Título del artículo

IV Jornadas de Ingeniería del Agua
La precipitación y los procesos erosivos
Córdoba, 21 y 22 de Octubre 2015
Mantenimiento de sondeos y pozos de
captación de agua subterránea
Eduardo Lupiani Moreno (1); Pau Comas Pelegrí (2), Salvador Bueso
Sánchez (3)
(1) Product Manager Gestión de Cuencas, (2) Director Área Gestión de Cuencas (3)
Jefe Dpt. Hidrogeología. AQUATEC, PROYECTOS PARA EL SECTOR DEL AGUA S.A.U.
RESUMEN
El rendimiento hidráulico y costes de explotación de sondeos y pozos de captación de aguas
subterráneas están vinculados, en gran medida, a elementos inaccesibles instalados en el
interior de la perforación. En esta situación, su mantenimiento debe realizarse mediante
planes predictivos sistemáticos, preventivo y correctivo planificado, orientados a reducir
cortes de suministro por averías y desviaciones de costes de operación por pérdida de
rendimientos.
El mantenimiento predictivo sistemático se basa en la implantación de un sistema de control
con indicadores de eficiencia, o KPI (Key Performance Indicators), que registran y controlan
los principales factores y elementos que condicionan el funcionamiento del sondeo. La
desviación de algún indicador sobre los valores prefijados alertan de un proceso de pérdida
de eficiencia. Esta alerta debe verificarse y en caso de necesitar información adicional se
deba acometer una auditoría y/o inspección de la perforación con equipo de TV y diagrafías.
La obtención de parámetros de funcionamiento y de gestión de KPI no tienen que ser en
continuo, aunque es recomendable intervalos de control no superior a un día. El mercado ya
cuenta con herramientas avanzadas de control de producción y eficiencia de sondeos, como
el sistema iDroSmartwell, apropiado para captaciones aisladas de gran potencia, o el
aplicativo Well Watch, con configuración y funcionalidades de tipo SCADA.
Para el mantenimiento preventivo de la capacidad y rendimiento hidráulico del sondeo se
propone el tratamiento Aqua Gard®, que utiliza CO2 líquido para eliminar fases tempranas
del clogging y, aplicado una vez al año de forma regular, o dos en los casos más
recalcitrantes, mantiene la capacidad productiva y condiciones higiénicas de su interior.
Por último, se identifican las operaciones de mantenimiento correctivo más frecuentes que
precisan los sondeos. Para la reparación de electrobombas y su posterior montaje, se
propone un protocolo de revisiones y la revisión en taller del equipo despiezado para
identificar posibles fallos de instalación y evitar que vuelvan a repetirse. Igualmente, cuando
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se precisa desarrollar sondeos colmatados se recomienda la aplicación del sistema Aqua
Freed®, también basado en la inyección de CO2 líquido, de mayor efectividad y radio de
acción que los sistemas actuales existentes en el mercado, no agrede a los entubados
metálicos y es ambientalmente compatible, aspecto de especial interés para usuarios con
procedimientos de protección ambiental y/o políticas de responsabilidad corporativa.
INTRODUCCIÓN
Las captaciones de agua subterránea sufren procesos de pérdida de productividad y
rendimiento, resultado de la suma de disminución de eficiencias en el acuífero, perforación y
equipo de impulsión.
Los rendimientos asociados al acuífero y perforación están asociados a pérdidas de carga
generadas en cada uno de los elementos por los que transita el agua, a saber: matriz discontinuidades de la roca, filtro de grava, rejillas e interior del entubado, siendo los
factores que determinan sus pérdidas de eficiencia hidráulica los siguientes: a)
Permeabilidad del acuífero: b) Barreras que dificultan su conexión con resto de la masa de
agua; c) Grado y tipo de desarrollo de la perforación; d) Dimensionamiento y grado de
colmatación de rejillas; e) Permeabilidad y colmatación del filtro de gravas.
Por su parte, el rendimiento del equipo de impulsión está asociada a: 1) Selección del equipo
y ajuste del punto de trabajo Q/H a la zona de máximos rendimientos de la bomba. 2)
Rendimientos del cuerpo hidráulico y motor y su grado de desgaste - desajuste. 3) Pérdidas
de carga inducidas por instalaciones hidráulicas y 4) Pérdidas en elementos eléctricos.
Cualquiera que sea su origen, el resultado de una pérdida de rendimiento siempre se
manifiesta como una disminución de caudal y/o incremento de consumos unitarios y se
trasladan directamente como aumentos de costes de producción.
EFICIENCIA HIDRÁULICA DEL ACUÍFERO Y PERFORACIÓN
La eficiencia hidráulica de un sondeo se establece como la relación entre los descensos
teóricos que debería sufrir el nivel de agua ante la extracción de un caudal determinado y los
que realmente registra.
La depresión del nivel de agua que se origina con los bombeos viene establecida por la
fórmula de Theis, que la relaciona con el caudal extraído, con la transmisividad y coeficiente
de almacenamiento del acuífero y con la duración de bombeo.
La ecuación de Theis no considera los descensos motivados por circulación en régimen
turbulento, ni a través de los elementos del sondeo, como son rejillas del entubado, macizo
filtrante de gravas y por el propio entubado hasta la aspiración de la bomba de impulsión.
Estas depresiones añadidas son realmente pérdidas de carga y se generan cuando el caudal
de extracción infiere altas velocidades de flujo, alcanzando magnitudes superiores cuando se
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desarrollan procesos de colmatación, que limitan y condicionan el flujo. Estas pérdidas
adicionales vienen recogidas en la ecuación de descensos del pozo, que adopta la expresión:
Donde s: descensos; Q : caudal; A, B y n: factores intrínsecos a cada captación.
El primer término de la ecuación, AQ, es de tipo lineal y se asocia a las pérdidas ocasionadas
por circulación de agua en régimen laminar, normalmente debido al flujo a través del
acuífero, mientras que término BQn se correlaciona con flujos turbulentos, que
normalmente se generan en la perforación y entorno próximo del acuífero.
La eficiencia hidráulica del pozo puede definirse como la relación entre descensos asociados
a flujo laminar y flujo turbulento (pérdidas de carga), y adopta la expresión:
La ecuación de descenso de un sondeo es reflejo del rendimiento hidráulico a una fecha
determinada y varía en el tiempo como consecuencia de procesos de envejecimiento y
colmatación de rejillas, que van generando pérdidas de carga adicionales y se traducen en
incrementos de la depresión del nivel de agua, que incluso pueden superar ampliamente las
propias del acuífero. Los procesos de obstrucción y colmatación parcial de las vías de
circulación son los más comunes y responsables directos de esas pérdidas de eficiencia
hidráulica y quedan claramente identificados como pérdida del caudal específico del sondeo.
Las pérdidas de caudal específico deben ser confirmadas con reconocimiento con TV del
entubado y, en su caso, muestreo y determinación de naturaleza de las obstrucciones y
adherencias que puedan visualizarse.
Las causas más frecuentes son:
•
Obstrucción por finos (limos y arcillas) movilizados por los flujos de agua.
•
Precipitación de minerales en forma de sales, óxidos e hidróxidos.
•
Creación de biofilm en rejillas, acuífero y filtro de gravas.
•
Disminución de abertura original de rejillas por degradación del entubado.
En un número importante de casos, los procesos de obstrucción e incrustación están
relacionados con actividad de bacterias, que fijan y bio-acumulan sustancias minerales en
forma de biofilm. De esta forma se fijan óxidos, hidróxidos y sales de Fe, Mn, Ca, Mg y Si,
que son las incrustaciones más frecuentes y afectan tanto al entubado, filtros, y al propio
acuífero.
Las bacterias que desencadenan estos procesos son autóctonas y su proliferación desmedida
está asociada a la modificación de su entorno natural inferido por la perforación y cambio en
los flujos naturales de agua.
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Figura 1. Imágenes de TV de interior de pozo y causas de pérdida de eficiencia
La generación del biofilm tiene carácter multifactorial y sólo en contadas ocasiones se puede
establecer la causa objetiva de su desarrollo.
CONTROL DE EFICIENCIAS
A efectos de visualizar el peso económico de cada factor con incidencia en la eficiencia de la
captación comentado anteriormente, se ha realizado un ejercicio comparativo de impactos
económicos de casos reales, armonizados a extracciones de 300.000 m3/año, con bomba
que consume 5 Wh/m3/m y 0,1 €/kwh de coste energético.
FACTOR
Acuífero
Perforación
Equipo
impulsión
ACTUACIÓN
Sobrebombeo: extracción de caudal por encima del
óptimo aporte el acuífero (35 l/s sobre 25) en sondeo con
ecuación de descensos s= 0,005Q+7x10-7Q 2,2
Colmatación: sondeo con 30 % de disminución de
productividad por pérdida de caudal específico, de 1,57 a
0,61 l/s/m
Desgaste: sondeo con bomba de 254 kW desajustada un
10 % de su rendimiento óptimo
IMPACTO€
5.586,00 €
9.118,00 €
9.660,00 €
Como era de esperar, el factor con mayor impacto económico corresponde al desajuste del
equipo de impulsión, pero se destaca que los demás factores pueden tener impactos
importantes y que sumados pueden ser superiores.
Esta comparativa justifica la oportunidad de desarrollar una metodología de mantenimiento
que incluya todos los factores comentados, no sólo los equipos de impulsión, lo cual no está
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exenta de dificultad ya que la mayor parte de elementos que condiciona el rendimiento y
costes no son accesibles y se encuentran instalados en el interior de la perforación, en
ocasiones a centenares de metros de profundidad.
PLAN DE MANTENIMENTO DE SONDEOS
Para el correcto mantenimiento de estas infraestructuras se propone un plan general que
diferencia entre elementos accesibles e inaccesibles.
TIPO
INSTALACIÓN
Accesibles
Inaccesibles
ELEMENTOS Y EQUIPOS
Alimentación eléctrica, obra civil de
superficie, y la mayor parte del
equipamiento hidráulico e instrumentación
Elementos de la perforación, equipo de
bombeo y algún equipamiento hidráulico e
instrumentación
TIPO DE
MANTENIMIENTO
Preventivo
Correctivo no planificado
Predictivo sistemático
Preventivo
Correctivo planificado
En este trabajo se desarrolla una metodología para mantenimiento de elementos
inaccesibles, que se corresponde con la que se expone en las páginas que siguen.
La aplicación de esta metodología de mantenimiento ha generado ahorros de coste de
operación y mantenimiento no menores al 10%.
MANTENIMIENTO PREDICTIVO DE ELEMENTOS INACCESIBLES
Indicadores (KPI)
La eficiencia del sondeo se puede controlar a través de una serie de KPI o indicadores
característicos y del seguimiento e identificación de desviaciones sobre valores estándar y
prefijados puede ser utilizado para detección temprana de pérdidas de rendimiento y para
discernir su causa, en definitiva, para su mantenimiento predictivo.
La dinámica del agua subterránea es lenta y para el control de eficiencia de pozos no es
imprescindible el registro continuo de variables, aunque si es recomendable, siendo una
alternativa al telecontrol en continuo la concentración de señales en data logger y emisión
periódica de información. Las tomas de lectura manual de periodicidad diaria son
igualmente válidas.
Las variables que deben registrarse en el cálculo de indicadores son: Niveles estáticos y
dinámicos de agua, Caudal de bombeo, Consumo eléctrico, Presión en cabeza. Aunque no
afecta a la eficiencia de la captación, también es recomendable monitorizar la temperatura
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del motor y disponer de información de calidad del agua producida (conductividad eléctrica
del agua, turbidez….).
A partir del registro de variables de pozo se obtienen los siguientes KPI e indicadores
principales: Nivel estático de agua (m), Caudal específico (l/s/m), Consumo específico
(Wh/m3/m).
La profundidad del nivel estático, o la cota del nivel de agua del pozo en ausencia de
bombeos, es el indicador del estado del acuífero y continuidad de alimentación.
Normalmente tiene oscilaciones estacionales de rango decimétrico o métrico y otras de
carácter hiperanual y ligadas a ciclos climáticos, de rango métrico a decamétrico. Sus
variaciones pueden afectar al caudal bombeado y costes, por modificación del punto de
trabajo y rendimientos, pero no al caudal específico del sondeo.
El caudal específico (Qs) es la relación entre el caudal y la depresión de nivel originada
durante el bombeo. Permite identificar pérdidas de transmisividad del acuífero y de
permeabilidad en rejillas y filtros de la perforación. En el primer caso se asocia a grandes
descensos del nivel estático, por afecciones desde otros sondeos o por sobreexplotación,
mientras que el segundo se asocia a procesos de colmatación e incrustación de rejillas, filtros
y entorno próximo de acuífero (clogging) y sus efectos se traducen en depresiones
adicionales del nivel dinámico.
El consumo específico relaciona el consumo energético unitario (kWh/m3) con la altura
manométrica de impulsión, esta última considerada como la suma de profundidad del nivel
dinámico, pérdidas de carga en la impulsión interior del pozo y la presión en cabeza de
sondeo. Este indicador permite identificar procesos de degradación y pérdida de eficiencia
del equipo de impulsión y se expresa en Wh/m3/m.c.a. Para electrobombas de mediana a
gran potencia, este indicador oscila entre 3.8 y 4.2 Wh/m3/m en zonas de rendimientos
óptimos. Valores superiores indican procesos de desajuste / desgaste de electrobomba,
exceso de fricción de elementos, o directamente una inadecuada selección del equipo, con
punto de trabajo alejado de la zona de óptimos rendimientos.
Controlar la eficiencia de la electrobomba a través de su consumo unitario es inadecuado,
por las condiciones variables del nivel dinámico, eficiencia hidráulica de la perforación y
procesos de clogging que puedan afectarles, por lo que este ratio sólo debe utilizarse como
indicador orientativo.
Herramientas del mantenimiento predictivo
La base del mantenimiento predictivo de sondeos es la obtención indicadores de estado de
los factores que controlan su eficiencia. Estos indicadores se obtienen del control de
variables del sondeo, precisando de los siguientes medios y procedimientos:

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INSTRUMENTACIÓN: Sonda de nivel, Caudalímetro, Contador eléctrico o analizador
de redes y Manómetro o transductor de presión. Conveniente sonda PT100 y
sensor de calidad

LECTURAS: Manual diaria, Acumuladores - data logger, Telelectura (continuo, o
intervalos)

GESTIÓN DE DATOS: Archivo de información y cálculos manuales, Equipos de
cálculo “in situ”, Software de gestión y aplicativos SCADA
Por su novedad y avance en la técnica de mantenimiento predictivo de sondeos, se destacan
dos últimos productos desarrollados por Aqualogy:
iDroSmartwell: Sistema de control integral de sondeos, orientado para control de eficiencias
de sondeos aislados, sin conexión vía radio, y/o con consumos energéticos importantes.
Incorpora sonda de nivel iDroLewell®, de mayor robustez y durabilidad que las sondas
sumergidas, un potente analizador de señales eléctricas y un procesador que recibe
información del resto de sensores e instrumentación, tanto analógicas como digital y calcula
in situ los indicadores, que remite al controlador ya tratados a intervalos predefinidos.
Well Watch: aplicativo orientado a la gestión y operación de campos de Además del cálculo
y control de indicadores, incorpora otras funcionalidades propias de los software SCADA,
como posibilidad de configuración, interconexión con GIS, visualización de elementos del
sondeos y otros elementos de producción, gestión de datos y alertas, telemando, etc.
Figura 2. Conceptos del equipo iDroSmartwell y aplicativo Well Watch
Verificación de incidencias y auscultación de patologías
Cuando el análisis de indicadores no es suficiente para esclarecer el origen de una desviación
de rendimientos, debe realizarse una auditoría de la instalación, mediante ensayos y
verificaciones adicionales. Debido a la interrelación existente entre los diferentes elementos
del sondeo y vinculaciones de eficiencias entre ellos, la auditoría debe ser integral, lo cual
también posibilita el diagnóstico de patologías de forma indirecta y también por descarte.
La auditoría de un sondeo debe contemplar:
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•
Revisión del sistema de alimentación eléctrica
•
Termografía de cuadros y equipos eléctricos
•
Medida resistencias de tierras y aislamientos de cables.
•
Verificación de rendimientos de electrobomba y otros equipos
electromecánicos, hidráulicos y de medida.
•
Si el problema se establece en la perforación o acuífero la auditoría se
debe complementar con inspección con TV y testificación con diagrafías.
A partir de esa información, convenientemente analizada y tratada, se puede establecer el
estado de cada uno de los elementos del sondeo y en particular de los no accesibles y la
causa de las desviaciones de eficiencia identificadas por los indicadores.
MANTENIMIENTO PREVENTIVO DE EFICIENCIA HIDRÁULICA DE
LA PERFORACIÓN
Los sondeos afectados por procesos de clogging (colmatación e incrustación de rejilas y
filtros) pueden recuperar la eficiencia hidráulica perdida aplicando tratamientos de limpieza
y desarrollo de tipo mecánico y químico, los primeros orientados a la movilización física de
elementos y los segundos a su disolución.
Normalmente las operaciones de rehabilitación se proyectan combinando de ambas técnicas
y exigen la retirada de los equipos de impulsión, por lo que hasta la fecha se han
considerado como operaciones correctivas..
El sistema Aqua Gard® es un novedoso tratamiento preventivo de procesos de pérdidas de
eficiencia hidráulica de sondeos, basado en la utilización de CO2 líquido, que aplicado una
vez al año, dos en los casos más intensos, elimina el biofilm y colmataciones en fases
tempranas del proceso, no precisando la intervención de maquinaria de limpieza de sondeos
ni desinstalar el equipo de bombeo.
La limpieza y desarrollo de pozos con CO2 líquido presenta varias ventajas operativas frente
a otros sistemas de rehabilitación, ya que en una única operación se logra un triple efecto:
Movilización y retirada de fracción fina acumulada en el filtro de grava y rejillas del
entubado, gracias a la energía liberada en el cambio de fases; Formación de ácido carbónico
que disuelve precipitados; y Eliminación de biofilm por desprendimiento, disolución de la
matriz extracelular y efecto bacteriostático del CO2.
La eficiencia de este sistema es superior a otros métodos, al disponer de una mayor
penetración en el acuífero y cuenta con las ventajas añadidas de ser menos agresivo con los
entubados, la práctica neutralización del agua de purga, que posibilita su limpieza posterior
con la propia electrobomba instalada y sin los problemas de vertido de los métodos
convencionales, y los mínimos tiempo de intervención, normalmente menores a 24 h.
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Figura 3. Sistema de inyección de CO2 líquido Aqua Gard© y resultados
MANTENIMIENTO CORRECTIVO PLANIFICADO
Los indicadores de eficiencia permiten identificar averías en fases tempranas de desarrollo y
planificar las correspondientes actuaciones correctivas y reparaciones. Las más frecuentes
corresponden a reparación de electrobomba, sustitución de equipos eléctricos e hidráulicos
averiados y, en menor medida, actuaciones en la perforación, como limpiezas y desarrollos
de colmataciones, reprofundizaciones y reentubaciones.
La reparación de electrobomba debe ser objeto de especial atención y siempre con personal
y talleres especializados. El desmontaje y despiece del cuerpo hidráulico y motor es una
oportunidad para identificar la causa de la avería, que puede ser por el desgaste propio de
cualquier equipo electromecánico, pero también puede deberse a fallos de instalación,
siendo los más frecuentes: falta de refrigeración del motor, oscilaciones en la alimentación
eléctrica, inadecuada programación de rampas de arranque –parada, cavitaciones por aguas
descolgadas, fallos de cierras mecánicos y un largo etcétera, que conviene repasar y
descartar en taller y, en su caso, modificar o adecuar la instalación para que no vuelva a
repetirse.
La reparación debe validarse mediante una prueba de bombeo y verificación de punto de
trabajo y consumos, bien en banco de ensayo, o en el propio sondeo, con todas las variables
de funcionamiento monitorizadas.
Por su parte, la instalación debe validarse tras la verificación de inexistencia de fugas y
medidas del aislamiento de cada cable de alimentación, que garantice la inexistencia de
rozaduras y fallos del aislamiento.
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Para las operaciones correctivas de limpieza, descolmatación e higienización de sondeos se
recomienda el sistema Aqua Freed®, apropiado para tratamiento de choque en casos
severos de clogging, también basado en la inyección de CO2 líquido.
El tratamiento Aqua Freed® se desarrolla en
cuatro fases:
1)
Retirada del equipo de bombeo y
cepillado de paredes .del pozo;
2)
Inyección de CO2 con auxilio de packer,
en condiciones P y T controlada. La
oscilación de presiones por expansión
del dióxido de carbono licuado libera
energía suficiente para movilizar finos y
desprender adherencias, tanto en la
tubería como en la formación acuífera
circundante. El pozo queda sellado un
tiempo mínimo de 12 h para favorecer
su efecto bactericida y disolver
incrustaciones
3)
Purga y extracción de residuos con swabbing en los tramos de rejillas (mezcla de
pistoneo y extracción de agua con aire comprimido), que se prolonga hasta extraer agua
totalmente clarificada y sin arrastres
4)
Finalmente el equipo de bombeo se vuelve a instalar
Al igual que con el sistema Aqua Gard®, se destaca su mayor radio de acción que los
tratamientos tradicionales, que posibilita movilizar elementos finos y eliminar la biomasa
entorno al sondeo, su escasa agresividad frente a las tuberías de revestimiento, el empleo
de sustancias autorizadas por normas de Seguridad Alimentaria y la no generación de aguas
acidas de purga, lo cual posibilita su empleo en instituciones y sociedades con
procedimientos de protección ambiental y/o políticas de responsabilidad corporativa.
BIBLIOGRAFÍA
Bueso, S. Lupiani, E. y Cantudo, A. (2013). Recuperación y mantenimiento de rendimiento
hidráulico de sondeos tratados con CO2 líquido. X Simposio Hidrogeología, Granada.
Mansuy, N. y Layne Geosciences Inc. (1999). Water Well Rehabilitation – A Comprehensive
Guide to Understanding Problems and Solutions. CRC Press (Lewis Publishers).
Mansuy, N. y Gregory P. Miller. (2007). Treatment Approach to Reduce Well Maintenance
Costs. ULTRAPURE WATER July/August.
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