Este documento describe los diferentes tipos de sondas geotérmicas y su dimensionamiento. Explica que las sondas geotérmicas aprovechan el calor del subsuelo a profundidades entre unos pocos cientos de metros. Detalla los pasos para dimensionar sondas geotérmicas en pequeñas e instalaciones grandes, incluyendo la perforación, montaje y pruebas. También cubre aspectos como el fluido caloportador, relleno y pruebas de respuesta térmica del terreno.

1. INTEGRACIÓN DE SISTEMAS ENERGÉTICOS CON
APROVECHAMIENTO GEOTÉRMICO
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
1

2. INDICE
1
– Sondas Geotérmicas
3
1.1.1.– Aprovechamiento geotérmico superficial
3
1.1.2.– Elección del sistema de captación
4
1.1.3.– Dimensionado de colectore geotérmicos
5
1.1.4.– Montaje de colectores geotérmicos
7
1.1.5.- Dimensionado de sondas geotérmicos en pequeñas instalaciones
10
1.1.6.- Dimensionado de sondas geotérmicos en grandesinstalaciones
12
1.1.7.- Perforación
12
1.1.8.– Montaje de sondas geotérmicas
34
1.1.9.- Dimensionado y montaje de pilotes energéticos
36
1.1.10. - Montaje de los distribuidores
39
1.1.11. - El fluido caloportador
40
1.1.12. - El relleno
42
1.1.13. Ensayo de tést de respuesta térmica del terreno (TRT)
43
1.1.14. Bibliografia
56
2

3. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
– Sondas Geotérmicas
1.1.1.
Aprovechamiento geotérmico superficial
Al definir geotermia superficial, nos
referimos a la zona que cubre desde la
superficie terrestre hasta unos pocos cientos de
metros de profundidad, aproximadamente 200
m. Está es la zona en que pueden ubicarse los
colectores geotérmicos, los pilotes energéticos
y las sondas geotérmicas (figura 1).
En esta zona el terreno se comporta de
diferente forma en función de su profundidad.
Así, en los primeros 5 metros existe una clara
influencia de la radiación solar y de las
condiciones climatológicas de la zona, entre los
5 y 20 metros, la influencia es compartida por
los fenómenos anteriores y el propio calor
procedente del magma, es a partir de esta
profundidad, 20 metros, cuando realmente el
aprovechamiento
geotérmico
procede
íntegramente del calor del núcleo terrestres.
Figura 1 Aportes de energía geotérmica (VDI 4640 parte 1)
En la figura 2 se representa el nivel de
de profundidad, la temperatura se mantiene
temperaturas a lo largo del año hasta una
constante a unos 10 °C. Por regla general, esta
profundidad de 20 m. Se aprecia que, a una
temperatura aumenta unos 2 - 3 °C por cada
profundidad de aproximadamente 1 m, las
100 m, a esta profundidad la temperatura
temperaturas oscilan entre los 7 y los 13 °C a lo
alcanza habitualmente entre 15 °C y 18 °C
largo del año y que, aproximadamente a 18 m
(figura 3).
3

4. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Figura 2 Temperaturas anual a distintas profundidades
Figura 3 Evolución de la temperatura a distintas profundidades
del terreno
del terreno
Dicho
nivel
puede
o para fines de refrescamiento, ya sea de modo
aprovechar de forma muy efectiva para fines de
directo o con el refuerzo de una máquina
calefacción, con ayuda de una bomba de calor,
frigorífica.
1.1.2.
de
temperatura
se
Elección del sistema de captación
A la hora de dimensionar una instalación
de Respuesta de Térmica, que nos permita
geotérmica se debe distinguir entre la potencia
conocer la conductividad del terreno.
de calefacción y refrescamiento instantánea y
la capacidad de calefacción y refrescamiento
anual posible. Dado que la conductividad
térmica del suelo está limitada a aprox. 1-3 W/
mK, una instalación geotérmica sólo puede
operar puntualmente con grandes potencias de
consumo, utilizando para ello el entorno de los
En el caso de las bombas de calor acopladas a
captadores geotérmicas, la elección de unos
captadores demasiado pequeños puede tener
efectos
localizados
sobre
la
vegetación
(prolongación del periodo frío), el rendimiento
de la instalación, e incluso sobre la garantía de
servicio de la misma.
tubos y sondas como almacén intermedio de
calor que es regenerado con un desfase a partir
del flujo geotérmico procedente del interior de
la Tierra, que se cuantifica en tan solo 0,05 a
Un
infradimensionado
generalmente
trae
consigo unas temperaturas más bajas en el
foco frío y, con ello, un COP/EER más
reducido. En casos extremos se pueden
0,12 W/m2.
producir en el foco frío temperaturas por debajo
En el caso de instalaciones de pequeñas
dimensiones, con una potencia térmica de
de los límites operativos inferiores de la bomba
de calor.
hasta 30 kW, la Norma VDI-4640 señala unas
sencillas reglas para su dimensionado, parte de
las cuales incluimos también en el presente
texto.
Para
instalaciones
de
mayores
dimensiones es imprescindible realizar un Test
Además, este infradimensionado puede
causar a largo plazo temperaturas en el foco
frío que van descendiendo de un periodo de
calefacción a otro, debidas al enfriamiento
progresivo del terreno, sin que se pueda
4

5. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
corregir
a
menos
que
se
efectué
una
condiciones geológicas del emplazamiento, el
regeneración suficiente a lo largo del tiempo,
espacio disponible y las características de la
periodo de inactividad.
edificación. Debiendo tener presente los fines
El punto de partida para la elección del
sistema de captador a emplear, es siempre la
potencia del evaporador, es decir, el calor a
captar del subsuelo o, en el caso de una
aplicación de refrescamiento, el calor a aportar
al mismo.
previstos sobre la utilización posterior del
terreno, de forma que no interfirieran en el
normal funcionamiento del sistema geotérmico.
Los criterios técnicos más importantes de la
instalación son:

Durante la realización del proyecto, se
debe elegir la fuente de calor más favorable
para el emplazamiento y adaptar a la misma el
foco frío

de
la
instalación.
Los
dos

captadores
horizontales
(colectores

geotérmicos)

verticales
(sondas
La decisión entre captadores horizontales y
1.1.3.
El
determinada
por
las
dimensionado
2.,
térmicas
e
hidráulicas
del
subsuelo, permitiendo así elegir la técnica de
captación más favorable.
Dimensionado de colectores geotérmicos
de
los
colectores
geotérmicos se describe en la norma VDI-4640
parte
e hidrogeología del terreno permite inferir las
características
geotérmicas, pilotes energéticos).
viene
Carga punta (“peak load”) del foco frío
El correcto conocimiento de la geología
captadores
verticales
Horas anuales de funcionamiento u
horas a plena carga
sistemas más frecuentes son:

Potencia de evaporación de la bomba
de calor
sistema de calefacción, así como los restantes
componentes
Potencia de diseño de la instalación de
resumiendo
a
continuación
los
aspectos más destacados de la misma.

Capacidad
térmica
específica
del
terreno
El dimensionado de la bomba de calor
se debe realizar con mucha precisión. Por esta
Los datos de entrada para el dimensionado
razón habrá que conocer previamente la bomba
de una instalación de colector geotérmico
de calor elegida, para poder asignar el
combinada con una bomba de calor son:
rendimiento (COP) a la potencia de calefacción

Demanda calorífica y rendimiento de la
bomba de calor, del que se deriva la
potencia del evaporador

calculada y al régimen de funcionamiento. De
esta forma, la potencia del evaporador se
calcula como sigue:
Caudal volumétrico de la bomba de
calor
5

6. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Como se desprende de la Tabla 1, la capacidad
térmica específica del terreno depende de su
conductividad y del tiempo de funcionamiento
anual.
Tipo de suelo
Suelo no cohesivo, seco
Suelo cohesivo, húmedo
Suelo de grava o arena saturado de agua
Capacidad térmica del terreno
Para 1800 horas
Para 2400 horas
2
10 W/m
8 W/m2
20-30 W/m2
16-24 W/m2
2
40 W/m
32 W/m2
Tabla 1 Fuente: VDI 4640
Partiendo de las horas previstas de
calefacción, y una vez conocida la potencia de
evaporador
y
determinaremos
el
la
tipo
superficie
de
del
Lt:
Longitud de tubo en m
Scg:
Superficie
terreno,
del
colector
geotérmico en m2
colector
geotérmico, mediante la siguiente expresión.
St:
Separación entre tubos en m
La elección de la dimensión de tubo
depende de la capacidad térmica que debe
poder aportar el subsuelo.
Donde:
Cuanto mayor es la capacidad
Scg: Superficie de colector en m2
térmica,
Pev: Potencia del evaporador en W
requerido para una diferencia de temperaturas
Cte: Capacidad térmica de extracción en
W/m2
mayor
es
el
caudal
volumétrico
entre la impulsión y el retorno dada y mayor es
la dimensión de tubo necesaria. En la Tabla 2
se ofrece una referencia práctica.
Tras obtener la superficie del colector
geotérmico, deberemos definir el tipo y la
Tipo de suelo
∅
recomendado
longitud de la tubería que vamos a emplear.
Para ello nuevamente nos basaremos en la
Suelo no cohesivo, seco
20 mm
Suelo cohesivo, húmedo
25 mm
Suelo de grava o arena
saturado de agua
32 mm
norma VDI-4640, la cual recomienda una
separación entre tubos, comprendida entre 0,50
y 0,80 m.
Basándonos
en
la
citada
norma,
determinaremos la longitud del tubo mediante
Tabla 2: Dimensiones de tubo
la siguiente expresión:
Donde:
6

7. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
A la hora de definir las condiciones de
trabajo, no se debe superar el calor de
distancia sea menor se deberán proteger las
conducciones con un calorifugado suficiente.
extracción previsto (ni la potencia ni el trabajo),
porque de lo contrario la formación de hielo por
principio deseable en la zona de la tubería
resulta excesiva y las “envolventes” de hielo se
Los colectores geotérmicos sólo se
podrán utilizar para el refrescamiento directo de
edificios
si
se
cumplen
determinadas
condiciones previas:
unen entre sí. Durante el periodo de deshielo

en primavera esto dificultará considerablemente
Corrientes freáticas: distancia < 0,5 m
la filtración del agua de lluvia y de deshielo, que
con
contribuyen también de forma importante al
conductividad térmica 2,5 - 3 W/mK
calentamiento del suelo.

respecto
a
subsuelo
con
Temperatura de las aguas freáticas en
verano < 12 °C
Como el colector geotérmico
altera el nivel de temperatura del subsuelo, se
Las cargas punta de refrescamiento se
deberán tender los tubos a una distancia
pueden cubrir también por medio de una
suficiente de árboles, arbustos y plantas
máquina
delicadas. La distancia de tendido con respecto
Debido al riesgo de que la pérdida de carga se
a otras conducciones de suministro y de los
vuelva demasiado grande, la longitud del ramal
edificios deberá ser de 70 cm. Cuando la
de tubo no deberá superar los 100 m.
1.1.4.
frigorífica
acoplada
al
subsuelo.
– Montaje de colectores geotérmicos
De acuerdo con la norma VDI 4640, en
geotérmico tanto para la calefacción como para
las instalaciones de colector geotérmico los
el refrescamiento, con lo cual cada uno de
tubos se deberán enterrar a 1,2 - 1,5 m de
estos
profundidad y con una separación entre sí de
regeneración del terreno. Se deberá vigilar, en
50-80 cm.
particular cuando se efectúe el tendido debajo
La regeneración de los colectores
geotérmicos se realiza principalmente desde
arriba, a partir de las radiaciones solares y las
precipitaciones. El flujo geotérmico es en este
caso comparativamente reducido. Por esta
de
modos
edificios,
funcionamiento
operativos
que
no
la
contribuye
a
temperatura
alcance
el
límite
la
de
de
congelación, porque de lo contrario el edificio
puede resultar dañado por levantamientos del
terreno, etc.
razón, no se deberá construir encima de los
colectores ni situar los mismos debajo de
superficies impermeabilizadas.
Las excepciones a esta regla se
deberán confirmar mediante un cálculo. Una
posibilidad es p.ej. cuando se utiliza el colector
7

8. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Para instalar el tubo de polietileno se
No
se
debe
tender
los
tubos
puede utilizar tanto el tendido en zanja como el
distribuidores de PE-Xa sobre un lecho de
tendido de superficie. En el caso del tendido en
grava o gravilla, porque las bolsas de aire
zanja se excava con una excavadora un lado
reducen la conductividad. Por esta razón, con
de la zanja, se tiende el tubo y se rellena la
este tipo de suelos se debe verter alrededor de
zanja con el lado contrario de la misma (ver la
los tubos un material fino, que garantice la
fig. 4).
absorción de la humedad. Utilizando tubos de
PE-Xa no es necesario controlar la presencia
de piedras en el suelo.
Los tubos de polietileno se suministran
habitualmente en bobinas de 100 m. La
superficie colectora debe estar proyectada de
forma que cada tramo de tubo tenga la misma
longitud. De esta forma se previenen laboriosos
trabajos de regulación en el distribuidor.
Figura 4 Tendido en zanja
En el caso del tendido de
superficie se pueden fijar los tubos mediante
El tendido de superficie consiste en
los elementos auxiliares para la colocación del
disponer la superficie completa del colector
fabricante, que permiten realizar de forma
sobre un plano horizontal, ver la fig. 5.
sencilla módulos de tubos.
A
continuación
podemos
apreciar
algunos de los tipos de tendido habituales, que
están representados en las figuras 6-8. El tipo
de tendido helicoidal de la fig. 6 se puede
utilizar para tendido de superficie. El tipo de
tendido del doble meandro de la fig. 7 y el tipo
Tichelmann de la fig. 8 son especialmente
adecuados para el tendido en zanja.
Figura 5 Tendido en superficie
Es importante tener en cuenta que el
material excavado sólo se podrá reutilizar si los
tubos son PE-Xa. Para instalar tubos de PE100 se deberá utilizar arena.
8

9. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Figura 6 Tendido helicoidal
Figura 8 Tendido en retorno invertido o Tichelmann
Figura 7 Tendido en doble meandro
Ejemplo de montaje
Pasos de montaje


Llenar
la
tubería
con
el
fluido
caloportador previamente mezclado (el
Ubicar los distribuidores en el punto
fabricante de la bomba de calor le
más alto de la instalación de colector.
especificará
la
proporción
de
ser
anticongelante y agua). Su punto de
instalados en arquetas provistas de una
congelación debería estar a unos 7 K
cubierta,
preferentemente
no
por debajo de la temperatura mínima
translucidas

para
las
del
Los
distribuidores
pueden
proteger
a
colector
siguiendo
el
método

hasta que queden libres de aire,
Extender los tubos, alinearlos y fijarlos
situando un recipiente abierto debajo
con piquetas.

Es fundamental respetar los radios de
curvatura del PE-Xa y del PE-100
Realizar la purga de las tuberías
mediante un barrido de las mismas
Tichelmann.

se
-15ºC
Conectar las tuberías al distribuidor y
al
Normalmente
aconseja proteger la instalación hasta:
tuberías de los rayos UV.

evaporador.
de un extremo de las mismas.

La prueba de presión de la tubería y de
los componentes de la instalación
(distribuidor, tuberías de conexión, etc.)
se realiza con 1,5 veces la presión de
piquetas.

Una vez cubiertos los tubos con el
material excavado o la arena, retirar las

servicio.
Los tubos PE-100 se deben colocar
sobre un lecho de arena.
Ejemplo de cálculo.
9

10. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Edificio con unas necesidades de calefacción de 10 kW, siendo su periodo de calefacción de
2380 horas anuales, y en el que se desea instalar una bomba de calor geotérmica con un COP de 4,2.
El tipo de subsuelo existente es saturado con agua. Determinar el colector geotérmico, si la separación
entre tubos es de 0,50 m.
Por lo tanto necesitaremos 476,187m de tubería de PE-Xa de 32 x 2,9mm
1.1.5.
- Dimensionado de sondas geotérmicos en pequeñas instalaciones
Al dimensionar las sondas geotérmicas
para trabajar con bombas de calor son también
de 100 m, de acuerdo con la norma VDI 4640
parte 2.
determinantes la capacidad térmica de la sonda
y la potencia del evaporador. En la Tabla 3 se
resumen los valores que se pueden utilizar para
pequeñas instalaciones, de menos de 30 kW,
para el modo de calefacción mediante bombas
de calor y para longitudes máximas de sonda
Los tipos de suelo que influyen de
forma determinante sobre la capacidad térmica
de la sonda geotérmica pueden ser conocidos o
bien por un servicio geológico o por la empresa
de
perforaciones,
o
también
haber
sido
determinadas por dicha empresa al tomar
testigos.
10

11. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
SUBSUELO
EXTRACCIÓN DE
CALOR ESPECÍFICA
(w/m)
Para 1800 h Para 2400 h
Valores generales:
Terreno malo (sedimento seco) (λ < 1,5 W/(m.K)
25
20
Terreno duro normal y sedimentos saturados de agua (λ = 1,5-3,0 W/(m.K)
60
50
Roca consolidada con conductividad térmica elevada (λ > 3,0 W/(m.K)
84
70
<25
<20
65-80
55-65
80-100
60-100
Arcilla, marga, húmedas
35-50
30-40
Caliza (masiva)
55-70
45-60
Rocas magmáticas silíceas (ej.: Granito)
65-85
55-70
Rocas magmáticas básicas ( ej.: Basalto)
40-65
35-65
Gneis
70-85
60-70
Rocas Individuales:
Grava, Arena, secas
Grava, Arena, saturadas de agua
Flujo de aguas subterráneas elevado en arenas y gravas (para sistemas
individuales)
Tabla 3: Capacidades térmicas específicas de sondas geotérmicas
Fuente: VDI 4640 - Parte 2. Thermal use of underground. Verein Deutscher Ingenieure
Ejemplo de cálculo.
Edificio con unas necesidades de calefacción de 10 kW, siendo su periodo de calefacción de
2380 horas anuales, y en el que se desea instalar una bomba de calor geotérmica con un COP de 4,2.
El tipo de subsuelo existente es terreno duro normal y sedimentos saturados de agua. Determinar la longitud
de la sonda geotérmica.
En este caso optaremos por colocar dos sondas de 80 m simple U ∅ 40mm
11

12. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
1.1.6.
- Dimensionado de sondas geotérmicos en grandes instalaciones
En instalaciones de calefacción de
mayores
dimensiones,
con
potencias
de
medirá la capacidad térmica del subsuelo
mediante un “Test de Respuesta Térmica”.
calefacción de la bomba de calor superiores a
30 kW o con un uso adicional del foco frío (por
ejemplo,
para
refrescamiento),
se
deberá
realizar un cálculo más preciso. Como base
para ello se deberá determinar la demanda de
calefacción y refrescamiento del edificio. Las
demandas de calefacción y refrescamiento
distribuidas a lo largo del año,
pueden ser
Esta última opción es la más acertada,
siempre que la decisión final de ejecutar la
instalación sea firme, dado que la realización
de la perforación no incrementaría el coste de
la instalación, sino que por el contrario nos
permitiría determinar, con un mínimo margen
de error, el número de metros de tubería a
emplear
obtenidas con ayuda de un programa de
A partir de los resultados se podrá
simulación.
calcular,
Para el dimensionado de la instalación
de
sonda,
si
la
situación
geológica
o
hidrogeológica resulta poco clara, se deberán
asimismo
con
un
programa
de
simulación, la capacidad térmica anual posible
en función de un tiempo de funcionamiento a
determinar de la instalación.
tomar testigos. En caso necesario se realizarán
mediciones geofísicas de dicho testigo o se
1.1.7.
- Perforación
Se pueden definir los sondeos como
El objetivo de este texto es exponer los
perforaciones que se realizan en el terreno con
distintos aspectos relativos a la construcción de
el objeto de proceder a una captación en el
sondeos
subsuelo.
cuestiones técnicas, otras asociadas a las
Inicialmente
se
llamaban
pozos
exclusivamente a las excavaciones de gran
diámetro y escasa profundidad efectuadas en
terrenos blandos, fundamentalmente de forma
que
incluyen,
además
de
las
mismas como son las legales, de prevención de
riesgos
laborales,
de
protección
medioambiental y económicas que forman un
conjunto interrelacionado.
manual, con el fin de extraer agua subterránea.
La construcción de pozos y sondeos se
El termino sondeo correspondía a aquellas
sitúa como una fase mas dentro de un proyecto
perforaciones, generalmente realizadas con
de instalación geotérmica, en el cual deben de
maquinaria, con menor diámetro y mayor
establecerse unas pautas, a saber:
desarrollo en profundidad, independientemente
de que se tratara de sondeos de investigación o
de explotación.

estudio hidrogeológico

realización del sondeo

equipamiento mecánico
12

13. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Como
puesta en marcha

resultado
del
estudio
hidrogeológico se obtienen una serie de datos
Las dos primeras etapas corresponden
de partida que sirven de base para la
tanto a sondeos de explotación como a los de
elaboración del proyecto constructivo. Entre
investigación y las dos ultimas son exclusivas
estos datos cabe destacar:
de los sondeos de explotación.


Estudio hidrogeológico
Ubicación del pozo o sondeo.
Accesos, suministros de agua y energía
Esta etapa es básica y sin duda la más
y
condicionantes
territoriales
importante dentro de un proyecto geotérmico.
(medioambientales, espacios naturales
La calidad en estos estudios previos condiciona
protegidos,
totalmente el éxito en el conjunto del proyecto
eléctrica, vías de transporte, etc.).
y, paradójicamente, en muchas ocasiones no
recibe el tratamiento adecuado.
Los
resultados

zonas
húmedas,
red
Existencia de acuíferos subterráneos y
estimación del caudal de agua y
obtenidos
en
este
estudio son la base para realizar el diseño de la
perforación (ubicación, geometría de acuíferos,
niveles piezométricos, materiales esperados,
etc.). De hecho, estos resultados constituyen la
rendimiento especifico de la captación.

Consideraciones y recomendaciones
para el diseño y seguimiento de la obra.
Realización del sondeo
justificación de la construcción de pozos y
Cabe destacar que para acometer esta
sondeos y nunca debería ejecutarse una obra
fase es imprescindible contar de partida con un
de estas características sin la realización previa
estudio hidrogeológico adecuado sobre el que
de un estudio hidrogeológico.
elaborar el proyecto constructivo de la obra,
La falta de estudio hidrogeológico
tanto si se trata de sondeos de investigación
puede dar lugar a realizar costosas inversiones
como de sondeos de aprovechamiento. Con el
en construcción de sondeos con resultados
fin de obtener un rendimiento optimo en el
negativos, cuando estos estudios representan
sondeo es imprescindible garantizar la calidad
costes
en la ejecución de la obra. El control de calidad
muy
bajos
con
respecto
a
los
deberá ser realizado por técnico competente
presupuestos de una obra de perforación.
Los trabajos realizados en un estudio
hidrogeológico están apoyados en algunas
ocasiones,
por
sondeos
de
investigación
geológica.
la misma sea acorde a las previsiones de
diseño plasmadas en el proyecto constructivo,
entre ellas la aplicación correcta del método de
perforación seleccionado.
De esta forma a veces las distintas
etapas del proyecto de una perforación que se
han definido anteriormente se solapan entre si
(estudio
con el objeto de garantizar que la realización de
hidrogeológico
sondeos de investigación).
-
construcción
de
Equipamiento
El equipamiento del sondeo permite la
cesión o admisión del calor del subsuelo para
su aprovechamiento efectivo. En la actualidad
se utiliza una amplia variedad de sondas de
13

14. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
captación, por lo cual se debe tener en cuenta
De
entre
todos
geomecánicos
sondeo con diámetro suficiente para la correcta
información sobre la perforabilidad de un
instalación de las sondas y equipos de control.
terreno el mas representativo es el de su
resistencia
mecánica
nos
parámetros
el sistema utilizado, al objeto de realizar un
Puesta en servicio
que
los
proporcionan
caracterizada
por
el
ensayo a compresión simple.
Una
vez
realizadas
correctamente
El dato de litología y estructura del
todas las etapas anteriores dispondremos de
un sondeo de captación geotérmica, con la
terreno
es
doblemente
interesante
pues
además de incidir en el proceso de selección
optimización de los recursos empleados.
del sistema de perforación también permite
planificar en fase de proyecto las distintas
entubaciones que se consideran necesarias
Método de perforación
para alcanzar la profundidad de diseño con el
La selección del método de perforación
esta
relacionada,
además
de
con
la
profundidad y diámetro del sondeo que ya se
ha indicado, con la litología del terreno a
perforar.
diámetro adecuado.
Los factores de profundidad y litología
son tan importantes para el diseño de un
sondeo en la fase de proyecto que si no están
suficientemente definidos será preciso efectuar
Al
igual
que
la
profundidad
de
perforación, las características litológicas del
terreno a atravesar son datos de partida que se
obtienen
como
resultado
del
estudio
hidrogeológico previo.
sondeos
previos
de
investigación
hidrogeológica.
La perforación en roca con el propósito
de fragmentarla se ha intentado por muchos
métodos y con diferentes formas de energía
La litología del subsuelo no solamente
(mecánica, térmica, química, hidráulica, etc.),
determina las posibilidades hidrogeológicas en
pero de todos esos métodos, las técnicas
cuanto a la presencia o no de acuíferos
convencionales basadas en la percusión y en la
explotables
rotación siguen siendo hoy en día las más
para
captación
de
agua
subterránea, sino que además condiciona
totalmente el método a emplear en una obra de
perforación, puesto que este método es función
de la perforabilidad de los materiales a
atravesar.
ciertas características físicas de la roca entre
las que destaca en primer lugar su resistencia
mecánica así como otros parámetros tales
dureza,
La perforación a percusión engloba
todas aquellas formas de fragmentar una roca
por impacto de un útil, de filo más o menos
agudo, sobre la misma.
Esta perforabilidad viene definida por
como
eficaces.
facturación,
carstificación,
A continuación veremos algunos de los
sistemas
de
perforación
más
utilizados,
comprobando los campos para los que son
adecuados cada uno.
coherencia, etc.
14

15. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
SISTEMAS DE PERFORACION
la corona y hace posible el corte de testigo.
Rotación con testigo continuo
Para la circulación del fluido de perforación se
Esta técnica de perforación es la mas
adecuada y utilizada en sondeos de
investigación hidrogeológica, puesto que la
recuperación del testigo (figura 9) de roca
de forma continua permite obtener datos
acerca de la geología, hidrogeología y otras
condiciones del subsuelo, imposible de
obtener con ningún otro método.
necesita, por lo tanto, la utilización de una
bomba de impulsión.
El útil de perforación propiamente dicho
esta constituido por una corona de diamante
que según se profundiza el sondeo va cortando
el testigo y alojándolo en el tubo portatestigo
que tiene 3 m de longitud.
I.
Equipo básico de perforación
Los principales componentes de un
equipo de perforación a testigo continuo son los
siguientes:

Sonda.

Bomba de impulsión del fluido de
perforación.
Sonda
La sonda esta compuesta por un motor
diesel
y
los
correspondientes
elementos
mecánicos que transmiten el movimiento a la
Figura 9 Testigos obtenidos del terreno en un sondeo
cabeza de rotación y al cabestrante.
La cabeza de perforación consta de un
La metodología de funcionamiento de
una máquina tipo que utiliza este sistema de
husillo con un plato de mordazas para sujetar el
varillaje y transmitir el empuje al mismo.
perforación es la siguiente:
El empuje se consigue mediante un
La máquina hace girar el tren de
circuito hidráulico que consta de deposito-
perforación compuesto por una primera varilla
bomba, válvula de seguridad, distribuidor,
llamada batería que tiene en su comienzo una
válvula reguladora, etc.
corona de diamante o widia que es la que
cortara la roca, alojándose esta dentro del tubo
portatestigo. La máquina posee una caja de
cambios que hace rotar el varillaje a mayor o
menor velocidad en función del tipo de roca que
se atraviese durante la perforación.
A través del varillaje circula el fluido de
Las
sondas
testigueras
pueden
ir
montadas sobre camión, sobre cadenas o
apeadas sobre patín. En la siguiente foto,
(figura 10) se presenta una vista frontal de una
sonda
testiguera,
montada
sobre
patines,
donde pueden observarse todos los elementos
de la cabeza de rotación.
perforación que, entre otras funciones, lubrica
15

16. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Los lodos que se utilizan en estos
sondeos están constituidos por bentonitas y/o
polímetros a los que se añaden distintos
aditivos para obtener el máximo porcentaje de
recuperación
de
testigo
y
evitar
efectos
indeseables como el hinchamiento de arcillas,
la perdida de lodos etc.
Sistema “wire-line”
Este sistema apareció en 1965 y
Figura 10 Sonda testiguera
presenta la particularidad de que el tren de
Bomba de
perforación.
impulsión
del
fluido
de
perforación esta formado por varillaje de casi el
mismo diámetro que el tubo portatestigo de
Las funciones básicas del fluido de
circulación son los siguientes:

Expulsar
al
exterior
interior del varillaje sin sacar la maniobra. Se
puede decir que, en general, a partir de unos
100 metros de profundidad es mas adecuado
Refrigerar la corona.

manera que se puede extraer el testigo por el
en cuanto a rapidez y recuperación perforar con
los
detritus
“wire-line”.
producidos en la perforación.
Para que el fluido pueda expulsar las
Tubos testigo
partículas del terreno cortadas por la corona la
El tubo testigo es el receptor del
velocidad del mismo debe de ser del orden de
material perforado a medida que la perforación
40 cm/s. No es aconsejable trabajar con
avanza. En su parte inferior lleva la corona de
velocidades elevadas que pudieran causar un
corte.
desgaste excesivo en la matriz de la corona.
Las bombas que habitualmente se
utilizan en investigación permiten caudales de
hasta 150 litros/minuto. Las bombas que mas
se emplean son de pistones y pueden ser de
simple o doble efecto. Estas bombas, tienen
sus camisas y vástagos de acero especial, con
tratamiento térmico, para que puedan resistir
Coronas
Las coronas constituyen el útil cortante
en un sondeo de investigación a testigo
continuo. Las coronas mas utilizadas son las de
diamante, empleándose también las de widia,
en caso de terrenos blandos.
bien el desgaste.
16

17. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Figura 11 Coronas
Método de percusión
Es
el
7.000 Kg) sobre el material a perforar, por lo
método
de
perforación
de
sondeos mas antiguo que se conoce, siendo el
mas
extendido
todavía
y
de
aplicación
prácticamente a cualquier tipo de terreno.
que el efecto será mayor sobre materiales de
baja resistencia al impacto (resiliencia) como
son las calizas, que frente a materiales
plásticos, como las arcillas, que amortiguan, la
caída libre del útil de perforación.
Existen referencias históricas de 2.000
anos a. C. relativas al empleo de este método
en China con la utilización de cañas de bambú
como útil de perforación y la aplicación de
fuerza
humana
para
la
elevación
de
la
herramienta. El primer pozo de petróleo,
realizado en Pensilvana en 1.859, se efectuó
por este sistema.
El método de perforación consiste, en
esencia, en que un trepano colgado de un
cable golpea sucesivamente el fondo del pozo
a perforar. Al comunicársele al cable un
movimiento alternativo mediante un balancín
que es accionado por una excéntrica que se
mueve a su vez mediante un motor de
explosión. Las maquinas de percusión suelen ir
montadas sobre un camión. En la figura
observamos
el
esquema
básico
de
12
Figura 12 Esquema máquina perforación a percusión
una
máquina de perforación a percusión.
Puesto que se trata de un método de
El método actuá por impacto de la
masa del trepano y la barra de carga (4.000-
perforación discontinuo, una vez que se ha
perforado una cierta longitud de sondeo es
17

18. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
necesario extraer los recortes arrancados del
terreno para que el trepano golpee de nuevo
sobre la superficie de roca sana. Por lo tanto es
necesario extraer el trepano del fondo e
introducir
una
campana
o
cuchara
que,
mediante un mecanismo de válvula situado en

Trepano.
La función de estas herramientas es la
siguiente:
Trepano:
Es
la
herramienta
que
golpea
su parte inferior y aplicándole un movimiento
directamente sobre la roca y consta de, rosca,
alternativo con el cabestrante, se vaya llenando
cuello, cuadrado de llave, cuerpo de trepano,
de los recortes del terreno y los extraiga a la
canales de agua y boca, tal como podemos
superficie hasta que el pozo quede limpio y se
observar en la figura 14. La superficie de
introduzca otra vez en el mismo el trepano de
desgaste de la boca se recarga con electrodos
perforación,
especiales. El ángulo de escape y penetración
repitiendo
sucesivamente
la
operación para profundizar el sondeo.
es variable en función del tipo de terreno que
se perfore.
Figura 13 Máquina de perforación a percusión
Fuente: Ferrer sl
La sarta de perforación que se emplea
en este método consta de los siguientes
elementos:

Cable.

Montera.

Tijera.

Figura 14 Detalle de un Trépano
Barron.
Barrón o barra de carga:
18

19. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Proporciona peso a la sarta de
perforación, con el fin de disponer de mas
energía de impacto.
Figura 17 Montera
Cable:
Se enrosca a izquierdas para ser
compatible con la rosca a derechas de los
restantes elementos de la sarta de perforación.
Figura 15 Barrón
El tensado del cable produce un giro sobre si
Tijera o destrabador:
Está
formado
mismo.
por
dos
eslabones
El mecanismo de perforación permite
engarzados con un juego libre de unos 30
variar la altura de caída del trepano entre 30 y
centímetros. Su función es la de permitir el
90 centímetros, mediante la longitud útil de la
golpeo hacia arriba en el caso de enganche de
biela y se puede variar la frecuencia de golpeo
la sarta de perforación
entre 30 y 60 golpes por minuto.
El sondista debe permanecer agarrado
al cable durante la perforación pues este
elemento le permitirá obtener información sobre
el proceso de perforación del pozo, controlando
que no se produzcan anomalías en el mismo
(desviación, estriado, etc.). Como el cable esta
enroscado a izquierdas, si se le somete a
tensión, levantando ligeramente la herramienta
del fondo del pozo el cable debe girar
libremente en el sentido contrario si el sondeo
es vertical y no presenta estrías.
Figura 16 Tijera
Montera:
Es el elemento de unión de la sarta con
el cable.
Cuando se perfora a percusión, aunque
no se utiliza fluido de perforación, es necesario
añadir agua hasta que se alcanza el nivel
freático. El objetivo de esta operación es
19

20. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
conseguir un lodo en el fondo del pozo que
mantenga
en
suspensión
las
Otra aplicación especifica de este
partículas
método es la de perforación de acuíferos
perforadas de tal manera que la energía del
calcáreos con dureza media y baja resistencia
trepano no se emplee en triturar aun mas los
al impacto. En caso de grandes diámetro y
detritus del terreno en lugar de la roca sana.
profundidades
Cuando se ha alcanzado el nivel freático el
carsticos, con elevados aportes de agua, es
control del lodo de suspensión se regula
prácticamente el único método recomendable.
mediante la limpieza con la cuchara (figura 18).
El
de
perforación
sistema
de
en
percusión
prácticamente
imprescindible
perforación
la
en
zona
medios
para
no
saturada
es
la
de
materiales calcáreos carstificados, debido a la
perdida del lodo o fluido de perforación que se
produce en los mismos y el riesgo de
desviación de la sarta de perforación.
Una ventaja muy importante de este
sistema es que es el que mejor garantiza la
verticalidad de un sondeo. También, porque
este
método
no
presenta
grandes
requerimientos de agua, por lo que su empleo
puede ser adecuado en zonas con escasez
hídrica.
El inconveniente de este sistema es
que se trata de un procedimiento muy lento con
rendimientos de perforación que en muchos
casos
son
del
orden
de
tan
solo
100
metros/mes, con lo que, en igualdad de
Figura 18 Cucharas de limpieza: Plana, de dardo, de
circunstancias, no puede competir por razones
embolo
económicas con otros métodos, como por
Como ya se ha indicado la ventaja de
este método es su versatilidad siendo aplicable
a la práctica totalidad de las formaciones a
ejemplo el de circulación inversa, en el caso de
tratarse de materiales blandos como
los
detríticos terciarios.
perforar. Incluso es imprescindible en terrenos
de tipo aluvial en los que se presenten
materiales sueltos de alta granulometría y
permeabilidad
(bolos
problemáticos
de
prácticamente
inviable
y
gravas)
perforar
cualquier otro sistema.
la
y
que
que
son
hacen
aplicación
de
Por estas razones de productividad el
sector de empresas de perforación a percusión
corresponde
básicamente
a
pequeñas
empresas locales de tipo familiar, con baja
tecnificación.
Método de rotación
20

21. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
El
procedimiento
a
profundidades, al ser el método de perforación
circulación directa (“rotary”) fue experimentado
que, en general, presenta mayor versatilidad en
por primera vez en investigaciones petrolíferas
la realización de sondeos. Este método se
en Texas en 1901. Su origen fue debido
encuentra muy tecnificado y su uso es también
fundamentalmente
muy frecuente en investigación minera.
a
de
que
el
rotación
método
de
percusión que se utilizaba hasta entonces era
poco apropiado para los terrenos a atravesar
que eran blandos e inconsistentes. Se obtuvo
muy buen resultado y el método tuvo una gran
divulgación sobre todo en los campos de
petróleo
de
California.
Posteriormente
la
perforación “rotary” paso de aplicarse de
El sistema de perforación a rotación,
tanto a circulación directa como a circulación
inversa, se basa en la aplicación desde
superficie de un movimiento de rotación y un
empuje al útil de perforación que se denomina
tricono y que esta situado en el fondo del
sondeo para conseguir fracturar la roca.
terrenos blandos a terrenos duros según se
El peso que se ejerce sobre el útil de
fueron empleando herramientas mas duras con
equipos de perforación con mayor capacidad.
perforación es en función de la dureza de la
roca y del diámetro de perforación. El par
En
la
actualidad
el
método
de
perforación a circulación directa es el que se
emplea habitualmente para los sondeos de
petróleo,
donde
se
alcanzan
aplicado a la herramienta viene definido por el
empuje
y
también
por
el
diámetro
de
perforación.
grandes
Figura 19 Esquema conceptual comparativo de los sistemas de perforación a rotación con circulación directa o inversa
21

22. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Para transmitir desde la superficie el
comprendido entre la pared del sondeo y el
peso y el movimiento giratorio al tricono se
varillaje y que en la circulación inversa los
emplea el varillaje de perforación. Este varillaje
recortes ascienden por el interior del varillaje.
es hueco y permite, de forma simultanea a la
Esta diferencia condiciona el hecho por el cual
perforación, la circulación por su interior del
la circulación directa no se deba aplicar para
fluido de perforación que tiene como misión,
sondeos de captación de agua subterránea, y
entre otras, limpiar el sondeo de los recortes de
que la practica a emplear en estos casos sea la
terreno
circulación inversa. Esto se debe a que en la
conduciéndolos
al
exterior
y
depositándolos sobre balsas construidas a tal
practica
efecto.
captación de agua subterránea el diámetro de
Como ya se ha indicado anteriormente,
según el sentido de circulación del fluido por el
interior del varillaje de perforación se habla de
rotación a circulación directa o rotación a
Como se observa en esta figura en el
sistema a circulación directa el circuito de
perforación viene definido por una balsa en
superficie desde donde se inyecta lodo al
interior del varillaje mediante una bomba de
impulsión. Una vez que el lodo atraviesa los
conductos de paso del tricono vuelve a la
de
los
sondeos
para
perforación es tal que la superficie del espacio
anular entre la pared del sondeo y el varillaje de
perforación tiene un área mayor que la
superficie interior del varillaje.
circulación inversa. En la figura 19 se presenta
un esquema conceptual de ambos sistemas.
totalidad
La práctica a la que recurren los
perforistas de circulación directa es la de
emplear lodos artificiales preparados a partir de
arcillas
del
tipo
bentonita
que
aumentan
notablemente la densidad y viscosidad y que
por tanto presentan capacidades de arrastre de
sólidos mayores frente a los lodos naturales y
permiten trabajar con velocidades mas bajas de
circulación del fluido de perforación.
Este
En definitiva el método de perforación a
recorrido de vuelta a la balsa se produce por el
circulación inversa presenta las siguientes
espacio anular entre el varillaje y la pared del
ventajas
sondeo.
circulación directa:
superficie
arrastrando
el
“detritus”.
En el sistema de circulación inversa se

comparativas
respecto
de
la
Permite perforar con un mayor diámetro
utiliza un compresor que inyecta aire en el
de perforación sin empleo de lodos
interior de la sarta por medio de un varillaje de
bentoníticos.
doble pared. La inyección de este aire aligera la
columna de lodo creando una depresión en el
interior del varillaje que fuerza la circulación
desde el espacio anular entre la pared exterior
y el varillaje hacia el interior del mismo.
Entre
ambos
sistemas
existe

Se
obtienen
muestras
atravesados
mas
puesto
al
que
ser
del
terreno
representativas
la
velocidad
ascensional mas elevada existe un
desfase de tiempo menor entre el
una
momento
de
la
perforación
y
su
Además
en
diferencia fundamental que radica en que en la
ascenso
circulación directa el “detritus” de perforación
circulación directa la muestra obtenida
a
superficie.
sale a la superficie por el espacio anular
22

23. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
se contamina con el terreno de la pared
Cabrestantes.
del sondeo según va ascendiendo.

Equipo de soldadura.

Gatos hidráulicos estabilizadores.

Panel de mandos.

Compresor.



Motores.
Las paredes del sondeo sufren una
menor erosión pues las partículas son
extraídas por el interior del varillaje

Menor coste energético al ser la
potencia a emplear inferior.
El montaje del chasis en el que van
A pesar de estos inconvenientes es
preciso indicar que pese a que la circulación
todos estos elementos suele realizarse sobre
camión para su traslado.
directa no debe emplearse en el caso de
sondeos para captaciones hidrogeológicas es
el método que habitualmente se utiliza en
investigación petrolífera y minera donde no
importa el uso de lodos bentoníticos y además
se dispone de equipos de impulsión muy
dimensionados. Esta utilización se fundamenta
en la gran capacidad del método de circulación
directa para la perforación de sondeos en
general.
Esta facultad de la circulación directa
se basa precisamente en el empleo de lodos
bentoníticos
que
permiten
estabilizar
adecuadamente las paredes. Además a estos
lodos se les puede añadir, en su caso, una gran
cantidad de aditivos para hacer frente a
problemas específicos como es la perdida de
circulación y otras complicaciones del sondeo.
Entre estos aditivos se encuentran los agentes
densificadores,
fluidificantes,
colmatantes,
descolmatantes, etc.
Los
componen
elementos
un
equipo
La cabeza o la mesa de rotación es el
elemento
que trasmite
el movimiento de
rotación al varillaje de perforación. La tendencia
actual es la de equipamientos hidráulicos que
utilizan cabezas de rotación en lugar de mesa
obteniéndose unos rendimientos sensiblemente
superiores, del orden de 50-60 metros/día,
frente a 15-20 m/día con el empleo de mesa de
rotación con accionamiento mecánico.
El sistema de extracción de la sarta de
perforación es el que limita la capacidad de
perforación del equipo. En la actualidad, por
razones económicas, los equipos de mayor
capacidad de perforación a circulación inversa
existentes
en
el
mercado
se
sitúan
en
profundidades máximas de 600-800 metros en
terrenos
blandos.
Este
tipo
de
terrenos
requieren un menor peso de las barras de
carga que actúan sobre el tricono, por lo que la
capacidad de tiro de los equipos puede
emplearse en la extracción de una mayor
principales
de
perforación
que
a
longitud de varillaje de perforación, lo que
permite realizar pozos de mayor profundidad.
circulación inversa son los siguientes:
La sarta de perforación esta formada
por los siguientes elementos:

Cabeza o mesa de rotación.

Mástil y soporte.

Útil de perforación.

Sistema de extracción.

Barras de carga o lastra-barrenas.

Centrador.

Varillaje.
23

24. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS


Cabeza de inyección.
Las varillas se unen entre si mediante
Barra conductora o “kelly”.
rosca y deben trabajar a tracción para evitar su
rotura y la desviación del sondeo. En el
El útil de perforación más utilizado es el
procedimiento de la circulación inversa hay dos
tricono que esta formado por tres piñas que
tipos de varillaje, varillaje de doble pared y
giran libremente sobre sus ejes que no tienen
varillaje de simple pared. El varillaje doble
una disposición simétrica para producir el
conduce el aire desde el compresor hasta el
arranque de material por rodadura y cizalla
interior de la sarta donde se mezcla con el lodo
(figura 20). Si la formación es blanda los
natural para aligerar la columna.
dientes son más largos y espaciados.
La cabeza de inyección suspende la
columna de perforación, permitiendo la rotación
y proporcionando la conexión a la manguera de
aire comprimido y a la de descarga a la balsa.
La barra conductora transmite el movimiento de
rotación a todo el varillaje.
El lodo que se utiliza en circulación
inversa es lodo natural. Durante la perforación
deben
Figura 20 Tricono
controlarse
las
características
de
densidad, viscosidad, cake, filtrado, pH y
Las barras de carga permiten dar peso
contenido en arena, entre otras. Si se producen
al tricono sobre la formación a perforar. Este
variaciones de estos parámetros fuera de los
peso es función de la dureza de la roca. Como
limites admitidos es preciso proceder a su
se observa en el diagrama de esfuerzos de la
control mediante el aclarado de los lodos y
figura 21, el punto neutro de la sarta debe
limpieza de las balsas. Las funciones del fluido
situarse en esta barra, trabajando todo el
de perforación son las siguientes:
varillaje y el 25% de dicha barra a tracción y el

resto de la misma a compresión.



Evacuar el “detritus” producido en la
perforación.
Refrigerar el tricono.
Mantener la estabilidad de las paredes
del sondeo.
Impedir la salida de agua de los
distintos acuíferos atravesados durante
la perforación.
El método de perforación a circulación
inversa es ideal para efectuar obras de
captación hidrogeológica en formaciones no
consolidadas (arenas, limos, arcillas, etc.) con
Figura 21 Distribución de esfuerzos en la sarta de
elevados rendimientos. Este tipo de terrenos
perforación a Rotación
corresponde a las grandes áreas detríticas
españolas como son las cuencas del Duero,
Tajo y Guadalquivir.
24

25. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Por este sistema, llevando un adecuado
control del peso sobre el tricono, es posible
operen
nuestro
país
utilizando
esta
tecnología.
garantizar la verticalidad del pozo dentro de
unos límites admisibles.
en
Hay también alguna empresa nacional
que dispone de equipos de rotopercusión
Este sistema no es recomendable a
inversa con pequeño diámetro que se utilizan
partir de materiales de dureza media (calizas,
en
trabajos
dolomías, areniscas compactadas, etc.).
de
hidrogeológica.
investigación
minera
Las prestaciones para
e
las
captaciones hidrogeológicas de los equipos de
rotopercusión inversa con pequeño diámetro
Método de rotopercusión
son inferiores a las de los equipos a circulación
El método de rotopercusión neumática
con martillo en fondo es el sistema de
directa en cuanto a diámetros y similares en
cuanto a profundidades.
perforación mas utilizado en la perforación de
sondeos geotérmicos. Este sistema surgió a
partir de las técnicas de perforación empleadas
en las explotaciones mineras de exterior para la
perforación de barrenos para voladuras.
El método de rotopercusión consiste
básicamente en que el aire suministrado por un
compresor circula por dentro del varillaje de la
sarta de perforación y acciona el martillo
neumático situado en el fondo del sondeo y ese
de
mismo aire es utilizado para la extracción del
rotopercusión hidráulica con martillo en cabeza,
detritus, mientras la sarta de perforación gira
que son los que mas se emplean en la
lentamente mediante la aplicación en superficie
actualidad en la perforación de sondeos en
de un movimiento de rotación y un empuje.
A
diferencia
de
los
equipos
canteras, en el sistema de rotopercusión
neumática con martillo en fondo, el martillo se
sitúa en el fondo del sondeo y es accionado
con el empleo de aire comprimido.
Es aplicable a la técnica de perforación
en rotopercusión el mismo esquema conceptual
indicado en la perforación a rotación, en cuanto
a la circulación del aire en un sentido u otro.
Análogamente al sistema de rotación
Para
trasponer
este
esquema
hay
que
dos
considerar también que el útil de perforación en
modalidades, la rotopercusión directa y la
rotopercusión es un martillo y el fluido de
rotopercusión inversa con gran diámetro, cuyas
circulación es aire.
en
la
rotopercusión
denominaciones
se
se
basan
emplean
en
criterios
coincidentes con los correspondientes a los de
la rotación en cuanto al sentido de circulación
del
fluido
de
perforación,
el
aire
en
rotopercusión, por el interior del varillaje.
El
sistema
que
se
Tanto en circulación directa como en
circulación inversa para mejorar la capacidad
del aire como vehiculo de arrastre de detritus
se le inyecta un espumante con lo que se
consigue operar con velocidades menores de
emplea
habitualmente es la rotopercusión directa, pues
por el sistema a rotopercusión inversa con gran
diámetro, existen muy pocos equipos que
circulación de aire.
En la practica la rotopercusión a
circulación directa, que es la técnica que se
emplea habitualmente, esta muy condicionada
en cuanto a diámetro de perforación pues el
25

26. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
ascenso de los recortes por el anular entre el
El equipo básico de una sonda de
varillaje y la pared del sondeo limita las
rotopercusión neumática con martillo en fondo,
posibilidades de los compresores empleados,
tanto a circulación directa como a circulación
dado el requerimiento de caudal de aire.
inversa
Es
posible
paliar
esta
carencia
debe
contar
con
los
siguientes
elementos:
mediante la utilización de dos compresores
conectados en paralelo, que permitan aumentar

por un circuito hidráulico.
el caudal de aire, manteniendo la presión de los

compresores conectados.
La rotopercusión a circulación inversa
con gran diámetro, de la que no existen

Un cilindro hidráulico, que se utiliza
para elevar la torre desde la posición
horizontal
obtener mayores diámetros de perforación que
añadidas, algunas ya se han comentado para el
La torre o mástil de la maquina de
perforación abatible y elevable.
muchas experiencias en nuestro país, permite
en circulación directa con otras ventajas
La cabeza de rotación que esta movida
a
la
vertical,
dejándola
dispuesta para perforar.

El conjunto del motor diesel, refrigerado
por aire, con el compresor de alta
caso de la rotación, como son:
presión y alto caudal de aire.
Obtener muestras del terreno y del

El panel de mandos.
agua mas representativas, evitando


Un sistema de empuje y extracción
desfases y contaminaciones con la
regulables
pared del sondeo, al extraerse los
capacidades.
detritus de perforación por el interior del

hasta
las
máximas
El carrusel que es un conjunto portador
varillaje
Las paredes del sondeo sufren una
nuevas varillas en la sarta, conforme se
menor

de varillaje que se utiliza para colocar
va profundizando el sondeo.
erosión
que
en
circulación
directa, pues se evita que el aire de

perforación actué sobre los estratos
mas
blandos
erosionándolos
del
y
sondeo

varillas y las tuberías de revestimiento.

provocando
hundimientos.
Un cabestrante auxiliar para recoger las
Los gatos hidráulicos de nivelación del
equipo para la perforación.

Una
bomba
para
introducir
el
Se evitan las perdidas de aire, que en
espumante dentro del circuito de aire a
el caso de circulación directa puede
presión.
suponer la caída de materiales con

Un equipo de soldadura y corte.
peligro de atropamiento del martillo de

Sistema de alumbrado general para
perforación.
poder trabajar por las noches.
Sarta de perforación:
26

27. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
La sarta de perforación de un equipo de
rotopercusión esta formada por los siguientes
elementos:

Un martillo con adaptador roscado. La
boca o tallante del martillo, suele ser de
botones de carburo de tungsteno.
Figura 23 Varillaje simple pared
Fuente: Talleres Segovia sl
Figura 22 Martillo y tallantes

Figura 24 Varillaje simple pared
Fuente: Talleres Segovia sl
En el caso de la circulación inversa es
necesario el empleo de un inversor de
Hay que lubricar el martillo con aceite
flujo y de un estabilizador.

Adaptador o conexión roscada a la
adhesión, viscosidad estable y alto punto de
cabeza giratoria.

especial con alta película lubrificante, buena
Las varillas que están conectadas a la
encendido.
cabeza de rotación. En el caso de la
Una vez perforado el sondeo se puede
circulación directa el varillaje es liso
ensanchar con diversos útiles, todos ellos
(figura 23) y en el caso de la circulación
denominados genéricamente “ensanchadores”.
inversa es de doble pared (figura 24).
La
longitud
habitual
empleada
en
geotermia es de 3 metros, si bien
dependiendo de los diámetros oscilan
entre 1 y 9 metros los de simple pared,
y entre 1 y 3 metros los de doble.
27

28. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Figura 25 Ensanchadores
aire produce una disminución del volumen del
Fuente: Talleres Segovia sl
mismo durante el paso por el “booster” por lo
Compresor:
que para mantener el caudal nominal de aporte
La función del compresor en el sistema
a la perforación, es necesaria la utilización de
de rotopercusión es suministrar aire, como
varios compresores conectados en paralelo a la
fluido de perforación, con el caudal y la presión
entrada de la alimentación del “booster”.
requerida.
En rotopercusión a circulación inversa
es necesario un mayor suministro de presión
El
compresor
es
un
elemento
fundamental, desde el punto de vista técnico y
económico, en el sistema de perforación a
que en directa al ser los conductos de paso del
aire (varillaje) mas estrechos y por lo tanto con
mayores perdidas de aire.
rotopercusión, tanto a circulación directa como
a inversa.
A diferencia del sistema de perforación
a rotación, las limitaciones en cuanto a la
profundidad de perforación de un equipo de
perforación
a
rotopercusión
no
vienen
determinadas por la potencia de extracción del
equipo
sino
que
esta
condicionada
fundamentalmente por las capacidades del
compresor utilizado. Estas capacidades vienen
Figura 26 Compresor Atlas Copco
definidas en primer lugar por su presión
Por el contrario en rotopercusión directa
nominal, en cuanto a profundidad y por su
los requerimientos de caudal son mayores,
caudal de trabajo en cuanto al diámetro de la
pues
perforación a realizar.
perforación, y por tanto las secciones de paso,
conforme
aumenta
el
diámetro
de
La presión de trabajo del compresor es
es necesario un mayor aporte de caudal para
determinante a la hora de establecer la
garantizar la velocidad de circulación de aire
profundidad teórica de perforación que es
que permita la extracción de los detritus de
posible alcanzar. Los compresores que se
perforación. Para perforar con diámetro grande
utilizan en rotopercusión suelen ser de alta
en circulación directa es preciso el empleo de
presión (25-30 Kp/cm 2), Cuando se requiere
dos compresores conectados en paralelo.
aumentar la presión de un compresor es
Las funciones del aire en la perforación
necesario el empleo de un “booster”, conectado
a rotopercusión son las de accionar el martillo
en serie.
en
Un “booster” actúa como un “compresor
fondo,
enfriar
y
limpiar
la
boca
de
perforación y conducir el “detritus” al exterior.
de compresores” que, colocado a la salida de
Del total de la potencia dada por el
un compresor de, por ejemplo 25 Kp/cm 2,
compresor al menos un 20 % se emplea en el
permite elevar la presión de trabajo hasta unos
accionamiento del martillo en fondo.
2
50-60 Kp/cm . Este aumento de presión en el
28

29. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
La presión de trabajo del compresor
resolverse mediante el empleo de la circulación
empleado es fundamental para determinar la
inversa con gran diámetro, si bien en nuestro
profundidad máxima de perforación, de un
país este procedimiento se utiliza en escasas
equipo de perforación a rotopercusión, tanto a
ocasiones, y tiene un coste energético elevado.
circulación directa como inversa.
Otro
aspecto
Para finalizar con la descripción de este
del
sistema cabe destacar dentro del método de
compresor viene definido por el caudal de aire,
rotopercusión el sistema ODEX que permite el
que afecta fundamentalmente a los equipos
empleo de la técnica de perforación en terrenos
que operan por circulación directa, que son la
sueltos
práctica totalidad de los existentes en el
entubación simultanea, aunque la profundidad
mercado
de
habitualmente esta restringida a unos 30-40
espumantes biodegradables inyectados en el
metros por el rozamiento lateral de la tubería
aire permite disminuir las velocidades de
sobre el terreno atravesado.
nacional.
condicionante
Aunque
el
uso
arrastre de detritus desde 1.500 m/min a 100120 m/min, existen grandes limitaciones en
cuanto a los diámetros de perforación que se
obtienen por este sistema.
mediante
el
procedimiento
de
El sistema de rotopercusión tiene la
gran ventaja de la rapidez de ejecución de las
perforaciones y de ser el sistema que permite
obtener una mayor información hidrogeológica
En concreto para los compresores de
durante la realización de los sondeos. Puesto
mayor capacidad empleados en rotopercusión
que por este sistema se obtienen rendimientos
(30 m3/min), el diámetro de perforación no
que superan los 80 m/día se puede saber muy
suele superar, en sondeos no muy profundos,
rápidamente si una determinada perforación es
los 320 mm al que corresponde un diámetro de
adecuada como captación hidrogeológica.
intubación de 250 mm, siempre y cuando se
trate de terrenos compactos en los que no sea
necesario acondicionar un empaque de grava.
Este método de perforación, junto con
la percusión, es el sistema mas adecuado para
rocas duras. En el caso de calizas carstificadas
Para afrontar estas limitaciones, en
la perdida de aire por las cavidades puede ser
cuanto a diámetro, a veces se pueden conectar
un problema si el aire no arrastra el “detritus” y
en paralelo dos compresores. Los fabricantes
por tanto quedan depositados en el fondo de la
recomiendan resolver los problemas de mayor
perforación.
diámetro del sondeo con el empleo de un
varillaje
también de mayor diámetro que
disminuya el espacio anular entre el varillaje y
la pared del sondeo, y por lo tanto los caudales
necesarios. Ocurre que en este caso si que
El método de rotopercusión es el único
recomendable para sondeos que se localicen
en formaciones muy duras. Entre este tipo de
formaciones se encuentran las rocas ígneas y
las metamórficas.
habría una gran dependencia de la capacidad
Otra
de extracción del equipo debido al mayor peso
limitación
del
sistema
de
rotopercusión es que este método tiene poca
de la sarta de perforación.
capacidad de respuesta frente a los problemas
Las
perforación
dificultades
en
de
circulación
diámetro
directa
de
pueden
que
surgen
construcción,
en
el
sondeo
especialmente
durante
en
su
terrenos
29

30. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
sueltos (hundimientos, agarres, etc.). Esta
que con carácter general es preciso considerar
característica
para la elección del sistema de perforación mas
viene
determinada
por
las
propiedades del fluido empleado que presenta
adecuado
unas bajas posibilidades de estabilización de
captación hidrogeológica.
las paredes de la perforación. Incluso la
utilización del aire como fluido de perforación
A
para
efectuar
continuación
una
se
determinada
describen
los
criterios a considerar para cada tipo de roca:
agrava el problema de la inestabilidad de las
paredes del sondeo al provocar su erosión,
Rocas muy duras:
debido a su elevada velocidad de circulación.
Además
en
terrenos
sueltos
Podemos considerar como rocas muy
la
rotopercusión no es el sistema de perforación
mas adecuado debido a la baja efectividad del
duras aquellas cuya resistencia a compresión
es superior a 2.000 Kp/cm2. Como ejemplo de
estas
suele controlar la distribución de esfuerzos en
la sarta de perforación como en el caso del
sistema a rotación, garantizando el trabajo a
tracción de una parte importante de la sarta,
por lo que es muy frecuente tener problemas
con la verticalidad del sondeo, especialmente
en el caso de formaciones heterogéneas que
presenten buzamientos. Las desviaciones que
se produzcan en la perforación de un sondeo,
La única forma de poder disminuir la desviación
del sondeo es limitar la presión trasmitida en
cabeza a la sarta de perforación, aun a costa
menor
rendimiento
las
pizarras,
caracterizan generalmente por su consistencia
y por sus escasos aportes de agua a las
captaciones, por lo que en principio es muy
adecuado
en
la
perforación.
Finalmente cabe destacar que los
equipos de perforación a rotopercusión tienen
un coste económico elevado y los consumibles
son muy altos.
Selección del método de perforación
Una vez que se han caracterizado los
sistemas de perforación que habitualmente se
el
empleo
del
sistema
de
rotopercusión. Material ideal para instalaciones
geotérmicas. Podemos concluir que el sistema
más idóneo es el de rotopercusión a circulación
directa.
Rocas duras:
pueden comprometer su posterior entubación.
un
citar
Además de su dureza estas rocas se
En el sistema de rotopercusión no se
tener
podemos
cuarcitas, granitos, basaltos, etc.
golpeo del martillo en terrenos blandos.
de
rocas
En este grupo incluiremos a las rocas
que presentan una resistencia a compresión
comprendida entre 800 y 2.000 Kp/cm2. Dentro
de este grupo pueden incluirse las calizas y
areniscas duras.
Los sistemas de perforación aplicables
son los de rotopercusión y percusión. Si el
diámetro es pequeño la perforación se realizara
a rotopercusión directa o inversa, puesto que
en la técnica de percusión los trépanos que
habitualmente utilizan los equipos disponibles
en el mercado suelen ser de diámetros iguales
o superiores a 400 mm.
utilizan para captaciones hidrogeológicas, y se
Si se trata de mayores diámetros en el
han establecido sus ventajas e inconvenientes,
caso de sondeos poco profundos se pueden
se pueden establecer los criterios de selección
utilizar
básicamente
tanto
el
método
30
de

31. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
percusión
como
de
rotopercusión
directa.
También pudiera plantearse el empleo de la
Rocas de diversa naturaleza y consistencia:
rotopercusión inversa, si bien el empleo de este
Cuando el sondeo atraviese distintas
sistema supone unos costes de puesta en obra
que probablemente no sean asumibles para
formaciones será preciso realizar un análisis
global
sondeos cortos en la mayoría de los casos.
que
permita
una
solución
óptima,
compatibilizando todos los criterios anteriores.
Rocas de dureza media:
En muchos casos será necesario el
En este grupo consideramos a las
rocas
que
presentan
una
resistencia
a
compresión comprendida entre 200 y 800
Kp/cm2. Dentro de este grupo pueden incluirse
las calizas y areniscas.
empleo de sistemas de perforación mixtos,
definiéndose un método de perforación hasta
una determinada profundidad y continuándose
el sondeo por otra técnica, en función de la
litología.
Para este grupo de rocas es aplicable
lo expuesto en el apartado anterior (rocas
duras) si bien se ha considerado también la
posibilidad de utilizar la rotación a circulación
inversa pero con muchas reservas, en función
de la consistencia y dureza de la roca.
Finalmente, una vez seleccionado el
método
de
perforación
mas
adecuado
y
considerando las características geométricas
en cuanto a profundidad y diámetro del sondeo,
se puede proceder a la estimación de las
capacidades requeridas de los equipos de
perforación
y
elementos
auxiliares
para,
conjuntamente con otros criterios como el
Rocas blandas:
económico,
En este grupo incluimos a las rocas que
presentan una resistencia a compresión inferior
proceder
a
seleccionar
a
la
compañía de perforación mas adecuada que
lleve a cabo la ejecución de la perforación
a 200 Kp/cm2. Pueden considerarse en este
conjunto las arenas, limos, arcillas y margas,
Es de destacar que la ultima tendencia
de los fabricantes de equipos de perforación, es
entre otras.
la de poner en el mercado equipos multisistema
Si la profundidad supera los 30 m y se
requiere un diámetro grande lo mas adecuado
es emplear la circulación inversa puesto que la
percusión, aunque se puede utilizar, quizás no
resulte competitiva desde el punto de vista
que disponen de compresores, varillaje liso,
varillaje de doble pared, etc., de manera que
puedan realizar perforaciones mixtas tanto a
rotación
a
circulación
inversa
como
rotopercusión con un mismo equipo.
económico.
En el caso de pequeños diámetros,
como es el caso de la geotermia, lo mas
adecuado
es
considerar
la
rotación
a
circulación inversa.
31
a

32. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
DUREZA
LITOLOGÍA
MUY DURA
Pizarras
Cuarcitas
Granitos
Basaltos
DIÁMETRO
CAPTACIÓN
SUPERFICIAL
CAPTACIÓN
PROFUNDA
(pequeño <300 mm)
Resistencia
a compresión
>2.000 Kp/cm2
DURA
(<100 m)
Grande
X
X
Pequeño
*Rotopercusión directa
X
*Percusión
Calizas duras
Grande
*Percusión
*Rotopercusión directa
Resistencia
entre 800-2.000 Kp/cm2
*Rotopercusión inversa
(inversa ?)
a compresión
Areniscas
duras
Pequeño
*Rotopercusión directa
(inversa ?)
*Percusión
*Percusión
*Rotopercusión directa
Grande
MEDIA
Calizas
Areniscas
*Rotopercusión directa
(inversa?)
*Rotación a
c. inversa (?)
*Rotopercusión inversa
*Rotación a circulación
inversa (?)
*Rotopercusión directa
*Rotopercusión directa
Resistencia
Pequeño
a compresión
BLANDA
Resistencia
a compresión
Arenas
Limos
Grande
Margas
Arcillas
Pequeño
*Rotación a circulación
inversa (?)
*Rotación a circulación
inversa (?)
*Pozos abiertos
*Percusión
entre 200-800 Kp/cm2
*Rotación a circulación
inversa (?)
*Rotación a circulación
inversa
*Percusión
*Rotación a circulación
inversa
*Rotación a circulación
inversa
menor que 200 Kp/cm2
Tabla 4: Procedimiento de selección del método de perforación
Ejecución de sondeos

a describir a continuación:
de
accesos
emplazamiento del equipo
La ejecución de los sondeos se efectúa
de acuerdo con una serie de etapas que se van
Preparación

Perforación

Entubacion, si fuera necesaria
32
y

33. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS

Introducción de sondas

Introducción de relleno

Pruebas de presión

Desarrollo y limpieza y acabado final.
.Preparación de accesos y emplazamiento
del equipo
el medio que puedan ser debidos a derrames y
La primera fase en la ejecución del
Antes del comienzo de la perforación el
sondeo es la preparación del acceso de la
recinto de trabajo debe ser convenientemente
maquina
acotado y señalizado con el fin de evitar
de
perforación,
así
como
del
vertidos.
accidentes, por acceso de personal ajeno a la
emplazamiento de la maquinaria.
El carril de acceso de la máquina debe
obra.
Previamente
de ser de anchura adecuada, esto es, de al
al
comienzo
de
la
menos 1,5 veces la anchura de la máquina y
perforación es necesario preparar una balsa
con pendiente adecuada a las características
para recogida de detritus. Si el método a
mecánicas del vehiculo portador de la sonda de
emplear es el rotación a circulación inversa es
perforación.
necesario también proceder al llenado de la
La superficie del terreno debe estar
completamente llana para verificar así que el
misma con agua.
Perforación
mástil del equipo de perforación esta colocado
verticalmente,
antes
del
comienzo
de
la
perforación. De esta forma se evitan posibles
accidentes, así como problemas con la sarta de
perforación y efectos de desvió de la trayectoria
del sondeo durante la perforación.
Una vez que el entorno de ubicación
del sondeo esta en condiciones adecuadas, se
puede comenzar la perforación del sondeo.
Durante la realización de la perforación se
recogerán los detritus producidos, que serán
analizados por el geólogo supervisor y que
En las inmediaciones del sondeo es
necesario habilitar una zona de descarga y
podrán
utilizan
para
la
construcción
del
sondeo
(tuberías, grava, cemento, impermeabilizantes,
combustibles, aceites, etc...).
Es necesario proteger la superficie del
suelo mediante material impermeable y telas
en
cada
momento
Durante la fase de perforación también
se llevará un riguroso control del detritus o lodo
de la perforación y de los valores de los
parámetros mecánicos de la perforación (peso,
rotación, par, etc...), de manera que se puedan
adoptar
las
correspondientes
medidas
correctoras en caso necesario.
adsorbentes con el fin de evitar impactos sobre
1.1.8.
la
columna litológica del terreno atravesado.
acopio de materiales, que permita colocar de
forma adecuada los distintos productos que se
establecer
- Montaje de sondas geotérmicas
33

34. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Con arreglo a la legislación hidrogeológica,
relleno. Cuando la profundidad es importante
para la instalación de sondas generalmente se
puede resultar necesario un tubo de llenado
debe solicitar un permiso. Además se debe
adicional, con el fin de asegurar un llenado
respetar una distancia mínima de 2 m con
uniforme. La misión de estos tubos, es la
respecto a los edificios, dado que las sondas no
realización del relleno del pozo desde el fondo
deben comprometer la estabilidad de los
hacia la superficie, evitando de esta manera
edificios.
propiciar la generación de bolas de aire que
Cuando se instalen varias sondas
geotérmicas, la separación entre las mismas
dificulten la transmisión de calor del calor entre
el terreno y la sonda.
deberá ser, como mínimo de 5 m para las
Por regla general se introduce
profundidades de sonda inferiores a 50 m y de
la sonda en el pozo con ayuda de un
mínimo 6 m para las sondas de más de 50 m
mecanismo desbobinador fijado a la máquina
de profundidad, aconsejando en cualquier caso
de perforación. También se puede extender la
que, si el espacio disponible lo permite, esta
sonda previamente, para introducirla en el pozo
separación sea de 9 metros.
a partir de un bucle que se fija a la máquina de
En el caso de las sondas geotérmicas
utilizadas
para
cubrir
demandas
de
refrescamiento, la disposición de las mismas se
debería diseñar lo más abierta posible, con el
perforación, si bien este método no es muy
aconsejable, excepto en sondas de muy poca
profundidad, debido a que al arrastrar el tubo
sobre el suelo se pueden producir muescas,
estrías
fin de prevenir afectaciones mutuas.
y
otras
erosiones,
que
reducirán
notablemente la vida útil del mismo.
La distancia de tendido con
respecto a otras conducciones de suministro
debe ser 70 cm. Si la distancia es menor, se
deberán proteger las conducciones con un
aislamiento suficiente.
Con
Una vez introducida la sonda se debe
realizar una prueba de flujo y otra de presión.
La puesta bajo presión de las sondas
se debe realizar con arreglo a la norma VDI
el
fin
de
facilitar
la
instalación de la sonda, en el caso de pozos
mojados (llenos de agua), se recomienda llenar
las sondas del fluido a emplear, utilizando el
lastre para sonda de peso adecuado que facilite
adicionalmente la introducción de la sonda.
4640, parte 2, de tal forma que quede
garantizada una integración duradera a nivel
tanto físico como químico y que el presionado
no contenga bolsas de aire ni cavidades. Sólo
realizando reglamentariamente, conforme a la
norma VDI 4640, esta puesta bajo presión del
intersticio anular del pozo se puede asegurar la
En el caso de pozos secos se deberá
llenar la sonda a más tardar en el momento de
operatividad, sobre todo de las sondas de
mayor profundidad.
poner bajo presión el pozo, con el fin de
prevenir un desplazamiento por ascensión de la
Una vez efectuado el relleno del pozo,
se llevan a cabo las pruebas finales: prueba de
sonda.
funcionamiento de la sonda llena de agua y
Junto
con
la
sonda,
deberemos
introducir en el pozo el tubo de llenado del
prueba de presión a una presión mínima de 6
bar. En las siguientes condiciones:
34

35. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Carga previa:
30 min.
Duración de la prueba:
60 min.
Caída de presión tolerada:
0,2 bar.
Una vez finalizada la perforación, y transcurrido
el menor tiempo posible a fin de evitar posibles
desmoronamientos interiores que impidan la
En caso de existir riesgo de
posterior introducción de la sonda, se deberán
seguir los siguientes:
temperaturas bajo 0, vaciar la sonda a hasta 2
m por debajo de la rasante. Esto se puede
conseguir
mediante
una
toma
de
aire
comprimido conectada en uno de los extremos.
Pasos de montaje

De esta forma se expulsa el agua por el
extremo
contrario.
Cuando
se
reduce
la
presión, la columna de agua se desequilibra
bobinas presentan desperfectos.

Cargar
la
sonda
en
el
dispositivo
desbobinador o extenderla.
dentro de la sonda. Los tubos de la sonda
deben permanecer herméticamente cerrados
Antes de desenrollarlas, comprobar si las

En caso necesario fijar el lastre o el
hasta que se efectúa la conexión. Para llenar
elemento auxiliar para la introducción en el
completamente el intersticio anular se utilizarán
pie de la sonda.
materiales que se deberán determinar en

función de los modos operativos respectivos y
Llenar la sonda con agua, para que ésta no
ascienda.
dependiendo de las condiciones geológicas.

Tender
geotérmica
los
hasta
tubos
el
de
la
distribuidor
sonda
llenado en el pozo.
mediante

circuitos conectados en paralelo.
más alto y se deberá prever un dispositivo de

equiparse
con
un

caudalímetro por cada sonda para efectuar el
reglaje de las mismas.
Antes
entrar
en
aplicando una presión de mín. 6 bar.
realizar una prueba de presión con una presión

Empalmar las sondas a las tuberías de
conexión.
comprobar que el flujo es uniforme en todas las
sondas.
Realizar la prueba final de funcionamiento
de la sonda geotérmica llena de agua,
funcionamiento todo el sistema se deberá
1,5 veces la presión de servicio. Se deberá
Realizar el relleno del pozo, a través del
tubo previsto a tal efecto hasta el fondo.

de
Realizar la prueba de presión y de flujo de
la sonda llena de agua.
desaireación en una ubicación adecuada. Los
podrán
Descender la sonda y el tubo de llenado
completamente dentro del pozo
El distribuidor se instalará en el punto
distribuidores
Introducir la sonda junto con el tubo de

Conectar dichas tuberías al distribuidor
ubicado en el punto más alto de la
instalación.
Ejemplo de montaje.

Recircular el fluido por las tuberías hasta
que ya no contengan aire, con un esquema
similar al de la figura 27
35

36. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS

Realizar una prueba de presión final del
sistema en su conjunto, aplicando 1,5
veces la presión de servicio
Figura 27: Esquema de purga de instalación geotémica
1.1.9.
Dimensionado y montaje de pilotes energético
Para la realización del dimensionado y
montaje
de
los
pilotes
energéticos,
es
aconsejable consultar las indicaciones de la
norma VDI 4640.
dimensionado
debe
desconexión
prever
termostático
un
sistema
que
de
evite
su
funcionamiento en condiciones muy deseadas.
Por razones de coste se considera en
Dimensionado
El
Se
el dimensionado únicamente el número de
de
los
pilotes
energéticos se realiza de forma análoga al de
pilotes impuesto por el cálculo de la estructura.
Los costes de los pilotes adicionales no
las sondas geotérmicas, si bien se debe tener
estarían
justificados.
en cuenta que los pilotes energéticos no deben
calefacción
operar a temperaturas bajo 0. Esta limitación
quedarán cubiertas mediante otros sistemas
debe considerarse en el cálculo.
independientes.
o
Las
potencias
refrescamiento
de
adicionales
36

37. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
La utilización de este sistema es
rentable a partir de una longitud de los pilotes
de 6 m.
Por
regla
general
los
pilotes
de
cimentación se ponen en obra en las aguas
freáticas.
Cuando se utilizan como sistema de
refrigeración, la temperatura de las aguas
freáticas sufre un incremento. Este extremo se
deberá aclarar con los organismos oficiales
Figura 29: Meandros en vertical
competentes.
Fuente: Rehau
Sonda en U
Los tubos se tienden en forma de U
dentro de la jaula de armadura. El acoplamiento
de los diferentes bucles de tubo por medio de
un probado sistema de unión, de estanqueidad
duradera, incluyendo los fittings adecuados, se
efectúa en la cabeza de los pilotes.
Esta modalidad de tendido de los tubos
presenta ventajas, sobre todo relacionadas con
la desaireación de las tuberías.
Figura 28: Tendido del tubo dentro de un pilote
energético
La
conexión
de
los
ramales
impulsión y retorno a la red de tuberías se
efectúa en la cabeza del pilote.
Variantes de colocación
En cuanto al tendido de los
tubos se pueden utilizar las variantes de
meandros en vertical y sonda en U.
Meandros en vertical
Los tubos se tienden dentro de
la jaula de armadura formando bucles de tubo
sinfín con forma de meandros. Este tipo de
tendido presenta ventajas, sobre todo de
simplicidad de montaje. La conexión de los
ramales de impulsión y de retorno a la red de
tuberías se efectúa en la cabeza del pilote.
de
Figura 30: Sondas en U
Fuente: Rehau
Pasos de montaje
37

38. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
 Tendido de las tuberías en forma de
meandros dentro de la jaula de
armadura.
Figura 32: Identificación de tubería en pilote energético
Fuente: Rehau
 Montar la unidad para realizar las
pruebas de presión.
 El tendido de los tubos se efectúa en
sentido longitudinal dentro de la jaula
de armadura.
 Aplicar una presión de prueba de 6 bar
y registrar dicha presión de prueba en
un protocolo.
 La fijación mediante unión positiva de
los tubos se realiza a la armadura y en
las zonas de cambio de dirección de
los tubos por medio de conectores
para mallazo de pilote energético, a
intervalos de 0,5 m.(figura 31)
Figura 33: Pruebas de presión en pilote energético
Fuente: Rehau
 Poner en obra, verter y vibrar el
Figura 31: Colocación de tubería en pilote energético
Fuente: Rehau
 Colocar un tubo protector sobre las
tuberías en la zona de la cabeza del
 Las tuberías de conexión se deben
cortar en la cabeza del pilote y aplicar
 Llevar a cabo la identificación del
arreglo
proyecto de montaje.
distribuidores
 Registrar en un protocolo la presión de
prueba aplicada tras la puesta en obra
un tubo protector sobre las mismas.
con
 Realizar una 2ª prueba de presión tras
 Conectar las tuberías a los tubos
 Identificar las tuberías.
energético
la tubería.
el fraguado del hormigón
pilote. Fijar y cortar las tuberías.
pilote
hormigón, manteniendo en presión
al
del hormigón.
 Los pilotes energéticos se pueden
conectar directamente a las tuberías
de distribución o a los distribuidores
del circuito de calefacción o
refrescamiento.
1.1.10. Montaje del distribuidor
38
de

39. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Se debe posicionar el distribuidor en el
punto más alto del área de las tuberías,
corrosión, se deberá recurrir a un distribuidor
de material polimérico.
tendiendo la tubería con una ligera pendiente
hacia el distribuidor.
Sobre las tuberías de agua glicolada se
forma fácilmente agua de condensación, por lo
El distribuidor de material polimérico se
deberá utilizar asimismo en instalaciones en las
que el espacio disponible no resulte suficiente
para el distribuidor estándar.
cual se deberán aislar las mismas dentro de los
edificios con un material que haga barrera
contra la difusión del vapor de agua. Dado el
Distribuidor para sonda geotérmica
alto coste y gran esfuerzo que representa el
aislamiento de un distribuidor, se recomienda
instalarlo fuera de los edificios.
La conexión del distribuidor se realiza
mediante la rosca macho G 1½” ó G 2”. Debido
Las impulsiones y los retornos
de una sonda geotérmica se pueden conectar
al distribuidor ya sea unidos en la cabeza de la
sonda
mediante
caudal para el tubo base de 2” está limitado a
8000 l/h cuando se utiliza agua glicolada con un
33 % de anticongelante. Si la proporción de
anticongelante es menor o se utiliza agua pura
se puede trabajar con caudales mayores.
En caso de precisarse un caudal
superior a 8000 l/h se pueden empalmar 2
tubos distribuidores en el centro con una pieza
en T. De esta forma se puede alcanzar un
tubo
en
Y
o
individualmente.
al riesgo de formación de burbujas de vapor, el
distribuidor tiene unos límites operativos. El
un
En caso de no poder garantizar
una longitud igual de los tubos de sonda hasta
el distribuidor se deberán utilizar reguladores
de caudal.
Con una mezcla de agua y
glicol el regulador de caudal desempeña
únicamente la función de reglaje de los circuitos
individuales, pero no de fijación del caudal.
Esto es debido a la mayor densidad y
viscosidad de la mezcla de agua y glicol.
caudal volumétrico de 16.000 l/h.
Conexión de los tubos distribuidores
Para
que
todos
los
tubos
reciban el mismo caudal de los distribuidores
de colector/sonda, se deberán conectar los
mismos según el principio de Tichelmann o de
retorno invertido. Véanse las figuras 35 y 36.
Figura 34: Distribuidor
Fuente: Rehau
Los distribuidores de latón sólo deben
trabajar con agua o con una mezcla de agua y
glicol. Si se utiliza un medio que fomenta la
39

40. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Cuando se instale el distribuidor
en un patio de luces se deberá evitar que los
tubos queden apoyados sobre la pared del
edificio.
Trasdosando
unas
planchas
de
espuma rígida de poliestireno de 4 cm de
espesor se previene el humedecimiento de la
pared por la formación de condensado, así
Figura 35: Impulsión y retorno invertidos
como que los tubos resulten dañados al sufrir
variaciones de longitud.
Distribuidor para pilotes energéticos
Los pilotes energéticos se pueden
conectar
a
la
red
de
tuberías
de
los
distribuidores mediante un distribuidor para
Figura 36: Colectores invertidos
circuito de calefacción y refrescamiento, de
forma análoga a los sistemas de superficies
radiantes de calefacción y refrescamiento.
Conexión del distribuidor
Para el corte y la regulación se
El distribuidor se puede montar
en posición horizontal o vertical. Antes de
conectar los tubos al distribuidor se deberán
tender los tubos trazando un ángulo de 90°. De
esta forma las fuerzas del tubo causadas por
recomienda la utilización de válvulas de esfera
y
de
reguladores
de
caudal.
Para
el
dimensionado se debe considerar una pérdida
de carga máxima de 300 mbar por circuito, así
como circuitos de tamaños casi iguales.
Gracias
las variaciones de longitud de origen térmico no
al
tendido
de
las
actuarán sobre el distribuidor, sino que serán
tuberías de distribución mediante el método de
compensadas en la curva del tubo.
Tichelmann se alcanza en éstas una pérdida de
carga casi uniforme.
1.1.11. - El fluido caloportador
Aspectos generales
sean tendidos de forma que no resulten
En las instalaciones de bomba
afectados por temperaturas bajo 0.
de calor se adiciona al agua una determinada
Antes de llenar la instalación se debe
proporción de glicol, de forma que se previene
conocer a qué temperatura se deberá ajustar el
la congelación del fluido caloportador.
fluido
En las instalaciones que no van a
operar
a temperaturas bajo cero
no
es
caloportador.
En
el
caso
de
las
instalaciones de bomba de calor son, por regla
general, 10 - 20 °C.
necesario utilizar glicol, siempre que los tubos
40

41. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Existen
una
amplia
variedad
de
•
•
productos anticongelantes factibles de utilizar
en instalaciones geotérmicas, dependiendo el
Etilenglicol.
Propilenglicol
sistema empleado y su mayor o menor
Estos anticongelantes se suministran
incidencia medioambiental. La "International
en forma concentrada y se puede mezclar con
Ground
agua siguiendo las indicaciones de las tablas
Source
Heat
Purnp
Association",
(IGSHPA), (1988), recomienda los siguientes
líquidos caloportadores:
siguientes.
Etilenglicol:
Agua.
acuosas
con
las
siguientes
sustancias anticongelantes:
•
Etilenglicol.
•
Propilenglicol.
•
Metanol.
•
Etanol.
•
Cloruro cálcico
22% etilenglicol
78% agua
-15ºC
29% etilenglicol
71% agua
-20ºC
35% etilenglicol
65% agua
-13ºC
30% propilenglicol
70% agua
-20,8ºC
40% propilenglicol
60% agua
50% propilenglicol
50% agua
Cloruro sódico.
•
-10ºC
-31,7ºC
Mezclas
Propilenglicol
Tabla 4: dosificación anticongelante
Por su parte, la "Office Fédéral de
El agua adicionada no debe contener,
I'environemenl, des toréls et du paysage",
según lo señalado en la norma DIN 2000, más
(OFEFP), en su "Lista de agentes refrigerantes
de 100 mg/kg de cloro. Los glicoles contienen
y de líquidos caloportadores autorizados para
inhibidores de la corrosión, con el fin de
protección de las aguas contra los líquidos que
proteger las partes de acero de la instalación.
puedan contaminarla"; del año 1999, incluye
Para que el glicol contenga una cantidad
como sustancias anticongelantes, además de
suficiente de inhibidores de la corrosión, la
las mencionadas, las siguientes:
proporción de anticongelante no deberá ser
•
Polietilenglicol.
•
Cloruro magnésico.
•
Cloruro potásico.
•
Carbonato potásico.
•
Acetato potásico.
•
Formiato potásico.
•
Carbonato sódico.
inferior al 20 % en el caso del etilenglicol. Por
otra parte se deberá mantener lo más baja
posible la proporción de glicol, con el fin de
ahorrar potencia de la bomba.
Antes de introducirlo en la instalación,
es necesario mezclar el glicol con agua en un
recipiente. Si se introducen los componentes
No obstante en nuestro país laas
por separado en la instalación no se obtiene
una mezcla correcta y se pueden producir
daños por congelación.
sustancias más empleadas son:
41

42. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Es necesario comprobar la dosificación
del
anticongelante,
para
verificar
que
la
De no ser posible esto, se deberá
graduar una concentración consecuentemente
instalación se encuentra protegida hasta la
mayor
del
agua
glicolada,
y
mantener
temperatura deseada, para ello debe ser
recirculando como se indica en la figura 27
ajustada con el medidor de protección de
hasta que consideremos que se a producido la
anticongelante.
mezcla adecuada del agua y el glicol.
Para los glicoles de base etileno se
debe
utilizar
un
anticongelante
medidor
de
específico,
Dimensión
D x exp
20 x 1,9
25 x 2,3
32 x 2,9
40 x 3,7
50 x 4,7
63 x 5,8
75 x 6,8
90 x 8,2
110 x 10
125 x 11,4
140 x 12,7
160 x 14,6
protección
denominado
refractómetro.
Con ayuda de una bomba y un depósito
o recipiente, recircular el fluido por cada circuito
de tubo para eliminar el aire contenido en el
circuito, tal como hemos visto en la figura 27.
Para
su
instalación
las
sondas
geotérmicas se llenan en la mayoría de los
casos con agua. Por esta razón, cuando se
vaya a llenar la instalación con mezcla de agua
y glicol se debe procurar que el agua haya sido
Volumen
l/m
0,2
0,32
0,54
0,83
1,3
2,1
2,96
4,25
6,36
8,2
10,31
13,43
Tabla 5: contenido de agua por m de tubo
evacuada totalmente antes de introducir el
Para facilitar
agua glicolada. Para un total vaciado de las
el cálculo del volumen
sondas, podemos utilizar un sistema de aire
contenido en el circuito de la sonda, se facilita
comprimido que al inyectarlo por uno de los
la Tabla 5.
Al menos una vez por temporada, se
extremos de la sonda, obligue al agua a salir
por el otro, siendo en todos caso, una volumen
debe
comprobar
que
la
protección
insignificante de agua el que quede en el
anticongelante proporcionada por la mezcla de
interior de la sonda
agua y glicol es suficiente, así como su índice
pH, Debiendo situarse este en la zona neutra
(7).
.
1.1.12. Relleno
Del espacio intersticial de los pozos
El relleno se puede realizar bien por
gravedad con arena silícea o bien mediante
inyección con un sistema adecuado, desde el
fondo hasta la boca del sondeo, de cemento,
bentonita
o
materiales
termoconductivos
específicos para este fin. La selección del tipo
de relleno y de su modo de ejecución está
determinada
hidrogeológicas
por
del
las
sustrato.
condiciones
Si
la
permeabilidad del sustrato es baja podrán
realizarse rellenos granulares siempre que el
42

43. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
sellado alcance la máxima profundidad del nivel
no puedan depositarse piedras sobre el

piezométrico, mientras que si el sustrato es
tubo,
permeable o se conoce de la existencia de
aplastamiento
que
pudieran
causar
su
acuíferos es necesario sellar la perforación
En definitiva, en la zona del
para evitar afecciones hídricas.
tubo se puede utilizar gravilla, reciclado de
De la excavación o de la zanja para tubos
escombros y escoria molida.
En la medida en que la temperatura de
Cuando el tendido sea bajo
la tubería aumente considerablemente por
carreteras se deberá efectuar el rellenado de la
encima de la temperatura de la zanja a
zanja con arreglo a la instrucción ZTV A-Stb 97
consecuencia de la radiación solar directa, se
“Condiciones
deberá cubrir ligeramente la tubería antes del
adicionales para excavaciones en superficies
rellenado definitivo, con el fin de obtener un
para tráfico rodado”.
contractuales
y
directrices
Es muy importante tener en cuenta que
tendido con un bajo nivel de tensiones.
A diferencia de lo señalado en
la UNE EN 1610, en el caso de los tubos PE-Xa
los tubos
PE100 deben tenderse siempre
sobre un lecho de arena.
se puede reutilizar el material excavado para la
zona de la tubería y para el rellenado del resto
Redes equipotenciales
de la zanja, siempre que:

deben utilizar como conductores de puesta a
bien

Los tubos, en ningún caso se
el material excavado se pueda apisonar
no supere una granulometría de máx.
63 mm
tierra de instalaciones eléctricas según DIN VDI
0100.
1.1.13. Ensayo de tést de respuesta térmica del terreno (TRT)
La energía geotérmica de baja y muy
circula por unos tubos, preferentemente de
baja entalpia, constituye un recurso muy apto
polietileno, insertados en la perforación con
para gran número de aplicaciones, algunas,
diferentes formas de tubo, en “U”, doble “U”,
como la climatización de edificios, espacios,
concéntricos, entre otros.
etc...
El espacio entre las tuberías y la pared
Este
tipo
instalaciones
de la perforación es rellenado con cemento-
habitualmente se componen de una bomba de
bentonita, mortero u otro material de relleno
calor
para asegurar un buen contacto térmico y
geotérmica
y
de
de
un
sistema
de
perforaciones para aprovechar la temperatura
prevenir
templada y constante del subsuelo.
subterránea.
La
energía
térmica
es
la
circulación
vertical
de
agua
transmitida
La bomba de calor es una máquina
desde la tierra a un fluido caloportador que
basada en el ciclo de Carnot, que absorbe calor
43

44. UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
de una fuente para entregarla a otra que está a
entre la temperatura de la fuente de calor y la
una temperatura superior.
temperatura a la que se cede el calor, es
El
rendimiento
de
estos
equipos
depende de la diferencia de temperatura entre
estas dos fuentes (captación y cesión de calor).
Las
bombas
(aerotérmicas)
de
calor
absorben
convencionales
el
calor
de
la
atmósfera, que en invierno puede llegar a
temperaturas inferiores a los 0°C. A estas
temperaturas la captación de calor en el
mucho menor, y por tanto el rendimiento del
equipo es notablemente superior. Además, la
estabilidad térmica del subsuelo permite que la
eficiencia de los equipos geotérmicos sea
siempre
máxima
y
no
dependa
de
las
condiciones meteorológicas ni estacionales, a
diferencia de lo que ocurre en los sistemas
aerotérmicos.
evaporador es difícil, y el rendimiento de la
El intercambio de calor con el subsuelo
bomba bajo. Las bombas de calor geotérmicas
permite proporcionar el mismo confort pero con
aprovechan el calor acumulado en el subsuelo
una necesidad de energía eléctrica mucho
a una temperatura prácticamente constante
menor que la de una bomba de calor
durante todo el año. En este caso, la diferencia
aerotérmica.
Figura 37: Esquema de una instalación geotérmica báasica
44

45. La dificultad principal que surge es la
incertidumbre
en
la
caracterización
del
antoja
fundamental
dimensionado
óptimo
para
de
obtener
la
un
instalación
comportamiento térmico del subsuelo. Las
(número de perforaciones, profundidad de las
propiedades térmicas que
es necesario
perforaciones, tipo de sistema), y poder así
caracterizar en el diseño de este tipo de
reducir el coste de inversión aumentando su
instalaciones son la conductividad térmica
rentabilidad económica.
(λ), la difusividad térmica (α), y la capacidad
El ensayo de TRT permite evaluar in
calorífica volumétrica (ρcp) del terreno donde
situ la capacidad de un sistema geotérmico
se van a efectuar las perforaciones. Estos
para
parámetros son los datos de entrada de los
térmicas locales del subsuelo (conductividad
programas
térmica
informáticos
que,
mediante
poder
determinar
efectiva
del
las
condiciones
terreno),
y
los
simulación, permitirán obtener el rendimiento
parámetros característicos de la instalación
de la instalación geotérmica.
que afectan a su rendimiento (resistencia
La cantidad y la profundidad de las
perforaciones
que
para
Antes de proceder a explicar el
satisfacer una determinada carga térmica,
desarrollo teórico de la transferencia de calor
dependen
propiedades
en el subsuelo se muestran los parámetros
térmicas del terreno. La estimación precisa
geométricos, termofísicos e hidráulicos que
del comportamiento térmico del terreno se
intervienen en el mismo.
mucho
se
de
requieren
térmica de la perforación).
las
Di : Profundidad de la zona aislada del pozo
[m]
Dm = Di + H/2: Profundidad media del pozo [m]
H: Profundidad eficaz del pozo [m]
Hb = Di + H: Profundidad total del pozo [m]
r : Radio [m]
r0: Radio del pozo [m]
Lp: Longitud total de tuberia [m]
Figura 38: Parámetros geométricos

46. T0: Temperatura media anual de la
superficie del terreno [K]
Tsur: Temperatura media del terreno
en condiciones normales (sin pozo)
[K]
Tr: Temperatura del terreno de la
pared del pozo [K]
Tf: Temperatura media del fluido
caloportador [K]
Q: Potencia termica intercambiada
[W]
q=Q/H: Flujo de potencia termica
intercambiado [W/m]
λ: Conductividad termica del
terreno [W/mK]
a: Difusividad termica del terreno
[m2/s]
Figura 38: Parámetros termofísicos
Parámetros hidráulicos
s: reducción del nivel de agua en el pozo [m]
Las capas rocosas del subsuelo se
consideran heterogéneas y anisótropas. El
principal mecanismo de transferencia de
calor es la conducción, aunque es importante
considerar también la convección que se
establece en las grietas y fisuras con aire y
agua, y que depende del tamaño de las
mismas y de las propiedades del fluido que
contienen. La radiación entre las superficies
de
las
fisuras
de
las
rocas
puede
despreciarse.
El ensayo de TRT se efectúa en una
perforación
aislada,
con
una
tasa
de
intercambio de calor constante entre el
subsuelo y el fluido caloportador que se hace
pasar por la misma, y es por esto que no se
considera el efecto de las perforaciones
contiguas que puedan existir.
La
temperatura
del
subsuelo
aumenta con la profundidad. Esto es lo que
se conoce como gradiente geotérmico.