Construção de captações de águas subterrâneas
Pedro Duarte
Águas das Caldas de Penacova, S.A.
O papel da localização da captação
-Consulta de estudos hidrogeológicos existentes -Consulta de cartografia geológica (litologias e questões estruturais)
-Resultados de levantamentos geofísicos -A importância do inventário de captações
-Cumprimento de distâncias regulamentares a outras captações existentes licenciadas
-Acessibilidades como eventual factor limitante
-Consulta de cartografia geológica (litologias e questões estruturais)
Extracto da Folha Sul da Carta Geológica de Portugal à escala 1:500.000 (ex-IGM)
Diferentes litologias / Diferentes expectativas
Formações detríticas / aquíferos multi-camada
Formações carbonatadas / elevada taxa de insucesso Profundidades dos níveis freáticos
-Consulta de cartografia geológica (litologias e questões estruturais)
Extracto da Folha Sul da Carta Geológica de Portugal à escala 1:500.000 (ex-IGM)
Diferentes litologias / Diferentes expectativas
Formações ígneas e formações
metassedimentares / a importância da rede de fracturação e rede filoniana Produtividades globalmente mais modestas
- Inventário de captações de água subterrânea
IPQ
-SNIRH/APA -ARH’s
-Inventário de campo
Lista de entidades licenciadas para exercer a atividade de pesquisa e captação de água subterrânea
- Disponível em www.apambiente.pt/
- Lista actualizada (06/FEV/2017)
73 34
43
12
8
Requerimento de pedido
de utilização dos recursos
hídricos
A selecção do método de perfuração -Percussão
-Rotação (“Rotary”)
-Rotopercussão com martelo de fundo de furo
-Percussão
-A sonda de percussão pode ser accionada manual ou mecanicamente;
-A sonda manual é geralmente usada para abrir furos verticais com diâmetros máximos de cerca de 20 cm e profundidades até cerca de 20 metros;
-As sondagens de percussão são habitualmente utilizadas em solos ou rochas brandas, raramente ultrapassando comprimentos da
ordem das poucas dezenas de metros;
-Na furação de rochas duras o avanço é relativamente lento;
-Método de perfuração em desuso.
Fonte: http://geo.web.ua.pt/
-Rotação ou “rotary” (directa e inversa)
-Trituração e desgaste das formações geológicas, reduzindo-as a pequenas partículas através da utilização de um trépano giratório;
-Movimentos rotativos do trépano acompanhados pela circulação de um fluido (comummente denominado de “lamas”);
-Função do fluido: Remover e trazer os detritos da perfuração até à superfície; evitar o desmoronamento das paredes da perfuração;
lubrificar e arrefecer as ferramentas cortantes.
Fonte: Manual de Boas Práticas para a Execução e Exploração de Furos de Captação de Águas Subterrâneas (IPQ)
-Perfuração por rotação com circulação directa
Por acção de uma bomba de alta pressão as “lamas” são injetadas pelo interior da cabeça da sonda, saindo no fundo do furo por orifícios do trépano (trépano de roletes ou trialeta).
De seguida, as “lamas” ascendem pelo espaço compreendido entre a parede exterior das varas de perfuração e as paredes da sondagem, arrastando consigo os detritos da formação perfurada até à superfície.
VANTAGENS
- Eficácia em formações geológicas não consolidadas, acompanhada de um pequeno risco de colapso do furo, evitando-se muitas vezes a utilização de revestimentos provisórios;
− Permite avanços relativamente rápidos;
− Perdas de fluido de circulação controláveis;
-Perfuração por rotação com circulação directa
DESVANTAGENS
- Equipamento dispendioso;
− Apresenta custos adicionais resultantes do tempo despendido em manobras de descida e subida;
− Caracterização da amostragem de formações geológicas dificultada pelo remeximento e pelo atraso em relação ao avanço da perfuração o que pode conduzir a medições deficientes das profundidades de posicionamento dos tubos-ralo;
− Pode induzir a impermeabilização e a contaminação das formações produtivas;
− Alguma dificuldade em manter constante a direcção de perfuração, sendo requerida uma boa técnica de execução.
-Perfuração por rotação com
circulação directa
-Perfuração por rotação com circulação inversa
As “lamas” descem directamente do respectivo tanque até ao fundo do furo através do espaço compreendido entre a parede exterior das varas de
perfuração e as paredes da sondagem.
Posteriormente, a ascensão das “lamas” e dos detritos efectua-se pelo interior das varas que constituem a coluna de perfuração, com ajuda de ar comprimido, formando-se uma emulsão ar-lamas de menor densidade.
Durante a perfuração, esta ascensão da mistura de lamas, ar e detritos das formações perfuradas é mantida em equilíbrio com o volume de lamas do tanque.
-Perfuração por rotação com circulação inversa
VANTAGENS
- Permite a execução de furos de maior diâmetro e geralmente mais produtivos;
− Elevada capacidade de remoção dos detritos de perfuração, o que permite avanços mais rápidos;
− Boa qualidade da amostragem (boa representividade da amostra relativamente à profundidade de perfuração).
DESVANTAGENS
- Equipamento de maiores dimensões;
− Necessidade de maior número de operadores;
− Necessidade de um tanque de lamas maior e consumo de água mais exigente face ao elevado débito de injeção;
- Risco de entupimento das varas por detritos de grande diâmetro.
-Perfuração por rotação com
circulação inversa
-Fluidos utilizados na rotação -Bentonites
-Polímeros
-Aditivos
-Perfuração por rotopercussão (Percussão pneumática com martelo de fundo de furo)
O método baseia-se numa ação principal de esmagamento e corte provocada por uma ferramenta accionada por ar comprimido, em que se pode combinar um pequeno movimento de rotação de um “bit” (broca) transmitido pelas hastes de perfuração e um movimento de percussão de elevada frequência e de
pequeno curso, dado por um martelo de fundo de furo. Neste caso, o fluido de circulação pode ser o próprio ar comprimido, produzido a partir de um
compressor, que é transmitido pelo interior da coluna de perfuração, passando pelo martelo e “bit”, servindo também como fluido de limpeza. Como
complemento à utilização de ar comprimido e visando resolver problemas de limpeza e/ou de instabilidade das paredes de perfuração, podem ser adicionadas
“espumas” no fluido de circulação, para diminuição do seu peso específico.
Fonte: Manual de Boas Práticas para a Execução e Exploração de Furos de Captação de Águas Subterrâneas (IPQ)
-Rotopercussão
com martelo de
fundo de furo
-Perfuração por rotopercussão com martelo de fundo de furo
VANTAGENS
- Elevada eficácia em rochas duras e consolidadas, com rapidez de perfuração/remoção dos detritos;
− Permite estimar a produtividade das formações aquíferas durante a perfuração;
− Não provoca a impermeabilização das zonas produtivas;
− Redução de custos pela elevada rapidez de perfuração;
− Em regra, não necessita de água;
− Amostragem com pouco atraso relativamente ao avanço da perfuração.
-Perfuração por rotopercussão com martelo de fundo de furo
DESVANTAGENS
- Só é eficaz em formações consolidadas;
− Trata-se de um método destrutivo relativamente à amostragem (amostragem deficiente);
− Conseguem-se, geralmente, furos com diâmetros mais reduzidos do que nos outros métodos;
− Dificuldade em manter a direcção da perfuração.
-Ferramentas de corte
-Rotopercussão (Ferramentas de corte)
-Rotopercussão (Fluidos de perfuração) -Tipos: “lamas”; água; água/espuma
-Naturais (H
2O + fracção silto-argilosa local)
-Elaboradas (à base de bentonites ou polímeros orgânicos ou polímeros sintéticos)
-Aplicações
-Estabilidade das paredes da perfuração
-Limpeza e remoção dos detritos da perfuração
-Arrefecimento da ferramenta de corte
-Fluidos de perfuração
Principais propriedades e parâmetros a controlar num lodo:
- Densidade (Balança Baroid). Densidade média (1,2)
- Viscosidade (Viscosímetros). Viscosidade média (40-50 s Marsh)
- Tixopropia. Filtrado (5-10 cm
3). Cake (5 mm máx.) - pH (7 – 9,5)
- Conteúdo em areia (decantação no tanque de lamas, ou crivos vibratórios ou centrífugos (ciclones)). O conteúdo
óptimo de sólidos em suspensão no lodo deve ser inferior a
0,5 %.
Decantação no tanque de lamas
-Controle da perfuração
Controle de parâmetros de perfuração e das formações atravessadas, através de:
Parâmetros de perfuração: método de perfuração, velocidade de perfuração, variação de diâmetro de perfuração, desvios, queda/prisão equipamento Lamas: variações de volume e de características físico-químicas
Observações geológicas/hidrogeológicas: litologias perfuradas/amostragem, variações do nível da água, vazios (cavernas)
Análise das Diagrafias: diagrafias eléctricas, nucleares Elaboração de “partes diárias” e “relatórios semanais”.
-Aspectos a considerar na colocação do entubamento definitivo
- Definir a coluna (baseado na informação obtida durante a perfuração, registo geofísicos)
- Verificar a profundidade e verticalidade da perfuração
- Proceder à descida da coluna no menor espaço de tempo possível
- Nas perfurações à rotação, dever-se-á manter a circulação durante a preparação da coluna
- Descida da tubagem (uso de métodos e ferramentas que não
danifiquem a tubagem)
Descida de tubagem de PVC
-Aspectos a considerar na colocação do entubamento definitivo
Definição da coluna de entubamento depende:
- Das litologias atravessadas
- Do caudal de exploração pretendido
Os diâmetros de entubamento estão relacionados com os
diâmetros de perfuração, e ambos estão dependentes do caudal de exploração previsto, e pré avaliado aquando dos trabalhos de perfuração.
A definição das profundidades de colocação dos tubos ralo está
relacionado com as litologias atravessadas e pode ser optimizada através da realização de diagrafias de geofísica e de ensaios
granulométricos.
-Principais tipos de tubos-ralo
Ranhurados
(rasgados) Baixo custo Eficácia limitada Ranhura
contínua (tipo Johnson)
Elevado índice
de área aberta Custo elevado
Estrutura em ponte
Elevado índice
de área aberta Custo elevado
-Situações em que se executam cimentações
Superficial (isolamento de eventual contaminação superficial e função estabilizadora)
Durante a perfuração (se ocorrerem problemas de estabilidade das paredes do furo)
Isolamento (formações geológicas com características físicas e/ou químicas indesejáveis – CaSO
4(H
2O), NaCl, níveis instáveis)
Fundo do furo ou entre troços de diferentes diâmetros (para sustentar a coluna de tubagem)
Selagem de captações (impedindo a contaminação do aquífero)
-Colocação de maciço filtrante
Principais funções
Estabilidade (evita desprendimentos das paredes do furo com eventuais danos na tubagem)
Melhoraria das condições de
exploração (actuando como filtro,
melhora a transmissividade do meio
e diminui a turbulência)
-Características e dimensionamento do maciço filtrante
- Diâmetro médio do areão, depende da granulometria das formações e da espessura das ranhuras dos tubos-ralo
(devebasear-se em análise granulométrica das formações perfuradas; observação das amostras; análise de diagrafias)
- Espessura recomendada
(mínima de 75 mm e óptima de 100 a 150 mm)- Volume do espaço anelar (V), em m
3é
V = H (D
p2/4 - D
t2/4)
H – altura da coluna a colocar maciço (m) D
p– diâmetro da perfuração (m)
D
t- diâmetro da tubagem (m)
-Finalização da construção do furo
Selagem superficial (com cimento) Tampa (roscada/soldada), com bujão
de acesso (para controle de níveis da água ou recolha de amostras de água)
Boca do furo situada a cima do solo (0,5 m)
Estabelecimento de um perímetro de protecção imediato da
captação
-Finalização da construção do furo
Tampa (roscada/soldada), com bujão de acesso (para controle de
níveis da água)
-Finalização da construção do furo
Um mau exemplo
-Limpeza e desenvolvimento da captação
LIMPEZA: operações de remoção de elementos estranhos introduzidos na formação durante a perfuração (ex: lamas) DESENVOLVIMENTO: operações para
melhorar a permeabilidade e a estabilidade das formações aquíferas, em volta da captação; diminuir as perdas de carga;
eliminar o arraste de “finos”; diminuir a
probabilidade de envelhecimento precoce da
captação atrasando os processos de
incrustação-corrosão.
-Limpeza e desenvolvimento da captação
- Sistemas Físico-mecânicos:
Pistonagem Bombagem
Ar-comprimido
Uso de obturadores
Jetting (injecção a alta pressão) Explosivos
- Sistemas Físico-químicos:
Polifosfatos Acidificação
Pistonagem
Simples e de custo reduzidoPossível colapso da tubagem.
Desaconselhado em formações com fracções finas
Ar
comprimido
Elevada eficácia. Menor risco de colapso da
tubagem
Custo elevado (nomeadamente em sondagens profundas)
Sobrebomba gem
Adequado para formações cristalinas
fracturadas
Possível colapso da tubagem.
Possíveis arrastamentos
Sistemas Físico-mecânicos
Hidrofracturação
Eficiente nos aquíferos cársicos e fissuradosDifícil aplicação. Custo elevado.
Explosivos
Aumento permeabilidade das formações aquíferasSe mal feito, poderá comprometer a própria
captação.
Sistemas Físico-mecânicos
Polifosfatos*
Eficiente a eliminar a fracção argilosa nos aquíferos cársicos e formações detríticas
-
Acidificação**
Melhoria da
permeabilidade em redor da sondagem
Difícil aplicação. Obriga ao cumprimento de normas
de segurança e de protecção ambiental.
Sistemas Físico-químicos
* pirofosfato de sódio, pirofosfato tetrasódico, hexametafosfato de sódio (função de dispersão/desfloculação de minerais argilosos.
** ácido clorídrico (o de uso mais comum).
Ensaios de caudal – ferramenta essencial para avaliar produtividade dos aquíferos e, eficaz construção da captação
- Propriedades hidráulicas (permeabilidade,
transmissividade, coeficiente de armazenamento);
-Grau de interferência entre captações;
-Identificação de barreiras subterrâneas impermeáveis e zonas preferenciais de recarga;
-Avaliação do grau de desenvolvimento da captação
através da quantificação das perdas de carga.
Possíveis causas para comportamentos anómalos observados em ensaios de caudal
Efeito de barreira no aquífero (quando o cone de depressão atinge uma barreira impermeável ou quase impermeável, não pode expandir-se
nessa direcção então aumenta a velocidade de rebaixamento no furo (o rebaixamento observado é maior do que o esperado)).
Efeito de campos de bombagem (quando há influência de várias captações a extrair em simultâneo por interferência dos cones de rebaixamento).
Efeito de anisotropia e heterogeneidade (efeito de drenagem diferida).