Flora vascular de humedales permanentes y transitorios bonaerenses (Buenos Aires, Argentina).
Medidas de permeabilidad y parametros geoquímicos. Instalaciones permanentes de control y...
223
Instituto Tecnológico GeoMinero de España APLICACION DE TECNICAS ESPECIALES AL ESTUDIO HIDROLOGICO DE ZONAS DE BAJA PERMEABILIDAD MEDIDAS DE PERMEABILIDAD Y PARA METROS OEOO UIMICOS INSTALACIONES PIE CONTROL Y SEG((�4 MANEN TES DE MIENTO AÑO 1991 MINISTERIO DE INDUSTRIA , COMERCIO Y TURISMO
-
Upload
independent -
Category
Documents
-
view
0 -
download
0
Transcript of Medidas de permeabilidad y parametros geoquímicos. Instalaciones permanentes de control y...
Instituto TecnológicoGeoMinero de España
APLICACION DE TECNICAS ESPECIALESAL ESTUDIO HIDROLOGICO DEZONAS DE BAJA PERMEABILIDAD
MEDIDAS DE PERMEABILIDAD YPARAMETROS OEOOUIMICOS
INSTALACIONES PIECONTROL Y SEG((�4
MANENTES DEMIENTO
AÑO 1991
MINISTERIO DE INDUSTRIA , COMERCIO Y TURISMO
SUPER PROYECTO
N° 9005
PROYECTO AGREGADON° 320
TITULO PROYECTO:
AGUAS SUBTERRANEAS Y GEOLOGIAAMBIENTAL
ESTUDIO SOBRE CONTAMINACIONDE ACUIFEROS
APLICACION DE TECNICAS
ESPECIALES AL ESTUDIO HIDROLOGICO DE ZONAS
DE BAJA PERMEABILIDAD.
N° PLANIFICACION
COMIENZO
364/90
155/91
29-10-90
N° DIRECCION 40/90
FINALIZACION
INFORME (Título)APLICACION DE TECNICAS
ESPECIALES AL ESTUDIO HIDROLOGICO DE ZONAS
DE BAJA PERMEABILIDAD.
CUENCA ( S) HIDROGRAFICA (S) AMBITO NACIONAL
COMUNIDAD (S) AUTONOMAS AMBITO NACIONAL
PROVINCIAS AMBITO NACIONAL
APLICACION DE TECNICAS ESPECIALESAL ESTUDIO HIDROLOGICO DEZONAS DE BAJA PERMEABILIDAD
MGDIDA3 DE PERMEABIL§DAD YPARAMETROS G OQUIMOCOS
INSTALACIONES PERMANENTES DECONTROL Y SEGUIMIENTO
AÑO 1991
Este estudio lo ha realizado un equipo técnico de
AURENSA SERVICIOS , S.A. con la supervisión de D. José María
Pernía Llera , Director del Proyecto.
Han participado los siguientes técnicos:
D. José María Pernía LleraIngeniero de Minas.
D. Juan Antonio López Geta
Ingeniero de Minas.
D. Juan Grima Olmedo
Ingeniero de Minas.
Por AURENSA SERVICIOS, S.A.:
D. Luís López Vilchez
Ingeniero de Minas.
D. José Antonio Zuazo OsinagaGeólogo
D. José Antonio Zuazo Osinaga
Geólogo.
Con la colaboración de:
D. Juan Antonio Gálvez GarcíaIngeniero de Minas.
El estudio desarrolla los siguientes temas:
Isótopos y trazadores.
Técnicas geofísicas.
3.4. SHUT IN TESTS ......................... 28
3.4.1. Pressure Drawdown Test ( Descenso depresiones ) ............................ 37
3.4.1.1.Procedimiento de análisis ..... 39
3.4.1.2. Análisis mediante superposición acurvas tipo ................... 40
3.4.1.3 . Consideraciones sobre el ensayo 43
3.4.2. Pressure Building Test .......... 44
3.4.2.1. Procedimiento de análisis ..... 45
3.4.2.2. Análisis cuando el caudal varíaantes del ensayo .............. 52
3.4.2.3. Consideraciones sobre el ensayo 53
3.4.3. Inyection Well Testing (Ensayos deinyección ........................ 54
3.4.3.1. Inyectivity Test ( Ensayo deinyección) ..................... 54
3.4.3.2 . Falloff Test ( Ensayo de caída depresión ) ....................... 56
3.4.3.3. Drili Stem Test ( DST) .......... 58
3.4.3.3.1. Problemas en la realización delDrili Stem Tests. ............... 74
3.4.3.3.2. Adguisición y tratamientoautomático de datos ............. 75
3.5. CONSIDERACIONES SOBRE LAS CARACTE-RISTICAS CONSTRUCTIVAS DE LOS SONDEOSY CONDICIONES DE LOS ENSAYOS ............. 76
3.6. ENSAYOS EN DOS O MAS SONDEOS.-ENSAYOS DE INTERFERENCIA ................. 87
3.6.1. Ajuste a curvas tino ........... 88
3.6.2. Métodos de análisis semiloaarítmicos 93
6.2. Registradores de nivel con transmisióneléctrica desde el sensor al registrador. 148
6.3. Instalaciones múltiples de control y se-guimiento .............................. 151
6.4. Medidas en sondeos a distintas profundi-dades .................................. 152
6.4.1. Piezómetros multicapa ........ 153
6.5. Redes de control y seguimiento ......... 156
7. CONCLUSIONES ................................ 157
8. BIBLIOGRAFIA ............................... 143
ANEXO SELECCION DE LOS TRAMOS A CONTROLAR EN UNAPERFORACION ............................ 164
1. INTRODUCCION A LA SECCION MEDIDAS DE PERMEABILIDAD YPARAMETROS GEOQUIMICOS
La determinación de la permeabilidad de las rocas
que en la terminología hidrogeológica clásica se clasifican
--como---impermeables precisa la aplicación de técnicas
especiales.
El interés que presentan este tipo de formaciones
se debe, fundamentalmente, a que sobre ellas se pueden
localizar productos peligrosos para su almacenamiento. Labaja permeabilidad de la formación dificulta que los posibles
lixiviados contaminados que se produzcan alcancen al resto
de la biosfera.
Para que a una roca se pueda asignar este papel de
barrera geológica, la legislación actual exige que reúna
determinadas características geométricas y de permeabilidad.
Usualmente esta última se determinaba a partir de métodosfundamentalmente geotécnicos, métodos que presentan una doble
ventaja: rapidez en su ejecución y bajo coste en surealización, pero tienen el inconveniente de obtener
resultados poco exactos. (Anexo NQ 1) Este inconveniente hasido la razón por la que en los últimos años se han
investigado métodos más rigurosos para determinar lapermeabilidad de este tipo de formaciones y que son las que
se sintetizan en la primera parte de este tomo.
0
CARACTERIZACION DE LAS FORMACIONES DE BAJA
PERMEABILIDAD
2. PROBLEMATICA GENERAL
La caracterización hidrogeológica de las
formaciones de baja permeabilidad ( menos de 1 md o 10-8
m/s), constituye una rama reciente de la hidrogeología y se
enfrenta con problemas no considerados tradicionalmente:
posible desviación del -)mportamiento darciano del flujo
hidráulico y aparición de flujo asociado a gradientes
térmicos, a ósmosis, a ultrafiltración, y a esfuerzos y
deformaciones en el terreno, ya que, dada la lentitud del
flujo hidráulico, no es a priori descartable la posible
interacción de fenómenos geológicos. Por otra parte, los
elementos en solución pueden verse afectados, en mayor o
menor grado, por fenómenos de ultrafiltración, dispersión,
precipitación, adsorción y electroforesis.
Las técnicas de investigación derivan de las empleadas
para medios de mayor permeabilidad, sobre los que existe
mejor conocimiento y experiencia. No obstante, su aplicación
encuentra severas limitaciones tanto en lo relativo a su
ejecución material como en cuanto a la observación e
1
milidarcys ( 5 x 10-12 a 10-6 m/s) para domos salinos, y de
10-3 a 10-4 md ( 10-11 a 10-12 m/s) en formaciones de sal
estratificadas, valores próximos a los de los materiales
arcillosos.
Kreitler et al. (1985) estimaron una permeabilidad
regional de 10-4 md , concordante con los ensayos de
laboratorio, para la evaporita pérmica de la cuenca de Palo
Duro (Texas) y apreciaron que el goteo del acuífero superior
al acuífero salino inferior, a través de la formación salina,
contribuye aproxidamente en un 30 por ciento al agua del
acuífero inferior. En sus conclusiones apuntan que la primera
causa de la permeabilidad son las fracturas, muy por delante
de los intersticios cristalinos, que, a su vez, están muy por
delante de la difusión a través de la iciasa cristalina y que
resulta despreciable.'
El análisis químico e isotópico de las salmueras y las
inclusiones fluidas en la sal, además de las evidencias
litológicas (estructuras de disolución-recristalización,
inclusiones arcillosas, etc.) , prueba el transporte hídrico
a través de las formaciones salinas.
2.2. MATERIALES ARCILLOSOS
Las formaciones arcillosas de cierta magnitud se
presentan formando parte de cuencas sedimentarias. En éstas,
generalmente la relación longitud a profundidad suele
presentar grandes valores, incluso de 100:1 y más, y los
3
gradientes topográficos son comparativamente pequeños.
Normalmente el espesor de la cuenca engloba diversas
formaciones de distintas características litológicas,
constituyendo un sistema hidrológico multicapa.
Aunque teóricamente casi impermeables (10-6 a 10-12
m/s, disminuyendo en general la permeabilidad de modo
logarítmico con la profundidad y grado de consolidación
(Neuzi1,1986)) las formaciones arcillosas juegan un gran
papel en el comportamiento hidrológico de la cuenca por el
goteo entre acuíferos a través de las mismas (Goblet et
al.,1987,Belitz et al.,1990).
La determinación de las características de
permeabilidad de las formaciones arcillosas requiere, además
del estudio directo de las mismas, el estudio indirecto
mediante el análisis y ensayo hidrológico de las formaciones
supra e infrayacentes de mayor permeabilidad, y el
establecimiento de un modelo a la escala global de la cuenca.
La permeabilidad vertical, a escala regional, de una
formación de muy baja permeabilidad puede ser calculada
mediante simulación numérica del sistema, si se conocen las
permeabilidades y alturas piezométricas de los acuíferas y se
definen correctamente las condiciones de contorno.
El análisis químico e isotópico del agua intersticial
obtenida por extrusión de muestras de sondeo puede
proporcionar valiosa información sobre los tiempos de
residencia, grado de equilibrio y movimiento del agua en
estas formaciones (Bath et al.,1988).
4
2.3. ROCAS CRISTALINAS
Las rocas cristalinas (granitos, etc.,) presentan
peculiaridades que las alejan notablemente de las
sedimentarias en cuanto, a los esquemas conceptuales de
estudio y caracterización hidrogeológica.
Se admite generalmente que gran parte del flujo
hidráulico tiene lugar en zonas de escasa profundidad en que
la permeabilidad se halla notablemente incrementada por
alteración de la masa rocosa y que no es en absoluto
representativa de las condiciones que deben esperarse
encontrar a gran profundidad, por lo que un modelo regional
basado en los elementos habituales de información (niveles
piezométricos, pluviometría, escorrentía, etc.) resulta de
escasa utilidad.
Aunque las rocas cristalinas poseen una cierta
porosidad, él principal mecanismo del movimiento hídrico e=_
la circulación por fracturas. Sin embargo, los estudios
realizados hasta ahora han mostrado que no hay correlación
evidente entre el número de fracturas por unidad de longitud
en sondeos con la permeabilidad, ni entre el grado de
apertura de las mismas y la permeabilidad, mostrando que el
movimiento hídrico tiene lugar de un modo complejamente
canalizado a través de mínimas porciones de las fracturas.
Se han desarrollado modelos teóricos de flujo 6i 1
fracturas con progresiva complejidad ( fractura única y
perpendicular al eje de sondeo entre bloques de roca con
5
matriz porosa o no, sistema de fracturas pa�eslelas, sistemas
de fracturas de diversas orientaciones y simulaciones
aleatorias de entramados de fracturas discoidales) y que, al
menos por el momento, no parecen alcanzar un nivel de interés
práctico.
Otros intentos han ido encaminados a la búsqueda y
definición de un "volumen equivalente representativo" de masa
rocosa que permita su integración como celdilla elemental
para modelos basados en métodos numéricos de elementos
finitos o diferencias finitas, pero tropiezan con la
dificultad adicional de definir adecuadamente las condiciones
de contorno. Una variante de estos últimos, expuesta por
Neuman et al.,1985, contiene un interesante planteamiento
teórico:
las medidas de permeabilidad en tramos de sondeos
ensayados con packer tienden a distribuirse lognormalmente,
lo que se halla en consonancia con la distribución de
frecuencia de fracturas (aunque no se correlacionen); pueden
calcularse variogramas y hacerse tratamientos estadísticos
con estos datos, si bien, al ser verticales los sondeos, los
variogramas calculables serán sólo los verticales, a menos
que se disponga de un número abundante de sondeos. La
permeabilidad será una magnitud tensorial representable por
un elipsoide cuyos ejes principales estarán condicionados por
la orientación y características de las fracturas, pudiendo
ser factible el tratamiento matemático con modelos de medios
porosos anisótropos si se llega a determinar la magnitud y
orientación de los ejes principales. Los variogramas pueden
6
utilizarse para realizar simulaciones condicionales de
permeabilidad que permitan cuantificar de algún modo unos
parámetros sobre la probable movilidad de elementos nocivos
en el medio.
En el momento actual no existe aún ningún modelo de
validez general aplicable a las rocas cristalinas, por lo que
la metodología de investigación de cada sitio en particular
debe ser diseñada específicamente en función de sus
características propias.
7
3. MEDIDAS DE PERMEABILIDAD EN SONDEOS
Las características de las formaciones de baja
permeabilidad hacen que generalmente no sean factibles los
enayos de bombeo tradicionales, ya que, por una parte, un
bombeo convencional agotaría el sondeo con demasiada rapidez
para hacer lecturas precisas, y, por otra, la distancia de
los piezómetros de observación tendría que ser extremadamente
pequeña para poder detectar variaciones de nivel en un
período de tiempo práctico. Las mediciones de recuperación de
nivel tropiezan, a su vez, con la extraordinaria lentitud de
la misma y con las distorsiones debidas al efecto de
almacenamiento en e]. pozo, cuya aminoración exigiría
diámetros de perforación tan exiguos que no pueden alcanzarse
en la práctica para grandes profundidades.
No obstante, las fórmulas de Theis, Jacob y Hantush son
aplicables en determinados casos, especialmente para la
determinación de las relaciones entre acuíferos y formaciones
confinantes en cuencas sedimentarias.
La dificultad de utilización de piezómetros de
observación ha conducido al desarrollo de ensayos en un solo
sondeo: slug test , pressure y shut-in tests , con diversas
modalidades y variantes.
8
3.1. SLUG TESTS
Concebido inicialmente para formaciones de mayor
permeabilidad por Cooper , Bredehoeft y Papadopulos ( 1967), es
aplicable a los medios de baja permeabilidad. El método
requiere teóricamente una penetración completa de la
formación y proporciona el valor de la transmisividad T y del
coeficiente de almacenamiento S.
3.1.1. Fundamentos del método
Consideremos un sondeo entubado hasta el techo de un
acuífero isótropo y abierto o enrejillado :n todo el espesor
del acuífero. Suponga-os que el sondeo es cargado
instantáneamente con un volumen V de agua (consideraremos una
inyección como una carga positiva y una extracción como una
negativa). El nivel de agua en el sondeo se desplaza
instantáneamente a una altura Ha = V / n r2a por encima o
por debajo de su nivel inicial e inmediatamente comienza a
retornar a su nivel inicial de acuerdo con una función del
tiempo H(t). Mientras, el nivel en el acuífero varía conforme
a una función h(r,t) (Figura ].) . Dado que la solución de
estas funciones puede obtenerse con cualquier condición
inicial, podemos simplificar el problema asumiendo que el
nivel es inicialmente ur'fo.rme y constante.
El problema se describe matemáticamente por:
d2h/d2r2 + 1/r(dh/dr) = S/T(dh/dt) (r>r8)
h(r,,+O,t) = H(t) (t>O)
9
CARGAINSTANTANEA
L
YH(t)
:............... 11............ ...............................................................
.......................................
:::::::':::::::/777
::::::::::::::::::::::::::::::::::7-11
NIVEL DE AGUA INMEDIATAMENTEDESPUES DE LA INYECCION
NIVEL DE AGUA EN EL TIEMPO t
NIVEL EN EL ACUIFERO EN EL TIEMPO th(r,t)y
NIVEL INICIAL EN EL ACUIFERO
ENTUBADO
REJILLA 0PARED DE POZO.'.'.:'.'.'.
Fig. 1. Esquema de un sondeo en que se inyecta abitamenteun volumen V de agua (Cooper et al., 1967)
h(c,t) = 0 (t>O)
2ureT[dh(rB+O,t)]/dr = nr2C(dH(t)/dt) (t>O)
h(r,O) = 0 (r>rB)
H(0) = H. = V/nr2<
La primera es la ecuación diferencial que gobierna el
flujo radial en régimen transitorio en un acuífero confinado.
La segunda ecuación establece la condición de contorno
de que tras el primer instante el nivel en el acuífero en la
inmediación del pozo y en el pozo son iguales.
La tercera ecuación impone como condición de contorno
que al tender r a infinito la variación en el nivel
piezométrico en el acuífero tiende a cero.
La cuarta ecuación expresa el hecho de que la tasa
de flujo hacia (o desde) el acuífero es igual a la tasa de
disminución (o incremento) en el volumen de agua dentro del
pozo.
Las dos últimas ecuaciones establecen que inicialmente
el cambio en el nivel es cero en cualquier punto exterior
al pozo e igual a Ho en el interior del pozo.
Resolviendo se obtiene
H/H. = F(P,a)
en que = Tt/r2.
y a = r2BS/r2,,
siendo r. el radio del entubado en el tr--_i en que tiene
lugar la variación de niveles y rB el radio de la rejilla o
del sondeo abierto en el tramo acuífero, y
10
r-F(1, a ) = (8a / n2) J. e -A-- "°` du/(uf
3.1.2. Aplicación
))
Mediante integración numérica de la anterior ecuación se
calculan los valores de H/Ho y j3 en función de los de n. La
tabla de la página siguiente, tomada del trabajo original,
reproduce estos valores.
Con estos valores se puede dibujar una familia de
curvas, en papel semilogarítmico, llevando H/Ho en ordenadas
aritméticas y los valores de J3=Tt/ r2 ,= en abscisas
logarítmicas, con que puede calcularse la transmisividad
mediante un método gráfico análogo al de Theis, mediante
superposición de las curvas experimental y teórica.
Las mediciones del ensayo se llevan a un gráfico en
papel semilogarítmico, en ordenadas aritméticas los valores
de H/Ho y en abscisas logarítmicas los valores de tiempo
correspondientes. Con los ejes aritméticos coincidiendo, el
gráfico experimental se traslada horizontalmente hasta
encontrar la superposición de máxima coincidencia con alguna
de las curvas. En esta posición, el valor de t en el gráfico
experimental se superpone a un valor de 0 en el de las curvas
teóricas; entrando con ambos valores en la ecuación
P = Tt /r2 ,,
y conociendo el radio del sondeo, se obtiene inmediatamente
la transmisividad T. El valor del coeficiente de
11
almacenamiento S se estima de la fórmula a r2S /r2c
interpolando entre los valores de a de las curvas. A causa de
la forma de las
gráfico,
fiable.
curvas y de la imprecisión del ajuste
el valor obtenido de S resulta más indicativo que
VALORES DE H/Ho (Cooper et al.)
Tt /r2. a=10 -1 a=10-2------
a=10-3------
a=10-4------
a=10-5
1,00 10-3 0,9771 0,9920 0,9969 0,9985 0,99922,15 10-3 0,9658 0,9876 0,9949 0,9974 0,99854,64 10-3 0.9490 0.9807 0.9914 0.9954 0.99701.00 10-2 0.9238 0.9693 0.9853 0.9915 0.99422.15 10-2 0.8860 0.9505 0.9744 0.9841 0.98884.64 10-2 0.8293 0.9187 0.9545 0.9701 0.97811.00 10-1 0.7460 0.8655 0.9183 0.9434 0.95722.15 10 --1 0.6289 0.7782 0.8538 0.8935 0.91674.60 10 -1 0.4782 0.6436 0.7436 0.8031 0.84101.00 °10 0.3117 0.4598 0.5729 0.6520 0.70802.15 10° 0.1665 0.2597 0.3543 0.4364 0.50384.64 10° 0.07415 0.1086 0.1554 0.2082 0.26207.00 10° 0.04625 0.06204 0.08519 0.1161 0.15211.00 101 0.03065 0.03780 0.04821 0.06355 0.083781.40 10 1- 0.02092 0.02414 0.02844 0.03492 0.044262.15 101 0.01297 0.01414 0.01545 0.01723 0.019993.00 10 1 0.009070 0.009615 0.01016 0.01083 0.011694.64 101- 0.005711 0.005919 0.006111 0.006319 0.0065547.00 110 0.003722 0.003809 0.003884 0.003962 0.0040461.00 102 0.002577 0.002618 0.002653 0.002688 0.0027252.15 102 0.001179 0.001187 0.001194 0.001201 0.001208
Posteriormente, (1973), los mismos autores presentan
nuevos valores de la función F( 0 ,a) a fin de hacer aplicable
el método a formaciones de más baja permeabilidad. Son los
siguientes:
12
VALORES DE H/Ho
Tt/r2 a=10-6 a=10 -7 a=10-8 a=10-9 a=10-10
0.001 0.9994 0.9996 0.9996 0.9997 0.99970.002 0.9989 0.9992 0.9993 0.9994 0.99950.004 0.9980 0.9985 0.9987 0.9989 0.99910.006 0.9972 0.9978 0.9982 0.9984 0.99860.008 0.9964 0.9971 0.9976 0.9980 0.99820.01 0.9956 0.9965 0.9971 0.9975 0.99780.02 0.9919 0.9934 0.9944 0.9952 0.99580.04 0.9848 0.9875 0.9894 0.9908 0.99190.06 0.9782 0.9819 •0.9846 0.9866 0.98810.08 0.9718 0.9765 0.9799 0.9824 0.98440.1 0.9655 0.9712 0.9753 0.9784 0.98070.2 0.9361 0.9459 0.9532 0.9587 0.96310.4 0.8828 0.8995 0.9122 0.9220 0.92980.6 0.8345 0.8569 0.8741 0.8875 0.89840.8 0.7901 0.8173 0.8383 0.8550 0.86861.0 0.7489 0.7801 0.8045 0.8240 0.84012.0 0.5800 0.6235 0.6591 0.6889 0.71393.0 0.4554 0.5033 0.5442 0.5792 0.60964.0 0.3613 0.4093 0.4517 0.4891 0.52225.0 0.2893 0.3351 0.3768 0.4146 0.44876.0 0.2337 0.2759 0.3157 0.3525 0.38657.0 0.1903 0.2285 0.2655 0.3007 0.33378.0 0.1562 0.1903 0.2243 0.2573 0.28889.0 0.1292 0.1594 0.1902 0.2208 0.2505
10.0 0.1078 0.1343 0.1620 0.1900 0.217820.0 0.02720 0.03343 0.04129 0.05071 0.0614930.0 0.01286 0.01448 0.01667 0.01956 0.0232040.0 0.008337 0.008898 0.009637 0.01062 0.0119050.0 0.006209 0.006470 0.006789 0.007192 0.00770960.0 0.004961 0.005111 0.005283 0.005487 0.00573580.0 0.003547 0.003617 0.003691 0.003773 0.003863
100.0 0.002763 0.002803 0.002845 0.002890 0.002938200.0 0 .001313 0.001322 0.001330 0.001339 0.001348
Para valores muy pequeños de a las curvas presentan
una forma muy similar y discurren estrechamente paralelas en
gran parte de su longitud (Figura 2). Esto se traduce en que
cuando el co.ficiente de almacenamiento es tan pequeño su
determinación se halla sujeta a grandes errores. El valor
calculable para la transmisividad , aunque también afectado
por el mismo hecho, no presenta, afortunadamente, un margen
13
0.0-3 _2 10 - 1 1 10 10
10 10 2Tt / rcFIG- 2
CURVAS TIPO PARA EL SLUG TEST (PAPADOPULOS Y BREDEHOEFT 1973)
de error tan elevado.
Las transmisividades determinadas por este método son
representativas de sólo una pequeña zona alrededor del pozo,
pero el procedimiento es relativamente económico y sencillo
de realización.
3.2. PRESSURE TESTS (PULSE TESTS PRESSURE SLUG TESTS)
Derivado del slug test por Bredehoeft y
Papadopulos, 1980, es análogo a aquél pero utilizando el
dominio de presiones en vez de el de alturas piezométricas,
con el sistema cerrado y presurizado.
3.2.1. Fundamentos del método
Consideremos un sondeo al que hemos aplicado un sistema
hidráulico como los que se muestran en la figura 3. El nivel
piezométrico en el intervalo a ensayar puede ser conocido o
no y puede estar ascendiendo o descendiendo, si bien, a causa
de la baja permeabilidad de la formación, su evolución será
muy lenta.
Para realizar el ensayo, el sistema es llenado con agua
y es repentinamente presurizado con una bomba. Se cierra el
sistema mediante una válvula y la altura manométrica H4
causada por la presurización comienza a decaer, como se
muestra en la Figura 4.
14
VALVULA DE CIERRE
"""" -. BOMBA
MANOMETRO,J-.-L.,z_-TAPA SOLDADA
SISTEMA LLENADO ::.:::::CON AGUA
(a)
[ -- ENTUBADO
SUPERFICIE
NIVEL INICIAL DELINTERVALO DE ENSAYO
FORMACIONIMPERMEABLE'--_-- PACKER
INTERVALOA ENSAYAR
VALVULA DE CIERRE
(b)
SISTEMA LLENADOCON AGUA
Fig. 3. Esquemas para la realización de ensayos presurizados(a) en formaciones no consolidadas y (b) en formaciones consolidadas
ooQcroywo
Q
CDQzoo
t
Ho
TIEMPO
Fig. 4. Variación esquemática del nivel manométricoen un pozo antes y después de la presurización.(Bredehoeft y Papadopulos, 1980)
Deseamos obtener una relación entre la variación de la
altura manométrica H y las propiedades hidráulicas del
intervalo de formación ensayado. Se supone que el descenso de
nivel asociado al llenado del sistema con agua es tan lento
que puede ser despreciado o bien proyectado hasta el final
del período de presurización sin cometer errores
significativos. Se asume también que el flujo en el intervalo
ensayado es radial y que las propiedades de la formación
permanecen constantes durante el ensayo.
La ecuación fundamental y las correspondientes a las
condiciones de contorno son idénticas a las formuladas para
el caso del slug test, excepto:
2nr8T dh(rs,t)/dr = nr2 dH(t)/dt
que es, ahora, sustituida por
2nr8T dh(r.,t)/dr = VWC"dWg dH(t)/dt
siendo
h altura manométrica en el intervalo ensayado de la
formación debido a la presurización.
r distancia radial desde el eje del sondeo
S coeficiente de almacenamiento
T transmisividad del intervalo ensayado
r. radio del sondeo en el intervalo ensayado
Vw volumen de agua contenido en la parte presurizada
del sistema
15
C,,,, compresibilidad del agua, [LT2/M)
d,,,, densidad del agua, [M/Ln]
g valor de la gravedad, [L/T2]
La última ecuación postula que la tasa de flujo del
sondeo hacia la formación es igual a la tasa de expansión del
agua almacenada en el sistema presurizado, al descender la
presión.
La solución es ahora:
H/Ho = F (nr2 aS/VwCwdg , nTt/V,,,,C�d.,,,g )
que es formalmente idéntica a la H/Ho = F(a,53) establecida
para el slug test, por lo que sirven las mismas tablas y
abacos.
No obstante, los valores del primer parámetro en la
función, (a), pueden ser superiores a 10-1. Por ello, los
autores proporcionan una tabla adicional de la función para
valores de a desde 10-1 hasta 101 (Bredehoeft y
Papadopulos,1980).
Cuando a es grande o 0 es pequeño, es decir, para
pequeños valores de J3/a, la función se hace prácticamente
independiente de a y ¡i, y depende solamente del producto aí3.
La tabla de la función F(a,J3) para los valores de a
comprendidos entre 0,1 y 10 se muestra en la página
siguiente . Para valores superiores resulta válida la
aproximación siguiente:
16
aj3 F(a,J3) aja F(a, j3)
0.000001 0.9977 0.6 0.31370.000002 0.9968 0.8 0.28000.000004 0.9955 1. 0.25540.000006 0.9945 2. 0.18880.000008 0.9936 4. 0.13700.00001 0.9929 6. 0.11290.00002 0.9900 8. 0.098250.00004 0.9859 10. 0.088130.00006 0.9828 20. 0.062690.00008 0.9801 40. 0.044460.0001 0.9778 60. 0.036340.0002 0.9689 80. 0.031490.0004 0.9564 100. 0.028170.0006 0.9470 200. 0.019930.0008 0.9392 400. 0.014100.001 0.9325 600. 0.011510.002 0.9066 800. 0.0099720.004 0.8719 1000. 0.0089200.006 0.8467 2000. 0.0063070.008 0.8263 4000. 0.0044600.01 0.8090 6-300. 0.0036420.02 0.7466 8000. 0.0031540.04 0.6708 10000. 0.0028210.06 0.6209 20000. 0.0019950.08 0.5835 40000. 0.0014100.1 0.5536 60000. 0.0011520.2 0.4582 80000. 0.00099740.4 0.3647 100000. 0.0008921
La figura 5 muestra las curvas tipo de la función F(a,3)
respecto al producto caja.
17
0.0Io'° lo Io' lo io' IÓ
ot�4 I 10 102 103 104 10FI6-5
CURVAS TIPO DE LA FUNCION F(q�)1980) RESPECTO AL PRODUCTO«/,9 (BREDEHOEFT YPAPpDOPULOS
VALORES DE LA FUNCION F(a,O)
0 a=0.1 a=0.2 a=0.5 a = 1 a=2 a=5 a=10
0.000001 0 . 9993 0.9990 0.9984 0.9977 0.9968 0.9948 0.99230.000002 0.9990 0.9986 0.9977 0.9968 0.9955 0.9927 0.98940.000004 0 . 9986 0.9980 0.9968 0 . 9955 0.9936 0.9898 0.98530.000006 0 . 9982 0.9975 0.9961 0.9945 0 . 9922 0.9876 0.98220.000008 0 . 9980 0.9971 0.9955 0.9936 0.9910 0.9857 0.97960.00001 0.9977 0.9968 0.9949 0.9929 0 . 9900 0.9841 0.97730.00002 0.9968 0.9955 0.9929 0.9900 0.9858 0.9776 0.96830.00004 0.9955 0.9936 0.9899 0.9858 0.9801 0.9687 0.95580.00006 0.9944 0.9922 0.9877 0.9827 0.9757 0.9619 0.94640.00008 0.9936 0.9909 0.9858 0.9800 0.9720 0.9562 0.93870.0001 0.9928 0.9899 0.9841 0.9777 0.9688 0.9512 0.93180.0002 0.9898 0.9857 0.9776 0.9687 0.9562 0.9321 0.90590.0004 0.9855 0.9797 0.9685 0.9560 0.9389 0.9061 0.87110.0006 0.9822 0.9752 0.9615 0.9465 0.9258 0.8869 0.84580.0008 0.9794 0.9713 0.9557 0.9385 0.9151 0.8711 0.82530.001 0.9769 0.9679 0.9505 0.9315 0.9057 0.8576 0.80790.002 0.9670 0.9546 0.9307 0.9048 0.8702 0.8075 0.74500.004 0.9528 0.9357 0.9031 0.8686 0.8232 0.7439 0.66840.006 0.9417 0.9211 0.8825 0.8419 0.7896 0.7001 0.61780.008 0.9322 0.9089 0.8654 0.8202 0.7626 0.6662 0.57970.01 0.9238 0.8982 0.8505 0.8017 0.7400 0.6384 0.54920.02 0.8904 0.8562 0.7947 0.7336 0.6595 0.5450 0.45170.04 0.8421 0.7980 0.7214 0.6489 0.5654 0.4454 0.35560.06 0.8048 0.7546 0.6697 0.5919 0.5055 0.3872 0.30300.08 0.7734 0.7190 0.6289 0.5486 0.4618 0.3469 0.26820.1 0.7459 0.6885 0.5951 0.5137 0.4276 0.3168 0.24280.2 0.6418 0.5774 0.4799 0.4010 0.3234 0.2313 0.17400.4 0.5095 0.4458 0.3566 0.2902 0.2292 0.1612 0.12070.6 0.4227 0.3642 0.2864 0.2311 0.1817 0.1280 0.096160.8 0.3598 0.3072 0.2397 0.1931 0.1521 0.1077 0.081341. 0.3117 0.2648 0.2061 0.1663 0.1315 0.09375 0.071202. 0.1786 0.1519 0.1202 0.09912 0.08044 0.05940 0.046204. 0.08761 0.07698 0.06420 0.05521 0.04668 0.03621 0.029086. 0.05527 0.04999 0.04331 0.03830 0.03326 0.02663 0.021858. 0.03963 0.03658 0.03254 0.02933 0.02594 0.02125 0.01771
10. 0.03065 0.02870 0.02600 0.02376 0.02130 0.01776 0.0149920. 0.01408 0.01361 0.01288 0.01219 0.01133 0.009943 0.00871640. 0.006680 0.006568 0.006374 0.006171 0.005897 0.005395 0.00489860. 0.004367 0.004318 0.004229 0.004132 0.003994 0.003726 0.00344580. 0.003242 0.003214 0.003163 0.003105 0.003022 0.002853 0.002668
100. 0.002 5 77 0.002559 0.002526 0.002487 0.002431 0.002313 0.002181200. 0.001271 0.001266 0.001258 0.001247 0.001230 0.001194 0.001149400. 0.0006307 0.0006295 0.0006272 0.0006242 0.0006195 0.0006085 0.0005944600. 0.0004193 0.0004188 0.0004177 0.0004163 0.0004141 0.0004087 0.0004016800. 0.0003140 0.0003137 0.0003131 0.0003123 0.0003110 0.0003078 0.00030351000. 0.0002510 0.0002508 0.0002504 0.0002499 0.0002490 0.0002469 0.0002440
18
3.2.2. Aplicación
El modo de utilización de este test depende del valor
del parámetro a, esto es, de si rtr2BS /V,.-C,.,dWg es mayor o
menor de 0.1.
Dado que la magnitud-de a no es conocida de antemano,
ha de hacerse un intento de análisis de los datos con el
método aplicable para a <= 0.1. Si el resultado indica que a
> 0.1, debe aplicarse entonces el segundo método.
Para a <= 0.1 los datos se analizan de manera similar a
lo explicado para el slug test: se trazan los valores de H/Ho
respecto al tiempo en papel semilogarítmico, a la misma
escala que las curvas tipo, y se superpone a una de ellas por
desplazamiento horizontal llevando los ejes J3 y t
coincidentes. Tomando un punto de coincidencia se obtienen
los valores de a, j3 y t que, con la expresión
H/Ho = F (a, j3) = F (rtr 2 SS /V,,,,C.,,,d.,,,g , rtTt/V.,,,C.,,,d,,,,g )
nos permiten obtener los valores de T y S.
Al igual que sucede en el slug test, si los datos no
permiten una coincidencia satisfactoria con una de las curvas
tipo el error con que se determina el coeficiente de
almacenamiento S es del mismo orden que el error en a;
afortunadamente, dado el pequeño desplazamiento horizontal
que hay entre las curvas tipo, el error cometible en la
determinación de T es mucho menor ( un error de 2 órdenes de
magnitud en a acarrea un error de menos del 30% en T).
19
Cuando a > 0.1 tanto la similaridad de forma de las
curvas tipo como su mayor grado de distanciamiento horizontal
incrementan notablemente la probabilidad de cometer un error
en el ajuste por coincidencia, y el error cometible en la
determinación de T puede ser del mismo orden de magnitud que
el cometible en la determinación de S. Por ello es
aconsejable utilizar las curvas de F(a,j3) en función del
producto aJ3, si bien sólo podremos obtener el producto TS, ya
que
4 = n z r 2 B TS t/ (VwC.�,dwg) 2
3.3. CONSIDERACIONES SOBRE . LA EJECUCION DE LOS SLUG Y DE LOSPRESSURE TESTS.
3.3.1. Modo de ejecución
El slug test es sencillo y económico en su realización.
Puede realizarse bien mediante extracción de agua ( bombeo, o
achique con balde o cuchara), bien mediante introducción de
agua ( llenado hasta un cierto nivel o hasta la boca del
pozo), o bien sumergiendo simplemente un barrón ( produciendo
una elevación del nivel de agua en consonancia con la
longitud del barrón y los cuadrados de los radios de éste y
del pozo o del entubado) y luego retirándolo.
La adquisición de datos del ensayo puede hacerse
manualmente mediante una simple sonda de nivel, o bien
mediante un sistema electrónico computerizado con un
20
ordenador personal tipo PC que puede trazar el gráfico en
impresora, grabarlo en disquete e incluso permita realizar un
ajuste gráfico, de modo interactivo, con las curvas tipo y
obtener un informe del resultado, como ofrece, por ejemplo,
el sistema "IMPULSE" del B.R.G.M. Otros programas
desarrollados para el tratamiento de datos e interpretación
de resultados son "SLUGIX", de INTERPEX LIMITED (USA),
"ISOAQX", de HIDRALOGIC (USA), "STEP-MATCH" y "TYPCURV", de
IN SITU INC. (USA).
La realización del "pressure test" no debe hacerse como
se expuso en la introducción de este método, ya que pueden
cometerse errores considerables, como ha expuesto
Neuzil,1982.
Es preciso conocer y utilizar la compresibilidad del
sistema ( que resulta bastante superior) y no la del agua
(teóricamente 4.8 10-10 Pa-1) , ya que inevitablemente habrá
pequeñas holguras de elementos mecánicos, alguna burbuja de
aire atrapada, etc., que distorsionarían los cálculos,
proporcionando una transmisividad varias veces menor que la
real.
Por otra parte, es conveniente situar la válvula de
cierre no en superficie, sino en profundidad y próxima al
packer o doble packer, a fin de reducir el volumen del
sistema y también de evitar posibles efectos de cavitación
por entrada en vacío de la tubería.
Así mismo, es necesaria una condición inicial de casi o
pseudo equilibrio antes de iniciar el ensayo, a fin de
21
satisfacer la ecuaciónh(r,O) = 0
que expresa que el cambio debido a la presurización del
sistema es inicialmente cero en cualquier punto de la
formación, y que es una de las condiciones de contorno
impuestas para resolver la ecuación fundamental del flujo
hidráulico en el método de Bredehoeft-Papadopulos.
Como previamente se introduce agua en el sistema, se
origina un flujo transitorio entre el pozo y la formación.
El ensayo debe comenzar cuando la lenta variación de
nivel debida al flujo transitorio puede ser extrapolada con
poco error a lo largo del tiempo del ensayo , a fin de poder
ser sustraída al realizar el análisis de los datos del mismo.
Ello es debido a que, con anterioridad al cierre del sistema,
tienen lugar cambios en el almacenamiento del pozo al variar
el nivel libre, y la variación de nivel por cambio unitario
en el almacenamiento del pozo es relativamente pequeña; pero
una vez que se cierra el sistema, los cambios en el
almacenamiento del pozo tienen lugar al expandirse o
comprimirse el agua, y dado que la compresibilidad es
pequeña, la variación de nivel piezométrico con respecto a la
del almacenamiento del pozo se vuelve relativamente grande, y
el cambio de presión debido a las condiciones de no
equilibrio anteriores al cierre se hace mucho más rápido
(Figura 6).
De no tener en cuenta estas consideraciones, si el
nivel libre estuviera descendiendo previamente al cierre, el
descenso aparente de presión en el ensayo sería muy rápido,
22
ti fi DESCENSO DE LA PPESICNDEBA A LA PRESURIZACION
EXTRAPCLACICN DEL DESCENSO DEBIDOAL FLUJO TRANSITORIO DEBIDOAL LLENADO CON AGUA
NNEL EN LA FCRMACION(INICIALMENTE DESCONOCIDO)
TIEMPO -�►a
1
fDESCENSO DE LA PRESIONDEBIDA A LA PRESURIZACION
Y
DESCENSO DEBIDO AL FLUJO TRAN TOPoOORIGINADO POR EL LLENADO CON AGUA
MVEL EN LA FORMACION(NCIALMENTE DESCONOCIDO)
TIEMPO
E
Fig. 6. Esquema de la variación de nivel antes y después de la presLrización y ciarea) Según Bredehoeft y Papadoputos (1980) y b) Según Nenzi (1982)(Nenzi 1982)
resultando un valor demasiado grande para la T calculada
(caso mostrado en la figura 6), e inversamente , si el nivel
estuviera ascendiendo, resultaría un valor demasiado pequeño
para la transmisividad calculada.
La Figura 7 muestra la configuración propuesta por
Neuzil (1982) para la realización del "pressure test", de
acuerdo con las consideraciones expuestas , en contraposición
a las inicialmente pensadas al formular el método (Figura 3).
Para calcular la compresibilidad del sistema hay que
conocer el volumen del mismo y tener en cuenta la cantidad
adicional de agua requerida para la presurización y el valor
de ésta. De este modo
Coba = dV/V/dp
La mayor complejidad en la realización del "pressure
test con uno o dos packers y transductores de presión, así
como el acortamiento de los tiempos de respuesta, pone de
manifiesto' la utilidad de los sistemas computerizados de
adquisición y tratamiento de datos, como el "IMPULSE" ya
citado. Otro programa de tratamiento de datos e
interpretación de resultados' es "TYPCURV", de IN SITU INC.
SOFTWARE.
3.3.2. Requerimientos de tiempo
Dependiendo de la transmisividad de la formación a
ensayar, el "pressurized slug test" puede requerir de varios
23
BOMBA A REGISTRADORES
-- SUPERFICIE
VALVULA ACCIONADA A DISTANCIA
11
(NIVEL EN EL POZO
PACKER
TRANSDUCTOR
PACKER
TRANSDUCTOR
J
Fi g. 7. Esquema sugerido para la realización del 'Presure slug test'
minutos a varios dias para su realización, mientras el "slug
test" , en las mismas condiciones, puede requerir de varias
horas a varios años.
La Figura 8, preparada por Bredehoeft y Papadopulos
(1980), muestra las curvas que se obtendrían con ambos
métodos, suponiendo que el slug test se realizara variando de
modo instantáneo el nivel de agua dentro de la tubería del
packer con la válvula y la bomba desconectadas, para una
transmisividad de 10-11 m2/s, coeficiente de almacenamiento
4.10-4, intervalo ensayado de 10 m, radio de sondeo de 0.1 m,
radio de tubing 0,02 m y longitud de tubing 90 m.
3.3.3. Problemas en la realización de los Slug Tests
- Acuíferos fisurados:La realización del slug test en
terrenos fisurados puede resultar en una sobreestimación del
valor de la transmisividad y una infraestimación del
coeficiente de almacenamiento.
Para el caso teórico de un sistema de fisuras
horizontales, la sobreestimación de T se vería afectada por
un factor no mayor de 3, mientras el error en la
determinación de S podría estar afectado por un factor
variable entre 10-6 y 105 (Barker y Black,1983).
En la realización de los ensayos ha de tenerse en cuenta
no someted el terreno a presiones que puedan inducir una
fracturación hidráulica del mismo, o la apertura de fracturas
existentes, con lo que quedarían desvirtuados los resultados.
24
10 102 103 104 t03 106 107 108 10TIEMPO EN SEGUNDOS
FIG- 8
DESCENSO DE NIVEL EN UN POZO EN UN SLUG TEST PRESURIZADO YEN OTRO POZO
ABIERTO ( BREDEHOEFT Y PAPADOPULOS 1980)
- Efecto "skin":
Consiste en la mejora o deterioro de
las propiedades hidráulicas de la pared del pozo (efecto
positivo o negativo, respectivamente). La permanencia de una
película de lodo adherida a la pared del pozo constituiría la
imagen física de un efecto "skin" negativo, aunque dicho
efecto puede deberse también a otras causas, como la
degradación del propio terreno en el anillo contiguo al pozo.
Inversamente, el lavado de la pared del pozo y la
alteración mecánica del terreno producida por la perforación
pueden originar un efecto "skin" positivo (estimulación).
Si el espesor de la película puede considerarse
infinitesimal, este efecto se traduce solamente en una
pérdida de exactitud de los resultados del ensayo, pero si el
espesor es apreciable, los resultados del ensayo no
corresponderán a las características de la formación sino a
las de la película (Faust y Mercer,1984).
El efecto primario del "skin" es producir un
desplazamiento horizontal de la respuesta a lo largo del eje
de tiempos. Pero existe una gran diferencia entre los efectos
reales que se producen en un slug test y en un "pressure slug
test".
En un ensayo a pozo abierto, una cantidad relativamente
grande de agua pasa del pozo al terreno, produciendo el
descenso de nivel en el pozo; esta cantidad de agua no puede
quedar absorbida en la película y tiene que pasar al
acuífero, por lo que el almacenamiento en la película es
25
despreciable y los resultados del ensayo son válidos.
En un ensayo presurizado, sólo interviene una pequeña
cantidad de agua para producir el descenso manométrico de
nivel en el pozo, y esta pequeña cantidad de agua puede
quedar disipada en una película de espesor finito con
almacenamiento no nulo; consecuentemente, los resultados del
ensayo proporcionarán las características hidráulicas de la
película y no del terreno (Moench y Hsie,1985).
Por ello, el slug test afecta a una mayor porción de
terreno circundante al pozo y sus resultados son menos
puntuales que los del ensayo a pozo cerrado.
- Fenómenos oscilatorios:
Las condiciones de ensayo
del slug test y de la formación pueden ser tales que originen
movimientos oscilatorios del nivel. Este asunto ya fué
estudiado en 1976 por Van der Kamp para el caso de acuíferos
someros, aunque en ellos resulta infrecuente, dando las
siguientes ecuaciones:
d2w/dtz - O 2.r2c in a dw/dt + 8 2 ow = 0
con Azo = g/L
y a = 0.89 rf (SAo/T)1/2
donde T es la transmisividad del acuífero, g es la
aceleración de la gravedad, L es la diferencia de cotas entre
el nivel estático y el acuífero, y S el coeficiente de
26
almacenamiento. La ecuación es v¿lida para a « 0.1,
condición fácilmente satisfecha en sondeos profundos.
En sondeos profundos cargados con una gran columna de
agua, la masa de ésta puede superar las resistencias de
fricción, originándose movimientos oscilatorios del nivel. Al
descender la columna de agua en el pozo, el agua pasa de éste
al acuífero; cuando la altura de la columna se iguala con el
nivel piezométrico del acuífero, el agua continúa fluyendo
hacia éste. Cuando el flujo ha cesado, el nivel piezométrico
del acuífero es superior al nivel de agua en el pozo;
entonces comienza el movimiento inverso, cediendo el acuífero
agua hacia el pozo.
Ross (1985) considera las ecuaciones de Van der Kamp y
añade el efecto de fricción en el pozo, obteniendo lag
siguientes ecuaciones:
e2 ,, =e2 + 82 = g/L
8 = 4µ /r2 - 62or2 /4T ln[0.89 r (Seo /T)1/2]
donde 8 es la amplitud de la oscilación, e su frecuencia, g
la aceleración de la gravedad, µ la viscosidad cinemática del
agua y r el radio de la tubería.
Pinder et al. (1985), por una parte, y Kipp (1985), por
otra, consideran que la respuesta no oscilatoria se halla
estudiada por Cooper et al. y la oscilatoria por Van de-
Kamp, pero no el caso de transición entre ambas, cuando el
factor de amortiguación es inferior y próximo a 1: se produce
entonces una amortiguación crítica que puede introducir
27
componentes no lineales de orden superior. El tratamiento
teórico de este caso desemboca en el establecimiento de
nuevas fórmulas y un nuevo juego de curvas tipo para Kipp.
No obstante, el método de Cooper et' al. es
satisfactorio en la mayoría de los casos, por lo que sigue
siendo el de aplicación general.
3.4. SHUT IN TESTS
Englobamos genéricamente bajo este epígrafe los
métodos de ensayo basados en cierre con packer y mediciones
en el dominio de presiones aplicando las fórmulas de Theis y
Jacob, o derivaciones de éstas. Aunque el significado físico
de cada tipo de ensayo es peculiar, todos ellos comparten
básicamente la misma teoría y conceptos, el mismo juego de
fórmulas y los mismos métodos de cálculo. La elección de uno
u otro método debe realizarse de acuerdo con las
características específicas del caso a tratar.
Los métodos han sido desarrollados por la industria
petrolera, por lo que utilizaremos su terminología y sistema
de unidades, dando posteriormente sus equivalencias a medidas
hidrogeológicas y al S.I.
Los métodos descritos serán " pressure drawdown testing"
"pressure buildup testing", "injection well testing", y
"drillstem testing". Para mayor información remitimos a
Earlougher (1977).
28
Fundamentos
La ecuación diferencial que expresa el flujo
en un medio poroso es
d 2 p/dr2 + l/r dp/dr = 1/0.0002637 4 c, /k dp/dt (1)
Las condiciones de contorno son un factor importante
para las diferentes soluciones a esta ecuación. La mayoría de
las técnicas de análisis de ensayos en régimen transitorio
suponen un único sondeo funcionando a flujo constante en una
formación de extensión infinita. Esta condición de contorno
resulta útil ya que es aplicable en el período inicial de un
régimen transitorio. Más tarde, los efectos de otros sondeos,
barreras geológicas, etc., influencian el comportamiento del
pozo y lo alejan de esta situación. Por ello, se necesitan
diferentes soluciones a la ecuación (1) para mayores períodos
de tiempo. También se requieren superposiciones u otras
soluciones para incluir otros factores, como el
almacenamiento de pozo, fracturas, sistemas estratificados,
presencia de otros fluidos y barreras.
método general para el establecimiento de soluciones
a la ecuación fundamental es la utilización de magnitudes
adimensionales, aplicables a una amplia gama de situaciones.
Su inconveniente es que a primera vista no dan un sentido
físico de las magnitudes reales aunque sean directamente
proporcionales a ellas.
Por ejemplo, la ecuación del flujo radial en régimen
29
permanente:
q = 0.007082 kh(p0 - Pw)Bµ ln ( ra/r.)
queda, al despejar la diferencia de presiones,
p© - pW = 141.2 crBu ln (ra/r.N)kh
y, en forma adimensional,
pA - p, = 141.2 ctB4 pDkh
siendo pD = ln(re/r.)
Por tanto, la caída física de presión en la situación de
flujo radial permanente es igual a la caída de presión
adimensional, que en este caso es simplemente ln(r./rw) por
un factor de escala. Este factor de escala depende solamente
de la tasa de flujo y de las propiedades de la formación. El
mismo concepto se aplica al flujo en régimen transitorio y a
situaciones más complejas (sólo la presión adimensional es
diferente).
Antes de continuar, es conveniente indicar la
nomenclatura y significado de las magnitudes que intervendrán
en las fórmulas:
k: permeabilidad intrínseca (milidarcis)
30
h: espesor de formación considerado (pies)q: caudal (STB/D) (barriles estandard/día)
µ: viscosidad (centipoises)
p: presión (psi) (libras por pulgada cuadrada)
d) : porosidad (fracción)
rw: radio del sondeo
ra: distancia de un punto de la formación al eje del pozo
t: tiempo (horas)
c,: compresibilidad del sistema (psi -1)
B: factor de propiedades del fluido (aproximadamente 1para el agua).
En términos generales, la presión en cualquier
punto de una formación perforada por un sondeo con caudal
constante q se describe con la solución generalizada de la
ecuación (1):
Pi - p(t,r) = 141 .2 gBj [pD(tD,rD,CD,geometría ,...) + s] (2)kh
donde p .L es la presión inicial, uniforme, existente en la
formación antes de la extracción o inyección; q es el caudal
constante en la superficie; k, h y µ son propiedades de la
formación constantes; pD es la solución, en presión
adimensional, a la ecuación (1) para las condiciones de
contorno consideradas, y s es el efecto "skin", una caída de
presión adimensional que se supone tiene lugar en la pared
del sondeo a consecuencia de degradación o mejora. El efecto
"skin",s, solamente aparece en la ecuación (2) cuando rD = 1.
En régimen transitorio , pD es siempre una función de
31
tiempo adimensional,
tD = 0.0002637 kt (3a)4uc,r2w
cuando se basa en el radio del sondeo,
o
tDA = 0 .0002637 kt = tD (r 2W /A) (3b)4)µc-,-A
cuando se basa en el área de drenaje.
La presión adimensional varía también con la posición
en la formación, como se indica en la ecuación (2) por la
distancia adimensional
rD = r/rw (4)
En sentido práctico, la presión adimensional es un
número dado por una ecuación, una tabla o un gráfico, y es
proporcional a la presión real.
La Figura 9 muestra esquemáticamente tres regímenes de
flujo transitorio para un medio de extensión finita. La parte
A es la respuesta inicial, en la que el pozo se comporta como
si estuviera solo en un medio infinito. Este período se halla
caracterizado por una línea recta sobre gráfico
semilogarítmico. La parte C corresponde al régimen pseudo-
permanente que aparece en todos los sistemas cerrados;
durante esta etapa, la presión varía linealmente con el
32
0 1+ 1 1 1 1 1 10 l 2 3 4 6
TIEMPO ADIMENSIONAL
17 u 9 to- 10-1
TIEMPO >DIMENSIONAL
l io
Fig. 9 . Regímenes de flujo transitorio: A - comportamiento inicial (sondeo solo en un medioinfinitos 5 - transicidnt C - régimen pasudopermanente. (Serllougher y Remey, 1.973).
tiempo. La parte B de las curvas es el pe-_odo de transición
entre los dos tipos de flujo citados. En los tres casos, el
flujo es siempre transitorio.
La figura 10 es una representación esquemática de un
pozo solo, produciendo un caudal q, en un medio infinito
horizontal de poco espesor y saturado de un fluído algo
compresible. Cuando las hipótesis de la ecuación (1) se
hallan satisfechas, la ecuación (2), con pD tomado de la
figura 11, describe el comportamiento de la presión en
cualquier punto del medio. La Figura 11 muestra pD en función
de tD y rD, la distancia adimensional desde el sondeo para el
período transitorio inicial. (La Figura C.1 es una versión de
la Figura 11, en ábaco utilizable). Cuando rD >= 20 y tD/rzD
>= 0.5, o cuando tD/rzD >= 25, rD = 20 y las líneas de la
"solución integral exponencial" de las figuras 11 y C.1
coinciden, de tal modo que pD depende sólo de tD/rzD en estas
condiciones. La solución integral exponencial (también
llamada solución de Theis) a la ecuación del flujo es
pD(tD,r0) = - 1 Ei(-rzD/4tD) (5a)
2
aprox.= 1 [ ln(tD/rzD) + 0.80907] (5b)2
La ecuación (5b) debe ser usada cuando
tD/rzD > 100 (6)
aunque la diferencia entre (5a) y (5b) es de sólo un 2 por
33
�É: ft
� � i ^.1 ( ii f
- .... - - res- - -- --- - - r-^ C_
r , . 1: 771 r71 .111 M i
- - e .. ..t r .. 1 I 1 . t i If frt : I f=P 1,115 I - - _ It tii a - ?
21
+f I {� r r i +T-1¡ T r
P
r
f} . h r RnÉ 4fT HP ! E E I
11 -EN
i. ,t 1
~• ._.._ ._ .:_ •. -_ _ r . . Solución Integral 44 - c . :;I:�^ -__ - - ¡¡ .. r_. - -c.:... :• . _- .:•
.:. -. �
. .- exponencial
_ _ _
:tc
.. 1-r.. ...:.:.
it �
�r� i (
� 1- ' -� i i - - --- -7- --( =� t*--- r-}- •rFC �r irr--ki ;rsir r �� �rt � :* _ _ �.. _.. . . r r ri t . � _ ,r , , ;
io
(o-'
lo-22
tD / rD
Presión adimensional par en un pozo , en un sistema Infinito, pequeño rD, tiempo corto , sin almacenaaiento en sondeo, sinefecto skin (Mueller y Witherspoon).
Fig. 10. Medio de extensión infinita, con un solopozo.
10 i
INTEGRAL EXPONENCIAL
5.0(¡ �
10-Z l\[/`/':�.7// 20.0
! ! t1 0-Z 10-1 lO 102
tp/rQ
Fig. 11 . Pd en función de tD y rD( Mueller y Witherspoon , 1.965).
I03
ciento cuando tD/r2D > 5. Por tanto, a efectos prácticos, la
aproximación logarítmica a la integral exponencial es
satisfactoria cuando ésta es satisfactoria.
La integral exponencial se halla definida por
E¡(-x) = - e- du/u (7a)
cuyos valores pueden tomarse de las correspondientes tablas,
o bien calcularse aproximadamente con la expresión
E¡(-x) aprox.= ln(x) + 0.5772 para x < 0.0025 (7b)
Cuando el punto considerado es el pozo mismo, rD = 1, de
modo que tD/r2D = tD. Dado que tD > 100 después de tan sólo
unos minutos para la mayoría de sistemas y configuraciones,
no existe prácticamente diferencia entre las dos formas de la
ecuación (5).
Como ya se indicó, todos los pozos se comportan como si
estuvieran solos en un medio de extensión infinita durante
algún tiempo después de tener lugar una variación en el
caudal. Para el descenso de presiones, la duración del citado
período puede estimarse mediante
tala = cbp.c.A ( t DA) aia (8a)0.0002637 k
donde tDA al final del período puede obtenerse de la columna
"solución don error menor del 1 %" de la tabla C.1. Para un
J-
34
i1SIONLESS PRESSURE SOLUTIONS
Tabla c-L -SHAPE FACTORS FOR VARIOUS CLOSED SINGLE-WELL DRAINAGE AREAS.
IN BOUNDEO RESERVOIRS
0
FT�
ki�•
2
2
1
2
2
flt2
CA .tnCA 1/2 In(2.24a)
5CA
EXACTFOR tOA>
LESS THAN1% ERRORFOR t0A>
USE INFINITE SYSTEMSOLUTION WITH LESSTHAN 1% ERROR
FOR t oA <
31.62 3.4538 -1.3224 0.1 0.06 0.10
31.6 3.4532 -1.3220 0.1 0.06 0.10
27.6 3.3178 -1.2544 0.2 0.07 0.09
27.1 3.2995 -1.2452 0.2 0.07 0.09
21.9 3.0865 -1.1387 0.4 0.12 0.08
0.098 . -2.3227 +1.5659 0.9 0.60 0.015
30.8828 3.4302 -1.3106 0.1 0.05 0.09
12.9851 2.5638 -0.8774 0.7 0.25 0.03
4.5132 1.5070 -0.3490 0.6 0.30 0.025
3.3351 1.2045 -0.1977 0.7 0.25 0.01
21.8369 3.0836 -1.1373 0.3 0.15 0.025
10.8374 2.3830 -0.7870 0.4 0.15 0.025
4.5141 1.5072 -0.3491 1.5 0.50 0.06
2.0769 0.7309 +0.0391 1.7 0.50 0.02
3.1573 1.1497 -0.1703 0.4 0.15 0.005
pozo situado en el centro de un dominio circular cerrado,
(tOA)aia = 0.1, y
taia aprox.= 380 cbµ c,Ak
(8b)
Consideraremos los efectos y tratamiento del
"skin" y del almacenamiento de pozo , al tratar de los
diferentes ensayos.
EQUIVALENCIAS ENTRE MAGNITUDES
Seguidamente se muestran las principales equivalencias entre
sistemas de medida:
1 darcy = 9.86923 10-13 m21 pie = 3.048 10-1-1 pulgada = 2.54 10-2 m1 psi = 6.894757 103 Pa1 cp (centipoise) = 1.0 10-3 Pa.s1 STB (barril) = 1.589873 10-1 m31 STB/D (barril/día) = 1.840131 10-6 mas-
Permeabilidad K = k daµ g�
Transmisividad T = kh (dq )g=
Coeficiente de almacenamiento S = (� c-h (dg)g=
Descenso s = (pi - p)/(dg/g.)
Nivel h = p/(dg/g_)
Descenso adimensional W(1/4a) = 2pD(tD)
35
siendo g. = 1.0 kg.m.N-1.s-2
Equivalencia de fórmulas, respecto al S.I.( a la
izquierda en "unidades petroleras", y a la derecha en S.I.:
Tiempo adimensional:
tD = 0.000263679 kt tD = kt/ I)µctr 2w4µctr2.
Ley de Darcy para el flujo radial:
q = 0.00708188 kh (p. -pw) q = 2n kh(pe-p.,)Bµln(ra/rw) Bµ ln(r./r.)
Ecuación general del flujo transitorio:
Sp = 141.2 gBµpD ( tD ) Sp = _Bup_(t_)kh 2nkh
Pendiente de la recta semilogarítmica:
m = 162.568 gBU m = 0.183234 QBU ( m = 0.183 Q/T)kh kh
Ecuación general del efecto "skin":
s = 1.15129 [ plh,-p(5t=0) - log(k/(�µctr2w) + 3.227546]m
(S.I.).
= 1.15129 [ plhr-p(St=0) - log(k/(�µctr2w) - 0.351378]
36
m
3.4.1. Pressure Drawdown Test ( Descenso de presiones)
La Figura 12 muestra esquemáticamente la
realización del ensayo. Idealmente, el pozo es cerrado con
packer hasta que alcanza la presión estática de la formación
antes de comenzar el ensayo. Los datos del acabado del pozo
han de ser conocidos, a fin de poder estimar el efecto y
duración del almacenamiento del pozo. Acto seguido se procede
a la extracción a caudal constante mientras se continúa con
el registro de la presión de fondo del pozo.
La presión en un pozo con extracción a caudal constante
en un medio de extensión infinita es:
p� - p,e = 141.2 QBu [PD(tD, ...) + s]kh
siendo pi la presión inicial. La presión adimensional para el
interior del pozo (rD = 1) es
p„ = 1 [ln( tD) + 0.80907]2
cuando tD/r2D > 100 y después de que los efectos del
almacenamiento del pozo hayan disminuido. El tiempo
adimensional es
tD = 0.0002637 kt(�µctr2.,,
37
EXTRACCION
CIERRE
TIEMPO, t
u_
TIEMPO, t
Fig. 12 Esquema de caudal y presión para el ensayode descenso de presiones ('(*awdown testhg')
Combinando las ecuaciones anteriores , obtenemos:
pwf = p i- - 162.6 gBu [log t + log(k/4 ct-r2w) - 3.2275 +kh
0.86859 s]
Esta ecuación describe una relación lineal entre p.f y log t.
Agrupando la ordenada en el origen y la pendiente, puede
expresarse:
p,E = m log t + p,,,
Teóricamente, un gráfico de presión de fondo de pozo en
función del logaritmo de tiempos proporcionaría una línea
recta de pendiente m y ordenada en el origen p,h...
La figura 13 muestra que la parte recta aparece
cuando los efectos "skin" y de almacenamiento han disminuido.
La pendiente de la recta semilogarítmica será:
m = - 162.6 qBukh
La ordenada en el origen (para log t = 0), que corresponde a
t= 1, será:
p1hr = p.L + m [log(k/(tµc,r2-) - 3.2275 + 0.86859 s]
38
Fig. 13 Gráfico semdogaritmico de datos de descenso de presiónpara un pozo con efectos de almacenamiento y 'skh .
3.4.1.1. Procedimiento de análisis
Se necesitan dos gráficos para el análisis del ensayo:
uno bilogarítmico y otro semilogarítmico. El bilogarítmico,
[log(p.L - p",£) contra log t], se utiliza para estimar cuándo
deja de ser importante el efecto de almacenamiento. Cuando la
pendiente de este gráfico es de un ciclo de 6p por ciclo de
t, el efecto de almacenamiento es predominante y los datos no
proporcionan información sobre la formación. El coeficiente
de almacenamiento de pozo puede estimarse a partir de esta
recta de pendiente 1 y de la ecuación
C = Qsst24Sp
La recta semilogarítmica debe comenzar, aproximadamente, al
cabo de 1 ó 1.5 ciclos de t después de empezar a desviarse
los datos de la recta de pendiente 1 y comenzar a formar uña
línea de baja pendiente y ligeramente curva sobre el papel
bilogarítmico.
Por otra parte, el tiempo de comienzo del
comportamiento semilogarítmico puede también estimarse
mediante la ecuación:
t > (200000 + 12000 s) C/(khµ)
El segundo gráfico requerido es el semilogarítmico p.,,,f
contra log t. La pendiente m de la línea recta ajustada se
39
toma de este gráfico y se introduce en la ecuación
k = - 162.6 gBumh
permitiendo calcular la permeabilidad intrínseca k 6 la
transmisividad.
El factor "skin" se calcula mediante:
s = 1.1513 [(p,.hr-p.L)/m - log(k/d)µctr2f,.,) + 3.2275]
En esta última ecuación, pir.r debe tomarse de la recta
semilogarítmica. Si los datos de presión medidos a 1 hora no
caen en esta línea, la recta debe ser extrapolada al valor de
1 hora y utilizarse el valor de p 2. ,,r extrapolado. Este
procedimiento es necesario para no calcular un efecto "skin"
incorrecto por utilizar un valor de presión influenciado por
el efecto de almacenamiento.
Si la duración del ensayo es suficientemente larga, las
presiones de fondo de pozo acabarán desviándose de la recta
semilogarítmica, comenzando la transición al régimen pseudo-
permanente.
3.4.1.2. Análisis mediante superposición a curvas tipo:
Si la duración del ensayo es muy corta, la recta
semilogarítmica no llega a desarrollarse, y los datos no
pueden analizarse con el procedimiento indicado. Puede
recurrirse entonces a técnicas de ajuste a curvas tipo,
40
usando un método general aplicable a muchas modalidades de
ensayo en régimen transitorio, conociendo pD y tD. Para
ensayos de un solo pozo, el ajuste a curvas tipo debe usarse
solamente cuando el procedimiento convencional (recta
semilogarítmica) no puede ser utilizado. En estos casos, el
análisis mediante ajuste a curvas tipo permite obtener
resultados aproximados.
Los pasos son los siguientes:
1. Elegir un gráfico de curvas tipo (por ejemplo el de
la Figura C.6, que corresponde al caso de un pozo, con
efectos "skin" y de almacenamiento, solo en un medio
infinito; se trata de un gráfico bilogarítmico de po y tc).
Representaremos los datos del ensayo como Sp contra los
tiempos del ensayo t, a la misma escala que el gráfico
elegido. Para el "drawdown test", la diferencia de presión es
sp = p--L - pwf(t)
y, en general, para cualquier ensayo,
sp = I I p (St=O) - p,N(St ) N
Es de observar que el parámetro Sp se calcula siempre como un
número positivo. El parámetro tiempo es el tiempo desde el
comienzo del ensayo, St. Para hacer el gráfico con los datos,
usareiTmos un papel transparente colocado sobre el de las
curvas tipo; calcaremos las rayas principales de los ciclos
logarítmicos y señalaremos las escalas para Sp (psi) y St
(horas). Usando la trama bilogarítmica del papel de abajo
41
F i g C- 6 Presión edimensional en un sondeo en un sistema infinito y almacenamiento de pozo y efecto skin incluido-
como guía para situar y marcar los puntos (St,Sp) del ensayo,
obtendremos éstos a la misma escala que las curvas tipo.
2. Deslizaremos el papel transparente con los datos
representados, manteniendo los ejes paralelos a los del papel
de abajo, hasta lograr su coincidencia con una de las curvas
tipo.. Calcamos entonces la curva, y señalamos un punto bien
caracterizado en el papel transparente ( que no tiene por qué
estar en la curva), como por ejemplo una intersección de
rayas principales de ciclos logarítmicos, y anotamos sus
valores correspondientes tanto sobre el gráfico de datos
[(Sp)M y (St)M], como sobre el gráfico de curvas tipo [(po)M
y (t0)M]
3. En el gráfico de curvas tipo utilizado, las ordenadas
son presión adimensional
y !
pD = Spkh/141.2 qBµ
sustituyendo en esta ecuación los valores anotados en el
paso anterior (2.) y reordenando, obtendremos la
permeabilidad intrínseca de la formación:
k = 141. 2 qBµ (pD ) Mh (Sp) ri
4. Análogamente, las abscisas de las curvas tipo son
tiempo adimensional
tD =0.0002637 kt
( {-ictr 2.
42
y sustituyendo los valores de St y tD correspondientes al
punto seleccionado, obtendremos el producto porosidad-
compresibilidad de la formación:
dp ct = 0.0002637k (8t)Mµr2. (tD)M
5. Si la curva tipo del ajuste se halla identificada
por un parámetro, tal como el coeficiente de almacenamiento
adimensional y el factor de "skin" en la Figura C.6, este
parámetro puede utilizarse para estimar, además, otras
propiedades del pozo o de la formación.
3.4.1.3. Consideraciones sobre el ensayo:
La mayor dificultad que puede presentarse es que no se
pueda mantener una extracción a caudal constante durante el
tiempo necesario para la realización del ensayo. No obstante,
puede intentarse obtener resultados aproximados mediante él
análisis por ajuste a curvas tipo.
Otra dificultad se presenta si las condiciones no son
constantes antes del ensayo. La Figura 14 muestra una
situación en que la presión se halla descendiendo antes del
comienzo del ensayo. La línea de trazos, extrapolada,
representa el comportamiento esperado de la presión si el
pozo continuara cerrado. La extraccj-ói: comienza en el tiempo
t1, y la presión evoluciona como indica la línea de trazo
continuo a partir de t1. Se necesitan tres pasos para
43
DESCENSO INICIAL DEPRESION OBSERVADO
EXTRAPOLACIONCORRECTA
DESCENSO DEPRESION OBSERVADO
t,
TIEMPO DE FLUJO
Fig. 14 Ensayo de descenso de presión cuando las concisionesno son constantes antes de su hico (SGder, 1971)
analizar correctamente el comportamiento de la presión:(1) determinar correctamente la extrapolación.
(2) calcular la diferencia entre las presiones
observada y extrapolada (Spst en la figura 14).
(3) hacer un gráfico de Spst contra St, debiendo
resultar una recta semilogarítmica que se analiza con las
ecuaciones expuestas anteriormente.
3.4.2. Pressure Buildup Testing (Recuperación de presiones)
Las más simples técnicas de análisis requieren
que la extracción del pozo se realice a caudal constante,
bien desde el comienzo o durante suficiente tiempo para
establecer una distribución de presión estabilizada (tp..)
antes del cierre. La Figura 15 muestra el diagrama de caudal
y presión para un ensayo en condiciones ideales. tp es el
tiempo de extracción y St es el tiempo medido a partir del
cierre. La presión se mide inmediatamente antes del cierre y
se vá registrando en función del tiempo durante el ensayo. La
curva de recuperación de la presión se analiza después para
deducir propiedades de la formación y condiciones del pozo.
Antes de comenzar el análisis de los datos es muy
conveniente conocer todas las características del acabado del
pozo: diámetros de entubados, profundidad, situación del o de
los packers, etc. En la etapa inicial del ensayo son
necesarias las medidas de presión en intervalos muy cortos, a
fin de poder estimar los efectos del almacenamiento del pozo.
A medida que progresa la realización del ensayo, los
44
intervalos pueden irse espaciando.La estabilización del pozo a caudal constante antes de
proceder al ensayo es muy importante. Si la estabilización no
es tenida en cuenta o si resulta imposible de lograr, los.
métodos de análisis habituales pueden proporcionar
información errónea acerca de la formación. Por tanto, es
importante determinar el grado y adecuación de la
estabilización, y un modo de hacerlo es comparar la magnitud
del período de extracción a caudal constante con el tiempo
requerido para la estabilización.
El tiempo requerido para la estabilización ( paso a la
situación de régimen pseudo-permanente) puede estimarse
mediante la ecuación
tpsa = j4ctA ( tDA) Po s
0.0002637 k
donde (tDA )PSS se obtiene de la columna "valor exacto de
tDA >" de la tabla C.1.
Para pozos con caudales significativamente variables, el
análisis es aún posible usando las modificaciones que más
adelante se verán.
3.4.2.1. Procedimiento de análisis
Durante el período inicial el pozo se comporta como si
estuviera solo en un medio infinito. La presión de fondo de
pozo puede expresarse utilizando el principio de
superposición para un pozo con extracción a caudal q hasta el
tiempo tp y a caudal cero posteriormente. A cualquier tiempo
45
m = 162.6 gBukh
El gráfico de presiones observadas de fondo de pozo, p..
contra log[(tp+St)/St] debe presentar una parte recta con
pendiente -m que puede utilizarse para calcular la
permeabilidad intrínseca de la formación:
k = 162.6 qBµmh
Este tipo de gráfico es comúnmente denominado gráfico de
Horner. La figura 16 es un esquema de gráfico de Horner de
datos de recuperación de presiones, en el que puede
apreciarse la porción recta. Esta recta se extrapola hasta
(tp+St)/8t = 1, o sea, log[(tp+St)/St] = 0, el equivalente de
tiempo de cierre infinito, para obtener una estimación de pi.
Esta estimación es correcta solamente para cortos períodos de
extracción.
En la figura 16, la abscisa ha sido invertida de tal
modo que sus valores aumentan de derecha a izquierda. Esta
disposición, que resulta matemáticamente equivalente a
representar log[8t/(t,+8t)], hace que el tiempo real aumente
de izquierda a derecha (ver escala superior en la figura) y
dá a la curva de recuperación el aspecto que uno podría
esperar. Sin embargo, significa que la pendiente, que
normalmente podría pensarse que es positiva, es negativa. En
la figura, la pendiente es -42 psi/ciclo, de modo que m = 42
47
900 10 50 100 500
0
0
00
o DESVIACION DE LA RECTA--m- A CAUSA DEL ALMACENAMIENTO
° DE POZO Y 'SKIN'
600 1 1 1 1 1 1 11 I 1 11 1 I 1 1 1 1 I 16 4 2 6 4 2 6 4 2 6 4 2
104 103 102 10
(t +Mt)/át
Fig. 16 Gráfico de Horner de datos de recuperación de presiónmostrando efectos de almacenamiento y 'skin'
psi/ciclo.Una consecuencia de usar el principio de superposición
es que el factor "skin" s no aparece en la ecuación general
del método. Por ello, dicho factor tampoco aparece en la
ecuación simplificada para el gráfico de Horner. Esto parece
significar que la pendiente del gráfico no está afectada por
el efecto "skin"; sin embargo, el efecto "skin" todavía
afecta a la forma del gráfico. De hecho, una desviación
inicial de la línea recta, como la indicada en la figura 16,
puede deberse tanto al efecto "skin" como al almacenamiento
del pozo. La desviación puede ser bastante apreciable para
los grandes valores negativos de "skin" que aparecen en pozos
con fracturación hidráulica.
En cualquier caso, el factor "skin" no afecta a la
presión antes del cierre, y puede estimarse a partir cie los
datos del ensayo de recuperación más la presión
inmediatamente anterior al cierre:
s = 1.1513 [(p2.hr - pwf( St=O))/m - log(k/(�µctr2 + 3.2275]
En esta ecuación, p",f(St=O) es la presión de fondo de
pozo observada inmediatamente antes del cierre, y -m es la
pendiente del gráfico de Horner. El valor de p1n- debe
tomarse de la recta de Horner. Con frecuencia, los datos de
presión no caen en la recta para St = 1 hora a causa del
efecto del almacenamiento del pozo o de grandes «alores
negativos de "skin" resultantes de fracturación hidráulica,
etc. En tal caso, se prolonga la recta y se mide en ella la
presión correspondiente a 1 hora, como se muestra en la
48
figura 16.
En el análisis de diversos tipos de ensayos en régimen
transitorio, la pendiente es unas veces +m y otras -m;
además, m incluye a veces un signo negativo. Esto puede crear
alguna confusión, que debe evitarse considerando que (1) la
permeabilidad tiene que ser siempre positiva, de modo que el
signo de m puede determinarse de la ecuación
m = 162,6 qBµkh
(o su equivalente para otros tipos de ensayo); (2) el primer
término entre corchetes en la ecuación del "skín", [pzhr
pWt(8t=0)]/m, es generalmente positivo (excepto en pozos con
fracturación hidráulica, en que s« 0); y (3) los caudales de
extracción son positivos, mientras que los de inyección son
negativos.
No debe existir problema al analizar ecuaciones si la
definición de m es correcta y su relación con el gráfico de
datos es tenida en cuenta.
La ecuación antes formulada para el "skín" proporciona
un adecuado valor del mismo para t, » 1 hora. Cuando tp es
del orden de una hora (por ejemplo, en el drilistem testing),
esta ecuación debe sustituirse por
s = 1.1513 [(p .Lhr - pwf(8t=0))/m + log([tp+1] /tp)
- log(k / (�)ic,r2.) + 3.2275 1
Cuando el tiempo de extracción a caudal constante
49
anterior al cierre del pozo es sensiblemente menor que tpg0 y
la variación de caudal es apreciable (por ejemplo, 20 a 50
por ciento), para obtener valores correctos de permeabilidad
y "skin" hay que utilizar los métodos de superposición que se
considerarán más adelante. Cuando el tiempo de extracción a
caudal constante es sensiblemente menor que tp68, pero es aún
grande (más de cuatro veces el tiempo de cierre analizado),
pueden todavía obtenerse valores razonablemente correctos con
el gráfico de Horner utilizando la ecuación
tp = 24 V,::>q
en que Vp es es volumen acumulado extraído y q el caudal
constante inmediatamente anterior al cierre. Esto es
aplicable a medios con escasa fracturación y después de que
los efectos del almacenamiento del pozo hayan disminuído.
La duración de los efectos de almacenamiento pueden
estimarse haciendo el gráfico bilogarítmico de datos descrito
en apartados anteriores. Para este ensayo, se representa
log [ p_8 - p,,,,f (St=0) ] contra log St. Cuando predomina el
efecto de almacenamiento, el gráfico muestra una recta de
pendiente unidad; al alcanzarse la etapa de recta
semilogarítmica, el gráfico tiende a una línea ligeramente
curva y de suave pendiente, como muestra la figura 17. En
todos los análisis de ensayos de recuperación de presiones,
debe hacerse el gráfico bilogarítmico con los datos antes de
trazar la línea recta en el gráfico semilogarítmico, ya que
50
10
0.1
0.0110 2 10 3 104 105 108 10'
Fig. 17 Presión adenensional , incluyendo almacenamiento de pozo.
Factor de skin s-0. (Wattenbarger y Ramey, 1970)
es frecuentemente posible dibujar una recta semilogarítmica
sobre datos bastante influenciados por el efecto de
almacenamiento. Este fenómeno tiene lugar porqus el cierre en
cabeza de pozo no corresponde al cierre a nivel de intervalo
de formación ensayado. Cuando la válvula de superficie es
cerrada, aún continúa el flujo de la formación hacia el pozo.
Por tanto, la presión no sube con la rapidez que se podría
esperar. Al ir cayendo el flujo a cero, la presión vá
aumentando rápidamente para alcanzar el nivel teóricamente
previsto. El gráfico de datos semilogarítmico muestra una
línea empinada y más o menos recta durante este período, y
puede ser erróneamente analizado. Los datos analizables
comienzan después de suavizarse la pendiente, como muestra la
figura 16.
Cuando los efectos de almacenamiento duran tanto que no
llega a desarrollarse la recta semilogarítmica, puede aún ser
posible analizar los datos de una manera similar a la
expuesta al tratar del ensayo de descenso de presiones, es
decir, por ajuste a una curva tipo, con Sp = pws - pf(St=O).
Las curvas tipo de las figuras C.6, C.8 y C.9 son
particularmente útiles para el ensayo de recuperación de
presiones, siempre que no tenga lugar un cambio importante en
el coeficiente de almacenamiento de pozo. Sin embargo, el
ajuste a curvas tipo no debe ser usado para analizar ensayos
mientras pu-ada aplicarse el análisis semilogarítmico. El
ajuste a curvas tipo proporciona solamente resultados
aproximados.
51
)NLESS PRESSURE SOLUTIONS
t
o, w
,�. �.t;uí � r� tV r V - - i. I V••r c t•: � { * l f
" � �¡ ,f 1, fr ! kTr;I I,í � �. t ,t
Ir r=l t
1�i :t
ItrLtlt
lt r�., ;{�'tr!1 , c1 _O. ryy O..
ó 19. r ' 4-1
I..-
:: t...ti ¡ti l �iG! ; .ii'
"' u!1 I +- -
¡•+�
i¡',�
itÍ f
tl f, ll;t F�
1
t-r
I I - fi�_,. {-_
Í i 01;. tl ú r L r;l.. ¡1 '
t1t r - rl
l !t 1,y r
r tlrr
F�'¿riF
L�1LLr.r
t¡. t E t tti a
i'M �lf
illlcr
.iFIr
¡!, tri [r�
,i
r.irr� L EÉ
T JII .t �' 1 r .r { -� 1 l'It1 ,t i It l tl I¡t -"_I_I',� �I
, rf t�'I ¡ ` I -'-It il
,
ll f '
,f
pe. I II r- ...
' '!` ::2-: I• t.ser. _� -t --a: _
r:n,:, ::: k +:i :!: 7 i r.tr
.� :kri� � }r .(
¡. i ir r ct c É _r ,� ' r = í it { r...L
._ r. r ±: j 1.LL I r. r.-- _
.L, , ff rI C
ri f.ti til t.Lt
Lrl1'i
F.t.:_ ., k 1It i
, lf
�I
.I
.rj
I_
ILI _ f `�
I Itl it r f i' t l
j + I I t �i_ r ;t I I ,I I t t
i 1 I �t� ' r+r , t Ltr r I_ ',, litt 1 tl ,I L;4( f r f I
_ I,t „ Li' {, ��tr , v-r j. ._.11�� '•If
.� '� , �I� � Í (
1
�Ili��
If�l L� rl �1_r I ) ¡¡I , F I-
I !� I11
I .I!I �
II IIt�
ii�l �I •�' ,rf�
¡_"�1I-I_I-
Ir-��--
-t- --I-f-I lil I�li i� `
I' �il
� "I
¡i
1 l �
1 v~i ¡-
I- F '�
I• �r'11
I 'I T- , f.
+'
�t l rn l F i L t t . t Ii.i L t t� ,O
r l. Ui.
'-
,.
tr l:r L k-- �I`.I'.
t.-
.C+r-* 1 1 V - I I{II``�1
�;i. 1 !:! L I,
ul.
bLi,EL
l°ÓÑ
,', +F -t r .
l` tc �
1!t t t C t_t
ltr c
1{ tl. L:1_ al :lt=� 1'l.! V tAt frt
llt i _ i-Plk :.!¡ `tl t'
tiit = áa o+
tÍf. t.1 t' ;.t
1
`i:"li t.h-=t_ t. {
é¿ O1
, 4 , 41" I t, ♦ ! lif' -, t { _ � 1 � tI `'� ' I ,, u
'I
c,,[I`I'L� f
{¡¡ f•Ít
. r�T• i-�
I .¡IiI r
= a�- ítt
t.%�¡
�-i-,
-r _ _'t
1'j(f
'l
Iiy -M' It•
�Ii.1G� it
�t ÉteFI't
r rt-�I1 {{-r'-
rl, tif¡7'Il �fr • f
C 'YT
�I- 'I-�tf-�1
`r" a -
t, t .�
f �: , �hi _ . � �. `� I�i� i � +•' . t t�
�;.�� r�--- �¡�T'{
�.�li � ,.� 1. LL I. ,_ tr
¡ L I�I
1� � ¡I¡il
�! I
[,� I It` �t�r
•i--�-I.} ±-..I.I-{----� -::r I I fll 1
ADVANCES IN WELL TEST ANALY;il
0/
I1ko/
osa ro0s
000'l
0o s'a
1 000,5
000'0/
o00'sa
o00'os��;- -
000'00/
000'OS'd r� -
Imm � l 1 1 ( i I I I I innn'nnc I � r 1 a; m}{f-!{
000'000'/pl i d 3 J 9Y19'G -
¡s r//4 y
=04:-5z
Y O d Y hm W n N O b Y MI N N A NIn N Y M NO 10b f _Yo
No
S31t1NIW IV `3W1.L NI-ifHS
n
o
7f4:
o
d
3.4.2.2. Análisis cuando el caudal varia antes del ensayo
Con periodos de extracción cortos, o con fuertes
variaciones de caudal, antes del cierre, es importante
incluir los efectos de la variación del caudal en el análisis
del ensayo (Figura 18).
Para el período en que el pozo se comporta como si
estuviera solo en un medio infinito, la ecuación
Npws = pi - m E q log[ ( tN - tj _i + St)/ (tN -t j +St)]
j=l qN
indica que un gráfico de .9 contra el término sumatorio de
la derecha debe proporcionar una recta con pendiente -m, dada
por la ecuación
m = 162.6 gNBµkh
y ordenada en el origen p.L.
La permeabilidad puede calcularse mediante
k = 162.6 gNBµmh
y el factor de "skin" mediante
s = 1.1513 [(pes-- pwf(St=O))/m - log(k/Pµc,-r2.,,,) + 3.2275]
si (tN - tN-1) » 1 hora
52
v
U
q-O
At e
tN_1 tN
TIEMPO, t
Fig. 18 Esquema de variación de caudal antes de hiciarun ensayo de recuperación de presión t'buildup test')
0
s = 1.1513 [(p,,, - p.N, (St=O)) /m - log(k/(bµctr2,.,) +
log( [(tN - tN-1 ) + l] /[tN - tN-l)) + 3.2275]
si tN - tN-1 es del orden de 1 hora.
Para cuando el período de extracción es más corto
que el de cierre, Odeh y Selig proponen emplear un tiempo de
extracción modificado
N.Ej-1 gj(t2j - t2j-1)
tWg = 2 [ t , - --------------------EN qj(tj - tj-1)j=1
y un caudal modificado
NE qj(tj - tj -1)
twp j=1
siendo el término sumatorio en la última ecuación el volumen
total extraído. Se emplea el análisis semilogaritmico
habitual, con los valores txp y q" en lugar de t,, y q.
3.4.2.3. Consideraciones sobre el ensayo
Además de los efectos del almacenamiento de pozo,
las fracturas hidráulicas en formaciones de baja
permeabilidad pueden tener un gran efecto sobre la curva de
recuperación de presiones, llegando a imposibilitar el
53
análisis.
3.4.3. Injection Well Testing (Ensayos de inyección)
Son ensayos conceptualmente simples. La
inyección es análoga a la extracción, con la particularidad
de que el caudal, q, usado en las ecuaciones, es negativo
para el caso de inyección, de tal modo que un ensayo de este
tipo se asemeja al de descenso de presiones. El cierre de un
pozo inyectado resulta en una caída de presiones que asemeja
a la recuperación de presiones estudiada anteriormente.
Las ecuaciones aplicadas en los ensayos antes tratados
son utilizables en los ensayos de inyección, con las debidas
correcciones en los signos.
3.4.3.1. Injectivity Test ( Ensayo de inyección)
Es el ensayo de presiones en régimen transitorio
realizado durante la inyección en un sondeo. Es análogo al
ensayo de descenso de presiones.
La figura 19 es un esquema de la evolución de caudal y
presiones en este ensayo. El pozo se halla inicialmente
cerrado, y la presión estabilizada a la presión inicial de la
formación, p .L . A tiempo cero, comienza la inyección a caudal
constante, q. La presión vá aumentando conforme progresa la
inyección:
pwf = p1hr + log t
54
CIERRE
INYECCION
0o
10
10
TIEMPO, t
TIEMPO, t
Fig. 19 Esquema de caudal y presión paraun ensayo de inyección ('inyectng test')
Esta ecuación indica que un gráfico de la presión defondo de pozo contra el logaritmo del tiempo de inyección
debe proporcionar una recta, como muestra la figura 20. La
ordenada en el origen, p1hr, viene dada por
p1h= = p� + m [log(k/(�µc,-r2w - 3.2275 + 0.86859 s]
y la pendiente m, por
m = -162.6 QBukh
Como en el ensayo de descenso de presiones, el
almacenamiento de pozo puede tener gran relevancia en el
ensayo de inyección. A menudo, la presión de la formación es
tan baja que hay una superfic:�e libre en el pozo cerrado. En
tal caso, el coeficiente de almacenamiento de pozo, dado por
la ecuación
C = V/(dg/144 gC)
puede ser relativamente grande. Por tanto, es recomendable
que todos los análisis de inyección comiencen con el gráfico
log(pwf - pi) contra loq t, a fin de poder estimar la
duración del efecto de almacenamiento, como ya se ha indicado
anteriormente. Como se aprecia en la figura 20, el efecto de
almacenamiento puede aparecer como una línea recta en el
gráfico pwr- contra log t; si esta recta se analizara, se
obtendrían valores demasiado bajos para la permeabilidad y el
factor de "skin" calculado se hallaría desplazado en sentido
55
Jw wQw
Z -O
a Ó
10-2 10 1 10
TIEMPO DE INYECCION, t HR
Fig 20 Gráfico semdogarttrnico de datosde un ensayo de inyección
102
negativo. El comienzo d. la recta semilogaritmica trazada en
la figura 20 puede estimarse mediante
(200000 + 12000 s) Ct > ---------------------
(kh/µ)
Una vez trazada la recta semilogarítmica, la
permeabilidad intrínseca de la formación se calcula mediante:
k = -162.6 qBumh
el factor "skin" es estimado mediante:
s = 1.1513 [(p1- - pi)/m - log(k/1)µc,-r2w) + 3.2275]
Puede hacerse también un análisis mediante ajuste a
curvas tipo de modo análogo a como se explicó para el ensayo
de descenso de presiones; el Sp utilizado deberá ser positivo
para representar la abscisa logarítmica, aunque realmente es
un número negativo. Debe prestarse atención a los signos
durante el análisis.
3.4.3.2. Falloff Test ( Ensayo de caída de presi5r)
Se inyecta a caudal constante, q, hasta que el
pozo es cerrado al tiempo tp (Figura 21). Se registran los
datos de presión inmediatamente antes del cierre y durante la
realización del ensayo, y se analizan de modo análogo a como
se efectuó para el ensayo de recuperación de presiones
56
a
CIERRE
tp
TIEMPO, t
INYECCION
0ozouw a30z°NÑ Que..wa o
t~
4t
p wf (dt - 0)
tp
TIEMPO, t
Fig. 21 Esquema de caudal y presión paraun ensayo de calda de presión ('fctoff test')
(¡cuidado con los signos!).
La caída de presión puede ser expresada , tanto para
medio infinito, como si no, mediante:
Pw8 = pw - log([tp + 8t]/8t)
La falsa presión, p-, es equivalente a la presión
inicial, pes, para el caso en que el pozo se comporta como si
estuviera solo en un medio infinito.
Como muestra la figura 22, la ecuación anterior indica
que un gráfico de pws contra log([tp + Sp]/St) debe presentar
una recta con ordenada pW a tiempo de cierre infinito ([tv +
St]/St = 1) y pendiente -m, dada por la ecuación:
m = 162.6 gBµkh
Al igual que en el ensayo de recuperación de presiones,
el gráfico de Horner se ha representado con la escala
horizontal creciente de derecha a izquierda (Figura 22). Por
tanto, aunque la pendiente parece negativa, es realmente
positiva a causa de la inversión del gráfico; m es negativo,
dado que m = -pendiente.
Como para los otros ensayos, debe realizarse el gráfico
bilogarítmico con los datos, a fin de poder estimar el final
del efecto de almacenamiento y la recta semilogarítmi(_,
adecuada (Figura 22).
La permeabilidad intrínseca de la formación se estima
mediante:
57
TIEMPO DE CIERRE, ¿t . HR
oNoILw
o
wwow
0.1 0.5 1 2 5 10 20 50 100
Fig. 22 Oráñco de Homer de u ensayode calda de presión.
k = 162.6 aBumh
y el factor "skin":
s = 1.1513 [(pihr - pe(6t=0))/m - log(k/(bµc�.r2w)
+ 3.2275]
Como en el caso del ensayo de recuperación de presiones,
si el caudal de inyección varía antes del cierre, el tiempo
de inyección equivalente puede ser aproximado por:
24 Vgq
donde V, es el volumen inyectado acumulado y q el caudal
constante inmediatamente antes del cierre.
El mayor inconveniente que puede presentarse en la
realización de este ensayo es que el pozo pueda quedarse en
vacío, originando un mayor efecto de almacenamiento de pozo y
llegando a imposibilitar un.análisis correcto de los datos.
3.4.3.3, Drill Stem Test (DST)
Este tipo de ensayo se utiliza
normalmente durante la perforación del sondeo para conocer
las características de las formaciones atravesadas.
Proporciona. un acabado provisional del intervalo ensayado,
sirviendo el varillaje como tubing, y permite obtener una
58
muestra del fluido presente en la formación, una indicación
de caudales, la medición de la presión de fondo de pozo en
condiciones estáticas y de flujo, y un corto ensayo de
presiones en régimen transitorio.
El análisis de los datos de presión permite estimar las
propiedades de la formación y el efecto "skin".
Para realizar el ensayo, se acopla al varillaje un
utensilio especial y se baja por el pozo hasta la zona a
ensayar. El utensilio aisla la formación de la columna de
lodos, permite el paso del fluido de la formación al interior
del varillaje y registra de modo continuo la presión durante
el ensayo.
La mayoría de los DST incluyen un período de extracción
corto, un período de cierre corto, un período de extracción
de mayor duración, y un período de cierre de mayor duración,
hallándose la duración de estos últimos períodos en función
de las características de permeabilidad de la formación ( a
menor permeabilidad, mayor duración).
La figura 23 muestra un esquema de presiones para un DST
de dos ciclos (obsérvese que en el esquema la presión crece
hacia abajo). El primer ciclo comprende los períodos
iniciales de flujo y recuperación de presiones, y el segundo
ciclo incluye el segundo período de flujo y el de
recuperación final de presión.
Aparellaje y procedimientos
La mayoría de los utensilios de ensayo incluyen dos
59
LINEA BASE
Prfi pif22
,Pffi ff2
5
EN LA SUPERFICIE
Pfsi
Pihm
PRIMER SEGUNDO L/
CICLO ( PfhmCICLO
TIEMPO
Fig. 23. Esquema de una gráfica de Drillstem Test:
(1) descenso por el pozo; ( 2) período inicial de flujo;(3) período inicial de cierre ; ( 4) período final de flujo;(5) período final de cierre ; ( 6) retirada del equipo;Pis = presión inicial hidrostática de lodo.Pif1 m presión inicial en el primer periodo de flujo.
Pffl- presión final en el primer periodo de flujo.
Pisi - Presión en el primer periodo de cierre.Pif2 = presión inicial en el segundo período de flujo.PPP2 = Presión final en el segundo periodo de flujo.Pfs: = Presión en el segundo período de cierre.
Pfhm = Presión final hidrostática de lodo.
o más aparatos de relojería, manómetros registradores de tubo
Bourdon, uno o dos packers, y una serie de válvulas. El
artefacto es acoplado al varillaje y descendido hasta el
intervalo de ensayo, donde se ajusta el packer, y la apertura
y cierre de las válvulas se gobierna mediante manipulación
del varillaje. El ensayo se realiza mientras se manipulan las
válvulas.
La figura 24 muestra el tipo de aparellaje utilizado
para las tres configuraciones básicas de ensayo: a un solo
packer, a doble packer ("straddle packer"), y a packer con
anclaje.
La figura 25 muestra las etapas operativas de un equipo
Halliburton durante un ensayo.
Como se aprecia en la figura 24, el conjunto superior
del aparato es el mismo para las tres configuraciones. En la
parte más alta hay una abertura de paso, operada a impacto y
reversible, que permite el vaciado del varillaje y la
circulación inversa (figura 25 e). La válvula CIP ("closed-in
pressure") es la principal de control de flujo. En
combinación con la válvula hidráulica inmediatamente inferior
("hydrospring tester"), permite los dos períodos de flujo,
los dos períodos de cierre y la circulación inversa.
Como muestra la figura 25,a, la válvula CIP está abierta
y la HT ("hydrospring tester") cerrada cuando se baja el
aparato en el sondeo. Las aberturas de by-pass setán abiertas
cuando se baja o se iza el aparato en el sondeo, a fin de
permitir el paso de fluídos y lodo a través del aparato y
60
A. EQUIPOS USADOS EN LASTRES CONFIG ! MCIONES DEENSAYO.
c. ENSAYO A DOBLEPACKER (° STRADDLEPACKER")
d. ENSAYO CONPACKER CONANCLAJE.
Fig 24 Equipamiento utilizado habitualmente prr las tres cnn Iguraciones de ensayo. El conjunto superior izquierdo escomún en los tres casos. (Edwards y Shryock, 1.974).
minimizar los efectos de compresión o de succión producidos
por el movimiento del packer a lo largo del sondeo.
La válvula HT es una válvula maestra de
accionamiento hidráulico temporizado que abre lentamente y
cierra con rapidez. Una vez colocado el packer, se aplica
peso con el varillaje para activar el retardo de esta
válvula. Unos minutos después , por el retardo hidráulico, se
cierran las aberturas de by-pass y se abre la válvula HT para
comenzar el ensayo. Durante el mismo, la válvula CIP es
cerrada y abierta, produciendo los períodos de cierre y de
flujo (Figuras 25 b y 25 c). La válvula HT se cierra
inmediatamente cuando se alivia el peso del varillaje,
abriéndose entonces las aberturas de by-pass. Con ambas
válvulas (CIP y HT) cerradas , se aísla una muestra cle fluido
entre ellas cuando-se iza el aparato para sacarlo del pozo.
El aparato contiene dos registradores de presión. El
superior mide la presión al entrar el fluído en el varillaje
durante el ensayo. El inferior se halla apartado de dicho
flujo y registra la presión por debajo del packer. En un
ensayo bien realizado, las presiones indicadas por los dos
registradores deben sólo diferir en la altura hidrostática
entre ambos. En ensayos mal realizados, es frecuentemente
posible determinar la clase de avería comparando los dos
registros de presión.
Muchos aparatos contienen dispositivos hidi-�-ul.icos y
juntas de seguridad para el caso de atrapamiento. Si, en caso
de atrapamiento, no puede liberarse el aparato mediante
sacudidas, puede retirarse el varillaje y parte del aparato
61
I,4YY. �riW'
.. ava ñN OH1
-úc
m�
Ú óT
ül
d C qd O
8 {Yn �
Y .aa v o
m
m
aa +c .-oH L 7 p NH 9 rv, Wa rn
•.z Ñr �ó ,:.
N)°''�.
áa ^ �ñ s
i,i o w
o ,. P y3 iv aRl u r� r íi
registradores de presión deben dar idéntica medida. Para
realizar el cierre para la medida de recuperación de presión,
la válvula CIP es cerrada (Figura 25,c). La válvula CIP es
abierta para el segundo período de flujo, y cerrada para el
de recuperación de presión. Después, la válvula CIP permanece
cerrada, y se cierra también la HT, dejando atrapada una
muestra de fluido a presión. Se abren entonces las aberturas
de by-pass, y la presión se iguala a través del packer
(Figura 25,d). Se desajusta el packer, se abre la válvula de
circulación inversa, y se impulsa lodo a través del espacio
anular para desplazar el fluido varillaje arriba para
extraerlo en superficie (Figura 25,e). Cuando el varillaje y
equipo son extraídos del sondeo (Figura 25,f), el lodo que
queda dentro del varillaje se vacía en el espacio anular a
través de la válvula de circulación inversa.
Las condiciones del sondeo pueden imponer limitaciones
al tiempo que puede permanecer el equipo dentro del mismo, y
por tanto limitar la duración del ensayo. Normalmente, la
duración del primer período de flujo es corta, de 5 a 10
minutos; se trata simplemente de aliviar la elevada presión
hidrostática. de lodo. El período inicial de cierre debe ser
suficientemente largo para que la presión medida alcance la
presión estabilizada de la formación, bastando generalmente
con una hora. El segundo período de flujo debe durar lo
suficiente para permitir la estabilización del flujo. La
duración del período de cierre final depende del
comportamiento observado durante el último período de flujo.
La duración total del ensayo suele oscilar entre dos horas y
63
fondo de pozo es creciente.La ecuación
p ,L - p(t,r) = 141.2 qBU [pD(tD,rD,CD,...( + s]kh
indica que la tasa de flujo de un medio poroso a un sondeo
debe disminuir al disminuir la caída de presión (o, lo que es
lo mismo, al aumentar la presión de fondo de pozo), de tal
modo que debe intervenir otro factor sobre el caudal en estas
circunstancias. Este factor es el flujo crítico a través de
la rejilla. En tal caso, los datos de presión del registrador
interior en el período de flujo carecen de utilidad, aunque
los datos del período de cierre son analizables.
Afortunadamente, todos los datos del registrador inferior
("blanked off") pueden ser analizados.
El almacenamiento de pozo no es generalmente
significativo en la etapa de recuperación de presión de un
DST, ya que el cierre del pozo se realiza en la proximidad
del intervalo ensayado. Sin embargo, si el gráfico del
análisis resulta sospechoso, debe realizarse el gráfico
bilogarítmico para determinar qué parte de los datos debe ser
analizada. Cuando se ensayan intervalos largos de formaciones
de baja permeabilidad, el efecto de almacenamiento puede ser
importante. Aunque la extracción durante el período de flujo
parezca estar muy influenciada por el efecto de
almacenamiento hasta que el fluído llega a superficie, el
caudal puede ser estimado, de modo que los procedimientos
habituales de análisis pueden ser aplicados si se tiene en
66
cuenta la variabilidad del caudal o si ésta es menor del 5 al
10 por ciento.
Si el período de cierre es suficientemente largo, y si
no hay un fuerte efecto de almacenamiento, el gráfico de
Horner (semilogarítmico) debe mostrar una recta de pendiente
-m. El valor de m puede utilizarse para calcular la
permeabilidad intrínseca:
k = 162.6 gBumh
Si µ. y h no fueran conocidos, la cantidad kn/�c ( que
multiplicada por el peso específico nos daría la
transmisividad) puede calcularse reordenando '.a anterior
ecuación.
El valor usado habitualmente para el caudal es el
promedio durante tp. El factor "skin" se calcula mediante:
s = 1.1513 [(pi- - pr,,,f(6t=O) )/m + log([tp + 1]/tp)
- log(k /q)µctr2w) + 3.2275]
Se incluye el término log([tp + 1]/tp) ya que puede ser
importante en el ensayo DST. Este término puede ser omitido
si t, » 1 o cuando el factor de "skin" es grande.
Los análisis de DST frecuentemente suministran el
índice de daño del pozo
J -LC a$ i /Jraa1 = (P - Pwf) / (p - pw£ -6p6 )
donde la caída de presión a través del "skin" se calcula
67
mediante:
Sp. = 141.2 QBU skh
La presión inicial, o la media, de la formación se
calcula extrapolando la recta de Horner al tiempo de cierre
infinito, (tp + St)/St = 1. Ya que el DST es un ensayo de
corta duración, no hay generalmente necesidad de corregir la
presión extrapolada. Esta presión extrapolada, pi, debe ser
aproximadamente igual para los períodos inicial y final de
cierre. Si es significativamente diferente, ello indica que
la continuidad de la formación es muy limitada o que el
ensayo es defectuoso. Cuánto es una diferencia significativa
depende del grado de validez de los datos y de la
extrapolación realizada, pero puede estimarse en un 5 por
ciento. Cuando ésto sucede, debe repetirse el ensayo con un
período final de flujo más largo, si es posible.
Si el caudal varía considerablemente durante el período
de flujo, deben aplicarse otros parámetros. Odeh y Selig
proponen un método simplificado, útil para grandes
variaciones del caudal cuando tp es menor que el tiempo de
cierre:
N``
top = 2 L tp - E1_1 9-1(t2-1 - t2-l-].)1
N
2 Ej_1 qj(tj - tj-1)
Análogamente, q se modifica de la siguiente manera:
68
q"t*P
NEj _1 gj ( tj - tj -1)
Los valores modificados, t-,, y qW se utilazan entonces en
el gráfico de Horner, realizándose el resto del análisis en
la forma habitual.
A efectos prácticos, el radio de investigación durante
un DST puede estimarse mediante:
rd = 0.029 J(kt/(bict)
Si existe una barrera al flujo dentro del radio de
investigación, podría afectar al gráfico semilogarítmico. No
obstante, los DST son de muy corta duración para que llegue a
apreciarse la influencia de una barrera.
Análisis somero con limitación de datos:
Nada más terminar el ensayo, antes de disponer del
registro total de presiones, es posible hacer una estimación
rápida de los resultados. Conociendo la presión inicial
hidrostática de lodo, pir,n„ la presión inicial de cierre,
p±.-L, la presión al final de cada período de flujo, pf y
pff2, la presión final de cierre, ptBi, y la presión final
hidrostática de lodo, pf,, , y la duración de los períodos de
flujo y de cierre, pueden estimarse:
La presión inicial de la formación
69
p i aprox.= p aprox.= p-
m aprox.= PL9L - P ilog[(tp + St)/tp]
donde St es el tiempo total del cierre final ( el tiempo al
que pEB± fué medido). La permeabilidad puede ser estimada
mediante
k = 162.6 QBumh
(si las presiones inicial y final de cierre son idénticas, el
valor de m antes estimado será cero y este método aproximado
no será utilizable). El índice de daño del pozo
J�dasi/J=a8� aprox.= 0.183 (pi8i - pffa1m
o bien
j�daai/J=a$� aprox.= pi-8L - ptfzm(4.43 + log t,)
donde tp está en horas. Estas ecuaciones solo deben usarse
cuando aún no se dispone de todos los datos, ya que son una
simple aproximación.
El procedimiento de ajuste a curvas tipo puede ser
también utilizado. Cuando el efecto de almacenamiento es
70
importante , las curvas de las figuras C.8 y C.9 resultan
útiles. Sin embargo, el método de ajuste a curvas tipo es más
útil para el análisis del período de flujo.
ANALISIS DEL PERIODO DE FLUJO
Si es posible estimar la variación de caudal
durante el período de flujo, se pueden analizar los datos de
presión durante este período. Esto es particularmente útil
para pozos con apreciable incremento de presión de fondo que
no llegan a fluir en superficie o lo hacen tan poco tiempo a
caudal estable que no se obtienen resultados válidos de los
datos de presión durante el cierre.
A veces, la presión ejercida por la columna de fluído
contenida en el varillaje puede equilibrar a la presión de la
formación, no alcanzando el fluído la superficie. Cuando ésto
sucede, los datos del período de cierre no pueden ser
analizados. Sin embargo, los datos del período de flujo
pueden analizarse mediante procedimientos de caudal variable
o mediante ajuste a curvas tipo. Ramey, Agarwal y Martin
proporcionan curavas tipo que incluyen efecto "skin" y pueden
usarse para el análisis de datos del período de flujo cuando
el flujo no alcanza la superficie y no hay cambio apreciable
en el coeficiente de almacenamiento de pozo (diámetro
interior del varillaje). (Figuras 26, 27 y 28).
En estas figuras pDR es
71
rFttr tri{ F� n
III Y f rl. i l „ 4 . ..r 1. ? t (' II
h1` .�, r-. ,
.tiJ 11 i ...1+ ' t1 { . PI -} rü � n}� I
rt � t"f
':. t TI '.. U -I ' 1 4 .1f I1
1 �
t 1 T +
+ �. . 'c
ir
+ r4 r . t � � t r I ? T ' +r r
I.rr ur u ,- I I 11 r TT«
';.:;
' Y `7'
� (
7—
T C e2s �l =r I ' 1 '4} t :1 r t (�' -o , r r t I tr
[ I -- 2± u�' I Ii+ h C!j ` 1 t t' /ó r { ir
.r yl I i1 ;5
'f l 1,1 +� rL, ,, { r rl ;
4 0 'iI '
I0,?r I -+ {. r t tt I• p :•tI h -
'
h:� -r •fl
f l' 1
t-(
•-• nr
f L 20�
rr
r
'
I I
I..1
/2/OI 1
1uT ,,.
rI ..� I , . L 1 4,I.,1,-4 M F
50
100 lI J j J
10 20� t{ r
+
r -� 200
1
�`i 1 d i /O Z5
/0+ r -
T
, 1
I�
lO lY� I
lO��
1 .�t i.l I _ : l� . I- . i 4 1 I h - .j ,l.rL.. E..��.tI � • á7-�1 r �=
- `t } /OS / /04OA
+ r1 r - t� -r v r . I�
�' ''
4 . ^f' . n q I t rr r u n -rt 1 l•i
`1:15
E11
yr
. _
.Ir+ til a 11 .i ;• I I I nh t } ( r i 11
Jh ' n � I II ' ,'�t Ih �r } 1 Tr } } 1 }4 m
rj! ' n•'
I ! I '1, i ul r w _ F ;rh rf44
_ ,r}
F T x -i^•}T ( �I 1 �G 1 rL -Í'� �
�N �
!{ 1 �?
�
`
II
I.
I ° �}t1
' ¡ JI 1 tl r-^ L r }i u +r
, iÍM
h hi�t Y ú r
1¡f . li�
(i1I '..+ 1 L t
¡Jih ! rt
l.1 1
i i�. 1 L.t I dt Í }r t
J
i`
1r
• l Iu ' 1 I [ 1 .. •'TII . .
i
t
❑
1 I 1r
.: �. 1L
Ic 3I
L ii l Íl r�iliuTl
' E
Nt� t<. .
1 - ��.h
�.r.
'{*1r
,n .4
. .:.1
I- 1 r
1h
¡1,0 ,.. Í1 �l . rrI1 {(.� 1 , t ( aI I %: : f: t II I , . , �
tr 1 ,y�1` 1�P
� ¡-�tII
dl lll� 111 rl
I �u,
`i . I`
`
;, {. �;:4�f
`j� h
,
IIrrtr
r ` 'Ijj
:11 II 1 Ir' t _. {I 1 1't t !
1
I ,.I Ty J L I i l 'I ¡ ; 7 . .
I
{
! I
.. ,' .
.IJ
1
.
Y IT 11,. iIl �It II II
1r� f
�1
I +
I
-I.r nJ 4, _
r
y..1 (r 'N '.
.lt� I
t �. ( �r t}�i
Tti
IP'}'
11
I ��II,
.t 1rf 1�
1 '.
'
1
} i I I: LiYr 1. (I II .r I ( iTi -1
33
10-2 10-13 4 5 6 8 2 3 4 5 6 8
103 4 5 6 8
IOZ 103
Fig. 26. Curvas tino semilogar.i tmicas para al período de flujo de un DST. Optimas para datos de tiempoinicial y final. Mo aplicables a en0avos con fluido cuUCg_nte en superficie - ( Ramay, Agarwal y Martin,1.975).
o-
2
9-s-"i'r-} _^-+•i �r
h 1=c•_:-_..1 ter ! i _,.y i. '= 1 f 1 iili3!!� .' 1 ' 1 ! .i !i*17T i Is ,
:� „ I;t ?;ts • ...:.::. �::; : 'll 1� ry: -r-r-T-;i t t `=. `i '•hal?'il' lü '-r:�- it 1, - °;, {.. ._ `� _ _ _
1
4•j:
+.,J ,
1
Jr•h0�
i _ i ' 1 .y,, '! ' ! .i. { /p �J - 4 _
r}7T
11:11„I.l
il Ir.q il�r
7 11 ,- 1�
. , -r 1r -T T••
-1 j'1 I i.;
111 7 r17Iiti"1'u.0
I P, il' 1,�
1 ,-�1,
=lTI
/p �;'ii 1 •t. i�I 71
_ {7�
Tj ! J,L •,1.
t • • /Oro 1 L i..
_,:: .• ,::::::�-'.la4 J...:. _ .. ._ .._.. i =;;?:� i =:( +, �_! -'-ii 4.: F 20 ?�,: ,-a - �rs . _ _T r
_.__1r_-,
.__-.., ._
.;:_....
:;�:....1..
:.....r�--_��. +�
_ ...... ..
_. _.. ... ...:!
........_.. .-,. ....... .
-.--::--L,.,...... ......-' .'..1...._. ....f..
---..l.... Y.
�_ :.i... .. I... :
_l. x:'1':'.:1 :'I
-h,_,..
�,..... .r í- 9:.'•- _ ___._
_ ::r__:'r--::__.��i-: v_ _-
� _- -
_ ..: S T Íá?i.• ti,1 1 ,. ,,. •,...11 u',
.:. �•.... ., � ....::. :::. ........ .1., :._...:�.. . -*-'. --- "-� •-- J---•- - -_. .. ,. .,..._ ._ -- - - � T .par::::'.. ? !{;'e�
_ _ i= � _ 7... ..., .. , 3:. ... •• : a• c:: pn _ ... _::�. ::• 1.......f �::: _--3^�._._ ..,.,.._..- • '_ ° /O.... ..............: ......
Y Jn. -
--11- T1 I
1 tii 1 1 I - - -t! 11 i 1 +- I. , - +iT }
rT
t 1x
3� a � Ir ni
.
p ,! � i1 i l ?
i 1 ! � in �'T 7Ti�¡,
i�1 1 : i I 1
` ^i., 5. , r
m>;- .T�
. ,+ i Ti t
:>1 i1n lid1 i : ,:} , r
,}r'T� }• f '
;„,, ii: 3¡
1ry
.t =. , . :: ti :l t .,... . : , •l ! t tt ,- { ?:El� I^
� ��
_�.-r :'_- .t_. .... .. r .. ... .. ... .: . .._ _l: : _: : :_ ._._.. 73 ..:.:::' :::.... ...,._ .T �.. ........ Z�-f.T.:-:_ .....::. .. .. . .. _. _ .... _L: .__.-•_ ' .�__
- : '�._
- -
-���_ .' - : -'''
7r:' ti : , _? - 1! 17 ii ,7 üi: =`:? _, :'T' .r:� i
¡
{{ ;,Y .li u I,LS; l -_ {�=ii .i? _m
i H d1 - 7" F'`t � . ��i' ;�':� : _` � � {p, {:- :•� �� t -!� • ;: - - - i'f .,x~ ;�' . ;s{.. t--T1 .
,.1� LY
_4 _ . : . .. : :, . -:::: _ _ .:: :u r r _ _ i -�s - ,4 :?
�
_ �� t i:: : �-
-a.- s..7 ..... _«..._ .. . ...... .............. t dl .....:,:. . _ ..3 . ..._..... _... i ..._1 -..;�.r.. i _ ...v - .-s.-� 3'r ..r.. . ._ --
�. ._.1
• -'i. x:13 -s
: n�, .._
�.
•^3 { .A1�.}l 7
.. ,«:._� •°. -
7. •:6
cr_:=r.:.•:r:r:.. x-._=>,.-.�-r.. ,�
..:::.....«.i..1} :a•
:x::::.} .
L i::?: _.i - a. �?.i: x. E i3_ i .tr. ai: i� :i r _.1.i :. _�=z- _ --
.
í 'i:
i"j ü. i.. üü �• � ü:ür� : a: : � - _- �x-�
X : 1! ta . , I r a r r t7 1i� Lf
. 1{ ! r al Jl' 1 7 ,: , r ; i } ñ ii7�wr
i f i 1{
:
`l r r
rt �y31 i `
••
r ry`
7
�� t ' .m
'
t thtl M , T-I ! t ', ,+' '• .Ñ : '1 }r •i1 .� -t + ('LT� -,4i ... ,ir h 1 i• i
1 i
_
�11
fl
1 ! i t7 1jit
iii 1
ñ1Ñ t -1 fi , 1I t,ii t 11'
'�, ! 1 1 7 ¡ái j 1 i � 11 r 1 . - ]-t 1 j}f �i, i1 1 t , i 1 1
t 1
t,/CD
27_ Curvas tipo bilogarltmicas para el perlodD de flujo de en DST- Optimas para datos finales. No.-_p icabiEs a e-sayo� con fluido surgenta en suyc_Zicie_ { amey, A(jarwal y 14artin, 1.975). Nótese lasi':cllitud con la s curvas dc_1 Slug-Test-
:I[i t�;: ;>� t *` ;et r• Ps -3 - .,f T-¡
-.i-r"`ter r
_ _
-50 r-t
500
2001000
fi 11 Sil
1_ -4'
: " - i+ S. ZO
-}OO t t i
t"-r
i- t 1 - 1 ��
!
.I•
�
i,: 1 t T : �
lo,W
_. ... _ . .. .... . .... .. .. .... .. ... -. i. .. .. ..... _ - _ - - __ - - -- __- _ _ -_ _ -_
- a- ñ.�: _;_! ' ,r• -::r .:ü '' .-• �t' . - � �. _. a :.:� ` . ilb- -i • : - -- ' ---�� - - - a 1 . ' -
lo ,
:t..
,+f•44-
y !.I t,• a ' ��.., + � yf /Oro i� ) _ ii . 1 ' 1. , :_�-_r ,
- f•• � ' t�O
_l ' ' U' 14-it E-4 "=t i P4 j.. r ; z s .,it I t es.. ,t -lo
iz
- • - • • . � ' 2�_ o '°t• _�- _ - - -- - - - =1- ' 1=mar � =r T•� �: :::: ..rc .r: ,: :: . . _ _ _
=T -7
_
tZ
-'-- - -- -•• -
~♦
-.f - I.I. .,. -' ''-t 'ami ! r ,t3 -t^ ---••- - -_dZt .- __ - -.t:*.:. ' - - _.
:NI `i tl:ltT
76
tu/co
r t t -o Li logarítmicas x:a>_ p�r!odo d �?uj, cl un U5T- Optimas para datos iniciales- Noc -,: `1,:1do surgen... en aup_2_.ici.e_ c..._ % Harti. n, 1 .975)_
pDR = pD / pDo - p i - pe ( tpi - Po
donde Po es la presión existente en el varillaje
inmediatamente antes de comenzar el período de flujo. Para el
período de flujo inicial, po podría ser la presión
atmosférica o la presión ejercida por el fluído que hubiera
en el varillaje; para el período de flujo final, po podría
ser la presión al final del primer período de flujo. En las
figuras, el tiempo adimensional viene definido por:
tD = 0.0002637 kt(bµc,r2,
y el coeficiente adimensional de almacenamiento de pozo es:
CD = 5.6146 C2nd)cthr2w
Para un período de flujo del DST , el coeficiente de
almacenamiento de pozo suele generalmente calcularse por el
ascenso de nivel de fluído en el varillaje:
C = Vu/(dg/ 144g �- )
donde V. es el volumen por unidad de longitud de varillaje,
en barriles por pie.
El método de ajuste a curvas tipo es similar al ya
tratado en apartados anteriores, con una simplificación
importante: el cociente de presiones en las figuras 26, 27 y
72
28 siempre vá de cero a uno y es independiente del caudal y
de las propiedades de la formación. Por tanto, cuando se
representan los datos en el papel transparente sobrt. el
reticulado de las citadas figuras, la escala de presión es
fija. Al deslizar el papel transparente sobre una de las
figuras para buscar la coincidencia con alguna de las curvas
tipo, sólo es necesario el desplazamiento horizontal, lo que
simplifica el proceso de ajuste. Una vez ajustados los datos
a una de las curvas tipo, se localiza un punto de ajuste bien
caracterizado y se toman los valores correspondientes en
ambos papeles.
Tres tipos de datos son requeridos: el parámetro de la
curva tipo ajustada, (CDe26)M; el valor en la escala de
tiempo, tM, del punto ¡e ajuste en el gráfico de datos; y el
valor correspondiente del mismo punto en el papel de abajo,
(tD/CD)M.
La permeabilidad intrínseca puede calcularse a partir
de los valores del punto de ajuste, mediante:
k = 3389 4 C (tD /CD)Mh tM
No es necesario conocer el caudal para estimar la
permeabilidad por este método. Es necesario estimar el
coeficiente de almacenamiento de pozo, C, como se indicó más
arriba, para lo qu'3 hace falta conocer la densidad del
fluído.
El factor de "skin" se calcula a partir del parámetro de
la curva tipo ajustada:
73
s = 1 ln [ 4c.hr2w ( CDe2O ) M/O.89359 C]2
Como se vé , es necesario tener los valores de porosidad,
compresibilidad total del sistema, espesor de formación, y
radio del sondeo, para estimar el factor de " skin".
Ramey, Agarwal y Martin sugieren el uso de las tres
curvas para el análisis de los datos del período de flujo del
DST. Esto require dibujar los datos tres veces y hacer tres
ajustes a curvas tipo. Las últimas dos ecuaciones son
aplicables a los tres ajustes. La curva tipo semilogarítmica,
figura 26, es normalmente la mejor cuando se dispone de datos
tanto iniciales como tardíos. La figura 27 dá poca resolución
para los datos iniciales, mien}ras que la 28 resulta útil
para estos datos.
Las curvas tipo de las figuras 26, 27 y 28 pueden
emplearse- para calcular convenientemente la permeabilidad y
el factor de "skin" a partir de los datos del período de
flujo del DST. Sin embargo, no son aplicables cuando la
entrada de fluido en el varillaje se produce a caudal
constante, es decir, cuando hay surgencia en la superficie.
Tampoco son aplicables cuando varía el coeficiente de
almacenamiento del pozo ( a causa del diámetro del varillaje
o de cambios de compresibilidad). Estos cambios se ilustran
más adelante.
3.4.3.3.1. Problema s en la realización del Dril1 Stem Tests
74
Debido a la complejidad de funcionamiento delaparato empleado, hay muchas posibilidades de fallos de
operación. Por ello, es importante examinar cuidadosamente
las gráficas del ensayo para decidir si el mismo ha sido
realizado satisfactoriamente. Esto debe hacerse "in situ", de
modo que pueda repetirse el.ensayo si es necesario.
Para reconocer un ensayo mal ejecutado, hay que
familiarizarse con las características de las gráficas del
DST. Una buena gráfica debe reunir las siguientes
características:
1. La línea base de presión ha de ser recta y clara.
2. Las presiones hidrostáticas inicial y final del lodo
registradas han de ser iguales y consistentes con los datos
de profundidad y densidad del lodo.
3. Las presiones durante el flujo y el cierre deben
registrarse como curvas lisas.
Con frecuencia, malas condiciones del sondeo, averías y
otros fallos pueden ser identificados a partir de las
gráficas del DST. Las figuras 29 a 42 ilustran diversas
situaciones, explicadas al pié de cada una de ellas.
3.4.3.3.2. Adquisición y tratamiento automático de datos
Aunque el Drillstem test se halla ampliamente
reconocido como uno de los ensayos mejor desarrollados para
el reconocimiento hidrológico de! formaciones de baja
permeabilidad, parece existir todavía cierta carencia en
cuanto a procedimientos automatizados de adquisición y
75
1W
TIEMPO
Pig. 29 . Apretón en el pozo. Puede originar un salto
de presión o el atrapamiento del equipo.
TIEMPO
Fig. 30 . Varillaje can fugas , pérdida de lodos, oambas cosas. Ii sale mucho lodo con el fluido deben
desecharse los datos del ensayo.
ZoH
Eá
TIEMPO
Pig. 31. Parada durante el descenso del equipo, sinpérdida de lodos.
TIEMPO
Fig. 32 . El aspecto escalonado de las curvas derecuperación de presión indica avería del registro depresión . Ensayo desechable.
t
k------------
TIEMPO
Fig. 34 . Pallo del registrador de tiempo
TIEMF'
Fig. 35. La forma de S de la Ultima parte del periodode flujo y de la inicial del de recuperación depresión indica flujo a través del packer. Puede estarcansado por una fractura o por mal asentamiento delpacker.
TIEMPO
Fig. 36 . La forma de s en el periodo de recuperaciónde presión indica presencia de gas en el pozo. Estefenómeno se caracteriza por un cambio brusco en lagráfica.
TIEMPO
Pig. 37. La forma de S aparece solamente en el primerperiodo de flujo cuando el volumen bajo la válvula decierre es grande en comparacion con el volumen defluido producido en el periodo de flujo. Efecto dealmacenamiento cansado por el volumen relativamentegrande entre las válvulas CIP Y MT.
TIEMPO
TIEMPO
Pig. 38 . Atasco en el paso inferior o anclajeperforado . El aspecto en dientes de sierra de lagráfica es cansado por oscilaciones en la presión.
TIEMPO
Pig. 39 . La meseta en el segundo periodo deindica que el flujo es surgente en superficie.
/-1
TIEMPO
Fig. 40. La pérdida de pendiente en cualquier periodode flujo indica relleno en el pozo o tránsito avarillaje de mayor diámetro interno.
TIEMPO
Fig. 41. Presencia de varias fases fluidas (gasfluido surgente en superficie.
ZoM 1
TIEMPO
Pig. 42. se produce separación de fases fluidas (gas)en el periodo de flujo.
tratamiento de datos para su aplicación en este ámbito. De
toda la documentación consultada sólo se ha encontrado uno.
El programa "IMPULSE", del B.R.G.M., permite el
tratamiento de datos sobre el terreno, en tiempo real, con la
ayuda de un ordenador personal tipo PC, utilizando como
solución analítica para la interpretación la integral
exponencial:
p = Po + q4 Ei (-81iCr2./4kt)4 rckb
donde p es la presión al tiempo tpo es la presión inicialq es el caudal producido por la formaciónµ es la viscosidad dinámica del agua de la formaciónb es el espesor de la formación o del intervalo ensayado6 es la porosidad de la formaciónC es la compresibilidad de la formaciónr.N es el radio del pozot es el tiempok es la permeabilidad intrínsecaEi es la función exponencial integral
El programa tiene en cuenta las características del
fluído y las condiciones específicas (profundidad y
temperatura) de realización del ensayo. No parece probable,
sin embargo, que pueda tratar satisfactoriamente todas las
situaciones que hemos analizado.
3.5. CONSIDERACIONES SOBRE LAS CARACTERISTICAS CONSTRUCTIVASDE LOS SONDEOS Y CONDICIONES DE LOS ENSAYOS .
Los sondeos de reconocimiento hidrogeológico tienen
76
una doble finalidad, investigación geológica y ensayos
de permeabilidad de las formaciones atravesadas. Su diámetro
debe ser lo suficientemente grande, al final del sondeo, para
permitir el descenso, bien de dispositivos geofísicos, o bien
de dispositivos hidrológicos (bombas, registradores de
presión, testers, etc.). Para el caso de bombas y packers,
por ejemplo, el diámetro mínimo viene a ser de 3,5 pulgadas
(nueve centímetros), si bien se comercializan packers de tan
sólo 1,5 pulgadas (37 mm) antes del inflado.
La perforación con aire comprimido da buenos resultados
hasta profundidades del orden de los 500 metros, con el uso
de compresores de alta presión. Lo habitual es, sin embargo,
el empleo de agua o lodos para la perforación. Los materiales
de entubado pueden ser PVC (hasta unos 500 metros de
profundidad), acero y plástico (hasta unos 1.200 metros, si
las condicioes de temperatura lo permiten) o acero,
preferiblemente inoxidable si el sondeo vá a ser
posteriormente utilizado para control y seguimiento
permanente. Para el control de las posibles desviaciones del
sondeo pueden usarse fotoclinómetros, que proporcionan el
azimut y la pendiente en el punto al que se descienden.
Teóricamente, el ensayo hidrológico, por tramos o por
tipos de formación atravesada, de un sondeo, puede hacerse en
sentido ascendente o descendente.
En el primer caso, se perforaría el sondeo de modo
continuo hasta su profundidad final; seguidamente se
colocaría un entubado provisional hasta el techo del tramo
final, se acondicionaría dicho tramo y se realizaría el
77
ensayo. Acto seguido, se subiría el entubado provisional
hasta el techo del tramo siguiente, se acondicionaría y
aislaría dicho tramo, y se efectuaría el ensayo
correspondiente, y así sucesivamente hasta llegar a la
superficie. El procedimiento resulta más rápido y barato,
aunque presenta el riesgo de que se quede atrapada la columna
provisional de entubado y el inconveniente de perder el
sondeo si se atraviesan formaciones plásticas o poco
consolidadas. Una variante, para evitar estos riesgos y
conservar el sondeo, es la entubación con tubería perforada o
rejilla.
Para el ensayo por tramos descendentes, después de
perforar un tramo, se acondiciona éste y se procede al
ensayo; realizado éste, se procede a la perforación del tramo
siguiente, y así sucesivamente. Las condiciones del terreno
pueden exigir entubaciones, retirada de éstas y
reperforaciones, etc., para mantener diámetros operativos que
permitan alcanzar la profundidad final deseada, lo que se
traduce en un aumento de tiempo y de costes. La ventaja más
evidente es que permite conservar el pozo para su futura
utilización, aunque sea a costa de emplear diámetros
iniciales mayores y, frecuentemente, de entubados
telescópicos. Por ello es el procedimiento más utilizado.
Por supuesto, entre ambos planteamientos caben
soluciones intermedias.
Molz, Güven y Melville (1990) proponen un método para
obtener la distribución, en vertical, de los valores de
78
permeabilidad horizontal de una formación, mediante una serie
de determinaciones casi contínuas, realizadas a distintos
niveles. El procedimiento consiste, básicamente, en, una vez
perforada la formación y a pared desnuda o entubándola con
rejilla, realizar mediciones con un caudalímetro que se vá
desplazando a intervalos regulares, con lapsos suficientes
para registrar los valores de caudal correspondientes a cada
intervalo; proponen también un método alternativo, que
consiste en la realización de slug-tests multinivel.
Antes de medir con el caudalímetro se hace un "caliper
log" para determinar exactamente el diámetro del pozo o de la
rejilla. Se coloca una bomba pequeña en el pozo y se procede
a la extracción a caudal constante. Una vez alcanzado el
estado de réqmen pseudo-permanente, se baja el
caudalímetro, que mide el flujo vertical, por el pozo hasta
la parte inferior de la formación y se procede como se indicó
antes (figuras 43 y 44). El análisis de los datos puede
hacerse de dos maneras:
a) mediante la fórmula de Cooper-Jacob de flujo
horizontal, para una capa i (i = 1 a n, suponiendo la
formación compuesta por n capas de espesor Szi):
SH±(r,,t) = SQi ln [ 1.5 J([K±(Szi)t]/Si)]2rtK±Sz± r.
donde
8Hi = descenso de nivel en la capa iSQi = caudal aportado por la capa i al pozoKi = permeabilidad horizontal de la capa iSzi = espesor de la capa ir.N = radio efectivo del pozot = tiempo desde el inicio del bombeo
79
opAL APARATO REiISTRADOR
SUPERFICIE
BOMBAENTUBADO
DATOS
CAUDAL
CAUDALIMETRO
ELEVACION
1
z
a
Fig. 43. Esquema sugerido para la medición con candalimetro ( MOlz et al , 1.990).
SUPERFICIEPOZO
0(Z1.(› ( DEL CAUDALIMETRO)
Z•Z(.(
/ -f^-/ 1 A•;SUPERFICIE REJILLAVELOCIDAD UNIDAD DE:DE DARRY p �- LONGITUD p,
-�N (Y1 j
__ - �• DIÁMETRO
N T
7-7• INTERVALOS DE MEDIDA -��
Z•Z¡
0(Z(), (DEL CAUDALIMETRO)
tQ(-O(Z(.()'Q(Z()
_ A (J (V(� A(Z(.(-Z¿)
Fig. 44 . Medición secuencia) con caudalimetro. Esquema de los diferentes intervalos de medidión . ( Moiz stal, 1.990).
Si = coeficiente de almacenamiento de la capa i
Reordenando la ecuación anterior, se obtiene:
Ki = SQi ln [ 1.5 V [Ki(S Zi) t]/S i J2n8H 8zi res„
que puede resolverse iterativamente para calcular el valor de
K.
b) suponiendo que el flujo hacia el pozo desde una capa
dada es proporcional a la transmisividad de dicha capa
6Q i = a8z K±
donde a es una constante de proporcionalidad, situación que
se produce cuando el tiempo adimensional t„ = Kt/Ssr2W es >=
100 (siendo K la permeabilidad media horizontal de la
formación, o sea,EKiSzi/b , b el espesor de la formación y
S$ el coeficiente de almacenamiento específico). Sumando las
n ecuaciones para las n capas, se obtiene:
n nE 1 m 1 S Q i = QP = a E--L-3- S z i K i
multiplicando el lado derecho de la ecuación por b/b y
despejando a, se obtiene:
a = QP/bK
y, finalmente, sustituyendo a en la penúltima ecuación:
Ki/K = 80i/8zi ; i = 1, 2, ...nQP/b
80
Para obtener la ecuación anterior se ha supuesto que SQi
y QP (caudal extraído del pozo) no varían con el tiempo
(régimen pseudo-permanente), lo que sucede cuando r2_S/4Tt <
0.01. Con los datos obtenidos puede hacerse un gráfico de
K/K contra la dimensión vertical z, y si se conoce el valor
de K (mediante un ensayo convencional de la formación) pueden
obtenerse valores dimensionales de K.
La figura 45 muestra la forma que tomarían los gráficos
para distintos valores de longitud de tramo. El método puede
ser de aplicación rápida y barata para formaciones más c
menos permeables, pero su empleo para medios de baja
permeabilidad tropieza con serias dificultades: mantener un
caudal constante de extracción, alcanzar en un tiempo
razonable el estado de régimen pseudo-permanente, y, la más
importante por ahora, la falta de sensibilidad de los
caudalímetros existentes actualmente para muy bajos valores
de velocidad (pueden pasar desapercibidos caudales de 15
litros/minuto en un sondeo de 10 cm de diámetro). Para hacer
aplicable el método, la primera dificultad citada podría
superarse realizando inyección en vez de extracción, la
segunda seguiría siendo difícil de superar para medios de muy
baja permeabilidad, y la tercera podría resolverse con el
desarrollo de caudalímetros de alta sensibilidad. A este
respecto, el U.S.Geological Service se halla desarrollando un
caudalímetro por impulso térmico, que actualmente tiene una
sensibilidad treinta veces mayor que los convencionales de
funcionamiento mecánico.
81
130
140(INTERVALO DE 30 CM)
150
160-1Ñ 170
180
190200
.0 2.0 4.0 6.0KIK
130
140
150
w 160
170
180
190
2000.0
(INTERVALO DE 1,5 M)
2.0 4.0KIK
6.0
130
140 (INTERVALO DE 90 CM)-
150-
160-
170-
leo-
190-
2000.0 2.0 4.0 6.0
130
140
150
160
N 170
KIK
(INTERVALO DE 3 M)
2.0 4.0 6.0
KIK
Fig. 45. Distribución de permeabilidad horizontal (relativa) basadaen medidas con candalimetro. (Holz et al. 1.990).Puede apreciarse la influencia de la longitud de intervalo demedida.
El otro método propuesto por Molz, Güven y Melville para
obtener la distribución vertical de los valores de la
permeabilidad horizontal, es el slug-test multinivel. La
precisión de este procedimiento depende de la habilidad para
aislar hidráulicamente intervalos de la formación mediante un
doble packer. Todo el equipamiento necesario se halla
disponible comercialmente, y existe la ventaja adicional de
no necesitar inyección o extracción si se usa algún otro
procedimiento para provocar el súbito desplazamiento de
nivel. La figura 46 muestra esquemáticamente la configuración
y equipo utilizados por Molz,Güven y Melville. Al introducir
el émbolo, éste desplaza un volumen de agua, y se registra la
variación relativa de nivel [ y = y(t)]. El análisis de los
datos puede realizarse con las curvas tipo ya clásicas del
slug test, si bien los citados autores proponen otros dos
métodos adicionales basados en un régimen de flujo cuasi-
permanente.
Grisak et al.(1985) realizan una serie de
consideraciones a tener en cuenta a la hora de diseñar una
campaña de ensayos. El fundamento básico es que las
condiciones inmediatamente anteriores al inicio de los
ensayos se hallan influenciadas por una sucesión de
acontecimientos que comienza con la perforación.
La mayoría de los ensayos hidráulicos se basan en
originar un cambio de la presión en el tramo a ensayar y
analizar su retorno a las condiciones iniciales. Previamente
a la perforación de un tramo, la presión en dicho tramo es la
82
REGISTRADOR DE NIVEL
n_CABLE
1LF
rp
EMBOLO
PACKER
Pig. 46 . Esquema propuesto para ensayos Sluq-Test multinivel ( Molz et al, 1.990).
propia que le corresponde en la formación. Al perforarlo,
queda sometido a la presión de fondo de pozo correspondiente
a la columna de agua o lodo fluyente en superficie, cuyo
efecto es la modificación de las condiciones ideales en que
se basa el ensayo; la recuperación de la presión en el
intervalo ensayado no estará simplemente relacionada con la
teórica ideal, sino que nos aparece, además, un efecto
"skin". ( Ya hemos visto su consideración y tratamiento para
cada tipo de ensayo). La activación del medio necesaria para
la realización del ensayo ha de ser lo suficientemente
enérgica para que los resultados no queden enmascarados por
el citado efecto.
Análogamente a lo indicado para la presión, la
modificación de la temper.:tura de la formación por el agua o
lodos de perforación puede también introducir un factor de
error, de mayor consideración cuanto menor sea la
permeabilidad del medio, debido a la influencia de la
expansión o contracción térmica sobre la presión medida. La
realización de un ensayo en condiciones de temperatura
variable puede hacer incorrecto el análisis del mismo. Cuando
el análisis se hace por ajuste a curvas tipo y la temperatura
vá cambiando a lo largo del ensayo, la forma de la curva de
datos no se corresponderá exactamente con la teórica,
obteniéndose valores incorrectos de la presión y, por tanto,
de la permeabilidad deducida. Cuando un tramo perforado de
sondeo ha estado sometido durante largo tiempo a las
condiciones de presión y temperatura del fluído de
perforación se alcanza, en cambio, una situación de cuasi
83
equilibrio térmico. En cualquier caso, puede ser muy
conveniente instalar adicionalmente un registrador de
temperatura, especialmente cuando los ensayos se realizan a
gran profundidad, a fin de conocer si el ensayo se realiza en
condiciones isotermas o de tener en cuenta la variación de
temperatura.
Otro factor a tener en cuenta es la existencia de
holguras y desajustes en el equipo utilizado para los
ensayos. Entran aquí aspectos muy diversos, como la
deformación de la goma del packer al asentarse, burbujas de
aire atrapadas, tolerancias en la mecanización de los
diversos elementos, etc. Aunque ya se hizo referencia a ello
al tratar del pulse test, conviene recordar siempre que el
packer y el sistema, en general, no son totalmente rígidos, y
puede existir un efecto adicional de compresión en el tramo
aislado para ensayo, de mayor importancia relativa cuento
menor sea la longitud del tramo. La presión de inflado del
packer es la suma de las presiones necesarias para 1)
soportar la presión hidrostática de la columna de fluído
existente por encima del mismo, 2) comprimir el elemento de
goma contra la pared del sondeo o el entubado para producir
la necesaria estanqueidad, y 3) asentarlo firmemente para
evitar cualquier movimiento producido por las presiones
diferenciales a uno y otro lado del mismo. La longitud del
packer afecta tanto a su capacidad de asentamiento como a la
de estanqueidad. A mayor longitud del elemento de goma, mayor
capacidad de sellado y mayor resistencia de fricción contra
84
posibles movimientos. El mejor comportamiento del packer se
obtiene cuando su diámetro, desinflado, es próximo al
diámetro del sondeo o del entubado, y el peor, cuando está
inflado a su máximo diámetro (figura 47). Hay que contar,
además, con los esfuerzos transmitidos por el tubo o
varillaje durante la manipulación de las válvulas, y que
deben ser soportados por el packer. Una deformación de la
goma del packer que se traduzca en un acortamiento del
intervalo de ensayo produce también una compresión en el
mismo, afectando doblemente a los resultados. El
comportamiento del packer puede estudiarse realizando ensayos
en condiciones simuladas, antes de su utilización en un
sondeo.
Independientemente de cuál sea el tipo de formación, las
suposiciones básicas para los ensayos considerados son a) que
el régimen de flujo es análogo al que existiría en un medio
poroso confinado y de extensión infinita ( actuando los
packers como límites confinantes del acuífero), b) que el
acuífero es homogéneo ( aunque no es nunca rigurosamente
cierto en la práctica, es el modo más simple y asequible de
obtener perfiles de permeabilidad que luego deberán ser
debidamente interpretados), c) que, inicialmente, la presión,
o la altura piezométrica, es constante en todo el acuífero
suposición razonablemente válida fuera de la zona
influenciada por la perforación, pero que en la zona de pared
del sondeo no es cierta, debido a los efectos de presión y
temperatura anteriormente comentados), y d) que no hay
componente vertical de flujo en el acuífero ( condición que
85
puede considerarse razonablemente válida cuando la longitud
del tramo ensayado es grande respecto a su diámetro y resulta
despreciable el flujo no horizontal en la inmediación de los
packers o en el fondo del sondeo).
La degradación de la pared del sondeo a causa de los
movimientos de ascenso y descenso del útil de perforación y
de la erosión producida por la circulación del fluido de
perforación, inciden sobre el diámetro real del sondeo. Si
estos efectos son apreciables, por ejemplo por haber
transcurrido mucho tiempo entre la perforación del tramo y su
ensayo, debe hacerse un "caliper log" para determinar el
diámetro real del sondeo en el tramo a ensayar, ya que , en
caso contrario, pueden cometerse errores de cierta
consideración al realizar el análisis de datos cuando es la
presión el parámetro medido, como es el caso del pulse test.
Los análisis de sensibilidad realizados por Grisak et al.
mediante simulación, indican que el error máximo cometido al
no utilizar el diámetro real al analizar pulse tests es del
orden de un factor de 3, mientras que para el slug test
carece de importancia práctica.
Finalmente, en nuestra opinión, los datos de slug y
pulse tests pueden ser generalmente analizables también
mediante la técnica de la recta semilogarítmica, empleando
valores absolutos o diferencias de ellos, en vez de
cocientes, respecto a los niveles piezométricos o presiones,
según el tipo de ensayo. Ello nos permitiría contrastar, por
una parte, el valor de la permeabilidad, y por otra,
86
cuantificar mejor el coeficiente de almacenamiento.
3.6. ENSAYOS EN DOS O MAS SONDEOS.- ENSAYOS DE INTERFERENCIA
En un ensayo de interferencia, una
modificación de caudal en un pozo crea una interferencia en
la presión observada en otro pozo, de cuyo análisis pueden
deducirse propiedades de la formación.
El método requiere al menos un pozo activo, con
extracción o inyección, y al menos otro pozo de observación,
como esquematiza la figura 48. El pozo de observación
permanece cerrado, para el registro de presiones. Se modifica
entonces el caudal en el pozo activo mientras se continúa
registrando la presión de fondo de pozo en el de observación.
La figura 49 esquematiza la evolución del caudal, y de la
presión en ambos pozos.
La principal ventaja del método es que investiga un área
más extensa que un ensayo con un solo pozo. Aunque lo normal
es pensar que sólo se obtiene información de la zona
comprendida entre los pozos, los resultados del ensayo se
hallan influenciados por una zona más amplia. Vela y McKinley
(1970) indican que el área de influencia del ensayo es
aproximadamente la mostrada por la figura 50, siendo el radio
de influencia
r .L., f = 0.029 v (kt/(�tct)
Generalmente no es posible determinar variaciones
87
POZO
1ti
ACTIVO
TIEMPO
POZO DE OBSERVACION
Fig. 48 _ Pozos activos y de observación en un ensayo de interferencia.
JE%TRAPOLACIONDEL COMPORTA-
--M MIENTO ANTERIOR
t iTIEMPO
Piq 49 _ Esquema del comportamiento d9 caudal y pre-iones
en un ensayo de interferencia.
cuantitativas de la permeabilidad sin apoyarse en algún tipo
de modelo o esquema de la formación, debido en parte a las
inhomogeneidades y anisotropía, y en parte a la no unicidad
de los métodos de análisis. Si se supone que el medio es
homogéneo, puede ser factible calcular la anisotropía
mediante el uso de varios pozos de observación.
El efecto "skin" no ejerce influencia sobre los
resultados del ensayo, ya que sólo afecta al pozo activo. No
obstante, un gran factor de "skin" negativo o una fractura
pueden afectar a la respuesta del pozo de observación.
Los efectos de almacenamiento de pozo se hallan
minimizados, pero no eliminados.
Normalmente es posible obtener los valores tanto del
producto movilidad-espesor, kh/µ, (transmisividad), como del
porosidad-compresibilidad-espesor, 4>cth, (coeficiente de
almacenamiento). En algunos casos es posible estimar
indicaciones sobre la extensión de la formación, o los
valores y orientación de la anisotropía de permeabilidad.
3.6.1. Ajuste a curvas tipo
El método de ajuste a curvas tipo se aplica a
los ensayos de interferencia de una manera análoga a como se
realiza para el ensayo de descenso de presiones (drawdown
testing). Sin embargo, resulta más simple para el ensayo de
interferencia, ya que sólo se utiliza una curva tipo (figura
C.2).
Se dibujan los datos del pozo de observación, Sp contra
88
togl s 5 R J 2 9 11 z +
-� -{' E -I 1 -. } > - .r- :,-. •:. 'r "ami -- :. . � t _ _ _ í" i_ }-� _ Iia : l. ...} ...1.-IR __ _ _
_ e }?res^.}}*.i s.i`1:=
L_E-: i �::•' f.'� �=iI-
-- - --
-
C._.F:._.{-...... 1.. ._3_..�I• . :uam'-:_ ::::.--tez -`'-t- -
..._...•,y_� -._.>__.---�•- ---•',---=i::- _ '
._ _-'- ->•-1-___ ----
- - _^._ _ -_ ........._.__ =j-j=r�_c-_.._.. �-=c=.-=�!v':_:7�!_ --_,�-. t--�i�'
_.- á=__:::--- ^}_ _ -= L7_.i.a:I::^E::: .:.i-_.. - 2-- __ E:•.-i-._ "�t�;�'
s_
- - -
�t_� 2.._L_L r-- - t: {
� �.t :1 t
.��r 1uli u t_:_ `- : l
��1 _ � It-r - �� {
1 t 1 L . ' iii' t;'• {.� � ,��
í I. i y.3 1 , iTf Il!'7:-r3ii- ,.. .. 3 { r 1} ,. ú.. 1.S1 . • � ,
- - .:.: •.:� A }stli , ... ... :a .>_ . - - íi. E .. .!. ..iil G 1=...: VI -t,r i l a� { }:1 4 { } } !:� j; ' - `
{=ii ]3:e4ts:d:¡YC,
-f=.
,..,_.. _ ia.tat _.Lc _s -,:- . .<- -•''--�•-'.. ... ....._-_... ...... -
_____. _.. [.�-:[:.:._-.__.1 .
- --1•-.T:: .. -- .-,_, . =s<r .: _,-_...i3':{::},�:}_�..r 'E•{;a- • i'ra:�:.-:{" : :}{:,:,::-: _..._ :... ..... f:-- . -.._xi f?á f tEa:•• � FL • í -'
:-`;���=C>�t:_:. -3:. }- .:-e'- - -_ �:r. .. ..-___;._...il 3..1 ..-r_-1... ._... _. _ t -__ :-r- _:1.:: -:_.._...i....,......_....i....t_•�r_ � .__- __1_.... .-.: : ,_ -: ._. aisi. . .: ._., q7 : -r. -.. t:= . i::_....r_- ... ..,:-=Ta...»._ C ��=-T _ ..
-�...__..__.-C:�
_ __....:I::::r:�:� ::2:i--_i:�._
_____ -_ -_::::._.�
_•__:::.•.... t-"-r.-:res:-:/::::�..:_:_�: _- F--�..• .._.-._ =. -»4-:a-: �2-�. .. '::: i :::. i::�l..:...='i:::i..:.�.�,i .:.i: _•��!_�:i__ __i{.::__. ._- •-1__..i....t.,=.L_1__.1 :' i.::"i': �_i_J.r=2-t�- _::L::I:.1. , ::'•-. -
_-_ __r�i-..1=_..-L� - _ _t -.-..__ ........ _ - - - - - _ - -- - -I-
T� i` t�:•T-s�t ..1 :...i. ........ i t]...�_�_=L- : i?:::::: " ::_:=t._.. t -::� 1:»-r-:C-4-_» _ __ t: __ i. , . ::dF� .. r__ ' t t - -J
� _
- - :=�_---�1=- -�r_: :: =:EE: �i-r_F=E-• _;:::::`.. zE_:�'::i = c= ..C- - - �-'=t-_..;�_::. ..k_::.-.__1
:,::::1:: •• _:_ =mar � t _:�-�t
: f,.-
• :-..
_. _t'}�_ .: _....-,: i... .,...___./•__;.._3.13_._,- ., .._ _.t. _i._}... r_I,. ! ` ,
�_ { t'1
1 Ti
(¡
• ' • -••44-, ,? -.1...,, }._ 1-r-.i_ 3_.'- - -_ .. J..c 3
(
-I'Í-- -:1_.:.
•T�� �_._} -_I T, -._t_
_:. •._i:._�:-_1----...i z.._
,E.,t_. _
::�...
, 1¡"'71 ii,-=1:•; - !
ji-tes:�r{ I' 1 1 1 1 T-i.-t:�•
{-t i• t i t I.1- 1�t .. i irat I 1 E'i
i '• 17••
•' T -.i }I ;tli. {.:�.{¡!,' .:{� {1 -; .�t_1,`--_ !x i ' ' { #t,/i
::
} Í: F `} : {.¡:-:__ _ } !_'.__}..:2 - 3 { -} }-E {.t {.,._t
}}}it.__ :: !{} i .'i= g7' tt' i.3t1i
.... .. ...... 3 ....... _ _�:�: 1•:: c:c-:::._...:.-L.1..-.............:........ ::::::::r..i. --: «.- -'�__"t_-._... ... _ _ .._... . . , . . __....._. .. ... i. .. ... ..... 1-`-'.:{ ..... :::_:.::: :"L¡�i_.:.1: 1"" ::_:' _'[(.��L.. ._ I[-_L_._.:r '_•.:: . i.: Ea líü?:ü::::nc:n:;::e ..
, --
.__ 3,•..::_. I:.......:,...:..::t:�i.- t[i. :-gin.'-:_c ::: T: [-i [it
..L...�.__........ _--. ...-.t..:: r.: •e:: h::.T'.::'l: ee°Eri=i`:-:- i: l
.. ......... •t ---- t
... ._. ._..Lr -............- -^L -•-
�j._.-_. 1 r { ..... -................ .. . ... _
z :=i
{ 5
�-• =•it a•..... ..:::: L...••____
i._i.lt...... ..---{ 1 .:: [j ['i , i - _ -,:��
•'-- !�--�
O.ii mil- T -. ti
_E}tI--'E ' �i-:_:
t�..__. f::i:�
:T:1-E:.::.:.;::::::::.::� -. - t - - ...:::•i : :. ........... ...1...._.-�_.=�_t-___i_.:::'.:..:::_:_I":: I ::: 1 :
_
,::.... �s .._L_. �3E _E:.. ' L: _
-_r. ...l' :::::::
:' . . : s ¡ .::.:. I. _ i......I -I.. .I..... I.._ ...i _ 33
_ •-.. _...1 ..................{....,.... �--�.-..�._....._. -._s ... ..'
..I"-- i•-=.t :ai.. iri_,_.:Et {
� �•• j�__ ._.. ._._...L.:.__...- - _-} _-_:__•. -i f t i=ra =� � ��
{
t , i ! ,-� 1
1{3 ....�� --'�° ---i - �- I }_i, •` ! :a... i LL�.'_-:-1 I
:r i i , � � •-�-1) ..�i-�.F _ t_
`•-i i°� `�� 1 !��J f f�r�rl _,.....t ,• ..:rl I I..;r
_ 3 5.:,.
6
...i .i. ,r7 rt,,: , t :{ t ,..a37 3 5 H '3 1,7 3 3 1 2 3 l
.! .. 17 fiHl "-3'5 3'I 191
7 3 9 1 3
10
Y1g C - 2 Yre ián íi:e:cponenc1 . sL ínt3;331..
t, en un papel transparente colocado sobre el gráfico C.2,
usando la técnica ya descrita para el "drawdown testing". Se
calcan las líneas mayores de la retícula (de ciclo
logarítmico) y el reticulado de la figura C.2 se emplea para
situar los puntos correspondientes a los datos (sin hacer
caso, de momento, de la curva tipo). Se desliza después el
papel transparente, tanto en sentido vertical como
horizontal, hasta que los puntos de los datos queden situados
sobre la curva integral exponencial de la figura C.2, como
muestra la figura 51. Entonces se elige un punto bien
caracterizado, como indica la figura, y se miden los valores
correspondientes tanto sobre el papel transparente, como
sobre el gráfico C.2. La permeabilidad intrínseca se calcula
mediante
k = 141.2 qBu (pDÍM
h SpM
y el producto porosidad-compresibilidad:
0.0002637 k tMr2 (tD / r 2D)m
El método es simple , rápido y correcto cuando la
integral exponencial pD es aplicables; esto es, cuando
rD = r/r. > 20 y tD/ r2D > 0.5
89
Lli
_ ' i.= vr
Si-
Sí el pozo activo es cerrado, o modificado su caudal, a
partir del momento t1j el cambio resultante en la presión en
el pozo de observación puede ser también utilizado, mejorando
la exactitud del análisis. La figura 52 muestra
esquemáticamente cómo utilizar los datos en este caso. Los
datos durante la primera porción del ensayo son ajustados a
la curva tipo de la figura C.2 (son los puntos dibujados
sobre la línea de trazo lleno de la figura 52). Después del
cierre, o del cambio de caudal, la diferencia entre la curva
tipo extrapolada y los datos, 8pst, es medida del gráfico; St
es el tiempo contado a partir del cierre o cambio de caudal
en el pozo activo. Puede verse por superposición que
Sp,s-t = Spw - Spw=
= 141.2 qBü pD(5tD,rr,)kh
donde pD es simplemente la integral exponencial (figura C.2).
Por tanto, cuando se dibuja Sps- contra St sobre el mismo
gráfico, los puntos deben quedar situados en la curva
ajustada por los datos iniciales. Si no es así, puede suceder
que: 1) los datos iniciales no estuvieran correctamente
ajustados, y el ajuste debe ser repetido hasta que ambas
series de datos caigan sobre la misma curva, y 2) haya un
efecto adicional influenciando la respuesta y obstaculizando
el ajuste correcto.
Earlougher y Ramey proporcionan datos de presión
adimensional útiles para el análisis de ensayos de
90
41
3
l02
e
2
O DATOS DE OBSERVACIONdpWC
2 3 4 5 6 e102
t, HR
2 3 4 5 6 8103
Pig. 52. Esquema de presión en el pozo de observación,en un ensayo de interiencia en que el pozo activo secierra a las 240 horas.
interferencia en medios de extensión limitada. Dan valores d`
pD para diversas ubicaciones del pozo de observación en
diferentes medios de forma rectangular con un pozo activo. La
figura 53 muestra los valores de pD para diversas
localizaciones del pozo de observación en un rectángulo 2:1.
La figura 54 muestra la situación del pozo activo en dicho
rectángulo y define las coordenadas adimensionales
correspondientes. Obsérvese que la presión adimensional de
respuesta para cada punto de observación se desvía hacia
arriba respecto a la integral exponencial, como cabría
esperar en un medio limitado. Los parámetros de las curvas de
la figura 53 son las coordenadas adimensionales de los puntos
de observación y el área del medio dividida por el cuadrado
de la distancia entre el pozo activo y el pozo de
observación, A/r2.
Si la forma geométrica del medio y la posición
aproximada del pozo activo pueden ser estimadas, pueden
utilizarse figuras del tipo de la 53 para el ajuste a curvas
tipode datos de interferencia en medios limitados. El citado
ajuste puede requerir mucha paciencia, ya que hay más de
ciento cincuenta curvas tipo proporcionadas por Earlougher y
Ramey (1973).
El principio de reciprocidad puede ser útil para el
análisis de ensayos de interferencia en medios limitados
cuando se emplean curvas tipo como las de la figura 53. Dicho
principio establece que la respuesta de presión en el pozo de
observación A causada por la extracción a caudal q en el pozo
B es igual a la respuesta de presión que se produciría en el
91
f0/r02
Fig. 53. Curvas tipo para diversas posiciones del posode observación en un rectángulo 2:1, con el pozoactivo situado a x ON - 0,5, YDW - 0,75.( Earlougber y Ramey, 1.9'3).
1.0
o
ACTIVO• pozo
irSLI.RVACZORO POZO D'
xDw'
2
YDwx0
Yo
Fig. 5 4. Explicación de la notación usada en la fig.53.
pozo de observación B si se realizara extracción a caudal q
en el pozo A. El principio es válido si el comportamiento de
la presión en el medio satisface la ecuación fundamental del
flujo. y la compresibilidad, permeabilidad, viscosidad y
porosidad no varían con la presión. El principio de
reciprocidad nos indica que no hay diferencia en cuál es el
pozo activo y cuál el de observación.
El ajuste de datos de interferencia a una curva tipo
como las de la figura 53 puede hacer factible la estimación
del área del medio a partir del parámetro A/r2.
La curva tipo integral exponencial puede no ser
aplicable al análisis de ensayos de interferencia en
determinadas situaciones. La figura 55 muestra
esquemáticamente cómo la presión adimensional se desvía de la
integral exponencial cuando el pozo activo presenta una
fractura vertical o tiene un alto coeficiente de
almacenamiento de pozo. La importancia del efecto de
fracturación depende de la longitud de la fractura y de la
distancia entre los pozos activo y de observación. Análogas
desviaciones respecto a la integral exponencial pueden ser
causadas por pozos con un gran afecto "skin" negativo ( s «
0).
El efecto del almacenamiento de pozo se traduce en una
caída de la presión de respuesta en el pozo de observación
por debajo de la integral exponencial durante el período
inicial de tiempo, ya que la variación de flujo en la
formación es menor que en la boca del pozo. El grado de
92
t0/ r0
Fiq, 55 . Efecto de las fracturas verticales y delalmacenamiento de pozo sobre la respuesta observadaen un ensayo de interferencia.
desviación respecto a la cwIrva integral exponencial depende
del coeficiente de almacenamiento del pozo activo y de la
distancia entre ambos pozos. Jargon,1976, proporciona varias
curvas tipo que muestran la influencia de los efectos de
almacenamiento y "skin" en el pozo activo sobre la respuesta
en el pozo de observación, indicando que estos efectos tienen
poca importancia cuando
tD > ( 230 + 15 s) (CD / r2 D)0.8Er2 D
Hasta ese momento, el valor kh/µ calculado de la curva
integral exponencial es bajo, y el valor del producto (�ch
calculado es alto.
3.6.2. Métodos de análisis semilogarítmicos
Cuando los. dos pozos en un ensayo de
interferencia se hallan mucho más próximos que la distancia a
un límite o barrera del medio o a otro pozo activo ( por un
factor de 10), la respuesta de presión en el pozo de
observación puede ser descrita por la aproximación
logarítmica a la integral exponencial. La presión en el pozo
de observación puede ser calculada mediante
pwa(t,r) = p. + m log t
ecuación estrictamente válida cuando tD/r2D > 100, donde
tD = 0.0002637 kt
93
r2D (�µctr2
Esta restricción puede reducirse a tD/r2D > 10 con sólo
un error del 1 por ciento. Incluso con tD/r2 mayor que 2 o
3, el método puede resultar adecuado para el análisis de
ensayos de interferencia.
Se dibuja en papel semilogarítmico el gráfico de
presiones observadas, p,.J contra log t, durante la fase
inicial del ensayo. El gráfico debe mostrar una porción recta
con pendiente m
m = - 162.6 qBukh
y ordenada en el origen pih= dada por
P2-1-1= = + m [ log(k/(bµctr2) - 3.2275 1
El factor "skin" no aparece en esta ecuación, ya que no
hay flujo entrante ni saliente en el pozo de observación. La
recta semilogarítmica puede utilizarse para calcular la
permeabilidad intrínseca:
k = - 162.6 qBµmh
y el producto porosidad-compresibilidad:
�ct = k antilog [ pi -p1i-,= - 3.2275]r2µ m
Normalmente es necesario extrapolar la presión
de respuesta para calcular plhr ( lo que debe hacerse sobre
94
como con inyección en el pozo activo. Las anteri`2es
ecuaciones darían resultados incorrectos si no se manejan los
signos adecuadamente. Para no equivocarse, hay que tener
siempre en cuenta que: (1) k debe ser siempre positivo, así
que el signo de m debe ser opuesto al de q; y (2) excepto
cuando r es pequeño o k es muy grande, el término
(pi - pihr)/m es positivo. Normalmente 4ct es del orden de
10 para medios saturados.
como se vé, si los datos obtenidos son suficientes,
antes y después del cierre del pozo activo, pueden calcularse
doblemente los valores de la permeabilidad y del coeficiente
de almacenamiento de la formación, y estos valores deben ser
concordantes entre ellos, al igual que en el análisis
median-'.,e ajuste a curva tipo ( la integral exponencial).
Si se produce una variación significativa en el caudal
en el pozo activo durante un ensayo de interferencia, el
análisis se hace mucho más complicado.
Formaciones heterogéneas y anisótropas
Las técnicas expuestas están basadas en
la suposición de que el medio es isótropo y homogéneo, al
menos en el área de influencia. Si estas suposiciones no se
cumplen, los resultados obtenidos serán una especie de
promedio de las propiedades reales de la formación. Vela y
McKinley proponen un método para corregir los valores de kh/µ
y (�cth obtenidos de una serie de ensayos si se dispone de
datos suficientes.
96
POZO DE OBSERVACION
AT (x,0
�POZO ACTIVO � ADAS DEENEJE DE COORDSITUACION DE POZOS
EJE MENOR DELA PERMEABILIDAD
Fig. 56. Esquema y notaciones para el cálculo de laanisotropia ( Ramey, 1.975)
Entonces,
sustituidos en
km y k.Y ( en función de (�µct) sonkX,
kxky - k 2xy = kmaxkmin = k2
Dado que el término de la derecha de esta ecuación es
conocido (ver dos ecuaciones más arriba), puede resolverse
para calcular ¿µc-,-. Entonces podremos calcular kx, ky y k., a
partir de sus relaciones con J)µct.
Para completar el análisis y calcular las
permeabilidades máxima y mínima y su orientación, utilizamos:
kmax = 0.5 [(kx + ky) + [(k)c - + 4 k2 ]1/2]
km,n = 0.5 [(kx + kY) - [(kx -- ky)2 + 4 k2XY]1/ 2 ]
9 = arc tg ( kmax - kx )kxy
Aunque el procedimiento puede resultar algo lento, no es
difícil de realizar y no es necesaria la utilización de
ordenador. Una elección juiciosa de los ejes de coordenadas
puede simplicar los cálculos.
Swift y Brown,1976, indican que si se dispone de datos
abundantes, puede utilizarse una técnica de regresión para
calcular kmax, kmin y 6. Señalan también que, si el medio es
hetrogéneo, los valores de permeabili-sad calculados mediante
el análisis convencional de ensayos de interferencia para
medios homogéneos y anisótropos pueden entrañar propiedades
direccionales contrarias a las reales.
99
condiciones de contorno, la permeabilidad del acuífero, y el
goteo a través de la formación confinante. Por tanto, si se
conoce el nivel piezométrico del acuífero, el goteo a través
de la formación confinante ( y por tanto su permeabilidad)
puede ser estimado si se conocen también las otras
propiedades.
La utilización de modelos de flujo permanente se halla
justificada, según Belitz y Bredehoeft (1990), si las
perturbaciones de alta frecuencia sobre las condiciones de
contorno ( por ejemplo, cambios estacionales del nivel
freático) son pequeñas con respecto a los valores promedios a
largo plazo y si las perturbaciones de baja frecuencia ( por
ejemplo, erosión de la superficie) son lentas con respecto al
tiempo de respuesta del sistema. El flujo regional en régimen
permanente, a escala de cuenca sedimentaria, puede
modelizarse con un esquema cuasi-tridimensional en que la
ecuación fundamental del flujo puede formularse para cada
unidad hidroestratigráfica:
d (T dh) + d (T dh) + I5$(h$ - h) + Ib(hb - h) = 0dx dx dy dy
donde
h = nivel piezométrico del acuífero (L)ha = nivel piezométrico del acuífero suprayacente
hb = nivel piezométrico del acuífero infrayacente (L)T = transmisividad = Kb (L2/T)K = permeabilidad (L/T)b = espesor del acuífero (L)�D $ = goteo entre el acuífero y el acuífero suprayacente
(T-1)(Pb = goteo entre el acuífero y el acuífero infrayacente
(T-1)= K'/b' (T-1)
101
K' = permeabilidad vertical de la formación confinanteentre acuíferos (L/T)
b' = espesor de la capa confinante entre acuíferos (L)
y
K = k dgg
donde
k = permeabilidad intrínseca (L2)d = densidad del fluído (M/L3)g = aceleración de la gravedad (L/T2)µ = viscosidad del fluido (M/LT)
En los modelos numéricos puede usarse la permeabilidad,
K, o bien la permeabilidad intrínseca, k. Los modelos de
simulación numérica pueden ser utilizados para estimar la
permeabilidad de una formación confinante que separa un
acuífero regional del nivel freático. La simulación puede
enfocarse como un problema de valor de contorno en que el
nivel freático es tratado como una condición impuesta y en
que la transmisividad del acuífero y sus condiciones de
contorno se dan por conocidas. La permeabilidad de la capa
confinante se varía sistemáticamente y la distribución del
nivel piezométrico del acuífero calculada se compara con la
observada. Ya que el problema de valor de contorno se halla
en términos de nivel, los modelos son sensibles al cociente
de permeabilidades entre la capa confinante y el acuífero más
que al valor absoluto de la permeabilidad. Por tanto, la
exactitud de la permeabilidad es directamente proporcional a
la conocida de los acuíferos.
102
Aunque existen métodos de ensayo en un solo pozo para la
determinación de la permeabilidad vertical, tanto las
condiciones de ejecución y acabado del pozo como las de
realización de los ensayos son muy críticas, habiendo
numerosas fuentes posibles de error, como una deficiente
cementación del entubado, posible existencia de alguna
fractura vertical, efecto de almacenamiento del pozo,
insuficiente grado de estabilización de la presión en el
intervalo de medición antes de iniciar el ensayo, etc. El
principio general es el análisis de la interferencia
observada en un tramo de sondeo por la inyección realizada en
otro tramo algo distante, manteniendo un cierre entre ambos.
Aunque el principio es sencillo, las condiciones del sondeo,
la realización del ensayo y el análisis del mismo producen
situaciones muy complicadas y sujetas a posibilidad de error.
Por ello, parece más práctico obtener estimaciones de la
permeabilidad vertical a partir de ensayos realizados en las
formaciones más permeables contiguas.
Los ensayos con dos o más sondeos presentan, además, la
ventaja de hacer intervenir una mayor extensión de formación,
con lo que los resultados son más representativos. Su mayor
inconveniente es que no pueden realizarse directamente en las
formaciones de baja permeabilidad, ya que puede llevar años
empezar a obtener una respuesta útil en pozos de observación
situados a una distam.ia de pocos metros.
Aunque han sido propuestos diversos métodos, la mayoría
se basan en la teoría de los acuíferos con goteo,
inicialmente expuesta por Hantush y Jacob en 1955. El método
103
inicial de Hantush y Jacob ha sido ampliamente usado por su
simplicidad , a pesar del hecho de que puede conducir en
algunos casos a resultados erróneos . Este método , así como
otros derivados de él ( Walton, 1960 ), no tiene en cuenta el
coeficiente de almacenamiento de la formación confinante,
infraestima su permeabilidad y sobreestima la del acuífero,
plantea problemas de no unicidad de los resultados en el caso
de formaciones alternantes , y cuando la permeabilidad de la
capa confinante se hace tan pequeña que el cociente K'/K
tiende a cero, la distribución de descensos en el acuífero
converge con la solución de Theis para acuíferos sin goteo.
Como resultado, las técnicas basadas en la observación del
acuífero solamente , fallan para estimar las propiedades de la
formación confinante cuando é sta es de muy baja
permeabilidad . No obstante , la utilización de estos métodosproporcionó indicaciones sobre la gran fracción de flujo que
puede gotear a través de las formaciones confinantes ( Neuzil,
1986).
3.7.1. Procedimiento de Hantush
Considérese un esquema en el que existe
un acuífero superior, un acuífero inferior, y entre ambos,
una formación de baja permeabilidad . Se bombea en el acuífero
inferior a caudal constant9 Q. Las suposiciones básicas son
las siguientes:
- El flujo es esencialmente horizontal en el acuífero, y
104
vertical en la Formación confinante.
- Al deprimir el nivel del acuífero inferior se crea un
gradiente hacia el mismo, que obliga al acuífero superior a
recargarlo a través de la formación confinante ( lo que
supone que la capacidad de almacenamiento de esta formación
es despreciable y todo el goteo procede del acuífero
superior).
Con estas suposiciones y considerando que el régimen es
transitorio, se llega a la ecuación:
d = Q W(u,r/B)4nT
donde
d = depresión en un punto situacc a la distancia r delpozo de bombeo
Q = caudal constante de bombeoT = transmisividad del acuíferoW(u,r/B) = función de pozo para acuífero confinadoB = factor de goteo = í (Tb'/K')
siendo
b'/K' = resistividad hidráulicaK'/b' = coeficiente de goteob'= espesor de la formación confinanteK'= permeabilidad vertical de la formación confinante
La función de pozo, W(u,r/B), es una integral sin
solución analítica, similar a la de Theis, y que se halla
tabulada y representada en gráficos. La figura 57 es un
gráfico a escala reducida. La curva es prácticamente la de
Theis, con la particularidad de tener una serie de
derivaciones, por debajo de ella, para cada valor de r/B. Las
derivaciones r/B muestran un estado de estabilización debido
105
2.101
lo1
t
1022.lo-1
1TTTT
0.50.67
0.8
6.1
100
0
196
101
108
0.005
107
n
0.001
106 107
102
1U
i%o
103
loe 7.108
108
104
0
lo
105
Fig. 57. Función de pozo w (u, r!B) en acuífero semiconfinado (1sntush, 1.956) .
al efecto de la recarga por got—o vertical. Cuanto mayor es
el goteo, mayor es el valor r/B y antes se separa la
derivación de la curva de Theis.
Los datos de descenso de nivel y tiempo tomados en un
pozo de observación se representan en un papel transparente
colocado encima del gráfico de las curvas de Hantush (figura
57), haciendo uso de la trama bilogarítmica de éste. Se
desliza después el papel transparente sobre el gráfico hasta
encontrar la máxima coincidencia de los puntos representados
con una de las curvas tipo (la que mejor se ajuste). Se
localiza un punto bien caracterizado, como una intersección
de rayas de ciclo logarítmico, y se anotan los valores
correspondientes del punto respecto a las escalas de ambos
papeles ( d y t en el papel transparente, y W(u,r/B) y.�'/u en
el gráfico de Hantush). Con estos cuatro valores y el valor
del parámetro de la curva tipo ajustada, r/B, calculamos la
transmisividad y el coeficiente de almacenamiento del
acuífero, así como la permeabilidad vertical de la formación
confinante:
T = 0.W(u,r/B)4rtd
S = 4Ttr2. 1/u
K'= Tb'B2
donde r es la distancia entre el pozo de observación y el de
bombeo, y las restantes magnitudes conformes con la notación
106
expuesta más arriba.
Como ya se indicó, este método ignora el almacenamiento
de la formación confinante. Neuman y Witherspoon (1969)
observaron que la aplicación de este método tiende a
sobreestimar la permeabilidad del acuífero e infraestimar la
de la formación confinante. Cuando ésta es delgada y
relativamente permeable e incompresible, el método puede, no
obstante, dar buenos resultados.
3.7.2. Método de Hantush modificado
Además de asignar a la formación
confinante una capacidad de almacenamiento, Hantush resolvió
el problema para dos casos diferentes: (1) acuífero
horizontal de extensión infinita suprayacido por una
formación confinante cuyo borde superior no experimenta
ningún descenso con el bombeo, y (2) la misma situación pero
con una capa impermeable suprayaciendo a la formación
confinante. La suposición de flujo horizontal en el acuífero
y vertical en la formación confinante se mantiene. Se
considera goteo al acuífero tanto desde arriba como desde
abajo. Hantush propuso soluciones para dos rangos de tiempo:
Solución para pequeños valores de tiempo:
Para valores de t menores que b'S'/lOK' y b"S"/10K"
la solución para los dos casos considerados es la misma:
107
s = 0 H(u, (i)4nKb
donde
(1)
R = r(D/4= V(K'S'/Kbb'S) + /(K"S"/Kbb"S)
u = r2S/4tbKs = descenso de nivel en el acuíferoS",S'= coeficiente de almacenamiento de las
formaciones confinantes inferior y superior,respectivamente
K", K'= permeabilidad vertical de las formacionesconfinantes inferior y superior
r = distancia entre el pozo de observación y el debombeo
b", b'= espesor de las formaciones confinantesinferior y superior
H(u,(3) es una función tabulada (Hantush, 1960,1964).
La figura 58 es un gráfico de la misma.
Solución para grandes valores de tiempo:
Caso 1:
Cuando t es mayor que 5b'S'/K' y 5b"S"/K", la
solución es
s = Q W(uS1 ' a) (2)4nbK
donde W(uS1,a) es la función de pozo de Hantush, con
a = r �/[(K'/bb'K)+(K"/bb"K)J
y
S1 = 1 + S'+ S'3S
108
10 102 1031/u
Fig. 58. Curvas tipo de la función H (u, 3) en función de 1, para diversos valores de B.
(Lohmen, 1.972). u
Caso 2:
Para t mayor que 10b'S'/K' y 10b"S"/K" , la
expresión del descenso es
s = Q W(u,82)4nKb
donde W(u,82) es la función de pozo de Hantush, con
82 = 1 + S'+ S"S
Ambito de aplicación:
(3)
Para grar.d!�s valores de tiempo, la ecuación (2) indica
que, incluso considerando la capacidad de almacenamiento de
la formación confinante, la solución normal, r/B, de Hantush,
puede ser válida cuando t > 5b' S' .K'
Esta solución también es válida para pequeños valores de
tiempo cuando la formación confinante es delgada, tiene
cierta permeabilidad y es incompresible ( es decir, S' es muy
pequeño). Por ejemplo, si b' = 5 m, K' = 2. 10 m/s, y S' =
2. 10-5, la solución normal de Hantush, r/B, es aplicable
después de 2500 segundos, o sea a los 41 minutos después de
comenzar el ensayo. Para aplicar la solución normal de
Hantush, debe reemplazarse u por u82. ( o sea, u[1 + (S'/3S)],
en el caso de una sola formación confinante). También debe
cumplirse que el acuífero situado encima de la formación
109
confinante no presente ningún descenso durante el ensayo.
Si el acuífero superior muestra algún descenso , la solución
r/B tiende a infraestimar la permeabilidad de la formación
confinante. Por otra parte, si la formación confinante es
relativamente gruesa y elástica, y de baja permeabilidad, la
solución r/B no es aplicable. Por ejemplo, si b' = 50 m, K' _
5. 10-9 m/s y S' = 10-5, la solución r/B es sólo aplicable
después de 5. 107 segundos, o sea, al cabo de año y medio de
haber comenzado el ensayo.
La ecuación (3) sugiere que cuando la formación
confinante es delgada, relativamente permeable e
incompresible, y se halla suprayacida por una capa
impermeable que no puede aportar agua, los datos de descenso
en el acuífero deben seguir la solución de Theis en un tiempo
muy corto. Para aplicar la solución de Theis, u debe
reemplazarse por u[1 + (S'/S) ] .
La ecuación ( 1) es la solución para pequeños valores de
tiempo. Puede también aplicarse para grandes valores de
tiempo cuando la formación confinante es gruesa,
relativamente impermeable y compresible. Por ejemplo, si b'=
100 m, K' = 10-9 m/s, y S' = 10-3, la ecuación es aplicable
para los 107 segundos iniciales, o sea, los primeros 115 días
desde el comienzo del ensayo. Durante este tiempo, el efecto
del bombeo no debe alcanzar el borde superior de la formación
confinante. Por tanto, la suposición de un nivel constante no
introduce ningún error. Si el acuífero está confinado por
arriba y por abajo, ambas formaciones confinantes deben
cumplir simultáneamente los mismos criterios.
110
Procedimiento de análisis:
Se utilizan para el ajuste las curvas tipo de la
figura 58.
Se dibujan los valores de descenso y tiempo en papel
bilogarítmico a la misma escala que las curvas tipo ( puede
usarse un papel transparente y aprovechar el reticulado del
gráfico de curvas tipo).
Se desliza el papel hasta lograr la máxima coincidencia
con una de las curvas tipo.
Se anota el valor del parámetro j3 de la curva tipo
ajustada, así como los valores sobre ambos papeles
correspondientes a un punto bien caract.9rizado, H(u,(3), 1/u,
s, y t.
Se calcula la permeabilidad del acuífero mediante
K = O H(u, j3)4nbs
Se calcula el coeficiente de almacenamiento del acuífero
mediante
S = 4tbKur2
Se calcula (D mediante
40r
Si suponemos que la formación inferior es completamente
111
impermeable, entonces
K'S' = -¿ 2Kbb'S
Si es posible determinar la magnitud del coeficiente de
almacenamiento de la formación confinante, S', por cualquier
otro método, la permeabilidad vertical de ésta puede
calcularse mediante
K' = <D2Kbb'SS'
Problemas y limitaciones del método
Excepto para valores muy grandes de, las curvas
tipo tienen formas no muy diferentes de la curva de Theis,
pudiendo resultar difícil decidir qué curva utilizar para el
ajuste. Cuando b es muy pequeño, resulta fácil equivocarse en
la elección de R incluso en dos órdenes de magnitud. Dado que
K'S' 16 Kbb'Sr2
el error cometido en 1 producirá un error mucho mayor en el
cálculo de K'S'. Un error de dos órdenes de magnitud en la
estimación de � producirá un error de cuatro órdenes de
magnitud en K'S'.
Para resolver este problema, Weeks sugirió en 1977
utilizar dos o más pozos de observación situados a diferente
distancia del pozo de bombeo. Puede hacerse entonces el
112
dibujo de datos de descenso contra t/rz, y al realizar el
ajuste se obtienen dos o más curvas tipo con diferentes
valores de 0 proporcionales al valor de r. Puede entonces
obtenerse un ajuste único imponiendo la condición adicional
de que los valores de r para los pozos de observación deben
caer en curvas con valores de P proporcionales. Este método
puede mejorar algo los resultados, pero cuando P es menor que
0.01, las curvas obtenidas se hallan tan juntas que no se
consigue prácticamente nada.
Cuando las formaciones supra e infrayacente al acuífero
contribuyen ambas al goteo, no es posible discernir entre las
propiedades de ambas. Incluso cuando el goteo procede de una
sola de las formaciones confinantes, el método proporciona el
valor del producto de permeabilidad y coeficien-: de
almacenamiento, necesitándose obtener el valor de este
último, por- cualquier otro procedimiento, para determinar
finalmente el valor de la permeabilidad vertical.
3.7.3. Método de Witherspoon y Neuman
Cuando el cociente K'/K disminuye, tanto
r/B como R en los métodos de Hantush disminuyen, convergiendo
a la solución de Theis. Por ello, el cálculo de la
permeabilidad vertical de una formación confinante a partir
del bombeo y observación del acuífero confinado se hace más
problemático. Witherspoon y Neuman propusieron en 1967 v 1972
otro método, que permite calcular el cociente entre la
permeabilidad vertical y el coeficiente de almacenamiento
113
específico de la formación confinante.
Para ello, se realiza un pozo de bombeo en el acuífero,
y otro de observación. En este último, se colocan al menos
tres registradores de presión, a diferente nivel, dentro de
la formación confinante, como muestra la figura 59. Se
registra el nivel y los valores de presión en el pozo de
observación con anterioridad al inicio del bombeo, siendo
importante que las condiciones de presión antes del ensayo se
hallen en una situación de equibrio. Se inicia el bombeo, a
caudal constante, y se continúa hasta que el registrador
intermedio en la formación confinante indique un descenso de
al menos medio metro ( si se emplean registradores de alta
sensibilidad, que midan cambios de presión equivalentes a 1
cm de agua, un descenso de 10 cm puede ser suficiente). El
registro de nivel en el pozo de observación, así como el de
presiones, debe continuar varios días después de la
finalización del bombeo.
Desarrollo teórico del método:
Consideremos un acuífero de espesor finito
suprayacido por una capa confinante de espesor semi-infinito.
Cuando el cociente K'/K es suficientemente pequeño, al
bombear en el acuífero, el flujo en la capa confinante es
esencialmente vertical y el descenso de nivel en el acuífero
puede ser descrito por la ecuación de Theis. La expresión
semi-infinito se usa para indicar que la formación confinante
es tan gruesa que el efecto del bombeo en el acuífero no
114
POZO DE BOMBEO
�-. > AL APARATO REGISTRADOR
REGISTRADORES DE PRESION
POZO DE OBSERVACION
%(XXXX>
Fig. 59. Esquema propuesto para el ensayo de Witherspoon y Neuman.
alcanza su techo. A partir de estos supuestos , Witherspoon y
Neuman derivaron la siguiente ecuación , que relaciona el
descenso de nivel en la formación confinante en función del
tiempo t y de la elevación z sobre el techo del acuífero:
donde
S.
Si = 013./'l*r_lD- -EI [- t'Dv2 ]e-x' dy
2n3 / 2Kb tD(4t'Dy2-1)
t'D = K'tS'az2
tD = KtS®r2
EI(-x) '= Jx e-'y
z = altura sobre'el techo del acuífero
S,. = coeficiente de almacenamiento específico delacuífero y de la formación confinante,respectivamente
Esta ecuación ha sido estudiada para diferentes rangos
de los parámetros tD y t'D. Los correspondientes valores de s' y
s'/s para di-versos valores de tD y t'D se hallan tabulados. La
figura 60 muestra una familia de curvas que representan la
variación de s'/s en función de t',, para diversos valores de tD.
Neuman, en 1966, propuso una variante, considerando
115
t1 = K`tD Sr Z2
s
FIg. 60. Variación de S'IS respecto a t' para una perforación confinante semi-infinita
(modificada de Witherspoon et , ; 1.967) Curvas tipo.
finito el espesor de la formación confinante, y suponiendo
constante el nivel en el techo de dicha formación. Sus
parámetros y resultados se hallan tabulados en el Apéndice ! '1
de la obra antes citada.
Más tarde ,( Neuman y Witherspoon , 1969 ), desarrollaron una
solución completa para la distribución del descenso en un
sistema compuesto por un acuitard separado por dos acuíferos,
como se indica en la figura 61. En cada acuífero la solución
depende de cinco parámetros adimensionales , y en el acuitard,
de seis parámetros adimensionales . En consecuencia , Neuman y
Witherspoon indicaron , en 1972, que este gran número de
parámetros adimensionales hace prácticamente imposible
establecer un número suficiente de curvas tipo para cubrir el
rango de valores necesario para la aplicación del método.
Como resultado de ello , a pesar del desarrollo de
teorías más complejas y de difícil aplicación , se ha vuelto a
los métodos iniciales más simples , que son los aquí
detallados.
Procedimiento de análisis:
Se observa el registro de presiones del
aparato colocado en el techo de la formación confinante. Si
muestra un descenso superior a su grado de precisión, se
ignoran todos los datos posteriores al valor de tiempo en que
ésto ocurre.
Se calcula la permeabilidad K y el almacenamiento
específico S. del acuífero utilizando el método de Hantush
116
K2
,bÍ K
ACUIFERO SUPERIOR
ACUITARDO
ACUIFEROb 1 K I BOMBEADO
Y7 1
Fig. 61. Diagrama esquemático de un sistema con dosacul eros.
modificado a partir de: registro de descensos en el pozo de
observación.
Se dibujan los valores del descenso, tanto los del
acuífero como los de la formación confinante, en papel
bilogarítmico, y se unen los puntos correspondientes mediante
curvas suaves.
Se seleccionan varios valores arbitrarios de tiempo t,
menores que el valor de tiempo en que se acusó descenso en el
registrador de presión colocado en el techo de la formación
confinante.
Se calcula tD para cada valor de tiempo seleccionado, de
acuerdo con la ecuación
tD = KtS ., r2
Para cada valor de tiempo escogido, se anotan los
valores de s y s' correspondientes, tomados de los gráficos
de descensos dibujados.
Usando la curva apropiada correspondiente a cada valor
de tD en la figura 60, se calcula t'D para cada valor de
s'/s.
Se calcula la difusividad hidráulica vertical de la
formación confinante para cada valor de t y z de un
registrador de presión, mediante
K' = Z2t'DSta t
Para cada valor de z se halla el valor medio de K'/S'
117
calculado para los diferentes valores de tiempo elegidos.
Cada uno de estos valores medios representa debe representar
la difusividad de la parte de formación confinante
comprendida entre el techo del acuífero y la elevación z.
Problemas y limitaciones del método:
Este método presenta la ventaja de que, si el
acuífero recibe goteo tanto desde arriba como desde abajo,
permite calcular las difusividades de ambas formaciones
confinantes, mientras que los métodos de Hantush, basados en
mediciones efectuadas exclusivamente en el acuífero, fallan
en este caso.
El mayor inconveniente del método estriba en que sólo
permite el cálculo de la difusividad vertical. Si es posible
determinar el almacenamiento específico, S'., por cualquier
otro procedimiento, puede entonces calcularse la
permeabilidad vertical. Leahy utilizó en 1976 una combinación
de este método y del de Hantush modificado, para calcular la
permeabilidad vertical mediante
K' = [(K'/S'e) (K'S '8)]1"2
El método está basado en la suposición de que el nivel
permanece constante en el techo de la formación confinante.
Dependiendo del espesor y de las propiedades hidráulicas de
ésta, la suposición pueda o no ser causa de error en los
resultados. Si la formación confinante es delgada y con
118
pequeño coeficiente de almacenamiento, en p(:c:o tiempo deja de
cumplirse la citada condición y deja de ser aplicable el
método.
3.8. ENSAYOS CON TRAZADORES PARA DETERMINAR LA DISTRIBUCIONRELATIVA DE LA PERMEABILIDAD A DIFERENTES NIVELES .
Se utiliza un pozo para la inyección con una
sustancia trazadora y uno o más pozos de muestreo y
observación equipados con un dispositivo de
registro multinivel. Inyectando a caudal constante una
sustancia fácilmente detectable por el aumento de
conductividad eléctrica ( como un cloruro o bromuro, por
ejemplo), puede determinarse la distribución de tiempos entre
la inyección y su detección en el ( o en los) pozo(s) de
observación a diferentes niveles. Como también se conoce la
distancia entre los pozos, es posible la determinación de
valores absolutos de permeabilidad.
El método, ampliamente utilizado con diferentes
sustancias como elemento trazador en diversas investigaciones
de campo de formaciones de baja permeabilidad, presenta como
inconveniente el largo tiempo de observación necesario hasta
empezar a obtener resultados.
Por otra parte, el empleo de trazadores puede permitir
juicios sobre la importancia relativa de los fenómenos de
advección y -difusión en el transporte de solutos en la
formación investigada. La utilización de sustancias
específicas como trazador puede también aportar indicaciones
119
sobre el comportamiento geoquímico y fenómenos d,. sorción.
3.9. DETERMINACION DE LA PERMEABILIDAD EN TESTIGOS DE SONDEO
Se prefiere generalmente obtener los valores de
permeabilidad a partir de ensayos hidráulicos en sondeos, ya
que, si bien estos ensayos normalmente afectan a una reducida
extensión de masa rocosa alrededor del pozo, sus resultados
ofrecen una mayor representatividad que los obtenidos en
laboratorio a partir de muestras más reducidas.
Por otra parte, las muestras de roca, y especialmente
las de bajo grado de consolidación, pueden resultar
seriamente afectadas por las operaciones de manipulación,
transporte y almacenamiento hasta su ensayo en laboratorio, e
incluso por las condiciones existentes en el laboratorio y
las propias del ensayo. Los primeros problemas que surgen son
los derivados del cambio de las condiciones de presión y
temperatura, la posible contaminación con fluídos de
perforación o aditivos para la conservación, el contacto con
el aire atmosférico y la degradación de la textura y
características granulométricas en rocas de escasa
consolidación. A fin de paliar estos problemas, se han
sugerido diversos modos de recolección y envasado de
muestras, como, por ejemplo, el guardarlas inmediatamente en
bolsas de polietileno selladas en atmósfera de gas inerte e
introducirlas en recipientes almoadillados e igualmente con
atmósfera inerte, generalmente de nitrógeno (Trapp et al.,
1988).
Una vez en el laboratorio, los principales problemas se
120
derivan del escaso volumen de roca involucrado en el ensayo,
los largos períodos de tiempo requeridos, la medición o el
bombeo de ínfimas tasas de flujo, la magnitud de los
gradientes hidráulicos utilizados, la influencia de los
esfuerzos laterales sobre la muestra, y la posible relevancia
de otros mecanismos de flujo de conductividad no hidráulica.
Las determinaciones de permeabilidad en laboratorio
podrían, inicialmente, basarse en tres tipos de ensayo: a)
caracterización granulométrica y consiguiente aplicación de
fórmulas, como las de Hazen y otras, que relacionan la
permeabilidad con el tamaño de partícula en materiales
granulares; b) ensayos con permeámetros, bien en régimen
permanente o bien en régimen transitorio, y c) ensayos de
consolidación en materiales de baja compacidad. De estas tres
técnicas, la primera no suele resultar aplicable al caso de
las formaciones de baja permeabilidad, por.motivos obvios.
Por ello, las técnicas a considerar se agrupan en tres
clases: (1) aplicación de la ley de Darcy a datos de flujo o
de presión en condiciones de flujo permanente o cuasi-
permanente, (2) aplicación de la ley de Darcy a datos de
presión en régimen transitorio, y (3) aplicación del régimen
transitorio a datos de flujo y presión, teniendo en cuenta la
deformación de la muestra en función del tiempo. Las dos
últimas clases de ensayos analizan el mismo fenómeno, el
movimiento en régimen transitorio de un fluido en un medio
deformable, pero en la primera de ellas, que fué desarrollada
para medios consolidados, las relaciones entre esfuerzo y
121
deformación son únicamente consideradas en cuanto afectan al
almacenamiento de fluido. La última clase de ensayos,
desarrollada para medios relativamente deformables, considera
explícitamente las relaciones esfuerzo-deformación en el
medio.
Los prolongados flujos transitorios que tienen lugar en
las rocas de baja permeabilidad suponen una ventaja para los
ensayos de laboratorio: su comportamiento dependiente del
tiempo puede ser analizado para calcular el almacenamiento
específico. Esto normalmente no resulta posible para muestras
de rocas permeables, ya que las variaciones transitorias
suceden en tan corto espacio de tiempo que no permiten su
estudio. La segunda y la tercera clase de ensayos, que
analizan el comportamiento en función del tiempo, permiten
gener_almenLe la determinación tanto de la permeabilidad como
del almacenamiento específico.
3.9.1. Ensayos en régimen permanente o cuasi-permanente :
Cuando la permeabilidad es muy baja, aparecen
dos problemas que complican su medición mediante ensayos en
régimen permanente. El primero es que el tiempo requerido
para alcanzar el flujo en régimen permanente es
extremadamente largo (01sen et al.,1985). El otro es que la
medición o el bombeo de ínfimos caudales resulta difícil en
la práctica (Remy,1973;Olsen et al.,1985). El primero de
ellos puede mitigarse algo reduciendo la longitud de la
muestra, y el segundo, utilizando altos gradientes
122
hidráuilcos; de esta forma han podido medirse valores de
permeabilidad muy pequeños, incluso del orden de 10-15 m/s,
pero utilizando gradientes mayores de 106, mucho mayores de
los que pueden hallarse en la naturaleza.
Una alternativa puede ser el bombeo de pequeños
caudales, conocidos, a través de la muestra, ya que ésto
puede resultar más fácil que medirlos. Así, Olsen (1966,1975)
logró bombear caudales de tan sólo 10-6 cm3/s, mediante una
pequeña bomba de membrana, y medir permeabilidades de 10 a
10-10 m/s utilizando gradientes de 0.2 a 40, indicando que es
posible conseguir caudales de tan sólo 10 cm3/s utilizando
una bomba de pistón de diámetro diferencial.
Otra alternativa es la utilización de permeámetros de
gas, dada la menor viscosidad d9 este fluido. Sin embargo, se
requieren ciertas correcciones (Scheidegger,1974), y, lo que
es más importante, las interacciones fisico-químicas entre
permeante y sólido, que pueden ser significativas en poros
pequeños, pueden ser completamente diferentes para gases y
para el agua, lo que hace que resulte incierta la
correspondencia entre la permeabilidad al gas y la
permeabilidad al agua para muchos medios de baja
permeabilidad. No obstante, en algunos casos los resultados
pueden ser concordantes, como en las mediciones de Brace et
al.(1968) en el granito de Westerly y de Gloyna y Reynolds
(1961) en la formación Grand aline.
Una variante del ensayo en régimen permanente, la
utilización de permeámetros de carga variable, ha sido
también probado para medios de baja permeabilidad. Descrito
123
(Superficie A
PERMEAMETRO DE NIVEL CONSTANTE PERMEAMETRO DE CARGA VARIABLEO DE CARGA CONSTANTE
FIG. 62. - Tipos de permeámetros.a, p rmeámetro de nivel constante o de cara constante; b, permeámetro de carga va-
riable.
(Castany, 1.975)
ley de Darcy, tenemos
dQ = K dh A dtL
Si a es la sección del tubo de carga, el volumen Q será
Q = a(ho-h)
pero
h = ho - Qa
dh = dQa
y
dQ = - a dh
y reemplazando el valor de dQ en la primera ecuación:
a dh = K dh A dtL
si es D el diámetro del cilindro que contiene la muestra y d
el diámetro del tubo de carga, tendremos
- dh = K A dt = K D2 dth a L d2 L
y por integración
- ln h = K D2 t + C -d2 L
125
cuando t = 0, h = h., y poniendo estos valores como límite de
integración, la anterior ecuación se escribirá
- ln h = K D2 t - ln hod2 L
de donde
- ln h = K D2 tho d2 L
K = d 2 L ln hoD2 t h
o bien, en logaritmos decimales
K = 2.30 d2 L log hóD2 t h
Entre las dificultades prácticas que se presentan en
estos ensayos están las pérdidas por evaporación, la
eliminación del aire de la muestra y la conservación de la
disposición inicial de los granos de la muestra en las rocas
incoherentes.
Una variante del permeámetro de carga variable es
utilizar un depósito cerrado en vez del tubo abierto. Al
comienzo del ensayo, el depósito se presuriza súbitamente. La
presión desciende con el transcurso del tiempo a medida que
el agua fluye a través de la muestra. Este sistema presenta
la ventaja de que el volumen del depósito es mucho menor y
126
que requiere una cantidad sustancialmente menor de '.lempo
para el ensayo cuando la muestra es de muy baja
permeabilidad, ya que medimos variaciones de presión en vez
de variaciones de nivel. Utilizando este método , Brace et
al.(1968) midieron la permeabilidad del granito de Westerly a
diferentes presiones , usando tanto gas como agua como
permeantes, obteniendo valores de 10-14 m/s con. gradientes
medios de 103 a 104 durante los ensayos.
La ventaja de utilizar depósitos cerrados puede ser
contraproducente cuando la suposición de flujo cuasi-
permanente deja de cumplirse. Si el volumen del depósito es
pequeño, de dimensión comparable a la de la muestra, ésta
puede presentar un efecto de almacenamiento de tal magnitud
que ?.legue a invalidar los resultados del ensayo. Este
efecto, prácticamente despreciable en rocas compactas no
fisuradas, puede ser bastante importante en el caso de rocas
arcillosas y conducir a una infraestimación de la
permeabilidad.
3.9.2. Ensayos en régimen transitorio
El efecto de almacenamiento en la muestra puede ser
tenido en cuenta en el ensayo si se analiza mediante la
ecuación del flujo unidimensional en régimen transitorio
K d2h = S. dhdz2 dt
donde el almacenamiento compresivo, que permite e.?. flujo
127
transitorio, es tenido en cuenta mediante el almacenamiento
específico S. [L-1]. Esta ecuación es estrictamente válida
cuando no hay deformación lateral en la muestra.
Utilizando un permeámetro con dos depósitos cerrados,
uno a cada lado de la muestra, para medir diferencias de
presión ( al descender la presión en el depósito de cabeza,
aumenta en el de cola), la solución de la ecuación anterior,
con sus condiciones específicas de contorno, puede ser
empleada para analizar situaciones de flujo plenamente
transitorio. De este modo, Lin (1978) ensayó argilitas de la
formación Eleana, midiendo permeabilidades comprendidas entre
10-13 y 10-16 m/s con gradientes iniciales a través de las
muestras comprendidos entre 5 102 y 5 103. Trimmer et
al.(1980) ensayaron rocas cristalinas, obteniendo
permeabilidades de hasta tan sólo 5 10-17 m/s.
El procedimiento utilizado por Lin y Trimmer requiere
determinar, por otro procedimiento, S. No obstante, Neuzil
(1986) indica que Hsieh et al.(1981) y Neuzil et al.(1981)
han desarrollado un análisis y metodología de ensayo que
permite calcular tanto la permeabilidad como el
almacenamiento específico de la muestra a partir de los datos
del ensayo, habiendo medido en una muestra de roca arcillosa
(Pierre Shale) una permeabilidad de 2 10-12 m/s y un
almacenamiento específico de 8 10-7 con un gradiente inicial
de 2 103.
Un inconveniente de este método es que se introduce un
cierto error al violarse la condición de no existencia de
deformación lateral en la muestra, implícita en la ecuación
128
del flujo unidimensional. Haría falta un diseño experimental
más adecuado para evitar que se produzca dicha deformación al
aplicar un esfuerzo longitudinal.
3.9.3. Ensayos mecánicos en régimen transitorio .
Los ensayos hasta aquí descritos se basan en
la medición ( o bombeo) de pequeños caudales o
cambios de presión. También pueden realizarse ensayos que
permiten la determinación de K y S. a partir del análisis del
comportamiento mecánico de la muestra en función del tiempo.
Estos ensayos han sido un objetivo de la mecánica de suelos y
han sido desarrollados para medios relativamente
compresibles.
El estudio por Terzagui (1923) de la consolidación de
terrenos de baja permeabilidad bajo cimentaciones proporcionó
la derivación de la ecuación del flujo unidimensional en
régimen transitorio antes de que fuera desarrollada
independientemente por Theis y Jacob para aplicaciones
hidrogeológicas. Terzagui observó la expulsión del fluido
intersticial, a una tasa controlada por la permeabilidad, en
el proceso de consolidación.
En un ensayo de consolidación (Terzagui,1927;Lambe,1951;
Scott,1963), la muestra es confinada lateralmente y sujeta a
una carga constante, permitiendo la expulsión del agua
intersticial por uno o ambos extremos . La solución a la
ecuación del flujo unidimensional para la deformación en
función del tiempo, permite, con las apropiadas condiciones
129
de contorno, el cálculo de la difusividad hidráulica, K/Se,
mediante comparación entre la deformación observada y la
teórica. El almacenamiento específico puede calcularse a
partir de la porosidad y compresibilidad' de la muestra.
Bredehoeft et al.(1983) utilizaron ensayos de consolidación
para calcular la permeabilidad de las rocas arcillosas de la
formación Pierre Shale, obteniendo valores comprendidos entre
10-11 y 10-14 m/s con gradientes hidráulicos comprendidos
entre 104 y 105.
Se han desarrollado diversas variantes del ensayo de
consolidación, a fin de generalizar la teoría de Terzagui y
obtener aplicaciones para diversas situaciones. Znidarcic
(1982) proporciona un resumen de los diversos análisis y
ensayos que han sido propuestos.
El ensayo de consolidación, así como el de permeámetro
de carga variable, se hallan recomendados por el Cuerpo de
Ingenieros del Ejército de Estados Unidos para la
determinación de la permeabilidad de suelos de K < 10-9 m/s
para el estudio de emplazamientos para residuos radiactivos
de baja actividad (NUREG CR-3038, 1982).
3.9.4. Criterios de aplicación
Para rocas rígidas o poco deformables, los ensayos
con permeámetros en régimen permanente o transitorio parecen
adecuados (obviamente los de consolidación no son factibles).
Para rocas altamente deformables, son preferibles los de
consolidación, a condición de emplear gradientes pequeños.
130
4. DETERMINACION DE PARAMETROS GEOQUIMICOS
Dado el evidente interés que las formaciones
de baja permeabilidad ofrecen para el posible confinamiento
de residuos nocivos y peligrosos, y dado que el principal
vector de escape hacia la biosfera es el constituido por el
flujo del agua subterránea, el planteamiento de esta
utilización se establece, a grandes rasgos, sobre los
siguientes aspectos fundamentales:
a) Conocimiento, modelización y control del flujo del
agua subterránea.
b) Conocimiento, modelización y control del transporte
de los elementos y sustancias indeseables en la formación de
confinamiento.
c) Evaluación de las posibles vías de escape y factores
de riesgo. Asignación de probabilidades sucesivas e: el
dendrograma de posibles secuencias de eventos que puedan
malograr el confinamiento, a fin de rechazar o continuar el
posible emplazamiento.
d) Construcción, estudio y control del emplazamiento.
e) Operación del emplazamiento y control de todos los
parámetros introducidos en la modelización.
f) Clausura del emplazamiento y mantenimiento de su
control durante un período razonable en el que sea posible la
recuperación de los residuos indeseables si se advierte un
serio riesgo.
131
g) Mantenimiento mínimo de ser<Lización y control.
Los apartados señalados no constituyen fases o etapas
cerradas ; todos sus aspectos deben ser objeto de constante
estudio y revisión.
Después de considerar las herramientas básicas para el
conocimiento y modelización del flujo del agua subterránea,
es preciso considerar los mecanismos que influyen en el
transporte ( movimiento y transferencia de masa) de los
elementos indeseables considerados, a fin de poder modelizar
y controlar su comportamiento. Para ello, se hace necesario
el estudio físico-químico de los citados elementos _
sustancias y sus asociaciones, sus posibles reacciones y
evolución en el tiempo, sus posibles reacciones y
comportamiento en relación con las barreras ingenieri'_-s
utilizadas en el emplazamiento, y, finalmente, su
comportamiento en el medio natural de la formación de
confinamiento. Todo ello conduce a la elaboración tanto de un
modelo hidroquímico como de uno de transporte, en estrecha
asociación con el del flujo del agua subterránea, a fin de
poder predecir y controlar la migración de los elementos
nocivos o de sus productos. La validez de la predicción del
comportamiento para los enormes períodos de tiempo de
confinamiento considerados ( cientos de miles e incluso
millones de años para el caso de residuos radiactivos de alta
actividad y transuránidos), será siempre un asunto
cuestionable, aunque podrá mantenerse una sólida sensación
de confianza si los argumentos y suposiciones de base son
sólidos. El principal problema, la carencia de perspectiva
132
histórica y experiencia, puede paliarse algo mediante la
observación detallada de los fenómenos naturales y sus
posibles analogías.
Antes de considerar los parámetros geoquímicos cuya
determinación puede realizarse paralelamente a la de los
parámetros hidrogeológicos, es preciso conocer, al menos de
modo somero, los factores que influyen sobre el movimiento de
las partículas o sustancias en el medio.
4.1. PRINCIPALES PROCESOS DE MOVIMIENTO DE SOLUTOS EN EL
AGUA SUBTERRANEA
Consideraremos en primer lugar la advección . Este
término describe el movimiento de las partículas de soluto a
la misma velocidad y condiciones que el flujo hidráulico. La
aureola de contaminación se desplaza " como un tapón" en el
flujo del agua subterránea. Este factor es prácticamente el
responsable del movimiento de contaminantes en formaciones de
cierta permeabilidad. El flujo de soluto es proporcional a la
permeabilidad y a la concentración.
Al disminuir la permeabilidad del medio, va adquiriendo
importancia relativa la dispersión . Este término engloba
dos conceptos, la difusión molecular , descrita por la ley de
Fick, y que carece prácticamente de importancia excepto
cuando la velocidad del flujo hidráulico es extremadamente
lenta. El flujo de masa asociado a la difusión molecular es
proporcional al gradiente de concentración del soluto y a la
porosidad efectiva , con una constante de proporcionalidad, o
133
coeficiente de difusión, que depende de la naturaleza del
solvente y del soluto. También incluye la dispersión
mecánica , que expresa la fluctuación de la velocidad de las
partículas del soluto alredeor del valor medio, y que puede
ser expresada de forma análoga a la anterior pero con un
tensor de dispersividades que, en general, podrá ser
anisótropo.
4.2. MECANISMOS QUE RETARDAN EL MOVIMIENTO DE SOLUTOS
Los fenómenos de sorción pueden ser de gran
importancia para la atenuación y retardo del transporte de
un elemento nocivo. Los tres principales procesos de sorción
son .a adsorción , acumulación de materia en la interfase
entre la solución acuosa y un adsorbente sólido, sin
desarrollo de disposición molecular tridimensional, la
absorción , difusión o penetración de una sustancia en fase
acuosa dentro de una fase sólida, y la precipitación o
coprecipitación , con crecimiento de una fase sólida en la
interfase sólido-solución y caracterizada por una estructura
molecular que se repite tridimensionalmente.
Los tres procesos son englobados habitualmente en un
factor de retardo, definido por el "coeficiente de
distribución" Ka , que expresa la relación lineal entre la
cantidad adsorbida o fijada en fase sólida y la concentración
en la solución, para un elemento dado.
El coeficiente de distribución es frecuentemente
incorporado en los modelos de transporte ( advectivo-
134
difusivos) de radíonúclidos, si bien no tiene en cuenta las
variaciones de quimismo y de temperatura en el medio, por lo
que su aplicación resulta estrictamente limitada a las
condiciones de su medición. Su validez se considera adecuada
para concentraciones traza del elemento, que satisfacen más o
menos las condiciones de adsorción isoterma de Langmuir.
Cuando la concentración del elemento es
relativamente elevada, suele aplicarse la ecuación de
Freundlich, que establece la relación, en equilibrio
isotermo, entre la cantidad adsorbida y la concentración en
la solución del siguiente modo
s = k.cri
siendo k y n constantes para una temperatura dada, y c la
concentración.
Aunque aún se ignora mucho sobre los procesos de
adsorción, se investiga sobre el comportamiento de especies
tanto catiónícas como aníónicas de los diversos radíonúclidos
en relación con los hidratos de hierro y de manganeso y con
materiales arcillosos. Por ejemplo, a valores de pH
comprendidos entre 5.5 y 6.5 la adsorción de Np-s en
hidróxido férrico amorfo es prácticamente total (NUREG/CR
4030,1985).
La experimen't-ación, tanto de laboratorio como de campo,
en emplazamientos; someros de residuos de baja actividad),
constituye una importante fuente de datos que debe ampliarse
para un mejor conocimiento de los fenómenos de retardo.
135
(advección), difusi{�:i molecular y dispersión (fenómenos
difusivos), y un factor de retardo debido a los fenómenos de
sorción y precipitación.
No obstante, se discute sobre la posible importancia
relativa que pueden tener otros fenómenos como la ósmosis,
ultrafiltración, electroforesis y gradientes térmicos, si
bien su posible magnitud parece quedar eclipsada por la de
las imprecisiones y errores cometidos en la determinación de
los parámetros convencionales.
En zonas profundas, las propiedades de las formaciones
de baja permeabilidad pueden permitirlas actuar como
membranas semipermeables que impidan o retarden el paso de
ciertos iones, lo que motivaría los dos fenómenos opuestos de
ósmosis y ultrafiltración.
Los minerales arcillosos compactados pueden llegar a
restringir o impedir el paso de especies fónicas mientras
permiten el flujo de las moléculas de agua. La
ultrafiltración tendría lugar, por ejemplo, cuando un agua
salinizada se mueve a través de un acuitard y los iones
salinos son retardados, resultando un efluente más diluído y
produciendo una progresiva concentración salina en la
formación que suministra agua al acuitard. Este fenómeno ha
sido invocado algunas veces para explicar la existencia de
salmueras en algunas cuencas profundas.
Bredehoeft et al (1963) sugirieron qu¿ el origen de las
salmueras de la cuenca de Illinois pudo de.'therse al flujo
desde zonas de recarga periféricas hacia el centro de la
cuenca y su posterior ascenso a través de las capas
137
confinantes que impidieron la migración de iones, causando
así una mayor concentración salina en el fondo de la cuenca.
El fenómeno opuesto, la ósmosis , tendría lugar cuando
dos formaciones de diferente salinidad se hallan separadas
por otra que actúa como membrana semipermeable. En
condiciones isotermas, tenderá a producirse un flujo desde la
menos salina hacia la más salina, y la transferencia de agua
originará un aumento de presión en esta última y una
disminución en la primera hasta equilibrarse las presiones
osmóticas.
La importancia de ambos fenómenos no ha sido
suficientemente demostrada pueden considerarse
insignificantes a menos que existan grandes contrastes de
salinidad entre las formaciones infra y suprayacente a una de
baja permeabilidad.
Es bien conocido que la aplicación de un campo eléctrico
a una roca porosa puede generar un movimiento de especies
iónicas. La comparación de este fenómeno de transporte,
electroforesis , con el de difusión es difícil, ya que ambos
se encuentran estrechamente asociados en los medios
naturales.
Las posibles causas de un fenómeno de electroforesis, es
decir, la aparición de un campo eléctrico, habría que
buscarlas en reacciones de oxidación-reducción, especialmente
las que pudieran tener lugar con los residuos o sus
contenedores. Al cambiar la concentración de las especies
reactivas en las inmediaciones de la zona de reacción, se
138
produciría un flujo difusivo r.�.:ra reponer dichas
concentraciones, razón por la cual ambos tipos de flujo no
pueden ser debidamente aislados.
La difusión térmica, efecto Soret, puede ser apreciable
si existen elevados gradientes de temperatura, muy superiores
a 20 °C/m, por lo que puede llegar a tener cierta
importancia, aunque en una zona pequeña y muy localizada,
alrededor de los contenedores de residuos radiactivos de alta
actividad, por el calor que generan, pero su importancia se
considera insignificante en el medio natural.
4.4. Principales parámetros geoguímicos y su determinacion
Al realizar sondeos se introducen en el terreno
sustancias ajenas al mismo, concretamente las existentes en
el fluído de perforación. Por ello, es necesario conocer las
propiedades químicas del agua o lodos empleados, a fin .e
poder determinar después sin lugar a dudas las
características del fluido de la formación y las condiciones
agua-roca.
El análisis y control del fluido de perforación puede
realizarse mediante procedimientos más o menos manuales, o
mediante un método monitorizado que puede proporcionar
indicaciones sobre fracturas y zonas de mayor permeabilidad y
aporte de agua, como el "CHEMDRILL" del B.R.G.M. El sistema
CHEMDRILL monitoriza sobre un ordenador PC los valores de
temperatura, pH, Eh y conductividad eléctrica del fluido de
139
perforación, pudiendo además detectar zona.. de fractura
mediante análisis contínuo del contenido en helio del fluído
a su retorno del pozo. Presenta opciones para el análisis de
diversas especies químicas en laboratorio de campo. Las
variaciones detectadas en el fluído de retorno, debidamente
monítorizadas, proporcionan importantes indicaciones sobre
las características de las formaciones atravesadas.
Las condiciones agua-roca y el grado de aislamiento de
la formación son factores importantes para posibles
emplazamientos de residuos nocivos o peligrosos. Para obtener
información sobre estos extremos puede utilizarse una
combinación de métodos, incluyendo la datación del agua
mediante medición de isótopos como el cloro-36, He, Ne y Ar,
e isótopos estables de oxígeno e hidrógeno en el
agua.(Tsang,1985).
Los principales parámetros que definen el control de
equilibrio mineral, así como las condiciones de oxidación-
reducción del medio deben medirse in situ, dadas las
sustanciales variaciones que pueden producirse mientras se
envían las muestras a un laboratorio. Estos parámetros son:
- Temperatura
- pH
- Eh
- Conductividad eléctrica
Oxígeno disuelto
Estos parámetros pueden determinarse mediante medición
en un laboratorio de campo, o incluso dentro del sondeo
mediante sondas apropiadas, como, por ejemplo, la
140
"datasonde" de HYDROLAB, conectable a ordenador PC y que
registra temperatura, conductividad, pH, oxígeno disuelto,
Eh, profundidad, nivel libre y salinidad.
Los aniones y cationes mayores presentes en el agua
definen el tipo hidroquímico de ésta, proporcionan
indicaciones sobre la naturaleza de las formaciones por las
que ha circulado y configuran, conjuntamente con los
parámetros anteriores, el marco termodinámico del medio
acuoso en la formación. Su determinación puede realizarse
tanto en laboratorio de campo como en laboratorio central, ya
que los procesos de toma, envase y transporte de la
muestra de agua no afectan sustancialmente a estos
parámetros, entre los que pueden citarse Ca-2, Mg-2, Na-, K+,
HCOs , SO4+2, Ci-, SiO2 y NO3-.
Los metales pesados y elementos traza, además de
proporcionar indicaciones sobre características de las
formaciones recorridas por el agua, constituyen la base para
las posteriores comparaciones de control si se construye y
entra en funcionamiento un depósito de residuos. Por ello,
conviene que las primeras determinaciones sean exhaustivas,
aunque después se seleccione un número limitado de elementos
en función de la naturaleza de los residuos. Estos análisis,
dadas las bajas concentraciones de los elementos traza, deben
realizarse siempre en un laboratorio bien equipado y de
garantía.
Sobre las muestras de roca obtenidas en los sondeos,
además de las determinaciones de densidad, porosidad y
141
permeabilidad, debe hacerse un estudio de difractometría de
rayos x para la determinación de componentes minerales, un
estudio petrográfico y un análisis químico.
La determinación del contenido y estructura de hidratos
de hierro y manganeso, y la caracterización de los minerales
arcillosos, puede proporcionar indicaciones sobre el
comportamiento del medio respecto a los fenómenos de sorción.
En las rocas cristalinas debe prestarse especial atención al
material de relleno de las fracturas, por ser donde pueden
tener lugar estos fenómenos.
También debe prestarse atención a las inclusiones
fluídas y a las microestructuras que puedan revelar
características sobre el comportamiento del medio ( por
ejemplo, estructuras de disolución-recristalización,
alteración de minerales, etc.).
El análisis químico e isotópico del agua intersticial
puede suministrar indicaciones sobre el grado de equilibrio y
tiempo de residencia del agua. En rocas compresibles, puede
obtenerse este agua mediante un proceso de extrusión, si
bien deben extremarse las precauciones respecto a las
condiciones ambientales del laboratorio, tiempo y cargas
empleadas, ya que unas condiciones inadecuadas o un tiempo
excesivo pueden implicar un cambio en las características
fisico-químicas del agua extraída , y un exceso de carga
puede originar la extracción de agua de hidratación de
algunos minerales en vez de solamente el agua intersticial,
resultando unos datos que son un mero artefacto de la
técnica.
142
S. INTRODUCCION A LA SECCION INSTALACIONES PERMANENTES DE
CONTROL Y SEGUIMIENTO.
La sociedad industrializada genera cada vez con mayor
frecuencia residuos que es preciso aislar de la biosfera. El
almacenamiento de los mismos hay que llevarlo a la práctica
de forma que las aguas meteóricas que se pongan en contacto
con ellos, y que presumiblemente se contaminen, puedan
recogerse y depurarlas si es preciso cuando abandonen la
localización del almacén.
Este control es relativamente fácil de llevar a la práctica
si se cumplen cualquiera de las siguientes condiciones:
• Si el almacén se localiza en rocas prácticamenteimpermeables.
• Si el almacén se sitúa sobre una formación permeable,
sin interés económico y tal que se conozca
perfectamente por donde se drena y en ese punto se
pueden controlar las aguas.
En todos los casos es fundamental conocer con precisión la
hidrogeología del emplazamiento de modo que se puedan
realizar los modelos matemáticos de funcionamiento
hidrológico, tanto en régimen permanente como en transitorio.
En otras secciones de este estudio se han analizado las
técnicas a aplicar para conocer las características
hidrogeológicas de las formaciones de baja permeabilidad. El
análisis sistemático de todas ellas permitirá que se planteen
modelos conceptuales de funcionamiento del agua subterránea.
143
Para "calar " modelos en regimen transitorio , es precisocontrolar la evolución en el tiempo de una serie deparámetros : niveles del agua subterránea , conductividad,temperatura, etc.
Como por razones sociales los almacenamientos de residuosdeben localizarse en zonas alejadas de núcleos urbanos,resulta que el control exhaustivo de esos parámetros, conmedios humanos , resulta muy oneroso . Para paliar estadificultad es para lo que se han desarrollado lasinstalaciones permanentes de control y seguimiento.
Otra razón no menos importante está relacionada con la enormecapacidad que tienen los ordenadores actuales de almacenarinformación , lo que permite obtener series de datos, entiempo real, prácticamente continuas . Se puede así analizarcon precisión la evolución de cualquier parámetro ydeterminar la interrelación con cualquier otro:precipitación , avance de contaminación, etc.
Una característica que deben poseer estos sistemas es la deasignar medidas a distintos ficheros, bien porque corres-pondan a parámetros distintos de un mismo punto de control,bien porque correspondan a medidas de un mismo parámetro adistintas profundidades en un mismo punto.
El diseño de una instalación debe iniciarse con un análisisde los parámetros a medir , y de los puntos a controlar,
dentro de estos últimos las profundidades a medir.
En esta sección se describen las instalaciones más frecuen-
tes. Se analizan diversas estaciones de control y seguimiento
desde algunas muy simples a otras complejas . En un anexo se
describen métodos rápidos para seleccionar las zonas de una
perforación que sean más adecuadas para controlar.
144
6. CONFIGURACION EN LAS INSTALACIONES PERMANENTES DE
CONTROL Y SEGUIMIENTO
Una vez seleccionados los parámetros y profundidades a
controlar es preciso determinar la periodicidad con la que
se quieren obtener las medidas.
El conjunto de instrumentos precisos forman una configuración
de estación de control. Obviamente la complicación de la
misma es muy variable, aunque todas se componen de:
Un sensor sensible a una características del agua.
Un registrador que almacena esa característica.
En los siguientes apartados se describen distintas
configuraciones con complejidad creciente.
6.1. Instalaciones para el control de nivel de agua
La configuración más simple consta de un limnígrafo con
flotador. La evolución del nivel del agua en el sondeo se
transmite por cable inextensible del limnígrafo. El
limnígrafo está equipado con un tambor giratorio y una
plumilla que se apoya en el tambor y que puede desplazarse
paralelamente al eje del mismo. La plumilla está conexionada
con el flotador a través del cable inextensible, de modo que
el desplazamiento de la misma refleja, a escala, al
movimiento del nivel piezométrico en el sondeo.
145
La elección de los equipos necesarios depende de:
diámetro de sondeo,magnitud de la variación del nivel del agua y
velocidad de la variación de los niveles
En general , a mayor diámetro del flotador se tiene un error
más pequeño en la medición del nivel del agua. Este diámetro
depende, a su vez, del diámetro de la perforación.
Las variaciones que se espera que se produzcan en el nivel
del agua subterránea condicionan la escala de registro, ya
que el tambor del limnígrafo tiene una generatriz de longitud
estandarizada ( 25 cm ). Así si se espera que el nivel varíe
menos de 25 cm , la escala adecuada será 1:1 y si se espera
que varíe menos de 10 m, será la 1 : 40. En el primer caso
sería conveniente que el error de medida fuese pequeño por
lo que el flotador debe ser de gran diámetro ( del orden de
150 mm ). En el segundo caso, el diámetro del flotador puede
ser menor ( del orden de 75 mm).
La velocidad adecuada de rotación depende , obviamente, de la
precisión con que se quiera conocer la evolución del nivel
en el tiempo . Los tambores más usuales tienen 122 mm de
diámetro , lo que corresponde a 383,28 mm de perímetro. Se
tiene , por tanto, las siguientes velocidades lineales de
papel en función del tiempo de rotación.
146
6.2. Registradores de nivel con transmisión eléctrica desde
el sensor al registrador
Se diferencian de los anteriores en que el sensor se localiza
en una posición fija por debajo del nivel del agua.
El sensor está equipado con un dispositivo electrónico que
es sensible a la presión del agua.
De este modo , para cada presión a la que se encuentra
sometido el sensor envia al registrador una señal eléctrica
distinta.
El funcionamiento de la estación de control es, en síntesis,
el siguiente: el registrador colocado en superficie envia
periódicamente una señal eléctrica al sensor que acciona el
dispositivo electrónico sensible a la presión del agua. El
registrador recibe una respuesta en forma de mV o mA, que
es proporcional a la columna de agua existente en ese momento
por encima del sensor.
Existen dos sistemas principales para conservar las medidas
de nivel: gráficamente o almacenándola en un microprocesador.
En este último caso hay que transferir los datos
posteriormente a un PC.
Cuando se hace un registro gráfico la señal eléctrica
recibida del sensor se transforma en un desplazamiento de la
plumilla que se apoya en el. Cuando ésta es la opción elegida
es preciso tener en cuenta las fluctuaciones de nivel que se
esperan con el fin de seleccionar adecuadamente el rango de
los sensores y la escala de la gráfica, con el fin de evitar
que el registro se salga del tambor. Esta alternativa tiene
ventajas e inconvenientes prácticamente iguales a las
indicadas para el limnígrafo con flotador, aunque es una
148
solución económicamente más cara, pero admite sondeos de
menor diámetro.
En el segundo caso, la señal se envía a un microprocesador
en donde queda registrado cada nivel asignado al tiempo real
de medida . Esta solución es más precisa y los datos son mucho
más fiables que en las alternativas anteriores , sobre todo
para registrar evoluciones rápidas de nivel del agua.
En la selección del sensor hay que tener en cuenta las
características mecánicas ( longitud , diámetro , longitud delcable de conexión ), la fuente de alimentación eléctrica y la
señal eléctrica de salida. Además es fundamental conocer elrango de variación del nivel del agua, así si se supone, por
ejemplo, que éste variará entre 72 y 82 m de profundidad, el
sensor hay que colocarlo a 82 m y el rango será de 10 m. Si
no se procediera así y el sensor se colocase, por ejemplo,a 90 m de profundidad, cuando el nivel se sitúe por encima
de 80 m, se somete al sensor a presiones superiores a las de
diseño con lo que existe una gran posibilidad de que se
averíe.
En la siguiente tabla se indican los rangos estandarizados
del sensor de presión SEBA , tipo D5:
0 - 1, 25 m 0 - 20 m
0 - 2,50 m 0 - 50 m
0 - 5 m 0- 100 m
0 - 10 m
Las casas comerciales admiten otros rangos previa petición.
149
Si se elije la alternativa de almacenar los datos en unmicroprocesador , es preciso conocer la característica del
mismo.
Las principales a tener en cuenta son la capacidad de memoria
y los intervalos de medición . Así una capacidad de 32 kbyte
permite almacenar 32.768 ( 210 x 32 ) valores a 8 byte. Los
intervalos de medición varían desde algunas fracciones de
segundo en adelante.
Otra característica importante que tienen algunosmicroprocesadores es la de desarrollar determinadas
operaciones de cálculo , tales como:
• Hallar el valor medio de una serie de medidas yalmacenar este valor.
• Determinar los valores máximos y mínimos y almacenarlos
junto al anterior.
También hay que tener en cuenta la precisión del reloj de
tiempo real , la fuente de alimentación , rango de temperatura
y humedad , dimensiones , protección, etc.
Para tratar los datos almacenados en el microprocesador es
preciso transferirlos a un PC. Este propceso se puede hacer
transmitiéndolos a distancia vía modem o por radio o
succionándolos periódicamente con un microprocesador
personal.
Los softwares correspondientes permitirán tratar los datos
y visualizar las evoluciones correspondientes.
150
6.3. Instalaciones múltiples de control y seguimiento
Las instalaciones múltiples de control y seguimiento de un
sondeo están equipadas con varios sensores y un
microprocesador que almacena los datos y tiempos reales
correspondientes.
En el diseño de las mismas hay que considerar el número de
entradas del microprocesador y si éstas son analógicas encada sondeo.
El número de parámetros a medir es limitado ya que pueden ser
solamente áquellos que sean transformables en señales
eléctricas . En principio , los más frecuentes son los
siguientes:
nivel del aguaconductividad
pH/Redox
temperatura
oxígeno disuelto
Los valores de cada una de estas variables se almacenan
separadamente en el microprocesador y de donde se envian
posteriormente a un PC para su estudio.
El proceso seguido para cualquier parámetro es idéntico al
indicado para los niveles de agua.
151
6.4. Medidas en sondeos a distintas profundidades
A fin de obtener una información tridimensional dedeterminado parámetros es preciso conseguir datosrepresentativos de diferentes profundidades o de diferentescapas o formaciones.
Para ello, hay tres tipos de configuración de piezometros
(figura 6):
a) Piezómetros multicapa, en que un mismo sondeo se hallacompartimentado a diferentes niveles mediante packers
o materiales de sellado como cemento o bentonita.
b) Conjunto de dispositivos piezométricos instalados en unmismo sondeo de gran diámetro y con sus partes activas
separadas por material estanco, como cemento obentonita.
c) Agrupación de piezómetros en perforaciones
independientes.
El tipo (a), piezómetros multicapa, resulta especialmente
adecuado para sondeos profundos y de pequeño diámetro.
El tipo (b) puede ser adecuado para profundidades pequeñas
a medianas y formaciones blandas; la eficacia del material
de sellado y su buena ejecución resultan factores críticos
para su utilización en formaciones de baja permeabilidad.
Además, cuantos más cables o tubos contenga la perforación,
más difícil resulta lograr la debida estanqueidad entre los
diferentes tramos.
152
El tipo (c), piezómetros independientes agrupados, presenta,en principio, las mejores garantías de seguridad en cuantoa la no conexión hidraúlica entre tramos de medición. Susmayores inconvenientes estriban en el precio de ejecuciónpara medianas y grandes profundidades, en comparación con eltipo (a), y que los datos resultantes no corresponden a lamisma vertical. Esta última desventaja puede, en cambio,resultar útil para realizar previamente, con ellos, ensayosde interferencia o con trazadores.
6.4.1. Piezómetros multicapa
En función de la rigidez o plasticidad de la roca, y, portanto, de la consistenca y estabilidad de la pared delsondeo, puede completarse el piezómetro multicapa de dos
maneras distintas.
Si la pared del sondeo es firme y estable, se introduce un
entubado de menor diámetro que el sondeo y provisto de los
packers correspondientes, que, una vez inflados, asentarán
contra la pared de aquél, produciendo la división en tramos .
Una alternativa al uso de packers es el relleno alternante
con materiales permeables (filtro de gravas) e impermeables
(bentonita o cemento) del espacio anular entre el entubado
y la pared del sondeo (figura 64.A).
El entubado puede hacerse con rejilla en los intervalos de
medición, o bien pueden utilizarse elementos de conexión
provistos de válvula de apertura y cierre de orificios
(sistema MP de Westbay Ltd, en que estos elementos pueden
llevar puertos para medición o bombeo y se conectan entre
tramos de estubado convencional (figura 64.B).
153
TIPO A
`fPuesto de medición
o bombeo
Piezómetro multicapa
sellado conbentonita ocemento
Dispositivos piezométricosagrupados en una misma perforación
FIGURA 63
TIPO C
Agrupación de piezómetrosen sondeos independientes
Comparación de instalaciones de control
TIPO B
A. Sistema B. Sistema C. Sistema concon relleno con packers packers dentro
de entubado
FIGURA 64
SISTEMAS DE ACABADO DE PIEZOMETROS MULTICAPA(Westbay Ltd, 1.990)
El tipo (c), piezómetros independientes agrupados, presenta,en principio, las mejores garantías de seguridad en cuantoa la no conexión hidraúlica entre tramos de medición. Susmayores inconvenientes estriban en el precio de ejecuciónpara medianas y grandes profundidades, en comparación con eltipo (a), y que los datos resultantes no corresponden a lamisma vertical. Esta última desventaja puede, en cambio,resultar útil para realizar previamente, con ellos, ensayosde interferencia o con trazadores.
6.4.1. Piezómetros multicapa
En función de la rigidez o plasticidad de la roca, y, portanto, de la consistenca y estabilidad de la pared delsondeo, puede completarse el piezómetro multicapa de dosmaneras distintas.
Si la pared del sondeo es firme y estable, se introduce unentubado de menor diámetro que el sondeo y provisto de los
packers correspondientes, que, una vez inflados, asentaráncontra la pared de aquél, produciendo la división en tramos.
Una alternativa al uso de packers es el relleno alternante
con materiales permeables (filtro de gravas) e impermeables(bentonita o cemento) del espacio anular entre el entubado
y la pared del sondeo (figura 64.A).
El entubado puede hacerse con rejilla en los intervalos demedición, o bien pueden utilizarse elementos de conexión
provistos de válvula de apertura y cierre de orificios
(sistema MP de Westbay Ltd , en que estos elementos pueden
llevar puertos para medición o bombeo y se conectan entre
tramos de estubado convencional (figura 64.B).
153
A. Sistema B. Sistema C. Sistema concon relleno con packers packers dentrode entubado
FIGURA 64
SISTEMAS DE ACABADO DE PIEZOMETROS MULTICAPA(Westbay Ltd, 1.990)
Según se quiera medir secuencialmente intervalo por intervalou obtener una medición simultánea en todos los intervalos,la disposición de los equipos es diferente. En el primercaso, se introduce por el entubado el aparato que contiene
la sonda registradora así como los dispositivos que aseguranel cierre interior del entubado, aislando el intervalo delresto de la columna. Una vez aislado el intervalo yequilibrada la presión dentro y fuera del entubado, se
realiza la medición , y seguidamente se desplaza. En las rocaspoco permeables , tiene el inconveniente de que se necesita
mucho tiempo para equilibrar las presiones.
Otro sistema , como el MP de Westbay , y que resulta máspráctico, es que la columna de entubado sea ciega; el
dispositivo que contiene la sonda ( o la probeta para la toma
de muestra de agua, en su caso ) va provisto de los elementos
de cierre respecto al entubado y de los de accionamiento de
la válvula de apertura y cierre de los orificios del elemento
de conexión , al que se adapta. ( Black et al, 1986).
Si se desea obtener mediciones simultáneas en todos losintervalos , todos ellos deben estar aislado entre sí, tanto
interiormente como exteriormente al entubado , y disponer de
la correspondiente sonda de presión ( y adicionalmente de las
que correspondan si se quieren medir otros parámetros).
Si la pared del sondeo no ofrece una consistencia aceptable
(caso frecuente en formaciones arcillosas o salinas), o si
el diámetro del mismo es grande , es preciso adoptar otro
procedimiento para el acabado del piezómetro . Una solución,
si la consistencia de la pared lo permite , es introducir un
entubado con zonas de rejilla en los intervalos de interés,
y proceder seguidamente a cementar el espacio anular entre
el entubado y la pared del pozo en los tramos entre los
citados intervalos y a colocar un lecho de grava filtrante
154
en los mismos. La bentonita o el cemento proporciona elsellado exterior al entubado , y la compartimentación interiorse consigue introduciendo otro entubado de menor diámetro yprovisto de tramos con packer para asentar contra el primeroen las zonas contiguas a las rejillas ( figura 64.C).
Cuando la pared del sondeo es francamente mala, puederecurrirse a técnicas más complejas de cementación y relleno
con utilización de entubados provisionales.
Generalmente las sondas registradoras de presión proporcionansolamente la medición correspondiente al punto en que se
hallan instaladas. No obstante, SwedPower ofrece un sistema
de monitorización de niveles piezómetricos para piezómetros
multicapa denominado PIEZOMAC II, que puede medir hasta nueve
secciones en un sondeo de 76 mm de diámetro y está basado en
una sonda multipresión . Además de la citada sonda, el
referido sistema consta de una unidad analógica , una unidad
de control , una unidad de transferencia de datos, una célula
solar y los mecanismos de ascenso y descenso en el pozo. Cada
sección de éste se conecta hidráulicamente a una válvula de
la sonda de presión . Sólo se abre una válvula a la vez, de
modo que la medición es secuencial , siendo cada señal
convertida y transferida al sistema de almacenamiento de
datos, que incluye un microcomputador ( Geomac II). La unidad
de control puede monitorizar simultáneamente hasta ocho
sondas de presión, y los intervalos de medida pueden
programarse desde un minuto hasta 17 horas. La
telecomunicación puede hacerse via radio o telefónicamente
mediante modem.
El sistema MOSDAX de Westbay Ltd utiliza sondas
independientes , emplazadas en cada tramo de medición del
piezómetro multicapa , pero conectadas mediante un solo par
de conductores entre ellas y al módulo de superficie,
155
realizándose la comunicación por técnicas digitales. Cada
sonda lleva un número de identificación grabado en memoria,
de modo que puede identificar y distinguir mensajes, y el
módulo de superficie puede solicitarlas tanto información de
diagnosis como la de presión y temperatura. Cada sonda puede
obtener hasta siete medidas por segundo con quince sondas
conectadas al módulo de superficie. Este se halla diseñado
para funcionar automáticamente con bajo consumo y autonomía
de varios meses, y comprende un microordenador de 1 Mbyte y
un sensor de presión barométrica, estando diseñado para
transferir los datos a un ordenador portátil cuando el sitio
es visitado y siendo éstos convertibles posteriormente a
archivos de formatos populares como el LOTUS 1-2-3. También
es posible la telecomunicación via radio o telefónica
(Goodrich et al, 1990).
6.5. Redes de control y seguimiento
En un estudio hidrogeológico se precisa conocer la evolución
de determinados parámetros hidrológicos tanto espacialmente
como a distintas profundidades.
Es preciso seleccionar primero los sondeos que pueden
proporcionar más información y en cada uno de ellos las
distintas profundidades en las que debe medirse
periódicamente cada parámetro.
En una red automática,- la información generada en cada sondeo
se transmite al microprocesador correspondiente desde donde
se envia, via modem o via radio al centro de recepción de
datos equipado con ordenadores y donde se tratan con los
programas de cálculo adecuado.
156
7. CONCLUSIONES
Las instalaciones permanentes de control y seguimiento sebasan en registrar periódicamente una característica del
agua.
Constan de dos partes fundamentales:
Un sensor sensible a una característica del agua
y
• un registrador que almacena el dato corres-
pondiente en función del agua.
Los parámetros medidos más frecuentemente son el nivel
del agua, la conductividad, el pH, el potencial redox,
la temperatura y el oxígeno disuelto.
Los datos se pueden almacenar gráficamente, o lo que es
más adecuado , en un microprocesador . De este último se
envian a una estación central equipada con un PC y en
donde se analizan las evoluciones registradas aplicando
los softwares correspondientes.
La transferenbcia de datos desde el microprocesador a
los PC se pueden hacer vía modem, vía radio o
succionándolos con un portátil.
Una estación permanente de control debe diseñarse de
modo que se seleccionen previamente los parámetros a
medir , los sondeos a controlar y las profundidades de
control en cada perforación.
157
8. BIBLIOGRAFIA
AUBERTIN, G; BERTRAND , L; LEBLÁNC, Ph. "Le Logiciel Impulse
et son Environment . Un Outil pour la Characterisation des
Milieux Géologiques de trés Faibles Perméabilités ". COLLOQUE
INTERNATIONAL. HYDROGÉOLOGIE ET SURETE DES DEPOTS DE DÉCHETS
RADIOACTIFS ET INDUSTRIELS TOXIQUES . ORLEANS, 1.988.
BACHU, S; PERKINS, E ; SAUVERPLANE , C.M., HITCHON, B.
"Modelling of Flow and Geochemical Processes Related to
Subsurface Inyection of Liquid Wastes in the Cold Lake Area,
Alberta ( Canadá )". COLLOQUE INTERNATIONAL . HYDROGÉOLOGIE ET
SURETE DES DEPOTS DE DÉCHETS RADIOACTIFS ET INDUSTRIELS
TOXIQUES . ORLEANS, 1.988.
BARKER , S.A.; BLAKE, S . H. "Slug Tests in Fissured Aquifers".
WATER RESOURCES RESEARCH . 1.983.
BATH; ENTWISLE ; ROSS; CAVE ; FALK ; FRY, M .; REEDER; GREEN;
MCEWEN ; DARLING. " Geochemistry of Pore-Waters in Mudrock
Sequences . Evidence for Groundwater and Solute Movements".
BEDA, J KOLAJA , V. "Natural Tracers and Thermometry in Ash
Pond Leak Detection ". COLLOQUE INTERNATIONAL . HYDROGÉOLOGIE
ET SURETE DES DEPOTS DE DÉCHETS RADIOACTIFS ET INDUSTRIELS
TOXIQUES . ORLEANS, 1.988.
BERTRAND ; DURAND; FEUGA. "Determination en Sondages de la
Perméabilité d'un Milieu Rocheux Fracturé . Aspects Théoriques
et Practiques ". REVUE FRANCAISE DE GEOTECHNIQUE-NE 20.
158
BONNE, A; MONSECOUR, M; PATYN, J. "Regional and Local
Hydrogeological Research in a Multilayered Aquifer System
Enveloping an Argillaceous Formation with Potential for
Radioactive-Waste Disposal ". COLLOQUE INTERNATIONAL.
HYDROGÉOLOGIE ET SURETE DES DEPOTS DE DÉCHETS RADIOACTIFS ET
INDUSTRIELS TOXIQUES . ORLEÁNS, 1.988.
BOUWER, M; RICE, R.C. "A Slug Test for Determining Hydraulic
Conductivity of Unconfined Aquifers with Completely of
Partially Penetrating Well ". WATER RESOURCES RESEARCH . 1.976.
BRASSER , T; KULL, H. "The Ventilation Test in an Underground
Laboratory. Results from Konrad Mine ( F.R.G.) and Grimsel
Test Site (CH)". COLLOQUE INTERNATIONAL. HYDROGÉOLOGIE ET
SURETE DES DEPOTS DE DÉCHETS RADIOACTIFS ET INDUSTRIELS
TOXIQUES. ORLEÁNS, 1.988.
BREDEHOEFT , J.D.; PAPADOPOULOS , S.S.; "A Method for
Determining the Hydraulic Properties of Tight Formations".
WATER RESOURCES RESEARCH . 1.980.
CARLSSON , L; WINBERG , A; ARNEFORS , J. "The Swedish Final
Repository for Reactor Waste . Part I - Hydraulic Testing and
Characterization of the Bedrock". COLLOQUE INTERNATIONAL.
HYDROGÉOLOGIE ET SURETE DES DEPOTS DE DÉCHETS RADIOACTIFS ET
INDUSTRIELS TOXIQUES . ORLEÁNS, 1.988.
CASTANY. "Prospección y Explotación de Aguas Subterráneas".
CHERY, L; DERLICH , S; FONTES, J . C.; MICHELOT, J.L.
"Méthodologie d'Approche des Circulations dans le Massif
Granitique d'Aurial ( Massif Central France )". COLLOQUE
INTERNATIONAL . HYDROGÉOLOGIE ET SURETE DES DEPOTS DE DÉCHETS
RADIOACTIFS ET INDUSTRIELS TOXIQUES . ORLEÁNS, 1.988.
159
COOPER, H.H.; BREDEHOEFT , J.D; PAPADOPOULOS , E.S. "Responde
of a Finite-Diameter Well to an Instantaneous Charge of
Water". WATER RESOURCES RESEARCH . 1.967.
CUSTODIO, E; LLAMAS, R. "Hidrología Subterránea".
DENNEHY, K . F.; DAVIS, R.A . " Hydralogic Testing of Tight Zones
in Southeastern New Mexico ". Groundwater . 1.981.
DóRHÓFER , G; FRITZ, J. "Hydrogeological Experiences with
Hazardous Waste Disposal Sites in Near-Surface Claystone
Formations and Conclusiones for the Planning of Future
Sites ". COLLOQUE INTERNATIONAL . HYDROGÉOLOGIE ET SURETE DES
DEPOTS DE DÉCHETS RADIOACTIFS ET INDUSTRIELS TOXIQUES.
ORLEANS, 1.988.
DOUGHERTY , D.E.; KADU, D.K. "Flow to a Partially Penetrating
Well in a Double-Porosity Reservoir ". WATER RESOURCES
RESEARCH . 1.984.
EARLOUGHER , R.C., Jr . "Advances in Well Test Analysis".
1.977.
FADER, P; RAUERT , W; WOLF, N; FRITZ, P.; STILCHLER, W.
"Hydrochemistry and Isotope Hydrology of Deep Groundwaters
in the Konrad Mine (F.R.G.)". COLLOQUE INTERNATIONAL.
HYDROGÉOLOGIE ET SURETE DES DEPOTS DE DÉCHETS RADIOACTIFS ET
INDUSTRIELS TOXIQUES . ORLEANS, 1.988.
FAUST, Ch . R; MERLER , J.W. "Evaluation of Slug Tests in Well
Containing a Finite-Thickness Skin ". WATER RESOURCES
RESEARCH. 1.984.
160
FONTES, J. Ch.; LOUART, D; MICHELOT, J. L.; SOREAU, S. "Les
Teneurs Isotopiques du Sulfate Aqueux. Indicateurs d'origine
de la Mineralisation des Eaux en Roche Cristalline". COLLOQUE
INTERNATIONAL. HYDROGÉOLOGIE ET SURETE DES DEPOTS DE DÉCHETS
RADIOACTIFS ET INDUSTRIELS TOXIQUES. ORLEANS, 1.988.
GLASBERGEN , P; ENGLUND-BOWIEC, G. " Predictive Hydrological
Modelling of Potential Hazardous-Waste Repositories in Rock-
Salt Formations ". COLLOQUE INTERNATIONAL . HYDROGÉOLOGIE ET
SURETE DES DEPOTS DE DÉCHETS RADIOACTIFS ET INDUSTRIELS
TOXIQUES . ORLEANS, 1.988.
GOSK, E. "Hydraulic Testing of Low Permeable Chalk Formation,
Mors, Denmark". OCDE/NEA. 1.981.
GRISAK, G.E .; PICKENS, J . F.; AVIS, J.D.; BELANGER, D.W..
"Principies of Hydrogeologic Investigation at depth in
Crystalling Rock". HYDROGEOLOGY OF ROCKS OF LOW PERMEABILITY.
TUCSON ARIZONA , CONGRESS.
HOHN, E; FRICK , V; HADERMANN , J. "Exploration Methods and
Instrumentation of a Single Fracture for Radionuclid
Migration Experiments at the Grimiel Rock Laboratory".
COLLOQUE INTERNATIONAL . HYDROGÉOLOGIE ET SURETE DES DEPOTS
DE DÉCHETS RADIOACTIFS ET INDUSTRIELS TOXIQUES. ORLEANS,
1.988.
JEAN , Ph; BOURG A. C.M.;SAUTY , J.R.; RICHARD , F. Miss: "Un
Code de Calcul pour Simuler la Migration et L'Adsorption des
Éléments Traces dans les Eaux Souterrannes ". COLLOQUE
INTERNATIONAL . HYDROGÉOLOGIE ET SURETE DES DEPOTS DE DÉCHETS
RADIOACTIFS ET INDUSTRIELS TOXIQUES . ORLEANS, 1.988.
161
KADALA, Z.J.; PINDER, G.F.; MILLY, P.C.D. "Analysis of Well-
Aquifer Response to a Slug Test". WATER RESOURCES RESEARCH.
1.985.
KIPP, K.L. Jr. "Type Curve Analysis of Inertial Effects in
the Response of a Well to a Slug Test". WATER RESOURCES
RESEARCH. 1.985.
KREITLER, C.W.; FISHER, R.S.; SENGER, R.K.; HOVORKA, S.W.;
DUTTON, A.R. "Hydrology of an Evaporite Aquitard: Permian
Evaporite Strada, Paolo Duro Basin , Texas". 1.985.
HYDROGEOLOGIE OF ROCKS OF LOW PERMEABILITY.
MOENCH, A.F.; HSIEH, P.A. "Analysis of Slug Test Data in a
Well with Finite Thickness Skin". HYDROGEOLOGY OF ROCKS OF
LOW PERMEABILITY. TUCSON, ARIZONA, CONGRESS
MOLTZ, F . J . ; OKTAY GÜVEN ; MELVILLE , J. C. "A New Approach and
Methodology for Characterizing the Hydrogeologic Properties
of Aquifers" . EPA. 1.990.
NEUMAN, S.P.; NERETNIEKS, I. "Hydrogeology of Low
Permeability Environments ". AIM, 1.990.
NEUMAN , S.P.; SIMPSON , E.S.; HSIEH, P .A.; JONES, J.W.;
WINTER, C.L. "Statistical analysis of Hydraulic Test Data
from Fractured Crystalline Rock near Oracle, Arizona".
HYDROGEOLOGY OF ROCKS OF LOW PERMEABILITY. TUCSON, ARIZONA,
CONGRESS.
NEUZIL. "On Conducting the Modified 'Slug' Test in Tight
Formations ". WATER RESOURCES RESEARCH . 1.982.
162
NEUZIL. "Groundwater Flow in Low-Permeability Environments".
WATER RESEOURCES RESEARCH . 1.986.
OECD. "Borehole and Shaft Plugging". 1.980.
OECD. "In Situ Experiments in Granite Associated with the
Disposal of Radioactive Waste". 1.985.
PAPADOPOULOS , S; BREDEHOEFT , J.A.; COOPER , H.H.. "On the
Analysis of 'Slug' Test Data". WATER RESOURCES RESEARCH.
1.973.
ROSS, B. "Theory of the Oscillating Slug Test in Deep Wells" .
HYDROGEOLOGY OF ROCKS OF LOW PERMEABILITY . TUCSON, ARIZONA,
CONGRESS.
SAUVERPLANE, C. "Pumping Test Analysis in Fractured Aquifer
Formations" .
TSANG, Y.W .; WITHERSPOON , P.A. "Effects of Fracture Roughness
on Fluid Flow through a Single Deformable Fracture".
HYDROGEOLOGY OF ROCKS OF LOW PERMEABILITY . TUCSON , ARIZONA,
CONGRESS.
TRAPP, C; BRUHL , H; WINKLER , A; BOCK, W-D. "Different
Laboratory Methods and some Results for the Estimation of
Hazardous Waste Migration Behaviour in soft and hard Rocks".
A.I.M. Orléans . 1.988.
VILLANUEVA M.; IGLESIAS, L.A. "Focos y Acuíferos. Técnicas
de Evaluación mediante Ensayos de Sondeo". HYDROGEOLOGIE OF
ROCKS OF LOW PERMEABILITY . TUCSON , ARIZONA . 1.985.
163
A. SELECCION DE LOS INTERVALOS A CONTROLAR DE UN SONDEO.
El estudio hidrogeológico que se realice debe seleccionar los
intervalos que es preciso controlar en cada perforación y los
parámetros que hay que medir.
Estos intervalos estan relacionados con las permeabilidades
existentes en cada zona del sondeo, por lo que previamente
deben realizarse los ensayos hidrodinámicos correspondientes
(ver la sección "Medidas de permeablidad y parámetros
geoqufmicos"). Ahora bien, estas pruebas son lentas y
costosas, por lo que en campañas iniciales del estudio no se
suelen planificar. En estos casos es más conveniente realizar
pruebas indicativas de la permeabilidad que sean rápidas y
económicas, aunque el resultado no sea muy exacto. Entre
éstas cabe señalar tres: control geológico de los testigos
en los sondeos, control geofísico y ensayos Lugeon. Laprimera no precisa mayor explicación, la segunda se presenta
en el tomo "Técnicas geofísicas" de este estudio y de la
tercera se indica a continuación el desarrollo teórico.
A.1. Formulación teórica de los ensayos Lugeon
El fundamento matemático del ensayo se basa en el modeloanalítico desarrollado para el régimen permanente en
acuíferos confinados, supuesto el acuífero ilimitado,
homogéneo e isótropo y el flujo horizontal (Método de Thiem).
Conviene plantear tal formulación y las hipótesis de partida
admitidas para tener una idea precisa del alcance que se
consigue al utilizar dicha formulación para la interpretación
de estos ensayos.
164
Dado un acuífero confinado como el que representa la figura
65, el caudal que atraviesa un cilindro concéntrico al pozo
será, según la ley de Darcy simplificada para flujo
horizontal:
Q= 2 É r L . KdH
dr
donde:
K: Permeabilidad . [L] [T-1]
L: Espesor del acuífero. [L]
H: Nivel piezométrico correspondiente al cilindroconsiderado. [L]
r: Radio del cilindro en cuestión. [L]
Q : Caudal extraido . [L3] [T-1]
FIGURA 65 ESQUEMA DE UN ENSAYO EN REGIMEN PERMANENTE ENACUIFERO CONFINADO.
165
Al resolver la ecuación diferencial anterior se tiene:
QH lnr+cte
2 É LK
Para hallar el valor de la constante , se impone que para r
= R, H = Ho ( ver figura 3) (R = radio de influencia) . Se
tiene en definitiva que:
Q r Q rH = H in [1] H = Ho ln [1]
2ÓLK R 2ÓLK R
y para r = rp, donde rp es el radio del pozo:
Q R Q RHo - hp = ln -'dp= ln
2 3 LK rp 2 Ó LK rp
y por lo tanto:
K =
donde:
Q R1n [2]
2 3 dp L rp
K: Permeabilidad, m/s
Q: Caudal de ensayo, m3/s
dp: Descenso o ascenso en el nivel del pozo, m
L: Espesor del acuífero, m
rp: Radio del pozo, mhp: Nivel en el pozo
166
El valor de la permeabilidad en los ensayos Lugeon se obtiene
de esta fórmula. Dado que las condiciones de régimen
permanente no se alcanzan en el período de tiempo ensayado,
el resultado obtenido es aproximado, por lo que es
conveniente denominarlo permeabilidad-inyectabilidad, en
lugar de permeabilidad.
A-2. Esquema de realización de los ensayos Lugeon
El método Lugeon, utilizado fundamentalmente en rocas
competentes, consiste en inyectar agua a presión sobre una
zona determinada del sondeo.
Se mide el caudal inyectado a presión constante durante unintervalo determinado de tiempo, generalmente de 5 ó 10
minutos. Luego se repite la operación aumentando la presión.
La gama de presiones puede ser de 0; 2,5 y 5 kg/cm2. No debe
superarse los 5 kg/cm2 para evitar la hidrofracturación de la
roca.
Un esquema simple del ensayo Lugeon aparece en la figura 66.
Una vez finalizadas las mediciones según presionescrecientes, se realizaron ensayos con presiones decrecientes
para efectuar un estudio cualitativo del ensayo mediante
gráficos (ver después) y obtener un análisis del
comportamiento de la fisuración frente a la inyección.
A.3. Formulación empleada en el ensayo Lugeon
La expresión matemática que se utiliza para la determinación
de la permeabilidad-inyectabilidad es la fórmula [2] definida
anteriormente:
167
Puesta a presión
Grifo de, ¡' raire 1�?�1�
U Obturador
Punto deevacuación
Entubado
Contador deagua
Válvula trecta Bomba de
Compresión
FIGURA 66 ESQUEMA SIMPLIFICADO ENSAYO LUGEON
Q RK = ln
2 3 HL rp
siendo:
Q: Caudal de inyección en m3/s
[3]
H: Presión aplicada en la zona ensayada . Se expresa en
metros de columna de agua. Su valor equivale a la suma
de la presión leída en el manómetro , la columna de agua
hasta el centro de la zona ensayada y las pérdidas de
carga del circuito hidráulico ; a este valor hay querestar el de la columa de agua desde el centro de la
zona hasta el nivel estático.
Como las pérdidas de carga son relativamente muy
pequeñas , en la práctica H se tomará como la suma de la
presión manométrica y la profundidad del nivel estático
respecto al manómetro.
Cuando el tramo ensayado se encuentre sobre el nivel
estático, H será la suma de la presión manométrica y la
profundidad ( respecto al manómetro ), del punto medio
del tramo ensayado.
L: Longitud del tramo ensayado en m.
R: Radio de influencia del ensayo en metros . Este valor
tiene varias estimaciones según diversos autores:
R , 200 m
ln (R/rp) = 7
rp: Radio del sondeo en m.
168
1
En este tipo de ensayos se suele definir la unidad "Lugeon"que corresponde a la absorción de agua de 1 litro por metrode sondeo y por minuto bajo una presión de 10 kg/cm2 (estaunidad corresponde aproximadamente a una permeabilidad-
inyectabilidad de 10'5 cm/s).
La interpretación de los ensayos se hace introduciéndo losdatos de caudal en longitud ensayada, el radio del pozo y la
presión, para una presión dada (en general la máxima delensayo).
A.4. Estudio cualitativo del ensayo Lugeon
El ensayo Lugeon tiene también una interpretación cualitativa
en forma gráfica (ver después) y que se utiliza para analizar
el efecto que la presión produce en el medio ensayado.
Como se estableció anteriormente los ensayos Lugeon suelen
realizarse por escalones, elevando progresivamente la presión
y posteriormente disminuyéndola. En ocasiones al aumentar la
presión aumenta la permeabilidad, lo que indica apertura o
lavado de fisuras. Otras veces se producen colmataciones,
fracturaciones, etc. Todo ello conduce a una variedad de
tipos de curvas, a las que se llaman diagramas Lugeon. Estos
diagramas indican diversas tendencias de comportamiento del
medio frente al ensayo tal como aparecen sistemáticamente en
la figura 67.
En un diagrama Lugeon se representan caudales de absorción
en l/min/m frente a presiones en kg/cm2 medidas en el
manómetro, si no se tiene en cuenta el peso de la columna de
agua los puntos se alinearían en una recta que pasaría por
el origen, pues tal es la relación teórica que existe entre
caudales y presión.
169
Observando el diagrama Lugeon se deduce pues el efecto quela presión tiene sobre el medio ensayado.
170
CAUDAL
FLUJO LAMINAR
ATORAMIENTO A BA-JA PRESION
FLUJO TURBULENTO
FLUJO LAMINAR SE -GUIDO DE ATORAMIEN•TO AL ALCANZAR ALTAS
PRESIONES
ATORAMIENTO A BAJAPRESION : SEGUIDO DEOTRO MAS FUERTE A
ALTA PRESION
DESTAPONADO PRO-
GRESIVO (LAVADO).
FLWO LAMINAR SEGUI•DO DE DESTAPONADO ALLLEGAR A UNA ALTA
PR ES ION
ATORAMIENTO A BAJAPRESION, PERO DES1'A•PONADO AL AUMENTAR
LA PRESION
FORMAS COMPUESTAS(ATORAMIENTOS Y DES-
TAPONADOS)
FIGURA 67 DIAGRAMAS LUGEON
