Perforadoras
FUNDAMENTOS Y GENERALIDADES DE LA PERFORACIÓN El resultado de una operación extractiva dependerá fundamentalmente de sus costos, razón por la cual la perforación es de la mayor importancia en el costo de la remoción de minerales o roca, por lo tanto tratar de rebajar su incidencia en el costo de producción será la principal preocupación del personal a cargo del área de perforación y tronadura. Los factores que influyen en la rebaja de costos de la perforación son variados, aquí presentamos los más comúnmente considerados.
Tipo de explosivo a usar. Altura de los bancos. Tonelaje que el explosivo puede remover Tamaño de la perforación, profundidad de los tiros y espaciamiento. Angulo de la perforación Tonelaje promedio a obtener diariamente Capacidad del chancador primario Capacidad de los equipos de carguío y transporte Aptitud y actitud del personal de perforación y tronadura Experiencias anteriores en tronadura Características del clivaje de la roca Características de perforabilidad de la roca Disponibilidad de los equipos de perforación
¿Cómo elegir el equipo adecuado capaz de perforar y quebrar cualquier tipo de roca? En realidad considerando las casi infinitas variables de combinaciones, de los componentes de la roca, los tipos de formaciones en las cuales se opera, los objetivos que se persiguen cada vez de mayor exigencia con la perforación descartan cualquier opción de contar con un equipo y un método universal para perforación. La dureza es solo uno de los factores que deben ser considerados en la elección de un método de perforación, cualquier formación puede ser altamente dura o abrasiva, depende solo de su ubicación geográfica, en estas condiciones la perforación puede llegar a ser un gran problema. PERFORACIÓN EN FORMACIONES DURAS, FRACTURADAS O FORMACIONES INCLINADAS. Tal vez los yacimientos con mantos muy inclinados sean el peor escenario para una faena de perforación, son en extremo complicados ya que hay perdidas de circulación de aire o agua , dificultad en la limpieza y atascamiento de la columna de perforación, después de la empatadura las barras tienden a seguir los clivajes o fallas, lo que
indudablemente va a dar como resultado tiros torcidos y barras de perforación fatigadas con altos riesgos de ruptura en las zonas de mayor tensión como los radios de los fondos de las roscas, las zonas de uniones soldadas o cualquier otro punto de tensión. Los equipos rotativos tienen una clara ventaja en la perforación de formaciones fracturadas debido a que el área anular es pequeña y por lo tanto la velocidad de retorno del aire con material triturado es muy alta (velocidad de barrido), esto hace que el tiro se limpie antes de que las partículas se depositen en las grietas o zonas de fracturas. Si se encuentra humedad o barro en vetas arcillosas, esquistos viscosos o en grietas se van a formar anillos alrededor de la columna, lo que puede presentar peligros de atascamiento o dificultades para cargar el tiro con el explosivo adecuado. Para controlar este problema podríamos agregar agua o detener la perforación por un rato dejando que el agua se acumule hasta cierta altura para enseguida soplar con todo el aire, esto hace que el pozo se limpie dejando las paredes suaves. En formaciones que tienen mucha agua se presenta un serio problema para los equipos de perforación rotativa ya que su baja presión de aire 40 a 50 p.s.i. a veces no son suficientes para evitar la formación de una columna estática que reduce la capacidad del aire para levantar el material removido por el tricono desde el fondo del pozo. La perforación rotativa se introdujo como mejora tecnológica en el año 1909 por su inventor Howard R. Hugues, la nueva herramienta consistía en conos giratorios con dientes cortantes que rodaban en el fondo del pozo y creaban una acción de escopleado o traslapeo, esta nueva herramienta de conos permitió a las perforadoras rotativas exceder lejos los mejores rendimientos alcanzados en formaciones duras, en esos tiempos aún no se pensaba aplicar el nuevo método a la perforación de minería, solo fueron usadas en exploración geofísica, pozos de agua y por supuesto el petróleo. Debido al rápido incremento en el uso de la rotación en la perforación de roca, los fabricantes de perforadoras y de triconos han tenido que ir ofreciendo cada vez mejores elementos. Los fabricantes de triconos por ejemplo han hecho significativos avances en el diseño de los dientes y en la capacidad de los cojinetes , como resultado de esto ahora se recomiendan aplicaciones de mayor peso sobre el tricono, de modo que las formaciones duras puedan ser perforadas económicamente con brocas rotativas. ELEMENTOS QUE COMPONEN LA COLUMNA DE PERFORACIÓN
La columna de perforación es uno de los componentes más caros de un equipo de perforación, por lo que su duración determinará si su inversión económica ha sido amortizada o que origina pérdidas a la compañía. AMORTIGUADORES. El amortiguador de vibraciones o de impactos, es uno de los elementos más importantes en el conjunto de la columna, su trabajo consiste fundamentalmente en absorber parte de la energía liberada por el tricono de perforación que no ha sido utilizada en romper la roca. Considerando la evolución tecnológica de los aceros de perforación y la constante exigencia por mayor productividad en las minas, este accesorio es parte vital para un buen desempeño en la operación. Un buen diseño de este accesorio es aquel que tiene incorporado como elemento principal en su estructura una gran masa amortiguadora de impactos que absorba golpes y vibraciones no deseadas que provocan daños a los equipos y afectan a la perforación. Los efectos directos más frecuentes en la operación por un amortiguador defectuoso o por la ausencia de este son las sgtes. Daños en el tricono de perforación, rotura de botones y daños en rodamientos. Daños en rodamientos de cabezal de rotación, ejes de transmisión, dientes en conjuntos de engranajes. Daños en la estructura de las torres de perforación y puntos de uniones soldadas. Desviación en el rumbo de la perforación. Vibraciones excesivas en cabina de control.
Los daños antes señalados son generados por las solicitaciones mecánicas que actúan de manera constante o alternada sobre la columna de perforación y transfieren energía a través del tricono hasta el amortiguador de vibraciones e impactos. Definiremos de la forma más simple posible cada una de estas solicitaciones mecánicas también llamadas esfuerzos mecánicos e indicaremos como actúan en una columna de perforación.
BARRAS DE PERFORACIÓN
Inmediatamente debajo de los adaptadores superiores se ubican las barras de perforación, se pueden definir como elementos de extensión y de unión que transfieren la energía de rotación y empuje desde el cabezal de rotación a la herramienta de corte o tricono de perforación conduciendo internamente el aire necesario para generar la evacuación del material cortado desde el fondo de la perforación a la superficie. Las longitudes, los diámetros, los hilos y sus diseños obedecen exclusivamente al tipo de maquina en que serán usadas. A excepción de algún accesorio especial, no hay otro elemento en la columna de perforación que esté sometido a condiciones de trabajo tan extremas y severas como las barras de perforación. Por tales motivos para la confección de esta vital herramienta de perforación se deben combinar la experiencia de los ingenieros de diseño con la total cooperación de los usuarios en terreno para conseguir el máximo de rendimiento de estos elementos beneficiándose al extender su vida útil.
Cada barra de perforación tiene una identificación única e irrepetible para hacer un seguimiento durante el periodo que dure su vida útil, utilizando esta información el fabricante puede realizar mejoras a su diseño y adaptarlo a las condiciones de terreno. Las barras de perforación no obedecen a un estándar de fabricación, este depende como se ha señalado principalmente del terreno donde se usaran, básicamente su diseño consiste en un tubo de unión entre un terminal con rosca macho y un terminal con rosca hembra, razón por la cual la vida útil de las barras se mide por el desgaste que gradualmente va sufriendo la pared de dicho tubo. Independiente de lo anterior, las barras se pueden especificar por el espesor de pared del tubo señalado, cuando las condiciones de dureza de roca exigen una mayor energía de empuje se necesita que las barras puedan tener una mayor resistencia a las cargas de compresión, por tal razón su espesor de pared debe ser necesariamente mayor. Dada La Importancia Y Alto Costo Que Pueden Tener Las Barras De Perforación Daremos Algunas Recomendaciones Para Su Uso Y Selección.
En una columna de perforación siempre es recomendable el uso de barras de una misma marca. En general siempre serán recomendable las barras de pared más gruesa, sin embargo por el mayor peso esta recomendación estará limitada a la capacidad de la perforadora. Considerar en la selección de barras la capacidad de levante de la perforadora. Tamaño y profundidad del tiro. Volumen medio de circulación de aire. Cargas de torsión, tensión y compresión. Disponibilidad de llaves de sujeción. Logística para el transporte y manipulación. Condiciones de manutención y cuidado. ADAPTADORES DE TRICONO (BIT SUB)
En la parte inferior de la columna de perforación se ubican los adaptadores de tricono a barras que unen las barras de perforación con los triconos de perforación, su función es similar a los adaptadores superiores, en algunos casos deben unir elementos con roscas diferentes, pero nunca unir elementos con diferentes diámetros. Es el elemento de una columna que está expuesto a las más severas condiciones de desgastes por abrasión las que se originan en el fondo de la perforación. Históricamente los adaptadores de triconos cumplían funciones de estabilizadores de la columna de perforación, para lo cual se confeccionaban con rodillos giratorios o aletas de aceros anti abrasivos dispuestas en sentido longitudinal o helicoidal. El rápido desarrollo de la ingeniería en la construcción de nuevos triconos de perforación trajo como consecuencia un aumento en la velocidad de la perforación, llámese aumento de r.p.m. Y carga sobre el tricono mismo, razón por la cual la cantidad de material removido debía ser extraída desde el fondo del pozo en el menor tiempo posible con el propósito de mantener limpio el frente de corte. Al evacuar el material removido también se disminuye la gran turbulencia que va gastando los faldones del tricono, el cuerpo del adaptador y de manera ascendente el resto de los componentes de la columna, el desgaste de los faldones del tricono y el cuerpo del adaptador es ocasionado por la mencionada turbulencia y remolienda del tricono al repasar las partículas más pesadas que no alcanzan a ser levantadas por el aire de barrido. El flujo de material turbulento que se ubica en el fondo de la perforación es causado por el aire a alta presión que sale desde las toberas del tricono, las tres toberas de barrido más la rotación necesaria para la ruptura y remoción del material a cortar son los que generan la turbulencia. Esta turbulencia pasa a un flujo de evacuación la minar cuando ya se encuentra aproximadamente a una altura de un metro desde el fondo del pozo. Una alta velocidad de barrido solo aumenta la turbulencia del material y acelera el desgaste de los aceros, por otro lado cuando la cantidad de agua utilizada para controlar la emisión de polvo es excesiva, el daño a los rodamientos de los triconos es inminente así como el efecto de arenado en los aceros de perforación. Por las condiciones de trabajo mencionadas es que el estabilizador de rodillos y/o de aletas fue reemplazado por un cuerpo liso, es decir la geometría del adaptador o bit sub debería ser perfilada de tal manera que presentara la menor resistencia posible a la evacuación del material removido a altas velocidades.
Tal como lo hemos señalado las mayores exigencias en términos de mayor productividad en los centros mineros trajo consigo la evolución tecnológica en los diseños de los aceros de perforación, de tal manera que la rentabilidad o bajo costo de los mismos hoy DIA es un factor clave para el análisis técnico económico de cualquier proyecto minero, razón por la cual los fabricantes de aceros de perforación para la minería han debido hacer uso de nuevas técnicas de fabricación que permitan aumentar la vida útil de los elementos con el propósito de controlar el valor del metro perforado llevándolo a l menor costo posible de obtener en razón de aumentar la vida útil de cada elemento. Por esta razón es que en el caso de los adaptadores de triconos principalmente se están utilizando recubrimientos anti abrasivos como protección al desgaste por erosión y fricción que son las únicas causas de desgastes que los afecta, estos recubrimientos pueden ser fundamentalmente en base a depósitos con aleaciones de carburos de cromo o depósitos con carburos de tungsteno, la elección de uno u otro pasa por un análisis técnico – económico que permita ofrecer la mejor alternativa al usuario. En cualquiera de los casos se usaran indistintamente tanto en adaptadores de triconos como en recubrimientos para los terminales de las barras sean pin o box.
ANILLOS GUÍAS ROTATORIOS La importancia de este accesorio generalmente no es plenamente reconocida por los usuarios así como tampoco su adecuado uso y manipulación. Sin embargo en el ítem de la columna de perforación el costo de este accesorio puede llegar a ser altamente incidente si no se controla debidamente su uso en la operación, los principales daños se producen por golpes que reciben a través de la columna de perforación cuando el terreno que se está perforando es muy duro, en estas condiciones de perforación las barras están siendo sometidas a una gran carga de empuje lo que a su vez da origen a grandes curvas de pandeo que asociadas a la rotación en conjunto con las vibraciones son los mayores causantes de golpes y daños en los anillos guías.
El diseño de estos accesorios considera que su buje interior gire sobre dos o tres pistas de rodaduras en las cuales están las bolas de acero que permiten la rotación del buje interior reduciendo su coeficiente de roce, la cantidad de pistas de rodadura depende del diámetro del anillo guía y por consecuencia del diámetro de las barras de perforación. Los cuerpos exterior e interior de los anillos guías se fabrican en aceros de alta resistencia mecánica con tratamientos térmicos, sin embargo las durezas que estos alcanzan en las pistas de rodaduras así como la dureza de las bolas no pueden ser mayores debido a los impactos permanentes a que están expuestos, una mayor dureza solo afectaría su vida útil ya que la resistencia a los impactos se reduce notablemente. Los anillos guías montados sobe rodamientos tienen una importancia vital en la verticalidad de la columna de perforación, si los tiros a perforar son inclinados entonces el buen estado de estos accesorios tiene aún más relevancia dado a que su ajuste reduce las desviaciones en los tiros y también reduce las vibraciones.
Nunca se debe golpear un anillo guía, el flange de fijación a la mesa de trabajo es la parte más sensible de ser dañada por impactos, al momento de ser instalados estos deben deslizarse suavemente dentro de la perforación de la mesa.
El control de desgaste se realiza en el buje interior, es recomendable que este desgaste no sea mayor a ½” por lado, es decir 1” de desgaste total en su diámetro interior.
TRICONOS DE PERFORACIÓN. En el diseño de triconos el factor de control es el espacio disponible debido a que las dimensiones están limitadas por el diámetro del pozo que debe ejecutarse. Por tal razón los diseñadores deben considerar la proporción de las diferentes partes tales como: Cojinetes o rodamientos. Espesor del cuerpo de los conos. Tamaño de los botones. En los triconos se asegura la mayor duración debida a que su diseño permite la máxima utilización del espacio disponible, además el tricono es más efectivo para mantener el diámetro constante del tiro puesto que tiene mayor superficie calibradora. Los conos están montados sobre un eje de rodamientos o cojinetes los que a su vez forman parte de las patas o faldones de los triconos, esta construcción integral provee la superficie y
resistencia para soportar las cargas que la actual técnica de diseños y exigencias de perforación imponen sobre el tricono. La carga o el pulldown sobre la roca es absorbida por los rodamientos de bolas, de rodillos o cojinetes de fricción ubicados cerca de la base de los conos. Los triconos de diámetros superiores a 12” ¼ tienen dos o más rodamientos de rodillos para aumentar su capacidad de empuje sobre la roca. Para obtener mayor acción sobre el fondo del pozo se recurre a la excentricidad de los ejes de los tres conos, la excentricidad de los conos se traduce en una mayor penetración en la mayoría de las formaciones debido a la acción de escariado adicional de los dientes del cono. El valor de la excentricidad de los conos depende de la formación que deba perforarse, pues la acción de escariado en formaciones abrasivas desgasta más rápidamente los dientes, así como también el diámetro del tricono. El tricono, el compresor, la perforadora y todos los componentes de la columna de perforación deben complementarse para para lograr la perforación más económica y eficiente. La formación que se va perforar es la que indica que se necesita de la broca y de los accesorios de la columna de perforación tales como diámetros de barras espesor de tubo de barras, tipos de recubrimientos anti abrasivos etc. La experiencia en terreno indica que una velocidad anular de barrido de 5.000 pie/min. Es suficiente para la remoción de los recortes de materiales livianos en la mayoría de los casos, y que para materiales pesados se necesitaran unos 7.000 Pie/Min o tal vez más. SELECCIÓN Y USO DE TRICONOS El rendimiento de un tricono se ve afectado por varias características de la formación incluyendo su resistencia, de todas maneras no existe un método para relacionar estas características directamente con la selección del tricono. Quizás la manera más simple de seleccionar el tricono adecuado sea determinar el tipo de formación que se va a perforar, en cualquier caso el método final para determinar el tipo de tricono es la experiencia que está dando la actual perforación. En las formaciones muy blandas los pesos se pueden reducir y todavía producir un buen rendimiento, el mejor método de determinar el peso óptimo sobre el tricono es dictado por la práctica de la perforación en cada caso. La velocidad de rotación variará en cada caso entre 50 a 80 r.p.m. el aumento de la velocidad de rotación aumentará la velocidad de penetración, pero al mismo tiempo aumentará el desgaste de los rodamientos y la estructura de corte, este efecto deberá ser observado en el proceso de evaluación de los resultados de variaciones de velocidad.
CARACTERÍSTICAS DE FALLAS DE TRICONOS Y RECOMENDACIONES FALLA
CAUSAS PROBABLES
SOLUCIONES
BROCA INADECUADA BROCA CON MEJOR RECUBRIMIENTO
VELOCIDAD EXCESIVA ATRAPAMIENTOPOR DERRUMBE DE POZO DESGASTE DIAMETRAL
BAJAR LAS R.P.M. RE REPASAR LENTAMENTE CON TRICONO USADO
PERDIDA DE CIRCULACIÓN DE AIRE BARRAS TORCIDAS CAMBIO A FORMACIÓN CON DIFERENTE DUREZA BROCA INADECUADA PESO EXCESIVO
EROSION DE CONO MALA CIRCULACIÓN DE AIRE EXCESO DE AGUA
MALA CIRCULACIÓN DE AIRE DESGASTES DE VELOCIDAD EXCESIVA RODAMIENTOS CONDUCTOS DE AIRE TAPADOS TERRENO FRACTURADO
DESGASTE DE NÚCLEO ( CORING)
REVISAR Y/O CAMBIAR BARRAS LEVANTAR Y REPASAR VARIANDO PESO Y R.P.M.
BROCA PARA FORMACIÓN MAS BLANDA REDUCIR PESO REDUCIR SI HAY EXCESO Y SI SE PRODUCE ARENADO USAR MINIMO POSIBLE. CHEQUEAR COMPRESOR Y/O CAMBIAR BOQUILLAS DE TRICONOS BAJAR R.P.M. LIMPIAR CONDUCTOS BAJAR PULLDOWN
EMPATAR SIN AIRE O CON POCO AIRE
EVITAR ESTA PRACTICA
MALA CIRCULACIÓN DE AIRE
CHEQUEAR COMPRESOR Y/O CAMBIAR BOQUILLAS A TRICONOS
MALA INICIACIÓN DE TRICONO
QUEBRADURA DE INSERTOS
VOLUMEN Y PRESION DE AIRE ADECUADA
CON TRICONO NUEVO INICIAR LENTAMENTE Y CON POCO PESO
TRANSPORTE O MANIPULACIÓN MEJORAR CONDICION INADECUADA PONER TRICONO CON INSERTOS CORTOS TRICONO INADECUADO PARA FORMACIÓN DURA FALLAS AL INICIO
INICIO DE PERFORACIÓN LENTO
VELOCIDAD EXCESIVA
BAJAR R.P.M.
CAMBIO BRUSCO DE FORMACIÓN
BAJAR R.P.M Y PESO CONTROLAR R.P.M. Y PESO, USAR AMORTIGUADOR Y /O REVISAR
ENTRABAMIENTO O EMBOTADURA
CONOS ESTAMPADOS O CON HUELLAS
VIBRACIONES EXCESIVAS
AMORTIGUADOR
MATERIAL EXTRAÑO EN EL FONDO DEL POZO
LIMPIAR PERFORACIÓN CON HERRAMIENTAS RESCATADORAS
EXCESO DE PESO
DISMINUIR PESO
BROCA INADECUADA
CAMBIAR A TRICONO PARA FORMACIÓN MAS BLANDA
CIRCULACIÓN DE AIRE INSUFICIENTE
MEJORAR CONDICION
EXCESO DE AGUA
CONTROLARLA
BROCA INADECUADA
CAMBIAR A BROCAS PARA FORMACIÓN BLANDA
PESO O ROTACION INADECUADA
CAMBIAR PESO Y/O R.P.M.
BARRAS TORCIDAS
REVISAR BARRAS
HILOS DEFECTUOSOS
CUIDAR LAS CONEXIONES, USAR GRASA
POCA PENETRACIÓN BARRAS TORCIDAS INSERTOS GASTADOS EXCESO DE R.P.M.
AUMANTAR PESO REVISAR BARRAS, CAMBIAR A INSERTOS MAS DUROS BAJAR R.P.M.
RECOMENDACIÓN PARA EL USO DE LOS ELEMENTOS DE PERFORACION. Aun cuando los aceros hayan estado debidamente almacenados se deben inspeccionar las roscas machos y hembras, así como sus espejos, deben estar siempre limpios y libres de daños ocasionados por golpes. Antes de poner en uso los aceros de perforación se deben lubricar con grasas con altos contenidos de cobre micro pulverizado. Cada vez que se reutiliza un acero se debe remover la grasa acumulada en sus zonas roscadas, para eliminar impurezas que impidan su acoplamiento normal y permitir la adherencia del nuevo lubricante. Acoplamientos de uniones roscadas, barras, adaptadores: Las recomendaciones de limpieza y lubricación de hilos son extremadamente importantes para la vida útil de las uniones. Existen también otras variables de gran importancia que se deben tener en cuenta para la extensión de la vida útil de las uniones, las roscas nuevas son más susceptibles
de ser dañadas que las uniones con desgaste, esto debido a que con el uso los perfiles van sufriendo desgastes que facilitan su engrane, por lo tanto los primeros acoplamientos son de gran importancia para la vida útil de las roscas. Las siguientes recomendaciones se deben tener presente al acoplar un conjunto roscado, sea entre barra- barra, barras-adaptadores, o adaptadores a triconos. La rotación al acoplar debe ser lenta, el desplazamiento descendente debe ser equivalente al paso de la rosca. Por ejemplo, las roscas B.E.C.O. Tienen un paso de ½”, esto significa que por cada vuelta que giren al acoplar deben avanzar ½”. Una rotación mayor que el desplazamiento indicado genera un montaje entre los hilos con desgarramiento de acero. Del mismo modo un desplazamiento mayor que la rotación produce el mismo daño.
En las columnas multipass es común que la vida útil de los hilos se vea reducida por desgastes prematuros en sus hilos, la razón radica en el constante acople y desacople de las uniones, la tendencia de algunos operadores es ejecutar esta operación en el menor tiempo posible pasando por alto las recomendaciones anteriores. Los daños en los hilos se producen por el constante acoplamiento o desacoplamiento de las uniones, durante el trabajo las uniones roscadas están sometidas a altas cargas de fricción y torsión, razón por la cual debe haber siempre una película protectora o de separación entre metal con metal, la lubricación adecuada y una buena calidad de lubricante pueden controlar en gran medida estos daños. El sobre apriete de una columna de barras es producto de las cargas intermitentes de torsión, flexión y vibraciones que actúan sobre la columna principalmente cuando la dureza del terreno es muy alta.
Las fallas más frecuentes de las roscas son Desgastes por excesiva rotación o excesivo empuje al acoplar. Ruptura de hilos por micro grietas en el acero generado por una mala lubricación. Ruptura de hilos por fatiga de material provocadas por altas curvas de pandeo. Ruptura de hilos machos y/o hembras por sobre esfuerzos torsionales cuando la roca a perforar es muy dura. Es importante señalar que el mecanismo de falla que provoca la ruptura en un hilo macho y/o hembra siempre es un esfuerzo mecánico extremo, sea por pandeo, flexión, o torsión, bajo estas condiciones los hilos van sufriendo lentamente un proceso de deformación hasta sobrepasar su límite de resistencia elástica llegando a la deformación permanente y su consiguiente ruptura. El mayor riesgo de fatiga y ruptura de hilos y/o barras se manifiestan en los primeros metros de perforación, en la “empatadura” de los pozos, por tal razón es estrictamente necesario que el pulldown aplicado así como la rotación sean bajas, de tal forma de no producir desviaciones o pandeos , que son las causas de fatigas y rupturas, esta condición debe ser aplicada obligatoriamente en los primeros dos a tres metros, hasta que la columna ha conseguido estabilizarse lo suficiente apoyándose en el cabezal de rotación, la mesa de trabajo y las paredes de la perforación, esta es la única forma de reducir el riesgo de ruptura de hilos y barras . Los sobre aprietes de hilos tan comunes en las columnas de perforación principalmente cuando son de un solo paso (singlepass) son los principales causantes de rupturas en las zonas cercanas a los espejos de las uniones, cuando la resistencia de la roca a ser perforadora es muy alta una parte de la energía de empuje aplicada al tricono se libera transformándose en vibraciones y pandeo, estas a su vez causan dilataciones y contracciones permanentes en el acero, tal como se ha explicado en un capitulo anterior en estas condiciones en el acero comienza un proceso progresivo de deformaciones submicroscopicas en sus átomos generando calor y bajando la resistencia cohesiva de los componentes de su estructura, el proceso continua evolucionando hasta formar las primeras micro fisuras imperceptibles a simple vista, una vez que estas se van uniendo se transforman en grietas y se pueden observar fácilmente porque toman una dirección circular o transversal al eje del cuerpo afectado. Es por esta razón que cuando la columna de barras es single pass se debe incluir dentro del procedimiento de trabajo soltar la unión roscada para liberar la tensión acumulada por lo menos cada 2.000 a 2.500 mts.
CONDICIONES SUB ESTANDARES QUE AFECTAN A LOS ACEROS DE PERFORACION PROBLEMA Cabezal rotación descentrado
de
Falta de aire para barrido
Exceso de aire en el barrido
EFECTO SOBRE LA COLUMNA DE PERFORACION Altas curvas de pandeo sobre la columna, fatiga de de aceros y ruptura de hilos Pin y fisuras en hilos Box, desgastes asimétricos en faldones de triconos, altas cargas de fricción y golpes sobre los anillos guías rotatorios. Remolienda en el fondo del pozo, desgastes prematuros en los faldones de los triconos, desgastes prematuros en los bits sub por exceso de fricción en el fondo del pozo, desgastes en el núcleo de los triconos, entrabamiento de tricono, poca penetración. Desgaste por efecto de arenado sobre los bit sub y las barras, desgastes en los faldones de los triconos por efecto de arenado.
Gatos de nivelación en mal estado
Torceduras de barras, ruptura de hilos Pin y fisuras en hilos Box, ruptura de anillos rotatorios.
Cadenas empuje diferentes tensiones
Descentramiento de cabezal de rotación, pandeo de la columna con daños por fatigas en hilos Pin y Box, desgastes de anillos rotatorios por exceso de fricción, ruptura de hilos en Top Sub por desalineamiento, desgastes de hilos al acoplar.
de con
Correderas gastadas Amortiguador mal estado
Desviación de cabezal y pandeo sobe la columna, vibraciones sobre el cabezal de rotación, desgastes de hilos al acoplar. en
Torre de perforación torcida o desnivelada Juegos excesivos en pasadores de fijación de torre Anillos guías con excesivo desgaste
Instrumentos nivelación
de
Vibraciones sobre el equipo, vibraciones sobre los anillos guías, daños sobre el tricono, ruptura de insertos en los triconos, sobre aprietes de hilos. Pandeo de columna y fatiga en los aceros, desgastes de hilos al acoplar, desgastes en faldones de triconos, desgastes prematuros en las barras por aumento de fricción sobre las paredes del pozo, empataduras defectuosas, pozos desviados. Vibraciones sobre la estructura de los equipos, ruptura de hilos Pin y fisuras en hilos Box, desviación de columna, daños en anillos guías, daños en faldones de triconos, fallas en empataduras de pozos, pozos desviados. Vibraciones en columna de perforación, desviación de columna, impactps sobre el deck hole, daños en los rodamientos del anillo guia. Desviación de columna y torcedura de barras, fatigas en los aceros por pandeo, desgastes prematuros de aceros por
descalibrados Llaves de servicio en mal estado. Válvulas retención estado
aumento de fricccion sobre las paredes del pozo, desgastes de faldones en los triconos. Resbalamiento sobre los aceros, riesgos de golpes.
de mal
Golpes sobre los hilos Pin, ruptura de hilos Pin, desgastes prematuros de hilos al acoplar, barras torcidas al trasladar equipo.
Exceso de aceite en la línea de aire.
Daños en componentes de amortiguadores, contaminación de muestras, riesgos de caídas por resbalamiento en mesa de trabajo, desplazamiento de grasa en los hilos. Alteración de la estructura de los aceros y fatiga de aceros por revenidos prolongados.
en
Calentamiento de las zonas de unión.
IDENTIFICACIÓN DE HILOS MACHOS Y HEMBRAS B.E.C.O Y A.P.I.
Roscas B.E.C.O. LADO LADO TIPO PIN BOX BECO Diámetro Diámetro Nº A B 101.2 mm 104.7 mm 3½ 113.9 mm 117.4 mm 4 126.6 mm 130.7 mm 4½ 145.6 mm 149.2 mm 5¼ 164.7 mm 168.2 mm 6 215.5 mm 219.0 mm 8 266.3 mm 269.8 mm 10
Roscas A.P.I. Regular LADO LADO TIPO PIN BOX API Reg. Diámetro Diámetro Nº A B 66.6 mm 68.2 mm 2 3/8 76.2 mm 77.7 mm 2 7/8 90.1 mm 90.1 mm 3½ 117.4 mm 119.0 mm 4½ 140.2 mm 141.6 mm 5½ 152.1 mm 153.5 mm 6 5/8 178.6 mm 180.1 mm 7 5/8
DIMENSIONES Y PESOS DE LAS BARRAS DE PERFORACIÓN
Diam. De barras 5” 5” 5” 6” 6” 6” 6” 9” 9” 9” 9” 10”
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ¼ ¼ ¼ ¼ 3/4
Long. De barras
Esp. de tubos
30’ 32’ 35’ 28’ 30’ 32’ 35’ 20’ 32’ 35’ 40’ 33’
¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ 1” 1” 1” 1” 1” 1/2
Peso de barras Kgs. 565,0 600,0 650,0 752,0 800,0 850,0 914,0 988,0 1.468,0 1.580,0 1.780,0 2.265,0
MEDICIÓN DE BARRAS
CONTROL DE NIVELES EN EQUIPOS DE PERFORACIÓN
PERFORADORAS Perforación primaria: El objetivo de la perforación primaria es realizar un taladro con el fin de romper la roca mediante explosivo y así aprovechar al máximo la energía. Perforación subterránea: Perforadoras de percusión y rotación taladros de diámetros pequeños. Perforación superficial: Para desarrollar una buena importantes:
perforación
debemos
considerar
cuatro
factores
Perforadoras de rotación. Suficiente fuerza en la broca para optimizar la perforación (PULL DOWN). Suficiente rotación para que la broca pueda trabajar en cualquier estrato. Suficiente presión de aire para remover los detritos y dar una buena refrigeración a los cojinetes de la broca. Buena selección de la broca de acuerdo a tipo de material o roca a perforar.
PERFORACIÓN A PERCUSIÓN.
Es el método usado para hacer una perforación en roca utilizando las ondas de choque producidas por una masa que golpea a una broca en rotación o a una columna de barra giratoria que tiene una broca en el extremo opuesto, la rotación de la broca se produce por uno o más dispositivos de giro, rifle, bar, motor integral, o por un accionamiento externo. Las perforadoras de percusión se clasifican en dos tipos: Perforadoras de superficies. Perforadoras de fondo o D.T.H. Las perforadoras de superficie son las más usadas y se llaman así debido a que el martillo de perforación trabaja sobre la superficie del terreno y la columna o sarta de barras se instala entre este y la broca de perforación, una de sus ventajas es el bajo peso de los montajes de sus aceros o herramientas. Entre las perforadoras de superficie se encuentran las guaguas, las perforadoras con émbolos o de patas, las perforadoras con drifters, y los stopers que son herramientas que se pueden usar en espacios muy reducidos por un solo hombre sin necesidad de montarlas en aparatos especiales, otra de sus ventajas es que pueden perforar en todo tipo de ángulos, sean horizontal, radial, vertical ascendente o descendente.
PERFORACIÓN DE FONDO – DTH (DOWN THE HOLE). Este sistema trabaja en la parte inferior de una columna de perforación y su principal característica es que actúa directamente sobre la roca que debe perforar, esto hace que la eficiencia de trabajo sea mucho mayor ya que a diferencia del sistema de perforación de superficie la energía perdida entre la columna y la herramienta de trabajo se mantiene en un mínimo constante. El bajo ruido existente es otra ventaja debido a que la percusión del martillo y el escape de los ruidos se efectúan en el fondo del pozo. Entre sus desventajas está el riesgo de operar un equipo neumático debajo de la superficie, si por accidente o por derrumbe del pozo cae material hacia el fondo se formara un anillo de obstrucción que evitara y/o dificultará la remoción y extracción del material removido, en algunas ocasiones esto es hasta imposible con la consiguiente pérdida del martillo de perforación con herramienta incluida y parte de la columna de perforación. Las principales recomendaciones a tener en cuenta en la planificación de la perforación con martillo de fondo son las siguientes: a. Diámetro de la perforación:
La primera recomendación para una perforación eficiente es que entre el diámetro exterior del martillo y el diámetro exterior de bit de perforación debe existir una diferencia de diámetro ideal de ½” ó 12,7 m/m. Este es el espacio anular que quedara entre el hoyo a perforar y el martillo de fondo, es suficiente para reducir el riesgo de derrumbe del pozo y suficiente para la evacuación del material cortado por el bit. b. Consumo de aire: Para la perforación con martillo de fondo se debe tener en cuenta el aire disponible en los compresores del equipo, en la medida que los martillos aumentan de diámetro se requiere un mayor consumo de aire pero una menor presión. Siempre es necesario consultar el catalogo del fabricante del martillo para conocer los parámetros de uso. c. Equipos de perforación: Las principales características de un equipo de perforación para trabajar con martillos de fondo deben ser el torque para la apropiada rotación, y su capacidad de levante. Los diseños geométricos de los bits de perforación son de una alta importancia para la eficiencia de la perforación, es así como existen tres diseños para una adecuada selección. Cóncava. Ideal para todo tipo de perforaciones, su vaciado frontal permite guiar la dirección del pozo, ideal para zonas blandas y semiduras. Plana. Adecuada para perforaciones en zonas semiduras a duras, tienen más insertos en su frente lo que permite romper con mayor eficiencia la roca. Convexa. Permite una mayor velocidad de perforación, su geometría da mayor resistencia a los botones, es adecuada para zonas duras y abrasivas. Las velocidades de barrido necesarias para la limpieza de los hoyos deben estar entre 4.000 pie/min a 7.000 pie/min. Una velocidad mayor a este rango causará un desgaste excesivo por proyección de partículas a altas velocidades. Otras recomendaciones importantes para la perforación con este sistema están en el control de peso sobre el bit, se debe considerar que un martillo con percusión en el fondo necesita solamente el peso suficiente para mantener el bit en el fondo del hoyo, perforar con excesivo peso solo reducirá la vida útil del bit de perforación y aumentará la presión sobe la columna de perforación.
De la misma forma un peso insuficiente también es perjudicial ya que si el martillo no está suficientemente apoyado en el fondo del hoyo la energía de impacto aplicada sobre el pistón no será transferida adecuadamente al bit. Una rotación a la inversa o impactos sin rotación pueden ser causantes de desacoplamiento de los hilos de unión entre las barras y/o el martillo, esto tiene un alto riesgo de que las barras se puedan caer al pozo que se está perforando. DESPIECE DE MARTILLO ( DOWN THE HOLE )
PERFORACIÓN A ROTACIÓN: El principio utilizado por este sistema consiste en aplicar energía a la roca haciendo rotar una herramienta (trépano) conjuntamente con la acción de una gran fuerza de empuje En la práctica minera, este sistema de perforación presenta tres variantes según el tipo de herramienta utilizado: • Rotación con trépano cortante • Rotación con trépano triturante • Rotación con herramienta abrasiva Su diseño evoluciona rápidamente hasta la herramienta conocida con el nombre de tricono. A principios de los años '50 esta tecnología se empieza a aplicar en los primeros equipos rotativos diseñados para realizar perforaciones de tronadura en minas a cielo abierto. Innovaciones posteriores, principalmente en lo que dice relación con el diseño de estos triconos y la calidad de los aceros utilizados en su fabricación, le dan hoy en día a este sistema una gran versatilidad. Se aplica tanto en rocas blandas como muy duras, sin restricciones en cuanto a la longitud de los tiros. Su única limitación es el diámetro de perforación. Por razones que se explicarán más adelante, este sistema no se aplica en diámetros menores a 150 mm para fines de fragmentación de rocas. La perforación rotativa con una herramienta abrasiva - corona de diamantes o diamantina como se le conoce en la terminología minera- se utiliza exclusivamente para sondajes destinados a la recuperación de testigos de roca con fines de exploración y/o reconocimiento de un cuerpo mineralizado, tema que no está incluido en los alcances de este curso.
Descripción general del equipo:
ACCIONAMIENTOS PRINCIPALES:
Mecanismo de rotación o motor de rotación Sistema o mecanismo de empuje Mecanismo de izamiento Sistema de barrido con aire comprimido Accionamientos hidráulicos, mástil y patas de apoyo Mecanismo de propulsión o desplazamiento Dispositivo de extracción de polvo Otros de menor importancia
DESCRIPCIÓN DE LA PERFORADORA: Castillo Chasis y estructura principal Orugas de propulsión Además tienen equipos incorporados como: A. Suministro de fuerza: El suministro de fuerza (C.A.) 4160 V. Se lleva desde las casetas ubicadas en los subniveles de la mina hasta la perforadora mediante cables blindados en la perforadora se reduce el voltaje a 440 voltios usando Transformador dicha corriente en los Compresora Salen cables blindados Estación principal 30000 voltios grupo electrógeno hidroeléctrica motores de las compresoras, bombas de aceite del grupo generador de corriente Cables aéreos continua. 4160 V Perforadora
440 V
Grupo generador
Corri
Rotac Percu Izam
B. Equipo de rotación: El movimiento de rotación lo da un motor eléctrico de HP variable generalmente 75 HP de corriente continua (C.C.). C. Equipo de perforación: El movimiento de rotación generado mediante el motor eléctrico se transmite a través de los barretones y reamer hacia la broca o estabilizador. 1. Barretones o barrenos: Son tubos de acero de paredes gruesas que van unidas mediante acoplamiento en su parte superior a la cremallera y la parte inferior al estabilizador. 2. Reamer o estabilizador: Se usa en el extremo inferior del barretón y antes de la broca, su diámetro es igual al de la broca con la diferencia de que en sus partes laterales dispone de rodillo son insertos de carburo de tungsteno otorgando mayor estabilidad al sistema y permitiendo una libre rotación del barreno evitando desviaciones y creando taladros lisos. 3. Broca: Son tricónicas disponen de 3 conos que giran sobre su eje y cojinetes ensamblados, disponen de un determinado número de dientes que están de acuerdo al tipo de roca en que se realiza tienen un sistema de circulación de aire para su enfriamiento ya que trabaja a temperaturas altas. 4. Equipo de izamiento y propulsión: El motor eléctrico de corriente continua mueve un eje de transmisión que sirve para operar el tambor de izamiento, el tambor del cable auxiliar, el movimiento al castillo en la máquina de propulsión. 5. Aire comprimido: Existen 2 sistemas de aire comprimido: El sistema principal para la perforación en si de alta capacidad y mediana presión (690 PSI) las perforadoras pueden tener 2 o 3 compresoras con motor eléctrico corriente alterna.
El del sistema auxiliar que es de pequeña capacidad pero de alta presión (120 PSI) que se utiliza para operar ciertos controles de operación y para el mantenimiento de la máquina. VARIABLES DE OPERACIÓN: 1. Pull down: Incrementando el peso en las brocas normalmente aumentamos el grado de penetración, sin embargo la perforación resulta más económica cuando se aplica suficiente peso para sobrepasar la resistencia a la compresión de la roca. Pero la presión sobre la broca no debe ser tan grande que la broca se hunda especialmente en formaciones suaves con lo cual los conductos del flujo de aire, dientes o botones de la broca puedan atascarse. 2. Velocidad de rotación: Perforando a velocidades de entre 30-100 RPM se obtiene adecuadas velocidades de penetración y máximo rendimiento por broca aunque estos dos parámetros dependen de la mano de obra calificada por lo tanto se debe tener en cuenta: A mayor dureza de la roca utilizar mayor pull down y menor velocidad de rotación. A menor dureza de la roca utilizar menor pull down y mayor velocidad de rotación.
3. Presión de aire y volumen: El compresor de aire es seleccionado al momento de comprar la máquina y generalmente no se remueva hasta después de varios años de servicio, el volumen de aire debe ser suficiente para refrigerar la broca, limpiar los cojinetes, remover los detritus y expulsarlos a superficie, la presión de aire es controlado por el tamaño de las boquillas llamadas también NOZZLE, que se encuentran en la broca triconica. La velocidad anular de elevación el Bailing Speed para remover las partículas en el fondo del taladro varían de 3000 – 7000 ft. /min.
Detritus livianos Detritus más pesados Detritus húmedos y pegados
5000 ft. /min 7000 ft. /min 9000 ft. /min
Para determinar el caudal: El requerimiento volumétrico puede calcularse por:
Q=V (D 2−d 2)/183.35 Dónde: Q = Caudal del aire circulado en CFM V = Velocidad (BAILING SPEED) en ft. /min D = Diámetro del taladro en pulgadas d = Diámetro del barreno en pulgadas CALCULO DE LA VELOCIDAD DE PENETRACIÓN:
VP=[ 61−28 log 10 SC ]
RELACION DE BARNER ( W∅ )( RPM 300 )
SC = Resistencia a la compresión uniaxial (en miles de psi.) W = Pull down (en miles de libras) ∅ = Diámetro de broca en pulgadas RPM = Velocidad rotacional en RPM VP = Velocidad de penetración en ft/hora SMITH GRUNNER, aplica la misma fórmula pero en diferentes segmentos de SC (resistencia a la compresión) 5000 ≤ SC ≤ 15000 PSI
VP=[ 356−217 log 10 SC ]
( W∅ )( RPM 300 )
15000 ≤ SC ≤ 25000 PSI
VP=[ 378−236 log 10 SC ]
( W∅ )( RPM 300 )
25000 ≤ SC ≤ 50000 PSI
VP=[ 210−115 log 10 SC ]
( W∅ )( RPM 300 )
50000 ≤ SC ≤ 100000 PSI
VP=[ 61−28 log 10 SC ]
GENERAL ( W∅ )( RPM 300 )
SELECCIÓN Y COSTOS DE BROCAS: Las brocas tricónicas están seleccionadas en una gran variedad de tamaños y tipos (Hughes, Reed, Secoroc, Smith, Security, Drillco, etc.). Su elección en un tipo específico de formación es el de mayor importancia. Las brocas se fabrican para perforar en: a. Formaciones suaves: Se fabrican para perforar en formaciones suaves tienen un número reducido de dientes, el desplazamiento entre los conos es máximo. b. Formaciones Duras: Tienen dientes de tamaño corto y extra fuertes el desplazamiento entre conos es mínimo. c. Formaciones Medias: Tienen características de las dos anteriores. d. Formaciones Muy Duras y Abrasivas: Tienen insertos cónicos de carburo de tungsteno colocados a presión dentro de unos conos construidos de acero de alta calidad
Costo por pie perforado=
C .O . maq. hora × vida de broca en horas−costo broca Promedio de pies perforados
Costo aproximado de broca tricónicas de 3000 – 4000 dólares. DIMENSIONES DE ALGUNAS CARACTERISTICAS DE LA PERFORADORA BUCYRUS ERIE PERFORADO RA
DIAMETRO BARRETON
LONGITUD BARRETON
DIAMETRO ESTABILIZ.
LONGITUD ESTABILIZ.
DIAMETRO DE BROCA
45 R 50 R
8 5/8” 9 ¼”
8 5/8” 9 ¼”
5 ½” 5 ½”
10 5/8” 12 ¼”
60 R
10 ¾”
32 pies 32 pies 30 pies 6.5”
10 ¾”
5 ½”
12 ¼”
PROBLEMAS DE APLICACIÓN: 1. Calcular el # de perforadoras que se necesitan para una producción de 48 000 000 TM al año de mineral de dureza media y con una densidad insitu de 3 Tm/m 3 rendimiento de la perforadora es de 0.6 m/min (velocidad) altura del banco 12m.
Sobre perforación 13 % de altura de bancos se usara un trazo de 6x6m. En el ciclo total de perforación por taladro se obtiene los siguientes tiempos, tiempo de repare 2 min. , cambio de broca ½ min. , cambio de barreno ½ min. , mov. de hueco a hueco 5 min. Se trabaja 8 horas/guardia, 3 guardias al día y al año 320 días. Área 3m .
3m . 3m . 3m . Zona de influencia de la Tiempo de perforación: voladura t= c/v t= 13.56 m/ 0.6 m/min t= 22.6 min
Perforación: h = 12 + 13%(12)
12 m h = 13.56 m.
13%(12)
T total de perf. = 22.6 + 2 + 1 + 5 = 30.6 min N° de taladros/gdia = tiempo x guardia t perforado/taladro N° de taladros/gdia = 8h/guardia 30.6 min/taladro x 1h/60 min N° de taladros/gdia = 15.6 ≅ 15
Volumen = 6x6x12m. = 432 (12m. no se considera sobre perforación) Tonelaje = V x γ = 432 x 3 = 1296 Ton/tal x 15 tal/gdia = 19 440 ton/gdia Entonces: = 19440 ton/gdia x 3 gdia = 58 320 x 320 = 17 496 000 ton/perf. (Año) N° de perforadoras = N° de perforadoras =
48 000 000 17 496 000 2.74 ≅ 3 perforadoras
2. Teniendo los siguientes datos calcular la velocidad de penetración con las formulas indicadas en teoría.
Mineral de hierro Resistencia a la compresión simple de la roca 30 000 PSI Velocidad de rotación 75 RPM Capacidad de Pull Down 90 000 lbs. ∅ de broca 15 pulg. Broca será usada en mineral abrasivo muy dura.
Entonces ubicamos la resistencia utilizar:
a la compresión para determinar que formula
25000 ≤ SC ≤ 50000 PSI
VP=[ 210−115 log 10 SC ]
VP=[ 210−115 log 10 30 ]
( W∅ )( RPM 300 )
75 ( 9015 )( 300 )
VP=¿ 64,209 ft/min
FORMULA PARA CALCULAR LA VELOCIDAD DE BARRIDO (Vb) EN PIE x MINUTOS (ppm) Vb
=
C.F.M. x 183,4 ز Bit - ز Barras
Donde : Vb C.F.M. ز Bit ز Barras
: es la Velocidad de barrido, : es el caudal de aire del compresor expresado en pie3/min. : es el diámetro del bit, expresado en pulgadas. : es el diámetro de la columna de barras, expresado en pulgadas.
Ejemplo práctico. Que velocidad de barrido se necesita para trabajar con un bit de diámetro 6” ½, una columna de barras de 4” ½ y un compresor con capacidad de 600 c.f.m.
Vb
=
600 (cfm) x 183,4 6-1/2² - 4-1/2²
Vb
=
5,000 p.p.m.
=
110,040 22
FORMULA PARA CALCULAR CAUDAL DE AIRE (Q) EN PIE³ /MIN Q Dónde: Q
= 27,272 x D² - d²
: es el caudal de aire necesario para obtener una velocidad de barrido anular de 5.000 ppm, expresado en C.F.M. (pie3/min)
D² d²
: es el diámetro del tricono de perforación, expresado en pulgadas. : es el diámetro de la columna de barras, expresado en pulgadas.
Ejemplo práctico: Cuantos CFM se necesitan en una columna de barras de diámetro 8-5/8” y un tricono de perforación de 9-7/8”? Q
= 27,272 x 9-7/8 ² - 7-5/8²
Q
=
1.074 CFM
FALLAS COMUNES EN LOS ACEROS DE PERFORACIÓN. Es bien conocido que los metales son más sensibles de fallar bajo cargas de trabajo estáticas que bajo cargas de trabajo dinámicas. Los aceros tienen la capacidad de absorber cargas dinámicas o ciclos de esfuerzos de trabajo por un número infinito de veces, siempre que los esfuerzos aplicados se mantengan dentro de los límites de resistencias que les corresponde, esto se observa en el gráfico de la figura N° 1 que es un simple ejemplo del comportamiento del acero bajo cargas de trabajo aplicadas y su comportamiento durante los ciclos de trabajo alternados o repetitivos
Pulldown
Resistencia del Acero
El gráfico adjunto muestra un proporción entre los esfuerzos aplicados y la resistencia del acero, esta proporción se observa entre el punto O y el punto A. En el eje “y” se representan las cargas o esfuerzos aplicados. En el eje “x” se representan los ciclos de trabajo. La recta “O” “A” representa la resistencia del acero bajo cargas de trabajo si la tensión no supera el punto “A” cualquier cantidad de ciclos no causara fallas. A partir del punto “A” hasta “B” la recta se horizontaliza, se dice que el acero a dejado de resistir y a pasado desde el punto de elasticidad al punto de plasticidad, a partir del punto “B” de la recta el colapso del acero será inminente solo depende del tiempo en que esta condición se mantenga. Un ejemplo clásico es el siguiente: Imaginar un clavo de acero dulce con una resistencia mecánica de 27.000 lbs./ pulg.² el clavo no se romperá cualquiera sea el N° de ciclos que actúen sobre él, sin embargo con 30.000 lbs./pulg.² el clavo se romperá a los 2.000.000 ( dos millones ) de ciclos, y a una tensión de 48.000 lbs./pulg.² que es el límite de resistencia elástica el clavo se romperá inmediatamente. Todas las fallas o rupturas por esfuerzos cíclicos se llaman fallas por fatiga de material.
DAÑOS Y FALLAS POR FATIGAS QUE AFECTAN A LAS BARRAS DE PERFORACIÓN. Las velocidades críticas de rotación y altas cargas de empuje sobre el tricono de perforación causan vibraciones y a menudo son las causantes del rápido deterioro de las barras, sea por desgastes excesivos o fallas por fatigas.
Está comprobado que bajo condiciones críticas de perforación, sea por formaciones duras y por derrumbes de pozos se requiere aplicar una mayor potencia del equipo a los aceros de perforación, esta necesidad de aplicar mayor potencia del equipo a los aceros es la evidencia de que los operadores están trabajando bajo condiciones críticas. Fallas Por Tracción. Las fallas por tracción se pueden producir mientras se está tirando de las barras de perforación aprisionadas en un derrumbe del pozo. En la medida que el esfuerzo de tracción sobre las barras exceda el límite de fluencia del acero el metal tiende a deformarse gradualmente concentrando la mayor tensión del esfuerzo aplicado sobre las paredes más delgadas de la barra o la zona de fondo de los hilos, estas son las zonas de mayor concentración de tensiones.
Fallas Por Fatiga. La falla por fatiga es la más común entre las barras de perforación, también está visto y demostrado que es la menos comprendida por los operadores y en general por la gente ligada a la perforación, generalmente los análisis y conclusiones a los que llega la gente en terreno son incorrectas porque se confunden las causas y efectos que actúan en un proceso de fatiga. En primer término se debe tener siempre presente que una fatiga y ruptura es un proceso que evoluciona en el tiempo, la rapidez de inicio y termino de un proceso fatiga y ruptura depende solamente de las condiciones extremas en que se está desarrollando, un ejemplo característico e inevitable de un proceso de fatiga y ruptura que está en desarrollo y que solo es cosa de tiempo para que se produzca el colapso es la curva de pandeo extrema a la que se somete la columna de perforación cuando la zona de perforación es dura , alterada, con fallas o grietas. También se generan fatigas de material cuando las condiciones mecánicas de los equipos no son las más adecuadas tal es el caso de las torres de perforación deformadas, con desviaciones o desnivelaciones, tornamesas de trabajo defectuosas, con desgastes, cremalleras o correderas de cabezales con desgastes etc. Las barras de perforación son fabricadas con aceros con un alto punto de fluencia a la torsión, tracción y compresión, por lo tanto soportaran los esfuerzos aplicados mientras estos estén dentro de sus límites de ruptura o de fluencia elástica. Debemos insistir en que el mecanismo de falla por ruptura es progresivo en el tiempo, su proceso comienza con una pequeña deformación submicroscopica de los átomos del
acero y producto de esfuerzos mecánicos alternados se genera calor , bajando la resistencia cohesiva de los componentes de la estructura del acero, este fenómeno a su vez va formando micro fisuras que se van uniendo progresivamente hasta hacerse visibles, la dirección que la grieta toma es transversal al eje del cuerpo que está siendo afectado, esta es la razón por la cual las fallas ocasionadas por grietas producidas por fatigas siempre son circunferenciales. En todo acero de perforación la composición química, su micro estructura, la terminación mecánica de sus superficies y las propiedades mecánicas del acero determinan su límite de fatiga. De manera aproximada el acero de las barras de perforación tiene una resistencia a la fatiga igual a la mitad de su resistencia a la tracción, por otro lado las entalladuras producidas por la forma geométrica de su diseño también tienen un gran efecto sobre su resistencia a la fatiga. Las barras de perforación y los adaptadores superiores, intermedios o de otro tipo sometidos a ciclos de esfuerzos de tracción, compresión stán, pandeo, torsión y flexión. Los esfuerzos más críticos son los de compresión y pandeo, la magnitud de cualquier esfuerzo se acrecienta por efecto de las vibraciones, las que a su vez son las causantes de los sobre aprietes de hilos en las columnas de perforación, de aquí la importancia de contar con un buen diseño de amortiguador de impactos y vibraciones. Una interpretación negativa de una falla producida por fatiga es que el acero se cristaliza, en realidad todos los aceros tienen una estructura cristalina , en el caso de las fallas el tamaño de los cristales no varía y la ruptura o grieta es transversal a los planos del cristal , la apariencia frágil que resulta de la estructura se debe al trabajo de endurecimiento en la superficie de la fractura . Dentro de las principales recomendaciones para un adecuado uso de las barras de perforación se deben considerar las siguientes. Al iniciar la perforación las R.P.M. y el PullDown deben ser lentos permitiendo que la columna se estabilice y así reducir las curvas de deformación por pandeos. El control de la empatadura lenta y progresiva es recomendable mantenerla hasta los primeros dos metros de profundidad. Los puntos de apoyo de la columna que reducen el pandeo y las vibraciones son, la pared de la perforación, la mesa de trabajo con su anillo guía y el cabezal de rotación del equipo.
Está comprobado que una mala empatadura de la perforación solo generará tiros torcidos, tensionando de manera permanente la columna de perforación, el tricono de perforación también se ve afectado ya que su rotación o giro no será uniforme y su estabilidad en el fondo del hoyo afectará siempre a un cono más que a los otros, adicionalmente los tiros desviados provocan espaciamientos entre ellos que alteran la fragmentación de la roca lo que puede ser un problema serio para su carguío y su remolienda. ANALISIS DEL MATERIAL USADO EN LAS BARRAS DE PERFORACION ATLAS COPCO. Steel (Naranjo) (Burdeo)
Alloy
Especificación
ASTM – A106
ASTM – A519
Grado
B
4140 Templado y Revenido
Condición
Acabado en caliente
Acabado en caliente
Limite elástico
35.000 lbs / pulg²
90.000 lbs / pulg²
Limite a la tensión
60.000 lbs / pulg²
120.000 lbs / pulg²
Dureza Brinell (HB)
106 a 120 HB
260 a 310 HB
Carbono
0,30 (máximo)
0,38 a 0,40
Manganeso
0,29 a 1,06 (máximo)
0,75 a 1,00
Fósforo
0,048 (máximo)
0,04 (máximo)
Azufre
0,058 (máximo)
0,04 (máximo)
Silicio
0,100 (mínimo)
0,15 a 0,35
Cromo
------------------
0,80 a 1,10
Molibdeno
------------------
0,15 a 0,25
ASTM A106 grado B, es la especificación para tubos de acero al carbono sin costura. ASTM A519 grado 4140, es un tubo que dimensionalmente es más preciso que el ASTM A106 grado B denominado acero dulce.
Existen Tres Tipos De Fallas Por Fatiga De Material.
Fatiga pura, que es una ruptura sin causa aparente, fisuras en lado box o en el pin de las barras. Fatiga por entalladura, que es una ruptura asociada a una entalladura de tipo mecánica producto de la forma geométrica del elemento o causada por un elemento extraño en la perforación.
Fatiga por desgaste, que se produce por la erosión o abrasión a que ha estado sometido el elemento durante sus ciclos de trabajo.
PROBLEMAS FRECUENTES EN LA OPERACION Y USO DE LOS ACEROS DE PERFORACION PROBLEMA Desgaste prematuro de hilos
Dobladura de barras
Cortadura de barras
Ruptura de anillos guías
Desgastes asimétricos de anillos guías
Vibraciones en la columna
ORIGEN Excesiva rotación, excesivo PullDown, falta de lubricación, baja frecuencia de lubricación, desalineamiento de cabezal. Movimiento del equipo con barras en el pozo, desviación de cabezal de rotación, torres desniveladas, exceso de Pull Down con barras gastadas. Pull Down excesivo con barras gastadas, pandeo extremo en barras gastadas, entalladuras por roce en el acero. Golpes contra barras torcidas, golpes contra Deck Hole con deformaciones o desgastes. Perforación con barras torcidas, anillos trabados por suciedad interior, sedimentos en el interior, Deck Hole en mal estado. Tricono en mal estado, Tricono inapropiado, formación demasiado dura, falta de PullDown, exceso de rotación. Vibraciones en la columna,
SOLUCION Bajar rotación y Pull Down al mínimo, aumentar frecuencia de lubricación, corregir desviación de cabezal de rotación. Antes de mover el equipo asegurarse de retirar las barras del pozo, corregir desviación de cabezal de rotación, corregir verticalidad de torre y confirmar con niveles de cabina, reducir PullDown con barras gastadas y sobre todo en formaciones duras. Reducir PullDown con barras gastadas y sobre todo en formaciones duras, retirar del equipo barras que con entalladuras ocasionadas por fricción contra rocas duras Retirar barras torcidas de perforadora, reparar Deck Hole.
la
Retirar barras torcidas de la perforadora, reparar Deck Hole, retirar y destrabar anillos guías con líquidos lubricantes. Cambiar tricono, instalar tricono apropiado, aplicar PullDown gradualmente, reducir rotación gradualmente. En columna single pass desacoplar
Sobre apriete en hilos
Daños en hilos de triconos
Desgastes prematuros en barras
pandeos excesivos, falta de lubricación en los hilos.
barras cada dos turnos para eliminar tensión de los espejos y reengrasar.
Acoplamiento defectuoso, desalineamiento de la columna, mesa desnivelada, llave corta triconos en mal estado, golpes contra los hilos. Columna torcida dentro del pozo, pozo desviado, desnivelación de equipo, exceso de presión de barrido.
Controlar alineamiento de cabezal de rotación, reducir avance y rotación al mínimo, verificar estado de Deck Hole y de llave corta triconos y corregir de ser necesario. Retirar columna torcida, controlar Pull Down al iniciar la perforación, controlar estabilidad del piso de la perforadora, regular aire de barrido en el compresor o nobles de los triconos.
RL48 PERFORADORA ROTATIVA PARA SONDEOS CON TUBO TESTIGOS, MARTILLO DE FONDO Y BARRENA HELICOIDAL (marc a ROLATEC). CABEZA DE ROTACIÓN · Eje hueco estriado paso 100 mm. · Rosca para acoplar rotación directa. · Velocidad de rotación de 0 a 900 r.pm. · Par máximo de rotación 450 Kgm. · Apertura hidráulica de la cabeza dejando libre la zona d e sondeo. MORDAZA HIDRÁULICA ·Instalada en cabeza, con capacidad de varillaje hasta (HQ) 90 mm. MÁSTIL CONJUNTO DE AVANCE · Accionado por cilindro hidráulico y cadena. · Elevación y abatimiento hidraúlico. · Conjunto de poleas con prolongación, con altura para maniobras de 6 mts. · Carrera del cabezal 3.400 mm. · Tracción máxima 7.000 Kg. · Empuje regulado de 0 a 2.500 Kg. · Corredera longitudinal 800 mm. CUADRO DE MANDOS · Centralizado, con sistema hidráulico completo con regulación de la velocidad de avan ce y de la fuerza de empuje o retención.
BOMBA DE INYECCIÓN DE AGUA · Triplex accionada hidráulicamente. · Caudal regulado de 0 a 140 l.p.m. Presión regulada de 0 a 45 Bar. UNIDAD DE GOLPEO AUTOMÁTICO SPT · Instalada en equipo. · Funcionamiento autónomo sin necesidad de utilización de cabrestante. · Peso de la maza 63,5 Kg. · Cuenta golpes electrónico digital. · Régimen de golpeo entre 20 y 30 g.p.m. MOTOR · DIESEL - HATZ (SilentPACK) 4L4 1C con el conjunto de bombas hidráulicas. MONTAJE DE LA PERFORADORA · Sobre chasis de orugas de caucho accionado por el mismo motor del equipo. · Peso del equipo 4.000 Kg. · Compartimentos laterales para transportar material de perforación · Accionamiento de orugas con cable eléctrico a distancia. 39R PERFORADORA ROTATIVA (marca BUCYRUS). El 39R actualmente hace el trabajo de dos taladros en un paso de registro. Además del 39R, hay varias otras máquinas Bucyrus que funcionan en esta inclusión un 1350W dragline, 8750 dragline, dos 395B palas, y un 49R el taladro. El 39R la serie de taladro es un resultado fiel de la tecnología probada y conc eptos de diseño realzados (mejorado). El diseño proporciona la capacidad de propulsar con el m ástil y el tope encima o de debajo de la posición y logra el movimiento de agujero - agujero en la mitad el tiempo. El modelo que perfora eficiente, es ganado cuando es acoplado c on el 39R's la velocidad. La capacidad de contra rotación permite para la maniobrabilidad fácil dentro del modelo de taladro apretado. El tirón abajo y la maquinaria rotatoria es integrada e n un sistema, eliminando cadenas y reduciendo al mínimo cables para reducir el tiempo de ina ctividad de mantenimiento.
Tamaño máximo del orificio: 228-311 mm (913.75 pulg) Carga máxima de broca: 59,421 kg (131,000 lbs) Peso de trabajo: 136,078 kg (300,000 lbs)
DM25-SP. a hard working drill (marca ATLAS COPCO) La superficie de DM25-SP blasthole el taladro es diseñada para el abajo-agujero rotatorio y rápido que perfora en el más difícil de roca. El paseo(la unidad de disco) de engranaje r esistente sobre este taladro resistente entrega el control exacto en velocidades variables sin co mprometer el poder, mientras el sistema de comida hidráulico de motor proporciona la carg a de bit lisa, continua y velocidades de comida rápidas para reducir gastos que perforan. Este taladro trabajador coherentemente produce hasta 40 pies. / 12.2 m o 50 p ies. / 15.2 m de agujero limpio en un pase solo, dependiendo (según) selección de torre. Tantas configur aciones de presión bajas como altas son variables.
ATLAS COPCO BLASTHOLE DRILLS 351 PIT VIPER SERIES
The result: Greater productivity, longer life.
