Indagini e prove in sito - riassunto dettagliato per il corso

Indagini e prove in sito - riassunto

Introduzione

Il 6 novembre 1967 viene promulgata la prima legge che pone l'accento sulla necessità di prove e indagini in sito (e in laboratorio) prima di edificare e di realizzare opere ingegneristiche. Nel 2008 (14 gennaio) sono uscite le nuove norme tecniche, chiamate NTC 2008, che individuano i parametri dei terreni da conoscere prima di realizzare opere su di essi. Questi parametri sono essenziali per valutare la propensione al dissesto dell'area, prima di stabilizzare versanti, coltivare e ripristinare cave. I parametri si ricavano tramite lo svolgimento di indagini e prove in sito e in laboratorio, effettuate tenendo conto del rapporto costi/benefici, e atte alla realizzazione di un modello geologico-tecnico del sottosuolo. Questo modello rappresenta le condizioni stratigrafiche, del regime delle P interstiziali, le caratteristiche fisico-meccaniche dei terreni e delle rocce comprese nel volume significativo del terreno (cioè quella porzione di sottosuolo che da sola identifica a pieno il terreno dell'area su cui si realizza il manufatto, che viene influenzata da esso e lo influenzerà), usato poi dagli ingegneri per progettare l'opera da realizzare. Si differenziano dalle prove di laboratorio perché quelle in sito si svolgono in condizioni naturali mentre quelle in laboratorio si fanno solo su provini di terreno. Le prove in laboratorio sono più costose, i campioni sono spesso disturbati e i volumi molto piccoli.

Scopi e obiettivi delle indagini

La determinazione della natura e delle caratteristiche dei terreni nei primi metri al di sotto del piano campagna è fondamentale per realizzare: progetti di opere di ingegneria civile (gallerie, muri, opere fondanti), valutare la prevenzione al dissesto idrogeologico, stabilizzare i versanti, coltivazione e ripristino di cave, ricerca di acque e idrocarburi. L'indagine deve essere condotta in quella parte del sottosuolo che verrà influenzata dalla costruzione del "manufatto". Con le indagini, possiamo determinare la natura e le caratteristiche fisiche e meccaniche dei terreni, il profilo stratigrafico, ecc. Importante è il calcolo della velocità di propagazione delle onde di taglio nei primi 30 m di profondità (Vs,30) perché, in base a questo valore, individuo in quale categoria di sottosuolo ricade il terreno campionato (A- Vs,30>800 m/s, B, C, D- Vs,30<180 m/s, E-terreni particolari).

Metodi di indagine e prove in sito

Le indagini e prove in sito possono essere svolte con:

• Metodi diretti: osservazione diretta della struttura del sottosuolo (come perforazioni e scavi diretti: trincee, gallerie/cunicoli, pozzi idraulici);
• Metodi indiretti: senza la possibilità di osservare direttamente la struttura del sottosuolo ma prelevando campioni che vengono successivamente osservati (in sito o in laboratorio).

Perforazioni per fini ingegneristici

Le perforazioni sono di diverso tipo:

Perforazioni di sondaggio/sondaggi

Sono perforazioni del terreno per: ricostruire il profilo stratigrafico, consentire il prelievo del campione di terreno, consentire l'esecuzione di prove in sito. I campioni raccolti appartengono a classi di qualità: da Q1 (la più bassa, posso farci solo il profilo stratigrafico) a Q5 (campioni possono essere sottoposti a tutte le prove in laboratorio) che indicano quali tipi di analisi è possibile effettuare su di essi. Con i sondaggi posso attraversare tutti i tipi di terreno, eseguire indagini anche sotto il fondale marino, tempi e costi contenuti ma hanno dei limiti: pericolo di non rilevare gli strati più sottili, caduta detriti sul fondo, non effettuabili a grande scala.

Sistema a percussione

È la tecnica più antica (possibile su tutti i tipi di terreno) e consiste nel lasciare cadere, in posizione verticale, uno scalpello sul terreno grazie ad un filo collegato ad un argano. Durante la realizzazione del foro si mettono tubi di rivestimento sulle pareti (tramite ganasce giratubi). Gli utensili utilizzati possono essere: la sonda (curetta, un tubo con scarpa tagliente all'interno del quale il terreno è libero di entrare tramite la valvola di fondo), lo scalpello (usato per frantumare i massi e poi sostituito dalla sonda o dalla benna), la benna (strumento con 2/3 valve aperte durante la discesa e chiuse nella risalita, usato su terreni coesivi o incoerenti). La massima profondità indagabile è 150 m (ma di solito si arriva a 60 m). La qualità del campione estratto è molto bassa. Pro: economico, semplice, poca manutenzione. Contro: lentezza perforazione.

Sistema a rotazione

Utilizzabile su tutti i tipi di terreno. Può essere:

• A distruzione di nucleo con circolazione diretta: Si effettua utilizzando uno scalpello che ruota e disgrega il terreno (scavando a sezione piena), con immissione di fango di perforazione all'interno della batteria d'aste che poi risale lungo l'intercapedine del foro, trasportando i detriti e andando nella vasca di decantazione. Qui si depositano i detriti, separandosi dal fango, che viene riimmesso. Diametro scalpello>diametro batteria d'aste. Profondità=400-500m. Pro: elevata profondità, tutti i tipi di roccia, veloce, no tubi di rivestimento. Contro: no pozzi di grande diametro, alla fine pulizia foro, no stratigrafia significativa, contaminazione falda per fluido di perforazione.
• A distruzione di nucleo con circolazione inversa: Con questo metodo il fango scende nelle intercapedini e risale all'interno delle aste (aspirato) andando poi a finire nelle vasche di decantazione dove i sedimenti si separano dal fango. La risalita avviene con velocità elevate. Diametro interno aste più elevato di quelle a circolazione diretta. Pro: pozzi a grande diametro, minor rischio di inquinamento falde, stratigrafia più precisa (per alta velocità di risalita), su tutti i tipi di terreni. Contro: tanta acqua, grande vasca di decantazione, non vantaggioso per piccoli pozzi e poco profondi.
• A carotaggio continuo: Questo metodo si utilizza per ottenere una stratigrafia dettagliata e inoltre si ottengono campioni di alta qualità (Q3-Q5). Viene utilizzato un carotiere (1 m di lunghezza) = tubo in acciaio, cavo all'interno, sulla cui base è avvitata una corona tagliente dentata con inserti in Widia o diamantata. Il carotiere è collegato a una batteria d'aste. C'è un motore idraulico che imprime la rotazione e una coppia di ganasce che tengono dritte le aste. Il carotiere ci permette l'asportazione di una carota di terreno (a volte disturbato). Le carote vengono estratte dal carotiere e poste nel porta-carote. Si segnano subito: quali sono la testa e la base della carota e le informazioni (bagnata, umida, rotta, colore, discontinuità); prove eseguibili sulla carota: la prova scissometrica (con scissometro) o la prova penetrometrica con il penetrometro tascabile. Esistono diversi tipi di carotieri: Campionatore Shelby (a tubo aperto, parete sottile, valvola sottile), doppio carotiere, campionatore a pistone (Osterberg).

Sistema a rotopercussione

Si effettua su terreni molto compatti e si ha un'avanzamento in foro per frantumazione (rotazione più percussione), data dal martello di fondo foro (attivato idraulicamente dal flusso del fango), posto sotto le aste e che fa battere ripetutamente lo scalpello sul fondo (con inserti in Widia). Profondità massima=100m, diametri foro=200-500m.

Perforazioni profonde

Sono a distruzione di nucleo con circolazione diretta usate soprattutto per esplorazione petrolifera. Si usano strumentazioni grandi: scalpello (a lame, a rullo, a diamante), aste pesanti, immediatamente dopo lo scalpello, asta motrice, sezione quadrata o esagonale, che viene montata per prima e si aggancia su tavola rotary (in superficie). Motore rotativo che esercita una rotazione, aste di perforazione cilindriche 15 m aggiunte in seguito durante la perforazione. L'avanzamento è dato da rotazione e dal peso della batteria d'aste. Si usano fanghi di perforazione più additivi, che sono una miscela di acqua e sostanze colloidali (argilla bentonitica, come montmorillonite, illite, caolinite, attapulgite) che servono per: rimuovere e portare in superficie i detriti (cuttings= frammenti di roccia asportati dallo scalpello che servono per riconoscere la natura delle rocce attraversate e dipendono dal tipo di roccia e dal tipo di scalpello), lubrificare e raffreddare l'utensile tagliante, sostenere e proteggere le pareti del foro, contenere la falda, ridurre il fenomeno della decantazione quando la circolazione è ferma perché il fango ha valori elevati di tissotropia (se circola è liquido se invece il sistema è fermo il fango gelifica e se si riattiva circolazione il fango ritorna liquido), stabilizzare e ridurre le vibrazioni della batteria.

Caratteristiche del fluido di perforazione

Da conoscere sempre:

• Densità del fango – peso di unità di volume, importante per avere il controllo delle condizioni delle pareti e impedire collassi e inquinamenti. Il valore del carico idrostatico (pressione idrostatica) della colonna di fluido di perforazione deve essere > della P interstiziale dei fluidi contenuti nei terreni perforati (e della falda). P idrostatica=lunghezza colonna del fango * gamma (peso di unità di volume) fango. Se P del fango è proporzionale a P fluidi interstiziali c'è contenimento costante.
• Viscosità – importante per capacità di trasporto delle particelle di materiale, più è viscoso meglio trasporta particelle.
• Velocità di risalita – è 0,5-1 m/s, serve per calcolare a che quota appartiene il tal cutting.
• Resistenza (gel strength) – ci dice la capacità del fluido di mantenere particelle solide in sospensione. Dipende da proprietà tissotropiche del fango.
• Contenuto in sabbia – in base a questo a fine perforazione capisco la presenza di strati porosi (che indicano presenza di possibili reservoir petroliferi, gamma del petrolio<1 g/cm³, tende a risalire passando per rocce porose).
• Capacità di filtrazione – capacità che il fango ha di formare una pellicola (pannello) sulla parete del foro per mantenere l'equilibrio, per contenere le pareti e impedirne il collasso.

Circuito del fango

Sistema chiuso, né aumento né riduzione. Il fango è confezionato in una vasca, aspirato da una pompa, inviato a testa di iniezione, pompato in pozzo (con pompa a fango), lungo aste di perforazione, esce e risale attraverso intercapedine, trasporta i cuttings fino in superficie, aspiratore che lo butta in un vibrovaglio che separa cuttings (prelievi di un campione di 200 gr circa con frequenza variabile tra 0,5-5 m di profondità che vengono lavati asciugati ripuliti e analizzati) da fango (filtrato e depurato e riimmesso nel circuito). La profondità di provenienza cuttings non è quella raggiunta al momento del prelievo (va tolto l'avanzamento dello scalpello durante la risalita e va tenuto conto della velocità di risalita). Pompa a fango, garantisce la circolazione dei fluidi di perforazione. La velocità effettiva = velocità ascensionale (di risalita del fluido) - velocità di caduta (dei cuttings). La velocità di risalita = portata dell'intercapedine/superficie (sezione intercapedine). Portata = sezione*velocità. Velocità ottimale di risalita=0,5-1 m/s.

Tipi di fluidi di perforazione

• Liquidi – frazione liquida+frazione di solidi colloidali+frazione di solidi non colloidali. Componente liquida è la componente > in volume, la componente colloidale è la componente > in peso. Sono: a base di acqua (argille bentonitiche, polimeri=composti chimici naturali o sintetici derivanti da concatenamento di monomeri, usati per addittivare i fanghi, aumentare velocità di perforazione, diminuzione costi), emulsioni (di oli minerali e acqua, diminuiscono quantità di fluido perso per filtrazione, tipo acqua e olio, 2 liquidi immiscibili con 1 fase interna e una fase esterna) e fanghi a base d'olio (miscelando gasolio e catrame, usati per stabilizzare foro, lubrificare, perforare argille idratabili, resistenza a alte T e alla contaminazione, pozzi geotermici, formazioni saline).
• Gassosi (aria compressa).
• Misti (fanghi areati, schiumogeni).

Prove (schema)

Prove in pozzo

Realizzate lungo pozzi preesistenti.

Logs geofisici

Sono prove che registrano variazioni di parametri fisici o chimici del terreno calando una sonda in un foro di sondaggio o in un pozzo piezometrico. Usati come strumento complementare a tecniche di indagine tradizionali. Ti danno risultati ad alta risoluzione e in condizioni indisturbate.

Logs elettrici

Si fanno tramite una sonda dotata di 3 elettrodi, calata in foro, una corrente di intensità nota viene inviata agli elettrodi posti alle estremità, generando un campo elettrico nel fango e nei terreni, che determina una differenza di potenziale rilevata da un terzo elettrodo e che viene misurata mentre la sonda risale in superficie. Si determinano: i potenziali spontanei (sono potenziali esistenti all'interno del fango e della terra; col metodo del potenziale spontaneo calcolo le differenze di potenziale elettrico tra fango e terreni circostanti; utile per spessore strati, capire strati porosi o non porosi, grado di salinità acqua di falda. Si ottiene una curva corrispondente alla corrente elettrica sviluppata al contatto fango-terreno. Un tipo di potenziale spontaneo è il potenziale di elettrofiltrazione) e la conduttività.

Logs di resistività

Misurano diverse curve di resistività apparente della formazione tramite dispositivi a propagazione di corrente o a induzione. Log in pozzo viene interpretato basandoci sulla relazione porosità/resistività della roccia → formula di Archie. Ricaviamo la curva del potenziale e la curva della resistività.

Prove di strato/Drill Stem Test

(Sono prove in pozzo) Misurazioni effettuate nei pozzi in condizioni di erogazione per determinare la natura del fluido presente e la capacità produttiva delle formazioni mineralizzate. Quello che andiamo a cercare sono: la P del fluido di strato, le caratteristiche delle FM in esame, che ci permettono di calcolare i parametri:

• Permeabilità rocce
• Skin effect (danneggiamento della formazione a seguito della perforazione)
• Indice di produttività della formazione
• P statica di giacimento
• Raggio del drenaggio del pozzo
• Barriere di permeabilità, faglie, ecc.

Il funzionamento consiste nel sottrarre all'effetto della colonna di fango la parte di FM da esaminare, mettendola in comunicazione con la P atmosferica o con una P< a quella della FM. Si usa un packer (=corpo tubolare con manicotto in gomma che, espandendosi, isola la porzione di FM da esaminare e toglie il contributo della pressione idrostatica del fluido). Si ricava un grafico P-t che registra le variazioni della P durante la prova di strato.

Prove sismiche (sono prove in pozzo)

Lo scopo...