Hidrogeología

Aspectos Técnicos de la Exploración y Explotación de Aguas Subterráneas

Master de Ingeniería del Agua Tema x.x. Jordi Delgado Martín E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos

Sondeos

Universidade da Coruña

Reconocimiento del Subsuelo

Métodos Directos

Métodos directos Calicatas Pozos y zanjas Sondeos

Métodos mixtos

Diagrafías y testificación geofísica de sondeos

Muestras inalteradas

Métodos indirectos

Métodos geofísicos Teledetección y sensores remotos

Calicatas, pozos y zanjas de exploración 3

4

1

Otros Métodos de Exploración

Rotación Manual

Retroexcavadora

Barrenas manuales Barrenas automáticas (operados manualmente) 5

Barrenas manuales a rotación

6

Perforación de Sondeos

Sondeos en Suelos y Rocas

A medida que se realiza la perforación, el fluído de perforación circula hacia abajo a través del eje del sondeo y hacia arriba a lo largo del espacio anular entre el varillaje de perforación y el entubado. El fluído de perforación tiene varias funciones:

Sondeos en Suelos Técnicas de perforación Muestreo (muestras inalteradas) Gestión de muestras

Sondeos en Rocas Técnicas con y sin recuperación de testigo Testificación (logging) del sondeo

Actúa como refrigerante y lubricante de la boca de corte. Actúa como medio de transporte para los cuttings. Proporciona una presión que compensa las presiones de la formación sobre el entubado

7

castillete varillaje

fluído de perforación

bomba de lodos

cuttings y fluído rechazado

boca 8

2

Sondeo Continental Profundo KTB

Sondeo Continental Profundo KTB

Kontinentalen Tiefbohrung

Proyecciones horizontal y vertical de los dos sondeos de gran profundidad KTB (pozos VB y HB). Las distancias se expresan en metros. La línea discontinua representa una rama antigua cementada del sondeo KTB principal 9

Orientación del Sondeo

10

Sondeos Nombre Ø taladro (in) Ø testigo (in) 6x7–¾ 7–¾ 6 5–½x4 5–½ 4 3 – 7/8 x 3 – ¾ 3 – 7/8 2–¾ NX (entubación corona) 3 – 5/8 2 – 13/16 NX 3 2 – 1/8 BX (entubación corona) 3 2 – 3/16 BX 2 – 3/8 1 – 5/8 AX (entubación corona) 2 – 3/8 1–¾ AXT 1 – 7/8 1 – 9/32 AX 1 – 7/8 1 – 3/16 EX (entubación corona) 1 – 7/8 1 – 3/8 EXT 1–½ 1 – 5/16 EX 1–½ 7/8 1 – ¼” BH 1–¼ ¾ XRT 1 – 3/16 ¾

Anisotropías mecánicas

Anisotropías tectónicas y litológicas El control de la geometría de un sondeo puede ser complejo en determinadas formaciones geológicas de comportamiento muy anisótropo

Diámetros usuales para taladros y testigos en Estados Unidos y Canadá 11

12

3

Sondeos en Suelos

Sondeos Ø taladro (mm) 146 131 116 101 86 76 66 58

Ø testigo (mm) Broca de Pared Gruesa Broca de 120 105 90 75 58 48 38 34

Técnicas de Sondeo en Suelos Barrenas macizas Barrenas huecas Rotación con lavado a presión Cazoleta + barrena

Pared Delgada — — — — 72 62 52 42

Muestreo con penetración continua (Geoprobe) Técnicas de percusión Cable Hinca continua (manual o mecánica)

Diámetros usuales para taladros y testigos en Europa

Técnicas wireline 13

14

Técnicas de Sondeo Barrena manual

Técnicas de Sondeo Dispositivo de fijación/liberación

Barrena mecánica

Rotación con circulación normal e inversa

Entubado Barra y eje de rotación

Portacorona Adaptador

Cuchara para la recogida de cuttings

Portatestigos

Eje de la barrena

Portaboca Testigo

Boca de aletas

Rotación con corona 15

Tubo interno

Aire comprimido

Agua a presión Boca

Boca

Sacatestigo 16

4

Técnicas de Sondeo Boca de aletas

Técnicas de Sondeo rotopercusión

Boca de ejes rotatorios (tricono)

percusión

rotación

Trepano cruciforme con 4 aletas (para martillo hidráulico o neumático)

17

18

Cable a Percusión

Maquinaria de Sondeos

Perforación con cable a percusión: Se emplea una boca pesada que se eleva y deja caer repetidamente sobre la formación con el fin de fragmentarla. Las partículas fragmentadas son removidas periódicamente con una cuchara Sistema eficaz en formaciones que contienen bloques, fragmentos rocosos y grava. Es un sistema adecuado para pozos de hasta 30 cm de diámetro. Es el método de perforación mecánica más antiguo desarrollado. Equipos ligeros para la realización de sondeos 19

20

5

Sondeos a Percusión por Cable

Constituyen una técnica muy extendida para la perforación de pozos someros en materiales blandos en muchos países del tercer mundo 21

Retirada de Detritos Se usan para obtener grandes volúmenes de muestra. Los diámetros oscilan entre 0.6 y 1.2 m. La perforación avanza por incrementos de profundidad de 0.3 a 0.6 m. Bueno para suelos de grava y cantos.

Sondeos a Percusión con Cable

Equipos ligeros para la realización de sondeos a percusión con cable

22

Well Points taladros

Distintas cucharas para la retirada de detritos y destroza del terreno

Alternativas para la perforación de las tuberías ranuras Puntaza de aleación altamente resistente

23

24

6

Sondeos a Percusión

Sondeos Vibratorios

Equipos GEOPROBE, para percusión con hinca continua

Equipos VIBROCORER, con hinca continua por vibración

25

26

Barrenas Macizas

Barrenas Macizas Barrenas empalmadas en secciones de ~1.5 m. Sólo deben emplearse en suelos blandos pero firmes, sin tendencia al auto-colapso. En general, válidos para perforaciones de 100 m). Las herramientas de corte pueden ser: Cuchillas de aletas para arcillas Distintos tipos de puntas de trepano, Ejes rotatorios (triconos) para arenas tricono y coronas de diamante 35

Perforación a rotación con circulación inversa

34

Sondeos a Rotación con Lavado Esquema de un sondeo a rotación con lavado a presión típico (según Hvorslev, 1948)

36

9

Sondeos a Rotación con Lavado Perforación con sondeo a rotación con lavado a presión de una escombrera de finos

Sondeos a Rotación con Lavado En esta técnica de perforación, las paredes del sondeo se estabilizan con entubados provisionales de acero o bien con un fluído de perforación. Los fluidos de perforación típicos son el agua, lodo bentonítico o de base polimérica, espuma, etc. Los fluidos son recirculados y tienen varias funciones: Estabilizar las paredes del sondeo. Arrastrar hacia afuera los restos de perforación (cuttings)

Depósito de agua

A veces puede ser conveniente hacer denso el fluído de perforación para facilitar el arrastre de los cuttings. 37

Muestreo de Suelos

38

Muestreo de Suelos

Muestras Alteradas

Muestras totales (de los cuttings de barrenas, trincheras o calicatas exploratorias) Muestras de ensayos (P.Ej. SPT -cuchara bipartida)

Muestras Parcialmente Alteradas Hinca continua con empuje hidráulico

Muestras Inalteradas

Tubos hincados (pistón, Shelby, Laval, Sherbrook) Rotación + hinca (Denison, Pitcher) Bloques tallados in situ 39

Estratificación en materiales geológicos 40

10

Toma de Muestras Alteradas

Muestreo de Suelos

Muestras totales Se usan para ensayar distintos tipos de materiales (préstamos, etc.) Los ensayos de caracterización típicos incluyen la determinación de propiedades índice, clasificación, relaciones densidad-humedad, etc.

Estratificación en materiales geológicos 41

Toma de Muestras Alteradas

42

Cuchara Bi-Partida

Hinca de cuchara bi-partida Es el método más común en los trabajos de caracterización y exploración geotécnica Las muestras suelen aprovecharse de la realización de ensayos de penetración estándar (Standard Penetration Test, SPT) Se usa un tubo hueco de acero grueso de 50 mm de diámetro externo (O.D.) y con un diámetro interior de 38 mm (I.D.). La longitud de la cuchara va de 457 a 610 mm.

43

44

11

Cuchara Bi-Partida

Cuchara Bi-Partida

Puntaza 45

La cuchara se introduce hasta el fondo del sondeo, donde se hinca por percusión. En la cuchara puede ser introducido un tubo (liner). Pueden emplearse retenes plásticos o metálicos para mejorar la recuperación de muestra. La apertura longitudinal del tubo facilita la extracción de la muestra. Los fragmentos de muestra deben ser introducidos dentro de frascos adecuados (vidrio, policarbonato, etc.) a fin de minimizar las pérdidas de humedad. Pueden emplearse cucharas de mayor tamaño para extraer mayor volumen de muestra (Tipo Dames & Moore; California; Converse). 46

Toma de Muestras Inalteradas

Cuchara Bi-Partida

Tubo de pared delgada tipo Shelby Muestreadores por hinca de pistón Muestreadores de hinca tipo Laval y Sherbrooke Talla de bloques in situ Extractor de bloques tipo NGI Pitcher (Rotación + hinca) Denison (Rotación + hinca) 47

48

12

Tubos para Muestras Inalteradas

Tubos de Pared Delgada para Muestras Inalteradas

Los más comunes son los de tipo Shelby (pared delgada). UNE 7371-1975 y ASTM D 1587. O.D. 76 mm O.D. e I.D. 73-mm. Se usan en limos blandos a firmes y para arcillas o arcillas arenosas. La longitud de la muestra es de unos 760 mm. El tubo está fabricado en acero al carbono, inox, latón o acero galvanizado.

49

Alteración de la Muestra

50

Toma de Muestras Inalteradas Tubo de pared delgada dotado de un pistón, varilla y una boca especial.

Muestreo con Pistón

También se les conoce como tipo Osterberg y/o Hvorslev. Prácticos en suelos muy blandos. La cabeza del pistón queda fija respecto del suelo a medida que el tubo es hincado hidráulicamente. Se aplica vacío para mejorar y mantener la recuperación de la muestra.

Análisis Fotoelásticos Radiografía de los tubos (Rayos-X) 51

52

13

Toma de Muestras Inalteradas

Muestreador Tipo Pitcher

En el tipo Pitcher, el tubo muestreador se inserta dentro de una corona rotatoria Se usa para obtener muestras de rocas arcillosas compactadas y rocas blandas. El tubo muestreador permanece en una posición fija mientras la corona de perforación taladra el material.

Métodos Pitcher y Denison

El tipo Denison es similar pero en él se fija manualmente la porción de tubo muestreados que sobresale de la corona. 53

Muestras Semi-Alteradas

54

Muestras Semi-Alteradas

Muestreadores tipo Geoprobe o Powerprobe

Sistemas de hinca continua Geoprobe Systems (Salina, Kansas)

Dispositivos de hinca continua Diámetros de 15.2 a 38.1 mm

Powerprobe – AMS (Boise, Idaho)

Se usa un mandril de acero recubierto de plástico para recuperar las muestras Si se encuentran zonas duras, se emplea un dispositivo de percusión. Pueden alcanzarse profundidades de hasta 45 m.

55

56

14

Otros Sistemas de Muestreo

Intervalo de Muestreo Para las muestras tomadas por hinca discontinua (P. Ej. cuchara bi-partida) se suelen tomar muestras por intervalos de 1.5 m (excepto en los 3 primeros metros, con frecuencia de 1 muestra cada 75 cm). Las muestras inalteradas (con tubos de pared delgada) pueden tomarse con una cierta discreccionalidad. Estas últimas requieren especiales precauciones para su preservación y transporte. Las muestras continuas se toman continuamente.

Muestras totales (cuttings de barrena, retroexcavadora): Se usan en el ensayo de materiales de préstamo y rellenos. Bloques de muestra: Se tallan cuidadosamente in situ o bien se emplea un dispositivo tipo NGI Sondeo sónico (resonancia por vibración) Vibrocorer (muestreo offshore)

57

58

Cuidado y Preservación de Muestras de Suelos

Muestreos Especiales Para arenas límpias no cohesivas pueden considerarse técnicas especiales como: Congelación mediante N2 líquido. Inyección de un polímero u otro material fijador (P. Ej. agar) a fin de mantener la fábrica y estructura original.

59

Las muestras deben ser identificadas y registradas en el momento de su recuperación del sondeo (identificación, tipo, número, profundidad, recuperación, características, humedad) Los testigos deben ser emplazados dentro de cajas de madera o cartón adecuadamente preparadas (~3 m/caja, en secciones continuas o discontinuas de 0.5 m).

60

15

Cuidado y Preservación de Muestras de Suelos

Cuidado y Preservación de Muestras de Suelos Estas deben ser preservadas de condiciones extremas (calor, secado, congelación) Las muestras deben ser selladas con parafina u otro material aislante para evitar pérdidas de humedad Las cajas deben ser empaquetadas y protegidas frente a vibraciones excesivas y/o golpes.

No extruir muestras in situ

Sellar la longitud completa con parafina

61

Cuidado y Preservación de Muestras de Suelos

62

Sondeos en Roca

63

64

16

Sondeos en Roca

Sondeos en Roca

Métodos de investigación y reconocimiento: Geofísica

Criterios de rechazo en suelos Rechazo de penetración de barrena Rechazo en ensayo SPT (> 50 golpes para una penetración de menos de 2.5 cm)

Cartografía geológica Calicatas, pozos y zanjas

Sondeos en roca (ASTM D 2113)

Sondeos, testigos y testificación

Perforación sin recuperación de testigo Métodos percusivos

65

Sondeos a Percusión

66

Sondeos a Percusión

Perforación de barrenos a rotopercusión, con actuación neumática y trepano macizo para el emplazamiento de explosivos

Perforación de taladros inclinados en una corta minera 67

68

17

Aspectos Relativos a los Sondeos en Roca

Sondeos a Percusión

Pueden emplearse equipos convencionales o de tipo wireline. Los sondeos de percusión o rotopercusión son empleados con frecuencia para el taladro de barrenos en minería e ingeniería civil

Se usan bocas especiales adaptadas a las características de las rocas Distintos tipos de portatestigos para el muestreo. Fluidos de perforación y entubado. Observaciones realizadas durante la perforación. Registro de la recuperación de la cantidad de material recuperado y su calidad.

69

Rotopercusión con Circulación Directa

71

70

Rotopercusión con Circulación Inversa

72

18

Rotopercusión

Rotopercusión

Sonda de rotopercusión en posición de transporte Cabezal de rotación/Inyección 73

Rotopercusión

74

Rotopercusión

Martillo de fondo de actuación hidráulica o pneumática

Martillo de fondo con centrador (Rotopercusión)

75

76

19

Rotopercusión

Rotopercusión

Martillos de botones 77

Rotopercusión

78

Rotopercusión

fluído de perforación

entubado

79

80

20

g Casing

Bit

81

W g Casing

82

Shoe

83

g

84

21

Bocas de Perforación

Tricono, corona, cuchilla de aletas y cuchilla cruciforme

Bocas de Perforación

Bocas de ejes rotatorios (bicono y triconos)

Triconos

85

86

Bocas de Perforación y Testigos

Bocas de Perforación

Las bocas de diamante son las mejores y más duras. Producen testigos de alta calidad.

Tricono

Proporcionan las velocidades de perforación más altas pero son caras. Bocas de materiales sintéticos, Son más baratas y dan, en general, testigos de buena calidad. Carburo de tungsteno (widia). Son las más baratas aunque las más lentas en cuanto a perforación.

87

88

22

Bocas de Perforación

Dureza Knoop (kg/mm2)

Rendimiento

Corona de diamante, de widia y en diente de sierra

Temperatura (ºC)

Bocas de widia

89

90

Bocas de Diamante

Bocas de Perforación

Proporcionan los mayores pero son también los más caros por unidad de longitud. Los cristales se disponen en la corona de modo que su dirección de máxima dureza coincide con la de abrasión La dureza de la boca se relaciona con la finura de los diamantes. El fluido de perforación arrastra los cuttings y la papilla de roca. El número de puertos, ranuras y dirección de descarga varía.

corona de concrección

corona de inserción superficial

Matriz: Su función es fijar los diamantes y disipar el calor de abrasión.

corona de widia 91

92

23

Bocas de Diamante

Bocas de Diamante Resistencia a Compresión Simple Tamaño Metros a (kg/cm2) (p.p.q.) Perforar 100 a 500 15/25 100-500 500 a 1000 15/25 60-300 1000 a 2000 30/40 30-60 > 2000 55/75 o concreción 15-30 Tamaño de los diamantes de las coronas de corte en función de la resistencia a compresión simple de la roca y de los metros a perforar de la misma. P.P.Q. hace referencia al nº de piedras por quilate. Fuente: López Marinas, J.M. (2000) Ingeniería aplicada a la Ingeniería Civil; Ed. Dossat, 556 pp.

93

www.ackerdrill.com

94

Tubos Portatestigos

Bocas de Diamante

El tubo portatestigos retiene y preserva un testigo de roca durante las operaciones de perforación. Tubos de pared simple: Son los más robustos y baratos. Constan de varios elementos: Corona de perforación Tubo de recuperación Anilla sacatestigos

95

96

24

Portatestigos

Tubos Portatestigos

97

Pared simple

Doble pared

98

Tubos Portatestigos

Tubos Portatestigos Los tubos de doble pared son preferibles cuando se desea impedir la contaminación del testigo. El tubo externo gira con la corona de corte.

Portatestigos de doble pared (con cojinete)

El tubo interno se mantiene fijo (P. Ej. con cojinetes) y preserva el testigo de roca. Los diámetros más frecuentes van de 21 a 85 mm El diámetro NX (54 mm) es el más frecuente de entre los comúnmente empleados.

99

Conjunto de cilindro externo

Conjunto de cilindro interno

100

25

Tubos Portatestigos de Triple Pared

Técnicas Wireline

Adecuados para obtener testigos a partir de rocas fracturadas y muy meteorizadas. El cilindro externo permite un corte inicial mientras que el segundo facilita el afinado. El tercer cilindro retiene el testigo. Reduce el calor que se produce por rozamiento y que podría alterar las muestras.

Adaptadores para tubos portatestigos con la técnica wireline

101

Fue introducida en los años ’60 del pasado siglo. En esencia consiste en la extracción del tubo portatestigos sin necesidad de retirar el varillaje y la boca de perforación cada vez que éste se llena. Con ello se obtiene un mejor rendimiento en la perforación, en particular en sondeos de gran profundidad.

102

Fluídos de Perforación Agua, espuma o lodos de perforación (bentoníticos o poliméricos). Los fluidos reducen el desgaste de las bocas de perforación al refrigerarlas. Arrastran los cuttings y la papilla de roca. Es importante recircular los fluidos de perforación a fin de minimizar el impacto sobre el medio natural.

103

104

26

Entubado Los entubados temporales estabilizan las paredes del sondeo y permiten las operaciones de perforación. Entubado activo (actúa como transmisión hacia la boca de corte) Entubado pasivo (actúa como sostén de las paredes y ayuda a direccionar el sondeo) 105

Entubado de Doble Pared

106

Entubado

Necesarios en la perforación con circulación inversa. Es interesante emplearlo en materiales para los que se espera una importante pérdida de fluído de perforación La sección más interna es adecuada para el muestreo La sección externa preserva el fluído de perforación.

Entubado permanente ligero con secciones de PVC 107

108

27

Recuperación de Testigo

Rock Quality Designation (RQD)

Los testigos se recuperan por secciones de entre 1.5 y 3 m (en función del tubo portatestigos). Es importante registrar la cantidad de material recuperado. El testigo recuperado se expresa como porcentaje.

Rock Quality Designation, RQD. Su finalidad es dar una estimación cuantitativa de la calidad de un macizo rocoso, a través de testigos de sondeo. Es igual al % de piezas de testigo intactas de longitud superior o igual a 100 mm, en la longitud total del sondeo.

109

Rock Quality Designation (RQD) RQD = 100x

110

Recuperación de Testigo Los testigos deben ser almacenados en cajas de madera o de cartón hidrófugado. Las cajas deben identificarse con el número de sondeo, profundidad de la sección de testigo, tipo de testigo, tipo de boca de perfoación, % de recuperación, RQD, etc.. Cualquier operación que implique los testigos debe ser adecuadamente registrada:

longitud de testigo en piezas > 100mm longitud total del sondeo

Pérdidas del fluído de perforación durante la ejecución, descenso inesperado del varillaje, mala recuperación, pérdida de testigo, etc. 111

112

28

Recuperación de Testigo

Recuperación de Testigo

cuttings 113

114

Preservación y Cuidados de los Testigos de Sondeo

Recuperación de Testigo

Rutina: Guardar los testigos en cajas perfectamente identificadas

Recuperación de cuttings durante las operaciones de perforación

Condiciones especiales: Preservar los testigos en tubos herméticos de plástico. En general: Evitar la exposición innecesaria a golpes y vibraciones durante la manipulación y el transporte. Pueden aparecer fracturas originalmente no presentes en el macizo a resultas de la manipulación no cuidadosa, cambios bruscos de temperatura o por secado al aire. 115

Almacenar en un entorno controlado si se prevé su uso posterior. 116

29

Preservación y Cuidados de los Testigos de Sondeo

Entubado Recubrimiento tubular que sapara la formación geológica del pozo excavado y del varrillaje de perforación. Varillaje de

castillete

perforación

Almacén de testigos de sondeo (litoteca) 117

Entubado Durante las operaciones de perforación, en función de las características de la formación geológica, puede ser necesario hacer descender el entubado para cementarlo en aquellos puntos en los que la consistencia de los materiales pueda poner en riesgo la estabilidad del pozo.

118

Entubado

Bomba de lodos

Tubo de perforación Entubado Cemento

Formación rocosa

Base del entubado Fluído de perforación Boca

119

Entubado de diversos diámetros

120

30

Funciones del Entubado

Planificación de Entubados

Proporcionar un pozo estable de diámetro conocido a través del cual sean posibles subsecuentes trabajos de perforación, acabdado y explotación. Prevenir o evitar el flujo interformacional. Aislar hidráulicamente los fluídos del pozo de las rocas subsuperficiales o los de la propia formación. Permitir la producción a partir de una o varias zonas específicamente seleccionadas y preparadas a lo largo de las operaciones de perforación. Proporcionar un substrato sobre el que fijar la valvulería así como conexiones para controlar y dirigir los fluídos explotados.

121

Rotura del Entubado 1.Rotura por tracción. Antes de ser cementado in situ, el peso propio del entubado determina la aparición de fuerzas tractivas que pueden provocar la plastificación o incluso la rotura del entubado.

Un programa de entubado convencional considera varias secciones con distintos diámetros 122

Rotura del Entubado

Junta de unión

Rotura por plastificación

Rotura por fallo de la junta

Entubado Pozo relleno de fluído

Peso propio de las secciones de tubería 123

124

31

Rotura del Entubado 2.Colapso por presión externa. Si se encuentra una zona en la formación qe actúe como suidero del fluído de perforación, la presión interna dentro del entubado disminuye y el diferencial de presión que actúa comprimiendo la tubería puede llegar a estrujarla.

Aspectos Técnicos de la Exploración y Explotación de Aguas Subterráneas Diagrafías

3.Reventón por sobrepresión interna. Si en la línea de entubado o en el espacio anular entorno a esta se produce alguna obstrucción, el bombeo continuado de fluidó o lechada puede provocar que se desarrollen importantes presiones que actúan desde el interior del tubo hacia afuera. 125

Tipos de Diagrafía Diagrafías Instantáneas Empuje del útil de perforación Dependientes de las características de la máquina Velocidad de rotación Caudal del fluido de perforación Velocidad de avance Par motor Dependientes de las características del terreno Presión del fluido Energía reflejada Diagrafías Diferidas Gamma Radiactivas Neutrones Potencial espontáneo Eléctricas Resistividad Sísmicas y Acústicas Desviación Calibre Temperatura del fluido de perforación en función de la profundidad Temperatura Temperatura del fluido de perforación entre dos puntos Observación de las paredes del taladro Caudal

Tipos de Diagrafía Registro Calibre Temperatura γ−natural γ−γ (Densidad) Neutrón-Neutrón (Porosidad) Potencial Espontáneo Resistividad Inducción

1) 2) 3) 4)

127

Grietas 3 1 1

Fallas y Zonas de Fractura 1 1 3

Objetivo de la Investigación Flujo de Porosidad Estratigrafía Agua

Permeabilidad 1 1 3

1 3 3

1 1 1

1 1 1

Diámetro del Sondeo 4 1 1

1

1

1

1

4

2

1

1

1

1

1

4

2

1

1 3 1

1 4 1

2 2 1

2 1 1

2 2 1

1 2 2

1 1 1

Registro ineficaz para la detección del objetivo Registro eficaz pero es precisa la comparación con otros registros para la interpretación Registro eficaz para la detección del objetivo Máxima eficacia

128

32

Tipos de Diagrafía Registro Calibre Temperatura γ−natural γ−γ (Densidad) Neutrón-Neutrón (Porosidad) Potencial Espontáneo Resistividad Inducción

1) 2) 3) 4)

Condiciones Necesarias Contenido del Sondeo Entubado Aire Agua Lodo Presente Ausente 3 3 3 1 3 1 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

3

3

3

3

3 1 1 3

3 3 3 3

3 3 1 3

3 1 3 3 (PVC)

3 3 3 3

Registro ineficaz para la detección del objetivo Registro eficaz pero es precisa la comparación con otros registros para la interpretación Registro eficaz para la detección del objetivo Máxima eficacia 129

130

Diagrafías Instantáneas Se trata del registro de determinados parámetros de la perforación

Fuerza de torsión (indicador de la compacidad del material) Variación de la presión de agua inyectada (súbitos descensos indican la presencia de zonas de elevada permeabilidad) Velocidad de avance (relacionado con la resistencia de las rocas perforadas) Caudal de agua o lodos inyectado en el sondeo (relacionado con la permeabilidad de medio) Velocidad de rotación Etc.

131

132

33

Diagrafías Instantáneas

Panel de instrumentos de un equipo de rotorpercusión

Diagrafías Instantáneas

133

Inclinación y Desvío de Sondeos

134

Inclinación y Desvío de Sondeos

Inclinómetro de pozo digital

Auscultación del desvío del eje de un sondeo mediante un dispositivo inclinomético de tipo fotográfico

135

136

34

Caliper

Caliper

La sonda caliper permite obtener un registro continuo de las variaciones en el diámetro del sondeo resultantes tanto de cavidades y grietas del terreno como de desmoronamientos y ensanchamientos asociados a las características de los materiales. Con este registro se puede obtener un gráfico de la rugosidad de las paredes del sondeo, que permite identificar huecos, zonas fracturadas y grietas importantes, así como zonas erosionadas o disueltas.

El diámetro del sondeo depende de los siguientes factores principales: La litología: Solubilidad con el líquido de perforación. Erosionabilidad o formar huecos en el sondeo (arenas, gravas y limos). Baja compacidad o expansivas pudiendo fluir e incluso cerrar el sondeo. Consolidadas siendo, en este caso, las dimensiones del sondeo más próximas a las de perforación.

La textura y estructura de los materiales de la formación que, a su vez, dependen de la porosidad y permeabilidad del material. 137

Caliper

138

Diagrafías Térmicas Permiten medir las diferencias de temperatura que aparecen a lo largo de un sondeo, como consecuencia de diferentes aportes de acuíferos o rocas que se atraviesan. Proporciona una información muy precisa de los puntos o zonas donde penetra el agua así como la temperatura de la roca.

139

140

35

Diagrafías Térmicas

Diagrafías Térmicas

141

Diagrafías Nucleares

142

Diagrafías Nucleares

Los registros nucleares constituyen un medio muy eficaz de extrapolar a toda la columna estratigráfica de un sondeo la información sobre: El contenido de arcilla La densidad La humedad La porosidad

Los principales tipos de diagrafía nuclear son: γ−natural γ−γ Neutrón - Neutrón

143

El registro γ−natural constituye una técnica pasiva en la que se miden las radiaciones γ emitidas espontáneamente por el terreno. Los registros γ−γ y γ−neutrón son técnicas activas que requieren fuentes de isótopos radioactivos cuya manipulación está sujeta a normas muy estrictas de seguridad. Son los únicos procedimientos capaces de dar información de formaciones geológicas a través de sondeos entubados o cementados. 144

36

Diagrafías γ − γ

Diagrafías γ Natural

La sonda posee un receptor (cámara de ionización) que recibe la radiación natural y la transforma en una señal digital

145

Diagrafías γ − Neutrón

146

Diagrafías Eléctricas

La sonda dispone de un emisor de neutrones y un detector de rayosγ secundarios. Este tipo de sonda es de interés en particular a la hora de estimar contenidos de humedad en materiales geológicos

147

Permiten medir tanto la resistividad normal como el potencial espontáneo. Los dispositivos que se insertan en los sondeos disponen de dos electrodos para la inyección de corriente (A y B) y otros dos para medir la diferencia de potencial (M y N). Cuando se inyecta corriente a través del dipolo AB, es posible medir la resistividad aparente en el dipolo M-N y, en el caso de que no se suministre una diferencia de potencial, aquella medida entre los bornes de los electrodos M y N será el denominado potencial espontáneo. 148

37

Diagrafías Eléctricas

Diagrafías Eléctricas

Medida de potenciales inducidos y espontáneos con un mismo dispositivo de tipo ‘punto único’. El eletrodo B está hincado en la superficie del terreno mientras que el A se hace descender a lo largo del eje del sondeo

Esquema general de un dispositivo para la medida de potenciales eléctricos (inducidos o espontáneos) a lo largo de un sondeo

149

Diagrafías Eléctricas

150

Resistividad

Medida de potenciales espontáneos a lo largo de una perforación. La acusada variación en el potencial espontáneo observada en la figura puede atribuirse a la presencia de una capa de alta porosidad a través de la cual se produce la circulación de agua

Tipo de Agua

Nº de muestras

Rocas ígneas (Europa) Rocas ígneas (Sudáfrica) Rocas metamórficas (Sudáfrica) Rocas metamórficas (Precámbrico de Australia) Sedimentos pleistocenos continentales (Europa) Sedimentos pleistocenos continentales (Australia) Sedimentos terciarios (Europa) Rocas sedimentarias del Mioceno y Oligoceno (Australia) Rocas sedimentarias mesozoicas (Europa) Rocas sedimentarias paleozoicas (Europa) Aguas cloruradas de campos de petróleo Aguas sulfatadas de campos de petróleo Aguas bicarbonatadas de campos de petróleo

314 175 88 31 610 323 993 240 105 161 967 256 630

Resistividad a 20 ºC (Ω m) Promedio Rango 7.6 3.0 – 40.0 11.0 0.50 – 80.0 7.6 0.86 – 80.0 3.6 1.5 – 8.6 3.9 1.0 – 27.0 3.2 0.38 – 80.0 1.40 0.70 – 3.5 3.2 1.35 – 10.0 2.5 0.31 – 47.0 0.93 0.29 – 7.1 0.16 0.049 – 0.95 1.20 0.43 – 5.0 0.98 0.24 – 10.0

Resistividad (en Ω m) de aguas naturales asociadas a distintos tipos de litología 151

152

38

Resistividad Temperatura (ºC) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

58.45 0.211 0.200 0.190 0.182 0.174 0.165 0.157 0.149 0.142 0.135 0.129 0.123 0.117

g/L NaCl 29.23 5.845 2.933 0.5845 0.2923 0.386 1.73 3.36 15.82 31.2 0.368 1.65 3.19 15.1 29.6 0.352 1.57 3.02 14.3 28.1 0.336 1.49 2.86 13.7 26.7 0.320 1.42 2.73 12.9 25.0 0.304 1.35 2.57 12.3 23.9 0.288 1.28 2.43 11.7 22.6 0.274 1.21 2.31 11.1 21.4 0.260 1.15 2.19 10.5 20.3 0.248 1.09 2.09 9.8 19.3 0.238 1.04 2.00 9.5 18.4 0.228 1.00 1.92 9.0 17.6 0.219 0.96 1.34 8.6 16.8 0.210 0.93 6.0 8.2 16.2 0.200 0.87 18.0 7.9 15.6 0.191 0.84 1.61 7.5 14.9 0.183 0.80 1.55 7.2 14.3 0.176 0.77 1.49 6.9 13.7

Resistividad

Resistividad (en Ω m) de soluciones acuosas de NaCl con distinta concentración

Rangos de resistividad típicos de distintos materiales geológicos. Observar la gran diferencia en resistividad existente entre rocas meteorizadas y no meteorizadas así como entre el agua y los suelos helados 153

Diagrafías Eléctricas

154

Diagrafías Eléctricas

155

156

39

Diagrafías Sónicas

Diagrafías Acústicas

El método "In-hole" consiste en una sonda suspendida dentro de un sondeo lleno de agua (o lodo) mediante la cual se determina la velocidad de propagación de las ondas P y S La fuente vibratoria y los sensores (o geofonos) no están unidos a las paredes del sondeo. La fuente vibratoria genera una fuerza puntual horizontal, perpendicular a las paredes del sondeo. El campo ondulatorio originado se trata como una fuerza puntual situada en un medio elástico homogéneo infinito siempre y cuando la longitud de onda (λ) sea mucho mayor que el diámetro del sondeo. 157

Diagrafías Acústicas Litología Calizas Areniscas Dolomías Anhidrita Pizarras(a) Lutitas Sal Aluviones Agua dulce(b) Agua salada(c) Petróleo(d)

158

Diagrafías Acústicas

Vc Intervalo de Tránsito km/s μs/m 7.0 140 5.6 – 5.9 170 – 180 7.1 – 7.7 130 – 140 6.3 160 1.8 – 4.0 250 – 550 1.8 – 2.4 410 – 550 4.5 220 3.0 – 5.9 170 – 330 1.5 – 1.6 610 – 670 1.8 550 1.3 770

Velocidades sónicas compresivas e intervalos de tránsito a través de matrices rocosas y fluidos de interés en geofísica. Notas: (a) Depende en gran medida del grado de compactación; (b) Depende de la presión (o de la profundidad); (c) No se especifica la concentración de sal. Presumiblemente ~150 g/L; (d) No se especifica el tipo de petróleo, su temperatura y la presión. Se presume que las condiciones son la temperatura y presión estándar

159

Diagrafía óptica y acústica de una sección de sondeo

Marcas de profundidad 160

40

Diagrafía acústica para distintas longitudes de onda

161

Diagrafías Sísmicas

162

Diagrafías Sísmicas

Las más comunes son las de refracción. Se representa en un diagrama el tiempo de llegada del primer tren de ondas respecto de la distancia que separa cada sensor (geófono) de la fuente de energía. Los resultados de la interpretación dan lugar a un perfil del terreno donde se indica la profundidad de los distintos refractores y la velocidad de propagación asociada a cada uno de ellos. Además de proporcionar información sobre la naturaleza del sustrato y de sus cambios laterales, la sísmica de refracción permite estimar el módulo de elasticidad de las formaciones investigadas, el grado de fracturación de la roca y su ripabilidad. 163

164

41

Diagrafías Sísmicas

Diagrafías Sísmicas

165

Diagrafías Sísmicas

166

Cross Hole

Existen dos métodos que aplican directamente a sondeos: Cross hole Down hole

Ambas técnicas han sido desarrolladas con la finalidad de determinar la velocidad de propagación de las ondas de corte. El ensayo "down-hole" presenta la ventaja frente al “crosshole” de que sólo exige la perforación de un sondeo para llevar a cabo los ensayos. Por el contrario, tiene el inconveniente de que la energía sísmica generada mediante el golpe de una maza o martillo se amortigua rápidamente en el terreno, alcanzando una profundidad máxima de 15 a 20 m

167

El ensayo "cross-hole" tiene como objeto detectar los tiempos de transmisión de las ondas tangenciales SV según trayectorias horizontales directas entre un punto emisor situado en el interior del terreno y uno o más receptores situados a su misma cota, a una cierta distancia 168

42

Down Hole

Diagrafías Sísmicas Densidad g/cm3 Toba (San Luis Obispo, California) 1.38 Caolín (Dry Branch, Colorado) 1.58 Riolita (Castle Rock, Colorado) 2.05 Brecha volcánica (Park County, Colorado) 2.19 Escoria basáltica (Klamath Falls, Oregón) 2.23 Latita (Chaffee County, Colorado) 2.45 Grafito (Ceilán) 2.16 Tremolita (Nueva York) 2.86 Limolita (Alabama) 3.55 Pirrotina (Ontario) 4.55 Litología

En el ensayo "down-hole" está enfocado a detectar la velocidad de propagación de las ondas de corte en una trayectoria vertical a lo largo del macizo. Se generan ondas de corte mediante un dispositivo capaz de producir un efecto de cizalla horizontal en la superficie del terreno. Después, se registra la llegada del frente de ondas a lo largo de un sondeo situado a una distancia comprendida entre 2 y 5 m del foco emisor 169

Diagrafías Sísmicas Litología Arenisca Basalto Caliza Conglomerado Cuarcita Diabasa Dolerita Dolomía Gabro

VP m/s 1400 – 4200 4500 – 6500 2500 – 6000 2500 – 5000 5000 – 6500 5500 – 7000 4500 – 6500 5000 – 6000 4500 – 6500

Litología Gneiss Granito (sano) Lutita Marga Mármol Pizarra Sal Yeso

VP km/s 1.43 1.44 3.27 4.22 4.33 3.77 3.06 6.17 5.36 4.69

VS km/s 0.87 0.93 1.98 2.49 2.51 2.21 1.86 3.70 2.97 2.76

Velocidades de propagación de ondas sónicas a través de rocas de baja densidad

170

Diagrafías Sísmicas Litología

VP m/s 3100 – 5500 4500 – 6000 1400 – 3000 1800 – 3200 3500 – 6000 3500 – 5000 4500 – 6000 3000 – 4000

Gabro Basalto Caliza Dolomía Arenisca y Cuarcita Rocas graníticas

VP*

Mineral

m/s 7000 6500 – 7000 6000 – 6500 6500 – 7000 6000 5500 – 6000

Cuarzo Olivino Augita Anfíbol Moscovita Ortosa Plagioclasa Calcita Dolomita Magnetita Yeso Epidota Pirita

C 1 =∑ i * VP i VP ,i Fourmaintraux (1976) 171

VP m/s 6050 8400 7200 7200 5800 5800 6250 6600 7500 7400 5200 7450 8000 172

43

Diagrafías Sísmicas

Diagrafías Ópticas Sirven para el reconocimiento visual de las paredes de un sondeo mecánico. Se emplea una cámara de TV que incorpora iluminación. Cuando el agua que ocupa el sondeo esté turbia, no es posible su empleo. La inspección visual de los sondeos permite localizar grietas y fisuras así como determinar su dirección y buzamiento.

V IQ(%) = P* x100 VP

173

Diagrafías Ópticas

174

Diagrafías Ópticas

175

176

44

Televiewer

Caudalímetros de Pozo El término “caudalímetro de pozo" hace referencia a cualquier instrumento que mida el caudal vertical (ascendente o descendente) en del interior de un pozo. Existen varios tipos de caudalímetro de pozo basados en distintos efectos: Pulso de calor Liberación de trazadores Hélice

177

Caudalímetros de Pozo

178

Caudalímetros de Pozo Caudalímetro por pulso de calor

Generador térmico de un caudalímetro de pulso de calor

Sonda Doppler con un emisor acústico y tres captores

Caudalímetro de hélice

179

180

45

Caudalímetros de Pozo

181

46