Perforación helicoidal de sondeos: características de la tecnología y del equipo para perforación manual y con máquina
La perforación con barrena helicoidal para pozos de agua potable es el método más popular hoy en día en propiedades privadas. Se puede construir un pozo de agua poco profundo por cuenta propia con un taladro de tierra manual. Para facilitar el trabajo, a menudo se utilizan equipos de perforación compactos con accionamiento.
Explicaremos por qué este método es tan popular. Analizaremos en qué se diferencia de otros métodos de perforación y en qué situaciones es eficaz aplicarlo. En el artículo se describe detalladamente la tecnología de barrena helicoidal y la construcción del equipo de perforación, así como las herramientas de perforación utilizadas en la perforación manual y mecánica.
Contenido del artículo:
Particularidades de la perforación con barrena helicoidal
Un pozo de perforación es una excavación de forma cilíndrica en la corteza terrestre que, al ser de gran longitud, tiene una sección transversal pequeña. Su inicio se llama boca, la superficie lateral se denomina paredes y el fondo de la excavación se llama fondo del pozo.
El método de perforación óptimo se selecciona considerando la función del pozo, el diámetro y la profundidad requeridos. Es importante tener en cuenta las propiedades físico-mecánicas de las rocas que deben atravesarse durante la formación de la captación de agua.
También influye la viabilidad técnico-económica de la perforación en condiciones específicas. Esta es una etapa importante en el diseño de pozos, durante la cual se determinan las soluciones tecnológicas básicas: el tipo de equipo utilizado y los modos de perforación.
Al diseñar y posteriormente perforar pozos de captación de agua, es necesario centrarse en la durabilidad a largo plazo. Es importante la capacidad de mantener un caudal estable y una permeabilidad constante de la zona del fondo del pozo durante un largo período de tiempo.
El proceso de perforación de un pozo incluye varias operaciones de trabajo:
- Destrucción de la roca en el fondo, es decir, separación de partículas del macizo.
- Transporte del suelo extraído a la superficie.
- Preparación del pozo para su operación mediante limpieza y acondicionamiento del barril, así como la realización de lavado de la captación de agua.
La eficiencia de perforación depende directamente de las propiedades físico-mecánicas establecidas por la naturaleza, a saber: densidad de compactación, porosidad, permeabilidad al agua de suelos no cohesivos, consistencia de suelos cohesivos arcillosos.
Este método no es adecuado para perforar rocas caracterizadas por su monolitismo y tipo de enlace cristalino entre partículas. Cuanto más consolidados estén los granos minerales en la roca, mayor será el trabajo necesario para su destrucción.
Ventajas y desventajas del método
La variante de perforación helicoidal se utiliza tanto en la industria como en la construcción civil y en la perforación manual de pozos. Su característica distintiva consiste en la eliminación de la roca destruida no mediante fluido de lavado o mezclas gas-líquido especiales, sino directamente con las partes del equipo helicoidal.
Se distingue entre perforación con barrena vertical y horizontal dirigida. El primer método se emplea en la construcción de pozos de agua, así como para la formación de agujeros para pilotes. El segundo se utiliza en la instalación de servicios subterráneos mediante método sin zanja.
Este método proporciona al mismo tiempo una alta velocidad de avance en suelos no rocosos hasta profundidades de 50-80 metros, permitiendo formar inmediatamente las paredes de la excavación mediante la instalación de una columna de tubos de revestimiento.
Otra ventaja es la extracción del suelo excavado a la superficie sin levantar la herramienta. Además, dado que la perforación con barrena no requiere fluido de lavado, se aplica con éxito en regiones áridas y también se utiliza en períodos de predominio de bajas temperaturas.
Hoy en día, la perforación con equipos de barrena se utiliza:
- Para la construcción de pozos de captación individuales;
- En la construcción de cimentaciones con pilotes helicoidales/perforados colados in situ;
- Para la instalación de cercas y soportes de hormigón armado;
- En la ejecución de instalación de servicios sin zanja;
- Para la construcción de pozos poco profundos y fosas.
Sin embargo, también hay desventajas. Con las barrenas no es posible perforar un pozo en rocas de alta dureza. Durante la excavación en suelos limosos duros y semiduros, arcillas con capas de caliza, pueden surgir complicaciones, y al perforar rocas abrasivas se observa un alto desgaste del equipo de perforación.
Además, existe una limitación en la profundidad de la excavación. Es muy difícil construir un pozo de más de 80 metros de profundidad con este método.
Tecnología de perforación vertical
El sinfín es una tubería de perforación de alta resistencia con una hélice enrollada que funciona como transportador vertical de tornillo. Bajo la acción de la carga axial, la parte activa del equipo de perforación penetra en la roca y la destruye mediante corte y disgregación. Simultáneamente, la perforación con sinfín transporta el suelo excavado hacia la hélice del sinfín.
Bajo la acción de las fuerzas centrífugas, el suelo disgregado asciende por las paletas de la columna de perforación. El ascenso se produce mediante deslizamiento a lo largo de la espiral, ya que la fricción del suelo contra el sinfín es menor que contra las paredes del pozo.
Así, la roca destruida se transporta en estado triturado desde el fondo hasta la superficie y se expulsa por la boca del pozo. Cuando el transporte no presenta dificultades, el suelo llena entre el 30 y el 40% del volumen total del espacio entre espiras.
Los parámetros de la columna de sinfín deben garantizar un rápido ascenso de toda la masa de suelo destruida por el sinfín. Sin embargo, durante la perforación, parte del suelo disgregado cae de nuevo al fondo. Por ello, al realizar la perforación con sinfín se requiere una limpieza más intensa del pozo, y al finalizar es necesario un lavado obligatorio.
Perforación dirigida horizontal con barrena helicoidal
En la instalación de servicios públicos de diversas funciones bajo obstáculos (autopistas, vías férreas, masas forestales) se utiliza la perforación horizontal dirigida con sinfín.
En la fase inicial de los trabajos se excavan dos pozos: uno de inicio (de trabajo) y otro de recepción. Deben estar al mismo nivel que el pozo proyectado. Luego, en el pozo de trabajo se baja y monta el equipo necesario.
Este equipo tiene una gran carrera de avance y está equipado con una cabeza de perforación resistente al desgaste de acero altamente aleado. También cuenta con una sonda para monitorear la perforación. Al recibir las señales en el monitor, el operador controla el proceso y puede corregir la dirección de avance, así como el ángulo de inclinación de la cabeza de perforación.
Cuando el sinfín entra en el pozo de recepción, es decir, el punto final según el proyecto, se retira la broca. En su lugar se fijan un ensanchador y un tubo. Luego se inicia la rotación de las paletas en dirección inversa para introducir el tubo en el pozo terminado. Al finalizar los trabajos de perforación, se extrae el equipo de sinfín del pozo de inicio.
El método sin zanja permite realizar el tendido de tuberías para servicios públicos por debajo del nivel freático en longitudes de hasta 80 m. Todos los trabajos complejos se realizan sin necesidad de excavar zanjas, lo que permite minimizar el tiempo de ejecución y reducir los costes financieros.
La perforación helicoidal horizontal se aplica en la instalación de tuberías a presión y sistemas de comunicación en zonas donde no es posible realizar la colocación por otros métodos. La principal ventaja de la instalación sin zanja es la economía. Además, para mantener la estabilidad de la excavación terminada no es necesario usar bentonita u otros polímeros.
Características de la perforación en diferentes tipos de roca
Los parámetros tecnológicos básicos de la perforación de un pozo son la carga axial y la frecuencia de rotación del tornillo del transportador sinfín. Al aumentar la carga, también aumenta la velocidad de avance, lo que puede dar lugar a diferentes situaciones de emergencia.
Por lo tanto, es obligatorio asegurarse de que el volumen de roca separado por el sinfín por unidad de tiempo no exceda la capacidad del transportador. De lo contrario, se forman tapones en las espiras.
Por lo general, las rocas arcillosas plásticas, las arenas sueltas y de densidad media se perforan sin suministro forzado de carga axial. La herramienta sinfín se introduce en el suelo por su propio peso, así como por la fuerza reactiva que se genera al transportar la roca excavada hacia la boca de la excavación cilíndrica.
Las cargas axiales de hasta 5 kN normalmente se aplican durante la perforación inicial del pozo, al perforar en arenas limosas duras, margas, arcillas, argilitas y limolitas. La frecuencia de rotación de la columna no debe exceder 1,7-3,3 s-1.
A frecuencias más altas surgen vibraciones internas que pueden hacer que los eslabones de la columna de perforación pierdan sus conexiones. Como resultado, el equipo de perforación quedará en el fondo, será prácticamente imposible recuperarlo, por lo que será necesario perforar una nueva excavación. Y a frecuencias bajas, el transporte del suelo excavado hacia arriba se dificulta considerablemente.
Al aumentar la dureza de las rocas, se incrementan las cargas axiales. La perforación en suelos de grava y derrubios, margas congeladas, arenas saturadas de agua y limolitas con inclusiones de cuarzo se realiza con una carga axial de 8-10 kN sobre la broca y una frecuencia de rotación de la columna de 1,3-2,2 s-1.
Los depósitos de guijarros y las rocas con inclusión de cantos rodados no se perforan con el método de sinfín. Estos fragmentos redondeados de roca se rompen con una broca y se elevan a la superficie del terreno con una cuchara de perforación.
La perforación en arenas de diferente densidad y grado de saturación de agua, depósitos de grava y escombros se realiza a altas revoluciones y al mismo tiempo se refuerzan las paredes de la excavación con revestimientos.
Para evitarlo, se reduce la velocidad de perforación al mínimo posible, se maniobra la columna y se añade agua al pozo. También en esta situación ayuda la elevación periódica de la herramienta de perforación a la superficie y la limpieza de la marga adherida.
Herramientas para la perforación con barrena helicoidal
Las herramientas para la perforación helicoidal de pozos se diferencian por el número de espiras y la geometría de la parte cortante. Para la penetración en arenas limosas y margas duras y semiduras, a menudo se utilizan barrenas cuyo borde está provisto de cortadores adicionales.
La mayoría de las veces, para la perforación de un pozo de captación de agua para particulares, se utiliza solo un sinfín inicial sin ningún complemento, ya que se perforarán rocas sedimentarias cohesivas y no cohesivas. Al profundizar, la herramienta simplemente se alarga con varillas de perforación.
En este caso, la sarta se extrae del pozo cada 0,5 – 0,7 m para limpiar la propia barrena y el fondo de la roca desintegrada. Esta es una opción de perforación más económica pero también más laboriosa.
Para perforar rocas y gravas que pueden encontrarse en suelos sedimentarios, se cambia al método de percusión por cable. Generalmente se utiliza para ello un trépano fabricado en acero para herramientas. Esta barrena, afilada en el extremo inferior, se 'lanza' con fuerza al fondo hasta que se destruye la 'barrera sólida'.
Después de destruir la grava o la roca, los fragmentos se extraen a la superficie con un vaso (tubo de testigo) o con una cuchara de perforación. Luego se vuelve al método helicoidal. A menudo, para la excavación se deben utilizar varios métodos de perforación en combinación.
En la perforación de arenas sueltas y margas blandas se utilizan barrenas helicoidales con palas giradas hacia el fondo en un ángulo de 30-60°, y para perforar en suelos arcillosos cohesivos – 90°.
Esta espiral se obtiene enrollando una cinta de acero de alta resistencia de 5-7 mm de diámetro sobre un mandril helicoidal. Luego se estira sobre el tubo/varilla y se suelda.
Cuanto mayor es el diámetro del tubo base, menor es la capacidad de transporte del sinfín. Sin embargo, el diámetro del producto de gran longitud está limitado por la resistencia mecánica del sinfín y por la tecnología de su fabricación.
Hoy en día se fabrican dos tipos de sinfines:
- Con orificio central, es decir, huecos;
- Pesados – sin orificio.
Para minimizar el desgaste del transportador helicoidal al perforar rocas abrasivas, se enrolla una tira de acero en el borde exterior o se aplica una capa de metal sobre la superficie.
A altas velocidades de perforación helicoidal, se fija sobre la sarta un adaptador especial con bobinado de doble entrada de acero en tiras. De esta manera, la mayor parte de la roca llega al transportador helicoidal sin desgastarse.
En el extremo del tubo con espiral enrollada, se sueldan obligatoriamente elementos de conexión. Se distinguen dos tipos de conexión de los sinfines: sin rosca y roscada. En el primer caso, los sinfines se conectan mediante acoplamientos y se mantienen mediante pasadores metálicos con fijadores; en el segundo caso, mediante el método de atornillado.
La conexión roscada de los sinfines a la columna de perforación permite mecanizar su conexión y desconexión durante las operaciones de izado y descenso, al suministrar fluido al fondo. Pero también hay un inconveniente importante: no es posible la rotación inversa de los sinfines en este caso. Por lo tanto, la conexión sin rosca ha tenido una mayor difusión.
Las plataformas de perforación especiales generalmente incluyen un conjunto de sinfines de diferentes diámetros.
Los sinfines huecos con conexión roscada se utilizan en perforación con soplado, para extraer agua durante la excavación de pozos cilíndricos en la corteza terrestre, para colocar cargas en pozos geofísicos, para inyectar hormigón en agujeros para pilotes. También se pueden utilizar como tubería de revestimiento.
En la perforación de fondo continuo, el canal central se cierra con una herramienta de perforación sobre un cable.
Revisión de los equipos de perforación
Para la perforación helicoidal se utilizan tanto herramientas manuales como equipos mecanizados. El más simple en diseño es el taladro manual de tierra. Consiste en una barra/tubo con una cuchilla helicoidal y un mango en forma de T fijado rígidamente.
La herramienta de perforación de este tipo se atornilla en el suelo como un sacacorchos. Durante la excavación, se va alargando con barras. Los taladros manuales de tierra se fabrican desmontables para que sea lo más cómodo posible transportarlos en vehículos ligeros. Esto también permite cambiar la longitud de la columna de perforación de sinfín.
Con herramientas manuales se pueden hacer agujeros de hasta 2 metros de profundidad y un diámetro no mayor de 20 centímetros. También existen mototaladros con accionamiento de gasolina o eléctrico. Su construcción incluye un transportador helicoidal, es decir, un sinfín, y un motor con reductor. La rotación del eje del motor asegura el movimiento del sinfín.
Con el uso de una herramienta motorizada y con barras de perforación para alargar, se pueden perforar pozos de hasta 25 metros de profundidad. Con un diámetro de hasta 30 centímetros, se utiliza para instalar postes de iluminación en la calle, montar postes de vallas, zanjas para inspeccionar cimientos y bases de suelo.
Las unidades móviles son máquinas de tamaño pequeño con motor eléctrico o de gasolina. Con ellas se puede perforar rápidamente un pozo para una casa de campo y preparar una gran cantidad de hoyos para soportes de diversas funciones.
A menudo, estas perforadoras se fabrican como remolque para automóviles, para facilitar el transporte al lugar de trabajo.
En la construcción civil e industrial, para formar excavaciones de gran profundidad y diámetro se utiliza equipo especial de tornillo sinfín, fijado en maquinaria móvil: camiones, tractores.
Se utiliza en el montaje de soportes de líneas eléctricas de alta tensión y postes de alumbrado público, en la instalación de soportes de vallas de estadios, complejos deportivos, instalaciones industriales, aeródromos. Además, con las perforadoras de tornillo sinfín sobre maquinaria móvil se construyen tablestacas de excavaciones y se colocan pilotes helicoidales.
Vídeo útil sobre el tema
Perforación con tornillo sinfín de un pozo de captación de agua de 20 m de profundidad en el terreno de una vivienda particular:
En este video se muestra la tecnología de perforación horizontal con tornillo sinfín de un pozo para tender tuberías bajo una autopista:
Instalación de pilotes con tornillo sinfín continuo de gran diámetro con canal central. Para los trabajos se utiliza la perforadora Bauer BG-30 y una bomba de hormigón estacionaria de alto rendimiento Liebherr:
El método de tornillo sinfín proporciona altas velocidades de perforación. La excavación del pozo y la evacuación del suelo extraído desde el frente hasta la boca de la excavación ocurren de manera simultánea y continua, lo que ahorra tiempo, esfuerzo de los perforadores y los recursos invertidos en el proyecto. Por eso el método de perforación con tornillo sinfín es popular.
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