Perforación a rotación con circulación
inversa
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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,
retopercusión, 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.
La
principal diferencia entre los
equipos de rotación
directa o los de rotación
inversa es que, mientras los
primeros utilizan una bomba
de lodos, los segundos utilizan
un compresor, que generalmente suele
llevar su propio motor. En ambos
casos, estos elementos suelen ir
montados sobre el propio chasis de
la máquina, aunque a veces, debido
al tamaño de los compresores suelen
ir en remolques independientes.
Otra
diferencia entre la rotación
directa y la inversa estriba en el varillaje,
aunque en la circulación inversa
las varillas que se utilizan por
debajo de la cota de inyección del
aire son comunes a las de circulación
directa.
En
cuanto a las herramientas
de corte son iguales en la
rotación directa y en la inversa,
aunque adaptadas al particular tipo
de circulación. Por ejemplo, a los triconos
se les obturan los "jets",
mientras que para la aspiración se
abre un orificio central. Mientras
que el problema más frecuente de la
circulación directa es el emboce de
las piñas del tricono
por insuficiente limpieza, en la
circulación inversa, el problema
más frecuente es la obstrucción de
la aspiración de cantos
gruesos.
En
sondeos poco profundos, el efecto de
circulación inversa se puede
provocar por aspiración,
generalmente mediante bombas
centrífugas, aunque en la
práctica, su eficacia se ve
limitada a unos 6 m. El efecto de
"aspiración" se
puede lograr de varios sistemas:
utilizando un varillaje
de doble pared o con conductos
laterales, de forma que puede
inyectarse aire a presión mediante
un compresor. A una profundidad
determinada se introduce el aire,
mediante un sistema de válvulas, al
interior del varillaje,
que está relleno de agua o lodo.
La inyección del lodo provoca un
"aligeramiento" en la
columna de lodo del interior del
varillaje con respecto a la columna
del anular, con la consiguiente
diferencia de presión que induce un
efecto de "aspiración".
De este modo el lodo
asciende por el interior del varillaje,
arrastrando los detritus de
perforación hasta el
exterior.
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SISTEMAS
DE PERFORACIÓN CON CIRCULACIÓN
INVERSA (según orden
cronológico) |
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El primer sistema creado
consistía en generar una
sobrepresión en el anular entre el varillaje
y las paredes de la perforación por medio de una bomba de agua o lodo, o
inyectando aire comprimido. Esto requería colocar una cabeza de
inyección que cerrara el pozo, a través de la cual penetrara y girara el
varillaje, evitándose las fugas por medio de un presaestopas.
Su principal inconveniente
radica en los grandes esfuerzos que
tienen lugar en la
cabeza de cierre del pozo, aunque las presiones de la bomba de inyección
sean moderadas. Para un diámetro de 700 mm y una presión de 4 kg/cm2,
resulta un empuje vertical sobre la cabeza de cierre de unas 15 Tm, que no
siempre podrá resistir y que puede resultar peligroso.
Sistema en desuso.
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Sistema de succión con una bomba centrífuga conectada
al varillaje a través de la
cabeza giratoria.
El lodo penetra por gravedad en el anular y asciende por el interior del
varillaje aspirado por la bomba.
Presenta dos limitaciones: (1) la máxima aspiración práctica posible es
de 6-7 m, a lo sumo; (2) todo el detritus de la perforación tiene que
pasar a través de la bomba, desgastándola rápidamente. Además,
presenta el inconveniente de que necesita una bomba de cebado cada vez que
se interrumpe la circulación del lodo, lo que al menos ocurre cada vez
que se añade una nueva varilla. |
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Existe
un sistema que utiliza la bomba para crear un vacío
(tubo de Venturi) que sea capaz de hacer circular el fluido, evitando de este modo
que el detritus arrastrado por el fluido pase por la bomba centrífuga (fig.1).
Este procedimiento, llamado del eyector, tiene una capacidad de empuje
algo mayor que el anterior, aunque está limitada a 1-1,8
kg/cm2, según su punto de colocación. |
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Sistema de elevación del detritus por inyección de
aire comprimido en el interior del varillaje
(fig. 2). Con este sistema, al tener la columna de
emulsión lodo-aire menor densidad que la columna de lodo del anular,
ésta empuja a aquella creando una velocidad que arrastra al
detritus.
El empuje será mayor cuanto mayor sea la diferencia de niveles
correspondientes al lodo o agua en el anular y al punto donde se inyecta
el aire en el varillaje y a
la diferencia de densidades de ambos fluidos. La inyección del aire
podrá hacerse tanto más baja cuanto mayor sea la presión del compresor
y el caudal extraído es proporcional al caudal del aire del compresor. Se
estima, de forma aproximada, que se requiere un caudal de aire unas 5
veces el del agua o lodo elevado. Sin embargo, lo importante en la
perforación no es el caudal elevado, si no la fuerza ascensional creada,
proporcional a la velocidad y por tanto función del diámetro del varillaje
empleado.
Existen 3 procedimientos para introducir el aire en el varillaje de
perforación:
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Un primer procedimiento, el más antiguo, es el de
la bomba Mammut (fig. 3), que introduce el aire por
medio de una tubería interior al varillaje, cuyo extremo inferior
puede colocarse a diferentes profundidades gracias a un acoplamiento
móvil y estanco en la cabeza hidráulica giratoria del varillaje (fig.
3). La introducción de esta tubería frena el aire dentro del
varillaje, disminuye la sección útil de éste y puede dificultar la
extracción de los detritus por acodalamiento de éstos en ela anular
que queda libre. Se aconseja una relación de 1 a 10, entre las
secciones de la tubería del aire y del varillaje.
Este varillaje suele tener entre 100-150 mm de diámetro.
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Un segundo procedimiento consiste en disponer los
conductos de aire por el exterior de la pared del varillaje,
penetrando aquél en el interior de éste por medio de unas sencillas
válvulas, colocadas entre tramo y tramo del varillaje, a la
profundidad conveniente. La unión de una varilla a otra se hace pior
medio de bridas y tornillos, llevando los tubos de inyección de aire
un acoplamiento a base de goma que hace estanca esta unión. Presenta
la ventaja de dejar totalmente útil y expedita la sección interior
del varillaje, evitando obstrucciones al paso del detritus. En cambio
requiere de bridas y acoplamientos muy cuidados, unidos por tornillos
y tuercas, que hacen lentas las maniobras de añadir o quitar tramos
de varillaje. Además, la asimetría del varillaje debida a los tubos
(generalmente dos) de inyección de aire crea algunas perturbaciones,
principalmente vibraciones, por desequilibrio del conjunto, que pueden
repercutir desfavorablemente en la cabeza de rotación de la máquina,
y turbulencias en el lodo del interior del pozo.
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Un tercer procedimiento introduce el aire por medio
de un varillaje de doble pared concéntrica. El aire circula por el
anular y el lodo y detritus por la sección interior del varillaje,
que también queda expedita. Es un dispositivo mas caro y delicado que
los anteriores y propenso a averías. Las uniones entre los tramos
tienen que ser muy perfectas y resultan delicadas.
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| 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. |
Este sistema de perforación debe utilizarse preferentemente para
diámetros grandes, formaciones poco coherentes o blandas y en las que las
pérdidas de agua y lodos sean pequeñas. La utilidad del método decrece a
medida que uno se aleja de estas condiciones ideales.
En principio, el fluido de perforación más conveniente es el agua. Sin
embargo, cuando se producen pérdidas importantes, es preciso aumentar su
densidad y viscosidad hasta trabajar con un lodo normal de perforación. En
formaciones muy permeables tampoco resulta viable este procedimiento de
perforación, si no se emplea un lodo apropiado que tapone las fugas de forma
adecuada.
Las herramientas de corte utilizadas generalmente son colas de pez. No
suelen usarse, en pozos para agua, triconos y rara vez los útiles de corte de
rodillos. Cuando esto es necesario (formaciones duras), el desgaste de estos
elementos es muy importante en el coste de la perforación, ya que son caros,
debido a los grandes diámetros que se emplean.
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