Sede Renca
Exploración por Sondaje con Diamantina y Aire Reverso
Nombre: Jorge Arias P. Pamela González C. Claudio Schoeler D. Asignatura: Extracción Mina Sección: 128-2 Profesor: Alejandro Gutiérrez V. Fecha: 21 septiembre, 2015
1
T a b l a
1
Exploración por Sondaje .................................................................... 4 1.1
2
d e
c o n t e n i d o
Conceptos Generales ................................................................... 4
1.1.1
Empuje........................................................................................................................5
1.1.2
Revoluciones por Minuto ...........................................................................................5
1.1.3
Velocidad de Penetración ...........................................................................................5
1.1.4
Desgastes de Elementos de Perforación .....................................................................6
1.1.5
Sondaje .......................................................................................................................9
Exploración por Sondaje con Diamantina............................................. 10 2.1
Indirecta ................................................................................... 10
2.2
Directa ..................................................................................... 10
2.3
Proveedores .............................................................................. 11
2.3.1 2.4
ATLAS COPCO ...........................................................................................................11
Funcionamiento ......................................................................... 18
2.4.1
Fundamento .............................................................................................................18
2.4.2
Lubricación ...............................................................................................................19
2.4.3
Método .....................................................................................................................19
2.4.4
Testigo ......................................................................................................................19
2.4.5
Costos .......................................................................................................................22
2.5
Procedimientos de Trabajo .......................................................... 24
2.5.1 2.6
Guía para la Perforación ...........................................................................................24
Partes Principales ....................................................................... 32
2.6.1
Mástil y Bastidor de Avance .....................................................................................32
2.6.2
Elevador Principal y Sistema Wireline ......................................................................32
2.6.3
Unidad de Rotación ..................................................................................................33
1
2.6.4
Motor Diesel .............................................................................................................33
2.6.5
Sistema de Enfriado Separado del Aceite Hidráulico ................................................34
2.6.6
Bomba de Lodo .........................................................................................................34
2.6.7
Soporte de la Barra ...................................................................................................35
2.6.8
Gatos Hidráulicos y Descarga del Mástil ...................................................................35
2.6.9
Panel de Control .......................................................................................................36
2.6.10
Brocas, Barrenos y Accesorios ..................................................................................36
2.7
Aplicaciones .............................................................................. 38
2.7.1
Tipos de Perforación de Control ...............................................................................38
2.7.2
Características de la Perforación de Control .............................................................39
2.7.3
Datos Relevantes del Sondaje por Diamantina .........................................................39
2.8
Rendimientos............................................................................. 41
2.9
Inversión y Costos de Operación .................................................. 41
2.10
3
Aceros de Perforación .............................................................. 41
2.10.1
Tipos de Coronas ......................................................................................................41
2.10.2
Criterios Generales de Selección de Coronas ...........................................................49
2.10.3
Recomendaciones para el Buen Uso de las Coronas ................................................50
2.10.4
Guía de Selección de Coronas ...................................................................................51
Exploración por Sondaje con Aire Reverso ........................................... 52 3.1
Proveedores .............................................................................. 55
3.1.1
Atlas Copco ...............................................................................................................55
3.2
Funcionamiento ......................................................................... 65
3.3
Procedimientos de Trabajo .......................................................... 68
3.4
Partes Principales ....................................................................... 68
3.4.1
Ciclón ........................................................................................................................68
2
3.4.2 3.5
4
Aplicaciones .............................................................................. 71
3.5.1
Perforación Minera ...................................................................................................71
3.5.2
Perforación para Pozos (piezómetros) ......................................................................71
3.5.3
Perforación Diamantina (core drill) ..........................................................................71
3.5.4
Perforación Ambiental ..............................................................................................72
3.5.5
Segado de Pozos. ......................................................................................................72
3.6
Rendimientos............................................................................. 73
3.7
Inversión y Costos de Operación .................................................. 73
3.8
Aceros de Perforación ................................................................. 74
3.8.1
Barra de Perforación Aire Reverso con Tubo Interior ...............................................74
3.8.2
Martillo RC 50 ...........................................................................................................76
Proyecto de Innovación .................................................................... 77 4.1
Bloqueo de Funcionamiento ......................................................... 77
4.2
Alerta al Operador ...................................................................... 78
4.3
Aportes ..................................................................................... 78
4.3.1 5
Cuarteadores ............................................................................................................68
Consecuencias Directas ............................................................................................79
Referencias ..................................................................................... 80
3
1
E x p l o r a c i ó n
p o r
S o n d a j e
La exploración geológica y el sondaje minero buscan identificar la presencia de minerales (tipo, calidad y cantidad estimada) en áreas de exploración. Se utilizan diversos equipos para realizar las distintas actividades y a su vez intervienen personas de diversas disciplinas, como geólogos, geofísicos, geoquímicos, topógrafos y operadores de equipos de perforación, entre otras). Gracias a estos procesos se pueden identificar grandes concentraciones de minerales de mena (sulfuros, óxidos), dando pie a la conformación de proyectos de extracción, los cuales pueden tomar la forma de faenas mineras a rajo abierto o subterráneas. (CCM.cl, s.f.)
1.1 Conceptos
Generales
En el procedimiento de perforación es necesario considerar diferentes parámetros con el fin de realizar una operación óptima. Las variables internas que intervienen en la perforación son:
4
1.1.1
Empuje
El empuje aplicado sobre la broca o bit debe ser suficiente para sobrepasar la resistencia a la compresión que opone la roca, pero no debe ser excesivo, puesto que puede causar fallas en todo el sistema de perforación, como el "atascamiento" de las barras. En el caso de la perforación de rocas duras, el empuje elevado sobre la roca puede producir roturas en los insertos (botones) y disminuir la vida útil de los cojinetes (triconos), pero no necesariamente aumentará la longitud de perforación.
1.1.2
Revoluciones por Minuto
La velocidad con que se va penetrando la roca (velocidad de penetración) es directamente proporcional a las revoluciones por minuto, en una proporción algo menor que la unidad, hasta el límite impuesto por la evacuación de detritos. En el caso de la perforación rotativa con triconos, las velocidades de rotación varían desde 60 a 120 RPM, y el límite de velocidad de rotación queda determinado por el desgaste en los cojinetes, el que también tiene relación con el empuje y evacuación de detritos (barrido).
1.1.3
Velocidad de Penetración
La velocidad con que se penetra la roca (perforación) depende de muchos factores externos (por ejemplo factores geológicos), tales como las propiedades físicas de la roca y la resistencia a la compresión. Si bien es difícil determinar la velocidad de penetración, ésta define un conjunto de parámetros de rendimiento de la operación minera. Existen dos procedimientos para determinar la velocidad de penetración:
5
1.1.3.1 Realizar
Ensayos
Reales
con
Rocas
Representativas y Perforarlas En función de los resultados obtenidos, se determina un conjunto de parámetros de diseño, como el tipo de bit o tricono recomendado, el empuje requerido y la duración de los aceros de perforación.
1.1.3.2 Calcular
la
Velocidad
de
Penetración
a
partir de la Resistencia a la Compresión de la Roca Utilizando fórmulas empíricas que relacionan el avance del bit o tricono por cada revolución. Una vez determinada la velocidad de penetración (m/h), es posible calcular la velocidad media de perforación, en cuyo cálculo se incluyen los tiempos que el equipo no está trabajando y la disponibilidad mecánica.
1.1.4
Desgastes de Elementos de Perforación
En todo procedimiento de perforación es muy relevante llevar al máximo la vida útil de todos los componentes. Considerando que ella está influida tanto por agentes externos como por internos, es importante considerar las siguientes recomendaciones:
1.1.4.1 Desgaste
Uniforme
de
las
Barras
de
Perforación Esto se consigue alternando sistemáticamente las posiciones de las barras en la columna, de modo que si en una perforación la barra A está en el primer lugar (al lado del bit), en la siguiente perforación tendría que ser la última, y así sucesivamente. De esta forma, cada barra que es sometida a un esfuerzo fuerte y prolongado "descansará" en la siguiente perforación.
6
1.1.4.2 Incorporación de Barras Extras Si la profundidad de los tiros son de "n" barras, se debe tener "n+1" o "n+2" barras. Con esto se consigue prolongar la vida útil del conjunto de barras más allá de la fatiga o fractura prematura de uno de sus elementos. Esto es muy importante, ya que no es recomendable mezclar componentes nuevos con los antiguos en la operación.
1.1.4.3 Uso
de
Caballetes
o
Bastidores
para
la
Ubicación de las Barras Situados cerca de la perforadora, permiten mantener las barras en posiciones determinadas de acuerdo con el orden en que se van empleando, haciendo posible además una correcta mantención.
1.1.4.4 Metraje y Rendimiento Con el propósito de poder registrar el desempeño de los componentes y determinar posibles fallas, es conveniente llevar el control del metraje y del rendimiento de los componentes. Considerando las recomendaciones anteriores, es importante cuidar los siguientes aspectos, especialmente cuando se trata de una perforación manual:
1.1.4.4.1
Buen Apriete de las Conexiones
Todas las conexiones deben estar siempre bien apretadas, puesto que con esto se evitan desplazamientos que originan desgastes prematuros y dificultades en la transmisión de energía.
1.1.4.4.2
Buena
Alineación
de
la
Perforadora
Respecto de la Perforación (el tiro) Esta medida evita el desgaste por roce contra las paredes, las flexiones innecesarias que disminuyen la vida útil de las barras, la desviación en las perforaciones, etcétera.
7
1.1.4.4.3
Cuidado en la Empatadura
Se debe iniciar la perforación con poca presión y avance. Una vez efectuada la empatadura, ejercer el empuje necesario para perforar.
1.1.4.4.4
Calentamientos
por
Baja
Presión
de
Avance Es recomendable evitar calentamientos por baja presión de avance y las flexiones por exceso de avance.
1.1.4.4.5
Barrido Continuo
El barrido debe ser continuo e intenso en caso de presencia de rocas fracturadas, las que pueden "atascar" las barras.
1.1.4.4.6
Uso de Herramientas Correctas
Se requiere el uso de las herramientas adecuadas para los desacoplamientos, evitando daños innecesarios, como el "hincamiento" de los dientes de una llave inglesa, lo que puede fracturar la barra.
1.1.4.4.7
Almacenamiento de Barras
Es imprescindible guardar las barras en lugares adecuados, de manera de evitar la corrosión, que acorta la vida útil. (Codelcoeduca, s.f.)
8
1.1.5
Sondaje
La perforación o sondajes constituyen la culminación del proceso de exploración de minerales mediante el cual se define la tercera dimensión de un prospecto y su geometría en el subsuelo. La perforación proporciona la mayor parte de la información para la evaluación final de un prospecto y en última instancia, determinará si el prospecto es explotable económicamente. Los análisis químicos de las muestras de testigos sondajes son la base para determinar la ley media del depósito mineral. El cuidadoso registro de las muestras de testigos de sondajes ayuda a delinear la geometría y el cálculo del volumen de mineral y proporciona importantes datos estructurales. Los dos principales tipos de perforación son de diamantina (DDH) y los de aire reverso o circulación inversa (RC).
9
2
E x p l o r a c i ó n
p or
S o n d a j e
co n
D i a m a n t i n a Hay formas para obtener información sobre las propiedades mineralógicas y el contenido de mineral en un macizo rocoso, esta puede obtenerse de dos formas:
2.1 Indirecta Por medio del estudio de parámetros inferidos, a partir de las propiedades de los minerales, de las rocas encajantes y del macizo rocoso.
2.2 Directa Por medio del estudio de propiedades y muestras de minerales y rocas, bien al estudio de afloramientos, bien por el estudio de muestras tomadas en profundidad.
1) Forma indirecta se valdrá de técnicas de prospección; geofísicas, geoquímicas, entre otras, para conocer el terreno frente a estímulos de tipo sísmico, eléctrico, electromagnéticos, entre otros. 2) Se realiza un dimensionamiento del depósito mineral de modo que se defina tanto la forma como el contenido del mineral como el valor de dicho depósito, entendiendo como valor la cantidad de mineral que se pueda extraer de forma rentable.
Para lograr esto debemos tener cierta cantidad de datos para poder calcular la ley media del yacimiento, acumulación de agua, discontinuidades, y las reservas que forman parte de este para esto debemos considerar la perforación por sondajes y la que mayor cantidad de información entrega es la de diamantina en la cual se extraen testigos de roca del macizo rocoso. Los testigos son la muestra del macizo rocoso que nos van a permitir un análisis directo de los diferentes materiales que lo atraviesa, así como la presencia de mineralización, para estudiar su potencial de explotación. La evolución de las técnicas de toma de testigos ha seguido dos tendencias. La convencional con empleo de testigueras de doble tubo, acoplada al varillaje de perforación y la de wire line o extracción de testigo con cable.
(Exploración Minera Mediante Sondeos)
10
2.3 Proveedores Las empresas que proveen este tipo de perforadoras son variadas pero en este momento nos enfocaremos en las marcas más utilizadas por la gran minería nacional como Atlas Copco y Sandvick.
2.3.1
ATLAS COPCO
2.3.1.1 Modelo Christensen CT20 El equipo de perforación más nuevo de Christensen, el modelo CT20, es el más potente de la gama de productos y, sin embargo, es muy fácil de operar.
Este equipo cuenta con un nuevo sistema de alimentación que incrementa aún más la alta productividad, una de las características clave de los equipos de perforación Christensen. El CT20 tiene una capacidad de perforación de 2450 m*. El panel de control, con un nuevo diseño, es muy fácil de usar ya que muchas de sus funciones se han automatizado. Asimismo, el equipo cuenta con un nuevo nivel de seguridad incorporado directamente desde la fábrica. Durante
11
el proceso de desarrollo, se tuvo en cuenta el ambiente de trabajo en torno al equipo. Y se lo equipó con una cubierta de motor para reducir el ruido.
A fin de controlar las emisiones de carbono, el modelo CT20 está equipado con un moderno motor Clase III, además de contar con placas para derrames de aceite debajo de la unidad de alimentación.
2.3.1.1.1
Características Técnicas
12
La perforadora christensen tiene la capacidad de trabajar en ángulos de 90° y 45°.
Potente unidad de rotación de 4 velocidades.
Una deslizadora de 6 metros.
Extensión telescópica de 3 metros.
Pulldown de 100 k/n.
Potencia de tiro de 200 k/n.
El panel de mandos incorpora todas las ventajas heredadas del sistema Diamec como la coordinación mordazas mandril para la extracción cómoda y rápida de las varillas.
Incorpora una moderna monitorización de los parámetros hidráulicos mediante la cual la sonda va regulando los parámetros de perforación según los cambios de formación rocosa.
Cabrestante wire-line de 3.600 metros de capacidad.
Bomba de agua Trido 140.
Motor Cummins modelo QSL 9 Tier III de 224 kW.
13
2.3.1.1.2
Componentes
y Accesorios
2.3.1.1.2.1
Mástil y Bastidor de Avance
Christensen
Los mástiles Christensen son sumamente robustos, permiten transportar el peso total de la columna de perforación y tienen capacidad de recambio. El bastidor de avance integrado mide 1,8 o 3,5 m de largo. La posibilidad de utilizar barras de hasta 6 ó 9 m de longitud permite
alcanzar una alta productividad en el
acoplamiento de barras. Todos los modelos están equipados con posicionadores de barra fáciles de usar.
2.3.1.1.2.2
Elevador Principal y Sistema de Wireline
Atlas Copco elije utilizar soluciones probadas en el campo para sus equipos de perforación Christensen. Por ello, se utiliza un elevador principal de cable como sistema de recuperación de la barra y un sistema de línea eléctrica para la extracción de muestras. Los elevadores principales están diseñados para manipular el peso total de la barra a una capacidad de perforación máxima.
2.3.1.1.2.3
Unidad de Rotación
Las unidades de rotación son la fuente de poder del equipo de perforación. Casi todos los equipos de perforación Christensen utilizan el mismo tamaño de unidad, excepto el modelo Christensen CT20. Gracias a la caja de engranajes de cuatro velocidades, las unidades de rotación brindan una amplia gama de velocidades y pares de torsión. La prensa se acciona por resortes y se abre mediante un sistema hidráulico. Con el ingenioso diseño de las abrazaderas, las barras se pueden centrar fácilmente.
2.3.1.1.2.4
Motores Diésel
Los equipos de perforación Christensen utilizan motores de emisión Clase III. En los Estados Unidos y la Unión Europea, los modelos están equipados con motores que cumplen los más recientes estándares de emisiones de Clase III, establecidos por la Agencia de Protección del Medio Ambiente de los EE. UU.
14
(EPA, Environmental Protection Agency). Esto ayuda a minimizar la huella de carbono de la perforadora y contribuye a disminuir el consumo de combustible y los Costos de funcionamiento.
2.3.1.1.2.5
Enfriador
Separado
del
Aceite
del
Sistema
Hidráulico Mantener frío el equipo no es fácil cuando se realizan tareas de perforación para obtener muestras de sondeo a temperaturas de 50ºC. Por ello, las perforadoras Christensen están equipadas con un enfriador separado del aceite del sistema hidráulico. Esta característica exclusiva está instalada lejos del motor y facilita el enfriamiento eficiente del aceite del sistema hidráulico.
2.3.1.1.2.6
Bombas de Lodo
Atlas Copco elije las bombas de lodo Trido para los equipos de perforación Christensen. Estas bombas robustas y de gran dimensión aseguran el bombeo de agua dentro del pozo en la cantidad adecuada y con la presión correcta. Además, facilitan la eliminación de excedentes y barro, y el enfriamiento y la estabilización del pozo.
2.3.1.1.2.7
Soporte de la Barra
Ubicado en la base del bastidor de avance, el soporte de la barra utiliza lo último en tecnología de fuentes de gas. Un cartucho de gas garantiza una alta presión de cierre, mientras que el sistema hidráulico de la máquina abre el soporte. Esta medida de seguridad garantiza que la barra esté siempre sujeta en su lugar cuando el equipo de perforación está apagado. Este soporte extremadamente confiable posee una vida útil de sellado de 1 000 000 de ciclos y es fácil de reparar o reemplazar. Para una mayor seguridad, la presión de gas puede controlarse desde el panel de control de la perforadora. Asimismo, dado que tiene menos piezas que los sistemas de la competencia, esta máquina requiere menos mantenimiento.
15
2.3.1.1.2.8
Gatos Hidráulicos y Descarga del Mástil
La colocación del equipo en la posición adecuada para comenzar la perforación es una tarea que puede requerir mucho tiempo. Sin embargo, ese no es un problema para los equipos de perforación Christensen. Una vez en su lugar, los gatos hidráulicos integrados descienden para estabilizar la máquina. Luego, se eleva el mástil a la posición adecuada, mientras la descarga del mástil desliza el bastidor de avance a su lugar (opción no disponible en el modelo Christensen CS10). Finalmente, todo el chasis de la perforadora desciende hasta la posición ideal de perforación por medio de los gatos hidráulicos.
2.3.1.1.2.9
Panel de Control
En estas condiciones adversas de perforación, es de suma importancia que los controles de la perforadora funcionen perfectamente. Por ello, los equipos de perforación Christensen están equipados con un panel de control de uso sencillo que los protege contra las inclemencias del tiempo. Ubicado en la parte trasera del equipo de perforación, el panel de control está montado sobre una plataforma que proporciona una vista excelente de la perforadora y del sitio de trabajo.
La versión montada sobre un camión puede ajustarse al lugar con la ayuda de un ariete hidráulico.
2.3.1.1.2.10
Brocas Diamantadas de Perforación
Atlas Copco ha dedicado años al desarrollo y la fabricación de diseños de brocas de perforación para tareas exploratorias. Ofrecemos brocas diamantadas impregnadas, brocas de fijación para Superficies y brocas de carburo de tungsteno o PDC. Estas brocas están disponibles en tamaños A a S (46 a 146 mm de diámetro) y funcionan en todos los tipos de rocas, desde las blandas y no consolidadas hasta las extremadamente duras y abrasivas.
16
2.3.1.1.2.11
Barriles Sacatestigos
La recuperación de las muestras de sondeo es la tarea más importante de las operaciones de perforación. Por ello, tenemos una amplia gama de barriles eléctricos y convencionales en los diseños usados más comúnmente.
2.3.1.1.2.12
Adaptador de la Barra
Las barras de perforaciones eléctricas y soldadas a fricción convencionales están fabricadas de acero de gran calidad. Esto garantiza una excelente resistencia a la abrasión y una vida útil prolongada. Los sistemas de barras de perforación de aluminio y compuestos livianos también Están disponibles para perforaciones convencionales de pozos profundos.
17
2.4 Funcionamiento
2.4.1
Fundamento
La perforación a rotación con recuperación de testigos se basa en un elemento de corte de forma anular, con diamantes industriales incrustados colocado en el extremo de una sarta de perforación, ”corta” la roca obteniendo un cilindro de roca que se aloja en el interior de la sarta, a medida que el elemento de corte avanza. El elemento de corte se denomina corona de diamante.
La perforación con coronas de diamante y recuperación de testigo es, generalmente, el método de perforación más útil de cara a la obtención de muestras para su análisis, inspección visual y ensayo, particularmente depósitos masivos de leyes bajas donde la mineralización se distribuye a través de la roca matriz.
Sin embargo, la recuperación de los testigos es baja en las zonas mineralizadas superficiales debido a la fracturación, meteorización o friabilidad del material, siendo entonces necesario recoger muestras procedentes del fluido de perforación incrementándose los costes. (PEMMS)
18
2.4.2
Lubricación En la perforación con diamante el agua es el fluido de perforación más usual, aunque el aire es usado en algunas ocasiones con éxito.
En ocasiones también se
usa una
mezcla de agua y lodo. El agua es bombeada por el interior de la sarta de perforación
hasta alcanzar la
corona de diamante, saliendo por el espacio anular entre la sarta de perforación y la roca.
En la superficie, el agua de retorno suele ser recogido en un tanque donde se decanta el contenido de finos en suspensión procedente del detritus de perforación. Una vez decantado, el agua puede ser recirculado de nuevo.
2.4.3
Método
La perforación diamantina utiliza un cabezal o broca diamantada, que rota en el extremo de las barras de perforación (o tubos).
La abertura en el extremo de la broca diamantada permite cortar un testigo sólido de roca que se desplaza hacia arriba en la tubería de perforación y se recupera luego en la superficie.
2.4.4
Testigo
El testigo recuperado se aloja en los tubos sacatestigos (o portatestigos), que permiten su desmontaje en exterior para una mejor maniobrabilidad del mismo. Para la extracción de los núcleos de roca se han desarrollado tubos
19
sacatestigos de diferentes características
que han permitido mejorar la
recuperación en terrenos difíciles, En los sondeos profundos el sistema “wire line” ha posibilitado la extracción de testigos sin extraer todo el varillaje en cada maniobra.
El testigo entra en el tubo interior
(portatestigo),
situado dentro del tubo de sarta
de
perforación
inmediatamente detrás de la corona de perforación.
Se evita que el testigo caiga de nuevo en el barreno por medio de un casquillo en forma de cuña montado en la base de la sarta, llamado muelle rompetestigo o portatestigo.
La longitud de las barras es normalmente hasta de 6 metros de longitud, dependiendo del tamaño del equipo de perforación. Cuando la barra está completa con testigos en su interior, el tubo portatestigo se extrae de la sarta, por medio de una mordaza que baja por el interior de la sarta hasta que “pesca” anclándose a un dispositivo con forma de arpón. Este es el denominado sistema wireline. En esta posición la barra portatestigo queda liberada y una vez en el exterior puede extraerse fácilmente gracias a que esta barra suele poder desmontarse longitudinalmente, siendo especialmente útil en el caso de testigos altamente fracturados o alterados. Una vez extraído el testigo se monta de nuevo y se desciende de nuevo hasta la corona de perforación.
Después de los primeros 10 pies de perforación, se atornilla una nueva sección de tubo en el extremo superior y así sucesivamente en el caso del sistema wire
20
line no es necesario detener para atornillar, esté es automático mediante cables. El cabezal diamantado gira lentamente con suave presión mientras se lubrica con agua (lodo) para evitar el sobrecalentamiento.
La profundidad de perforación se estima manteniendo la cuenta del número de barras de perforación que se han insertado en la perforación.
El perforador escucha la máquina de sondaje con mucho cuidado para evaluar la condición de la perforación abajo. Ajustará la velocidad de rotación, la presión y la circulación de agua para diferentes tipos de roca y las condiciones de perforación con el fin de evitar problemas, tales como que quede la broca atascada o recalentamiento del cabezal diamantado.
Las rocas muy fracturadas (a menudo encontradas cerca de la superficie), además del riesgo que las barras se atasquen, pueden dejar escapar el agua, con el consiguiente recalentamiento de la broca. El problema se reduce al mínimo mediante la inyección de "lodo de perforación" (o aserrín u otros materiales) en la perforación para "tapar" las fracturas y evitar la fuga de los fluidos.
Dentro de la tubería de perforación hay otro tubo interno, que tiene un mecanismo de cierre conectado a un cable de acero. Al final de cada serie de 10 pies, el cable se utiliza para izar el tubo que contiene el testigo de roca a la superficie donde se puede recuperar. El testigo se almacena en cajas especialmente
diseñadas
que
contienen compartimentos
para
mantener
secciones del testigo. Las cajas estándar son de 2,5 pies de largo (0,762 m) y contienen cuatro compartimentos, así que permiten almacenar tres metros de testigo en cada caja, pero también hay cajas de 3,3 pies de largo (1,02 m) con 3 compartimientos.
21
2.4.5
Costos
La perforación de corona de diamante es relativamente lenta y costosa, consiguiéndose rendimientos de 15 a 20 m por relevo en buenas condiciones. En cuanto al coste, como regla general, puede decirse que un metro de perforación con corona de diamante equivale hasta 4 metros de perforación con circulación inversa y hasta 20 metros de perforación a rotación.
La perforación con corona de diamante permite realizar sofisticados estudios geológicos e incluso se pueden obtener gran volumen de muestras para avaluaciones geoquímica. El testigo puede ser orientado obteniendo la medida de las estructuras geológicas, reproduciendo la posición del testigo en el macizo rocoso.
Los tamaños de los testigos estándar van desde 27 mm a 85 mm de diámetro.
Los diámetros de testigos usados normalmente con el sistema wireline son:
AQ (27 mm) BQ (36,5 mm) NQ (47,6 mm) HQ (63,5 mm) PQ (85 mm)
Desde casi todos los puntos de vista, el mejor tamaño de testigos es el de mayor tamaño posible. Mayores diámetros permiten mejor grado de recuperación y permiten menores desviaciones en la perforación. En testigos de mayor tamaño se facilitan los ensayos químicos y los cálculos de estimación de reservas. Sin embargo, el coste de la perforación con corona crece exponencialmente en relación al tamaño del testigo, por lo que hay que llegar a una solución de compromiso diámetro y coste.
22
Diamantinas marca Sandvik
TESTIGUERA WIRELINE Y CUADRO DE MEDIDAS
23
2.5 Procedimientos
de
Trabajo
2.5.1
Guía para la Perforación
2.5.1.1
Registro
y
Control
de
Parámetros
de
Perforación Los parámetros de perforación que debe registrar, controlar y modificar el perforista en el reporte de turno son:
RPM.
Peso sobre la corona.
Caudal o flujo del lodo.
El control se realiza a través de los instrumentos del tablero de comando de la sonda, verificando que todos ellos estén correctamente conectados, de modo de tomar las lecturas en forma correcta. En síntesis, se deben registrar las lecturas del tacómetro, flujómetro o medidor de caudal. Luego verificar la velocidad de penetración de la corona, la cual debe aproximarse a los 10 mt/hr.
Si la velocidad de penetración esté bajo un rendimiento razonable, se debe hacer los ajustes, considerando el test de perforabilidad, usando la regla:
Peso sobre la corona x RPM = Constante
Para lograr una perforación eficiente y productiva, se verifican nuevamente los parámetros de velocidad de penetración y RPM, los cuales deben estar en el rango 200 a 250 RPI.
24
2.5.1.1.1
Parámetros Operacionales
A continuación se presentan algunas características que pueden ayudar para que las coronas funcionen correctamente.
2.5.1.1.1.1
Vía de Agua
Son ranuras radiales que permiten refrigerar y transportar el fluido para evitar que la corona se queme o funda y también lograr un buen barrido del detritus o recorte que se está generando en el fondo del pozo.
2.5.1.1.1.2
Refuerzos de Carburo de Tungsteno
Todas las coronas impregnadas son fabricadas con este tipo de refuerzo y con diamantes naturales en diámetro interior y exterior, para mantener la dimensión del testigo y del pozo, cuando se desgasta la corona.
2.5.1.1.1.3
Matriz
Está construida de polvos matriceros de metal duro como es el carburo tungsteno y soldadura (cobre – plata).
La matriz tiene 3 funciones principales: • Unir el cuerpo de acero de la corona y los diamantes en una unidad integral. • Asegurar mecánicamente los diamantes en su lugar, para resistir la fuerza de corte. • Proveer resistencia al desgaste y a la erosión compatible con la formación y condiciones del pozo.
2.5.1.1.2
Velocidad de Rotación versus
penetración Como norma, las coronas diamantadas impregnadas requieren velocidades de rotación mayores para lograr velocidades de penetración comparables con las de las coronas incrustadas. Esto se debe a que la exposición del diamante es
25
menor en una corona impregnada, luego la penetración por revolución o vuelta es también menor.
En las coronas impregnadas, las velocidades de penetración están controladas dentro de un rango muy estrecho para una determinada velocidad de rotación de la corona (rpm) y el peso sobre ella es de importancia secundaria.
Este procedimiento se conoce como método de perforación rpp: •
Revoluciones/pulgada (sistema inglés)
•
Revoluciones/centímetro (sistema métrico).
El índice rpp (revoluciones de la corona por pulgada (cm) de penetración) es el cálculo más importante para lograr la máxima vida útil de la corona, bajos costos de perforación y una máxima productividad.
Para calcular el índice rpp (r/pulg.), se divide la velocidad de rotación (rpm) de la corona por la velocidad de penetración.
Ejemplo: Velocidad de rotación corona (rpm ) = 800 rpm Velocidad de penetración = 4 pulg/min (Controlada por el peso sobre corona) 10 cm/min
Luego rpp (r/pulg.) = 800 rpm / 4 pulg/min = 200 rpp (rev/pulg.) 800 rpm/ 10 cm/min = 80 r/cm (rev/cm)
El rango aconsejable es de: 200 – 250 rpp (80 – 100 r/cm) •
200 rpp para roca media dura.
•
250 rpp para roca dura.
26
Siempre que se trabaje dentro de esta norma y la corona de la Serie corresponda a la formación y dureza de la roca, la perforación debería progresar sin problemas y la corona se desgastará a un ritmo más o menos constante durante toda la vida útil.
Si el índice rpp (rev/pulg.) se encuentra bajo el mínimo recomendado de 200 rpp, se producirá un desgaste excesivo de modo que se deberá aumentar las rpm de la corona o disminuir la velocidad de penetración, mediante la reducción del peso sobre la corona. Si las condiciones de terreno o las limitaciones de la sonda le impiden efectuar estos ajustes, cambie a una corona de Serie menor.
Si el índice rpp (rev/pulg) es muy superior al máximo recomendado (250 rpp), la corona se puede pulir, en este caso hay que reducir las rpm o aumentar la velocidad de penetración, aumentando el peso sobre la corona. Si las rpm o el peso no pueden ser modificados, entonces cambie a una corona de Serie mayor (por ejemplo de serie 2 a 6). Existe una relación crítica entre la velocidad de rotación (rpm) y la velocidad de penetración (pulg./min).
Si la rpp es demasiado baja, es posible que se salgan los diamantes de la matriz. Al contrario si la rpp es demasiado alta, los diamantes pueden resultar pulidos y la velocidad de penetración disminuye notablemente.
2.5.1.1.3
Peso Sobre la Corona
Aunque el peso sobre la corona (Pull Down) es solo de importancia secundaria cuando se está perforando con coronas impregnadas, puede ser un factor importante en algunas circunstancias.
Esto es especialmente efectivo cuando se está alcanzando el límite de las herramientas dentro del pozo para soportar empujes altos o cuando el control de la desviación es de primordial importancia.
27
En estos casos, se recomienda emplear una corona de Serie mayor a la normalmente
seleccionada
o
recomendada,
teniendo
cuidado
con
las
velocidades de penetración. Esto tenderá a disminuir la desviación o los problemas de la herramienta dentro del pozo.
Si se requieren pesos sobre la corona muy altos para cortar la roca, se debe seleccionar un rango de Serie mayor. Esto normalmente dará por resultado que se requerirán pesos más bajos sobre la corona, mientras se mantienen velocidades de penetración aceptables.
Si se sobrepasa el peso máximo recomendado sobre la corona, se puede esperar que surja desviación del pozo, desgaste excesivo de los barriles sacatestigos y coronas como también de las barras de perforación. Además se pueden presentar fallas dentro del pozo.
2.5.1.1.4
Método
de
Presión
Diferencial
para
Determinar el Peso Sobre la Corona La presión diferencial multiplicada por el área de los cilindros hidráulicos de avance de las sondas nos entrega la fuerza sobre la corona diamantada.
Ejemplo: Diámetro Cilindros de Avance = 4 pulg. (10 cm.) Área de Ambos Cilindros (A)= 2 x π d2 / 4 = π d2 / 2 Luego A = 3,14/2 x 10,162 = 162 cm2 = 25,1 pulg2
Un descenso de presión de avance o presión diferencial de 100 psi ó 7 Kg/cm2 representa una fuerza total sobre la corona de = 25,1 pulg2 x 100 psi 2.510 lb. o 1.134 Kg. Notas: 14,285 psi = 1 Kg/cm2 Fuerza = Presión x Superficie = 25,1 pulg2 x 100 pound (lb) / pulg2
28
2.5.1.1.5
Flujo de Fluido
La regulación de la salida de la bomba de lodo mediante un medidor de flujo de agua (flujómetro), puede ser una técnica útil para ayudar a la perforación deformaciones silíceas muy duras. Si, cuando se está empezando a bombear al volumen máximo de fluido recomendado, surge la necesidad de afilar la corona, la salida de la bomba debe reducirse al valor menor recomendado.
Esto ayudará a que se acumule una pequeña cantidad de detritos en la cara de la corona lo que, a su vez, desgastará la matriz.
Si el pulido o la necesidad de afilar la corona persiste, se debe realizar un cambio de corona a la corona de Serie mayor más próxima (por ejemplo de Serie 6 a 7).
Se recomienda además usar aceites solubles o fluidos lubricantes con las coronas impregnadas, solo en formaciones de roca dura.
El caudal del fluido es una variable crítica al optimizar la eficiencia de perforación. El fluido debe enfriar efectivamente la corona y remover los recortes de la perforación a través del espacio anular en la forma más eficiente posible.
Un caudal demasiado alto puede causar el levante hidráulico de la columna y afectar al peso real sobre la corona y en consecuencia al rendimiento de la perforación.
Un caudal bajo puede desgastar en forma prematura la corona debido a la acción abrasiva del recorte.
29
2.5.1.1.5.1
Pulido
Pulido, glaseado o vitrificado son términos empleados comúnmente para describir una condición en la que la cara de la corona adquiere una textura metálica y no sobresalen puntas de diamante desde la matriz para cortar la roca. La penetración cesa virtualmente y se hace necesario afilar la corona en el pozo o, en otros términos, reexponer el diamante.
Es de suma importancia, para evitar el pulido, que el perforista mantenga la corona cortando.
2.5.1.1.5.2
Método de Afilado en el Pozo
Si se ha seleccionado una corona de la Serie demasiado menor para el tipo de roca o se ha dejado que una corona impregnada disminuya la velocidad y se pula, es necesario afilar la superficie de la matriz para exponer los diamantes.
Esto puede hacerse mediante la reducción de las rpm del husillo en alrededor de 1/3 de vuelta (seleccione una marcha menor si cuenta con transmisión) y manteniendo una velocidad de penetración constante. La presión en la corona aumentará hasta que se perfore 1 pulg. Y luego la presión descenderá rápidamente, señalando que se ha producido el afilado y que la corona está cortando de nuevo, rápidamente. Reduzca inmediatamente la presión sobre la corona y aumente las rpm del husillo para adecuarse al índice rpp (rev/pulg.) correcto. Si se repite demasiado este proceso, se recomienda cambiar corona a una serie mayor.
2.5.1.1.5.3
Método de Afilado Fuera del Pozo
El limpiar la cara de la corona con un chorro de abrasivo duro (arenado) devolverá la exposición de los diamantes y permitirá una penetración mayor.
Recomendaciones:
30
1. El afilado debe evitarse en la medida de lo posible, debido a que reduce artificialmente la vida útil de la corona. 2. Cortar el agua mientras se está perforando y esperar que la corona muerda, constituye un método No recomendado por la experiencia.
31
2.6 Partes
Principales
La perforadora de diamantina se constituye de:
2.6.1
Mástil y Bastidor de Avance
El mástil permite soportar el peso total de la columna de perforación y tiene capacidad de recambio.
El bastidor de avance integrado puede ser desde 1,8 m /3,5 m y da la posibilidad de usar barras desde 6 /10 m según su dimensión y consta de un posicionador
de
barras
para
su
seguridad.
2.6.2
Elevador Principal y Sistema Wireline
Elevador principal de cable para el sistema de recuperación de la barra. Además eléctrica
un
sistema
para
la
de
línea
extracción
de
muestras y poder manipular la barra a su máxima capacidad.
32
2.6.3
Unidad de Rotación
Esta es la fuente de poder del equipo de perforación.
Las unidades de rotación tienen una gran capacidad, velocidad de giro ajustable, pares de torsión y prensa ajustada por resortes.
2.6.4
Motor Diesel
Este da la potencia de desplazamiento para que la perforadora sea tractada por rueda o por orugas y finalmente poder desplazar el equipo completo a donde se requiera.
33
2.6.5
Sistema de Enfriado Separado del
Aceite Hidráulico Durante la perforación, unos de los grandes problemas es la temperatura. Ésta es muy difícil de mantener y esencial para el buen funcionamiento de la perforadora.
En algunos casos, el sistema de enfriamiento de aceite se encuentra instalada alejado del motor.
2.6.6
Bomba de Lodo
Tan importante como el sistema de enfriamiento, es el que mantiene lubricada la diamantina bombeando agua
y
lodo
hacia
el
pozo
de
perforación. Mantiene la perforación lubricada, enfría los accesorios que forman
parte
discontinuidades
de
ésta para
y
rellena evitar
atascamiento del varillaje.
34
2.6.7
Soporte de la Barra
Ubicado en la base del bastidor de avance,
es
accionado
por
gas
mientras el sistema hidráulico abre el soporte.
Provista de un (carrusel) de barras, en el caso de una perforación multi-pass, permite que la barra quede fija sin desviarse.
2.6.8
Gatos
Hidráulicos
Mástil Este
es
el
sistema
posicionamiento
que
de
ajuste utiliza
o la
perforadora para acomodar el ángulo y
la
posición
de
perforación
establecido por geomecánica para realizar sondajes con diamantina.
Utiliza los gatos para tomar nivel y luego se adhiere a la superficie para perforar.
35
y
Descarga
del
2.6.9 En
el
Panel de Control panel
ajustarse
de
los
control
pueden
parámetros
de
perforación tales como:
RPM.
Caudal de lodo.
Presión sobre las barras.
Temperaturas de los sistemas de
importancia
en
la
perforadora.
2.6.10
Brocas, Barrenos y Accesorios
2.6.10.1
Broca diamantada de perforación
Existen de fijación para superficie, impregnadas, y las brocas de carburo de tungsteno o PDC disponibles en varios tamaños desde 46 mm. hasta 147 mm. y
se usan tanto como en
rocas blandas y duras.
36
2.6.10.2
Barriles Sacatestigos
Los barriles sacas testigos cumplen la función de extraer el testigo de roca desde el interior del varillaje sin necesidad de desacoplar las barras.
Ya dentro del pozo tienen mayor eficiencia
en
testigos
destruidos
debido a discontinuidades.
2.6.10.3
Adaptador de Barras
La característica más importante es su resistencia a la abrasividad.
Éstas van enroscadas en las barras, por lo tanto deben encontrarse en buen
estado
detenciones
o en
pueden el
ocasionar
proceso
de
perforación.
37
2.7 Aplicaciones La perforación con diamantina, según sus aplicaciones, se puede clasificar como:
Exploración de Green Fields (fase prospectiva).
Exploración Brown Fields (ampliar reservas en zonas cercanas a un yacimiento conocido.
En Mina: o
Pozos profundos de exploración (pozos exploratorios profundos para cubicar más reservas).
o
Perforación de Control (para producción).
Tipos de Perforación de Control
2.7.1
2.7.1.1 Perforación para Yacimientos con Control Estructural Desplazamiento de la zona mineralizada o mineralización completa encajonada en zona de falla. Generalmente vetiformes cuya mineralización ha usado como medio encajonante estructuras falladas. También en yacimientos de manto con desplazamientos tectónicos.
Por ejemplo:
2.7.1.2
Yacimientos epitermales de Au-Ag, Au-Cuarzo, Au – Cu.
Perforación Contorneo
Típicas de cuerpos mineralizados en donde es preciso delimitar la zona minable. Yacimientos masivos que pueden o no estar controlados estructuralmente pero que requieren de una delimitación de borde para programar su explotación.
Por ejemplo:
Sulfuros masivos.
38
2.7.1.3
Perforación
para
Control
de
Leyes
o
Calidad En los yacimientos de metales preciosos, especialmente del tipo hidrotermal, las leyes varían frecuentemente haciendo necesario su control permanente.
La variación de las leyes en yacimientos de metales preciosos incide con mayor frecuencia en la caracterización de éstas como mena o reserva minable.
Los cambios no son anticipables fácilmente y requieren sondajes.
Características
2.7.2
de
la
Perforación
de
Control
Se requieren con urgencia.
No son fácilmente programables.
El ambiente de trabajo es confinado.
Los taladros son de corto alcance.
No se dispone de personal dedicado.
A veces se requieren testigos de gran diámetro para estudios geotécnicos.
Se requiere portabilidad.
2.7.3
Datos
Relevantes
del
Sondaje
por
Diamantina Estos sondeos tienen por objeto hacer las exploraciones necesarias para el estudio de un determinado terreno o formación, proporcionando entre otros los siguientes datos: 1. Litoloaía, mediante el estudio del ripio, testigos y registros o diagrafias. 2. Presiones de formación y niveles piezométricos de los distintos acuíferos cortados.
39
3. Propiedades físicas de las rocas tales como:
Porosidad.
Densidad.
Adsorción y absorción de agua.
Desorción de agua.
Temperatura.
Existencia de fluidos.
Capilaridad.
4. características mecánicas.
Resistencia a la compresión.
Resistencia a la tensión.
Resistencia a la flexión.
Fatiga.
Dureza.
Expansión térmica.
5. Propiedades aulmicas de los fluidos contenidos en la roca:
Salinidades.
Efectos corrosivos o incrustantes.
Concentraciones de diferentes elementos.
Composición isotópica, etc.
40
2.8 Rendimientos
2.9 Inversión
2.10
Aceros
y
Costos
de
de
Operación
Perforación
Las herramientas diamantadas son los constituyentes esenciales de cualquier sistema de perforación. Estas herramientas deben poseer las siguientes características: calidad sobresaliente, construcción adecuada y diseño avanzado.
Los atributos anteriores se deben combinar para permitir completar un programa de perforaciones hecho al menor costo posible en diamantes. Lo ideal es seleccionar una gama completa de herramientas diamantadas con los mismos estándares de calidad.
2.10.1
Tipos de Coronas
2.10.1.1
Coronas Insertadas o Incrustadas
Pueden emplearse para perforar casi todo tipo de formaciones o rocas. No es recomendable usarlas en terrenos duros, muy duros o extra duros. Por el contrario, su campo de aplicación es en formaciones blandas y semiduras. Estas coronas llevan sobre la superficie de la matriz una capa de diamantes insertados.
2.10.1.2
Coronas Impregnadas de Serie
La matriz de estas coronas se compone de una aleación de diversos polvos metálicos con diamantes sintéticos de alta calidad. Las diferentes combinaciones de cantidad y tipos de polvos metálicos, como cantidad y tamaño de diamantes, dan origen a las diferentes series de coronas recomendadas para los diversos tipos de terrenos a perforar.
41
2.10.1.2.1 Componentes Coronas Impregnadas
2.10.1.2.1.1
Matriz
Está construida de polvos matriceros de metal duro (Carburo de Tungsteno) y soldadura (Cobre, Plata), y tiene 3 funciones:
a) Unir el cuerpo de acero de la corona y los diamantes en una unidad integral. b) Asegurar mecánicamente los diamantes en su lugar, para resistir la fuerza de corte. c) Proveer resistencia al desgaste y a la erosión, compatible con la formación y condición del pozo.
42
2.10.1.2.1.2
Son
ranuras
Vías de Agua
radiales
que
permiten
refrigerar
y
transportar
el
fluido
para
evitar que la corona sea quemada o fundida.
También sirven para lograr un buen barrido del recorte que se está generando al fondo del pozo.
2.10.1.2.1.3
Refuerzo de Carburo de Tungsteno
Todas las coronas impregnadas son fabricadas con este tipo de refuerzo y con diamantes naturales en el diámetro interior y exterior, para mantener la dimensión del testigo y del pozo cuando se desgasta la corona.
43
2.10.1.2.2 Patrones
de
Desgaste
de
Impregnadas
2.10.1.2.2.1 Corona con Desgaste Ideal
La matriz de corte se consume totalmente.
El patrón de desgaste de la cara deberá ser relativamente plano.
2.10.1.2.2.2 Corona con Pérdida de Diámetro Interior
Desgaste del diámetro interior.
Causas
Velocidad de penetración de la corona muy alta. Terreno muy fracturado. Se perfora sobre testigo abandona - do en el pozo. Caudal de agua muy bajo. Matriz muy blanda.
44
Coronas
Solución
Agregar cemento al pozo. Aumentar la velocidad de rotación. Bajar el peso sobre la corona. Cambiar a corona de Serie menor (matriz más dura). Subir el caudal de agua. Verificar el largo del tubo interior.
2.10.1.2.2.3 Corona con Pérdida de Diámetro Exterior Desgaste del diámetro exterior.
Causas
Vibración.
Velocidad de rotación muy alta.
Caudal de agua muy bajo (fugas).
La corona está escariando el pozo bajo medida.
Solución
Subir el caudal de agua.
Bajar la velocidad de rotación.
Verificar el diámetro del escariador.
Agregar fluido de perforación para reducir la vibración.
45
2.10.1.2.2.4
Corona con Diamante Sobre Expuesto
La matriz se desgasta antes que los diamantes, resultando
una
alta
exposición
de
ellos
y
prematura pérdida de la vida útil de la corona.
Causas
Peso excesivo sobre la corona, muy alto comparado con la velocidad de rotación.
El flujo de agua es demasiado bajo.
Por el uso de coronas de serie alta (matriz muy suave).
Solución
Aumentar la velocidad de rotación (RPM) y bajar el peso sobre la corona (subir RPP).
Subir el flujo o caudal de agua.
Cambiar la corona por una de Serie menor (matriz más dura).
2.10.1.2.2.5 Corona con Cara Cristalizada Diamantes y matriz pulidos. La corona no corta.
Causas
Peso sobre la corona es muy bajo para la velocidad de rotación.
El caudal de agua es muy alto.
Por usar Series menores (matriz más dura).
46
Solución
Afilar la corona con esmeril.
Bajar la velocidad de rotación y aumentar el peso sobre la corona.
Bajar el caudal de agua.
Seleccionar un bit de Serie mayor (matriz más blanda).
2.10.1.2.2.6 Corona con Desgaste Cóncavo de la Cara Causas
Velocidad de penetración muy alta en comparación con las RPM (RPP muy baja).
Desgaste del testigo y por reperforación.
Solución
Disminuir la velocidad de penetración.
Subir las RPM de la corona.
Inspeccionar el barril sacatestigo.
Agregar fluido de perforación (terreno fracturado).
2.10.1.2.2.7 Corona con Desgaste Convexo de la Cara Causas
Caudal de agua muy bajo.
Fuga de agua por las barras.
Pozo rimeado.
Solución
Subir el caudal de agua.
Chequear fugas de agua.
Chequear el diámetro del escariador.
47
2.10.1.2.2.8 Corona con Vías de Agua Fracturada
Causas
Mucho peso sobre la corona.
Caída de barras
en el pozo.
Caída libre
tubo interior en
del
un
pozo seco.
La
corona fue aplastada por la prensa
de pie (sujetador de barras).
Solución
Reducir el peso
Si se trata de un pozo seco, levantar el tubo interior con el huinche
sobre la corona (hold back).
WL.
2.10.1.2.2.9
Corona con Cara Quemada o Fundida
Causas
Corte de agua.
El operador se olvidó
de abrir la
válvula de agua.
Solución
Aumentar el caudal de agua.
Revisar
si
la
bomba
de
agua
está
funcionando.
Revisar ajuste y origen del tubo interior.
Revisar fugas en las uniones de las barras.
48
2.10.2
Criterios
Generales
de
Selección
de
Coronas Para clasificar el uso de corona según número de Serie. Esta denominación se basa en una descripción de la norma DCDMA, que considera el tipo de terreno a perforar, relacionando la dureza de la roca con el número de Serie de la corona. Esto significa que si el terreno es blando, fracturado o abrasivo, la corona apropiada sería una Serie N° 1 ó N° 2. Para una formación dura, la Serie de la corona será más alta, Serie N° 9 ó más.
1. Es importante considerar las velocidades y la potencia de la sonda para el diámetro y profundidad del pozo a perforar. Si se dispone de un equipo con alta potencia y empuje, se recomienda usar una corona de Serie baja, por el contrario, si se cuenta con un equipo de baja potencia, use coronas de Serie alta.
Sonda baja potencia. Corona de Serie Alta. Sonda alta potencia. Corona de Serie Baja.
2. Es importante obtener la mayor información geológica de las condiciones esperadas del terreno, tales como: tipo de roca esperada, dureza y condiciones del pozo. Según la característica de la roca se debe considerar:
Roca dureza baja, grano grueso, fracturado. Use número de Serie Baja. Roca dureza alta, grano fino competente. Use número de Serie Alta.
49
3. Relacionando los puntos anteriores, es necesario considerar el grado de penetración o avance de la corona, según lo cual se recomienda lo siguiente:
Penetración baja. Use Serie más Alta. Vida corta de la corona. Use Serie más Baja.
La acción de corte de una corona es un tema de discusión permanente. Sin embargo, la acción de corte es muy diferente en formaciones de distintas competencias y características.
2.10.3
Recomendaciones para el Buen Uso de
las Coronas
50
2.10.4
Guía de Selección de Coronas De la observación de la Tabla se desprende:
Para
roca
fracturada,
abrasiva, de dureza suave a media, usar coronas series 2 y 4.
Para roca competente, dura y muy dura, usar coronas series 8, 9 y 10. (Manual Técnico del Perforista DCT)
51
3
E x p l o r a c i ó n
p o r
S o n d a j e
c o n
A i r e
R e v e r s o La perforación con aire reverso es fundamentalmente diferente de la de diamantina, tanto en términos de equipo, toma de muestras e información que nos entrega.
La principal diferencia es que la perforación de aire reverso crea un polvillo de roca en lugar de un testigo sólido. Otras diferencias importantes son en la velocidad de penetración y el costo por metro perforado.
El aire reverso es mucho más rápido que la perforación diamantina y también mucho menos costosa.
Cabe decir que este método nos entrega solo información de minerales y leyes presentes.
52
La principal diferencia es que la perforación de aire reverso crea pequeñas astillas de roca en lugar de un testigo sólido. Otras
diferencias
importantes
son en la tasa de penetración y el costo por metro perforado. El aire
reverso
rápido
es
que
mucho
la
más
perforación
diamantina, y también mucho menos costosa.
La perforación con aire reverso requiere de un equipo mucho más
grande,
compresor
de
incluyendo aire
de
un alta
capacidad, usualmente montado en un camión.
Los cabezales de perforación de aire
reverso
totalmente
también
diferentes
son a
las
brocas diamantadas.
Las barras de perforación para aire reverso son por lo general de 6" (15,2 cm) y 8" (20,3 cm) de diámetro y 20 pies de largo (6.09 m).
53
54
3.1 Proveedores
3.1.1
Atlas Copco
RD10+: El RD10+ está diseñado para la perforación de sondeos profundos con circulación inversa.
Equipo de perforación de sondeos profundos con circulación inversa
El contrastado y fiable RD10+ está diseñado para la perforación de sondeos profundos con circulación inversa. Con una fuerza de tracción de 445 kN (100.000 lbf), se puede usar para acceder a yacimientos minerales de hasta 1.200 m (4.000 pies) de profundidad. Atlas Copco sabe que, para dar con un filón, la perforadora debe trabajar rápido, profundo y mantenerse funcionando sean cuales sean las condiciones geológicas y climáticas. Esta es la actitud que refleja el equipo de exploración con accionamiento hidráulico RD10+ de Atlas Copco. Es una perforadora robusta y rápida con circulación inversa, cuya capacidad para perforar a gran profundidad y su durabilidad produce excelentes resultados.
55
3.1.1.1 Características y Ventajas
Un motor de cubierta de 563 kW (755 CV) con una base de unidad de potencia aislada acciona la caja de engranajes hidráulica y el compresor de aire.
La exclusiva caja de entrada/salida permite desconectar el compresor cuando no se necesita, ahorrando así combustible y prolongando la vida útil de los componentes.
Dos consolas de control permiten una configuración y funcionamiento precisos de la máquina.
Manejo rápido de barras con la pluma y el polipasto estándar.
La torre permite un ángulo de perforación de 0 a 45 grados, la torre bascula hasta el suelo y los gatos proporcionan estabilidad.
Colector de lodos opcional para bomba de lodos "externa".
3.1.1.2 Datos Técnicos
56
3.1.1.3 Grúa principal La
potente
equipada
grúa
con
principal,
un
motor
hidráulico y un sistema de freno dual,
asegura
una
velocidad
bien controlada.
El sistema de frenos de doble ofrece tanto rotura dinámica como estática.
Cuando se detiene la operación de
elevación,
se
aplica
autobloqueo firme.
Capacidad de línea sola
Tambor descubierto: 133 kN (30 000 lb)
Velocidad lineal
Tambor descubierto: 40 m/min (131 ft/min)
Tamaño del cable
29 m (95 ft) x 21 mm (0.83 in)
57
3.1.1.4 Grúa de hilo
La grúa de hilo adapta el ángulo de nivel de viento para el ángulo de perforación. El nivel de viento es ajustable para diferentes diámetros de cable.
Capacidad
Tracción de cable
Velocidad de línea
2 200 m (7 220 ft) de 4.76 mm (3/16 in) 1 400 m (4 600 ft) de 6.35 mm (1/4 in) Tambor descubierto: 12,6 kN (2 830 lb) Tambor completo: 3.3 kN (750 lb) Tambor descubierto: 115 m/min (377 ft/min) Tambor completo: 434 m/min (1 424 ft/min)
58
3.1.1.5 Sistema de Alimentación y Mástil Recorrido de alimentación
3.5 m (11.5 ft)
Velocidad de alimentación
Rápido y lento con control variable
Empuje
59.6 kN (13 390 lb)
Tracción
156 kN (35 000 lb)
Ángulo de perforación
45 a 90 grados
Empuje de barra
largo 6.09 m (20 ft)
3.1.1.6 Unidad de Energía Manufactura
Cummins
Modelo
QSB 6.7 Nivel III
Volumen
6,7 litros 6 cilindros
Energía
170 kW (240 CV)
RPM
2000
Tipo de motor
Diesel turboalimentado/después de enfriado
Enfriamiento
Agua
Sistema eléctrico
24 V (24 V Alternador, 95 Amp)
3.1.1.7 Sistema Hidráulico Bomba primaria
31.2 MPa – 250 l/min (4 524 psi – 66 gal/min)
Bomba secundaria
20 MPa - 125 l / min (901 psi 2 - 33 gal / min)
Bomba auxiliar
21,5 MPa - 54 l / min (3 118 psi - 14 gal / min)
Enfriamiento hidráulico
del
aceite
Aire
59
3.1.1.8 Unidad de Rotación La unidad de rotación puede manejar barras BO-PO y carcasas BW-HW.
Se compone de un motor hidráulico, una caja de cambios sellada, un eje hueco y un mandril hidráulico Atlas Copco patentado, y las mordazas cambio rápido.
La velocidad de rotación es ajustable desde el panel de control.
Energía
Motor hidráulico - velocidad variable / reversible
Transmisión final
4 pulgadas por cadena en baño de aceite - 2,5 ratio
Husillo (diámetro interior)
117 mm (4 5/8 pulgadas) Velocidades de Husillo
Ratio
Velocidad, RPM
Torque, Nm
Torque, ftlb
1ro
6.63:1
130-196
5742-3804
4234-2805
2do
3.17:1
272-410
2745-1819
2024-1341
3ro
1.72:1
502-756
1488-986
1079-727
4to
1:00:1
862-1300
866-574
639-423
Selección de rango
Control manual desde la estación del operador
Cabeza abatible
Giratoria
60
3.1.1.9 Ensamble Chuck Tipo
Hidráulico abierto, contactor cerrado.
Diámetro máximo en el interior
117 mm (4 5/8 pulgadas)
Capacidad de retención
18 143 kg (40 000 lb)
3.1.1.10
Soporte para Barras
El soporte para barras se abre y se cierra hidráulicamente por la presión del gas. En caso de pérdida de presión hidráulica, el soporte de la barra se cierra instantáneamente. La presión del
gas
se
puede
controlar
convenientemente.
Tipo
Hidráulico abierto, contactor de gas cerrado.
Diámetro máximo en el interior
235 mm (9.3 pulgadas)
Capacidad de retención
15 900 kg (35 000 lb)
3.1.1.11
Medida y Peso
3.1.1.11.1
Dimensiones de Trabajo
Dimensión
mm
pulgadas
A
11219
442
B
8145
321
C
8296
327
61
3.1.1.11.2
Capacidad de Profundidad de Perforación m
pies
Wireline B
2360
7740
Wireline N
1830
6000
Wireline H
1200
3930
Wireline P
800
2625
3.1.1.11.3
Peso
Boyles C8C sin bomba Trido
13500 kg (29700 lb)
Boyles C8C con bomba Trido
14000 kg (30800 lb)
62
3.1.1.11.4
Dimensiones de Transporte
Dimensión
mm
pulgadas
A
450
18
B
2500
98
C
11242
443
D
3199
126
E
4571
180
F
2470
97
63
64
3.2 Funcionamiento La perforación con aire reverso requiere de un equipo muy grande, incluyendo un compresor de aire de alta capacidad, usualmente montado en un camión. El aire comprimido es inyectado hacia una cámara exterior de un tubo o barra de perforación de doble pared. El aire comprimido regresa por el interior del conducto central de las barras de doble pared y arrastra hasta la superficie los fragmentos de roca o detritus donde se recuperan. Los fragmentos de rocas viajan a una velocidad tan alta que es preciso disminuirla utilizando un ciclón.
La tubería de retorno dirige el flujo de fragmentos de roca a deslizarse por la pared interior de la cámara del ciclón y luego hacia abajo en espiral hasta la parte inferior del ciclón, perdiendo velocidad en el proceso. La roca molida (cuttings) se recoge continuamente a medida que avanza la perforación y constituyen la muestra del subsuelo. Las barras de perforación para aire reverso son por lo general ya sea de 6" (15,2 cm) y 8" (20,3 cm) de diámetro y 20 pies de largo (6,096 m). Cada barra es muy pesada y requiere el uso de una grúa o “winche” para levantarla y colocarla sobre el agujero de perforación.
65
Con tres conos dentados rotatorios que giran juntos, como el diferencial de los engranajes en una transmisión de los automóviles. Los triconos son más
lentos
para
perforación
en
formaciones duras, pero son muy eficaces en formaciones blandas y en condiciones de perforación húmeda.
Las
muestras
de
roca
molida
proveniente de la perforación y se recogen generalmente en intervalos de 1,5 o 2 m.
El gran diámetro de la perforación se crea un gran volumen de material Esquema de sondaje de aire reverso
para cada muestra, que suele ser
con cabezal de tricono, mostrando el
dividida en terreno para obtener un
flujo de aire comprimido a través de
volumen razonable de manejar y
las barras de doble cámara.
enviarla al laboratorio.
Los cabezales de perforación de aire reverso también son totalmente diferentes a las brocas diamantadas.
Un tipo de cabezal se llama martillo, que pulveriza las rocas golpeándolas repetitivamente. Este tipo de cabezal que funciona bien en condiciones de perforación en seco (es decir, por encima del nivel freático) y en las formaciones rocosas que son densas y duras.
Por debajo del nivel freático, el agua subterránea actúa como amortiguador y hace mucho menos eficaz la fragmentación de las rocas mediante este cabezal.
66
Otro tipo de cabezal, llamado tricono, cuenta con tres conos dentados rotatorios que giran juntos, como el diferencial de los engranajes en una transmisión de los automóviles.
Los triconos son más lentos para perforación en formaciones duras, pero son muy eficaces en formaciones blandas y en condiciones de perforación húmeda.
Las muestras de roca molida provenientes de la perforación se recogen generalmente en intervalos de 1,5 o 2 m.
El amplio diámetro de la perforación crea un gran volumen de material para cada muestra, que suele ser dividida en terreno para obtener un volumen razonable de manejar y enviarla al laboratorio para su análisis.
En condiciones de perforación en seco (por encima del nivel freático) se utiliza un cuarteador para dividir la muestra en terreno.
67
3.3 Procedimientos
de Trabajo
a) Una vez que se han definido los puntos a perforar y se ha ingresado al sector de trabajo, el equipo toma posición y se inicia la perforación, según las especificaciones técnicas de operación.
b) El operador posiciona su equipo en los puntos especificados en el diagrama de perforación, fija el equipo y comienza la operación, la cual básicamente consta del apoyo de la herramienta sobre el terreno y el inicio de la perforación con las especificaciones de velocidad de rotación, empuje y velocidad del aire de barrido (retiro del detritus) en función de las características de la roca a perforar.
c) Una vez finalizada la perforación se procede a retirar el set de aceros desde el agujero, y finalmente el equipo se retira del lugar hacia otro punto.
3.4 Partes
Principales
Los componentes principales son: el ciclón y el cuarteador.
3.4.1
Ciclón
El ciclón reduce la velocidad del flujo de la muestra y separa la muestra del aire, permitiendo que se almacene lo más pesado en el fondo y las partículas livianas salen por la chimenea.
3.4.2
Cuarteadores
Por lo general, se recoge 1/8 del total recogido. El cuarteador se compone de niveles, cada uno de los que divide la muestra a la mitad.
Después de la división tercer nivel 1/8 de la muestra total original permanece, que se recoge en un recipiente o un cubo.
68
Cuando la perforación llega a la profundidad del nivel freático, se puede utilizar un cuarteador rotativo "húmedo". El separador húmedo gira y divide la muestra utilizando una serie de aletas, de forma similar a las aletas de una turbina. Estas dirigen los materiales a una tubería que los canaliza hacia un balde. (ExplMétPerf)
Pequeñas muestras representativas de los cuttings se recogen de forma continua durante el proceso de muestreo, se lavan en un colador y se colocan en cajas de plástico con compartimientos llamados "bandejas de cuttings".
Los cuttings son cuidadosamente observados y registrados por un geólogo competente. Por supuesto, algunos tipos de información, como detalles estructurales, no son posibles de obtener en ausencia de roca sólida.
A pesar de esta desventaja, todavía se puede obtener una gran cantidad de información valiosa de los fragmentos de roca o cuttings. Por ejemplo, los cuttings son mucho más fáciles de examinar con una lupa binocular y pruebas de la fluorescencia o efervescencia se logran fácilmente.
3.4.2.1 Cuarteador tipo Riffle El cuarteador tipo Riffle, usado para muestra seca, utilizan varios niveles de separadores que reducen a la mitad la muestra en cada nivel, hasta que se alcance el tamaño deseado.
3.4.2.2 Cuarteador Hidráulico o de Cono Los cuarteadores hidráulicos o Cuarteadores de Cono, usados para muestra húmeda, depositan toda la muestra sobre el punto de un cono invertido y permiten que se deslice a través del mismo.
69
La muestra se toma mediante la recopilación de una parte de ella que cae por el borde del cono.
Extracción de muestras y cuarteo de muestras en perforación de aire reverso; (A) en condiciones secas y (B) con agua.
(ExplMétPerf)
70
3.5 Aplicaciones Como bien sabemos, la perforación por aire reverso (RC), es mucho más económica y rápida que la perforación por sondaje, es por esto que nos permite usarla en distintos campos laborales y no solamente en el ámbito de la minería, como por ejemplo:
3.5.1
Perforación Minera
Con aire reverso (RC), rotación directa y/o doble rotación.
Sondaje y muestreo de suelos mediante aire reverso (RC) y/o doble rotación.
Perforación en zonas de rellenos (pilas de lixiviación) y suelos inestables.
Exploración de recursos.
Pozos para desagüe minero.
Construcción de pozos para geoenergía.
3.5.2
Perforación para Pozos (piezómetros)
Con sistemas convencionales (aire, aire-espuma y/o lodos) y de entubación simultánea (doble rotación, ODEX, Super Jaw) para objetivos generales en rellenos y sobrecargas.
Prospección y Sondajes de aguas subterráneas.
Construcción de pozos profundos industriales, comerciales y domésticos, ofreciendo distintos materiales de entubado como: PVC con cribas de acero inoxidable, Acero al Carbono y HDPE.
Perforación en zonas con severo influjo de agua.
Construcción de piezómetros y pozos satélites.
3.5.3
Perforación Diamantina (core drill)
HQ (100 mt), NQ (250 mt) y CQ (700 mt).
Perforación convencional y wireline.
Perforación geotécnica para mecánica de suelos.
71
Perforación Ambiental
3.5.4
Construcción de pozos de monitoreo.
Instalación de sistemas de monitoreo remoto.
Sistemas de detección de filtraciones subterráneas.
Sondaje (muestras) de suelos.
Sondaje con barrenos huecos.
3.5.5
Segado de Pozos.
(natco.cl, s.f.)
72
3.6 Rendimientos RD10+ de ATLAS COPCO. Sistema de avance - Desplazamiento rápido hacia abajo, máx. 55 m/min Sistema de avance - Desplazamiento rápido hacia arriba
3.7 Inversión
y Costos
de
34 m/min
Operación
Ambos métodos (diamantina y aire reverso) tienen valores y velocidades de ejecución distintos.
Normalmente los rendimientos que se obtienen con la circulación reversa son tres veces mayores que con la diamantina, mientras que en costos ésta última es dos a tres veces superior.
La perforación de un metro con las sondas de aire reverso cuesta entre US$ 100 y US$ 150.
73
3.8 Aceros
3.8.1
de
Perforación
Barra de Perforación Aire Reverso con
Tubo Interior
74
3.8.1.1 Barras
DCT
tipo
FB-CCH
4½”
con
tubo
interior “intercambiable”
Tubo exterior fabricado con aceros de alta aleación con tratamiento térmico en todo su largo para una mayor resistencia al desgaste.
Tubo interior intercambiable, fabricado en acero de alta aleación para mejor su resistencia al desgaste. Con estabilizadores intermedios para evitar las vibraciones.
Terminales fabricados en aceros de alta aleación con extremos tratados térmicamente.
Geometría interna diseñada para permitir una mayor circulación de aire y evitar perdida de presión.
Peso total Barra: 172 Kg.
Peso tubo Exterior: 125 Kg.
Peso tubo Interior: 47 Kg.
3.8.1.2 Barra de Perforación 4½” x 6 metros
Tubo Exterior (Outer Tube): con tratamiento térmico al cuerpo completo (temple y revenido), lo que da una mayor dureza superficial y una mayor resistencia al desgaste por abrasividad.
Tubo Interior (Inner Tube): fabricados en acero 4130 por lo que tiene una mayor duración con respecto a las tuberías fabricadas en el mercado (con acero A106B), además con tratamiento térmico al cuerpo completo (temple y revenido), lo que da una mayor dureza en su estructura y aumenta la resistencia al desgaste por abrasividad.
(Diamantina Christensen, s.f.)
75
3.8.2
Martillo RC 50
Con la adquisición de Ingersoll Rand Drilling Solutions, Atlas Copco accedió a la tecnología CR y en los dos últimos años el nuevo concepto de martillo ha sido perfeccionado y probado. Con el nombre de Secoroc RC 50, está siendo lanzado en algunos mercados seleccionados junto con los equipos RC – Explorac 220RC, ROC L8RC y RD10.
El martillo RC 50 tiene las siguientes características:
Mayor frecuencia de impacto.
Diseño más simple y menos partes que la competencia.
El eficiente ciclo de aire Quantum Leap incorporado.
Diseño de manguito no propietario.
Distribución única y eficiente del aire al frente de la broca a través de “agujeros de aire tipo cortina” en el portabroca.
Estas características ofrecen al perforista RC los siguientes beneficios:
Alta productividad.
Alta tasa de recuperación.
Servicio rápido y fácil.
Bajo consumo de combustible.
Reducción del costo por metro perforado.
(Atlas Copco, s.f.)
76
4
P r o y e c t o
d e
I n n ov a c i ó n
Observamos que en la perforación con diamantina se producen patrones de desgaste en las coronas impregnadas.
Estos tipos de desgaste se enumeran en el apartado 2.10.1.2.2 del presente informe.
En el punto 2.10.1.2.2.9 se detalla un tipo específico de desgaste llamado “Corona con Cara Quemada o Fundida”.
Causas
Corte de agua.
El operador se olvidó
de abrir la
válvula de agua.
Solución
Aumentar el caudal de agua.
Revisar
si
la
bomba
de
agua
está
funcionando.
Revisar ajuste y origen del tubo interior.
Revisar fugas en las uniones de las barras.
Aquí nos detuvimos y pensamos que este tipo de desgaste puede ser evitado mediante dos sistemas añadidos a la máquina de perforación.
Los sistemas de mejora son:
4.1 Bloqueo
de
Funcionamiento
Sistema que bloquee el funcionamiento de la perforadora si hay:
77
Ausencia de flujo de agua.
Flujo de agua insuficiente.
4.2 Alerta
al
Operador
Sistema que le recuerde al operador:
Accionar el flujo de agua.
Aumentar el flujo de agua.
4.3 Aportes Al operario:
Tiene la posibilidad de verificar porqué se detuvo el funcionamiento de la máquina.
Puede accionar o aumentar el flujo de agua sólo mirando el panel de control central de la perforadora.
Para evitar el desgaste de la corona:
El sistema de bloqueo impide que la corona se caliente a tal punto como para que su cara quede quemada o fundida.
La señal visual indicará claramente que el flujo de agua es insuficiente o nulo, por lo tanto se evitará el cambio de corona por una unidad nueva.
78
4.3.1
Consecuencias Directas
Detección de inminente desgaste en “Corona con Cara Quemada o Fundida”:
Disminución del tiempo efectivo de ciclo. Si la perforadora de detiene, el operador podrá accionar o aumentar rápidamente el flujo de agua. Esta mejora supone una reducción considerable de tiempo si lo comparamos con el reemplazo de la corona.
Reducción o eliminación del desgaste tipo “Corona con Cara Quemada o Fundida”. El costo de la corona con diamantina supone un valor elevado como costo de producción. Si se reduce o elimina este tipo de desgaste, reducirá los costos de operación.
79
5
R e f e r e n c i a s
Atlas
Copco.
(s.f.).
www.atlascopco.cl.
Obtenido
de
http://www.atlascopco.cl/cles/news/productnews/circulacionreversa.asp x. CCM.cl. (s.f.). CCM.cl. Obtenido de www.ccm.cl: http://www.ccm.cl/procesoexploracion-y-sondaje/ccm/2013-10-11/093609.html Codelcoeduca.
(s.f.).
codelcoeduca.cl.
Obtenido
de
Codelcoeduca:
https://www.codelcoeduca.cl/procesos_productivos/tecnicos_extraccion _perforacion_planos.asp Diamantina
Christensen.
(s.f.).
diamantinachristensen.com.
Obtenido
de
http://www.diamantinachristensen.com/corelifter.html. ExplMétPerf. (s.f.). Exploración Métodos de Perforación.pdf. Exploración Minera Mediante Sondeos. (s.f.). Exploración Minera Mediante Sondeos.pdf. Manual Técnico del Perforista DCT. (s.f.). Manual Técnico del Perforista DCT. natco.cl. (s.f.). natco.cl. Obtenido de http://www.natco.cl/mineria.html. PEMMS. (s.f.). Proceso de Exploración Minera Mediante Sondeos.pdf.
80
