Miguel Llorente Geología 1999 – 2000

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Hidrogeología, salida de campo.

Sondeos y diagrafías

Miguel Llorente Geología 1999 – 2000

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Índice

Sondeos

Maquina de perforación a percusión Trépano

Barrón

Destrabador

Cuchara

Cable

Montera

Principales problemas

Máquina de perforación a rotación, circulación inversa y circuito cerrado

Tricono

Barrón

Elementos para la rotación del tricono: varillaje, kelly y mesa de rotación

Tubo de extracción de lodos

Lodo

Balsa de lodos

Compresor de aire

Filtro para la recogida de muestras

Principales problemas

Rematar el sondeo

Diagrafías

? natural

Resistividad a 8 pulgadas

Resistividad a 16 pulgadas

Resistividad a 32 pulgadas

Resistividad a 64 pulgadas

Conductividad del fluido

Temperatura del fluido

Densidad

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Sondeos

Un sondeo o captación vertical es una perforación que se realiza al suelo y que presentará

diferentes características en función del fin del mismo. Para hidrogeología, la profundidad y

diámetro dependerá esencialmente de la localización del nivel freático o de la profundidad del

acuífero y características de éste y del uso que se dé al mismo. En el caso en concreto de las

prácticas realizadas, los sondeos se destinarán al riego de campos de cultivo y a la obtención de

agua potable para uso antrópico y por características propias de la región, las perforaciones

alcanzarán profundidades máximas de 300 metros y mínimas de 50 metros, el diámetro de la

perforación será de unos 500 milímetros y el diámetro de la entubación será de unos 300 ó 400

milímetros. Los caudales esperados a profundidades de 130 metros aproximadamente, son de

unos 30 litros cada segundo.

Máquina de perforación a percusión.–

La perforación a percusión es el método más antiguo y rudimentario que existe, con las

ventajas de ser más sencillo y de más fácil aplicación para casi cualquier tipo de roca, desde una

roca dura (como una caliza) hasta una roca blanda (como una arenisca del Terciario).

Este sistema realiza sondeos mediante la máquina de perforación a percusión, que basa

su proceder en triturar la roca o sedimento por medio de sucesivos golpes (unos 40 cada minuto)

por medio de la “herramienta de corte” o trépano y retirando los restos de la roca triturada o

“detritus” por medio de la “herramienta de limpieza” (cada hora u hora y media), denominada

también cuchara o válvula.

La percusión ha de realizarse siempre sobre mojado, de modo que lo primeros metros

antes de llegar al nivel freático será conveniente echar agua al sondeo.

La máquina de perforación a percusión consta primordialmente de un motor a gasoil que

proporciona un movimiento a una pieza denominada balancín, que a su vez transmite ese

movimiento por medio de un cable y por sucesivas poleas, a la herramienta de corte, que cae

libremente, ayudada por la varilla de carga (o barrón) que proporciona un peso adicional de varias

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toneladas al trépano, ya de unos 1000kg, encargado de triturar la roca. Veamos las piezas por

separado:

– El trépano es una pieza de acero que presenta unos parámetros en función del tipo de

roca que queramos perforar. Así, trépanos de ángulos cortantes “pequeños” se utilizan para rocas

duras, (ver figura 1) mientras que aquellos con

ángulos cortantes mayores (hasta de 180º) son

para rocas blandas.

– El barrón (o lastrabarrenas) como ya se

ha dicho anteriormente, se coloca por encima del

trépano y es una pieza de unos 5 ó 6 metros de

largo y maciza, encargada de proporcionar peso

adicional y procurar que el sondeo sea lo más

próximo posible a la vertical.

– Destrabador o tijera: este elemento se puede colocar justo encima del trépano o encima

del barrón si lo hubiera y su misión es que al elevar la herramienta de corte, no se aplique una

fuerza continua, sino que la aplicación de la fuerza de ascenso se produzca de golpe, para

destrabar así el trépano o en su caso la cuchara.

– La cuchara, válvula o herramienta de limpieza, consiste en

un tubo ciego provisto de una válvula en el extremo que mira al

sondeo, de modo que cuando la herramienta se hunde en el lodo de

la perforación, ésta se abre, cerrándose después al levantarla.

Básicamente existen dos tipos de válvulas (ver figura 2): de charnela

(si la válvula es una “puertecilla” que gira hacia dentro del tubo hasta

90º) o de dardo (donde una pieza se eleva al clavarse el tubo en el

lodo y baja al elevarse el tubo obstruyendo la salida del lodo). La

válvula descarga los lodos en un bidón que se sitúa próximo al

sondeo, donde un saliente abre la válvula (ver figura 3). El bidón

presenta un tubo que desvía los lodos hacia un lateral de modo que no impidan la marcha del

sondeo.

Figura 1.– Tipos de trépanos de percusión

Figura 2.– Tipos de válvulas

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– El cable: existen dos tipos diferentes de cables: los cables de torsión y los cables

antitorsión. Los primeros, los de torsión, son cables formados por hilos de acero enrollados

(trenzados) entre sí, de modo que naturalmente tienden a producir un giro del trépano (siempre en

sentido de apretar las tuercas, a rosca) de modo que los biseles de éste no golpean siempre sobre

la misma superficie. Los cables antitorsión se usan menos, pero son muy útiles para las cucharas.

En estos cables, existen dos filas de hilos, unos enrollados en un sentido y otros en el sentido

contrario y por dentro. De esta forma se evita que gire el cable y por ende lo que de él penda.

– Montera: la montera es el tubo que finalmente une la conjunto de elementos ya

mencionados con el cable con el fin de proporcionar mayor seguridad al nudo y a la soldadura que

lleva éste con el resto de elementos.

Los principales problemas de este modo de perforar, son:

1. Que se tuerza el sondeo. Si el sondeo no presenta una verticalidad del 98%, se

considera inútil.

2. Que la formación que perforamos sea demasiado blanda y se nos caigan las paredes

de la perforación: para evitar esto, a medida que se va perforando se va introduciendo

en el sondeo una entubación auxiliar, que posteriormente se retira.

3. Que la entubación auxiliar no pueda retirarse: si por lo que fuere se nos quedara

adherido el tubo a las paredes del sondeo, puede ser que se parta el tubo y quede en

Figura 3.– Esquema de una pequeña máquina perforadora a percusión

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el sondeo. Si no se perfora esta entubación a la altura de los acuíferos (por el

procedimiento que sea) el sondeo queda inutilizable y aún cuando se realicen las

perforaciones, la productividad del sondeo se verá seriamente mermada.

4. Que el cable que sustenta el trépano se encuentre demasiado flojo, pudiendo torcerse

el sondeo o dañarse el cable e incluso la estructura, o que por el contrario, se

encuentre demasiado tenso, lo cual significa que no llegamos al fondo del sondeo con

lo que se puede romper el cable. Esto lo controla el operario que controla maneja la

máquina: con una mano maneja la máquina desde el cuadro de mandos y con la otra

agarra el cable, de modo que sabe cuándo está más o menos tenso.

5. A medida que avanzamos va disminuyendo la rentabilidad del sondeo: cuanto más

profundo sea más tardamos en hacer llegar la herramienta de limpieza a los detritus,

que para realizar correctamente su trabajo deberá descender dos o tres veces cada

vez que queramos retirar los detritus (operación de valvuleo) y después hay que volver

a introducir la herramienta de corte, lo cual supone una inversión de tiempo y gasoil

cada vez más importante.

Máquina de perforación a rotación, con circulación inversa y circuito cerrado.–

Existen numerosas diferencias con la máquina de perforación a percusión, siendo la

principal que el mecanismo de perforación actúa constantemente triturando la roca por medio de

rotación de la herramienta de corte.

En la visita, la máquina va a realizar un sondeo para captación de agua potable hasta una

profundidad de unos 200 metros, siendo hacia los 130 donde mayores caudales se registran (del

orden de 30 litros cada segundo). En cuanto al equipo, tenemos:

– La herramienta de corte que ahora la denominaremos tricono, por presentar tres “piñas”

cónicas provistas de dientes encargadas de la perforación.

– El barrón: hueco y provisto de dos tubos adicionales situados diametralmente opuestos

que servirán para conducir aire comprimido a la boca de la herramienta de corte, ya veremos

porqué.

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– Los elementos encargados de la rotación de la herramienta de corte van por encima del

barrón y son: el varillaje (de unos 5 metros de largo, de una sección de unos 300mm, hueca y con

dos tubos adicionales a los lados para el aire comprimido – ver más adelante –) encargado de

transmitir la rotación que la mesa de rotación proporciona a la kelly (elemento de sección cuadrada

y unos 6 metros de largo) que encaja en la mesa de rotación, que se encuentra hueco, por donde

bajan los dos tubos para el aire comprimido y donde encaja una manguera o tubo de extracción de

lodos (encaja en una pieza que no transmite el giro de la kelly a la manguera ni al tubo de aire

comprimido).

– Tubo de extracción de lodos: es una manguera de un diámetro de unos 30cm encargada

de aspirar o conducir los lodos, que circulan hacia arriba por el interior de la herramienta de corte,

a través del barrón, del varillaje y finalmente de la kelly (circulación inversa) y que va a expulsarlos

a la balsa de lodos.

– El lodo para la

perforación, aunque no sea

un elemento propio de la

maquinaria, es

imprescindible para el buen

funcionamiento de la misma.

Con él se refrigeran las

cabezas de la perforación,

se extraen los detritus y se

sostienen las paredes del

sondeo debido a que se

establece una ley de

presiones hidrostáticas

crecientes con la

profundidad. Son esas

presiones las que impiden el

derrumbamiento de la pared. Ver figura 4.

Figura 4.– Máquina de perforación a rotación, con circulación inversa y circuito cerrado.

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– La balsa de lodos, aunque tampoco sea un elemento propio de la maquinaria, resulta

igual de imprescindible que el lodo. Su misión consiste en almacenar el lodo y suministrarlo a la

máquina y almacenar los detritus para despojarse de ellos posteriormente. Para que no se colmate

la balsa se excava un volumen de 2 a 3 veces el volumen estimado de detritus que extraeremos.

– Compresor de aire: es una pequeña máquina que se encarga de comprimir el aire para

insuflarlo en la boca del tricono, para reducir la densidad de los lodos y que así asciendan éstos

por efecto de la presión de la columna de lodo.

– Filtro para la recogida de muestras: la toma de muestras suele ser muy buena y se

realiza por medio de un filtro o cestillo, que va sujeto a una vara larga. Con la vara se aproxima el

cestillo a la salida del tubo de extracción de lodos, situándose el éste un poco por debajo del

chorro, dado que éste sale a gran presión.

El modo de perforar a circulación inversa hace referencia a que el lodo entra por una zanja

desde la balsa de lodos al sondeo, por gravedad y se extrae por la herramienta de corte hasta el

tubo de extracción de lodos (ver figura 4). Cuando decimos que el circuito es cerrado, nos

referimos a que el lodo que extraemos por la manguera, vuelve a la balsa de lodos y de allí otra

vez al sondeo.

El lodo, debe presentar unos parámetros de densidad y viscosidad controlados, de modo

que no resulte demasiado denso ni demasiado acuoso, para facilitar en lo posible la perforación.

En el caso de la visita se utilizaban las arcillas de la zona para aumentar la densidad del mismo,

cuando por términos generales se prefiere utilizar bentonita.

El modo de profundizar en la perforación consiste en ir añadiendo varillaje cuando la kelly

ha penetrado hasta casi tocar la parte superior de la misma con la mesa de rotación.

Los principales problemas de este modo de perforación son:

1. Que al cortar una capa muy permeable el lodo invada esa formación y nos baje el nivel

de la balsa de lodos, con lo que también nos baja el nivel del lodo en el sondeo y se

nos reducen las presiones, por lo que pueden desprenderse las paredes. Esto se

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soluciona echando más agua a la balsa de lodos en el momento en que esto suceda.

2. Que la invasión del lodo a la formación permeable, impermeabilice la capa por

impregnarse la pared con las arcillas del lodo. Estas costras (kakes ) se forman

habitualmente y son muy molestas y en ocasiones difíciles de quitar. Para que esto no

ocurra, se perfora las 24 horas del día hasta el fin de la perforación y se limpia el

sondeo por medio agua limpia.

3. Que al poner un nuevo varillaje se caiga la herramienta de corte al sondeo. Este es un

problema grave que puede conllevar la pérdida de la herramienta de corte y la total

inutilidad del sondeo. Para evitar eso, cada vez que se añade un varillaje, se coloca

una plancha de acero que sujeta los varillajes anteriores, el barrón y la herramienta de

corte. En caso de que se caiga existe también la opción de rescatar el equipo por

medio de las herramientas de pesca.

Rematar el sondeo.–

Un geólogo en misión de sondeo, tiene la obligación de controlar la buena marcha de la

perforación, el control de las muestras, dejar registro de lo estudiado (muestras y diagrafías si se

hicieran) e indicar la profundidad a la cual se debe poner

tubo ranurado o tubo ciego: rematar el sondeo. Para ello se

requiere el siguiente material:

– Entubación auxiliar: por lo general de 500mm y de

tubo ciego, que servirá para sostener las paredes del

sondeo antes de introducir la entubación definitiva. Es lo

primero que se introduce una vez finalizada la perforación.

– Entubación definitiva: consiste esencialmente de

dos partes: una de tubo ciego y una de tubo ranurado, que

como ya se ha dicho se distribuirá según haya considerado

el hidrogeólogo. La parte ranurada puede presentar

diferentes características (y precios) en función del tipo de

Figura 5.– Empaque de grava y entubación

de un sondeo

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ranura que haya. Un buen filtro y bastante común es el filtro de puentecillo, de una aleación con

cinc y con ranuras protegidas por un pequeño “puente”. Estos filtros tienen la misión de

proporcionar una entrada de agua evitando que se introduzcan materiales finos al agua.

– Empaque de grava: entre la entubación auxiliar y la definitiva se pone una capa de grava

silícea redondeada, cuya misión es sostener las paredes del sondeo y permitir el flujo de agua

hasta el sondeo, impidiendo a su vez que pase material fino. Finalmente se retira la entubación

auxiliar y se cementa la parte superior, dejando al descubierto una parte de entubación ciega

(unos 50 ó 60 cm por encima de la superficie).

Diagrafías

Las diagrafías son testificaciones geofísicas o estudios que se realizan con el fin de

mejorar el conocimiento de la zona aprovechando las propiedades físicas de los materiales. Para

ello se utiliza una sonda, conectada a un ordenador a su vez conectado con una impresora, por

donde saldrán los datos sobre papel (ver figura 6)

En la práctica realizada, la sonda era capaz de medir nueve parámetros, que observados

conjuntamente e interpretados de modo correcto nos daría como resultado una columna litológica,

pero no se realizó más que la

testificación de ? natural puesto que el

sondeo se encontraba ya entubado.

Los nueve parámetros que

podríamos medir y que frecuentemente

se miden, son:

1. ? natural: mide la

radiactividad natural de las

rocas. La sonda presenta en

la parte superior un detector

de radiactividad, que en las

Figura 6.– Hidrogeólogo realizando una diagrafía.

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rocas normalmente procede de la desintegración del 40K (40K ? 40Ar + ? ). En términos

generales indica muy bien la presencia de niveles arcillosos, pues son éstos los que

mayor concentración presentan del isótopo radiactivo 40K, aunque puedan también

señalar niveles con abundancia en U, Th, u otros elementos radiactivos. Este

parámetro, a diferencia de las resistividades y potencial espontáneo, se puede medir

aún con el sondeo terminado, con la entubación metálica, pues la radiactividad

encuentra pocas dificultades para atravesar la pared de casi cualquier material

excepto de Pb.

2. Resistividad a 8 pulgadas: mide la oposición que ejerce la roca a la conducción de

electricidad cuando los electrodos generan un campo eléctrico “esférico” de 8

pulgadas de radio, esto es, con una penetración de 8 pulgadas. La resistividad de las

rocas varía en función de la naturaleza de la misma, del tamaño de grano, del grado

de fracturación y del fluido en los poros de la roca. Arcillas presentan muy poca

resistividad (menos de 100? m) y los granitos y rocas compactas presentan

resistividades altas o muy altas (de más de 1000? m). Ningún parámetro de

resistividad puede realizarse si el sondeo está entubado, pues obtendríamos la

resistividad del metal, prácticamente cero.

3. Resistividad a 16 pulgadas: ídem pero con una penetración de 16 pulgadas.

4. Resistividad a 32 pulgadas: ídem a 32.

5. Resistividad a 64 pulgadas: ídem a 64.

6. Resistencia monoelectródica: se introduce un electrodo y con otro en superficie se

mide la resistividad de la columna litológica infrayacente.

7. Conductividad del fluido: nos da una idea de la salinidad del mismo.

8. Temperatura del agua: variaciones de temperatura en la vertical pueden ser

indicadoras de flujos entre las formaciones atravesadas por el sondo. Un pozo

surgente siempre presenta variaciones de la temperatura en la vertical.

9. Densidad. En la práctica no se especificó claramente si se refería a la densidad del

fluido o a la densidad de las rocas, pero ciertamente resultaría muy útil medir la

densidad de las rocas mediante un microgravímetro, midiendo variaciones en la

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gravedad, o probablemente por medio de testificación ?–?, donde una fuente de

radiación ? (normalmente el isótopo radiactivo del Cs), emite la radiación con una

determinada longitud de onda, la cual varía en función de la densidad de la roca,

siendo estas variaciones en la longitud de onda lo que medimos al volver la radiación

al detector.

Estos nueve parámetros los obtenemos en forma de 9 curvas que el ordenador nos ofrece

al imprimir los datos.