Desde que el hombre comienza a tener una influencia determinante en la modificación de su entorno, empieza a alterar el balance de los ecosistemas y llega, en algunos casos, a transformar los sistemas naturales en cuestión de segundos (como sucede con la actividad minera), cuando la naturaleza los ha desarrollado a lo largo de miles de años. La respuesta de la naturaleza a las modificaciones generadas no siempre pueden predecirse ni tampoco pueden precisarse algunos efectos que dichos cambios provoquen en el entorno (Sánchez, 1996).
Cuando las modificaciones se llevan a cabo en el medio que nos rodea, como el aire y el agua, los efectos pueden percibirse sin necesidad de ser un estudioso del ambiente; sin embargo, existe un tipo de contaminación que de alguna forma permanece oculta a nuestros ojos, pero que se agudiza día con día sin que tengamos conciencia real de la problemática; me refiero a la alteración de las características propias de la contaminación del suelo, subsuelo y los mantos freáticos. Esta degradación «silenciosa» también se ha reflejado en un atraso en la elaboración de instrumentos de prevención, control y restauración de sitios afectados.
Algunos aportes referentes a la prevención de la contaminación del suelo se expresaron en las normas emitidas en 1984 por la Dirección General de Normas, las cuales están directamente relacionadas con los residuos sólidos municipales (aunque en realidad no incluyen ningún apartado relacionado con la contaminación del suelo).
Otros aportes significativos son: el proyecto de Norma Oficial Mexicana NOM-090-ECOL-1994, referente a los requisitos para la selección de sitios para construcción de presas de jales; la NOM 003-CNA-1996 y la NOM-004-CNA-1996 establecen requisitos para la prevención de la contaminación de acuíferos; esta última hace referencia a las labores de perforación y rehabilitación de pozos para extracción de agua. También menciona restricciones en el uso de bentonita para la perforación de dichos pozos.
Más recientemente, fue emitido el proyecto de Norma Oficial Mexicana NOM-120-ECOL-1997, el cual es el primero que hace referencia de manera específica a los fluidos de perforación como un contaminante potencial al subsuelo y los mantos freáticos cuando se realiza exploración minera, aunque deja de lado algunas especificaciones que pueden implantarse de manera genérica a los programas de aplicación de fluidos de perforación.
Las fuentes de contaminación al subsuelo pueden ser varias, las principales son: fugas en tanques de almacenamiento y líneas de conducción de combustibles; campos agrícolas regados con aguas residuales o uso de agroquímicos; fugas en alcantarillados y letrinas; tiraderos de residuos sólidos y peligrosos; sitios de disposición final mal planeados, entre otros.
Los propios trabajos de investigación para la detección de contaminación del subsuelo pueden llegar a constituir una fuente potencial que introduzca o agudice la contaminación, especialmente cuando se utilizan técnicas de exploración que requieren el uso de algún fluido de perforación.
Perforación de suelos
Dada la necesidad de conocer las características del subsuelo sin realizar excavaciones de grandes dimensiones, como son los pozos a cielo abierto, se han ideado mecanismos que permitan penetrar el suelo con menor esfuerzo y a mayores profundidades. Para realizar esta tarea actualmente se han desarrollado máquinas perforadoras que mediante un mecanismo de rotación y empuje logran penetrar el suelo o roca, auxiliados de una sarta de perforación que consta de una broca y barras de extensión. Es importante mencionar que hoy en día existen sistemas de perforación que pueden evitar el uso de fluidos de perforación, aunque con ciertas restricciones.
En los inicios de la perforación del subsuelo se hizo indispensable la utilización de algún fluido que facilitara el avance de la barrenación y que contribuyera al retiro de los recortes generados durante la rotación de la broca. En un principio estos fluidos se limitaron a la adición de agua y alguna arcilla natural. De manera simultánea a la evolución de los sistemas de perforación, la industria de los fluidos de perforación ha desarrollado sistemas cada vez más sofisticados para incrementar la eficiencia de esta actividad. Asimismo, no podemos hablar de un equipo moderno de perforación sin dejar de mencionar el sistema de fluidos correspondiente.
Para definir el significado de un fluido de perforación, debemos considerar que siempre que se agregue y circule agua en un barreno se estará formando un lodo, entonces, éste puede definirse como «el fluido puesto en circulación en un barreno durante las operaciones de perforación» (Baroid, 1992).
Por otro lado, antes de definir las funciones y características de un fluido de perforación (lodo de perforación) es conveniente preguntarse: ¿Por qué se utilizan lodos de perforación? Existen varias razones válidas, éstas pueden ser técnicas o económicas; pero resulta muy obvia la respuesta para cualquier persona que se encuentre al frente de una máquina perforadora: «Hacer más fácil el trabajo de barrenación». Esta afirmación sería satisfactoria hasta hace poco tiempo, pero en la actualidad se deben considerar seriamente las alteraciones que se provoca al medio ambiente, entonces, se hace necesario agregar a la respuesta anterior que dicho fluido debe minimizar el impacto negativo al ambiente natural.
En nuestros días existen en el mercado productos de compañías que se han dedicado al desarrollo tecnológico de los fluidos, principalmente bentoníticos. La mayoría de estas empresas estadounidenses se abastecen de su materia prima en los estados de Wyoming, Montana y Dakota del Sur.
En México, la industria de los fluidos de perforación no ha sido muy floreciente y la investigación tecnológica ha sido escasa. Debido a esto, la bentonita para preparar fluidos de perforación se utiliza generalmente sin ningún tratamiento químico y es usada de manera indiscriminada por las compañías perforadoras, es decir, muchas de ellas no aplican los criterios básicos para adecuar estos fluidos a las condiciones geológicas e hidrológicas del sitio.
La variedad de arcilla más común para preparar un lodo de perforación es la bentonita (rica en montmorillonita sódica). Ésta se caracteriza por su habilidad para absorber grandes cantidades de agua y expandirse de 10 o 12 veces su volumen. Cuando ésta se coloca en agua, las arcillas presentan un comportamiento coloidal, ya que permanecen en suspensión por un periodo de tiempo indefinido, lo cual da como resultado un fluido de baja densidad y alta viscosidad (Akcer, 1974).
Tipos de fluidos
Básicamente existen tres tipos de fluidos de perforación: 1) Base aire o gas, 2) Base espuma y 3) Base agua (Driscoll, 1986). En el primer caso, aunque el estado físico no es líquido, el aire o gas cumplen las funciones de enfriar, lubricar y limpiar el barreno. Pueden incluirse en esta clasificación lodos con sólo aire y aire mezclado (con un poco de agua o surfactante); el segundo incluye lodos formados por agentes espumantes, cuya combinación puede ser: sólo espuma, espuma más surfactante y espuma más polímero o bentonita. En el tercer tipo, el fluido principal es agua, que por sí misma constituye un fluido de perforación al cual se adicionan aditivos, polímeros o simplemente bentonita para mejorar sus propiedades. La mezcla más difundida es agua-bentonita, esta mezcla forma un lodo con características específicas de viscosidad (que permiten acarrear los recortes generados por la acción de corte de la broca hacia la superficie) y densidad que proporcionan la presión necesaria para mantener la estabilidad del barreno, obteniendo con ello una perforación más efectiva.
Es indispensable considerar que el agua utilizada en cualquier etapa de la perforación será de la mejor calidad, es decir, deberá evitarse el uso de aguas tratadas o residuales que intrínsecamente constituyen una fuente de contaminación. Las características químicas y bacteriológicas del agua deben ser identificadas por un análisis de laboratorio con el objetivo evaluar el impacto que tendrá al subsuelo y definir las interferencias potenciales con las sustancias a ser evaluadas.
Por ejemplo, cuando se realiza una perforación para detectar contaminantes y se utiliza agua, aire o algún aditivo, existe invariablemente una modificación en las características del sitio y en la calidad de las muestras de suelo y agua, incluso cuando se aplica sólo aire existe una serie de reacciones químicas entre el fluido y los materiales presentes en la formación, elementos propios del suelo o contaminantes, creando la posibilidad de modificar el potencial de óxido-reducción (pérdida de hidrógeno o captación de oxígeno o viceversa) debido a la aireación inducida. Este efecto disminuye con el tiempo hasta desaparecer, pero el tiempo requerido varía según las condiciones hidrológicas.
Funciones de los fluidos de perforación
Ya sea que se utilice en trabajos encaminados a detección de contaminantes, exploración minera, mecánica de suelos o en la industria petrolera, el fluido de perforación debe cumplir con las siguientes funciones:
• Enfriar y lubricar la broca y la tubería de perforación.
• Limpiar la broca y el fondo del barreno.
• Transportar (flotar) los recortes a la superficie y removerlos del fluido.
• Proporcionar estabilidad al barreno (evitar que se formen cavidades en el barreno).
• Prevenir la pérdida excesiva de fluido en formaciones permeables.
• Evitar daños a las formaciones productivas y maximizar su producción.
• Proporcionar integridad a la salud del personal.
Cada una de las funciones anteriores está sujeta a variación dependiendo del equipo de perforación, las condiciones en el interior del barreno, por ejemplo, temperatura y presión, y el tipo de formación geológica a perforar (ver figura). Se puede asegurar que no existe un fluido maravilloso o milagroso que resuelva todos los problemas de perforación. Sin embargo, sí existe un gran desarrollo tecnológico con el objetivo de preservar las condiciones naturales del subsuelo.
Es importante resaltar que la aplicación del mejor fluido conjuntamente con el equipo de perforación más moderno, pueden no brindar los resultados deseados y convertirse en un total fracaso cuando el equipo humano carece de la experiencia necesaria para una correcta aplicación del fluido y el adecuado uso de la maquinaria (Cetco, 1998). Cabe señalar que los operarios son escasos, debido a que estos equipos no son fabricados en México, son de un alto costo y no existen instituciones que capaciten en su manejo. Como consecuencia, el personal debe capacitarse en Estados Unidos, principalmente, o recibe instrucción cuando se adquiere el equipo.
Características de los fluidos
Con base en diferentes experiencias en campo se observó que para reducir el impacto de los fluidos de perforación al subsuelo y los mantos acuíferos se debe tener un estricto control de los siguientes parámetros: densidad, viscosidad, capacidad de filtración, contenido de arena y pH.
La densidad de un fluido de perforación se ve afectada por el porcentaje de sólidos (arenas) presentes en dicho fluido. La gráfica 1 muestra una relación del porcentaje de sólidos y la densidad aproximada del lodo de perforación.
Del gráfico anterior se concluye que la capacidad máxima de acarreo de un lodo es de 20 por ciento de sólidos presentes y que a mayor cantidad de arenas, la permeabilidad de la formación geológica se verá seriamente afectada, mayor será el desgaste del equipo de perforación, y las propiedades del lodo serán disminuidas.
Para minimizar esta problemática se sugieren las siguientes formas de controlar los sólidos en un lodo:
• Dilusión con agua.
• Diseño de cárcamos que incrementen el tiempo de sedimentación (largos y poco profundos).
• Succión de la bomba en «suspensión» (por encima del fondo del cárcamo).
• Separación mecánica (cedazos vibradores o ciclones centrífugos).
• Uso de lignosulfatos como adelgazante químico.
Indica: La presión hidrostática de la columna del fluido y el contenido de sólidos.
Afecta: Rango de perforación, daño al acuífero y estabilidad del barreno.
Equipo de prueba: Balanza de lodos.
Límites deseables: 0.99 kg/l máximo; el agua tiene 0.91 kg/l. El valor máximo puede incrementarse cuando se requiere controlar formaciones difíciles. Puede utilizarse barita que tiene una gravedad específica de 4.25 aproximadamente.
La viscosidad es otra propiedad importante de los fluidos de perforación. Ésta se define como la resistencia ofrecida por un fluido de perforación a moverse. En combinación con la velocidad de circulación del fluido, la viscosidad controla la habilidad del fluido para remover los recortes del fondo del barreno. En el campo, la viscosidad se mide mediante un viscosímetro, tomando el tiempo que tarda un litro de fluido de perforación en pasar a través de un orificio de dimensiones especiales.
Indica: La capacidad de acarreo y desarrollo del gel.
Afecta: La habilidad del fluido para levantar los sólidos fuera del barreno.
Equipo de prueba: Cono Marsh.
Límites deseables: De 32 a 38 segundos por litro (un litro de agua tarda 26 segundos).
Pérdida de fluido. Se debe principalmente a que la presión hidrostática del barreno excede a la presión de la formación que está siendo perforada, además de relacionarse directamente con las formaciones porosas y permeables. A medida que el fluido se mueve en las zonas de baja presión de la formación, las partículas finas contenidas en el lodo, más los aditivos que se vayan adicionando a éste, son depositados en los poros de la zona que está siendo infiltrada. Cuando esto sucede, se forma una capa impermeable delgada de partículas finas a todo lo largo del barreno llamado «enjarre» que impide que el fluido siga infiltrándose hacia la formación. La mayor afectación se verifica cuando el fluido invade gran parte de la formación, dañando la porosidad, permeabilidad y la calidad del agua subterránea.
Indica: La habilidad de un fluido para formar un enjarre.
Afecta: La estabilidad y la permeabilidad de la formación.
Equipo de prueba: Filtro-prensa.
Límites deseables: Muy delgado 1.5 mm (2/32 plg.), impermeable y fácil de remover.
El contenido de arena. Todos los fluidos de perforación están compuestos de una fase líquida y una sólida. La primera etapa resulta de los materiales donde la broca incide, además de los diferentes productos que se adicionen a la fase líquida como betonita, atapulgita, barita y algunos polímeros. De los componentes de la fase sólida, los materiales provenientes del corte de la formación constituyen un problema cuando estas partículas son mayores a la malla 200; esto debido a que pueden llegar a formar un abrasivo natural y afectar la broca de perforación, la sarta de barrenación y los equipos de bombeo cuando se recirculan.
Indica: Porcentaje de partículas sólidas mayores a la malla 200.
Afecta: Permeabilidad de la formación, peso del lodo, broca y equipo de bombeo.
Equipo de prueba: Juego para medición del contenido de arena.
Límites deseables: No mayor a 2 por ciento por volumen, de preferencia 0 por ciento.
Recomendaciones
Es muy importante llevar un registro de los parámetros mencionados, ya que éstos proporcionarán los criterios de afectación al subsuelo y los daños inducidos al acuífero, además de señalar las condiciones del fluido de perforación. La viscosidad y la densidad son los factores que pueden afectar más la integridad del barreno. La frecuencia sugerida para la verificación de estas dos propiedades es cada 15 metros de perforación o cada cuatro horas de circulación del lodo.
De igual manera, para evitar daños a las condiciones naturales del subsuelo se deben considerar los siguientes puntos relacionados directamente con la viscosidad:a) velocidad de ascenso del fluido por el espacio anular; b) tamaño de recorte, forma y densidad, y c) estabilidad de la formación. La viscosidad deberá mantenerse tan baja como sea posible, pero manteniendo una adecuada limpieza y estabilidad del barreno.
También se recomienda que en caso de utilizar aditivos, polímeros o cualquier otra sustancia para conformar el fluido de perforación, éstos sean biodegradables o bien contengan componentes fáciles de neutralizar sin poner en riesgo las condiciones naturales del sitio.
En este trabajo se señalan sólo los parámetros básicos que deben considerarse en los trabajos de perforación que requieren fluidos, pero en la medida de lo posible deberán realizarse estudios más minuciosos de porosidad, permeabilidad y otras propiedades del subsuelo para evaluar con exactitud el impacto inducido por el fluido de perforación al acuífero.
Conclusión
Es innegable que los recursos hídricos en nuestro país, y en el mundo entero, han decrecido sustancialmente en cantidad y calidad; especialmente el agua que abastece a urbes como la de México. Por ello debemos tomar medidas preventivas, por muy elementales que éstas parezcan, para evitar contaminar los mantos subterráneos que constituyen una de las fuentes principales de abastecimiento de agua.
Bibliografía
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CETCO (Colloid Environmental Technology Co.), 1998. 5th Annual Technical Drilling Seminar. Red Kodge, Mt.
Driscoll, Fletcher G., 1986. Ground Water Monitoring. General Electric Co. Jhonson Division. St. Paul Minesota.
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Sánchez Pérez J., 1996. Aspectos básicos de geología para la biorremediación de suelos. Curso de biorremediación de suelos y acuíferos. PUMA, UNAM.
