CAPITULO II: SISTEMAS DE PERFORACIÓN

Desde hace muchos años ha sido un afán de los ingenieros y trabajadores en minería la exploración y o voladura de yacimientos minerales desarrollar métodos de perforación que reduzcan los costos y den mayor productividad de tal modo que la explotación sea rentable y teniendo en cuenta disminuir el grado de contaminación en este proceso. Los métodos de perforación más comunes y utilizados en el ámbito de la minería como en el de los hidrocarburos como son los de percusión, rotación, roto percusión y aire reverso; teniendo en cuenta que estos métodos son de gran ayuda en el ámbito geológico .

INTRODUCCIÓN

SISTEMA DE PERFORACIÓN Para que la perforación se logre debe extraerse todo el material destruido

dentro del agujero mediante la utilización de aire comprimido o agua. En este punto es donde se produce la diferencia entre lo que es la perforación de exploración y la de producción. PERFORACIÓN DE EXPLORACIÓN PERFORACIÓN DE PRODUCCIÓN

La materia que se extrae sirve con el propósito de analizar y poder determinar tipos, calidades y cantidades de mineral para la eventual explotación del yacimiento.

Tiene por finalidad cargar el pozo con explosivos y generar la tronadura para poder quebrar la roca y así ir avanzando con la explotación de la mina.

Perforación de percusión

La técnica de perforación consiste en realizar un movimiento alternativo de bajada-subida de una masa pesada que en su caída va fracturando o disgregando la roca, desprendiendo de los mismos trozos de variado tamaño, que después se extraen por medio de una válvula o cuchara de limpieza .

Es el de un elemento metálico que golpea y deshace la formación: pico o trépano, y un elemento que recoge el terreno triturado: pala o cuchara de válvula.

Con las nuevas y potentes sondas de percusión los rendimientos son espectaculares.

La facilidad de manejo del caber en relación con el del varillaje en la perforación por rotación es una gran ventaja, otra ventaja es la de no necesitar este sistema lodos o mezclas tixotrópicas siempre nocivas al libre paso del agua por los acuíferos .

Perforación de percusión

Entre sus aplicaciones esenciales, cuentan las de captación de aguas subterráneas para suministro urbano, agrícola e industrial.

Son en el área de las perforaciones con fines de recarga artificial de aguas subterráneas, procedente de las lluvias o de otras perforaciones de captación próximas.

Aplicaciones:

Perforación de percusión

Perforación ha roto-percusión

Es el sistema mas clásico de perforación de barrenos y su aparición en el tiempo coincide con el desarrollo industrial del siglo XIX.

PRINCIPIO

Perforación ha roto-percusión

El principio de perforación de estos equipos se basa en el impacto de una pieza de acero (pistón) que golpea a un útil que a su vez transmite la energía al fondo del barreno por medio de un elemento final (boca). Los equipos roto-percutivos se clasifican en dos grandes grupos, según donde se encuentre colocado el martillo:

Martillo de cabeza

Martillo en fondo

PRINCIPIO

Perforación ha roto-percusión

En estas perforadoras dos de las acciones básicas, rotación y percusión, se producen fuera del barreno, transmitiéndose a través de una espiga y del varillaje hasta la boca de perforación.

Los martillos pueden ser de accionamiento neumático o hidráulico.

La percusión se realiza directamente sobre la boca de perforación, mientras que la rotación se efectúa en el exterior del barreno. El accionamiento del pistón se lleva a cabo neumáticamente, mientras que la rotación puede ser neumática o hidráulica.

Según los campos de aplicación de estas perforadoras, cielo abierto o subterráneo, las gamas de diámetro más comunes son:

TABLA

Las ventajas principales, que presenta la perforación rotopercutiva, son:

Es aplicable a todos los tipos de roca, desde blandas a duras.

La gama de diámetros de perforación es amplia. Los equipos son versátiles, pues se adaptan bien a

diferentes trabajos y tienen una gran movilidad. Necesitan un solo hombre para su manejo y

operación. El mantenimiento es fácil y rápido, El precio de adquisición no es elevado.

En virtud de esas ventajas y características, los tipos de obras donde se utilizan son:

En obras públicas subterráneas; túneles, cavernas de centrales hidráulicas, depósitos de residuos, etc., y de superficie; carreteras, autopistas, excavaciones industriales, etc.

En minas subterráneas y en explotaciones a cielo abierto de tamaño medio y pequeño.

Fundamentos de la perforación rotopercutiva

La perforación a roto percusión se basa en la combinación de las siguientes acciones: Percusión. Los impactos producidos por el golpeo del pistón originan unas ondas de choque que se transmiten a la boca a través del varillaje (en el martillo en cabeza) o directamente sobre ella (en el martillo en fondo).

Rotación. Con este movimiento se hace girar la boca para que los impactos se produzcan sobre la roca en distintas posiciones.

Empuje. Para mantener en contacto el útil de perforación con la roca se ejerce un empuje sobre la sarta de perforación.

Barrido. El fluido de barrido permite extraer el detrito del fondo del barreno.

Acciones básicas en la perforación rotopercutiva.

Fundamentos de la perforación rotopercutiva

Fundamentos de la perforación rotopercutiva El proceso de formación de las indentaciones, con el que se consigue el avance en este sistema de perforación, se divide en cinco instantes, tal como se refleja en la Fig. a) Aplastamiento de las rugosidades de la roca por contacto con el útil. b) Aparición de grietas radiales a partir de los puntos de concentración de tensiones y formación de una cuña en forma de V. c) Pulverización de la roca de la cuña por aplastamiento. d) Desgajamiento de fragmentos mayores en las zonas adyacentes a la cuña.e) Evacuación del detrito por el fluido de barrido.

Fases de formación de una indentación. (Hartman, 1959).

Perforación con martillo en cabeza

Este sistema de perforación se puede calificar como el más clásico o convencional, y aunque su empleo por accionamiento neumático se vio limitado por los martillos en fondo y equipos rotativos, la aparición de los martillos hidráulicos en la década de los setenta ha hecho resurgir de nuevo este método complementándolo y ampliándolo en su campo de aplicación.

PERFORADORAS NEUMATICAS

Perforación con martillo en cabeza

Un martillo accionado por aire comprimido consta básicamente de:

Un cilindro cerrado con una tapa delantera que dispone de una abertura axial donde va colocado el elemento porta barrenas, así como un dispositivo retenedor de las varillas de perforación.

El pistón que con su movimiento alternativo golpea el vástago o culata a través de la cual se transmite la onda de choque a la varilla.

La válvula que regula el paso de aire comprimido en volumen fijado y de forma alternativa a la parte anterior y posterior del pistón.

Un mecanismo de rotación, bien de barra estriada o de rotación independiente.

El sistema de barrido que consiste en un tubo que permite el paso del aire hasta el interior del varillaje.

PERFORADORAS NEUMATICAS

El pistón se encuentra al final de su carrera de retroceso

Perforación con martillo en cabeza

PERFORADORAS HIDRAULICAS

Perforación con martillo en cabeza

A finales de los años sesenta y comienzo de los setenta, tuvo lugar un gran avance tecnológico en la perforación de rocas con el desarrollo de los martillos hidráulicos.

Una perforadora hidráulica consta básicamente de los mismos elementos constructivos que una neumática.

La diferencia más importante entre ambos sistemas estriba en que en lugar de utilizar aire comprimido, generado por un compresor accionado por un motor diesel o eléctrico, para el gobierno del motor de rotación y para producir el movimiento alternativo del pistón, un motor actúa sobre un grupo de bombas que suministran un caudal de aceite que acciona aquellos componentes.

Perforación con martillo en fondo

Estos martillos se desarrollaron en 1951 por Stenuicky desde entonces se han venido utilizando con una amplia profusión en explotaciones a cielo abierto de rocas de resistencia media, en la gama de diámetros de 105 a 200 mm, aunque existen modelos que llegan hasta los 915 mm.

La extensión de este sistema a trabajos subterráneos es relativamente reciente, ya que fue a partir de 1975 con los nuevos métodos de Barrenos Largos y de Cráteres Invertidos cuando se hizo popular en ese sector.

En la actualidad, en obras de superficie este método de perforación está indicado para rocas duras y diámetros superiores a los 150 mm, en competencia con la rotación, debido al fuerte desarrollo de los equipos hidráulicos con martillo en cabeza.

Perforación con martillo en fondo

El funcionamiento de un martillo en fondo se basa en que el pistón golpea directamente a la boca de perforación.

El fluido de accionamiento es aire comprimido que se suministra a través de un tubo que constituye el soporte y hace girar al martillo.

La rotación es efectuada por un simple motor neumático o hidráulico montado en el carro situado en superficie, lo mismo que el sistema de avance. Fig.

Perforación con martillo en fondo

Sistemas de Avance

Para obtener un rendimiento elevado de las perforadoras las bocas deben estar en contacto con la roca y en la posición adecuada en el momento en que el pistón transmite su energía mediante el mecanismo de impactos. Para conseguir esto, tanto en la perforación manual como en la mecanizada, se debe ejercer un empuje sobre la boca que oscila entre los 3 y 5 kN, para los equipos de tipo pequeño, hasta los mayores de 15 kN en las perforadoras grandes

Los sistemas de avance pueden ser los siguientes: Empujadores. Deslizaderas de cadena. Deslizaderas de tornillo. Deslizaderas de cable. Deslizaderas hidráulicas.

Sistemas de Avance

Sistemas de Avance

DESLIZADORES DE CADENA

Perforación por rotación

Hasta 1949, la mayor parte de los barrenos para voladura eran realizados mediante perforadoras a roto percusión y sólo en el caso de rocas muy blandas era aplicable la perforación a rotación mediante bocas de corte o trépanos.

La apertura en Estados Unidos de grandes explotaciones de carbón a cielo abierto, con espesores de recubrimiento que alcanzaban hasta 40 m, y la aparición en el mercado de un explosivo a granel barato y de gran eficiencia energética como el ANFO, fueron acontecimientos que impulsaron a los fabricantes de perforadoras a diseñar equipos de gran capacidad, capaces de alcanzar elevadas velocidades de penetración.

Introducción

Simultáneamente, se comenzaron a utilizar de forma generalizada en la minería las bocas denominadas triconos, desarrolladas en el campo del petróleo desde 1907, y a aplicar el aire comprimido como fluido de evacuación de los detritus formados durante la perforación.

Los diámetros de los barrenos varían entre las 2"y las 171" (50 a 444 mm), siendo el rango de aplicación más frecuente en minería a cielo abierto de 6" a 121"(152 a 311 mm). Diámetros mayores están limitados a minas con una elevada producción, y por debajo de 6" casi no se emplean debido a los problemas de duración de los triconos a causa del reducido tamaño de los cojinetes.

Introducción

Este método de perforación es muy versátil, ya que abarca una amplia gama de rocas, desde las muy blandas, donde comenzó su aplicación, hasta las muy duras, donde han desplazado a otros sistemas, como es el caso de la perforación térmica (Jet Piercing) en las taconitas.

Dado que la perforación rotativa con triconos es la más extendida, este capítulo está enfocado hacia los grandes equipos capaces de ejercer elevados empujes sobre la boca, ya que las unidades que trabajan con trépanos son más sencillas de diseño y de menor envergadura.

Introducción

Las perforadoras rotativas están constituidas esencialmente por una fuente de energía, una batería de barras o tubos, individuales o conectadas en serie, que transmiten el peso, la rotación y el aire de barrido a una boca con dientes de acero o insertos de carburo de tungsteno que actúa sobre la roca. Fig. 4.1.

Introducción

Componentes principales de una perforadora rotativa de accionamiento eléctrico (Marion).

Perforación diamantina

Los sondeos con recuperación de testigo son caros pero proporcionan gran información geológica. Los precios son de alrededor de US$ 100 (€ 110) por metro perforado. La herramienta de corte es un tubo hueco con una corona de diamante en la cabeza, siendo los diámetros más comunes: 2.17 - 6.35 cm. Se pueden perforar hasta 10 m por hora.

La herramienta gira y corta un testigo de roca (testigo) a medida que profundiza. Dicho cilindro de roca queda contenido dentro del tubo portatestigo. A medida que se profundiza, se van agregando varillas al sistema. El problema es que cuando el portatestigo está lleno (3 m), hay que retirar el varillaje que se ha ido agregando progresivamente. Cuando se han perforado muchos metros, por ejemplo, más de 100, toma tiempo recuperar el tubo portatestigo, y recordemos, el tiempo es dinero. Para remediar esto se puede utilizar un tubo portatestigo conectado con un cable a superficie (wireline core barrel), pero en ese caso, el diámetro del testigo será inferior.

Perforación diamantina

Perforación diamantina

PERFORACION AIRE REVERSO

El sondaje por aire reverso utiliza como fluido principal, para el barrido de los detritus, aire comprimido, el que es dirigido hacia el fondo del pozo a través de barras de doble pared, y permite recuperar los ripios u detritus producidos en el fondo con un mínimo de contacto con las paredes del pozo (poca contaminación)

PERFORACION AIRE REVERSO

La perforación con aire reverso es fundamentalmente diferente de la de diamantina, tanto en términos de equipo y toma de muestras.

La principal diferencia es que la perforación de aire reverso crea pequeñas astillas de roca en lugar de un testigo sólido.

Otras diferencias importantes son en la tasa de penetración y el costo por metro perforado.

El aire reverso es mucho más rápido que la perforación diamantina, y también mucho menos costosa.

PERFORACION AIRE REVERSO

Esquema de sondaje de aire reverso con cabezal de tricono, mostrando el flujo de aire comprimido a través de las barras de doble cámara.

PERFORACION AIRE REVERSO

Note como el aire/agua entra por un sistema interno de doble pared (flechas descendentes) y regresa con los cuttings a superficie por el interior (flechas ascendentes), lo que evita la contaminación que suele producirse en el sistema percusión-rotación

¡MUCHAS GRACIAS!