Perforación 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, 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. 

SISTEMAS DE PERFORACIÓN CON CIRCULACIÓN INVERSA (según orden cronológico)

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.

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. 

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.

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:

  • 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.

  • 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. 

  • 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. 

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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