UNIVERSIDAD VERACRUZANA Facultad de Ingeniería Civil Sistemas de Agua Potable
MÉTODOS DE PERFORACIÓN DE POZOS Jaime Lira Hernández Eduardo Maldonado Lara Gabriela Márquez Francisco Cirilo Montalbán López Iris Marlene Ortiz Calderón
¿QUÉ ES UNA PERFORACIÓN? UNA PERFORACIÓN ES UN HUECO QUE SE HACE EN LA TIERRA, ATRAVESANDO DIFERENTES ESTRATOS, ENTRE LOS QUE PUEDE HABER UNOS ACUÍFEROS Y OTROS NO ACUÍFEROS; UNOS CONSOLIDADOS Y OTROS NO CONSOLIDADOS. CADA FORMACIÓN REQUIERE UN SISTEMA DE PERFORACIÓN DETERMINADO, POR LO QUE A VECES UN MISMO POZO QUE PASA POR ESTRATOS DIFERENTES OBLIGA A USAR TÉCNICAS DIFERENTES EN CADA UNO DE LOS ESTRATOS.
UNA MISMA PERFORACIÓN PUEDE ATRAVESAR VARIOS ACUÍFEROS, POR LO QUE ES CONVENIENTE VALORAR CADA UNO DE ELLOS PARA DEFINIR CUÁLES DEBEN SER APROVECHADOS A LA HORA DE TERMINAR EL POZO.
TIPOS DE PERFORACIÓN Existen métodos mecanizados y manuales para perforar pozos, pero todos se basan en dos modalidades: percusión y rotación. Así mismo, se emplea una combinación de ambas modalidades. Perforación por Percusión Perforación por Rotación Perforación manual Otros tipos de perforación (combinación de anteriores).
MÉTODOS
DE
PERFORACIÓN CON HERRAMIENTAS DE
CABLE
(PERCUSIÓN)
Se basa en la caída libre de un peso en sucesión de golpes rítmicos dados contra el fondo del pozo. Se levanta y deja caer una pesada barrena o trépano de perforación para quebrar la roca y así abrir camino dentro de la formación. Un juego de herramientas se encuentra suspendido por un cable de acero que se hace pasar sobre una polea cabecera con un sistema de amortiguación formado por resortes y soportes de caucho, en la parte superior del equipo de perforación y bajo una polea tensora al extremo del balancín. Luego pasa encima y sobre una polea posterior para enrollarse en un tambor de freo conocido como carrete de giro o carrete principal (elevador de herramientas). Una varilla de conexión transmite movimiento desde una manivela de carrera variable hasta el extremo libre del balancín, el que imparte por sí mismo una acción recíproca al cable y a las herramientas suspendidas.
La barra de perforación está ubicada sobre la barrena o trépano para proveer peso y más estabilidad direccional. Así mismo, mediante su acción de bombeo, mueve el material cortado hacia arriba, lejos de la barrena.
Se debe colocar la “tijera” de perforación sobre la barra de perforación cuando existe el riesgo de que pedazos de roca caigan dentro y obturen las herramientas en la perforación; estos tienen el propósito de sacudir las herramientas que se atascan en el hoyo de la perforación. El objeto que se encuentra más al extremo en el juego de herramientas es el portacable giratorio. Este tiene la doble función de adherir el cable metálico (línea de perforación) a las herramientas e impartir una rotación continua.
La línea de perforación es una varilla de cable de acero no premoldeado, de torsión izquierda. Cuando se inicia la perforación el peso de la herramienta desarrolla en el cable una rotación en sentido de las agujas del reloj y transmita esta tensión a través de la cara del casquillo/mandril hacia las herramientas, oponiéndose a cualquier tendencia de que las uniones de herramientas puedan desenroscarse hacia la mano derecha.
Partes típicas: -Tren de rodaje: Montado sobre un chasis de acero sobre cuatro ruedas con neumáticos. - Bastidor: Caja de ángulos de acero y brazos articulados en donde se ubican las piezas vitales de la perforadora y soporta además a la torre. - Mástil o Torre: Generalmente son de tipo telescópica y viene en dos tramos de 36 pies cuando está extendida y 22 pies cuando está recogida, con sus respectivos dispositivos de extensión. - Tiro de remolque: Mecanismo que va unido al tren de rodaje de la perforadora. - Motor: Acciona todo el equipo de perforación, ya sea a combustión interna o con energía eléctrica.
Ventajas •Poca inversión •Poca contaminación •Capacidad para diámetros grandes
Desventajas •Perforación muy lenta en formaciones duras •Perforación más lenta a mayor profundidad •Mucha contaminación de ruidos
MÉTODOS
DE
PERFORACIÓN
HIDRÁULICA ROTATORIA •Circulación directa •Circulación indirecta
Circulación directa (perforación rotatoria) En este sistema se realiza la perforación mediante una barrena o trépano giratorio llamado comúnmente trícono; desgastadora y trituradora que muele o rompe la formación mientras que el material cortado y el suelo aflojado son retirados de la perforación mediante una circulación continua de fluido de lavado. La perforación rotatoria giratoria es particularmente adecuada en formaciones de terreno suelto y roca suave. Se puede hacer perforaciones de gran diámetro a profundidades considerables. El fluido, usualmente basado en arcilla fluye a través de las herramientas hasta en fondo del pozo y regresa a la superficie y nuevamente hacia dentro del pozo de lodo.
Se aplica la barrena o trépano al fondo de la perforación y gira a velocidades de 3 a 30 rpm, dependiendo del diámetro y del estrato, y se aplica un peso dentro de una escala de 250 a 2750 kg por 22 mm de diámetro.
Conforme avanza la perforación y se lleva a la superficie el material cortado, la barra cuadrada rotatoria pasará a través del rotor hasta que la unidad del cabezal giratorio llegue a éste. Entonces se detiene la bomba, se retira la barra cuadrada rotatoria y se desenrosca de la tubería de perforación. Este proceso se repite hasta tener la profundidad deseada.
Ventajas •Se pueden hacer perforaciones de grandes diámetros •Se pueden hacer perforaciones a grandes profundidades
Desventajas •Requiere demasiada agua durante el proceso de perforación
Circulación invertida (perforación rotatoria) Este método difiere del sistema más común de “circulación directa” en que se hace circular el fluido de perforación en dirección invertida. Básicamente, el equipo es similar en arreglo general pero considerablemente más grande. El diámetro de perforación mínimo práctico está en el orden de 400 mm pero se conocen tamaños que exceden los 1.8 m. Se usa una barrena compuesta de rodillo para roca. Esta consiste en una firme placa de base, en cuya parte inferior se coloca un número de rodillos dentados arreglados de tal forma que se amolden a toda la cara del pozo. El material liberado por la acción de excavación es extraído a través del centro de la barrena y llevado rápidamente a la superficie.
Se descarga el agua y el material cortado en una gran laguna temporal cuyo tamaño es determinado por el “método práctico” de que el volumen no debe ser inferior a tres veces el volumen de la perforación excavada. Un pozo de 750 mm excavado a 60 m requeriría una laguna de 12 m de largo, 8 m de ancho y 1 m de profundidad; sus desechos requerirían un área adicional.
Ventajas •Perforación rápida en formaciones consolidadas y no consolidadas. • Permite la fácil identificación de las zonas que contienen mayor cantidad de agua. •Permite la estimación sobre la producción de agua en un intervalo de tiempo corto.
Desventajas • Su empleo se restringe a formaciones consolidadas y semiconsolidadas. • El empleo de aire a alta presión suele inhibir la manifestación de zonas productoras de agua, provoca contaminación, modifica las condiciones químicas.
MÉTODOS
DE
PERFORACIÓN
MANUAL •Pala Vizcacha •A golpes
Pala Vizcachera Es el modelo clásico manual para perforar pozos. Se perfora sin la inyección de líquidos, solamente escarbando en la tierra dando vuelta la broca mediante la manija. Una vez llena la broca hay que sacarla y vaciarla, sacando barra por barra afuera. Es muy importante que las barras estén hechas de fácil conexión.
A golpes Se usa en sedimentos blandos y consiste en usar tuberías de FºGº de diámetros de 1- 1/2” generalmente, y con una punta de acero que a la vez es filtro. Las piezas de tubería son de 1 a 2 m y se golpean con un combo o con aparatos especiales hasta hundirlo en el suelo y la profundidad que se puede alcanzar con este método está en los 20 m. Las limitaciones que se presentan están relacionadas a la calidad del suelo que se quiere perforar, la presencia de rocas o raíces duras no permiten el trabajo.
OTROS
MÉTODOS
DE PERFORACIÓN
(COMBINACIÓN
DE
VARIOS MÉTODOS)
Excavación con tubos hidráulicos
Perforación con taladro Perforación con balandra
OTROS MÉTODOS DE PERFORACIÓN
Circulación directa del aire Circulación invertida del aire
Perforación con martillo percutor
Fluidos de perforación
Excavación con tubos hidráulicos Se utiliza en lugares donde existe un requerimiento de pozos relativamente poco profundos con diámetros grandes en formaciones sueltas de grava, arena. En este método se hunde manualmente un tubo-guía corto en el suelo y dentro de él se hace descender la primera de una columna de tubos permanentes. Bajo esta fuerza los tubos se dirigen hacia abajo y el lodo se acumula dentro de ellos. Se puede hacer descender tubos de 450 mm – 1.2 m hasta 30 m o más bajo las condiciones correctas. La ventaja es que no presenta contaminación.
Perforación por taladro Se considera
cuando se hace un número de perforaciones a través de una sobrecarga de arcilla firme sobre un estrato más aceptable a las técnicas usuales. En tal caso, un taladro puede producir una perforación de 15 minutos, lo que le tomaría a un equipo normal de perforación hasta un día y medio. Esencialmente, se hace rotar una cubeta de taladro en el suelo en el extremo de una larga barra cuadrada rotatoria y se retira frecuentemente para vaciarla. Es posible perforaciones de 25 a 30 m. Se dispone de equipo que cubre diámetros desde 200 mm – 3 m.
Perforación con baladra Consiste en un tubo pesado, de paredes gruesas en cuyo borde del fondo se encuentra un bisel endurecido. Cuando está en operación se hace ingresar la balandra en la perforación y se aplica la acción recíproca normal. Se agrega agua para la perforación si ésta no está presente. Los bordes cortantes desprenden el material y lo barren hacia el cuerpo de la balandra mediante la “acción de bombeo” .
Se utiliza la balandra o gánguil en estratos sueltos y difíciles especialmente en donde hay grava gruesa y pedrejones y tienen la ventaja de extraer y elevar el material en vez de gastar el tiempo y energía triturando, como sucede con una barrena o trépano normal.
Circulación directa del aire El equipo es básicamente similar al equipo usado para la perforación con lodo pero en detalle se encuentra algunas diferencias, por ejemplo, en el diseño de la barrena de perforación; se modifica los pasajes para proveer aire en condición seca. Se prepara en la superficie y es bombea por el interior de la tubería hasta llegar a la broca tricónica. Al llegar a esta, retorna a la superficie arrastrando material triturado o cortado. Este método es similar al que utiliza la industria petrolera .
Circulación invertida de aire En este sistema la circulación del aire inicia al ser bombeado al interior del pozo a través del espacio abierto localizado, entre la tubería exterior, regresando a la superficie del terreno por dentro de esta última. La tubería interior gira junto con la barrena, la exterior cumple las funciones de estabilizar las paredes del pozo. Uno de los problemas que se tienen que enfrentar cuando se perfora con aire, especialmente conforme aumenta el diámetro, es la necesidad de producir una velocidad creciente de aire no inferior a los 925 m/min, es decir demasiada presión.
Perforación percutor
con
martillo
Es muy valioso para la perforación en rocas duras. Generalmente le toma 1-2 días perforar hasta 100 m comparando con los equipos de herramienta de cable y de perforación rotatoria. No se requiere agua para el lavado con chorro, lo que hace que éste método sea especialmente adecuado para áreas con escasez de agua. Se hace girar todo el conjunto de 20 – 50 rpm y se le hace descender hacia la roca dura. la herramienta donde encuentra el pistón oscilante golpea con una frecuencia de entre 500 y 1000 golpes por minuto.
Fluidos de perforación •Arcilla o Bentonita: Retira el material cortado de la cara de la barrena y lo transporta a la superficie, lubrica y refresca la barrena y la columna de herramientas, además forma una pared dura de lodo que reduce la pérdida de fluido. • Polímeros orgánicos: Tiene una vida de aproximadamente tres días, después de los cuales se descompone en una consistencia parecida a la del agua y es extraído fácilmente de la formación. • Aire: puede penetrar en zonas fisuradas sin el miedo de perder la circulación asociada con los lodos y no sella acuíferos. •Espuma: se descompone en 30-45 minutos, liberando su material cortado en el proceso. Un fluido típico consiste en 100 litros de agua por litro de espuma y 0.2 – 0.35 kg de estabilizador; se les inyecta a una velocidad de 5 – 7 litros/min. Se puede hacer perforaciones de 150 – 650 mm de diámetro, es de poco costo y de simple montaje.
Conclusión El método a utilizar dependerá de varios factores, como el tipo de suelo, el recurso económico que se tenga disponible, la profundidad a la que se encuentren los niveles freáticos, las condiciones del terreno, la sofisticación con que se cuente en la región, el diámetro del futuro pozo, etc. Se deberá buscar la mejor opción basándose en las ventajas y desventajas que cada método de perforación ofrece.
