tema 5 - instalación de pozos de bombeo

Presentado por

Alfredo M. Huamaní Huaccán, M.Sc.Octubre del 2012

Escuela de Ingeniería de Minas

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSFacultad de Ingeniería Geológica, Minera, Metalúrgica y

Geográfica

Instalación de Pozos de Bombeo

Para el desarrollo de proyectos mineros, es necesario contar con los recursos hídricos tanto para el uso doméstico como para el uso industrial (procesamiento de minerales, perforaciones, regadío de caminos, etc.)

Introducción

La necesidad de la cantidad de agua estará de acuerdo a la escala del proyecto y a los usos y requerimientos principales. Por ejm. Pequeños proyectos (10 l/s) hasta proyectos muy grandes (1000 l/s)

Cuánta Agua se Necesita?

REQUERIMIENTOS PRINCIPALES• Procesamiento de mineral: Una guía general, y conservativa, es 1 m3

agua/tonelada de mineral, pero varía mucho dependiendo del proceso, condiciones de evaporación y medidas de conservación

• Control de polvo: varía dependiendo del tamaño de la operación, y evaporación potencial – normalmente entre 1 y 10 l/s

• Agua doméstica: una guía frecuentemente usada es 200 l/d/p (0.002 l/s/p)

Cuánta Agua se Necesita?

• La calidad del agua será de acuerdo al uso que se le quiera dar (uso doméstico o industrial)• Los requerimientos de agua para procesamiento usualmente son menos restringidos que para el uso doméstico, sujeto a los Estándares de Calidad Ambiental del Agua (ENCAA)

Qué Calidad de Agua?

AGUA SUBTERRÁNEA AGUA SUPERFICIAL

Usualmente es necesario perforar Se encuentra en superficie

Costos capitales: perforación, instalación, reticulación, costos de bombeo (energía eléctrica, mantenimiento, monitoreo, etc.)

Costos para construcción de represa, reticulación, bombeo, mantenimiento y monitoreo

Usualmente más alto SDT, mejor calidad bacteriológica

Usualmente más bajo SDT, peor calidad bacteriológica

Menor probabilidad a contaminación de fuente, pero en caso de contaminación, mayor dificultad para remediación

Más alto potencial de contaminación, en caso de contaminación, facilidad para remediación

No hay pérdidas por evaporación Pérdidas por evaporación

Agua Subterráneavs.

Agua Superficial

VENTAJAS DEL USO DE AGUA SUBTERRÁNEA• Uso complementario – agua de drenaje de mina utilizado para procesamiento o supresión de polvo• Normalmente no requiere costos capitales altos• No tiene pérdidas por evaporación –conservación de agua• Muchas veces una fuente de agua subterránea es más cercano al punto de uso• La calidad bacteriológica y turbidez usualmente es mejor que de las aguas superficiales


Agua Superficial

DESVENTAJAS DEL USO DE AGUA SUBTERRÁNEA

• Incertidumbre ocasional sobre el rendimiento a largo plazo – a veces el agua subterránea no puede satisfacer las necesidades;• A veces los costos de energía pueden ser altos;• Generalmente, el contenido de sólidos disueltos totales (SDT) es mayor que en el agua superficial – el agua puede ser corrosiva o causar incrustación;• El contenido de hierro y manganeso pueden causar manchas o suciedad en los sistemas de distribución.


Agua Superficial

EXPLORACIÓN BÁSICA• Las investigaciones iniciales son para estimar el potencial de abastecimiento de agua de una manera preliminar y para seleccionar puntos de perforación

• Aspectos para tener en consideración:• Selección de zona de investigación• Revisión de información disponible: Sensores remotos y fotos aéreas Datos geofísicos Datos de perforaciones Datos climatológicos

• Usos y demanda actual de agua

Exploración Básica

SELECCIÓN DE ZONA DE INVESTIGACIÓN

• Fuente cercano a los puntos de uso• Minimización de altura de bombeo (importante en los Andes) • Consideraciones de propiedad del terreno• Consideraciones de acceso• Geología favorable• Consideraciones políticas


Dependiendo de la etapa de un proyecto, la información disponible deberá mantenerse al alcance para evitar duplicidades y gastos innecesarios.

Las informaciones necesarias incluyen:• Informes anteriores relacionados • Mapas geológicos• Mapas topográficos• Fotos aéreas• Imágenes satelitales• Registros de usos y usuarios actuales e históricos


REVISIÓN DE INFORMACIÓN DISPONIBLE

• Revisión de mapas: litológicos y estructurales, de isopiezas, de profundidad de la zona saturada, etc.• Estimación de dimensiones de acuíferos potenciales y localizados (parámetros hidrológicos, zonas de recarga y descarga, y calidad de agua)• Localización de zonas de mayor interés y planificación de siguientes etapas de trabajo


REVISIÓN DE INFORMACIÓN DISPONIBLE (Cont…)

Electromagnético aerotransportado

Zona de recarga, pérdida de agua del arroyo

• Las Imágenes Landsat son útiles para evaluar la geología estructural y litología;• La Geofísica aerotransportada para identificar unidades con alta resistividad o unidades magnéticas;• Imágenes Multi-Espectral para identificar zonas de filtraciones y recarga;• Fotos aéreas para ayudar con la identificación de estructuras y unidades hidrogeológicas

Magnéticoaerotransportado


Sensores Remotos y Fotos Aéreas

• Existen datos útiles de taladros de exploración:

• Litología y densidad del suelo• Intersección de zonas de pérdida de circulación o de alta presión (perforación diamantina- tipos de aditivos añadidos)• Intersección de zonas de agua y caudales con pruebas de air-lift (perforación aire-rotacional)• Documentación de los tipos y de las aproximadas cantidades de aditivos de perforación (polímeros, G-stop, bentonita, grasa, etc.)


Datos de Estudios de Exploración por Mineral

• Documentación de condiciones de flujos artesianos• Revisión de testigos, documentación de fracturas, RQD• Medición de niveles piezométricos dentro de taladros de exploración por mineral• Es necesario conservar algunas perforaciones exploratorias (taladros) claves para fines hidrogeológicos –con recomendación de minimización del uso de aditivos


Datos de Estudios de Exploración por Mineral (Cont…)

• Mapeo hidrogeológico – mapeo de rocas y suelos, inventario de manantiales, filtraciones, medidas de flujo base de arroyos, etc. • Inventario detallado de pozos y fuentes, usos y usuarios actuales• Muestreo de manantiales y pozos existentes, análisis químicos• Prospección geofísica


Estudios de Campo

Es necesario tener enconocimiento los usos actuales yla demanda actual de agua en elárea de estudio, para tener unconocimiento línea base para nointerferir ni disminuir en sucantidad ni calidad de los mismos


USOS Y DEMANDA ACTUAL DE AGUA


Qué materiales forman los mejores acuíferos?Material Características Hidráulicas y Tipos de Depósitos

Suelos y SedimentosGrava y Arena Con bajo contenido de limo y arcilla, alto rendimiento y permeabilidad. Depósitos

aluviales, glaciofluviales, lacustrinos, marinos. Agua de buena calidad.

Limo Sin arcilla, alto rendimiento y baja a mediana permeabilidad – más importante por almacenamiento – potencial para compactación. Depósitos lacustrinos y marinos.

RocasCaliza Con rasgos cársticos, alta a muy alta permeabilidad y medio a alto rendimiento; con

fracturamiento, mediana a alta permeabilidad. Agua dura.

Arenisca Permeabilidad secundaria y, a veces, primaria. Mediana a alta permeabilidad y bajo a mediano rendimiento. El agua puede tener alto contenido de hierro.

Basaltos frescos Mediana a alta permeabilidad y rendimiento. Agua con alto contenido de hierro y manganeso.

Tobas silicificadas y riolitas Cuando está silicificada, muchas veces tiene media a alta permeabilidad, bajo a mediano rendimiento. Agua normalmente de buena calidad.

Granitos Normalmente un acuífero marginal – baja a mediana permeabilidad, bajo rendimiento. Agua muchas veces con alto contenido de hierro.


Los estudios geofísicos preceden o se realizan paralelamente a los estudios hidrogeológicos

La geofísica no puede indicar directamente las características hidrogeológicas, por lo que tiene que ser complementado con un análisis geológico e hidrogeológico

Sirve para hacer las interpretaciones de las variaciones en las constantes físicas del terreno, se relaciona con la geología, y finalmente con la hidrogeología


DATOS GEOFÍSICOS

Resistividad Superficial• Probablemente el método más útil para exploración de agua subterránea• Frecuentemente usado para exploración de mineral• En suelos, una resistividad alta puede indicar un bajo contenido de arcilla y agua dulce – particularmente útil en depósitos aluviales • En suelos, una resistividad alta pude indicar zonas de silicificación, que frecuentemente contienen fracturas abiertas y no cerradas de arcillas

Veta

Zonas de Silicificación

Zona de Meteorización Pozo productivo (20 l/s) Resistividad aparente (Ω-m)


• La precipitación y la evapotranspiración son los factores cuantitativamente más importantes en el balance hídrico de una región para determinar la recarga• Los cálculos de evapo-transpiración potencial y real pueden hacerse por distintos métodos empíricos (Penmann, Turc, Thornthwaite, etc.)• La recarga disponible normalmente se incrementa con altura• La acumulación de agua en forma sólida en las cumbres (nieve, hielo) representan un abastecimiento considerable

•


DATOS CLIMATOLÓGICOS

• Conocimiento pormenorizado del acuífero (permite resolver una demanda de agua concreta)• Normalmente incluye la perforación e instalación de pozos de exploración o de prueba-producción, pozos de observación, realización de ensayos hidráulicas y muestreo de agua

Exploración Avanzada

EXPLORACIÓN AVANZADA

• Formación favorable para producir agua• Normalmente profundidad mínima al agua• Geología estructural importante – estructuras abiertas (dilatantes), sin arcilla – frecuentemente en roca silicificada o rocas carbonatadas• Experiencia anterior de perforación por mineral (revisión de testigos, reportes de perforación), experiencia con otros pozos de abastecimiento o monitoreo en el área circundante• Datos geofísicos


SELECCIÓN DE PUNTOS DE PERFORACIÓN

QUÉ TAMAÑOS DE PERFORACIÓN E INSTALACIÓN?• Cuál es el rendimiento por profundidad?

Rendimiento (l/s) Diámetro de Bomba (mm)

Diámetro Optimo de Tubería (mm)

Diámetro Mínimo de Tubería (mm)

< 5 Hasta 102 Hasta 152 Hasta 127

5 a 10 125 203 152

10 a 20 152 254 203

20 a 40 203 305 254

40 a 60 254 356 305

60 a 100 305 406 356

• Agregar, como mínimo, 100 mm al diámetro de perforación si se utiliza instalación convencional


Pozos de Exploración o Prueba-Producción:• Cuando los datos indican un alta probabilidad de éxito, se efectúan perforación e instalación de pozos de prueba-producción directamente (ejm. en acuíferos ya explotados)• Cuando existe significante incertidumbre sobre el rendimiento del pozo, se efectúan perforaciones exploratorias con un diámetro menor (ejm. 125 a 150 mm)Pozos Verticales, Inclinados y Horizontales:• Los pozos verticales son más estables, y usualmente más rectos• Los pozos inclinados (usualmente entre -70º y -90º) pueden cortar fracturas productivas sub-verticales, mejorar el rendimiento, pero son más complicados para su instalación; uso de bombas sumergibles (no del tipo turbina)• En el futuro (con los avances) los pozos horizontales o sub-horizontales podrían ser los más importantes.


MÉTODOS DE PERFORACIÓN GENERAL

Pruebas de Rendimiento Durante Perforación• Ayuda con el diseño del pozo• Pruebas de bombeo con aire o con bomba sumergible• Inyección de agua• Las pruebas de air-lift o bomba sumergible permiten monitorear la

calidad del agua en profundidad

Inyección de Agua

Prueba de Air-Lift


Rendimiento a largo plazo

• Es importante considerar el rendimiento a largo plazo al principio de la investigación• Rendimiento de un pozo controlado a:

• corto plazo (minutos a días) para las condiciones hidráulicas circundantes al filtro del pozo;• mediano plazo (días a meses) para los límites del acuífero;• largo plazo, para la recarga disponible al pozo.

Límite de acuífero

Recarga


Construcción Típica de un Pozo de Abastecimiento

sello superficial (cemento/bentonita)

tubería del pozo (hierro o PVC)

nivel dinámico

taladro

filtro de acero inoxidable o PVC(ranurada o “wire-wound”)

depósito

filtro de grava o arena gruesa

casing de superficie

derrumbes



DISEÑO DE POZOSTubería (Casing):1. Debe tener fuerza de tensión y compresión por la

profundidad de instalación2. Debe ser resistente a la corrosión – las opciones

incluyen mayor espesor, composición de PVC, fibra de vidrio, acero inoxidable o aleaciones

Filtro de Grava Artificial:1. Debe ser de material no-reactiva (ejm. cuarzo)2. Preferentemente granos redondos3. Coeficiente de uniformidad al mínimo de 5 (mejor

de 2)4. El filtro debe retener al mínimo 90% de grava5. Debe extender al mínimo una distancia de 15% del

largo del filtro (encima)


Diseño de Filtros de PozosPropósito del Filtro:

1. Permitir ingreso de agua (no sedimentos) 2. Permitir desarrollo del pozo (limpieza de partículas de las paredes

del pozo y del acuífero para mejorar rendimiento)

Tipos de Filtros Comunes y eficaz de “jetting”

• Mas área abierta, mejor desarrollo y rendimiento, eficiente; filtro de alambre continuo mas área abierta

• Tubo ranurado muchas veces suficiente para pozos en roca con rendimiento bajo

• Debe considerar fuerza de tensión y compresión requerido

• Considerar el potencial de corrosión del pozo – materiales incluyen acero inoxidable, aleaciones y plástico (PVC)


MÉTODOS DE INSTALACIÓN

Pozo abierto vs. instalación dentro de casing:

• En pozos sin apoyo (ejm. de aire rotacional), hay riesgos de derrumbes y problemas de instalación• Es importante instalar los pozos en forma colgada, agregando grava y cemento al pozo en esta posición para maximizar con la verticalidad (rectitud) del pozo


MÉTODOS DE INSTALACIÓN (Cont…)Filtro Normal (Grava Artificial) o Filtro Telescópico (Grava Desarrollado):• La norma en Perú es el uso de grava introducido entre el pozo construido y las paredes del sondaje; requiere un sondaje entre 50 y 100 mm más grande que el pozo• Un método común usado en Norte América en suelos es la instalación de filtros telescópicos y desarrollo de un filtro natural• El casing de perforación y el casing de pozo son lo mismo; el filtro está diseñado para permitir el ingreso al pozo del 60 a 70% de la formación – generalmente menos costoso para la instalación de un pozo de abastecimiento

Instalación de filtro telescópico Filtro de grava natural

Beneficio de sección “V”



Propósitos:1. Mejorar el rendimiento del pozo2. Reducir el contenido de sólidos

suspendidos – condición libre de arena, para no dañar la bomba

Bombeo con aire

Herramientas de inyección a chorro

Métodos Comunes:1. Bombeo con aire2. Bombeo con bomba sumergible3. Pistoneo/Succión (Surging)4. Inyección a chorro5. Uso de ácido (rocas carbonatadas)

DESARROLLO DE POZOS


ESPECIFICACIONES DE SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO

Explotación de Agua Subterránea

Carga Dinámica Total (CDT) = Carga de Bombeo + Pérdidas por Fricción + Presión de Entrega

Especificación de una bomba, tubería de impulsión y tubería en superficie. Se considera:

• Caudal requerido• Carga Dinámica Total (CDT) • Tamaño de pozo• Calidad de agua

tubería de impulsiónVálvula check

impulsores

motor

cable

cubierta

cabeza

filtro


Bombas Sumergibles• Flexible – rectitud no tan

crítico, puede ser inclinado • Costos capitales (instalación y

mantenimiento) relativamente bajo y entrega rápida

• Diseños con altas cargas (500 m o más)

• Sirve para pozos pequeños• Diseños disponibles

resistentes a la corrosión


EFICIENCIA DE UN POZO• Eficiencia de un pozo = Descenso en acuífero/Descenso en pozo• Pérdidas hidráulicas: en el acuífero cerca del pozo (usualmente más

importante) y en la punta de entrada del pozo• Costos de energía mayores• Desarrollo de un pozo ayuda para mejorar eficiencia

Tajo Abierto

Napa Freática Antes de Drenaje

Napa Freática actual

Napa Freática sin pérdidasNivel

Dinámico

Pérdidas de acuífero y pozo

Rendimiento a Largo Plazo


• Los rendimientos de muchos pozos pueden ser dañados por sobre-explotación

• Causas incluyen subsidencia, ingresos de aire, precipitación de minerales o crecimiento de bacterias

• Predicción de rendimiento a largo plazo en vista de: Extrapolación de datos de

prueba de bombeo (mejor pruebas de larga duración);

Consideración de límites del acuífero; y

Consideración de recarga disponible.

Prueba de Descarga Constante Test DW-6Pozo de Bombeo

0

5

10

15

20

25

30

35

401 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000

Tiempo Desde Inicio de Bombeo (min)

Des

cens

o (m

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Cau

dal (

L/s)

Descenso Manual

Descenso Transducer

10 Años

Descenso MinimoDisponibleCaudal

Componentes de Drenaje de Mina

Nivel Freático/ Piezométrico

SuperficiePotenciométrica

Estrato Impermeable

Pozos de Drenaje/ InterceptoresPozos de Depresurización

Pozo de DrenajeHorizontal

Ingreso de Agua Pasivo

Residual

Métodos de Drenaje de Mina

• Pozos Perimétricos• Pozos Interiores• Pozos Interiores Horizontales• Galerías de Drenaje

• Sumideros Interiores

Métodos Activos

Métodos Pasivos


Galería de Drenaje con Pozos de Drenaje

Límite Final del TajoPozos Direccionados

Pozos Interiores

Sumidero

Pozos Perimétricos

Pozos de Drenaje“Horizontales”

Sumidero

Galería de Drenaje con Pozos de Drenaje


Pozos Perimétricos• Usualmente tiene larga vida (vida de la Mina)• Amplio Espacio para Perforación• Se puede instalar antes del Minado• Logística Simple• Intercepta Ingresos de Agua Laterales

• Los impactos al centro del Tajo pueden ser limitados• Usualmente debe ser más profundo (mayor costo)• Podría estar en rocas menos permeables

• Flujo al Tajo es lateral• Tajos Pequeños

Ventajas

Desventajas

Mejor Aplicación


Pozos Interiores

• Crea los mejores descensos en los Tajos• Ubicados en Zonas de Mineralización con alta K• Relativamente somero• Intercepta ingresos de agua verticales

• Deficiencia en los alrededores del Tajo• Corta vida• Potenciales problemas de perforación• Sólo puede ser instalado después del inicio de la Mina

• En Tajos muy simétricos

Ventajas

Desventajas

Mejor Aplicación


Ejemplos de Pozos Interiores

Zona de Falla

Zona de Falla


Sumideros Interiores

• Baratos• Captura de agua mínima• Movible

•Mantenimiento Constante• Produce Agua Turbia (requiere tratmiento)

• Relativamente poca cantidad de agua

Ventajas

Desventajas

Mejor Aplicación


Drenajes Horizontales Interiores

• Incrementa la estabilidad del talud del Tajo• Drenaje – Despresurización por estructuras•Drenaje Pasivo• No necesita una ubicación especial• Barato

•Drenaje/Despresurización restringido al área• Instalación después del minado

• Tajos Profundos• Roca de baja permeabilidad• Roca altamente anisotrópica

Ventajas

Desventajas

Mejor Aplicación


Galerías de Drenaje

• Drenaje por debajo de la Mina o detrás del talud•Puede interceptar estructuras en ángulos óptimos• Puede colectar grandes cantidades de agua

• Alto costo de excavación• Largo tiempo de construcción

• Larga vida de Mina• Buenas condiciones de tunelería

Ventajas

Desventajas

Mejos Aplicación


tema 5 - instalación de pozos de bombeo

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