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El Control de la Verticalidad en la Perforación.

Tips #1 Generalidades

El control de la verticalidad en la perforación  es un tema extenso, y por esto lo trataremos en varios posts.

La máxima preocupación de cualquier perforador orientado a la ejecución de un sondeo de captación de agua subterránea es que cuando el taladro haya llegado al horizonte de profundidad determinado por el cliente o la dirección de obra, la tubería de habilitación llegue al lugar exacto definido y forme un espacio anular concéntrico con las paredes del pozo. De esta manera, las cribas quedarán a la altura correcta, el filtro de grava tendrá un espesor constante en toda su longitud y se garantizará que los tramos más productivos del acuífero atravesado estén en contacto con la mayor superficie de criba posible.

Son dos las cuestiones principales a tener en cuenta para conseguir una buena ejecución de la perforación.

  1. Ejecutar un taladro que no se desvíe de la vertical el máximo previamente definido por el cliente o la dirección de obra.
  1. Que dentro de esa desviación el taladro sea recto es decir, que no presente alabeamientos, curvas, escalones o pérdidas del eje de la perforación.

Un taladro puede estar bastante desviado de la vertical y ser recto, lo que tendría consecuencias en los momentos de la instalación del equipo de bombeo, debido a roces, enganches, etc, pero podría funcionar bien. Desvíos de unos pocos grados (3º ó 4º) puede ser admisible, sobre todo en sondeos de pequeño diámetro, pero a medida que aumenta el diámetro de la habilitación el margen de desvío debería ser menor.

Un taladro puede tener un desvío muy contenido, estar casi en la vertical, pero presentar continuos alabeamientos, barrigas y curvas debido a la heterogeneidad del terreno o a cualquier factor operativo. Estas barrigas sí afectan gravemente a la fase de habilitación y explotación final de la captación por los motivos siguientes:

  1. La existencia de barrigas, escalones y curvas reduce significativamente la sección del taladro, pudiendo impedir completamente la entrada de la tubería de revestimiento y las cribas.
  1. La presencia de escalones y barrigas dentro del taladro pueden forzar a la criba a rozar con las paredes del pozo pudiendo provocar aperturas de la espira continua y roturas en el filtro, o poniendo en contacto la criba directamente con la formación, impidiendo la disposición concéntrica del empaque de gravas y permitiendo la entrada de finos durante la explotación.

Para ejecutar una perforación vertical, sin curvas ni escalones, hay que tener en cuenta el contexto geológico donde se va a perforar y ajustar un ensamblaje de fondo adecuado. Cuestión de máxima importancia es que el operador aplique de modo correcto los parámetros de perforación sobre la sarta (peso sobre la herramienta y rotación).

Tips #2 Ajuste del ensamblaje de fondoContexto Geológico

Como comentaba en el post anterior, para ejecutar una perforación vertical, sin curvas ni escalones, hay que tener en cuenta el contexto geológico donde se va a perforar y ajustar un ensamblaje de fondo adecuado. Cuestión de máxima importancia es que el operador aplique de modo correcto los parámetros de perforación sobre la sarta (peso sobre la herramienta y rotación).

El ensamblaje de fondo está formado por el conjunto de todas las herramientas que se ubican por debajo de las barras de perforación.

Un contexto geológico heterogéneo influye mucho en el desvío de un taladro. Las peores condiciones se obtienen donde se alternan capas con contrastes de dureza en la formación a atravesar, laminación fina, bolos o bloques que incluso pueden presentar superficies de contacto inclinadas, siendo además lo habitual.

Figura 1. Aspecto del taladro en formaciones con durezas decrecientes y sin control de desvío.

En formaciones con dureza decreciente, se pueden encontrar situaciones de desvío como la que se presenta en la figura 1. En cada contacto se pasa a un estrato de dureza inferior al que le precede. En este contexto, un ensamblaje de fondo sin control escalona el taladro de la forma expuesta.

En contactos de formaciones con dureza creciente el escalonamiento se produce a la inversa. La superficie dura del contacto provoca un deslizamiento de la herramienta a favor de la pendiente del plano de contacto. Cuanto mayor sea el contraste de dureza de ambos estratos mayor será la fuerza de empuje lateral y mayor el desvío, siempre que no exista detrás un conjunto de estabilizadores y barras de peso, tal y como ya hemos comentado.

Figura 2. Empuje lateral por contacto de dureza creciente.

Figura 3. Efecto de una cavidad o fractura con material triturado o incompetente.

Por desgracia, este tipo de situaciones son muy frecuentes, también en Chile,  donde habitualmente se comienza a perforar rellenos aluviales formados por grandes bolos dentro de una formación areno-arcillosa o con gravas parcialmente cementadas o sueltas, siguen conglomerados más o menos cementados,  y finalmente pasa a materiales metamórficos deformados, secuencias vulcano sedimentarias, o rocas ígneas. Otras veces se perfora sobre la serie metamórfica, ígnea, volcánica o la secuencia vulcano sedimentaria directamente, presentando frecuentes fisuras, fracturas con material no competente triturado que no se sostiene, incluso alguna fractura abierta que se comporta como cavidad.

Un ensamblaje de fondo adecuado es aquel que mantiene el eje de la perforación en una línea recta vertical e impide la formación de escalonamientos y curvaturas dentro del taladro y se consigue utilizando estabilizadores y barras de peso.

Dependiendo del diámetro de la perforación, la litología y estructura de la misma, el método de perforación, el equipo de superficie y la disponibilidad de la herramienta, se configura un ensamblaje de fondo que favorezca un buen tallado de la roca.

Tips #3 Ajuste del ensamblaje de fondoHerramientas de Perforación

El ensamblaje de fondo estándar está formado como mínimo por los siguientes elementos:

Herramienta de perforación.

Estabilizador.

Barras de peso.

Herramienta de perforación.

Ya sea Policono, tricono, trialeta o martillo neumático. Según lo comentado previamente.

Los triconos o policonos se construyen de distinta forma y se aplican sobre todas las formaciones a perforar según su dureza. Se clasifican según un código de aplicación denominado código IADC (International Association of Drilling Contractors). Este código de tres números y una letra define todas las características de la herramienta. Será objeto de otra entrada en el blog.

Los fabricantes de triconos proporcionan un rango de parámetros de aplicación de la herramienta consistente en unos intervalos de pesos y r.p.m, aparte de unas horas recomendables de vida máxima del rodamiento dentro de esos valores.

Por ejemplo para un tricono como el que se detalla:

Hughes Modelo: MX-30G. Código IADC:  537X. Diámetro 12 ¼”

Peso sobre la herramienta: 1000 – 6000 lbs/pulgada de diámetro

RPM: 220 – 40

Este intervalo de peso y r.p.m. nos recomienda bien proporcionar 12.000 lbs de peso a 220 r.p.m. (5500 kgs) ó 72.000 lbs de peso a 40 r.p.m. (32.600 kgs). Durante un tiempo de aplicación recomendado de 140 hrs, que es la vida del rodamiento. También son posibles todos los términos intermedios.

En los policonos, el número de conos suele ser de 5 en adelante, en función del diámetro, intentando que siempre sea impar. Por tanto, el peso sobre la herramienta en teoría podría ser mayor. No obstante, durante la perforación suelen darse apoyos puntuales de cada cono con el peso total debido a las propias irregularidades del frente de perforación, por lo que no es aplicable la regla proporcional del número de conos y siempre se debe aplicar con prudencia. Sobre todo si los policonos son hechos en la propia maestranza con conos cortados de triconos.

Para martillos neumáticos también se pueden elegir distintas configuraciones de bits. Pudiendo ser de frente cóncavo, convexo o plano.

Bits con el frente cóncavo van mejor en roca sana ya que minimizan el desvío. Para formaciones duras va mejor el frente plano y el convexo para bocas ensanchadoras con o sin guía y terrenos más blandos.

Hay dos tipos de estabilizadores principalmente, de aletas helicoidales y rectas. La estabilización se realiza mejor cuando se utilizan herramientas con aletas helicoidales ya que la rotación es mucho más suave, minimizándose el rozamiento sobre la formación atravesada y los enganches en las discontinuidades. Los de aletas rectas a menudo restan mucho torque al equipo provocando una perforación más brusca con enganches continuos, no pudiendo ajustarse tanto al diámetro de la herramienta como los helicoidales.

La diferencia de diámetro entre los estabilizadores y la herramienta de perforación es pequeña, en triconos se puede ir hasta 1/8” por cada lado (3 mm). Con martillos es recomendable dejar el doble ¼” (6 mm).

Los estabilizadores deben ir ubicados lo más cerca posible de la herramienta de perforación. Lo ideal es a menos de 50 cms. Utilizando triconos es posible ya que sobre el mismo se rosca directamente el primer estabilizador. Cuando se perfora con martillo neumático, ya no es tan fácil. Habitualmente los martillos son de más de un metro de longitud, con lo que el primer estabilizador se ubicaría entre 1,5 a 2,5 mt. del bit, y esto es mucha distancia. Existe una opción que algunos fabricantes de martillos ofrecen, como martillos con la camisa estabilizada a un diámetro determinado. El resultado de esta herramienta es magnífico si se complementa con un ensamblaje adecuado, ya que ubica el estabilizador a menos de 50 cm. del bit,

En el gráfico,  Estabilizador de aletas helicoidales con conexión hembra/hembra para posicionar encima del tricono.

Barras de peso las hay de todos los diámetros. Dependiendo del diámetro de perforación se selecciona una u otra. Como regla práctica, siempre se utilizaría la de mayor diámetro disponible, siempre dejando una buena tolerancia entre la misma y las paredes del taladro ( 1” como mínimo por cada lado suele ser suficiente).

Las barras de peso tienen una doble función, que es igual de importante.

Por un lado suministran el peso adecuado sobre la herramienta para obtener un buen rendimiento. Una boca de conos necesita peso. Si no es así, el rendimiento será mínimo y el coste por metro perforado será muy alto debido al tiempo total utilizado en la perforación.

Por otro lado, las barras de peso junto a los estabilizadores, constituyen elementos rígidos que proporcionan al ensamblaje de fondo una gran resistencia al pandeo. Esta característica es la que garantiza que el taladro salga completamente recto sin barrigas, escalones y curvas. Es quizás la característica que más se debiera controlar en la configuración del ensamblaje de fondo.

En la siguiente gráfico se pueden ver las especificaciones de las barras de peso más utilizadas.

Por tanto, estabilizadores bien ajustados en un número de dos al menos y barras de peso para garantizar rigidez en un número de tres al menos. Para darle peso a la herramienta, cuantos más se utilicen mejor, siempre y cuando no se excedan las recomendaciones del fabricante para la herramienta.

Como cuestión principal en el control del taladro, en la conservación del material y de buenas prácticas en general se puede afirmar que nunca se deben utilizar las barras de perforación ni el empuje del equipo en superficie para darle peso a la herramienta de perforación. El peso sobre la herramienta recae exclusivamente en el ensamblaje de fondo. Las barras de perforación siempre trabajan en tensión. En caso contrario la flexión del varillaje modifica el ángulo de ataque de la herramienta en el frente de perforación, favorecido por las discontinuidades de la formación, provocando un desvío de la vertical que puede ser muy importante.

La figura siguiente muestra el efecto que el empuje desde superficie provoca en las barras de perforación y en el taladro. En taladros donde la formación atravesada es blanda de pueden producir ensanchamientos y ojos de llave que permitan al varillaje doblarse hasta el límite de rotura incluso. El desgaste del mismo en estas situaciones es muy importante.

En el gráfico se observan los efectos del empuje sobre la sarta de perforación desde superficie.

La configuración final del ensamblaje de fondo dependerá de la dificultad de la formación que se espera perforar. Se habla de una configuración con rigidez mínima o poco exigente si las condiciones de la formación son homogéneas y de una configuración muy rígida o exigente cuando las condiciones de la formación sean muy heterogéneas.

El objetivo, tal y como se mencionó al inicio, es conseguir que la habilitación una vez instalada en su lugar dibuje un espacio anular concéntrico con las paredes del taladro, estando en la vertical el eje del mismo. La prueba de que el trabajo está bien hecho, es intentar girar la habilitación a mano una vez instalada y colgada del cabrestante. Incluso si tiene centradores, se debe conseguir girar. Si es así, es que el sondeo está muy próximo a la vertical y no tendrá problemas en las fases de montaje de los grupos de bombeo posterior.

A continuación se exponen las posibles configuraciones del ensamblaje de fondo.

En el gráfico se observan distintos tipos de configuraciones del ensamblaje de fondo según exigencia.

A modo de resumen y como reglas prácticas se puede concluir en lo siguiente:

Para la perforación con martillo:

  1. Velocidad de rotación baja (entre 10 y 20 r.p.m). La rotación debe ir suave.
  2. Peso sobre la herramienta bajo, suele estar entre 500 y 2000 kgs sobre el bit, dependiendo del diámetro del mismo y de las recomendaciones del fabricante del martillo.
  3. Estabilizadores helicoidales son los más recomendables debido a su bajo rozamiento con las paredes del taladro. Uno justo encima del martillo.

Si es posible, trabajar con martillos con camisas estabilizadas.

  1. Barras de peso. Solo para dar rigidez al conjunto. Una justo encima del primer estabilizador como mínimo. Recomendable usar 2 al menos.

Para la perforación con tricono:

  1. Velocidad de rotación alta (entre 40 y 180 r.p.m.).
  2. Peso sobre la herramienta alto (como regla general se aplica 1 Ton de peso sobre la herramienta por pulgada en diámetro del tricono. Por ejemplo, para un tricono de 15”, peso a aplicar 15 Toneladas). Sin tener en cuenta el peso del resto de la sarta de perforación.
  3. Estabilizadores. Dos al menos, uno ubicado encima del tricono, el segundo encima de la primera barra de peso. Configurar en función de la tendencia de la formación a crear desvíos.
  4. Barras de peso. Todas las disponibles o todas las que el equipo pueda manejar hasta el máximo de la recomendación del fabricante sobre peso en la herramienta. La primera justo encima del primer estabilizador. La segunda encima del segundo estabilizador para un control estándar de desvío, el resto de barras de peso a continuación.

Se pueden acoplar barras de peso de diferente diámetro, siempre que las de menor diámetro vayan en la parte superior.

En las figuras siguientes, pueden verse dos configuraciones de sarta de perforación completa en un caso concreto de aplicación para reverso inundado para varios diámetros de perforación, según se utilice ensanchador o no.

BHA es la abreviatura de “Bottom Hole Assembly”, que es la traducción de ensamblaje de fondo.

La configuración de la sarta estaba definida según el diámetro de perforación.

DC: barra de peso o Drill Collar.

DP: Barras de perforación o Drill Pipe.

Double DP: Barras de perforación para reverso inundado con tubo interior.

Sub: Adaptadores.

Tips #4 Ajuste del ensamblaje de fondoParámetros de perforación

Cuando tenemos definido el contexto geológico y las herramientas, los parámetros de perforación aplicados sobre éstas son también de suma importancia.

Hay dos tipos de herramientas de perforación de uso habitual en la construcción de sondeos de captación de agua subterránea:

  1. Bocas de conos, ya sean triconos o policonos (hole openers).
  2. Martillos neumáticos.
  1. Las bocas de conos perforan ejerciendo una extrema presión sobre la roca en el punto sobre el que el diente del cono incide en el frente de perforación. En el giro del cono, el diente libera la presión pasando a otro punto y la roca estalla formando un chip que constituye el recorte de perforación.

Requieren de gran peso para que los dientes de la herramienta ejerzan la presión suficiente sobre la formación. La rotación es alta y a igualdad de peso sobre la herramienta, la velocidad de perforación es proporcional a las revoluciones que el equipo perforador sea capaz de imprimir a la sarta.

Los martillos neumáticos perforan triturando la roca por impacto de los insertos de metal duro sobre la formación. Requieren relativamente poco peso sobre el bit, el justo para mantenerlo apoyado en el frente de perforación. La rotación es relativamente baja, la justa para que los insertos de metal duro cambien de posición tras cada impacto. La perforación depende de la energía transmitida al bit por el pistón de la herramienta neumática.

La siguiente tabla muestra una recomendación sobre la rotación de la sarta en función del tipo de terreno a perforar. Cuanto mayor sea la heterogeneidad y la tendencia al desvío de la formación menor será el peso y mayor la rotación, dentro de los intervalos expuestos.

Habitualmente los pesos a aplicar sobre la herramienta exceden las capacidades de los equipos aplicados a la captación de agua subterránea en la perforación con bocas de conos, por lo que siempre se tenderá a ir con poco peso en línea y máximas revoluciones, dentro de las posibilidades del equipo.

Por: Lino Del Campo Castañeda

Director Técnico: ATI Trade SpA.