Métodos de perforación de pozos: principios tecnológicos y características de los métodos principales

La construcción de un pozo de captación de agua implica el uso de varios métodos de perforación. Los suelos sueltos y saturados de agua se extraen con una cuchara de perforación. Para atravesar terrenos arcillosos y rocosos se utilizan métodos de perforación basados en principios rotativos y vibratorios.

En el trabajo se utilizan mecanismos que permiten excavar suelos de distintos tipos y a diferentes profundidades. Explicaremos cómo seleccionar la tecnología de perforación óptima que permita atravesar la excavación de manera rápida e impecable para la construcción de la captación de agua.

Para una representación visual de la información que ofrecemos, el texto se complementa con esquemas útiles, selecciones de fotos y videoguías.

Tipos de métodos de perforación

Anteriormente, la perforación de pozos de agua para uso personal se realizaba principalmente de forma manual. Era un proceso laborioso y prolongado, por lo que no todos los propietarios de terrenos o casas de campo podían presumir de tener su propia fuente de abastecimiento de agua.

Poco a poco, la perforación mecanizada reemplazó a los métodos manuales debido a la considerable simplificación y aceleración del proceso.

Hoy en día, prácticamente todos los pozos de agua se perforan de forma mecanizada, basada en la destrucción del suelo y su extracción a la superficie mediante uno de dos métodos: seco, donde el suelo extraído se retira del pozo con mecanismos, e hidráulico, donde se lava con agua suministrada a presión o por gravedad.

Se distinguen tres métodos principales de perforación mecánica:

• Rotativo (el suelo se excava mediante rotación).
• De percusión (el barreno destruye el suelo con golpes).
• Vibratorio (el suelo se excava mediante vibraciones de alta frecuencia).

El método rotativo se considera el más productivo, superando en eficiencia al de percusión en 3-5 veces y al vibratorio en 5-10 veces. Además, el método rotativo es el más económico y accesible, y a menudo se utiliza como método principal de perforación manual.

Los métodos mecánicos rotativos de perforación de pozos de agua reemplazaron a los métodos manuales ineficaces

A su vez, el método de perforación rotativa, ampliamente utilizado para la construcción de pozos de agua, se divide en cuatro tipos principales de perforación:

• con testigo;
• con barrena;
• por percusión con cable;
• rotativa.

Cada tipo de perforación rotativa tiene sus propias características y se realiza con equipos especialmente diseñados para ello. Analicemos estos tipos de perforación con más detalle, determinemos sus diferencias y qué método debe aplicarse en cada caso concreto.

Especificidades de la perforación con testigo

La perforación con testigo es un método mecánico rotativo en el cual el suelo arcilloso o arenoso denso se extrae en forma de testigo cilíndrico. El equipo de perforación para la perforación con testigo consiste en un tubo metálico de pared gruesa.

En la parte superior del equipo de perforación con testigo hay un dispositivo para conectar las varillas necesarias para alargar la columna de perforación. En la parte inferior – una corona, cuyo tipo se selecciona según la categoría del suelo a perforar.

En la perforación con el método del testigo, el suelo se destruye con una corona anular. La parte interna del testigo se conserva intacta. Para facilitar el proceso de perforación en margas duras y semiduras, arcillas, rocas, se inyecta fluido de lavado en el fondo del pozo.

En la perforación con testigo, el suelo no se destruye, sino que se “taladra” con la corona y es capturado por el tubo de testigo. La roca perforada se extrae a la superficie en forma de testigo – un monolito cilíndrico de roca.

El detrito del fondo del pozo a veces se elimina mediante lavado: inyectando una gran cantidad de agua en el pozo. La mayoría de las veces, el lavado se reemplaza por soplado con aire comprimido suministrado por un compresor dentro del tubo. Este tipo de perforación permite perforar pozos de hasta 1000 metros de profundidad y diámetros de 8 a 20 cm.

La perforación mecánica con núcleo se realiza con equipos de perforación como ZIF, UGB, UKB, montados en vehículos como Kamaz, Kraz, tractores de arrastre, etc. En la variante para perforación manual, el tubo de núcleo se acorta y se denomina campana o vaso. Con este último, un objeto doméstico boca abajo, el tubo de núcleo es estructuralmente similar.

La perforación con el método de testigos se utiliza en los siguientes casos:

• prospección geológica de minerales;
• perforación de pozos exploratorios;
• construcción de pozos de agua de cualquier profundidad, incluyendo pozos sin filtro en roca sólida.

Para la construcción de pozos de agua privados, en algunos casos se utiliza el método de núcleo antes de comenzar la perforación con tornillo o rotativa, cumpliendo simultáneamente un papel de exploración y preparación.

En la construcción de pozos privados, la perforación con testigos se utiliza junto con la perforación por cable a percusión. Las capas arcillosas se atraviesan con el tubo de testigos. Las arenas sueltas, grava y guijarros con relleno arenoso, que no se retienen en el tubo de testigos, se extraen del pozo mediante cuchareo.

En términos de eficiencia, el método de testigos es algo inferior al método de perforación por tornillo para pozos de captación de agua. Con el tornillo se perfora más rápido, pero no permite liberar completamente el pozo de la roca perforada. Rara vez se usan en conjunto. Y si se da el caso, con el tornillo se atraviesan los primeros metros.

Las coronas no destruyen el terreno, sino que lo cortan cuidadosamente por el perímetro, formando “columnas” – testigos, cuyo estudio permite elaborar un perfil hidrológico del área.

Equipos y herramientas utilizados

Para la perforación con testigos se utilizan las siguientes herramientas:

• coronas de perforación de diamante u otro material de carburo (acero, tungsteno, pobedit);
• tubo de testigos;
• tubo de evacuación de lodo;
• varillas necesarias para extender la columna de perforación;
• conexiones de manguito, adaptadores entre tubos, prensaestopas de lavado.

Al perforar en roca sólida, la corona de perforación se desgasta rápidamente y debe ser reemplazada. El material de la corona – costoso y capaz de soportar cargas enormes, los tipos de perforación con diamante son los más comunes.

Todas las herramientas utilizadas en el proceso de perforación deben cumplir con la coaxialidad, es decir, estar alineadas con respecto al eje de perforación.

Tecnología de perforación con barril sacatestigos

La principal característica de la perforación con testigos – es atravesar la roca manteniéndola completamente en el tubo de testigos. Es decir, al operar el equipo de perforación, la corona corta el terreno en anillo, que a medida que se profundiza es empujado hacia el tubo de testigos y se retiene en él por su propia densidad.

Al extraer el tubo lleno del pozo de la excavación, se libera del testigo golpeándolo con un mazo.

El proceso paso a paso de la perforación con testigos es el siguiente:

• se conecta la corona de perforación con el tubo de testigos;
• el tubo de testigos se conecta con las varillas, que se van añadiendo a medida que se profundiza;
• La barra superior se fija en la perforadora;
• La perforadora gira la columna de perforación y gradualmente la “atornilla” en el terreno;
• El tubo de perforación de testigos se llena gradualmente de núcleo – el suelo atascado en su interior;
• Después de avanzar 50 – 70 cm, la columna de perforación se extrae a la superficie, las barras se desconectan una por una hasta que se retira el tubo de perforación de testigos;
• El tubo se libera del material perforado;
• La herramienta vacía se baja nuevamente al fondo, alargando la columna de perforación con barras.

Las acciones se realizan en el orden descrito hasta que el pozo atraviese el acuífero y se profundice 50 cm en la roca impermeable subyacente.

Si la fijación del acuífero superior no es el objetivo de la perforación, las capas superiores se pueden perforar con lavado. En este caso, la bomba suministra el fluido de perforación a través de una manguera dentro de los tubos. Luego, el fluido lleva el suelo excavado a la superficie.

Si el objetivo de la construcción del pozo no es una capa acuífera en depósitos arenosos, la perforación hasta alcanzar rocas puede realizarse con lavado

Ventajas y desventajas significativas

En comparación con los métodos de perforación mecánica por percusión-cable y rotatoria, la perforación con testigo se realiza con bastante rapidez, reduciendo significativamente el tiempo de trabajo. Su principal desventaja – la incapacidad de levantar suelos sueltos y gravas saturadas de agua. Avanza lentamente en rocas, y para atravesar cantos rodados se requiere un cincel.

Entre las ventajas de la perforación con testigo se incluyen:

• alta productividad y la posibilidad de perforar pozos de más de 100 m de profundidad;
• reducción de las cargas en el equipo de perforación debido a la destrucción de la roca arcillosa, comparable a su corte;
• posibilidad de utilizar una perforadora móvil de dimensiones compactas.

La perforación con núcleo – uno de los métodos más rápidos para desarrollar pozos de captación. Un pozo en arena con su uso se puede completar en un día laboral. La captación desarrollada manualmente requerirá mucho más tiempo.

Características de la perforación helicoidal

Este tipo de perforación es hoy el más utilizado para la construcción de pozos de agua en fincas privadas. La peculiaridad de la perforación con barrena helicoidal es que el material excavado se elimina completamente del pozo sin necesidad de equipo adicional. El método se asemeja a un atornillado, permitiendo perforar en profundidad y al mismo tiempo extraer el suelo no deseado.

La herramienta utilizada para esta perforación se llama barrena helicoidal. Consiste en una varilla metálica con aspas. Al atornillarse en el terreno, la barrena rompe la roca que se retiene en sus aspas. Debido a las características de su diseño, no es posible limpiar completamente el fondo del pozo con la barrena. Por lo tanto, se utiliza principalmente para atravesar las capas superiores.

La perforación con tornillo sinfín – es un método rápido y económico que no requiere la organización de un depósito para el fluido de lavado

La perforación con tornillo no requiere grandes esfuerzos ni costos financieros, por lo que el ámbito de aplicación de este método es bastante amplio: pozos de exploración geológica, tendido de comunicaciones, construcción de pozos perforados y parcialmente perforación de agua.

Actualmente se utiliza activamente para la construcción de pozos abisinios, con el fin de no hincar completamente el pozo de aguja en terreno denso, sino aliviar ligeramente el proceso de inmersión del vástago en la roca previamente destruida.

El método es adecuado para la perforación de pozos de agua de hasta 30 m de profundidad en suelos blandos y sueltos, y hasta 20 m en suelos semidensos. Después de la perforación con tornillo sinfín y la instalación del revestimiento, el vástago del pozo se limpia obligatoriamente con una cuchara para eliminar la roca no extraída.

¡El tornillo sinfín no es adecuado en absoluto para trabajar en rocas! Se utiliza para la perforación parcial de pozos de hasta 120 m, y este método se combina con otros: rotatorio, de percusión-cable, y de perforación con extracción de testigo.

Equipos y herramientas empleados

La perforación con tornillo sinfín se realiza con una plataforma de perforación cuyo elemento principal es una herramienta de perforación de tipo helicoidal, fabricada en metal de alta resistencia. La columna de perforación se va extendiendo con tornillos sinfín del mismo tamaño a medida que se profundiza.

En el conjunto, a veces se utilizan barrenas de paletas, necesarias para atravesar rocas sueltas, así como barrenas con cabezas redondas o cónicas, empleadas para perforar rocas duras.

Una plataforma de perforación montada sobre un vehículo equipado con un motor potente – es la opción óptima para perforar en lugares de difícil acceso y remotos.

La mayoría de las plataformas de perforación modernas están equipadas con barrenas huecas, provistas de bloqueos reversibles que impiden el movimiento de la herramienta en dirección inversa.

Las partes cortantes del tornillo sinfín se enfrían durante la perforación gracias al suelo que se está perforando, y la roca extraída asciende por las espirales. Esto permite realizar la perforación sin interrupciones, reduciendo significativamente los costos de tiempo y energía para la creación de un pozo de agua.

Tecnología de perforación helicoidal

Después de realizar la perforación, cuya profundidad es de 1,5 – 2,0 m, se extrae el tornillo y se instalan tubos de revestimiento en el pozo. El diámetro del pozo de captación perforado con tornillo es de 50 – 200 mm y depende del tamaño de la herramienta utilizada.

Las tuberías de revestimiento evitan el derrumbe de las paredes del pozo. Esto es especialmente importante en suelos sueltos no cohesivos, por lo que los perforadores tienen una regla: utilizar durante la perforación en limos arenosos y suelos arcillosos barreras con paletas dispuestas en un ángulo de 30 – 60º, y al perforar arenas de compactación densa, una herramienta con paletas en un ángulo de 90º.

Con una menor inclinación de las espiras de la hélice de la barrena, esta extrae más material suelto a la superficie.

La perforación con barrena no requiere el uso de fluido de lavado; la roca excavada con la broca es llevada a la superficie sobre las paletas de la herramienta.

Pros y contras del uso del tornillo helicoidal

El método de perforación con barrena permite realizar la construcción del pozo de la manera más rápida posible, siempre que el tamaño de la barrena y el ángulo de inclinación de la broca hayan sido seleccionados correctamente.

Entre las ventajas de la perforación con barrena se incluyen:

• el suelo se eleva a la superficie inmediatamente durante la perforación;
• alta velocidad de penetración en el suelo sin paradas técnicas;
• no es necesario realizar el lavado del pozo;
• con una instalación compacta de barrena o una barrena manual se puede perforar dentro de una casa (en el sótano);
• no es necesario elevar a la superficie el primer tramo ni desmontar/montar la columna de perforación como en el método de testigo.

El principal inconveniente de la perforación con barrena es la imposibilidad de trabajar en suelos sueltos y muy duros, pero al mismo tiempo, la barrena – es una herramienta ideal para perforar en suelos arcillosos, mixtos (arcilla y limo arenoso) y suelos arcillosos blandos.

Otra desventaja que limita el uso de la barrena para la construcción de pozos de agua – es la necesidad de aplicar el método de cable a percusión para limpiar el pozo de los escombros.

El equivalente del tornillo – serpentín se utiliza ampliamente en la perforación manual. También destruye la roca y la captura con sus paletas para extraerla hacia arriba.

Características de la perforación rotativa

La perforación rotativa – es un método de perforación rotativa vibratoria, en el cual la destrucción del suelo se realiza mediante una broca accionada en el fondo del pozo por el rotor del equipo de perforación. El rotor es girado por el motor del vehículo o por un motor eléctrico instalado por separado a través de un eje de transmisión.

El suelo excavado se lava del pozo mediante el método de lavado directo o inverso. El fluido de lavado puede suministrarse tanto por gravedad como mediante una estación de bombeo.

La mayoría de los pozos artesianos se perforan utilizando el método de perforación rotativa: mediante una broca de perforación girada por un rotor, con posterior lavado del pozo y fijación de tuberías de revestimiento.

La perforación rotativa se utiliza para desarrollar suelos rocosos y semirocosos en la construcción de pozos profundos de hasta 150 m. Un equipo de perforación rotativa con una broca adecuadamente seleccionada y tuberías de perforación pesadas maneja excelentemente las formaciones rocosas.

Los especialistas en perforación recomiendan utilizar este método de perforación si se cumplen las siguientes condiciones:

1. El perfil hidrogeológico del sitio está suficientemente bien estudiado. Se sabe que se perforarán rocas. Se conoce el nivel de la zona acuífera en las rocas madre.
2. El agua subterránea tiene una presión característica de los pozos artesianos.
3. Existe la posibilidad de un suministro ininterrumpido de agua técnica para el lavado del pozo.

En las regiones del sur, la perforación rotativa se puede realizar durante todo el año, pero en climas del norte su uso es limitado debido a la posibilidad de congelación del fluido de lavado.

Equipos y herramientas aplicados

La perforación rotativa de pozos de agua se realiza utilizando una torre de estructura o celosía, en la que se ubican el equipo de elevación y los demás elementos del equipo de perforación. La torre permite subir y bajar las columnas de perforación en el pozo.

El equipo de perforación rotativa incluye:

• torre de estructura o celosía;
• motor con accionamiento;
• rotor y columna de perforación;
• equipo de bombeo y sistema de limpieza del fluido de lavado;
• equipo de elevación, línea de presión, swivel, sellos, etc.

En los equipos autopropulsados, se utiliza el motor de combustión interna del vehículo como motor, sobre cuya base se encuentra el complejo de perforación. En este caso, la potencia del motor regula las revoluciones de la herramienta de perforación.

Como fuente de energía para el equipo de perforación rotativa puede utilizarse un motor eléctrico fijo o móvil, el motor de combustión interna del vehículo, generadores.

El rotor, mediante un dispositivo dentado, transmite la rotación a la tubería de transmisión, que a su vez la transmite a la herramienta de perforación principal – la broca. La broca puede tener diversas formas y está fabricada con materiales de alta resistencia: compuestos, acero con recubrimiento de diamante, etc.

Para cada tipo de suelo se selecciona un tamaño y forma específicos de la broca, asegurando así una alta eficiencia y velocidad de perforación.

Singularidad de la tecnología rotativa

La perforación rotativa de pozos de agua se realiza en tres etapas:

1. Destrucción de la roca mediante la broca.
2. Extracción de la roca destruida a la superficie mediante un flujo de agua inyectada.
3. Refuerzo de las paredes del pozo con tuberías de revestimiento.

La extracción del suelo destruido se realiza mediante lavado inverso o directo. La elección del método de lavado depende de las condiciones específicas: profundidad del pozo, tipo de suelo, disponibilidad del volumen necesario de agua de lavado.

Por lo general, en las explotaciones privadas se utiliza la tecnología de perforación con lavado directo, que incluye las siguientes etapas:

• enterramiento de la broca de gran diámetro en el suelo;
• rotación de la broca bajo la acción del rotor;
• instalación de tuberías de perforación y montaje de tuberías lastradas entre ellas y la broca;
• eliminación del suelo residual mediante presión de fluido con ayuda de una bomba;
• montaje de la tubería de revestimiento para evitar el desprendimiento del suelo dentro del pozo;
• perforación con una broca de menor diámetro y repetición de todo el ciclo.

En el lavado inverso, el suelo se extrae del pozo a través de las tuberías de la columna de perforación, y el fluido de lavado se vierte entre las paredes del pozo y las tuberías.

El agua fluye por gravedad hacia un depósito previamente preparado, donde se limpia del suelo y los lodos, y regresa a la columna de perforación para recoger una nueva porción de roca residual.

En algunos casos, al realizar la perforación rotativa, se utiliza no el lavado directo o inverso, sino un soplado con aire a presión generado por un compresor.

Ventajas y desventajas de la perforación rotativa

La principal ventaja del método rotativo es la posibilidad de perforar pozos profundos con captación de agua en caliza fracturada.

Además, este método de perforación tiene las siguientes ventajas:

• alta calidad de la apertura del acuífero en rocas madre;
• posibilidad de realizar un pozo de gran diámetro hasta 200 cm;
• alta velocidad de perforación, bajo consumo de recursos energéticos.

Un inconveniente importante de la perforación rotativa es la necesidad de organizar el lavado del pozo.

¿Qué método de perforación elegir?

Todos los métodos de perforación mecánica considerados se utilizan ampliamente para la construcción de pozos de agua.

Resumiendo, se puede decir que:

1. La perforación con sacatestigos es recomendable para la perforación en suelos arcillosos plásticos. El método con sacatestigos es adecuado para la construcción de la mayoría de las captaciones de agua, y si es necesario, se utiliza junto con la perforación por percusión con cable.
2. La perforación con barrena es similar en su ámbito de aplicación al método de perforación con extracción de testigos. Se diferencia de él por la limpieza deficiente del pozo, y requiere el uso obligatorio de una cuchara de limpieza o un lavado prolongado del pozo antes de su puesta en funcionamiento.
3. La perforación rotativa – es la opción óptima para perforar pozos en terrenos rocosos.

El costo de la perforación de un pozo utilizando uno u otro método de perforación depende en gran medida del equipo utilizado, así como de las categorías de las rocas atravesadas según su perforabilidad.

Un método de perforación correctamente elegido ayudará no solo a reducir el tiempo de perforación, sino que también permitirá en el futuro explotar la fuente de agua sin problemas.

Sobre cómo hacer una perforadora casera, podrá leer en otro artículo popular de nuestro sitio web.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Video #1. Demostración del principio de la perforación clásica con extracción de testigos mediante presión de agua:

Video #2. Características de la perforación de un pozo con barrena:

Video #3. Perforación con extracción de testigos de un pozo con lavado del fondo e instalación de un revestimiento doble, cuya parte exterior es de tubos de acero y la interior de polímeros:

La perforación de un pozo de agua – es un proceso laborioso. De la idoneidad del método de perforación elegido depende no solo la rapidez de la instalación de una fuente de agua autónoma, sino también los costos financieros.

Lo primero a tener en cuenta al elegir un método de perforación es el tipo de suelo y la profundidad del acuífero. En función de estos parámetros, usted podrá elegir la opción óptima que le permitirá perforar el pozo de forma rápida y económica.

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