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POZOS VERTICALES PERFORADOS (sondeos mecánicos) -
a percusión con cable a rotación con circulación directa a rotación con circulación inversa a rotopercusión otros sistemas
Elementos de un pozo vertical perforado (sondeo mecánico): 1. Perforación: - Profundidad: de 10 a más de 1000 metros - Diámetro: de 50 a 1500 mm 2. Entubación: - Materiales: chapa de hierro, acero, PVC, otros. - Longitudes: en función de las profundidades de perforación. - Diámetros: ídem (atención a los anulares pozo-entubación). - Espesores: 3 a 12 mm (cuidado con la resistencia mecánica). - Solapes
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ESQUEMA DE UN POZO VERTICAL A PERCUSIÓN POR CABLE
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ESQUEMA DE UN POZO VERTICAL A ROTACIÓN (ROTARY CONVENCIONAL)
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ESQUEMA DE UN PIEZÓMETRO PARA LA MEDICIÓN DE NIVELES
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ACONDICIONAMIENTO FINAL DE UN POZO PARA SU PROTECCIÓN CONTRA POSIBLES FUENTES DE CONTAMINACIÓN EXTERNA
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8.4. PERFORACIÓN A PERCUSIÓN CON CABLE Los procedimientos de perforación por percusión consisten en hacer percutir una herramienta de una masa importante sobre la roca para que la perfore y avance verticalmente evacuando todo el material que se rompe. Pueden dividirse en dos grandes grupos: percusión con varillas y percusión con cable. La percusión con varillas se utilizó mucho a principios del siglo XX, actualmente ya no se utiliza por lo que en este tema se expondrá únicamente la percusión por cable.
8.4.1. Resumen de las principales características del procedimiento A. Conjunto de elementos que componen un tren de sondeos - Torre, mástil - Poleas fijas - Amortiguador de golpeo - Balancín (brazo y polea fija) - Brazo de transmisión y polea con excéntrica ( Catalina) - Poleas móviles (cables de perforación, valvuleo, entubación, etc.) - Sistemas de transmisión (embrague, marchas, etc.) - Juego de palancas de acondicionamiento (idem.). - Accesorios (tirantes y barras de fijación, gatos mecánicos/hidráulicos, llaves, poleas auxiliares, centradores de cable, etc.) B. Conjunto de elementos que componen el equipamiento de perforación: - Sarta de perforación: a) Trépano a) Barrones de carga b) Varillaje c) Tijeras d) Giratoria o montera -
b) a) b) c)
Cables De perforación De valvuleo o cuchareo De entubación Auxiliares de maniobra
Válvulas o cucharas c) De charnela d) De dardo o pistón “arenero” -
-
e) a) b) c) -
Herramientas de pesca Campanas Machos Garras Golpeadores Arpones Gatos hidráulicos Perforadores, cortadores y rajadores de tuberías
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C. Parámetros de perforación (avance o eficiencia): - Resistencia mecánica de la roca (perforabilidad) - Peso de la herramienta (trépano + barrones de carga) - Longitud del golpeo - Cadencia del golpeo (golpes por minuto) - Diámetro de la herramienta - Espacio libre entre el trépano-barrones y el pozo - Volumen (altura) y densidad del lodo acumulado D. Operaciones de perforación y terminación del pozo: - Perforación: a) avance o penetración con la sarta de perforación b) formación del lodo natural (agua más partículas de roca perforada) c) evacuación del ripio o detritus de la perforación d) controles (avance, limpieza, giro de la herramienta, cadencia de golpeo, estado del cable, desviación del pozo, cambios de terreno, etc.) e) descenso o hinca de posibles entubaciones provisionales - Entubación: f) composición de la sarta (longitudes y diámetros) a) soldadura de la sarta. b) descenso y colocación en el pozo c) uso de elementos accesorios (centradores, piezómetros, etc.). d) extracción de posibles entubaciones provisionales. e) operaciones de perforación o rajado ”in situ” del entubado (opcionales) - Colocación de rejillas: g) simultánea a la entubación o posterior a la misma (telescópicas) a) extracción del tramo de entubación frente al acuífero (en caso de rejillas telescópicas) b) sellado de la rejilla a la entubación (ídem) - Engravillado: h) colocación del macizo de gravas filtrante o estabilizador de formación, con o sin descenso y extracción simultáneas de entubaciones provisionales a) colocación de una o más capas de empaque de gravas, con descenso y extracción simultáneas de una o más entubaciones provisionales - Valvuleo o cuchareo: i) operaciones de limpieza del lodo a) bombeo de arena y “finos” (predesarrollo) - Terminación del pozo: a) cementación b) desarrollo por pistoneo, aira comprimido, sobrebombeo, etc. c) acidificación d) otras especificadas de cada caso E. Variables que afectan la perforación por el procedimiento de percusión con cable: a) Variables alterables Propiedades de los fluidos de perforación (lodos):
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tipo contenido en sólidos densidad Factores hidráulicos: - altura de la columna de agua o lodo sobre el fondo - pérdida de peso de la herramienta por rozamiento - pérdidas o ganancias del volumen de agua/lodo Factores mecánicos: - tipo de herramienta (trépanos) - diseño (penetración, escape, desgaste) - peso de la sarta (trépano, barrones, montera) - longitud del golpeo (recorrido del balancín) - cadencia del golpeo - pegada del trépano sobre el fondo (control manual del movimiento del cable) - giro del cable en cada golpeo y en tensión - estado (desgaste lateral del filo) y recarga - diámetro de la herramienta -
b) Variables inalterables Meteorología Emplazamiento Operatividad del equipo: - estado de revisión - dimensionado físico proporcional al esfuerzo requerido - facilidad de operación - adaptabilidad al tipo de trabajo Presencia de gases corrosivos Temperatura de fondo de pozo Propiedades de las rocas: - dureza, compacidad, consolidación - abrasividad - perforabilidad - estado físico (textura, estructura) - porosidad - permeabilidad - saturación, contenido en fluidos - presión intersticial - presión de confinamiento - presión sobre la pared del pozo - temperatura - relación tensión/compresión - tendencia al hinchamiento o al apelmazamiento Problemas característicos del pozo Disponibilidad de agua Formaciones a perforar
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Eficiencia del personal: - competencia - turnos de trabajo - factores psicológicos Profundidad
8.4.1. Descripción del sistema de perforación Los equipos de perforación con cable (Figura 8.4.1) consisten en una máquina que puede ser fija o ir sobre ruedas en un remolque o en la caja del camión para facilitar su desplazamiento. En el esquema de un tren de sondeos a percusión con cable, Figuras 8.4.2 a 8.4.4, puede verse como están conectados los diferentes componentes de la máquina: el motor genera la potencia que hace funcionar la máquina, esta potencia se transmite a un rueda dentada excéntrica (muy popular entre los sondistas que la denominan Catalina), ésta al girar mueve las bielas que transmiten el movimiento al balancín. El balancín recibe un movimiento alternativo con un recorrido que generalmente es de entre 60 y 100 cm y que origina el movimiento del cable y la herramienta de perforación (Figura 8.4.5). El cable sube a la parte superior del mástil y pasa por una polea fija que lleva dos amortiguadores. El mástil necesita alcanzar cuando trabaja una altura de 14 ó 16 metros por lo que generalmente se trabaja con mástiles telescópicos que se transportan en dos secciones. La torre es un elemento con poca base, para que no se balancee se sujeta con varillas al chasis del camión o al remolque y al terreno con unos cables que se denominan vientos.
La sarta de perforación está compuesta en su extremo inferior por el trépano, herramienta que rompe la roca, cuya masa que puede oscilar entre 1 a 2 ó 3 toneladas. Si conviene tener más peso se colocan barras o barrones de acero macizos que dan más peso al trépano, aumentando la energía de la pegada sobre el fondo. Los diámetros estándar de trépanos oscilan entre 300 y 800 mm. Las barras de carga y las varillas tienen un diámetro mucho menor. Encima de las barras o las varillas puede colocarse una herramienta llamada corredera o, más popularmente, tijeras; consta de dos piezas y tiene un movimiento independiente que le permite acortarse o alargarse alrededor de 1 ó 1,5 metros; tiene además un juego lateral para trabajar con diferente ángulo. El objetivo del uso de las tijeras es evitar o corregir desviaciones en la perforación, pero su uso es complicado y si el sondista no es experto se pueden provocar desviaciones mucho mayores que las que se pretende corregir. En caso de agarre de la herramienta al fondo del pozo las tijeras ejercen una función de golpeo hacia arriba que destraba la sarta. La última o pieza de la sarta es la que la une al cable, es la giratoria o montera, permite que toda la sarta gire libremente con independencia del cable. Dado que el trépano perfora con una sección cuadrada, a cada pegada debe girar un pocos grados para recortar el terreno en sección circular. En todas las herramientas las roscas son cónicas para facilitar la tarea de enroscar y desenroscar con rapidez.
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Además del cable principal de perforación existe otro de maniobras, la principal de las cuales es sacar los detritus del pozo. Generalmente cada 1 ó 2 metros (máximo 5) se interrumpe la perforación, se levanta la sarta y se introduce una cuchara con otro cable. El uso de cables diferentes es para ahorrar tiempo. Los trépanos tienen canales, huecos que permiten el paso del material triturado. El ángulo de penetración está en función de la dureza de la roca a perforar: en rocas blandas el ángulo debe ser agudo, con mayor filo par penetrar más rápido; en rocas duras, resistentes mecánicamente al golpeo, el ángulo debe ser lo más obtuso posible. La zona de desgaste es donde el trépano trabaja más, tanto esta zona como en el filo es donde el trépano va perdiendo masa por desgaste, periódicamente se recarga por soldadura eléctrica restituyendo el acero que ha perdido. Si no se hiciera así el trépano iría perdiendo diámetro y también el pozo, por lo que a partir de cierta profundidad la tubería ya no bajaría. Por encima de la zona de desgaste está el ángulo de escape o de despeje, en él el trépano pierde sección y permite el paso del material triturado antes de que se evacue con la cuchara. Todos los equipos cuentan con gatos ya que el vaivén del trépano mueve el camión hasta 20 cm hacia adelante y hacia atrás, con lo que la perforación pierde verticalidad. El gato mecánico o, más frecuentemente, hidráulico, mantiene el camión algo elevado por encima del terreno para que el chasis no trabaje con todo el peso sobre los neumáticos. La cuchara tiene en el fondo una tapa que se levanta por el propio material a evacuar, cuando la cuchara se eleva la tapa baja cerrando el orificio y reteniendo los lodos y detritus. Se lleva hasta la superficie y se vuelca en una balsa construida con este fin al lado del pozo. Esta operación se repite varia veces hasta que el pozo está limpio. En materiales muy sueltos puede perforarse con cuchara en muchos tramos sin necesidad de trépano. Cuando tienen lugar averías puede romperse el cable, la cuchara o incluso el trépano y quedar en el fondo del pozo, también pueden tener lugar derrumbes que dejen atascada la sarta en el interior del pozo, en estos caso se utilizan herramientas de pesca para su recuperación. En los casos en que la tubería se hinca (materiales sueltos), se utilizan piezas que golpean sobre la cabeza de la entubación, son los golpeadores. Las Figuras 8.4.6 a 8.4.9 muestran los diferentes elementos descritos.
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Sobre remolque
Autopropulsado
Autopropulsado con equipamiento para trabajos de desentubación
Tren ligero sobre remolque Figura 8.4.1. Modelos de trenes de sondeos o equipos de perforación a percusión con cable
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Figura 8.4.2. Esquema general de un tren de sondeos para la perforación a percusión con cable
Figura 8.4.3. Estructura de los mecanismos que transmiten el movimiento alternativo al cable de perforación.
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Figura 8.4.4. Esquema de una sarta de perforación a percusión con cable.
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Figura 8.4.5. Recorrido del trépano en función del movimiento del balancín.
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Figura 8.4.6. Cables utilizados en la perforación a percusión con cable
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Figura 8.4.7. Elementos que componen una columna o sarta de perforación a percusión con cable.
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Tijeras
Barra de carga
Giratoria o montera
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Cucharas o válvulas de limpieza
Figura 8.4.8. Herramientas accesorias utilizadas en la percusión con cable
Campanas
Golpeadores
Arpones de pesca de cables
Figura 8.4.9. Herramientas de pesca utilizadas en la perforación a percusión con cable.
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Características de los trépanos: Los trépanos son herramientas de perforación que rompen, disgregan y desmenuzan las rocas. Su función es penetrar y escariar las rocas, penetrando en su interior. Tipos de trépano (Figura 8.4.9) :
Regular o californiano Estrella o cruciforme Hombros rectos Salomónico
Las características geométricas de cada tipo de trépano dependen de su ángulo de penetración, ángulo de despeje, superficie de trituración y sección del cuerpo (Figura 8.4.10).
Trépano regular o califoniano
Trépano salomónico
Trépano de hombros rectos
Trépanos cruciformes o estrella
Figura 8.4.9. Trépanos utilizados en la perforación a percusión con cable.
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Ángulo de penetración
Ángulo de despeje
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Superficie de desgarre
Figura 8.4.10. Ángulos y superficie de desgarre del trépano.
Diámetros mm: Diámetro del trépano 200 – 250 250 – 300 350 – 400 400 – 450 500 – 600 600 – 800
Diámetro del entubado 150 200 250 300 400 500
Uniones: Diámetro del pozo (mm) 150 – 200 250 – 350 400 – 600
Rosca macho del trépano (pulgadas) 3¼x4¼ 3¼x4¼ 4¼x6
Diámetro del entubado 7 7 7
Geometría del trépano según el tipo de roca a perforar:
Rocas a perforar Blandas: pizarras, margas, arcillas Duras, no abrasivas: calizas Duras y abrasivas: graniro
Ángulo de Ángulo de penetración despeje
Superficie de trituración
Sección del cuerpo
Pasos de agua
Obtuso
Amplio
Amplia
Pequeña
Grandes
Obtuso
Pequeño
Amplia
Grande
Pequeños
Agudo
Amplio
Grande
Pequeños
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Ejemplo de un programa de perforación de un pozo por el sistema de percusión con cable Previsión geológica de los diámetros de perforación, entubación y rejilla, y del tiempo de ejecución del sondeo.
