −−> el resultante sería E = K0*h*(γ−γw) para formaciones granulares inconsolidadas, formaciones plásticas, a geopresión, sobreconsolidadas, a profundidad notable o con stress tectónico. Para rocas consolidadas siempre que la deformación no sea apreciable, el empuje se considera nulo a efectos prácticos. El empuje del prefiltro se calcula igual que para el empuje del terreno. Empuje hidrostático: P= γ∗h Cuando se han calculado todos los empujes que intervienen en un caso determinado, se obtendrá el empuje total que para que no se produzca aplastamiento deberá ser inferior a la presión crítica (se debe tener en cuenta que las rejillas, en función del material y del % de área de huecos, ofrecen menor resistencia al aplastamiento). En la zona con cemento no fraguado, se calcula el empuje hidrostático de

cementaciones: P= γ∗h Si el cemento está fraguado, no realiza empuje.

γ2 γ1 γ2

Tubería que puede estar en su interior vacía, llena de agua o de lodo

Cemento

Siendo γ1 = 0 si el interior de la tubería está vacío

=1 si está lleno de agua

= 1.1 si está lleno de lodo

γ2 = 1.9 o 1.8, es el valor del peso específico del cemento

de manera que el empuje total será: P= (γ2−γ1)∗h.

8.9.5. Descenso de entubaciones y rejillas

Desde el punto de vista constructivo las maniobras de entubación deben realizarse

según ciertos criterios básicos:

− Debe tenerse en todo momento un alto control de los metros de tubería introducidos

en el taladro, garantizando que las rejillas se enfrentarán a los niveles acuíferos

deseados.

− Antes de introducir la tubería debe verificarse la verticalidad del pozo y la ausencia

de relleno en el fondo. La colocación de la tubería definitiva debe ser rápida y

continuada para evitar el relleno del taladro con el material de las paredes,


extendiéndose la jornada de trabajo hasta su finalización en aquellos casos en que

no se ha utilizado tubería de maniobra.

− Previo a la entubación se debe recircular un lodo menos denso para facilitar su

posterior lavado y alcanzar una mayor eficiencia del pozo.

− Debe controlarse que el taladro mantenga su diámetro en todo su perfil,

identificando y reperforándose los posibles niveles expansivos o de formación de

costras de lodo adheridas a las paredes.

− Deben evitarse métodos de sujeción de la tubería, conforme ésta se va

introduciendo en el pozo, que la dañen (aplastamiento, orificios, etc.). Un parámetro

importante a controlar es el peso de la tubería y la resistencia a la tracción de las

uniones de los tramos.

En el caso de las tuberías metálicas sin rosca en los extremos suelen soldarse unos

topes para la abrazadera. Este método

tiene la ventaja de no deformar la tubería,

ser más seguro y permitir una mejor

alineación de los tubos facilitando su unión.

Los tubos deben ser preparados en el taller,

refrentándolos al torno, numerándolos y

biselándolos a 45º.

Una variante del método anterior consiste

en no utilizar los topes, con lo cual la

tubería puede deformarse por la cuña que forma la abrazadera o bien descolgarse en

el caso de que el peso de la columna sea importante.


Otro método poco recomendado aunque muy usado es el perforar la tubería y pasar

una guía pasante. Presenta el inconveniente de que se

deben volver a soldar los orificios practicados en la

tubería, siendo una posible fuente de entrada de

sedimentos a la perforación si esto no se realiza con cierto

detalle.

En el caso de tuberías de PVC roscadas se suele usar una cabeza con rosca.

El siguiente cuadro expone las ventajas y desventajas de los dos tipos de uniones

roscadas utilizadas en la entubación y enrejillado de pozos con PVC.


Los principales accesorios para realizar las labores de entubación se han

esquematizado en el siguiente cuadro:

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