TIPOS DE PERFORACIÓN DE SUELOS

• Perforaciones con Rotación• Perforaciones con Percusión• Perforaciones con Roto

percusión

PERFORACIÓN CON ROTACIÓN La mecánica de perforación se basa en el corte

por cizallamiento o desgaste por abrasión. Este efecto se produce en esquema mediante una herramienta de corte combinando presión/peso sobre la formación, y un movimiento rotativo, al tiempo que un fluido limpia, transporta y extrae los detritus arrancados. 

Los principales parámetros que se definen en la perforación a rotación son: el peso sobre la herramienta, la velocidad de rotación, las características de la herramienta de corte y la naturaleza y sentido de la circulación del fluido de perforación. 

PERFORACIONES A ROTACIÓN CON CIRCULACIÓN INVERSA

Las dos principales variantes del sistema de rotación son la rotación con circulación directa y la rotación con circulación inversa. La principal diferencia entre ambas radica en el sentido de circulación del fluido de perforación. No obstante, ya los modernos equipos de perforación a rotación suelen estar preparados para trabajar a varios sistemas (circulación directa o inversa, reto percusión, rotación con aire), pudiendo de este modo adaptarse a las condiciones específicas de cada perforación. 

Cuando el diámetro de una perforación es grande, la velocidad del lodo en el anular comprendido entre la pared del varillaje y el terreno, resulta muy pequeña e insuficiente para elevar el detritus o ripio a la superficie, haciendo lenta y peligrosa la perforación. Para evitar esto se invierte el sentido de circulación del lodo, es decir, se le hace descender por el anular y retornar por el interior del varillaje, que además, es de mayor diámetro. Con ello se obtienen 3 ventajas:  (1) gran capacidad de extracción de detritus debido a la alta velocidad del lodo en el interior del varillaje; (2) pequeña cantidad de descenso del lodo por el anular, con mínimo efecto de erosión en las paredes del terreno, disminuido aún por tratarse de lodo limpio, sin partículas de detritus; (3) posibilidad de emplear (si la formación se sostiene) lodos de baja densidad y viscosidad, puesto que la capacidad de arrastre del detritus está confiada a su alta velocidad en el interior del varillaje. Con estos lodos ligeros, que pueden llegar a ser agua limpia, no se corre el riesgo de impermeabilizar acuíferos de poca potencia o escasa presión. 

Fig. 1.- Sistema de perforación con circulación inversa con eyector.

Fig. 2.- Sistema de perforación con circulación inversa por inyección de aire comprimido en el varillaje.

Fig. 3.- Sistema de perforación con circulación inversa con bomba Mammut.

PERFORACIONES CON PERCUSIÓN Los primeros sistemas de perforación por percusión (China, 4000

AC) consistían en un balancín contrapesado por un grupo de hombres, que efectuaban el tiro en un extremo de una cuerda mientras que de otro colgaba la sarta de perforación construida con cañas de bambú.

Este sistema de perforación ha ido evolucionando incorporando técnicas y materiales modernos, por lo que sigue siendo uno de los procedimientos más usados actualmente para la explotación de acuíferos e investigación, ya que presenta ventajas que los más modernos sistemas de perforación no han podido igualar.

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 la misma trozos de variado tamaño, que después se extraen por medio de una válvula o cuchara de limpieza.

Es una técnica válida para cualquier tipo de material, sobre todo rocas consolidadas.

ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN LA PERCUSIÓN DE UN POZO

Columna o sarta de perforación

Cable que imprime a la sarta el movimiento de vaivén que le comunica el balancín de la sonda.

Sonda o máquina de perforación que desde la superficie del terreno proporciona a la sarta (por medio de un balancín), el movimiento de vaivén.

LA ALTURA DE LA CAÍDA DEL TRÉPANO

se determina en función de la dureza del terreno y de la profundidad del fondo de perforación. En máquinas de perforar normales puede oscilar entre 20-60 cm. Para roca dura, la altura de caída debe ser la más corta, hasta una profundidad de unos 20-30 m. Después, teniendo en cuenta el aumento de alargamiento del cable al aumentar su longitud, el sondista experimentado, determinará la altura de caída más conveniente en cada momento. Para rocas blandas la altura de caída debe ser corta, hasta los 5-10 m primeros, pasando luego a la más larga, pero sin dejar que el trépano se clave en el terreno, toda vez que en esta roca, su misión, más que perforar rápido es la de enlucir bien las paredes de la perforación para que no se desprendan.

VENTAJAS E INCONVENIENTESVentajas Inconvenientes

Mayores diámetros (1.100 mm) que permite mayor maniobrabilidad en posteriores actuaciones y la instalación de elementos de bombeo de mayor potencia y volumen

Requiere personal altamente cualificado

Perfecta verticalidad El avance e s más lento aunque en perforaciones poco profundas es equiparable al de una máquina rotativa.

Profundidades de hasta 800 m Es sensiblemente más lenta que los sistemas alternativos

Pueden realizar varias reducciones de diámetro, pueden trabajar en lugares remotos debido a la poca cantidad de medios que necesitan (gas-oil, agua, y otros materiales), en comparación con otros sistemas

En terrenos poco consolidados la necesidad de utilizar tuberías auxiliares de revestimiento limita las profundidades/diámetros de perforación

Produce muestras de gran calidad que permiten evaluar con precisión la naturaleza de los terrenos atravesados

Puede perforar cualquier tipo de terreno

No presenta problemas en terrenos muy fisurados donde otros sistemas resultan inoperativos. No emplea lodos por lo que se evitan riesgos de colmatación de las formaciones acuíferas Costes relativamente bajos de maquinaria, operacional y de mano de obra Pueden instalarse los equipos en áreas de accesibilidad compleja y trabajar en condiciones climáticas extremas.

La perforación por compactación con topo de percusión (impact moling o earth piercing): Consiste en una perforación por impacto empleada en la instalación de tubería con tecnología sin zanja (trenchless). La perforación se realiza sin necesidad de desplazar el suelo (compaction boring). El proceso de perforación es independiente de la inserción de la tubería.

Se utiliza un dispositivo en forma de torpedo que contiene en su nariz un martillo de movimiento alternativo que provoca una fuerza de impacto que impulsa el torpedo hacia delante. Puede avanzar de 7 a 120 cm por minuto. Tras el torpedo se inserta un cable que sirve para tirar de la tubería que va a colocarse. Si el tubo es rígido, entonces se empuja a través de orificio abierto.

Pueden abrirse diámetros de 30 a 180 mm en una sola operación, aunque con múltiples pasadas pueden alcanzarse los 200 – 250 mm de diámetro. Los martillos neumáticos de perforación horizontal son normalmente usados para distancias de entre 5 y 25 m. Este método requiere, aparte de los correspondientes planos actualizados de servicios, del acompañamiento de técnicas indirectas de localización de líneas de servicio y tuberías, como el georradar (GPR) y el detector electromagnético de servicios, para evitar afectarlas durante la perforación.

ESQUEMA DE LA PERFORACIÓN PERCURSIVA

DONDE SE UTILIZAN ESTOS TIPOS DE EXCAVACIONES

Técnicas de reconocimiento en el estudio geotécnico   

Según el Documento Básico SE-C Cimientos, del Código Técnico de Edificación, el estudio geotécnico es el compendio de información cuantificada en cuanto a las características del terreno en relación con el tipo de edificio previsto y el entorno donde se ubica, que es necesaria para proceder al análisis y dimensionado de los cimientos de éste u otras obras. Existen múltiples técnicas de reconocimiento empleadas en la redacción de un estudio geotécnico del terreno. Las técnicas pasan desde una inspección visual básica, por ejemplo para caracterizar un macizo rocoso), a técnicas de campo o laboratorio.

Pilote perforado con barrena continua El Pilote CPI-8 es un  pilote perforado con

barrena continua tipo hélice hasta la profundidad solicitada (“Continuous Flight Auger“, CFA). Se trata de un pilote muy usado en España, siempre que tratemos con terrenos flojos, como arenas o arcillas. Se hormigona a través del núcleo de la barrena, mientras ésta se va extrayendo, para posteriormente colocar la armadura en hormigón fresco con el apoyo de un vibrador hidráulico (lo cual implica una consistencia blanda del hormigón). La punta de la barrena queda introducida varios diámetros dentro del hormigón durante su puesta en obra. Este procedimiento resulta muy interesante respecto a otras tipologías en cuanto al tiempo de ejecución. Los diámetros habituales son de 350 a 1200 mm.

Microtúneles e hinca de tuberías La excavación con

microtuneladoras (microtunnelling) y la hinca de tuberías (pipe jacking) surgen de la necesidad de llevar a cabo el tendido de tuberías sin la excavación de zanja (trenchless) o ejecución “sin trinchera”). El método consiste en empujar la tubería desde un pozo e ir hincándola en el terreno a la vez que un elemento excavador por delante de ella va abriendo el hueco aprovechando el empuje transmitido por dicha tubería. Este método se emplea para diámetros superiores a 500 mm, aunque puede llegarse a diámetros de 1200 a 4000 mm. Se denominan microtúneles porque éstos se realizan sin la presencia de operarios dentro de la perforación, controlándose la perforadora de forma remota.

PERFORACIONES DE ROTO PERCUSIÓN La perforación con roto percusión se realiza

mediante la fragmentación de la roca a través de impactos producidos por un martillo que se transmite a la herramienta perforadora (boca), la misma que está en contacto con la roca, el movimiento de rotación se produce cuando percute a fin de repartir el impacto en toda la superficie del fondo, lo que a su vez facilita la evacuación de los detritus.

Lo clasificamos según la colocación del martillo 1. martillo en cabeza 2. martillo de fondo

MARTILLO EN CABEZA El principio de corte se basa en el impacto

realizado en el exterior de la perforación de un pistón de acero sobre una barrena o varillaje, que a su vez transmite la energía al fondo del taladro por medio del elemento final (boca) que fragmenta en esquirlas la roca. Para asegurar una sección circular en el barreno, a cada golpe gira el útil para presentar a su corte nueva roca virgen en el fondo del barreno. El martillo puede ser neumático o hidráulico.

se utiliza generalmente para sondeos cortos de hasta 100 m y cuando el terreno es duro. Parte de la energía del impacto se pierde en la transmisión y en los cambios de sección del varillaje, por lo que la velocidad de penetración de la perforación disminuirá con la profundidad del barreno.

VENTAJAS Y DESVENTAJASVentajas: Gran velocidad de avance Permite realizar sondeos de gran diámetro y profundidad Buena verticalidad del sondeo Nula colmatación de las paredes del taladro Evita entubaciones y cementaciones Detecta bien los acuíferos Permite el muestreo del agua de formación Obtención contínua de ripios Permite perforar terrenos muy fracturadosDesventajas:• Peso elevado de la sarta (varillas de 6 mt. de longitud tienen un pesonoinferior a 400 Kg.• Necesario disponer una logística generosa al servicio de este sistema deperforación.• Las presiones ejercidas por la columna de agua en el interior del sondeo,dificultan la normal evacuación del detritus

MARTILLO EN EL FONDO En este sistema, el aire comprimido inyectado a

través del varillaje acciona el martillo en el fondo del agujero y es utilizado a su vez como fluido de barrido de los detritus. En la perforación con martillo en fondo, se utilizan diferentes tipos de Útiles cortantes: las bocas ó brocas , unas de plaquetas y otras de botones de carburo de tungsteno. Se reserva este sistema de perforación para realizar pozos en formaciones duras y muy duras preferentemente.

es generalmente usado para rocas duras con profundidades de hasta 300 m, en este caso el martillo va colocado entre el varillaje y la boca de perforación. El movimiento rotatorio se transmite por el varillaje, el cual es accionado por un motor hidráulico colocado en el exterior. La evacuación del detritus es similar al del caso anterior.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS Ventajas: Velocidad de penetración prácticamente constante con el aumento de la

profundidad de perforación Salvo en rocas muy abrasivas, desgastes de las bocas menores que con martillo en

cabeza Vida más larga de los tubos que de las varillas y manguitos de los martillos en

cabeza Desviaciones pequeñas de los barrenos, por lo que son adecuados para

profundidades largas Menor energía de impacto y más frecuencia, lo cual es apto para macizos muy

fracturados o desfavorables No necesitan barras de carga, lo cual permite pequeños carros de perforación para

barrenos de gran diámetro y profundidad Menor coste por metro lineal Nivel de ruido inferior al estar el martillo dentro de la perforación. Inconvenientes : Velocidades de penetración bajas Cada martillo está diseñado para una gama de diámetros muy estrecha que oscila

en unos 12 mm El diámetro más pequeño está limitado por las dimensiones del martillo para un

rendimiento aceptable (unos 76 mm) El costo de un martillo de fondo es muy elevado frente a la pequeña inversión de

un tren de varillaje Riesgo de pérdida del martillo en el interior de la perforación Se necesitan compresores de alta presión con elevados consumos energéticos.

GRACIAS POR SU ATENCIÓN