METODOS DE PERFORACION EN HIDROGEOLOGIA

METODOS DE PERFORACION EN HIDROGEOLOGIA

INTEGRANTESASTO CAPACYACHI, JOSEFLORES LAVADO, HENRYCERNA PALACIOS, ROY

Contenido1.INTRODUCCION32.POZOS PARA ABASTECIMIENTO DE AGUA42.1.Definicin42.2.Objetivos42.3.Tipos42.3.1.Pozo excavado42.3.2.Pozo taladrado42.3.3.Pozo a chorro42.3.4.Pozo clavado42.3.5.Pozo perforado53.EQUIPOS Y MTODOS DE PERFORACIN63.1.MTODOS CON SISTEMA POR PERCUSIN63.1.1.POZOS PUNTA (DRIVEN IFFLFIS)63.1.2.PERCUSIN - CHORRO (JET PERCUSIN)93.1.3.PERFORACIN POR PERCUSIN CON CABLE Y HERRAMIENTA113.2.MTODOS CON SISTEMA POR ROTACIN153.2.1.BARRENOS MANUALES (HAND AUGER)153.2.2.PERFORACIN CON BARRENA TALADRO SLIDA (SOLID FLIGTH AUGER)173.2.3.PERFORACIN CON BARRENA TALADRO HUECA (HOLLOW STEM AUGER)203.2.4.PERFORACIN CON ROTACIN Y AIRE233.2.5.PERFORACIN ROTARIA CON ADEME A PERCUSIN263.2.6.PERFORACIN ROTARIA CON CIRCULACIN DIRECTA283.2.7.PERFORACIN CON DOBLE TUBERA Y CIRCULACIN INVERSA343.2.8.ROTOPERCUSIN373.2.9.PERFORACION NEUMATICA383.2.10.POZO PILOTO403.2.11.FLUIDOS Y ADITIVOS DE PERFORACION453.2.12.TABLAS COMPARATIVAS DE MTODOS DE PERFORACIN59

1. INTRODUCCIONEl presente informe brinda conocimientos necesarios sobre los tipos de perforacin de pozos y equipos que se usan y el procedimiento que realiza cada mtodo.El pozo de bombeo es la captacin que suministra agua para innumerables desarrollos de todo tipo y tamao: desde los pequeos asentamientos rurales hasta las metrpolis; desde las modestas factoras hasta los grandes industriales; desde los huertos domsticos hasta las gigantescas zonas de riego por bombeo.Un pozo no es un simple hueco perforado en el suelo, sino que es una estructura que debe reunir requisitos de ndole tcnico, sanitario, econmico, entre otros aspectos. Por lo tanto, debe permitir obtener el caudal necesario al menor costo posible, debe ser durable y debe ser eficiente, entregando agua de buena calidad.El contenido del informe, primero se dan nociones de los tipos de pozos, luego se clasifica a los mtodos de perforacin en dos grupos: percutivos y rotacionales. Y se detalla cada una de ellas.

2. POZOS PARA ABASTECIMIENTO DE AGUA

2.1. DefinicinUn pozo para abastecimiento de agua es un hueco profundizado en la tierra para interceptar acuferos o mantos de aguas subterrneas.2.2. Objetivos Abastecimiento sostenido de las demandas de agua y acorde con el potencial de acufero. Proveer agua libre de contaminantes y sedimentos. Facilidad de monitoreo del comportamiento de pozos

2.3. Tipos

2.3.1. Pozo excavadoAquel que se construye por medio de picos, palas, etc, o equipo para excavacin como cucharones de arena. Son de poca profundidad y se usan donde el nivel fretico se encuentra muy cercano a la superficie. Su principal ventaja es que pueden construirse con herramientas manuales, adems su gran dimetro proporciona una considerable reserva de agua dentro del pozo mismo.2.3.2. Pozo taladradoAquel en que la excavacin se hace por medio de taladros rotatorios, ya sean manuales o impulsados por fuerza motriz. Su principal ventaja es que pueden construirse con herramientas manuales, adems su gran dimetro proporciona una considerable reserva de agua dentro del pozo mismo2.3.3. Pozo a chorroAquel en que la excavacin se hace mediante un chorro de agua a alta velocidad. El chorro afloja el material sobre el cual acta y lo hace rebalsar fuera del hueco.2.3.4. Pozo clavadoAquel que se construye clavando una rejilla con punta, llamada puntera. A medida que esta se calva en el terreno, se agregan tubos o secciones de tubos enroscados. Son de pequeo dimetro.

2.3.5. Pozo perforadoLa excavacin se hace mediante sistemas de percusin o rotacin. El material cortado se extrae del hueco con achicador, mediante presin hidrulica, o con alguna herramienta hueca de perforar, etc.Cada tipo de pozo tiene sus ventajas particulares, que pueden ser, la facilidad de construccin, tipo de equipo requerido, capacidad de almacenamiento, facilidad de penetracin o facilidad de proteccin contra la contaminacin.

3. EQUIPOS Y MTODOS DE PERFORACIN

La tecnologa de construccin de pozos para la explotacin de los recursos naturales existentes en el subsuelo de nuestro pas, ha tenido un desarrollo espectacular en el transcurso de las ltimas dcadas. En particular, la tecnologa para la captacin del agua del subsuelo se ha desarrollado de forma notable, paralelamente con los avances tecnolgicos de la industria petrolera.

Muchos son los mtodos de perforacin que se han desarrollado, principalmentecomo respuesta a la amplia variedad de condiciones geolgicas en que se emplean (desde rocas duras hasta materiales no consolidados), de tal forma se ha encontrado con que un mtodo es ms conveniente de utilizarse que los dems, dado que sus resultados, tanto tcnicos como econmicos, son buenos, sin embargo esto no implica que el mismo mtodo sea el mejor, ni el ms eficiente para cualquier condicin, tanto geolgica como prctica, es decir, no existe un mtodo 100 % eficiente, utilizable bajo cualquier condicin natural, ya que ste puede variar dependiendo de la profundidad por perforar, el dimetro que se pretenda lograr, el tipo de formacin, los requerimientos sanitarios y el uso del pozo.

Para construir los pozos destinados a la captacin del agua subterrnea, se utilizan, de manera general, 2 sistemas bsicos de perforacin: el de percusin y el rotatorio.

En el transcurso del tiempo han surgido vados mtodos, que conservando los principios bsicos de uno o de ambos sistemas, han desarrollado una nueva tcnica y manifiestan una mayor versatilidad, de tal forma que se tienen los siguientes: rotatorio de circulacin inversa, neumtico y vibropercusin entre otros.

3.1. MTODOS CON SISTEMA POR PERCUSIN

La utilizacin de la percusin se basa en la fragilidad de las rocas.

3.1.1. POZOS PUNTA (DRIVEN IFFLFIS)

Los pozos perforados por este mtodo se construyen introduciendo en el terreno una punta de material resistente (punta de pozo), ajustada al extremo inferior de las secciones de tubera. La punta del pozo debe hincarse hasta cierta profundidad en la formacin acufera y bajo el nivel fretico. La parte ascendente de la tubera sobre la punta del pozo acta como el entubado protector.

Los dimetros de las puntas oscilan entre 1.25" y 2". Esta punta se une a la tubera por medio de coples o a travs de una soldadura. Los tramos de la tubera tienen dimensiones entre 1.2 y 1.5 m.

El equipo usado incluye un martillo, una tapa para golpear, la cual protege el extremo ascendente de la tubera durante la operacin, un triple, una polea y una cuerda de alta resistencia. El mecanismo perforador se puede impulsar, bien sea por mtodos manuales, alcanzando profundidades un poco superiores a los 9.0 m (30 ft), en materiales como arenas o arenas y gravas con horizontes arcillosos, o con la ayuda de mquinas, mediante un martinete montado en un triple, torreta o mstil, logrando profundidades superiores a los 15 m (50 ft), utilizando martinetes de ms de 450 kg de peso.

Fig 4.1 Pozo manual fig 4.2 pozo punta con polea y malacate

La Figura 4.1 muestra las instalaciones del mecanismo de Pozos Punta para un mtodo totalmente manual. En la Figura 4.2 se muestra el equipo operado comnmente por un montaje de perforacin con la ayuda de un triple, polea y malacate.

Cualquiera que sea la forma de golpeo, primero se realiza un agujero inicial barrenando o cavando hasta una profundidad de aproximadamente 60 cm (2 ft) o ms. Como la penetracin es ms fcil en una formacin saturada, el agujero inicial debe hacerse lo bastante hondo para penetrar en la capa fretica, si sta no es muy profunda. El agujero inicial debe ser vertical y ligeramente mayor en dimetro que la punta del pozo. La punta del pozo se introduce en este agujero y se perfora a la profundidad deseada, agregndose tramos de tubera vertical segn sea necesario.

Los acoplamientos de la tubera deben tener extremos rebajados y cuerdas para proporcionar conexiones ms fuertes que los acoplamientos de plomera ordinaria. Las cuerdas de la tubera y acoplamiento deben cubrirse con compuesto para roscas, a fin de obtener uniones hermticas. El conjunto de perforacin debe guiarse tan verticalmente como sea posible; an cuando el golpeteo puede hacerse con un mazo pesado; esta accin no se recomienda, ya que resulta difcil proporcionar golpes rectos y slidos con un mazo, y los golpes desviados podran quebrar o torcer la tubera; por ello el martinete, al estar suspendido, debe colgar directamente sobre el centro del pozo. El peso de dicha herramienta puede variar entre 34 y 135 kg, an cuando se pueden utilizar de mayor peso (hasta 450 kg), las cuales requieren el uso de un elevador mecnico (malacate) o un dispositivo de perforacin.

Las uniones flojas deben apretarse peridicamente haciendo girar ligeramente la tubera con una llave. El giro violento de la tubera no facilita la penetracin y si puede ocasionar daos a la punta del pozo, por lo tanto, esto debe evitarse.

Mediante esta tcnica es extremadamente difcil o imposible atravesar limos densos y arcillas y/o aglomeraciones limo arcillosas. En material grueso, la penetracin est fuertemente influenciada por la presencia de boleos grandes.

Cuando se introduzca la tubera en limos y/o arcillas con el cedazo abierto, se corre el riesgo de que ste se tape, siendo difcil de limpiar o reabrir durante el desarrollo del pozo, particularmente si el cedazo est emplazado en una zona de baja permeabilidad.

Aplicaciones

Monitoreo del nivel del agua en formaciones someras Muestreo de agua, principalmente para control de contaminantes (monitoreo de contaminacin) Desage Abastecimiento de agua Bajos costos de aplicacin que estimulan su empleo

Limitaciones

Alcance limitado en cuanto a la profundidad, aproximadamente 15 m (excepto en material arenoso) Dimetro reducido de ademe No permite muestrear el suelo El ademe de acero interfiere con algunos anlisis qumicos La falta de detalles estratigrficos provoca incertidumbre respecto a las zonas endonde se debe colocar el cedazo y/o si atraviesa reas contaminadas No funciona al tratar de penetrar materiales duros No presenta espacio anular

3.1.2. PERCUSIN - CHORRO (JET PERCUSIN)

Este mtodo emplea 2 fuerzas en combinacin, por un lado, la de un chorro o corriente a alta velocidad de un fluido para cavar un pozo, el chorro de fluido afloja los materiales del subsuelo y los transporta hacia arriba y fuera del agujero; por otro lado, emplea la fuerza por golpeteo constante, de una herramienta de corte, mediante un movimiento de ascenso y descenso.

Las herramientas de perforacin del mtodo de percusin y chorro consisten de un trpano en forma de cincel fijado al extremo inferior de una sarta de tubera. Unos agujeros practicados a cada lado de la aleta del trpano, sirven como boquillas para dar paso a los chorros de fluido que mantienen limpio el trpano, lubricado y fro y que adems, ayudan a aflojar el material que se va perforando.

Para bombear hacia el interior del pozo el fluido de perforacin, se usa una bomba con capacidad de aproximadamente 500 l/min a una presin de 3.5 a 5 kg/cm2, la cual impulsa el fluido a travs de una manguera apropiada y una pequea articulacin giratoria en la parte superior de la tubera. El fluido al salir por el trpano, fluye en forma ascendente por el espacio anular que se encuentra entre la tubera de perforacin y las paredes del pozo, arrastrando as los cortes en suspensin hacia la superficie, depositndolos en una o ms fosas, en donde estos se sedimentan. Desde aqu, el fluido es de nuevo aspirado por la bomba y recirculado a travs de la tubera. Una bomba recproca del tipo pistn sera preferible a una centrfuga, a causa del mantenimiento ms extensivo requerido por la ltima, como resultado de fugas en los sellos e impulsores gastados y otras partes mviles.

El equipo complementado lo forman un triple hecho con tubera de hierro, el cualsirve para suspender el arreglo de perforacin expuesto anteriormente, un aparejo de polea sencilla y cable de alta resistencia complementan el equipo.

El movimiento ascenso descendente de toda la sarta para iniciar la perforacin, puede impartirse a sta, bien sea por medio de un malacate (Figura 4.3.); de igual forma se hace que toda la sarta de perforacin gire manualmente para hacer que el trpano corte un agujero circular y cambie el sentido de impacto sobre el material en el fondo del pozo.

Figura 4.3 Perforacin por percusin y chorro

Hasta el presente, su empleo se ha visto limitado a perforar pozos de 7.5 y 10 cm de dimetro hasta profundidades de alrededor de 60 m, sin embargo se han logrado pozos de hasta 300 m de profundidad, pero no en una forma eficiente, por ello, para esta profundidad, se ha visto desplazado por otros mtodos.

El fluido de perforacin puede ser, agua simple, principalmente cuando las condiciones del barreno sin derrumbes lo permiten, cuando estos se presentan de manera moderada, se puede agregar algn aditivo al agua para evitados (principalmente bentonita), hasta formar un fluido liviano, sin embargo, cuando los derrumbes son relativamente fuertes, debe instalarse un ademe que siga muy de cerca el trpano cuando se est trabajando. En el primero de los casos, cuando no existe ademe o ste slo se encuentra en las partes superiores del barreno, las esquirlas representan un buen registro de las variaciones litolgicas y estratigrficas del terreno.

El sistema de perc97usin chorro puede usarse para la penetracin de algunas formaciones constituidas por areniscas o esquistos, que no sean muy duras, pero su principal rendimiento lo logra al perforar arenas acuferas, en pozos de dimetro pequeo. Las arcillas duras y formaciones guijarrosas le confieren problemas de avance.

Aplicaciones

Permite la medicin de niveles de agua Recoleccin de muestras en forma de esquirlas Propio para formaciones no consolidadas Puede emplearse en algunas formaciones duras Bueno para barrenos de 4", con ademe de 2" Monitoreo de agua para control ambiental

Limitaciones

Necesita fluido de perforacin para rescatar los cortes Dimetro limitado a 4" Desarrollo lento en formaciones densas, como arcillas con boleos Alteracin posible en las formaciones, si el pozo no es ademado inmediatamente al presentarse colapsos y por tanto, mezcla de fragmentos de roca.

3.1.3. PERFORACIN POR PERCUSIN CON CABLE Y HERRAMIENTA

El mtodo de percusin con cable y herramienta es uno de los ms antiguos empleados en la construccin de pozos, este ha sobrevivido por cientos de aos debido a que presenta utilidad en una amplia variedad de condiciones geolgicas, pudiendo ser en ocasiones, la mejor opcin y en algunos casos el nico mtodo posible de usarse. Utiliza el principio de la cada libre de una barrena pesada aplicando golpes contra el fondo de un agujero y penetrando, de esta manera, en el suelo. Los cortes se retiran peridicamente por medio de un achicador o bomba de arena. Las herramientas para perforar y desazolvar se llevan en lneas o cables separados enrollados en tambores elevadores independientes

Los componentes bsicos de un equipo de perforacin por cable y herramienta son: unidad de fuerza motriz para impulsar el carrete del cable de perforacin y el carrete de la bomba de arena y un balancn para impartir el movimiento de perforacin a las herramientas, montadas en un bastidor que lleva una gra o mstil de pozo, adecuado para el uso de una lnea de herramientas de perforacin (Figura 4.4).

Figura 4.4 Perforacin por percusin con cable y herramienta

La sarta completa de perforacin est constituida por 4 elementos: barrena, barra de peso, tijera o percusores de perforacin y el porta cable giratorio. La barrena se usapara aflojar los materiales de roca y/o quebrarlos y, al oscilar, los mezcla con un fluido y en conjunto se extraen por medio de un achicador, cuchara o bomba de arena. Cuando se perfora en formaciones secas, debe agregarse agua para formar el lodo. El paso del agua sobre la barrena permite el movimiento del lodo relativo a ella, y lo extraen por medio de un achicador, cuchara o bomba de arena. Cuando se perfora en formaciones secas, debe agregarse agua para formar el lodo. El paso del agua sobre la barrena permite el movimiento del lodo relativo a ella, y por lo tanto, facilita el movimiento oscilante de cada libre de la barrena. La barra de peso situada inmediatamente sobre la barrena, slo proporciona peso adicional a sta y agrega longitud a la lnea de herramientas para percibir que la perforacin sea recta.

Los percusores son un par de barras de acero, las cuales pueden moverse entre s en una direccin vertical. El juego o carrera de los percusores de perforacin es de 15 a 23 cm (6 a 9 pulg). Los percusores de perforacin deben diferenciarse de los de pesca, de igual diseo, pero con una carrera mayor de 45 a 90 cm (18 a 36 pulg) y que se utilizan para pescar o recuperar herramientas que se han soltado de la lnea de perforacin en el agujero.

El portacable giratorio conecta la lnea de herramientas con el cable de perforacin. Est construido de tal manera que proporciona una ligera rotacin a las herramientas de perforacin en el sentido de las manecillas M reloj, en relacin con el cable. A ste ltimo se le denomina lnea de perforar, su dimetro vara de 518 a 1 pulgada, con torcido izquierdo. La rotacin impuesta a las herramientas, asegura que la perforacin forme un pozo de seccin circular.

La herramienta extractora del material ya perforado puede ser una cuchara o una bomba de arena. La primera es una seccin de tubo con una vlvula de retencin en el fondo. La vlvula puede ser del tipo plano o de dardo. La bomba de arena es una cuchara dotada de un mbolo, que al desplazarse hacia arriba, produce un vaco que abre la vlvula y succiona la arena o el lodo que contiene los fragmentos, hacindolos penetrar al tubo. Las bombas de arena se fabrican siempre con vlvulas de retencin del tipo plano.

La sarta de perforacin debe golpear en el fondo del pozo estando el cable de perforacin tenso, para ser levantado rpidamente por el impulso ascendente de la mquina, es decir, debe existir una sincronizacin entre la cada de las herramientas y la extensin del cable (velocidad de la mquina). Esto implica ductilidad y elasticidad del cable y de algunas partes del mecanismo de la sarta.

Algunos factores que pueden afectar la velocidad de perforacin o su eficiencia son:

Resistencia de la roca Peso de las herramientas Longitud de la carrera Nmero de golpes por minuto Dimetro del barreno Tipo de barrena Profundidad del barreno Densidad del lodo acumulado en el fondo Caractersticas de las formaciones perforadas

Cuando se perforan rocas duras, la accin de la sarta de perforacin es esencialmente de triturador.

En la perforacin de formaciones no consolidadas, el avance de la barrena debe ser seguido de cerca por el ademe, con el objeto de evitar que el pozo se cierre o que ocurran socavamientos laterales. La accin de la barrena es de aflojamiento del material y mezclado del mismo. La actividad fracturadora es de poca importancia, salvo cuando aparecen cantos grandes.

El orden de operaciones en este tipo de formaciones es el hincado, perforacin y limpieza, las cuales se repiten hasta que se logren las profundidades deseadas, tanto de ademe como del pozo mismo. Cada una de las actividades, en trminos generales, consume una cantidad de tiempo similar.

La operacin de hincado del tubo de ademe requiere que el extremo inferior del mismo, se cubra con una zapata protectora, al igual que la parte superior se cubre con un cabezal de hincado que sirve de yunque. Es importante que en los primeros 12 a 18 m el ademado se dirijan verticalmente.

Cuando el ademe no se puede hacer descender a una mayor profundidad o su penetracin pudiera resultar daina, debe introducirse un tubo de menor dimetro por dentro del primero. La perforacin se contina entonces por la parte interior del ademe menor. Esto necesariamente implica una reduccin en el dimetro del pozo. Debido a las circunstancias especficas del pozo, se necesita hacer una, dos o ms reducciones antes de llegar a la profundidad deseada. Por ello, a menudo se inicia con un dimetro mayor al escogido como final del pozo.

El alineamiento apropiado de la sarta de perforacin, concntricamente dentro del entubado, cuando se permite que las herramientas cuelguen libremente, es una precaucin necesaria. Deben efectuarse comprobaciones peridicas con una plomada o nivel de carpintero usados a lo largo del tubo en 2 posiciones, aproximadamente en ngulos rectos uno con respecto al otro, para asegurar que se est perforando en pozo recto y vertical.

Aplicaciones

Puede usarse en cualquier tipo de formacin, sin embargo, est mejor adaptado que otros mtodos para perforar en formaciones no consolidadas que contienen rocas y bloques grandes. Puede emplearse en la perforacin de cualquier dimetro y profundidad. El equipo es fcil de transportar. El equipo es de diseo sencillo y requiere un mnimo de mantenimiento. Las mquinas requieren de un consumo reducido de energa. Se pueden recuperar muestras a cualquier profundidad. Excelente en el muestreo de materiales granulares gruesos. Se puede emplear en lugares con poca agua. Los pozos se construyen con una posibilidad mnima de contaminacin. El perforista mantiene un contacto ntimo con el proceso de perforacin y el tipo de material que se cruza, a travs del tacto con el cable de perforacin. Generalmente slo se necesita una cuadrilla reducida para operar el equipo. Es de fcil operacin y puede utilizarse en situaciones difciles, en terrenos inaccesibles o en reas de espacio reducido. Se puede operar en cualquier rgimen de temperatura. Se puede emplear en formaciones en donde se presentan prdidas de fluidos de perforacin. Los pozos que emplean este mtodo pueden ser verificados en cualquier momento para determinar su avance y verticalidad. Presenta un fcil y prctico desarrollo de pozo. No requiere de trabajos adicionales, ni el uso de agentes dispersantes para la limpieza de los pozos.

Limitaciones

Avance de perforacin relativamente lento comparado con otros mtodos. Falta de rigidez en la sarta de perforacin que provoca poco control de la verticalidad del pozo. Debido a la necesidad de cierta elasticidad en el equipo de perforacin, principalmente en el cable, se presenta una reduccin en el efecto cortante. Cuando se cortan materiales no consolidados, las paredes se colapsan, retrasando el avance de la perforacin, lo que implica un ademado cuyo costo final es elevado. No permite un muestreo de buena calidad en formaciones consolidadas; en las no consolidadas de grano fino, mezcla los horizontes perforados al rescatar la muestra.

3.2. MTODOS CON SISTEMA POR ROTACIN

El sistema rotatorio es actualmente el ms utilizado, prcticamente puede decirse que ha desplazado al sistema de percusin. En el transcurso de las ltimas dcadas, como parte del desarrollo de la tecnologa de perforacin dentro de la industria petrolera, se han fabricado mquinas rotatorias de mayor capacidad y eficiencia. Adaptados para su empleo en la construccin de pozos para captacin de agua, con estos equipos se han alcanzado profundidades de 2000 m con dimetros hasta de 76.2 cm (30").

3.2.1. BARRENOS MANUALES (HAND AUGER)

El barrenado de los pozos de dimetro pequeo se efecta comnmente con barrenos para tierra accionadas manualmente, aunque en algunas ocasiones se pueden emplear barrenos motorizados para una o dos personas. En las Figura 4.5 y 4.6 se muestran Un buen muestreo puede obtenerse reduciendo el tamao del barreno conforme se alcanza la profundidad deseada, adems de que esto implica una reduccin en la energa empleada para mover la herramienta.

Dos tipos comunes de barrenas de mano. Se componen de un vstago con un mango en el extremo y una punta con hojas curvas en la parte inferior. Las hojas son, fijas pero existen barrenas con hojas intercambiables, que se adaptan a dimetros de 3" a 9". Pueden usarse en la instalacin de pozos de monitoreo someros (ms de 5.m de profundidad) con tubera de 5 cm (7) o menos. Usualmente los vstagos se fabrican en secciones de 1.2 a 1.5 m con acoplamiento de fcil sujecin.

Figura 4.5 Barrenos manuales

La perforacin se inicia empujando las hojas de la punta para hincarlas en el suelo con un movimiento de rotacin. El giro se contina hasta que la punta de la barrena se encuentra llena de material, entonces se saca la herramienta del agujero, se vaca y vuelve a usarse. Se agregan extensiones del vstago, segn se necesite, para perforar hasta la profundidad deseada. Por lo comn, los pozos de profundidad menor de 4.5 m (15 ft) no requieren ms equipo que la barrena. Sin embargo, para pozos de mayor profundidad, es necesario emplear un triple ligero con una polea en el extremo o una plataforma elevada, de manera que el vstago de la barrena se pueda insertar y extraer del agujero sin desconectar todas las secciones del mismo. Generalmente el pozo no puede construirse en presencia de agua, ya que las paredes se pueden colapsar; para estabilizarlas, es necesario introducir un fluido a la perforacin, a fin de igualar las presiones y evitar que se derrumben las paredes. El fluido puede ser agua simple o adicionada con algn aditivo.

El barrenado manual puede aplicarse en avances de corta longitud en acuferossomeros, con la ayuda de tubera de ademe. En formaciones de arcilla, limo y arena no sujetas a hundimiento, se pueden alcanzar profundidades de aproximadamente 15 m. El barrenado, cuando sucede el colapso, puede hacerse bajando el ademe hasta el fondo de pozo y continuar la perforacin poco a poco mientras se hinca dicho ademe. Cuando el barrenado cruza rocas grandes o guijarros, en lugar de la barrena normal, se emplea una barrena espiral (Figura 4.6).

Figura 4.6 Barrena espiral

Aplicaciones

Se puede emplear en investigaciones de suelos someros. Para muestreo de suelos. Identificacin de zonas con comportamiento diferente del agua. Instalacin de piezmetros, lismetros y pozos de monitoreo. No presenta restriccin respecto al material de ademe a usarse.

Limitaciones

Slo se usa para profundidades someras. Incapaz de perforar suelos densos o muy duros. La estabilidad de las paredes del pozo dificultan su mantenimiento. Requieren de una labor manual intensiva.

3.2.2. PERFORACIN CON BARRENA TALADRO SLIDA (SOLID FLIGTH AUGER)

Las barrenas tipo taladro son usadas en secciones mltiples que manifiestan una continuidad en las ondulaciones laterales.

La primera seccin o parte inferior est equipada con una cabeza cortante de aproximadamente 5 cm de largo y con un dimetro similar al de las secciones superiores. Conforme avanza la seccin inferior cortante dentro de la tierra, los fragmentos sueltos del terreno son transportados hacia arriba, por el movimiento de rotacin de las ondulaciones laterales (Figura 4.7).

Toda la barrena es rotada en sentido contrario a las manecillas del reloj, por un equipo que le imprime dicho movimiento desde la superficie; al igual que el impulso descendente, el cual es proporcionado por un empuje hidrulico o por algn otro dispositivo. Los tramos individuales de barrena tienen una longitud de 1.52 m y se encuentran ensamblados por una variedad de seguros distintos o combinados. Cuando los barrenos tipo taladro son usados para la instalacin de pozos de monitoreo, es posible emplear dimetros de barrena entre 6" y 14" en su dimensin exterior. La mayora de los equipos de perforacin usados en la instalacin de pozos de monitoreo en material no consolidado pero estable, pueden alcanzar profundidades de 21 m con dimetros de 35 cm (14") y aproximadamente 45 m con dimetro de 15 cm (6").

Figura 4.7 Barrena Taladro slida

En suelos estables, los cortes pueden ser colectados en la superficie como material que es rodado hacia arriba por las ondulaciones laterales de la barrena taladro, sin embargo esta accin es frecuentemente un paso secundario, dado que muchas veces dichos cortes son introducidos, por el mismo movimiento de la barrena, dentro de las paredes del pozo, principalmente en las formaciones someras. Los cortes frecuentemente caen de regreso dentro del pozo a travs del espacio anular y pueden llegar a la superficie hasta que son desalojados junto con otros materiales en una mezcla heterognea. El muestreo no es posible realizarlo despus de que se cruza la primera zona saturada.

El pozo puede ser perforado despus de que la barrena es removida, por algn otro mtodo, sin embargo, no se debe emplear un mtodo a chorro, ya que el movimiento rpido del agua puede provocar el colapso del pozo. Esto es particularmente cierto en formaciones densas.

Debido a que el ncleo de las barrenas tipo taladro es de acero slido, la nica formade colectar muestras inalteradas es por medio de cucharas o por muestreadores de pared delgada, as como utilizando un tubo muestreador insertado en la parte inferior de la barrena, sin embargo esta actividad resulta muy lenta y representa una prdida de tiempo considerable, ya que se tiene que desarmar y armar la barrena, esto representa una sede de maniobras extensas, cada vez que se desee tomar una muestra, adems de que slo es posible, si las paredes del pozo son lo suficientemente estables como para no colapsarse durante el muestreo. Los pozos no son estables por lo general, despus de que han cruzado zonas saturadas de agua, o moderadamente saturadas, de tal forma que un muestreo bajo estas condiciones no es posible hacerlo.

La instalacin de tubera de ademe y del pozo mismo es difcil de realizar una vez que ha sido penetrada la zona saturada, bajo estas circunstancias, se recomiendataladrar hasta la parte superior de la zona saturada, remover la barrena tipo taladro y proseguir empleando algn otro mtodo de perforacin.

Aplicaciones

Investigaciones someras de suelos. Muestreo de suelos. Instalacin de pozos de monitoreo en la zona vadosa. Instalacin de pozos de monitoreo en la zona saturada en suelos estables. Identificacin de la profundidad del lecho rocoso. Es un mtodo rpido y dinmico.

Limitaciones

Muestreo de suelos inaceptable, a menos que se emplee cuchara o tubos de muestreo. Los datos proporcionados por una muestra de suelo se encuentran restringidos a reas y profundidades en donde el suelo sea predominantemente estable. Imposible de aplicar en la instalacin de pozos de monitoreo en la mayora de los acuferos en formaciones no consolidadas, debido a que este procedimiento puede provocar la creacin de cavernas en las paredes del pozo y por tanto, inestabilidad de las mismas. La capacidad de profundizar disminuye conforme se incrementa el dimetro de perforacin. El dimetro de los pozos est limitado por el dimetro de las ondulaciones laterales de la barrena.

3.2.3. PERFORACIN CON BARRENA TALADRO HUECA (HOLLOW STEM AUGER)

Al igual que el mtodo anterior, el equipo de perforacin por taladrado con tubera hueca usa una barrena acompaada por ondulaciones laterales con una cabeza cortante en su parte inferior, de igual forma gira y aplica presin hacia abajo, gracias a dispositivos mecnico- neumticos ubicados en superficie. Los fragmentos de material cortado, tambin ascienden a la superficie rodando sobre las ondulaciones continuas de la barrena.

A diferencia del equipo anterior, ste presenta un centro hueco (Figura 4.8). La barrena al ir descendiendo, acta como ademe y estabiliza al mismo tiempo el pozo. A travs del centro hueco de la barrena, se pueden introducir sartas de perforacin de dimetro pequeo, as como equipos muestreadores.

Figura 4.8. Barrena Taladro hueca

Los mtodos de muestreo que emplean fluidos a alta presin no se deben utilizar, ya que provocan mezcla y alteran el material posible de muestreo, as como inestabilidad en las paredes del pozo, de esta manera los mtodos a utilizarse son la cuchara muestreadora o los tubos de pared delgada; ambos se colocan en la parte final de la tubera de perforacin, en la base del pozo. La cuchara puede emplearse para colectar muestras, donde la mezcla de materiales no importa, mientras que el muestreador de pared delgada, aplicado a presin, se utiliza para obtener muestras inalteradas de los horizontes ubicados inmediatamente abajo de la cabeza cortante.

Aprovechando la tubera hueca de este tipo de barrena como ademe y de acceso hacia el interior del pozo, es posible perforar por debajo de la zona saturada. Cuando la zona saturada se penetra, la mezcla de material granular fino y agua puede formar un lodo que cubre las paredes del pozo. Esta mezcla de lodo puede sellar las zonas productoras de agua y minimizar su introduccin en el pozo. Este sello es incontrolable e impredecible debido a que depende de 3 circunstancias:

El tipo de material (limos y arcillas) que sirve de sello La diferencia de presiones entre las zonas La transmisividad de las zonas

Cuando se atraviesa una zona contaminada, el desarrollo del sello de lodo durante la perforacin puede no ayudar a detectarla y 1 o prevenirla. Otros medios a travs de los cuales los fluidos contaminados se pueden introducir dentro del pozo son las uniones entre tramos de barrena, para prevenir esta situacin o minimizara, se colocan sellos de goma en dichas partes.

Al desarrollarse la perforacin dentro de una formacin acufera, sta se hace bajo presiones confinantes bajas; la grava y arena del acufero, estn muy densas por la humedad, como para ser levantadas por medio de la tubera, este fenmeno se debe, adems, a que la presin en el acufero es mayor a la que se tiene en el interior del pozo, bajo estas circunstancias, la parte inferior de la barrena se obtura con sedimentos, los cuales son desalojados despus de que la muestra se ha colectado, sin embargo esta actividad puede resultar costosa y con una prdida de tiempo considerable.

La perforacin con barrena tipo taladro de tubera hueca (Figura 4.9), esta limitada para usarse sobre materiales no consolidados, sin embargo es posible emplear este mtodo para atravesar lechos rocosos, siempre y cuando al extremo cortante se le adicione un dispositivo con dientes cortantes de mayor resistencia (carburo de tungsteno).

En general, la tubera completa se puede emplear como ademe temporal para prevenir la entrada de flujos laterales de agua al pozo, sin embargo no constituyen aislantes completos, por ello, no se recomiendan cuando se cruza o se presentan horizontes contaminantes.Los dimetros mayores a los que se puede perforar con este mtodo son de 16 cm (6.2T) de dimetro exterior y 8 cm (3.2T) de dimetro interior. Las profundidades que pueden alcanzarse oscilan entre 45 m y 55 m en suelos arenosos, arcillas y limosos; se pueden conseguir profundidades mayores, pero el muestreo es casi imposible.

Figura 4.9 Barrena Cedazo

Aplicaciones

Puede emplearse en todo tipo de suelos. Permite un buen muestreo de suelos empleando cuchara o muestreador de pared delgada. Muestreo de la calidad del agua. Para la instalacin de pozos de monitoreo en todas las formaciones no consolidadas. Puede servir como ademe temporal para el muestreo de rocas. Se puede emplear como ademe en formaciones relativamente estables.

Limitaciones

Dificultad para la preservacin y obtencin ntegra de muestras en formaciones densas El agua o fluido de perforacin empleado para controlar la densidad, puede invadir y alterar las formaciones atravesadas. No es posible controlar la contaminacin a travs del espacio anular. La dimensin de ademe se limita al tamao del dimetro interior del equipo de perforacin. La arcilla aglomerada en la tubera puede sellar el acufero que se desea probar

3.2.4. PERFORACIN CON ROTACIN Y AIRE

El equipo rotatorio de perforacin, que utiliza aire comprimido como fluido de perforacin, constituye un avance notable en la industria de la perforacin de pozos.En este sistema se hace circular aire a presin por la tubera de perforacin, el cual escapa por las aberturas del trpano, subiendo luego por el espacio anular que rodea a la tubera. El aire que se desplaza a gran velocidad dentro del pozo, arrastra los fragmentos hasta la superficie y expulsa a aquellos que se encuentran atrapados en las fisuras de las rocas.

Este procedimiento slo se puede aplicar a formaciones consolidadas. Las mquinas de perforar rotarias diseadas para este tipo de trabajo, vienen equipadas con un compresor de aire de gran capacidad, adems de una bomba convencional de lodo, esto permite el empleo de dicho fluido lquido cuando as se requiera. El lodo para perforar puede utilizarse cuando se est perforando dentro de materiales derrumbables que se hallen sobre un basamento rocoso. Posteriormente, cuando se ha atravesado el material no consolidado, la perforacin puede proseguir dentro de la roca utilizando aire como fluido de perforacin. Es recomendable que, para evitar derrumbes, instalar ademe en el tramo del relleno superior, al pasar a circulacin de aire.

Cuando se perfora con aire, tambin se pueden utilizar las barrenas tricnicas para roca, similares a las que se emplean en la perforacin con lodo. Se emplean en dimetros de 30 cm (12), aun cuando es posible utilizar dimetros mayores. El tipo que se conoce como barrena o trpano incrustado resulta conveniente, sobre todo para formaciones duras. Este trpano se fabrica con incrustaciones de carburo de tungsteno fijadas a la periferia de los rodetes de acero.De manera experimental se ha demostrado que cuando se utiliza aire comprimido en lugar del lodo de perforacin, la velocidad de penetracin es mayor, lo mismo que la duracin del trpano o barrena. Posiblemente la mejor limpieza del fondo que se obtiene con el procedimiento es la que causa un mejor comportamiento. Sin embarg, cuando se est penetrando dentro de una formacin acufera, la velocidad de penetracin no es mayor de la que se obtiene al perforar con lodo.

Otro trpano que se utiliza en el sistema rotatorio con aire comprimido, es un martilloo martinete pneumtico que se halla colocado en el extremo inferior de la tubera. Este combina el efecto percusivo con la accin rotatoria. Esta herramienta se llama martillo descendente, presenta incrustaciones resistentes de carburo de tungsteno, que son las que proveen las superficies de corte y que pueden afilarse mediante esmerilado cuando las condiciones de operacin indican que el martillo ya no est cortando adecuadamente (Figura 4. 10).

Figura 4.10 Martillos de fondo

La velocidad de penetracin, en diversas rocas, es mayor que cuando se utilizan otros mtodos y tipos de herramientas. Hasta ahora, los martillos de gran dimetro no han resultado prcticos. El mximo tamao que se utiliza es el de 15 cm, aunque tambin se dispone del tamao de 20 cm.

El aire comprimido debe suministrarse a una presin de 7 a 7.7 kg/cm2. Algunas herramientas necesitan hasta 14 kg/cm2. Para extraer los fragmentos con efectividad, la velocidad ascendente del aire, dentro del espacio anular, debe ser de unos 900 m/min o mayor. Al perforar pozos de 10 cm de dimetro, el abastecimiento de aire libre debe ser de por lo menos170 m3/hr. La velocidad apropiada de rotacin es de rocas duras y abrasivas.

El costo por metro de perforacin con este sistema esta influenciado en forma sensible por la duracin y costo de los martillos. Al escoger el tipo de martillo que produzca resultados ms econmicos, se debe tener en cuenta la experiencia local y los tipos de rocas consolidadas que se van a perforar.

Una de las ventajas prcticas de la perforacin por este mtodo, consiste en que el perforador puede observar, conforme avanza la perforacin, cuanta agua es expulsada del pozo junto con los fragmentos. En esta forma, esta en capacidad de juzgar si el pozo ha alcanzado la suficiente profundidad como para producir el rendimiento que se desea obtener.

En la Figura 4.11 se pueden apreciar los materiales rocosos en los cuales, tanto labarrena tricnica como el martillo, operan ms eficientemente.

Figura 4.11 Comparacin entre Martillo y Barrena Tricnica

Aplicaciones

Perforacin rpida en formaciones consolidadas y semiconsolidadas. Buena calidad y confiabilidad en la obtencin de muestras, particularmente si se aaden pequeas cantidades de agua y surfactante. Permite la fcil y rpida identificacin de los cambios litolgicos. Permite la fcil identificacin de las zonas que contienen la mayor cantidad de agua. Permite la estimacin sobre la produccin de agua en un intervalo de tiempo corto.

Limitaciones

Requiere de la utilizacin de ademe en la parte superior del pozo. Su empleo se restringe a formaciones consolidadas y semiconsolidadas. Las muestras que se obtienen por este mtodo, son cortes de dimensiones reducidas que dificultan su interpretacin. El empleo de aire a alta presin puede inhibir la manifestacin de pequeas zonas productoras de agua, as como provocar la penetracin de fragmentos de roca en zonas porosas, provocando contaminacin, modificando adems las condiciones qumicas o biolgicas.

3.2.5. PERFORACIN ROTARIA CON ADEME A PERCUSIN

Este mtodo es una adaptacin del mtodo por rotacin y aire comprimido empleando como tcnica adicional, la introduccin en el terreno de un ademe en un movimiento coordinado con la perforacin rotara normal. La tcnica de penetracin del ademe por percusin permite mediante este mtodo la perforacin en formaciones no consolidadas. El mecanismo que introduce el ademe se encuentra instalado en una torre o mstil, en la porcin superior del dispositivo de perforacin rotaria.

Este mtodo combina de manera simultnea el avance de una barrena por movimiento rotatorio, la cual es seguida muy de cerca por una tubera de ademe que penetra en el terreno mediante el golpeteo que sobre ella se lleva a cabo desde la superficie (Figura4.12).

En una perforacin normal, la barrena avanza por delante del ademe a una distancia de 15 a 30 cm, no obstante dicha distancia es funcin de la estabilidad de las paredes del pozo. Mediante este mtodo es posible perforar formaciones no consolidadas en las cuales se presenten cavernas o espacios abiertos con relativa frecuencia y que mediante el empleo de otras tcnicas es imposible superar.

Figura 4.12 Perforacin rotaria con ademe a percusinMediante el empleo de este mtodo es posible realizar cualquier limpieza del pozo por dentro del ademe, de igual forma, este mtodo impide que se presenten contaminaciones o influencia por parte de los fluidos de perforacin con las formaciones del terreno.

Cuando se perforan terrenos en donde se presentan formaciones no consolidadas y aquellas que si lo son, la penetracin simultnea del ademe conforme avanza la perforacin, se puede realizar hasta alcanzar el material consolidado, prosiguiendoposteriormente mediante el mtodo normal de perforacin rotaria con aire comprimido. La combinacin de estas actividades es particularmente eficiente cuando se perforan terrenos que presentan una combinacin de arenas - gravas - arcillas - guijarros - bloques. Las arenas y /o las gravas y zonas inestables, son soportadas por el ademe, mientras que los fragmentos rocosos duros son penetrados por la barrena mediante el movimiento rotatorio.

Debido a que las partes superiores de los pozos se encuentran ademadas, la contaminacin por atravesar acuferos someros, es mnima. La proteccin que representa el ademe, permite la obtencin de un buen muestreo de las formaciones localizadas por debajo de l, an cuando estas sean slo cortes, en ocasiones de pequeas dimensiones. Una ventaja adicional de ste mtodo, es el hecho de que el mismo equipo que introduce el ademe en el terreno, puede emplearse en otras maniobras que llevan a la terminacin del pozo, como por ejemplo, instalacin de rejilla, levantamiento del ademe, etc.

Mediante este mtodo, las manifestaciones de agua subterrnea pueden ser identificadas y evaluadas de manera simultnea, conforme el avance de la perforacin se lleva a cabo. Sin embargo, al igual que en el mtodo anterior, el empleo de aire a altas presiones, puede inhibir la manifestacin de mantos acuferos cuya presin es menor a la del aire utilizado como fluido de perforacin.Adicionalmente el polvo creado durante el proceso de perforacin puede sellar estas zonas de manera definitiva. Por esta razn es necesario que la perforacin se realice de manera cuidadosa y que peridicamente sea detenida, con el fin de verificar la existencia o no de pequeas manifestaciones de agua subterrnea.

Aplicaciones

Perforacin rpida en materiales no consolidados tales como arena, arcillas y limos. Aplicable en la perforacin de material aluvial, incluyendo formaciones guijarrosas. El ademe adems de soportar las paredes del pozo, impide la contaminacin por acuferos someros de mala calidad. Mediante este mtodo los problemas por prdida de circulacin de los fluidos de perforacin quedan eliminados. Se tiene un buen muestreo de las formaciones perforadas. El dao provocado en las formaciones por el descenso del ademe es mnimo.

Limitaciones

Las pequeas manifestaciones de agua subterrnea que comnmente tienen espesores delgados y presiones bajas, son inhibidas por el empleo del aire a alta presin, por ello es comn que no sean identificadas y su volumen no pueda ser aprovechado, lo cual en muchas ocasiones representa una prdida apreciable. Las muestras obtenidas de las formaciones de subsuelo se encuentran por lo comn pulverizadas, lo cual limita la interpretacin. El empleo del aire a altas presiones puede modificar las condiciones biolgicas y qumicas del terreno.

3.2.6. PERFORACIN ROTARIA CON CIRCULACIN DIRECTA

El mtodo de perforacin por rotacin consiste en oradar un agujero mediante la accin rotatoria de una barrena y la remocin de los fragmentos que se producen se eliminan a travs de un fluido que continuamente se hace circular, conforme el trpano penetra en los materiales de la formacin. La barrena o trpano se fija al extremo inferior de una sarta de tubera. En el sistema rotatorio de circulacin directa, el fluido de perforacin es bombeado a travs de la tubera y expulsado por las boquillas de sta. El lodo, entonces, fluye verticalmente hasta la superficie por el espacio anular que se halla alrededor de la tubera. Ya en la superficie del terreno, el fluido se conduce hasta una fosa de sedimentacin y de ah a otra de reserva. De sta, es de nuevo bombeado al interior del pozo una vez que el contenido de fragmentos se haya sedimentado (Figura 4.13). La circulacin del fluido de perforacin en un sentido totalmente opuesto, ha dado origen a una variante denominada "Perforacin Rotaria con Circulacin Inversa", en esta el fluido se inyecta por el espacio anular y retorna por el interior de la tubera de perforacin(Figura 4.14).

Figura 4.13 Perforacin rotaria con circulacin directa

Las cuatro funciones fundamentales de los fluidos de perforacin en el mtodo deperforacin rotaria con circulacin directa son:

Enfriar y lubricar la barrena de perforacin, as como la tubera y bomba de Iodos. Estabilizar las paredes del pozo Prevenir la entrada de fluidos provenientes de las formaciones perforadas. Minimizar las probabilidades de contaminacin entre mantos acuferos atravesados.

Los dos elementos clave en el mtodo de perforacin por rotacin son el trpano o barrena y el fluido de perforacin. Ambos resultan indispensables al cortar y mantener el pozo. Todos los componentes que constituyen la mquina de perforacin por rotacin, se disean para realizar simultneamente estas dos funciones: operacin de la barrena y circulacin del fluido.

Figura 4.14 Circulacin inversa de fluidos

En este mtodo se emplean dos tipos de barrenas: de arrastre, que comprende las barrenas de tipo cola de pescado o de tres aletas y de rodetes dentados, denominadas barrenas para roca o de conos. Las primeras contienen aletas cortas, cada una de ellas tiene un filo cortante con un tratamiento endurecedor en la superficie. Las boquillas o eyectores cortos dirigen chorros de fluido de perforacin (Iodos) por debajo de las aletas para mantenerlas limpias y enfriarlas. Las barrenas de arrastre ejercen rpidamente su accin cortante en arcillas y arenas, pero no son eficientes en grava gruesa o en formaciones rocosas.

Las barrenas de rodetes dentados o conos ejercen una accin cortante y de trituracin, logrando cortar las formaciones duras con efectividad. Los rodetes o conos son dotados de dientes endurecidos de gran variedad de formas y separacin.

Desde el interior de la barrena y en la parte superior de cada rodete, se hace dirigir un chorro de fluido de perforacin que lava las superficies cortantes. En la barrena de rodetes, estos son por lo comn de forma cnica, montados sobre ejes y cojinetes colocados a cierto ngulo con el eje de la barrena. Otro diseo tiene cuatro rodetes, dos fijados a un ngulo y los otros normalmente, al eje vertical de la barrena.

Por la aceptacin que tiene, es evidente que la barrena tricnica es la mejor que puede escogerse. La eleccin de los cortadores, as como del nmero y longitud de los dientes, depende principalmente del tipo de formacin que se deba perforar (Figura 4.15 a,b,c), (Anexo 4 Herramientas de Corte).

Figura 4.15a Tipos de Barrenas Tricnicas

Figura 4.15b Tipos de barrenas ciegas

La barrena funciona en el extremo inferior de la barra de perforacin, que esencialmente consiste de un eje tubular largo. La barra de perforar consta de tres partes: una o ms barras de peso, justamente por encima de la barrena; uno o ms tramos de tubera de perforacin y el vstago giratorio o barra Kelly.

Se emplean una o ms barras de peso en la parte inferior del conjunto, para contribuir a mantener el pozo recto y vertical.

La tubera de perforacin consiste de conductos, por lo general en tramos de 6 m de longitud, con un acople macho en un extremo, adems de una hembra en el otro y varan de dimetro, desde 60 mm hasta 114 mm.

Una regla que puede seguirse en la seleccin del dimetro de tubera de perforacin, es aquella que indica que se emplee tubera cuyo dimetro exterior de acople sea de dos tercios del dimetro del pozo; sin embargo, esta relacin puede resultar poco prctica al perforar pozos cuyo dimetro sea mayor de 25 cm.

Figura 4.15c Tipos de barrenas ciegas

La barra Kelly, constituye la seccin situada en lo ms alto de la columna de tubera de perforacin. La barra pasa y se fija en la mesa rotatoria. La forma exterior de la barra puede ser cuadrada, hexagonal o cilndrica con ranuras longitudinales. Mientras gira, la barra Kelly se desliza hacia abajo entre los cojinetes de gua para seguir el descenso de la barrena conforme avanza la perforacin.

El extremo superior de la barra Kelly va conectado a un eslabn giratorio con acople de rosca izquierda, que permite el paso del fluido de perforacin.

La sarta completa de perforacin se suspende de un eslabn giratorio que permite el paso del fluido de perforacin, el cual a su vez se halla suspendido del mstil o torre por medio de una polea viajera. Un resistente cojinete de empuje axial, instalado entre las dos partes del eslabn, soporta todo el peso, permitiendo a la sarta de perforacin que gire libremente.

Las muestras que se obtienen mediante este mtodo son pequeos cortes que slo proporcionan una idea parcial de las formaciones que son perforadas, por ello cuando el muestreo es de importancia, se deben emplear dispositivos muestreadores especiales como cucharas, muestreadores de pared delgada o barriles wire fine.

Aplicaciones

Perforacin rpida en arcillas y limos compactados as como en arenas y gravas. Permite el muestreo de ncleos de roca consolidada mediante el empleo del dispositivo adecuado. Permite el muestreo de materiales no consolidados empleando cucharas y muestreadores de pared delgada. El equipo de perforacin esta ampliamente disponible en el mercado nacional Existen una gran variedad de herramientas que permiten perforar a varios dimetros y profundidades. Se pueden implementar desde los ms simples programas de perforacin y de fluidos de perforacin, hasta los ms sofisticados. El empleo de fluidos de perforacin, permite la creacin de la costra filtrante en las paredes del pozo, misma que es necesaria para los sondeos y registros geofsicos. No es necesario introducir ademe para sostener las paredes del pozo, dado que estas son sostenidas por la presin del fluido de perforacin.

Limitaciones

Dificultad para remover los fluidos de perforacin y la costra filtrante durante el desarrollo del pozo, cuando se excede el permetro de influencia. Los fluidos de perforacin y sus aditivos influyen en la calidad del agua subterrnea. Las muestras que se obtienen son cortes de dimensiones pequeas que no permiten una buena interpretacin de las formaciones que se han perforado. Los costos de muestreo por un mtodo adicional se incrementan notablemente, sobre todo a partir de profundidades mayores a los 45 m. Es difcil identificar a los horizontes acuferos. La invasin de fluidos de perforacin, principalmente en las zonas permeables, puede contaminadas y provocar interpretaciones errneas, as como reducir su permeabilidad, de manera irreversible. La transportacin del equipo requiere en algunos casos de vehculos y gras especiales, lo cual complica su empleo en terrenos de difcil acceso o de topografa accidentada.

3.2.7. PERFORACIN CON DOBLE TUBERA Y CIRCULACIN INVERSA

En este sistema, la circulacin del fluido se inicia al ser bombeado al interior del pozo a travs del espacio abierto localizado entre la tubera exterior, que acta como ademe, y la interior; regresando a la superficie del terreno, por dentro de sta ltima.(Figura 4.16).

Figura 4.16 Perforacin rotaria con doble tubera y circulacin inversa

El fluido empleado en este mtodo puede ser agua o aire. La tubera interior o de perforacin gira junto con la barrena, mientras que la tubera exterior acta como ademe. De manera muy similar al mtodo de rotacin con aire a compresin y ademe a percusin, la tubera exterior cumple las siguientes funciones:

Estabiliza las paredes del pozo Minimiza la contaminacin de los cortes al pasar por las zonas perforadas Evita la contaminacin entre acuferos perforados en niveles someros, si estos existen.

Este mtodo es una de las mejores tcnicas de las que se dispone para obtener un muestreo continuo y representativo de las formaciones que se perforan. Si la barrena de perforacin es de tipo tricnica, los cortes observados en la superficie del pozo pertenecen a formaciones localizadas a unos centmetros (aproximadamente 30) del resto de la doble tubera, en el preciso instante en que son vistos. Estos representan tan slo una pequea parte del espesor total real de las formaciones perforadas. Cuando se perfora con aire, es posible obtener muestras representativas an de formaciones delgadas y las manifestaciones de agua son fcilmente distinguibles. Los muestreos de agua pueden realizarse siempre y cuando las formaciones acuosas cuenten con la suficiente presin hidrosttica como para vencer la presin del aire empleado como fluido de perforacin, as como la deshidratacin y la capacidad de sello del polvo provocado durante la perforacin.

Las formaciones no consolidadas pueden ser penetradas rpidamente mediante este mtodo. Las formaciones que contienen guijarros y bloques o grava gruesa, as como otros materiales que se consideran de difcil perforacin, pueden ser fcilmente atravesados con esta tcnica. El incremento en la eficiencia de este mtodo, consiste en la habilidad con que cuenta para maximizar la energa en la parte inferior del pozo y la eliminacin de los problemas de prdida de fluidos en su circulacin, as comoen la estabilidad de las paredes del pozo.

Cuando se perfora en roca dura, la barrena tricnica puede ser reemplazada por un martillo neumtico instalado en el interior del pozo, en dicho martillo, el aire acta permitiendo el movimiento descendente y de golpeteo del mismo sobre la formacin a perforar. Este mtodo fue desarrollado en la exploracin minera, en la cual es ampliamente utilizado, en donde se han alcanzado profundidades superiores a los 300 m en diversos tipos de formaciones; en la perforacin de pozos de agua, es de empleo reciente.

Cuando se perfora con aire como fluido de perforacin, se pueden introducir algunas impurezas como aceite, dentro de las formaciones perforadas, por ello cuando se emplea barrena tricnica, se debe instalar un filtro en el ducto alimentador de aire, el cual retenga todas estas impurezas. Cuando se perfora con martillo neumtico no se debe eliminar el aceite, dado que este sirve para lubricar dicho martillo.

Aplicaciones

Permite la rpida perforacin de formaciones consolidadas y no consolidadas. Permite el muestreo continuo en todo tipo de formaciones. Muestras representativas con una mnima probabilidad de contaminacin. Lo mismo sucede con el muestreo de agua.

En formaciones estables, los pozos perforados con dimetros de hasta 6", puedenser instalados a pozo abierto.

Limitaciones

El dimetro de perforacin es reducido. En formaciones inestables el dimetro de perforacin mximo es de 4". El equipo de perforacin no est distribuido ampliamente. El empleo del aire como fluido de perforacin puede modificar las condiciones, tanto biolgicas como qumicas de las formaciones atravesadas, siendo de difcil recuperacin.

3.2.8. ROTOPERCUSINEste sistema combina los principios de la rotacin y la percusin. El ms utilizado es el que emplea aire como fluido de inyeccin, para lo que requiere de un potente compresor, que tambin acciona un martillo de fondo.El aire se inyecta por dentro de las barras y despus de salir por los orificios del trpano, asciende por el espacio anular, siguiendo el mismo trayecto que la inyeccin por rotacin con circulacin directa y arrastrando a la superficie el material triturado por el trpano.La mayor ventaja de este sistema es la rapidez con que avanza en roca y en terrenos formados por rodados de gran tamao. Las desventajas son:1. Requiere grandes y costosos compresores.1. El muestreo litolgico es muy poco representativo.1. Su alcance est limitado por la columna de agua dentro del pozo.La figura 16 es una fotografa de un equipo a rotopercusin, que tambin posee una bomba para la inyeccin de lquido, en caso de ser necesario.

La figura 17 muestra un modelo de trpano acoplado al martillo de fondo; para facilitar el corte y la trituracin, los dientes estn engarzados con pastillas de carburo de tungsteno (widia).Este sistema est recomendado para sondeos de investigacin pozos en terrenos compactos y en roca.

El mecanismo consiste en perforar usando un martillo de fondo. Este posee doble efecto, de un lado una accin rotatoria y de otro un efecto de percusin de alta frecuencia. La combinacin y disgregacin de los materiales utiliza aire comprimido inyectado por el interior de las barras que acciona el martillo de fondo y este mismo aire expulsa los detritus y el agua hacia la superficie por el espacio anular.

3.2.9. PERFORACION NEUMATICALa perforacin con aire representa una ventaja principal al obtener pozos limpios, ya que el acufero nunca es daado en sus caractersticas fsicas (porosidad, permeabilidad), etc) como puede suceder cuando se emplean lodos de perforacin.Este sistema es bsicamente igual a la perforacin con lodos, excepto que las bombas de lodo son reemplazadas por el compresor. Para perforar se emplea barrenas tricnicas o martillos neumticos con barrenas de botones de insertos de carburo de tungsteno.El compresor descarga a una lnea conectada a swivel y a travs del Kelly y de la tubera de perforacin, el aire es forzado a pasar hasta la barrena. El aire, como cualquier fluido sirve para levantar hasta la superficie los cortes de los materiales atravesados y enfriar la barrena, se recomienda su aplicacin cuando se perforan rocas y formaciones compactas ya que una vez que se deja ejercer la presin de aire, las formaciones sueltas y cavernosas provocan derrumbes. Esto no sucede cuando se emplea lodos de perforacin.

3.2.9.1. El martillo neumtico Este opera combinando los sistemas de perforacin con el rotatorio; logrndose una gran penetracin en cualquier profundidad en virtud de no existir perdidas de energa, ya que el pistn del martillo transmite directamente sobre la barrena la accin percusiva y no a travs de la sarta de perforacin, independientemente de las ventajas que se presenta para el control de la verticalidad del pozo, en virtud de la carrera corta y la gran velocidad de impacto del martillo sobre los materiales.La velocidad recomendable del aire en el espacio anular es de 4000 pies por minuto o mayor; esta es controlada por el consumo del aire de la herramienta y de los dimetros de los taladros de la barrena y la tubera de perforacin.Si se incrementa el dimetro de la barrena y se reduce el de la tubera de perforacin para el mismo modelo de martillo, la velocidad del aire en el espacio anular disminuir.El peso que se aplica al martillo para dimetros comprendidos entre 152mm y 203 mm, varia aproximadamente de 1200 Kg a 2280 Kg; pesos excesivos sobre la barrena reducen o encierran la carrera del martillo y por el contrario, la falta del peso sobre la misma impide aprovechar el impacto generado por el aire, por tal motivo es conveniente empleo del sistema hidrulico, para el control del peso apropiado sobre la barrena.Las barrenas empleadas con los martillos, tienen insertos de carburo de tungsteno, cuando no se emplea el martillo, se usan barrenas tricnicas convencionales; la sarta de perforacin en este caso es la misma descrita en el captulo de perforacin de pozos con equipos rotatorios.

3.2.10. POZO PILOTOEl pozo piloto o de exploracin es una perforacin de dimetro pequeo (4 a 6), que se ejecuta para conocer las caractersticas litolgicas del subsuelo y las propiedades hidrulicas y qumicas de los acuferos, a fin de disear, en el caso de un resultado exitoso, la perforacin definitiva o de captacin.Los pozos de exploracin resultan necesarios cuando la perforacin definitiva se ejecutar por rotacin con circulacin directa y durante su realizacin, debern tomarse los recaudos para lograr un muestreo lo ms representativo posible de los terrenos atravesados, particularmente cuando se superan los 80 o 100m de profundidad. Esto, pues el cutting requiere del tiempo necesario para llegar desde el fondo del pozo a la superficie, arrastrado por el fluido de inyeccin. La velocidad ascendente de la inyeccin depende del caudal impulsado por la bomba, del dimetro del pozo y de posibles fugas al enfrentarse con capas permeables. Adems, la velocidad de ascenso de la inyeccin puede ser muy distinta a la del material que arrastra (cutting), especialmente cuando esta es poco viscosa y el cutting de tamao considerable. Cuando el tamao y la densidad del cutting hacen inviable su salida por la boca del pozo, este queda flotando en el interior del mismo y se sedimenta o acumula por encima del trpano, al efectuar el agregado de la barra de perforacin, inmovilizando la herramienta. A modo de ejemplo: si se est perforando con barras de 2 y trpano de 6, con una bomba que inyecta 8 m3/h, el tiempo que tarda el fluido en ascender desde una profundidad de 100 m hasta la superficie, es de unos 13 minutos, a una velocidad de 8 m/min. Esto implica que para tomar una muestra proveniente de esa profundidad, debe mantenerse circulando, sin avanzar, durante unos 15 minutos. El clculo anterior se basa en la ecuacin elemental de la dinmica de fluidos:

Otra prctica que brida un buen indicio del comportamiento de las unidades geolgicas atravesada por el trpano, es la medicin de la velocidad de avance del mismo. Para ello se marca el vstago cada 1 m y se mide el tiempo que tarda en recorrerlo. Pese a que en la velocidad de avance inciden, adems de la litologa, la velocidad de rotacin, el tipo y estado del trpano, el caudal de inyeccin y el peso ejercido por la herramienta en el fondo del pozo, generalmente se obtienen buenos resultados, aunque no puedan precisarse algunos de estos factores (presin de la herramienta en el fondo). En materiales arcillosos la velocidad de avance es notoriamente menor que en arenas sueltas y limpias. La presencia de tosca (carbonato de calcio) en el loess, tambin dificulta el avance y en este caso se manifiesta por un zapateo, a veces intenso, en la mesa rotativa. Las arenas arcillosas y los limos arenosos (loess) brindan velocidades de perforacin intermedias entre las arenas y las arcillas. En la figura 18 se reproduce el perfil de avance de una perforacin exploratoria en Gndara, que alcanz 75 m.

El avance est expresado por la relacin profundidad tiempo y en el perfil, puede apreciarse claramente el ingreso al limo arenoso, castao claro, que se desarrolla de 32 a 39 m, por una disminucin notoria en el tiempo, lo que implica un aumento en la velocidad. Tambin, el pasaje a la arcilla limosa, plstica, de 42 a 48 m, que constituye el techo del Puelche, por una disminucin de la velocidad de perforacin y, finalmente, un nuevo incremento de la velocidad, a partir de 51 m, en coincidencia con el desarrollo de las Arenas Puelches.En la descripcin, el Gelogo puso especial nfasis e caracterizar a los componentes geolgicos en funcin de su permeabilidad relativa (Kr).Luego de alcanzar la profundidad final y con el pozo lleno de inyeccin, pero sin entubamiento, se puede correr un perfilaje, que comnmente se denomina elctrico.El perfilaje elctrico en pozos para agua subterrnea, normalmente est compuesto por 2 tipos de registros (potencial espontneo y resistividad).El potencial espontneo (SP), mide la diferencia natural de potencial elctrico entre las unidades geolgicas. Esta diferencia, se manifiesta con mayor intensidad en el contacto entre las capas arcillosas y las arenosas. El SP se mide en milivoltios (mV) y la interpretacin de su registro, permite establecer cualitativamente la ubicacin de los horizontes ms permeables (arenas), por un desplazamiento de la curva hacia la derecha (milivoltios mayores), y los menos permeables (arcillas) por un desplazamiento contrario (hacia la izquierda).Para obtener un buen registro de perfilaje elctrico, es necesario emplear agua dulce para la inyeccin, pues el uso de agua salada (ms de 2 g/ l) puede producir una inversin de las curvas de SP y resistividad.En la figura 18 se aprecia un suave desplazamiento de la curva de SP hacia la derecha, entre 18 y 24 m, en coincidencia con la posicin del limo arenoso, calcreo, de media a baja permeabilidad. Otra desviacin tenue, hacia mayores mV, se observa a partir de 51 m, coincidente con el techo del Acufero Puelche.Picos de bajo SP se dan a los 12 m (limo arcillo arenoso) y a los 27 m (limo arcillo arenoso, calcreo).La resistividad, que se mide en ohm.m, consiste en inyectar una corriente elctrica en la pared del pozo y registrar la intensidad de su retorno, afectada por la constitucin litolgica y el contenido salino del agua de formacin. Si el componente geolgico es poco poroso y permeable (tosca), la curva de resistividad se desplazar hacia la derecha (valores mayores); si es poroso y poco permeable (arcilla o limo), se desplazar hacia la izquierda (valores menores) porque en este caso incide la salinidad.En los estratos arenosos, con agua de baja salinidad (menor a 1 g/l) la curva se desplaza hacia la derecha (mayor resistividad).En la figura 18 se registra un marcado desplazamiento de las curvas de resistividad hacia la derecha, en coincidencia con el Acufero Puelche. Una de las curvas de resistividad, mide esta propiedad, penetrado pocos cm en las formaciones geolgicas (normal corta), la otra (normal larga) lo hace penetrando ms profundamente, por lo que su registro est menos influenciado por la invasin del fluido de inyeccin.En la figura 18, la resistividad esta expresada en ohm.pie, debido a que el equipo de registracin es de origen ingls.Otro registro que se realiza en las perforaciones de agua, para precisar el perfilaje elctrico, es el de rayos gamma.Rayos gamma, mide la radiacin natural de los componentes geolgicos y tiene la ventaja de que puede realizarse tambin en pozos entubados con PVC o hierro. Es particularmente apropiado para ubicar las capas arcillosas que presentan una emisin radiactiva muy superior a las arenosas, especialmente cuando son de origen marino.Una vez finalizada la interpretacin de los registros realizados en el pozo piloto (cronometraje, muestreo litolgico y perfilaje elctrico) se procede a entubarlo para ensayarlo y tomar muestras de agua del o los acuferos que se captarn con el pozo definitivo.Para el entubamiento normalmente se emplea caera de pequeo dimetro (4 o 6) y filtros preengravados o de pequea abertura (0,10 a 0,25 mm). Luego de instalado el entubamiento se procede a colocar la bomba para hacer la limpieza, el muestreo para su posterior anlisis y, un ensayo expeditivo, a fin de tener una idea del caudal y de la depresin.El entubamiento, ensayo y muestreo del pozo de exploracin, slo se realizan en los sitios poco conocidos hidrogeolgicamente. En aquellos lugares donde se conoce el comportamiento hidrogeolgico, como el NE de la Provincia de Buenos Aires, la ejecucin del pozo piloto tiene por finalidad precisar la posicin de las capas arcillosas, para instalar la caera camisa y, de las arenosas, para enfrentar los filtros.

Una vez ajustado el proyecto con los datos obtenidos de la perforacin de cateo , se agrandar la perforacin utilizando trpanos de dimetro cuatro pulgadas mayor que el dimetro exterior del cao camisa a emplear; hasta atravesar las partes del estrato impermeable, segn los metros proyectados, donde se hincar el cao camisa de 115 de dimetro interno (cao camisa de PVC diam. 115 reforzado,), cementando a presin de bomba de abajo hacia arriba el espacio anular comprendido entre el lado exterior del cao camisa y la totalidad de los terrenos atravesados.

Fraguada la cementacin y completada la misma, se continuar perforando utilizando mechas de expansin dentro del manto acufero. Donde se baj una unidad filtrante por 2 (cao filtro PVC de malla) y cao Sostn de 2 ( cao polipropileno roscado. ) El filtro mencionado se engravar con granza seleccionada de acuerdo a la granulometra de la arena existente en el terreno para lograr el mayor rendimiento del mismo.El espacio anular comprendido entre el cao camisa y el cao sostn de filtro se obturar con un cierre packer hermtico de cemento.

Se realizar limpieza y desarrollo. Y ensayo de bombeo para toma de muestra de agua.

3.2.11. FLUIDOS Y ADITIVOS DE PERFORACIONLa tecnologa de los fluidos de perforacin ha avanzado tan rpido y ampliamente cmo han evolucionado las mquinas perforadoras rotarias. En el siglo pasado, el agua fue el principal fluido usado en la perforacin rotaria, sumndose a travs del tiempo, el empleo de arcillas naturales en unin al agua. En general el trmino "lodo" originado cuando se empleaba el agua y arcillas en la actualidad es obsoleto, ya que en la actualidad los modernos sistemas de lodo son llamados fluidos de perforacin debido, sobre todo, por el gran nmero de aditivos que pueden ser usados para proporcionar propiedades especiales a los fluidos de perforacin.Mucho del progreso actual en los fluidos se ha llevado a cabo en la industria petrolera y han sido aplicados dentro de la actividad geohidrolgica. Actualmente, los sistemas de fluidos de perforacin pueden representar un costo elevado en las perforaciones profundas, sin embargo esto depende en mucho, de la habilidad del perforista para controlar las caractersticas fsicas del fluido, de acuerdo a las situaciones que se presenten en la perforacin del pozo.El primer fluido de perforacin registrado fue el agua, que era dirigida a travs de varillas huecas en equipos de perforacin por percusin, en un intento de sacar material cortado sin tener que retirar las herramientas (operacin que lleva mucho tiempo).Algunas veces se aada arcilla para aumentar la velocidad con el fin de ayudar a la elevacin de los cascajos de roca y de grava. Uno de los principios bsicos de la perforacin rotatoria es el uso de un fluido circundante por unos 50 aos, este ha sido lodo basado en arcilla o bentonita.1. Tipos de FluidosLos fluidos de perforacin empleados en la perforacin de pozos de agua incluyen los de base agua y aquellos que contienen aire principalmente. Los primeros consisten de una fase lquida que contiene partculas en suspensin (coloide) y arrastra esquirlas durante la perforacin. La fase coloidal puede oscilar desde menos de 1 % hasta 50 % del volumen. Los fluidos basados en aire pueden consistir de solamente una fase de aire seco y adems pueden contener agua con surfactante para producir espuma.Ocasionalmente se pueden aadir pequeas cantidades de arcilla o polmeros, adems de una gran variedad de aditivos adicionales que permiten modificar las propiedades fsicas y qumicas del fluido de acuerdo a los requerimientos necesarios. Las arcillas y los polmeros son los aditivos ms usados en los fluidos de base agua y los surfactantes y ocasionalmente arcillas o polmeros en los de base aire.El agua con arcilla como aditivo produce un fluido de perforacin con una gran cantidad de slidos en suspensin, mientras que combinada con polmeros, la cantidad de slidos es muchsimo menor. Existen muchos ms aditivos especiales tales como floculantes, dispersantes, materiales pesados, anticorrosivos, reductores de filtracin, lubricantes, preservativos, bactericidas y materiales para evitar la prdida de circulacin, todos ellos se emplean para ajustar las propiedades del fluido de perforacin. En la perforacin de pozos de agua, el trmino fluido de perforacin" se refiere a varias cosas: agua exclusivamente, aire seco, a una suspensin lquido slidos o a una mezcla de agua y surfactante o agua, surfactante y coloides inmersos en aire.La seleccin del sistema adecuado de fluidos de perforacin depende principalmente de 2 aspectos:1. La formacin o estratigrafa que se espera atravesar, y1. Equipo disponible.La accesibilidad al sitio de perforacin, la disponibilidad del equipo de perforacin y agua, el impacto ambiental y la experiencia del perforista juegan un papel muy importante en la seleccin del sistema de perforacin y del fluido que se emplee. La perforacin en rocas duras, por ejemplo, requiere un procedimiento diferente al empleado al perforar rocas sedimentadas o materiales no consolidados.Los fluidos con base en agua, adicionada con arcillas o polmeros se emplean tpicamente en la perforacin de formaciones no consolidadas; el aire es usado en rocas consolidadas o semiconsolidadas y el agua sola en pozos de dimetro grande en equipos de rotacin inversa en sedimentos no consolidados, consolidados y combinados. El xito de algn sistema de fluidos de perforacin en particular, depende principalmente de la qumica que presente, de los aditivos seleccionados y de las caractersticas del agua y fragmentos rocosos perforados.La construccin de pozos de agua est limitada a emplear fluidos de perforacin cuya base es agua pura. Esta limitante se deriva de la necesidad de que el fluido no influya en la calidad del agua subterrnea. Cuando se emplean otro tipo de fluidos, se pueden presentar muchos problemas:1. Infiltracin de fluido/desalojo en la zona de monitoreo1. Dificultades en el desarrollo del pozo (principalmente cuando se ha instalado un filtro artificial)1. Reacciones qumicas, biolgicas y fsicas con los fluidos naturales de las formaciones perforadasComo los fluidos estn circulando en el pozo durante la perforacin, una cierta cantidad de ellos se introduce en las formaciones, principalmente en aquellas cuya permeabilidad es ms elevada, inhibiendo una propiedad cuyo inters es primordial, por ello su empleo debe medirse adecuadamente. Por otro lado, si el fluido de perforacin y el fluido natural de la formacin presentan propiedades qumicas diferentes, se producen reacciones que afectar, la calidad del agua.El anterior fenmeno es evidente cuando se miden en campo algunas propiedades fisicoqumicas del agua, tales como conductividad, temperatura y potencial hidrgeno, por ello para considerar una muestra de agua representativa del acufero, se deja fluir una buena cantidad de agua y se colecta la muestra cuando se considera que los fluidos de perforacin y su efecto han migrado o cuando tras realizar medidas peridicas de las propiedades fisicoqumicas del agua, stas se han estabilizado en un cierto valor, sin embargo existen efectos, como el provocar precipitacin de minerales o inhibir la capacidad de solvente del agua, que no pueden ser evaluadas y que resultan de la accin del fluido de perforacin y sus aditivos sobre el agua subterrnea.Se puede producir un efecto semejante en el contenido microbiolgico del agua subterrnea, principalmente al emplear compuestos orgnicos como aditivo, como los polmeros, los cuales afectan la actividad orgnica, provocando con ello una variacin en la calidad del agua.En lo que respecta a problemas de desarrollo de pozos, todo el lodo que ha sido desplazado hacia la formacin, debe ser eliminado de los poros de sta, si no es as, el material granular del acufero permanecer parcialmente obstruido, dando por resultado un pozo ineficiente.Es necesario que los perforistas preparen un fluido que produzca el efecto de sellado, pero con muy poca invasin dentro de la formacin y que, adems, no sea muy viscoso para poderlo bombear con equipo convencional.

1. Propiedades de los FluidosLas principales propiedades de los fluidos de perforacin son: densidad, viscosidad, consistencia gelatinosa, propiedad filtrante y contenido de arena, adems de su punto de cambio y capacidad lubricante.La densidad, viscosidad y contenido de arena se deben evaluar en el sitio de la obra, para tener una base que permita regular el lodo durante la perforacin; principalmente para conocer las 2 primeras propiedades, el perforista cuenta con 2 auxiliares, estos son, una balanza para determinar la densidad del lodo y un embudo Marsh para medir su velocidad.La balanza tiene una taza en un extremo y un peso deslizante en la otra porcin de su barra. El peso se mueve hasta que equilibra la taza llena con el fluido de perforacin. La densidad de ste se lee, entonces, en el brazo de la balanza que est graduado. Para la mayora de las perforaciones de pozos de agua, suele ser satisfactorio un fluido con densidad de aproximadamente 1.1 kg por litro (9 lb por gal). La retencin excesiva de arena y dems materiales provenientes de las formaciones perforadas podra aumentar la densidad del fluido hasta niveles muy elevados, por ello es necesaria una constante revisin.La Figura 4.17, muestra los diferentes tipos de fluidos de perforacin y el intervalo de densidades que pueden alcanzar.

Figura 4.17 Densidad de los fluidos de perforacin

Para determinar la viscosidad en el embudo - Marsh, se tapa con un dedo el extremo inferior mientras se llena hasta el nivel apropiado (un volumen de 1.5 l). Despus, se separa el dedo para permitir que descargue el fluido desde el embudo. El tiempo, en segundos, requerido para descargar un litro del lquido, se define como la viscosidad por embudo Marsh expresada en segundos.Un buen fluido de perforacin, con una densidad de 1.08 kg/l, tiene, segn el embudo de Marsh, una viscosidad correspondiente a un intervalo de 35 a 45 segundos. La Tabla 4.1 muestra las viscosidades por embudo de Marsh requeridas para la perforacin en materiales no consolidados

El agua y/o los aditivos, deben agregarse peridicamente al fluido de perforacin, segn sea necesario para mantener la densidad y la viscosidad dentro de los lmites mencionados.La Figura4.18, muestra el efecto que se produce en la bentonita sdica al mezclarse con el agua. Esta figura muestra la variacin de la viscosidad como resultado de emplear agua suave contra agua dura en la preparacin del fluido de perforacin.

Figura 4.18 Comportamiento de la Bentonita en el aguaEl punto de cambio y la consistencia gelatinosa son 2 propiedades adicionales que se consideran en la evaluacin de las caractersticas de un lodo de perforacin. El punto de cambio es una medida de la cantidad de presin que se necesita para que una partcula pueda fluir al iniciarse el bombeo. La consistencia gelatinosa es una medida de la capacidad del fluido de perforacin para mantener en suspensin las partculas arrancadas en la perforacin. Ambas propiedades mantienen una cerrada relacin con la viscosidad. En general, estas propiedades son raramente controladas debido a que su manejo requiere de la adicin de aditivos que pueden impactar la calidad del agua.1. Funciones de los FluidosLos fluidos de perforacin pueden desempear varias funciones, dependiendo de las condiciones fsicas y qumicas que se encuentren en la perforacin de los pozos.0. Remover las esquirlas del fondo del pozo.Unos de los propsitos fundamentales de los fluidos de perforacin es remover las esquirlas del fondo del pozo durante la perforacin. La cantidad y caractersticas de las esquirlas que pueden ser removidas dependen de la viscosidad, densidad y velocidad de ascenso del fluido de perforacin, as como del tamao, peso y rugosidad de los fragmentos rocosos.El fluido de perforacin al moverse hacia arriba y afuera del pozo, eleva los cortes hasta la superficie.En la superficie, el fluido corre por una zanja apropiada hacia una fosa de asentamiento donde se depositan los cortes. De aqu se derrama a una fosa de almacenamiento donde nuevamente se eleva y recircular por medio de la bomba. Una remocin ineficiente de los cortes puede reducir el intervalo de perforacin y de vida til de la barrena, afectar las propiedades fsicas del fluido e incrementar la energa necesaria para recircular el fluido.

0. Proteger y estabilizar las paredes del pozo.El fluido de perforacin retiene las paredes del pozo y evita su socavamiento, mediante la presin que ejerce sobre las paredes del mismo. No existe ninguna frmula matemtica que permita calcular la presin que tendera a derrumbar el pozo rodeado por diversos materiales a varias profundidades. El peso del lodo que se necesita no se puede predecir con exactitud. En la prctica, el perforista se basa en su experiencia para preparar el fluido.0. Enfriar y limpiar la barrena de perforacinEl enfriamiento y la limpieza de la barrena se efectan mediante los chorros de fluido que son dirigidos a velocidad relativamente alta hacia las caras cortantes y el cuerpo de la barrena. Un fluido de perforacin preparado adecuadamente, adems, constituye un lubricante excelente para la perforadora, la bomba de Iodos y la tubera de perforacin, lo cual redunda en un aumento de la vida til de la barrena y una disminucin de los gastos por mantenimiento.0. Sellar las paredes del pozo.Todos los sistemas de fluidos de perforacin deben estar capacitados para controlar las prdidas de fluidos en formaciones altamente permeables, creando para ello una costra filtrante de arcillas o una pelcula de polmeros sobre las paredes del pozo. En un intento por controlar la prdida de fluidos, algunos perforistas han mezclado fluidos, con una alta cantidad de slidos con una circulacin a alta presin, de tal manera que grandes volmenes de fluido son forzados a penetrar en las zonas permeables, a este procedimiento se le ha denominado "self induced fluid loss".Las propiedades del fluido para constituir la pared filtrante incluyen viscosidad, densidad y consistencia gelatinosa. El espesor del filtro (costra filtrante) depende de la capacidad de perder agua de las arcillas que forman el fluido y de la diferencia de presin en ste dentro del pozo. As, si el agua es expulsada rpidamente, se forma un filtro muy grueso que puede tener efectos contraproducentes en el desarrollo de la formacin de pozo.

0. Mantener los cortes y fragmentos de la formacin en suspensinLa capacidad de un fluido para mantener las partculas en suspensin crece rpidamente conforme la velocidad y la viscosidad de ste aumentan. Despus de que los cortes son llevados a la superficie, es esencial que estos sean separados del lodo, conforme el fluido se desplaza por la fosa de sedimentacin, a una velocidad reducida. Los resultados que se desean se obtienen mediante la regulacin de la viscosidad y el peso del lodo, ajustando la velocidad de bombeo y proporcionando a la fosa de sedimentacin la forma adecuada. Un buen fluido de perforacin puede mantener partculas en suspensin, puesto que desarrolla cierta consistencia gelatinosa cuando la circulacin se hace ms lenta o se detiene.

0. Facilitar la obtencin de informacin del subsuelo.Los sistemas de fluidos de perforacin facilitan la obtencin de cortes representativos de las formaciones perforadas, mismas que permiten "calibrar" la interpretacin de los registros geofsicos del pozo.

1. Aditivos de PerforacinExisten una gran cantidad de aditivos que pueden ser adicionados al agua o al aire, y que se emplean con un fin especfico en la perforacin, dicha diversidad se empez a desarrollar a partir de 1940, conforme las crecientes necesidades de la industria petrolera. En la perforacin de los pozos productores de agua, la gama de aditivos es mucho ms reducida que en la industria del petrleo. Algunos aditivos que se pueden mezclar al agua y al aire se presentan en la Tabla 4.2, as como otras caractersticas de importancia.

Tabla 4.2 Concentraciones normales, viscosidades y velocidades de ascenso de los principales tipos de fluidos de perforacinFLUIDOBASEADITIVO YCONCENTRACIONKg/lVISCOSIDADEMBUDO MARSH(SEGUNDOS)VELOCIDAD DE ASCENSO(m/min)OBSERVACIONES

aguaninguna26 + - 0.530 - 36para perforar normal (arena, arcilla y limos)

aguaarcilla (bentonita de alta calidad)6.8 - 11.3 kg/378.5111.3 - 18 kg/378.5115.8 - 20.4 kg/378.5135 - 5565 - 7075 - 8524 - 3624 - 3624 - 36Incrementa significativamente la viscosidad del agua para perforacin normal (arenas, limos y arcillas). para gravas y otras formaciones de grano grueso y pobremente consolidadas para perdidas excesivas de fluidos

Aguapolmero (natural)1.8 kg/378 5 12.8 kg/378.5 12.9 kg/378.5 135 ~ 5565 - 7575 - 8524 - 3624 - 3624 - 36incrementa significativamente la viscosidad del agua para perforacin normal (arena, limos y arcillas) para gravas y otras formaciones de grano grueso y pobremente consolidadas para perdida excesiva de fluidos los cortes pueden ser removidos a travs del espacio anular, el fluido es bombeado rpidamente hacia el pozo debido a que los polmeros presentan una consistencia gelatinosa poco rgida

Aireninguno914 - 15241371 - 1828para perforacin rpida y una adecuada limpieza de cortes de finos y medios no obstante puede provocar problemas en la superficie por la produccin excesiva de polvo esta velocidad de ascenso se requiere por el mtodo de doble tubera

Aireagua (brisa)0.015 - 0.13 lps914 - 1524controla el polvo en la superficie y es apropiadopara formaciones que presentan una entrada limitada de agua

Airesurfactante % agua( aire-espuma ) 0.25 - 0.50%Surfactante 0.50 - 0.75%Surfactante 0.75 - 1.00%surfactante15 - 304aumenta la capacidad de levantamiento de cortes del compresor para perforacin ligera; pequeo flujo de agua, adems para arcillas plsticas arenas hmedas, grava fina, roca dura, perforacin poco problemtica para condiciones promedio de perforacin: diametros grandes, profundidad grande, cortes grandes; incremento del volumen del agua que provoca una excelente limpieza del pozo para perforacin difcil: pozos de diametro y profundidades grandes, cortes pesados; formaciones viscosas e incompetentes intervalos de inyeccin de la mezcla agua-surfactante no consolidados 11.3 - 37.8 lpm rocas fracturadas 11.3 - 24.5 lpm rocas solidas 11.3 19 lpm

aireSurfactante coloides-agua(espuma rgida) 0.75 - 1.00%Surfactante mas 1.4 - 2.8 kg.Polmero/378.51 o 13.6 - 22.7kg.Bentonita/ 378.5 1. 1 - 2%surfactante mas 1.4 - 2.8 kgPolmero/378.51 o 13.6 - 22.5kg. Bentonita/378.5 1.15 - 30gran capacidad de levantamiento de cortes para perforacin difcil: pozos de diametro y profundidades grandes; cortes grandes y pesados para perforacin extremadamente difcil; perdida de circulacin, formaciones incompetentes

En la Tabla 4.3 se presentan los principales productos aditivos de cuatro empresas dedicadas a su elaboracin y algunas de sus aplicaciones.

Una informacin ms detallada puede consultarse en el Anexo 2 Aditivos de Perforacin.

1. Arcilla o bentonita.El lodo de arcilla natural o bentonita es el fluido de perforacin ms comn en uso actualmente para pozos de petrleo y de agua, sus funciones son:1. Retira el material cortado de la cara de la barrena y lo transporta a la superficie1. Lubrica y refresca la barrena y la columna de herramientas.1. Promueve la suspensin del material cortado en el pozo mientras se aada ms tubos de perforacin.1. Permite el asentamiento del material cortado fino en el fondo de las pozas de lodo.1. La perforacin de una pared o costra de lodo para consolidar la formacin y para reducir la prdida del fluido en la formacin.1. Controla las perforaciones subterrneas (flujo artesiano).1. Provee cierta flotacin a juegos largos de herramientas o entubados de retencin de perforaciones en perforaciones profundas.Observando la lista anterior con mayor detalle, la limpieza de la cara de perforacin es esencial para asegurar la mxima vid