Tipos de pozos para extraer agua subterránea

Los tipos de pozos de perforación para extraer agua subterránea de forma artificial, se clasifican de una manera simple en verticales y horizontales:

Pozos verticales

• Pozos perforados
• Pozos hincados
• Pozos excavados
• Pozos taladros

Pozos perforados

Son aquellos, en los cuales se utiliza maquinaria con diferentes tipos de rocas, para diferentes tipos de materiales, identificados en la fase de investigación, utilizando para ello también diferentes metodologías para su perforación:

• Brocas de tungsteno con diamante (para Rx muy duras).
• Brocas de tungsteno con carburo (para Rx medias a duras).

Metodología para la extracción de los sedimentos triturados:

Siendo esta una de las actividades más importantes de la perforación, ya que es la forma de poder extraer todo el material de corte dentro del pozo aprovechando simultáneamente la recuperación de estas muestras cada 5 m o cada metro, dependiendo del interés del geólogo para elaborar el perfil litológico del pozo, que nos da finalmente la secuencia estratigráfica de los diferentes tipos de Rx.

Esta metodología también depende del tipo de material de la Rx que se está cortando:

Rocas duras, que presentan paredes estables del pozo, se pueden usar las siguientes metodologías:

• Perforación con aire comprimido que va a sopletear todo el material, desde el fondo, siempre ligado a un ciclo de agua a presión.
• Perforación con espumas o tipos de detergentes.

Arenas / Arcillas

Lodos bentoníticos, los cuales van a servir por la propiedad de cohesión a extraer los sedimentos en suspensión, y al mismo tiempo de acuerdo a la viscosidad del lodo se adhieren a las paredes del pozo para protegerlas contra el colapso.

Pozos hincados

Consiste en la colocación de tuberías generalmente galvanizados y de alta resistencia con una punta en su extremo interior o una punta en sistema de rejilla, las cuales se van hincando a golpes, generalmente en estratos arenosos en los cuales cualquier otra perforación no soportaría mantener sus paredes estables, por lo tanto la tubería va quedando inmediatamente instalada; con la única desventaja de que son tuberías de diámetros 2″ a 3″ y para profundidades muy someras máximo 10-15 m, que restringe el caudal a explotar por el tamaño de la bomba a instalar.

Pozos excavados

Son pozos artesanales conocidos también como pozo malacate, ya que son operados manualmente mediante bombas de mano o bien simplemente la extracción de agua con un recipiente amarrado de un lazo o mecate. Generalmente son pozos de diámetros mayores de 1 m y poco profundos.

Pozos taladros

Es una metodología de perforación utilizada generalmente en suelos blandos limos o también en suelos granulares mediante un sistema helicoidal similar a un tornillo llamado Auger, en el cual va sacando el material, enrollado en el tornillo previa instalación de una tubería de ademe. También esta es una perforación poco profunda.

Pozos horizontales

Existen diferentes estructuras de la roca:

• Una primaria
• Y otra secundaria

Las primarias se forman directamente al mismo tiempo que se origina la roca, y estará relacionado siempre al sistema poroso o de vacíos, y las estructuras secundarias estarán relacionadas a las fracturas de las rocas que se forman posterior al origen de las rocas.

Ambos sistemas de estructuras dan como resultado un porcentaje de porosidad o vacíos que al estar comunicados entre sí nos forman una permeabilidad primaria, para las estructuras porosas y una permeabilidad secundaria para las siguientes:

• Fracturas
• Fallas
• Karst (Discontinuidad de la estructura secundaria)

Existen casos en los cuales es necesario realizar perforaciones horizontales o sub-horizontales, los cuales son utilizadas principalmente para extraer agua del sistema de fracturas de las rocas actuando como drenaje.

Cuyas funciones realizan principalmente el de sacar las aguas internas en las rocas para rebajar o reducir el nivel freático, de tal manera que la carga hidrostática subterránea no cause presión y empuje sobre los bloques de las rocas, al mismo tiempo reduzca el efecto de lubricación dentro de los planos de las fracturas de las rocas, que en ambos casos serán motivo y elementos importantes de estabilización que puedan provocar potenciales de aludes o deslizamientos.

Galerías de infiltración

Son estructuras subterráneas que sirven para la captación de aguas subterráneas a profundidades someras de 3-5 m, siempre y cuando sea viable o factible constructivamente; se construye en las zonas de depósitos aluviales en las cuales estén conectados con una fuente de recarga permanente principalmente los ríos, por lo tanto son estructuras filtrantes adyacentes a los ríos.

La galería de infiltración consiste en la instalación de tuberías perforadas empacadas alrededor de ellas con material de arenas y gravas de acuerdo a una granulometría previamente graduada para calcular así la velocidad de infiltración del agua hacia las tuberías, calcular el área de entrada y así calcular el caudal de salida de acuerdo a la Ley de Darcy.

Ley de Darcy

Establece que el caudal Q que es capaz de atravesar un medio permeable es proporcional al área del paso del medio permeable (A) el cual es normal al flujo y también al gradiente de niveles piezómetros entre la entrada y la salida del flujo del medio permeable.

La Ley de Darcy es aplicable a todos aquellos acuíferos de permeabilidad primaria, medios porosos granulares que van a presentar normalmente el equivalente a un flujo laminar, por lo tanto van a estar muy relacionados al movimiento de aguas subterráneas de los acuíferos libres, que generalmente están conformados por arenas o sedimentos que están conectados directamente a la presión atmosférica; en algunos casos, cuando los acuíferos presentan una permeabilidad secundaria generada por estructuras de fracturas muy abiertas, fallas o cavernas de karst van a presentar altas permeabilidades pero su flujo puede convertirse de laminar a turbulento.

Número de Reynolds

Relación del régimen laminar con la velocidad del flujo y se define como una constante y es adimensional.

El cálculo del número de Reynolds:

R=vdρ/μ
v= velocidad [m/día] del caudal Q
µ= viscosidad del agua
ρ= densidad del flujo
d=masa especifica definida por el tamaño representativo del grano del medio poroso (arenas-gravas)

Los valores de R cuando sean mayores de 10, estamos en presencia de un flujo turbulento, por lo tanto ya no es aplicable la Ley de Darcy y se utiliza la ecuación de continuidad, la cual está basada en la igualdad de un flujo estacionario donde el caudal de entrada es igual al caudal de salida

Tipos de régimen de flujo de las aguas subterráneas

Régimen permanente

Relacionado a un flujo laminar, e igualmente está relacionado a un medio en el cual alcanzará un punto de equilibrio producto de un sistema de recarga directa ya sea por conexión directa a un río o a cualquier fuente de agua superficial.

Generalmente este tipo de condiciones estarán relacionados a los acuíferos libres y acuíferos semiconfinados cuyos valores del Número de Reynolds también sean valores intermedios entre 10-60, considerando que los mayores de 60 son estrictamente flujos turbulentos.

Régimen no permanente

Movimientos de aguas subterráneas artificiales generadas por el bombeo, y que nunca van a presentar una condición de equilibrio debido a una recarga directa, por lo tanto su caudal de bombeo deberá limitarse al caudal de recarga calculado según el balance hídrico y lo disponible como coeficiente de almacenamiento.

Lo anterior significa que en un régimen no permanente, se tiene que utilizar la zona de almacenamiento de acuerdo al Hidrograma unitario para alcanzar la recarga del pozo y lograr una “cuasi estabilización”.

Curva de abatimiento versus tiempo

Esta curva es obtenida de una prueba de bombeo, donde se muestra la “zona de no equilibrio”, equivalente al régimen no permanente y que está representado por el continuo descenso a lo largo de un tiempo de bombeo hasta alcanzar su “zona de equilibrio y estabilización”, pasando a un movimiento de régimen permanente (es cuando se estabiliza el pozo).

Existen diferentes condiciones del movimiento de aguas subterráneas las cuales se identifican para el cálculo final de los parámetros hidrogeológicos requeridos:

• Caudal máximo de explotación (Q máx.)
• Transmisividad del flujo subterráneo (T)
• Coeficiente de almacenamiento (S)

Condición de cálculo:

• Para acuíferos libres.
• Para acuífero confinado.
• Para acuífero semiconfinado.
• Para acuífero con recargas verticales (infiltración directa de la precipitación).
• Para acuífero con recarga directa de ríos, lagunas, lagos, embalses.
• Para acuíferos con bordes / fronteras (fallas).
• Para acuíferos en islas.

Condiciones de Borde

En el cálculo hidráulico de las aguas subterráneas se presentan una serie de condiciones isotrópicas y homogéneas, anisotrópicas y limitadas.

Para cada uno de los diferentes acuíferos identificados, se presentan una serie de condiciones de borde que nos indica y definen el tipo de fórmulas a utilizar conociendo sus límites, bordes o fronteras, los cuales pueden ser:

Límites de borde:

• Recarga directa de un río
• Presencia de fallas
• Radio de influencia de otros pozos
• El mar
• Condiciones petrológicas
• Extensión infinita

Recarga directa de un río

En este caso se manifiesta que durante el bombeo se produce una serie de descensos o abatimientos dentro del pozo, estando dentro de un régimen no permanente y de no equilibrio, hasta que su cono de abatimiento alcanza la recarga directa del nivel el río invirtiendo por lo tanto, el flujo del nivel freático, alcanzando de esta manera un estado de equilibrio o de estabilización del nivel de bombeo o del abatimiento dentro del pozo, en el cual el caudal de bombeo está equilibrado con el caudal de recarga por la conexión directa del río.

En este momento la estabilización se convierte en un régimen permanente, en el cual se obtiene una sostenibilidad del acuífero con un abatimiento estable en un tiempo definido.

Presencia de fallas

Las fallas pueden ser:

• Abiertas y permeables
• Abiertas y rellenas de materiales impermeables
• Cerradas con baja permeabilidad
• Cerradas e impermeables

Por lo tanto, las fallas pueden tener diferentes influencias o condiciones de borde:

Si son abiertas y permeables, se pueden convertir en tomas de recargas hacia el acuífero, convirtiéndose el movimiento del agua subterránea en un régimen permanente y de equilibrio, si la falla es impermeable o casi impermeable, la zona de falla será una barrera que interrumpe el avance del cono de influencia, el cual va a evitar una estabilización directa del abatimiento dentro del pozo, manteniéndose en este caso, un régimen no permanente y por lo tanto de no equilibrio, lo cual se observa e identifica con el análisis de una prueba de bombeo, en el cual se observa incidencia si es recarga o si es una barrera.

Una prueba de bombeo se realiza bajo las variables de abatimiento contra tiempo, donde la mayoría de los métodos se utiliza papel similogarítmico, en la cual a la variable del tiempo, tendremos los ciclos logarítmicos, y la variable de abatimiento, una ordenada aritmética.

La curva de estabilización por recarga del río será una curva asintótica con una pendiente horizontal.

Radio de influencia de otros pozos

En un campo de pozos donde puede existir por requerimientos de demanda, cierta cantidad de pozos cuyo radio de influencia durante el bombeo puede interponerse entre sí, realizando así, ciertos efectos en los abatimiento de cada pozo.

Razón por la cual es muy importante calcular inicialmente el radio del cono de abatimiento de cada pozo, lo que significa la ejecución de una prueba de bombeo en forma individual de cada pozo, inclusive tomando mediciones de cualquier posible descenso o abatimiento en los pozos adyacentes.

Sirviendo mucho en estos casos, los sondeos geotécnicos, que han sido utilizados posteriormente como pozos de observación, pero en las lecturas piezométricas de los niveles del agua dentro del pozo de observación, antes, durante y después de la prueba de bombeo; finalmente deberán ejecutarse pruebas de bombeo simultáneas en cada pozo para verificar así la red influencia de afectación de sus conos de abatimiento, y principalmente su nivel dinámico de bombeo máximo adentro del pozo hasta alcanzar su estabilización.

Conexión con el mar

En los pozos, generalmente en las zonas costeras donde tendremos acuíferos libres, se deberá tener cuidado en la ampliación del cono de influencia para evitar el contacto con la intrusión salina, que puede producirse por un bombeo extra que invierta el cono de abatimiento para introducirse agua salada.

Condiciones petrológicas

Pueden existir condiciones petrológicas que consisten en la variación lateral de diferentes tipos de rocas, sus condiciones geotécnicas de dureza, porosidad o permeabilidad y su composición litológica, con respecto a la composición del acuífero en cuyos casos la roca impermeable lateralmente afecta, produciéndose un efecto barrera troncando, la ampliación del cono de abatimiento, cariando así su régimen de movimiento de aguas subterráneas dentro de un sistema no permanente.

Extensión infinita

Esta será una condición homogénea e isotrópica aplicada especialmente para un régimen permanente, de equilibrio de flujo laminar y relacionado principalmente con los acuíferos libres o a la tabla de agua.

La condición de los límites utilizados en los modelos matemáticos de los análisis de las pruebas de bombeo, para este tipo de acuíferos con una extensión horizontal infinita, por lo tanto sus límites serán de cero a infinito.

Conclusiones de las condiciones de borde

De inicio, un acuífero se considera homogéneo e isotrópico (iguales condiciones en el entorno principalmente de tipo físicas e isotrópicas debido a igualdades en su condición geológica), por lo tanto esta condición nos exige un acuífero homogéneo e isotrópico de extensiones infinitas.

Se pueden presentar diferentes condiciones de bordes, limites, fronteras o barreras que pueden ser permeables o impermeables.

Las condiciones de borde pueden ser recargas directas de quebradas, ríos, lagos, lagunas o embalses. En las cuales tendremos un abastecimiento subterráneo que nos definirá un régimen de flujo permanente.

Las condiciones de borde o de frontera podrán ser petrológicas. Debido a las condiciones de discontinuidades geológicas, ya sea por cambios de tipos de rocas, por la presencia de fracturas abiertas o cerradas o la presencia de fallas también cerradas, abiertas o rellenas de sedimentos litificados que presentan una condición impermeable.

Sin embargo, cuando es abierta podrá tener una condición de alta permeabilidad, condiciones que modifican los regímenes de flujos subterráneos manifestando generalmente en estos casos, caudales de flujos no permanentes.

Considerando las diversas condiciones geológicas que se presentan en los acuíferos, presentando diferentes situaciones del movimiento hidráulico subterráneo y partiendo de la base de un acuífero homogéneo, isotrópico y de extensión infinita, por lo tanto el análisis hidráulico de todo este movimiento de las aguas subterráneas es tratado de diferentes puntos de vista de acuerdo a sus limitaciones o condiciones de bordes fronteras o barreras respectivas, seguidamente presentamos las diferentes condiciones:

Condiciones de análisis para cada uno de los regímenes de cada acuífero:

• Flujo no permanente, hacia un pozo que penetra completamente un acuífero confinado.
• Flujo permanente, hacia un pozo que penetra completamente un acuífero artesiano.
• Flujo no permanente, hacia un pozo construido en un acuífero a tabla de agua (acuíferos libres).
• Flujo permanente, hacia un pozo construido en un acuífero libre.
• Flujo no permanente, hacia un pozo que penetra completamente un acuífero semi-confinado.
• Flujo permanente, hacia un pozo que penetra completamente un acuífero semi-confinado.

Para cada uno de estas diferentes condiciones de diferentes regímenes de flujo, se han identificado diferentes fórmulas que han variado algunos parámetros para considerar cada una de las condiciones de borde desde un acuífero con extensión infinita hasta acuíferos o recargas directas por ríos, lagos, lagunas o embalses, por recargas verticales debido a la infiltración directa de la lluvia y también debido a las barreras que se puedan presentar por las discontinuidades geológicas (fracturas o fallas), ya sean estas permeables o impermeables.

Nombres de las ecuaciones de diferentes métodos aplicados a cada una de estas condiciones:

• THEIS
• JACOB
• THIEM
• CHEN
• PAPADOPULUS & COOPER
• GLEE – JACOB
• DUPUIT FOR CHHEMER

Flujo no permanente, hacia un pozo que penetra completamente un acuífero confinado.

De inicio hay que considerar que la perforación de un pozo debe penetrar completamente el espesor de un acuífero, una vez que haya sido determinado el tipo de acuífero.

Considerando un acuífero confinado homogéneo isotrópico y de extensión infinita el cual no está en contacto con ninguna zona de recarga.

Theis

Está basada en un modelo matemático para acuíferos homogéneos e isotrópicos bajo las siguientes condiciones:

• Se considera un acuífero horizontal y de espesor constante (de extensión infinita).
• Caudal de bombeo debe ser constante.
• No hay goteo (debido a que no hay una recarga directa, ni lateral, ni vertical, producto de la infiltración debido a la precipitación se considera que no habrá goteo vertical).
• Se considera el análisis para un diámetro de un pozo pequeño considerando así que no habrá almacenamiento en el pozo, esto significa que si existe influencia en el diámetro del pozo en los cuales se tienen caudales bajos para diámetro pequeños, variando en un diámetro de 6” a 8” en la tubería, para caudales desde 20-150 gpm, para 6” y hasta 300 gpm de 8”; considerándose los diámetro mayores 10”, 12” y 14” de diámetro de tubería para caudales altos de explotación.
• El pozo debe penetrar todo el acuífero.
• Antes del bombeo la carga piezométrica en el acuífero es la misma en cualquier punto del acuífero al considerarlo un acuífero horizontal.
• El almacenamiento en el acuífero es proporcional a la carga hidráulica.
• Flujo permanente, hacia un pozo que penetra completamente un acuífero artesiano.
• Flujo no permanente, hacia un pozo construido en un acuífero a tabla de agua (acuíferos libres).
• Flujo permanente, hacia un pozo construido en un acuífero libre.
• Flujo no permanente, hacia un pozo que penetra completamente un acuífero semi-confinado.
• Flujo permanente, hacia un pozo que penetra completamente un acuífero semi-confinado.

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