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1.10: Pozos

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    153092
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    Resultados de aprendizaje de los estudiantes

    Después de leer este capítulo, deberías poder:

    • Explicar los diferentes sistemas de agua subterránea
    • Identificar los componentes sobre el suelo y debajo del suelo de un pozo
    • Describir los diferentes métodos de perforación de pozos

    Fuentes de Abastecimiento

    El agua subterránea es una de las fuentes de suministro de agua potable más importantes en todo Estados Unidos. Debajo de la superficie terrestre, hay formaciones de suelo donde el agua puede extraerse en grandes volúmenes. Estas formaciones de suelo subterráneo se denominan acuíferos. Un acuífero es una capa subterránea de formaciones rocosas permeables que contienen agua o materiales no consolidados como arena y grava.

    Acuíferos

    Existen dos tipos principales de sistemas subterráneos (llamados acuíferos) donde se almacena el agua y se puede extraer. Estos se llaman:

    • Acuífero no confinado: una capa subterránea natural de materiales porosos que contienen agua (estratos) (arena, grava) generalmente capaces de producir una gran cantidad de suministro de agua
    • Acuífero Confinado — Una capa subterránea natural de materiales porosos que contienen agua (arena, grava) separados por capas impermeables de materiales (arcilla)
    Recorte acuífero
    Figura\(\PageIndex{1}\): La imagen del USGS es de dominio público

    Los espacios y fracturas en los materiales geológicos subterráneos almacenan agua que se puede extraer. Este material puede clasificarse como consolidado o no consolidado. Los sistemas acuíferos consolidados son menos comunes y consisten en materiales como arenisca, esquisto, granito y basalto. El material geológico subterráneo más común contiene sedimentos no consolidados que contienen material granular como arena, grava, limo y arcilla. Los acuíferos aluvios (depósitos de arena, grava y limo por los ríos son algunos de los acuíferos no confinados más comunes. Dado que estos sistemas acuíferos generalmente se encuentran dentro de los lechos de los ríos, tienen una conexión directa con la superficie del suelo y por lo tanto son más susceptibles a la contaminación. Cualquier contaminación depositada en la superficie del suelo tiene el potencial de percolar (“gotear”) los sedimentos en el acuífero.

    Wells

    Para extraer agua del suelo, se debe perforar un pozo. Un pozo de agua subterránea es una estructura construida en el suelo a través de diversos métodos para extraer o bombear agua de acuíferos subterráneos. Pueden ser tan simples como un agujero profundo con soportes para evitar que el agujero se colapse y el agua se retira usando un balde. O, pueden tener miles de pies de profundidad y estar construidos con columnas de refuerzo de acero y usar bombas para extraer el agua. Independientemente del tipo de pozo, esta fuente es un recurso importante para las comunidades de todo el mundo. En esta sección, nos centraremos en los pozos de agua subterránea de utilidad de agua.

    pozo de agua subterránea
    Figura\(\PageIndex{2}\): La imagen de Didiervberghe es de dominio público
    Bomba de agua manual en India
    Figura\(\PageIndex{3}\): Imagen de la Secretaría de SuSanA está licenciada bajo CC BY 2.0

    Hay tres (3) tipos principales de pozos de agua subterránea. Estos pueden describirse como:

    • Pozos perforados o poco profundos: Estos generalmente se perforan en una fuente de agua no confinada, generalmente se encuentran a profundidades de cien (100) pies o menos.
    • Pozos consolidados o rocosos: Estos se perforan en una formación que consiste enteramente en una formación rocosa natural que no contiene suelo y no colapsa. Estos suelen rondar los doscientos (250) pies.
    • Pozos no consolidados o de arena: Estos son el tipo más común de pozos de agua potable y se perforan en una formación de suelo, arena, grava y material arcilloso. De no apoyarse, estos pozos colapsarán sobre sí mismos.

    Componentes de Pozo

    Hay componentes tanto subterráneos como sobre el suelo a un pozo. Estos componentes canalizan el agua hacia una tubería, levantan el agua desde debajo del suelo y permiten que el agua fluya por encima del suelo y hacia un sistema de distribución. Primero, veremos las características superficiales sobre el suelo de un pozo, estas son:

    • Ventilación de carcasa de pozo
    • Tubo de grava
    • Tubo de sondeo
    • Pedestal de bomba
    • Base del motor de la bomba
    • Grifos de muestreo
    • Válvula de ruptura de vacío de liberación de aire
    • Línea de drenaje (Descarga a residuos)

    Ventilación de carcasa de pozo

    Cuando un pozo está en funcionamiento, el agua en el pozo comienza a subir en la tubería de columna del pozo. Sin embargo, existe un espacio de aire entre el agua y donde se bombea el agua. Este “aire” necesita ser liberado de la tubería de columna. La ventilación de la carcasa del pozo proporciona esta liberación. Previene las condiciones de vacío dentro de un pozo al admitir aire durante el período de extracción cuando la bomba del pozo se inicia por primera vez y evita la acumulación de presión dentro de una carcasa de pozo durante al permitir que el exceso de aire escape durante el período de recuperación del pozo después de que la bomba del pozo se apague.

    Tubo de Grava

    Cuando se perfora un pozo, se baja una tubería al suelo. El agua entra en esta tubería desde el suelo circundante. Queremos que el agua entre al pozo, pero no queremos que el suelo circundante (arena) entre al pozo. La grava se utiliza como barrera entre el suelo circundante fuera de la carcasa y el agua que ingresa a la carcasa. Se instala un tubo de grava para monitorear el nivel de grava dentro del pozo y agregar grava adicional según sea necesario.

    Tubo de Sondeo

    Un tubo de sondeo es un tubo (tubería) que se instala en la carcasa del pozo para permitir la medición de los niveles de agua subterránea dentro de un pozo. Existen varios métodos para medir la profundidad hasta el agua subterránea, que incluyen dispositivos de medición automáticos y métodos manuales. El medio más simple para medir el nivel de agua subterránea debajo de la superficie del suelo (bgs) es con un cable bajado a un tubo de sondeo, el cual tiene marcas que identifican distancias en varios incrementos (pulgadas). El cable está conectado a una luz o señal y cuando la parte inferior del cable toca el agua se producirá una señal de sonido o luz. Otros medios para medir la profundidad hasta el agua subterránea incluyen transductores electrónicos y medición del nivel de agua de las aerolíneas. La medición del tubo de la línea aérea se realiza bajando un tubo en el pozo, suministrando presión de aire al tubo y midiendo la presión con un manómetro. Cada libra por pulgada cuadrada de presión equivale a 2.31 pies. Además de medir los niveles de agua subterránea, los tubos sonoros pueden usarse para agregar cloro u otros agentes químicos desinfectantes o de tratamiento en un pozo.

    Pedestal de bomba

    El respiradero de la carcasa del pozo, el tubo de grava y el tubo de sondeo están encerrados dentro de un pedestal de bomba de concreto. Un pedestal de bomba está diseñado para soportar todo el peso de la unidad de bombeo. El concreto se debe verter continuamente con refuerzo de acero para minimizar las grietas y brechas en el concreto. Las fracturas en el concreto podrían exponer el interior del pozo a aguas superficiales y otros contaminantes potenciales. Un pedestal de bomba también debe estar un mínimo de 18 pulgadas por encima de las elevaciones terminadas de la almohadilla del pozo.

    Base del motor de la bomba

    En el punto donde el motor descansa sobre el pedestal, debe tener un sello estanco. Este sello es comúnmente proporcionado por una junta de goma de neopreno. Esto establece un sello de barrera entre la base del motor y el pedestal de la bomba de concreto.

    Machos de muestreo

    Línea de Drenaje (Descarga a Residuos)

    Estos son solo algunos de los componentes más comunes sobre el suelo de un pozo. Hay otras características, pero no serán cubiertas en este texto. Los siguientes elementos son una lista de algunas características subterráneas de un pozo.

    Carcasa

    Una carcasa es una tubería resistente e impermeable colocada en un pozo para evitar que las paredes del suelo circundante se derrumben en el pozo. Una carcasa también está diseñada para evitar que el agua drene en un pozo desde profundidades específicas.

    Carcasa del conductor

    Cuando se perfora un pozo, las partes superiores del suelo circundante tienden a estar sueltas y se usa una carcasa conductora para soportar las operaciones de perforación. Se trata de una estructura tubular entre el agujero perforado y la carcasa interna completada en la porción superior de un pozo.

    Sello anular

    Otro medio para evitar que el agua superficial entre en un pozo es el sello anular. Un sello anular o sanitario es una lechada de cemento instalada entre la carcasa del pozo y la carcasa del conductor, el espacio entre la carcasa del conductor y el pozo, o el espacio entre la carcasa del pozo y el pozo dependiendo del pozo. Este sello también protege la carcasa del pozo o la carcasa del conductor contra la corrosión exterior. Se utilizan tres (3) tipos de lechada; lechada de cemento puro, lechada de cemento y arena y arcilla de bentonita.

    Sección de admisión

    El agua ingresa a un pozo a través de una sección de toma. Esta porción de un pozo está diseñada para permitir que el agua ingrese a la cubierta del pozo y evitar que entre el suelo circundante. Los siguientes ítems son características generales de una sección de admisión debidamente diseñada:

    • Ranuras/pantalla que no obstruyen
    • Resistente a la corrosión
    • Suficiente resistencia al colapso
    • Resistente a incrustaciones
    • Baja pérdida de cabeza
    • Evitar la entrada de arena

    Hay cinco (5) tipos comunes de secciones de ingesta de un pozo. Estos incluyen:

    • Pantallas de pozo
    • Ranuras de corte de molino
    • Persianas formadas
    • Ranuras de corte por antorcha/corte de cincel
    • Ranuras mecánicas

    Las pantallas de pozo generalmente están construidas de acero inoxidable, metal monel, aleación especial de níquel, latón rojo de silicio, latón rojo, acero aleado especial y plástico. Están divididas en tres (3) categorías principales que incluyen ranuras continuas, barras y pantallas enrolladas con alambre.

    Las ranuras de corte de molino suelen estar hechas del mismo tipo y diámetro que la carcasa. Las aberturas son fresadas a máquina (cortadas) en la pared de la tubería de revestimiento paralelas al eje de la carcasa y espaciadas uniformemente alrededor de la tubería de revestimiento.

    Las rejillas formadas se mecanizan horizontalmente al eje de la carcasa con las aberturas orientadas hacia abajo. Se conforman para crear un flujo ascendente a medida que el agua entra en un pozo y se colocan juntas en filas verticales.

    Las ranuras cortadas con antorchas no son muy comunes. Son relativamente simples de crear, pero muy difíciles de controlar el tamaño de las aberturas. Esto tiene una tendencia a producir cantidades excesivas de arena.

    Las ranuras mecánicas generalmente se ranuran después de que el pozo ha sido perforado. Las aberturas se realizan frente a las formaciones acuáticas por medio de una herramienta perforadora de entubado que se baja en el pozo y se activa desde la plataforma de perforación. Una desventaja principal de este proceso es que las aberturas no pueden estar muy cerca.

    Diagrama de flujo de agua
    Figura\(\PageIndex{4}\): Fuente: Adaptado por LACSD de la Tarea 2A - Desarrollo Modelo Conceptual Oriente y Subcuencas Piru Informe Final de CH2M HILL 2006

    Perforación de Pozos

    Para que el agua sea extraída de un acuífero, se debe construir (perforar) un pozo. Existen varios métodos de perforación de pozos. Los métodos más comunes incluyen:

    • Herramienta de cable
    • California - Pipa para Estufas
    • Rotativo Directo
    • Rotatorio de circulación inversa
    • Rotativo de Aire

    Método de herramienta de cable

    El método de herramienta de cable de perforación de pozos también se conoce como el método de “percusión”. Este método implica el levantamiento y caída de una pesada cadena de herramientas de perforación en el pozo. Las herramientas de cable pueden pesar más de una (1) tonelada y la broca rompe o aplasta la roca consolidada en fragmentos cada vez más pequeños. En roca no consolidada la broca afloja y rompe el material. La acción recíproca de las herramientas mezcla los materiales triturados y aflojados con agua para formar una suspensión en el fondo del pozo. La lechada necesita ser removida y se hace con el uso de una bomba de arena o bailer. El equipo de perforación para herramientas de cable consta de cinco (5) componentes; broca, vástago de perforación, tarros de perforación, enchufe giratorio y cable.

    California - Pipa para Estufas

    Este método es similar al método de la herramienta de cable. La diferencia es que un bailer pesado se utiliza tanto como broca como bailer. A este pesado bailador se le conoce como una ceja de barro. La carcasa de estufas es lo que también distingue a este método de otros. Utiliza acero laminado en longitudes cortas proporcionando resistencia adicional, en lugar de usar acero estándar. Los gatos hidráulicos se utilizan para forzar la carcasa hacia abajo en lugar de impulsar la carcasa con herramientas de impacto. Una vez que la carcasa está a la profundidad deseada, se usa un perforador para perforar agujeros en la tubería opuesta a la formación acuícola.

    Rotativo Directo

    A medida que avanzaban las tecnologías de perforación, aumentó el deseo de velocidades de perforación más rápidas y mayores profundidades de perforación. El método de rotación directa utiliza una broca giratoria. Los cortes se eliminan por el movimiento de circulación continua de un fluido de perforación a medida que la broca penetra en la formación. La broca está unida a un extremo inferior de una tubería de perforación de sarta, que transmite la acción giratoria de la plataforma a la broca. El fluido de perforación se bombea hacia abajo a través de la tubería de perforación y hacia fuera a través de los puertos o chorros en la broca. El fluido fluye hacia arriba en el espacio anular entre el orificio y la tubería de perforación, llevando los recortes en suspensión a la superficie.

    Rotatorio de circulación inversa

    El método de perforación rotatoria de circulación inversa fue diseñado para superar las limitaciones en el diámetro y las profundidades de perforación. En este método, tanto el agua como el aire se utilizan como fluido de perforación y se invierte la dirección de rotación de la perforación. Como resultado de esta dirección, el fluido de perforación y la carga de esquejes se mueven hacia arriba dentro de la tubería de perforación y son descargados por la bomba a un pozo de sedimentación.

    Rotativo de Aire

    En materiales sólidos consolidados, las prácticas estándar de perforación son más difíciles. Por lo tanto, a menudo se emplea un método de rotación de aire. Este proceso utiliza aire comprimido como fluido de perforación en lugar de lodo de perforación. El aire circula a través del centro de la tubería de perforación a través de los puertos de la broca. Para romper el material consolidado, se necesitan presiones de 100 a 250 libras por pulgada cuadrada (psi). El proceso de eliminación de los esquejes requiere velocidades ascendentes del aire de al menos 3,000 pies por minuto son necesarias.

    Pozos poco profundos

    En algunas zonas, los niveles de las aguas subterráneas son muy poco profundos. Estos suelen estar en áreas adyacentes a lechos de ríos y lagos corrientes. En estas zonas, el agua superficial del río y del lago podría ser utilizada como suministros para beber. Sin embargo, las aguas superficiales requieren una cantidad significativa de tratamiento para eliminar la turbidez (sedimento). Esto puede ser bastante costoso. Uno de los beneficios de las aguas subterráneas es la filtración natural que proporcionan las formaciones geológicas. En estas áreas, a menudo se utilizan pozos colectores poco profundos. Las trincheras se cavan alrededor de diez (10) a veinte (20) pies de profundidad y la tubería tamizada se coloca horizontalmente a la orilla del río o lago. Dependiendo del tipo de suelo circundante, estas tuberías suelen ser impulsadas radialmente. Los caissons (estructuras de retención estancas) se utilizan para acceder al fondo de un arroyo u otro cuerpo de agua. Un tipo de colector poco profundo común es un Ranney.

    Aquí hay una animación de un pozo construido.

    Bombas de Pozo

    Se deben definir algunos términos antes de discutir la clasificación y los tipos de bombas utilizadas para pozos. Estos términos son términos generales relacionados con el lado de entrada y salida de todas las bombas. La presión es el concepto de una fuerza continua que se ejerce sobre o contra un objeto, mientras que la “cabeza” se usa comúnmente porque evalúa la capacidad de una bomba para hacer un trabajo. Para esta discusión, tanto la presión como la cabeza se considerarán intercambiables. La presión se expresa como libras por pulgada cuadrada (psi) y la cabeza se expresa en pies.

    Cabezal de succión, elevación de succión y cabezal de descarga

    El lado de entrada de una bomba se conoce como cabezal de succión o elevación de succión. Succión, refiriéndose al aspecto de “succión” o extracción de un fluido que ingresa a una bomba. Si el fluido está por encima del lado de entrada de una bomba, se le conoce como cabezal de succión. Esto se debe a que el fluido está proporcionando presión al lado de entrada o succión de una bomba. En esencia, está ayudando a que la bomba empuje el agua a través de la bomba y hacia el lado de descarga de la bomba. Si el fluido que se bombea está por debajo del lado de succión, entonces la bomba tiene que “succionar” o levantar el agua hasta la bomba. Esto se conoce como elevación de succión. El cabezal de descarga se refiere al lado de salida de una bomba, que está “empujando” el fluido hacia afuera.

    Existen dos clasificaciones principales de bombas para pozos: desplazamiento positivo y desplazamiento variable. Los tipos comunes de cada uno incluyen:

    • Pistón (desplazamiento positivo)
    • Rotativo (desplazamiento positivo)
    • Centrífugo (desplazamiento variable)
    • Turbina (desplazamiento variable)
    • Chorro (desplazamiento variable)

    Las bombas de pozo de desplazamiento positivo entregan el mismo volumen o flujo de agua contra cualquier presión de carga dentro de la capacidad operativa. Los tipos típicos son las bombas de pistón (reciprocantes) y las bombas de desplazamiento de tornillo o compresión (diafragma).

    Las bombas de pozo de desplazamiento variable entregan agua con el volumen o flujo que varía inversamente con la cabeza (cuanto mayor es la cabeza, menor es el volumen o flujo) contra la que están operando. Los tipos principales son bombas centrífugas, de chorro y de transporte aéreo.

    Hay varios usos para cada tipo de bomba en toda la industria de servicios de agua. Sin embargo, las bombas de turbina se utilizan predominantemente para pozos de agua subterránea. Dado que el agua subterránea se encuentra a diferentes profundidades debajo del suelo, solo es lógico pensar que podría haber diferentes tipos de bombas de “turbina” para levantar esta agua del suelo.

    • Bombas de Pozo Poco Profundo — Cuando se construye un pozo en sistemas acuíferos poco profundos. Poco profundo puede ser un término relativo, pero en este contexto supongamos que se encuentra dentro de los cincuenta (50) pies bajo la superficie del suelo. En estas circunstancias, se instalaría una bomba de pozo poco profundo sobre un pozo. Tomaría agua del pozo por elevación de succión. El problema crítico es que el nivel del agua debe estar dentro de la capacidad de “elevación” de la bomba
    • Bombas de pozo profundo — Dado que muchos pozos se perforan a más de cincuenta (50) pies, la mayoría de las bombas no pueden “levantar” el agua por encima de estas profundidades cuando se instalan sobre un pozo. Por lo tanto, se utilizan bombas de pozo profundo. Este tipo de bombas de turbina tienen una serie de cuencos de bomba instalados en un pozo con la sección de entrada (succión) de la bomba sumergida por debajo del nivel de bombeo en un pozo.

    Dado que las presiones se pueden expresar tanto en unidades de psi como en pies, es necesario que haya una manera de convertir entre las dos. Una libra por pulgada cuadrada equivale a poco más de dos pies. Vea el ejemplo a continuación.

    • 1 psi = 2.31 pies (cabeza)

    Si una bomba tiene un cabezal de descarga de 100 psi, ¿a cuántos pies equivale esto?

    • 100 psi12.31 pies1 psi=231 pies

    Si bien este texto discute aspectos de cálculos matemáticos relacionados con el agua, se aconseja tomar cursos específicos en matemáticas de obras hídricas.

    Medición de niveles de agua subterránea

    Un conjunto importante de datos asociados con los pozos de agua subterránea es la medición del agua debajo de la superficie del suelo. Hay dos mediciones comunes en un pozo de agua subterránea: estática y bombeo. El nivel estático del agua dentro de un pozo es la profundidad del agua debajo de la superficie del suelo cuando un pozo no está funcionando. En contraste, el nivel de bombeo es la medida por debajo de la superficie del suelo cuando un pozo está funcionando. El siguiente diagrama ilustra estos dos términos.

    Diagrama que muestra cómo se mide el agua subterránea mediante niveles estáticos y de bombeo
    Figura\(\PageIndex{5}\): La imagen de COC REA está licenciada bajo CC BY 4.0

    En este diagrama, hay varios otros términos importantes. La reducción es la diferencia entre los niveles de agua de bombeo y estática. Este nivel identifica la distancia que baja el nivel del agua cuando un pozo está apagado y cuando está funcionando. También se representa en el diagrama algo que se conoce como el cono de depresión. El nivel del agua en un acuífero solo se ve afectado por un pozo que corre dentro de cierta área alrededor del pozo. Esta zona de “depresión” tira el agua hacia abajo más profundamente más cerca del pozo y cuanto más lejos del pozo el efecto es menor. De ahí que se produzca un efecto en forma de “cono”. La distancia desde el centro de un pozo hasta el área más alejada donde ocurre el efecto de depresión se conoce como el radio de influencia. Estas mediciones ayudan en el análisis de la salud del acuífero subyacente y la eficiencia de un pozo.

    Preguntas de muestra

    1. Si se utiliza un dispositivo de medición de la línea aérea para medir la profundidad a las aguas subterráneas muestra una presión de 125 psi, ¿cuál es la profundidad en pies?
      1. 125 pies
      2. 289 pies
      3. 54 pies
      4. Ninguna de las anteriores
    2. Un acuífero no confinado es ___________.
      1. Más susceptible a la contaminación que un acuífero confinado
      2. Menos susceptible a la contaminación que un acuífero confinado
      3. Normalmente en lo profundo de la corteza terrestre
      4. No es una fuente común de agua para una empresa de servicios de agua
    3. Se utiliza un tubo de sondeo ___________.
      1. Para saber si un motor está funcionando correctamente
      2. Para probar el flujo de un pozo
      3. Medir la profundidad al agua subterránea dentro de un pozo
      4. Para ver si un pozo funciona correctamente
    4. ¿Cuál de los siguientes materiales no es una pantalla de pozo común?
      1. Acero inoxidable
      2. Hierro
      3. Monel metal
      4. Aleación especial de níquel
    5. El sello anular es comúnmente hecho de ___________.
      1. Plástico
      2. Acero
      3. Arcilla de bentonita
      4. Todo lo anterior

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