Perforación con aire comprimido

La perforación con aire comprimido es una variante de los sistemas de perforación por rotación.

Una de las limitaciones que presentaban los sistemas de perforación por rotación radicaba en la perforación de formaciones rocosas duras o fuertemente karstificadas-fisuradas, por lo que se planteo la necesidad de desarrollar un mecanismo de perforación a rotación en este tipo de materiales rocosos que permitiera mayores velocidades de avance que la perforación por percusión y a su vez no presentar el alto coste de la perforación por rotación.

Como primera solución, en Estados Unidos se desarrolló la perforación a rotación con aire comprimido, sistema en el que se sustituía el lodo como fluido de perforación por aire comprimido. El aire comprimido hacia las funciones del lodo, arrastrando y transportando el detritus. Para ello se dotaba a la perforadora de un compresor de aire que se inyectaba a presión a través del varillaje hasta la herramienta de corte. Estos equipos, además contaban con bomba de lodos lo que permitía sustituir o alternar en función del tipo de terreno que se iba perforando la perforación con aire y la de lodo tradicional.

Las primeras aplicaciones de este sistema datan de 1949 inicialmente se aplicó a perforaciones de investigación minera y geofísica (sísmica), pasando rápidamente a aplicarse a las aguas subterráneas, e incluso a exploración de hidrocarburos (con aire u otros gases) alcanzándose profundidades superiores a los 2000 m. 

Al principio de su aplicación se consiguió duplicar e incluso triplicar la velocidad de avance de los sistemas convencionales de lodos y alargar la vida de las herramientas de corte, resultando especialmente útil para trabajar en zonas áridas o semiáridas con dificultad de abastecimiento de agua para elaborar los lodos. 

Otra de las ventajas que presentaba este sistema de perforación radicaba en la alta representabilidad de las muestras obtenidas durante la perforación, tanto por su alta velocidad ascensional como por la ausencia de contaminaciones por el propio lodo. Sin embargo, el sistema también presentaba sus limitaciones, importantes en cuanto a la relación capacidad del compresor/diámetro-profundidad de la perforación, ya que se necesitaban compresores de gran capacidad para mantener la circulación y extraer los detritus con unos costes de adquisición que superaban varias veces al del propio equipo de perforación, consumiendo además gran cantidad de carburante. Esto, lógicamente, limitaba la rentabilidad de la perforación.  

Muchos de los problemas que inicialmente presentaba se han ido solucionando con la adición a la columna de inyección de aire de productos espumantes y estabilizantes, aunque para el tipo de sondeos en los que aplicaba se ha generalizado el sistema de rotopercusión, debido a que la rotación con aire comprimido sigue estando bastante limitada para perforar terrenos muy duros y con diámetros importantes, por la baja velocidad de avance y por el rápido desgaste de las herramientas de corte de coste elevado. 

Existen varios sistemas de perforación a rotación por aire comprimido:

PERFORACIÓN A ROTACIÓN CON AIRE COMPRIMIDO Y VIBROPERCUSIÓN (VPRH)

Este sistema se desarrollo con el fin de intentar resolver los problemas de la perforación rotativa con aire comprimido.

En este sistema se aplicaban los principios de la circulación inversa. Consiste en perforar mediante un doble tubo. Un tubo exterior, que funciona además como revestimiento de protección, desciende al estar sometido a un movimiento de sinuosidad vibratorio. Al mismo tiempo se aplica el tren de varillaje, que funciona como una tubería de descarga, un movimiento de rotación y percusión que repercute sobre las herramientas de corte, generalmente un tricono con inserciones de carburo de tungsteno. 

En un principio este sistema mixto de rotación con aire y circulación inversa parecía resolver algunas de las limitaciones de ambos sistemas, las experiencias realizadas demostraron que conseguía menos rendimientos que los teóricamente estimados y adolecía además de cierta fragilidad mecánica. 

 

PERFORACIÓN CON MARTILLO NEUMÁTICO (JACK HAMMER)

Se puede considerar como el verdadero antecedente del actual sistema de rotopercusión.

El sistema, desarrollado por Wagon-Drill consistía en un martillo neumático en superficie que golpeaba un tren de varillaje al final del cual se encontraba un útil de perforación o tallante. Aunque en las primeras decenas de metros perforados resulta un sistema rápido, sobre todo si la perforación es de pequeño diámetro, a medida que avanza la perforación el sistema en sí va presentando limitaciones e inconvenientes debidas en parte a que la efectividad en la transmisión de la energía entre el martillo y la herramienta se ve amortiguada por los efectos de absorción del varillaje, y al desvío que se produce en la perforación debido a la flexibilidad del varillaje. 

A estos inconvenientes se le suma el alto nivel sonoro del equipo, la mala recuperación de muestra a partir de una determinada profundidad y la prematura fatiga de los materiales del tren de perforación sometidos a fuertes vibraciones. 

Todo esto hace que sea un sistema de limitada utilización, que se aplica esencialmente al ámbito de la minería de canteras, geotecnia y en investigación del subsuelo de escasa profundidad. 

PERFORACIÓN A ROTOPERCUSIÓN

La actual concepción de los equipos de rotopercusión se remonta a 1951, cuando la idea de Heirman de situar el martillo neumático en el fondo de la perforación, al final del tren de varillaje, y que pondría en práctica Stenuick.

Sistema de perforación que se basa en el golpeteo de la formación con un martillo neumático situado en el fondo de la perforación accionado mediante aire comprimido generado por uno o varios compresores dispuestos sobre la plataforma de perforación. Al colocar el tallante (herramienta de corte, también llamada boca) en el propio martillo la percusión se transmite de forma directa por lo que se optimiza el aprovechamiento de la energía y se superan muchas de las limitaciones e inconvenientes que presentaba el sistema precedente (perforación con martillo neumático).

Aunque inicialmente se utilizó este sistema de perforación en el ámbito de la minería de canteras, pronto se extendió su uso para perforaciones mineras y de agua subterránea. Actualmente es el método más utilizado para la ejecución de sondeos en rocas duras.

Los elementos que conforman el equipo son similares a los de otros sistemas, presentan como elementos diferenciadores el compresor y el martillo neumático. No obstante, las modernas perforadoras tienen capacidad para perforar con varios sistemas: rotopercusión, circulación inversa con lodos, directa con aire, etc.

El compresor de aire condiciona las capacidades del equipo, cuyas funciones principales son el acondicionamiento del martillo y la limpieza y transporte del detritus. Los compresores vienen definidos por el caudal y presión a que pueden inyectar el aire, la cual debe ser suficiente para vencer la contrapresión debida a la columna de agua, más la propia de accionamiento del martillo, mientras que el caudal definirá la velocidad ascensional del aire por el anular de la perforación y, en consecuencia, la capacidad de arrastre de los detritus. Suelen montarse sobre un remolque o vehículo independiente y accionarse por motores diesel de 100 a 300 kW.

Marca Modelo Presión max (bares) Caudales aire (m3/min)

Atlas Copco

XR 230/250
XRH 280/350
PNS 1200
XRV 410

12
20
20
25

13-21
17-21
34
24,4

Ingersoll Rand

XL 600
VHP/050

6,8
24,6

8,5
29,7

Bauer

DSF 12 H 13
DSF 14 H 20

13
20

24
27

Hollman

ROTAIR 100

10,5

28,5

Características de algunos modelos de comprensores utilizados en perforadoras a rotopercusión (Tomado de Martínez y Ruano, 1998)

Debido al elevado coste de los grandes compresores es muy importante afinar en el dimensionado de los mismos. Los compresores han ido sufriendo una importante evolución desde sus inicios, de manera que los actuales se caracterizan por presentar una alta fiabilidad y rendimiento, con sistemas automatizados de refrigeración y ser bastante compactos e insonorizados (<85 dB a 1 m de distancia). 

El martillo , elemento clave en el sistema, suele ser de aceros especiales de alta resistencia y presentar diseños en los que se combinan eficacia y simplicidad de mantenimiento y reparación. De forman sintetizada el funcionamiento del martillo se activa mediante un pistón central que acciona el aire comprimido transmitiendo el golpe al tallante (herramienta de corte) escapando después al interior del sonde a través de una válvula antirretorno. Una vez que el aire ha sido utilizado para accionar el martillo cumple otras funciones como limpiar y refrigerar el tallante, y establecer la circulación y el transporte de los detritus hacia el exterior del sondeo. 

Simultáneamente a la percusión se imprime al tren de varillaje un movimiento rotativo lento mediante el cabezal de la perforadora, de manera que se consigue mayor destrucción de la roca y se homogeniza el desgaste del tallante. 

Los fabricantes de martillo diseñan los mismos para un intervalo de presiones de trabajo determinados, de manera que se distinguen martillos de "baja presión" que trabajan a presiones inferiores a los 8 bares, y los de "alta presión" que trabajan a presiones que pueden superar los 20 bares. 

Al igual que ocurría con los triconos, existe una gran variedad de diseños para los tallantes en función del tipo de terreno a perforar. Los más usuales llevan inserciones en carburo de tungsteno, con distintas geometrías, tamaños y distribución. Existen martillos con tallantes ensanchadores para incrementar posteriormente el diámetro de la perforación. 

Pero existen otros elementos destacables de este sistema de perforación, como el varillaje que debe ser de gran resistencia y las bombas de espuma. La adición de un agente espumante a la línea de inyección de aire incrementa la capacidad de éste para cumplir parte de su misión, especialmente la evacuación de los detritus y la refrigeración del martillo y tallante. En las bombas de espuma se produce la mezcla y dosificación de los agentes y su inyección al circuito de aire. 

Ejemplo croquis de perforación por retropercusión

Ventajas Inconvenientes

Procedimiento muy rápido (de 30 a 100 metros al día)

Imposibilidad de perforar terrenos detríticos incoherentes por derrumbes

Recomendado en rocas duras no muy permeables

Posible pérdida de circulación en fisuras 

No se colmata la formación al no emplear lodos

Problemas de retorno del detritus perdido con agarres a la herramienta

Económico en pozos de diámetro pequeño

Control hidrogeológico solo aproximado

Mal rendimiento en terrenos blandos

Difícil de llegar a grandes profundidades con nivel piezométrico superficial

Para diámetros grandes a profundidades importantes se hace imposible la perforación

Dificultad para mantener la verticalidad en terrenos poco homogéneos

 

 
 
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