Idrogeologia applicata

Idrogeologia applicata

Miniere e cave

Miniere → Estrazione risorse naturali preziose da un punto di vista economico o strategico.

Cave → Estrazione di risorse naturali non preziose (materiale edilizio es. marmo).

Tra le miniere rientrano i giacimenti d’acqua, in quanto sono da considerarsi risorse strategiche. Quindi la normativa sulle miniere riguarda anche i giacimenti di acqua.

Progettazione ed esecuzione di un pozzo per acqua

Piezometro → Strumento di piccole dimensioni (10-15 cm di diametro) che serve ad acquisire dati sulla falda.

Pozzo → Perforazione per estrarre acqua (fino ad 1 m di diametro). Un pozzo che non funziona correttamente può essere riciclato come piezometro.

• Scarpa di chiusura o fondello → In corrispondenza di uno strato impermeabile.
• Finestratura → La parte inferiore del pozzo è costituita dalla zona filtrante, ovvero un tubo filtro che non faccia passare la roccia o la terra ma che presenti delle finestrature atte al passaggio dell’acqua.
• Tubo non finestrato/cieco
• Piazzola cementata → Per dare stabilità in superficie ed impedire alle acque di pioggia di infiltrarsi all’interno del pozzo. Di forma rettangolare o circolare (di diametro non superiore a 1 m o 1 ½ m).
• Cemento → Quando si realizza il tubo cieco/tubo filtro esso non è perfettamente aderente alle pareti dello scavo. Rimane un’intercapedine tra le pareti della perforazione e il rivestimento del pozzo (dato da tubo cieco + tubo filtro). Essa viene riempita di due materiali differenti. In corrispondenza del tubo cieco tale intercapedine viene cementata. Mentre lì dove il tubo è finestrato si mette un
• Ghiaietto o prefiltro → che facilita l’entrata dell’acqua nel pozzo.
• Tubo di mandata → Porta l’acqua dalla pompa verso la superficie.
• Pompa elettrica sommersa → Le pompe sommerse sfruttano il potenziale stesso dell’acqua, quelle di superficie devono vincere la distanza che c’è rispetto alla base del pozzo. NB. Le piccole utenze (es. contadino che deve innaffiare l’orto) usano pompe di superficie diesel.
• Cavo di alimentazione elettrica → Cavo impermeabile che ha la massa dispersa in acqua ma non consente comunque il passaggio della corrente.
• Chiusino → Coperchio stagno di protezione che consente solo il passaggio del tubo di mandata e i cavi elettrici.

Nel pozzo ci sarà un livello statico S.L., che equivale a quello che c’è all’interno dell’acquifero, che si modificherà in funzione degli emungimenti effettuati. La pompa va posizionata al di sotto del livello statico ma anche del livello dinamico ovvero del massimo abbassamento che si verificherà a seguito del pompaggio.

Perforazione

Operazione che consente di eseguire fori al fine di esplorare il sottosuolo, di captare acque sotterranee o di realizzare punti di osservazione delle falde.

Sistemi di perforazione

• Percussione → Battente che crea il foro.
• Rotazione → Sonda che ruota, con alla base uno scalpello che va distruggere la roccia.

1) Perforazione a percussione

C’è una sonda o uno scalpello, agganciato ad un cavo, che viene fatto cadere sistematicamente da un’altezza costante in modo da frantumare il terreno. I detriti generati rimangono nel foro quindi lo scalpello o la sonda hanno una sorta di scarpa mobile che consente di raccogliere, almeno parzialmente, questi detriti e di riportarli in superficie.

Man mano che si va più in profondità in superficie dovranno essere aggiunti cavi o tubazioni di maggiore lunghezza. Si può eseguire la perforazione sia con attrezzatura ad aste (poco utilizzata, solo per piccole profondità) o a cavo, al quale è appunto collegato un cilindro a cui è agganciata la scarpa.

La perforazione a percussione si realizza a secco ovvero senza l’utilizzo di acqua in circolazione. In realtà una piccola quantità di acqua viene comunque immessa nel foro per raffreddare la sonda/scalpello. È un sistema molto semplice sia dal punto di vista della motorizzazione che dal punto di vista della manutenzione. Il motore può essere diesel o elettrico.

Nell’immagine vediamo lo scalpello (perforazione in atto) che è cavo al suo interno. Quando si batte in profondità la parte inferiore taglia la roccia e i detriti vengono riportati in superficie grazie alla scarpa.

L’unica forza agente è la gravità, il motore serve solo a riportare lo scalpello in superficie, per farlo ricadere si spegne o si mette in folle il motore. Affinché si batta sempre nello stesso punto si utilizzano delle guide (rivestimento). Esse hanno dimensioni leggermente maggiori dello scalpello. Quindi man mano che si va più in profondità si deve sempre mettere questo rivestimento che serve appunto per andare in verticale. In roccia litoide non è necessario, lo è per rocce sciolte o terre.

In genere la perforazione a percussione viene effettuata in situazioni territoriali non agganciate ad aree antropizzate dove sarebbe difficile portare tutta la strumentazione necessaria. È un'operazione piuttosto lunga ma che ha molti vantaggi: poca manutenzione, pochi operai necessari, quindi costi bassi, non si usa l’acqua quindi non serve un serbatoio di acqua, decidendo a priori la dimensione del pozzo, si può utilizzare uno scalpello già di quelle dimensioni. Nella perforazione a percussione invece si fa un foro di piccole dimensioni che poi va allargato (alesato). C’è il rischio che crolli il foro.

Il sistema ha comunque delle limitazioni: non si possono fare pozzi più profondi di 20-30-50 m max, di solito non si fa in aree antropizzate (centro città) perché molto rumorosa (vibrerebbero palazzi). Vengono utilizzate anche in aree industrializzate dove i disagi sono minori. Si usa per terre sciolte e rocce semi litoidi, un calcare non si romperebbe, non permette la ricostruzione della stratigrafia (il materiale recuperato è frammentato e mescolato).

Ricapitolando:

• Frantumazione del materiale con scalpello o sonda che vengono fatti cadere sistematicamente da un’altezza costante.
• Pulizia del foro con rimozione di detriti.
• Infissione dei tubi di manovra.

2) Perforazione a rotazione

Nasce per realizzare sondaggi di vario tipo (piezometri, inclinometri, down-hole, cross-hole, sondaggi geognostici). La frantumazione del materiale avviene attraverso la rotazione dello scalpello. Quindi viene spinto sul fondo uno scalpello rotante che avrà punte diamantate o in titani che frantumano il materiale. Per girare lo scalpello deve essere collegato a delle aste a loro volta collegate alla macchina in superficie. La lunghezza delle aste va da 1.5 a 3 m. Ciò vuol dire che una volta che sono andato giù 3 m mi dovrò fermare avvitare/agganciare la nuova asta (lunga sempre 3 m) e ripartire, sarò andato giù di altri tre metri mi dovrò nuovamente fermare e ripetere l’operazione. È un'operazione che mano mano che vado in profondità richiede più tempo, proprio perché dovrò portare in superficie lo scalpello da profondità maggiori. Una volta finita la giornata di lavoro bisogna riportare lo scalpello in superficie altrimenti potrebbe essere inglobato/bloccato dal materiale dentro al pozzo.

Il materiale viene riportato in superficie tramite dei carotieri (usati al posto dello scalpello). Esistono sondaggi a carotaggio continuo, discreto (per prelevare carota ad es. solo tra 10 e 20 m di profondità) e a distruzione del nucleo (non c’è carotaggio). Se non uso il carotiere devo comunque portare in superficie i detriti prodotti dallo scalpello, come faccio? Le aste che sorreggono lo scalpello sono cave e hanno diametro inferiore dello scalpello. Si può quindi utilizzare la circolazione di fluidi per portare in superficie il detrito. Ovvero si inietta acqua in pressione che fuoriesce dagli ugelli (microfori) presenti sullo scalpello (ciò serve anche a non far surriscaldare troppo lo scalpello), essa prende in carico il materiale torbido e solido e lo riporta per galleggiamento in superficie. NB. Da dentro le aste esce l’acqua, mentre fuori dalle aste (nello spazio di intercapedine) risale il materiale.

Le differenze principali con la perforazione a percussione sono che in questo il motore è sempre in funzione che dà rotazione e spinta (più dispendioso) e c’è bisogno di circolazione di fluidi (acqua, aria, fango). L’acqua ha una densità di 1 g/cm³ e non ce la fa a portare in superficie materiale con un peso specifico maggiore che rimarrebbe sul fondo, quindi si avrebbe un accumulo di detriti. Se all’acqua viene aggiunto fango (es. bentonite, 10-15% rispetto all’acqua) il suo peso specifico aumenta e questo aiuta a riportare su i detriti. I fluidi servono a:

• Favorire l’avanzamento.
• Ridurre l’usura degli arnesi da scavo.
• Determinare la risalita dei detriti in superficie.

Il fango è da preferirsi ad altri fluidi perché va ad aderire alle pareti del foro rendendole più autosostentanti (a breve termine). La macchina utilizzata è più complessa di quella per la perforazione a percussione. Può essere a ruote gommate (quindi essere autotrasportate se c’è la cabina) o a cingoli e quindi devono essere caricate su un camion per essere trasportate. Il sistema a percussione si porta smontato e poi si assembla sul sito, mentre questo è quasi tutto già montato. Presenta una torre (da 6 o 9 m) che serve a sostentare il sistema di rotazione con le aste. La torre deve essere così alta perché deve portare il fluido (preso da una vasca) per immetterlo e deve esserci una pompa pneumatica per far alzare, abbassare e spingere il sistema. Il motore è diesel e quindi molto costoso. Conviene rispetto a quello elettrico perché il sistema viene trasportato. Per bloccare la rotazione vengono utilizzate delle ganasce. Il tubo di rivestimento del foro va piazzato passo passo, i diversi “tubi” vengono avvitati gli uni sugli altri. Poi va tolto.

Nell’immagine vediamo diversi tipi di scalpello. A sinistra scalpelli fissi più semplici ed economici (pozzo di piccole dimensioni e poco profondo), a destra scalpelli triconici con partì rotanti fra loro che facilitano il richiamo del materiale detritico che viene spinto in superficie proprio dalla rotazione dei tre scalpelli. Rispetto ai precedenti sono dotati di fori (ugelli) di più piccole dimensioni, di conseguenza l’acqua è costretta ad uscire in pressione. Le imprese di perforazione usano più spesso il primo tipo perché è meno costoso rimpiazzarli nel caso in cui si perdano. Quelli triconici sono più costosi ma hanno una funzionalità e produttività più elevata. Ovvero si fanno più metri al giorno e quindi la perforazione dura di meno e di conseguenza il costo del cantiere è minore.

Come funzionano i carotieri? Sono un’alternativa allo scalpello che si piazza sull’ultima asta, sono dotati di bordi taglienti sulla parte inferiore e una camera interna in cui viene ospitata la carota. Alcuni hanno un sistema di lame retrattili. Si arriva a fondo foro, si fanno uscire le lame che prelevano la carota. Esistono carotieri semplici e carotieri doppi (doppia camera).

Funzioni del fluido di perforazione:

• Rimozione del cutting.
• Stabilizzazione del foro → il fluido crea una spinta contro le pareti della perforazione quindi tende a sostentare il foro.
• Raffreddamento e lubrificazione dello scalpello.
• Controllo delle perdite del fluido → quando il fluido (acqua) di perforazione entra a contatto con materiale permeabile tenderà a muoversi al suo interno, quindi avrò delle perdite di fluido di perforazione. Quando ciò avviene in genere quando il mezzo permeabile che sto attraversando è insaturo, ma può avvenire anche in caso di mezzo saturo perché sto lavorando in pressione (la pressione dell’acqua che immetto vince la pressione dell’acqua già presente all’interno del materiale). Il perforatore deve comunicarci quando ciò avviene.
• Caduta del cutting nella vasca di sedimentazione → quando il fluido risale insieme al cutting viene mandato in una vasca di sedimentazione (per pozzi di piccoli dimensioni la vasca non viene utilizzata). Quindi si può osservare il cutting e farsi un’idea della stratigrafia. La vasca può essere o una vasca povera e propria portata sul sito o una vasca scavata nel terreno.
• Acquisizione di informazioni sulla perforazione.
• Mantenimento del foro durante le sospensioni della perforazione → la presenza nel foro del fluido e del cutting lo rende più stabile. Ovviamente viene usata anche la camicia di rivestimento, ma sul fondo del foro, dove questa non arriva, la presenza del fluido è fondamentale.

Principali tipi di fluidi:

A base di acqua (più utilizzati):

• Acqua;
• Acqua con argilla → in genere bentonitica perché si rigonfia a contatto con l’acqua e tende a mantenere di più le pareti del foro;
• Acqua con polimeri → rispetto all’argilla hanno il vantaggio che si smaltiscono nell’arco di 24-48, mentre il fango rimane nel fluido di circolazione e soprattutto aderisce alle pareti del foro. A me interessa sfruttare il pozzo dal punto di vista della permeabilità e la presenza di argilla sulle pareti del foro ne diminuisce proprio la permeabilità. Soprattutto nel caso di perforazione per acqua quindi si utilizza acqua con polimeri.
• Acqua con argilla e polimeri.

A base di aria (per perforazioni ad alta profondità):

• Aria (compressa);
• Misto, aria e acqua nebulizzata (per aumentare la densità);
• Schiuma;
• Schiuma densa, con additivi polimerici e bentonitici.

Come fa l’aria a riportare in superficie il cutting? A differenza dell’acqua, l’aria può essere portata ad una pressione maggiore (l’acqua distruggerebbe le pareti del foro).

La perforazione a rotazione può essere:

A distruzione di nucleo o a carotaggio:

• Rotazione a secco (poco usata)
• Rotazione con circolazione di fluidi:
• Circolazione diretta → Il fluido viene iniettato dentro le aste, esce dallo scalpello attraverso gli ugelli e risale attraverso l’intercapedine.
• Circolazione inversa (meno usata più costosa) → Si immette acqua nel foro, si fa entrare dagli ugelli, si aspira attraverso l’asta cava. Serve una pompa a vuoto. Per lavorare a circolazione inversa il foro deve essere di grandi dimensioni (aste più grandi), è necessaria una vasca di sedimentazione. Nella circolazione diretta il cutting non risale esattamente nella progressione in cui è stato distrutto. Infatti il materiale più piccolo risalirà prima di quello più grossolano. Quindi non si può ricavare nessuna informazione sulla stratigrafia, al massimo si può fare un’analisi mineralogica. Il vantaggio della circolazione inversa è che il cutting che arriva in superficie segue la stratigrafia. Quindi ci da indicazioni più precise sulla stratigrafia. Lavorare con la carota a molti metri di profondità non è fattibile perché ogni volta per riportarla in superficie dovrei svitare tutte le aste e poi rimontarle (le carote si fanno dei primi 10 m di profondità)… Quindi se ho necessità di determinare la stratigrafia a profondità elevate il sistema a circolazione inversa è il più vantaggioso. Inoltre si usa per pozzi di grandi dimensioni. Ovviamente è anche molto costoso. No all’interno di aree urbane.
• Ad aria → Richiede molto spazio. Spesso utilizzata per la ricerca petrolifera o sondaggi a grande profondità. Ci sono una serie di grandi compressori proprio per rendere compressa l’aria.

Il principale limite della perforazione a circolazione diretta con acqua e fango è che si va ad intasare la formazione acquifero. Si può ricorrere a circolazione ad aria, circolazione inversa, circolazione con schiuma di polimeri. Per pozzo di grandi dimensioni e profondità che rimane in uso per settimane.

Martello di fondo foro → Si usa in tutti i sistemi di perforazione a rotazione (circolazione ad aria, diretta o inversa), ma è particolarmente consigliato nella circolazione ad aria. Esso fa sì che le aste oltre alla rotazione ricevono una spinta di punta. Più le aste sono lunghe più tale movimento tende a deformarle.

Il metodo più utilizzato è la rotazione con circolazione diretta. NB. L’utilizzo del carotiere è valido solo per la circolazione diretta.

Ricapitolando:

3) Hollow-steam auger

Sistema a metà fra il sistema a rotazione e quello a percussione. Perforazioni di medio diametro e piccola profondità. Costituito da un'asta innestata su un sistema rotante dotata esternamente di un’elica. Alla base c’è lo scalpello centrale e una zona tagliente laterale. La rotazione aiuta a perforare e il sistema di eliche è fatto in maniera tale che mentre avviene la perforazione il materiale risalga lungo l’elica fino ad essere riportato in superficie. È un sistema molto efficiente ma solo per basse profondità (10-15 m).

Scelta del tipo di perforazione

La tabella mette a confronto la tipologia di roccia.