Perforación con núcleo de pozos: tecnología y matices de realización de trabajos

Uno de los métodos más productivos y económicos para la formación de excavaciones mineras es la perforación por testigo de pozos. Se utiliza en la exploración de yacimientos y en geología de ingeniería. Además, es la forma más simple y rápida de acceder a las aguas subterráneas para organizar el suministro de agua.

Todo sobre las especificidades de la perforación por testigo, las herramientas necesarias para su realización y las particularidades de su aplicación lo conocerá en el artículo que le proponemos.

Ámbito de aplicación de la perforación por testigo

La perforación por testigo – es un método que permite determinar con la máxima precisión la profundidad del techo y la base de las capas del suelo, así como la cota de profundidad del nivel freático.

La tecnología de perforación por testigo se aplica ampliamente en los siguientes sectores:

• Suministro de agua en el ámbito industrial y privado. La perforación de pozos para el suministro privado de agua, la organización de la captación de agua de pueblos enteros o barrios urbanos se realiza eficazmente con la perforación por testigo debido a que la broca penetra fácilmente a grandes profundidades. El equipo de perforación por testigo es capaz de extraer casi cualquier roca destruida, excepto suelos saturados de agua y sueltos no cohesivos (arenas, grava, guijarros);
• Exploración geológica en la industria minera. Al atravesar la roca, se produce un impacto puntual sobre el terreno a lo largo del radio de rotación. En otras palabras, con un equipo que estructuralmente recuerda a un tubo, se perfora un macizo completo de rocas sin alterar su estructura y estado.
• Construcción. Realización de estudios geotécnicos para examinar las propiedades físico-mecánicas de los suelos y el estado de las rocas. La tecnología de perforación por testigo ofrece la posibilidad de determinar con alta precisión el nivel freático y tomar muestras de agua para estudiar su agresividad frente al hormigón.

Durante la perforación por testigo se extrae el testigo – una columna de suelo o capas de suelo adyacentes. El testigo se caracteriza por una estructura natural intacta, lo que permite realizar un análisis exhaustivo de la roca estudiada. La perforación con tubo de testigo permite determinar con la máxima precisión la profundidad de la roca con fines de estudio.

La perforación con barrena de núcleos asegura la integridad del núcleo extraído, lo que contribuye al estudio cualitativo de la roca. Al mismo tiempo, se realiza la limpieza más eficaz del fondo del pozo de la roca destruida.

El uso de la barrena de núcleos en la construcción facilita y acelera significativamente los procesos. En el orificio preparado con la barrena de núcleos se hinca fácilmente un pilote o se instala una estructura prefabricada de hormigón armado. La perforación con barrena de núcleos permite crear agujeros cilíndricos en estructuras de ladrillo y hormigón.

Tecnología de ejecución de trabajos y equipos

Se conocen dos métodos de uso de la barrena de núcleos: trabajo con suministro de fluido al fondo del pozo o en seco, es decir, sin lodo de perforación.

La perforación sin uso de lodo de perforación se aplica en caso de que los suelos no cohesivos estén impregnados de humedad natural en cantidad suficiente para la perforación y extracción. Tampoco se suministra agua al pozo durante la perforación en loams/arcillas de consistencia fluida, blanda y dura, y en limos arenosos duros y plásticos.

El fluido se aplica obligatoriamente al perforar rocas duras y semiduras. En ausencia de agua, en este caso la penetración ocurre mucho más lentamente. Además, aumenta significativamente la probabilidad de falla prematura de la corona, por lo que la perforación en seco se considera más costosa.

La tecnología de perforación de pozos con barrena de núcleos con lavado permite no solo prolongar la vida útil del equipo de trabajo, sino también liberar el fondo del pozo de la roca destruida de la manera más rápida y menos laboriosa.

Al perforar con lodo de perforación, la velocidad de penetración aumenta considerablemente. La mayoría de las veces este método se aplica al perforar pozos de gran profundidad. Esto permite realizar los trabajos en el menor tiempo posible con un riesgo mínimo de daño a la corona.

Además, se suministra agua a alta presión al fondo del pozo durante la perforación en suelos sueltos no cohesivos, si la extracción del núcleo no es el objetivo. En este caso, simplemente se lava el fondo del pozo con un chorro de agua, liberando el pozo del suelo destruido.

Principio del método de perforación por testigo

El elemento principal en la perforación con barrena de núcleos es la pieza cortante destructora, instalada en la base del tubo de barrenado. Se le llama corona. Para perforar rocas duras se utilizan coronas especiales equipadas con insertos de diamante.

Las coronas – son elementos cortantes intercambiables que se atornillan al borde inferior del tubo de barrenado. Durante la perforación, es necesario cambiarlas varias veces.

Es precisamente la corona de diamante la que garantiza el paso prácticamente sin obstáculos de la barrena a gran profundidad durante la perforación de pozos de captación en caliza. Es decir, durante la excavación de pozos profundizados en rocas madre, en cuyas grietas se han formado reservas de agua subterránea más pura como resultado de la condensación milenaria.

Las coronas de perforación se cambian de la manera más simple – se retira la pieza desgastada y se enrosca una nueva corona en el tubo de perforación.

La roca se corta mediante una corona que gira a altas revoluciones. La velocidad de rotación de la barrena se puede ajustar según la densidad del terreno que se excava. La corona “corta” el suelo solo en el borde de un cilindro peculiar, cuya parte central se presiona hacia el tubo de perforación.

Para extraer el testigo, se eleva el conjunto de perforación a la superficie. El suelo capturado se sopla literalmente fuera de la barrena de perforación mediante un chorro de aire introducido en la parte superior del tubo. El proceso de soplado se acelera golpeando el conjunto con un mazo.

Durante la perforación con corona, el segmento cónico de roca perforada se empuja hacia el tubo de perforación. Para extraerlo, se retira el conjunto de perforación del pozo desmontando la columna de varillas de perforación. El testigo se sopla y se golpea fuera del tubo.

Las barrenas de perforación con corona tienen un mayor rendimiento al atravesar rocas duras que las brocas de matriz y de cono. Esto se debe a la alta velocidad de rotación de la barrena, lo que reduce el grado de esfuerzo aplicado en la excavación.

Además, las brocas destruyen completamente la roca, que luego habrá que “extraer” con una cuchara de perforación o inyectar agua a presión para lavar el fondo del pozo. En esencia, habrá que recorrer el mismo tramo dos o incluso tres veces: primero destruir, luego limpiar. La tecnología de perforación con corona permite atravesar y limpiar el fondo en una sola operación.

Máquinas y equipos de perforación

La elección de la máquina o equipo de perforación viene determinada por el propósito del pozo y su diámetro. La popularidad del método de perforación con corona impulsa la producción de equipos y máquinas de perforación en todo el mundo. Los tractores pesados, camiones y vehículos todo terreno son adecuados para los equipos destinados a la perforación exploratoria.

El uso de tractores de orugas pesados permite realizar trabajos de perforación con corona en zonas con falta de caminos, anegamiento superficial y relieve inestable.

La mayoría de las veces, el equipo de perforación se monta en vehículos clásicos de las marcas MAZ, KAMAZ, Ural. Sin embargo, también existen opciones de montaje en equipos más ligeros, que se utilizan para perforar pozos de agua en la construcción privada.

En la perforación rotativa manual, la tubería de testigo es reemplazada por su predecesor histórico: la cuchara. Este dispositivo es una versión acortada de la tubería de testigo con un borde afilado en la base. La cuchara se enrosca en el suelo manualmente o con un motoperforador y se extrae a la superficie todo lo que se ha acumulado en ella.

Para la mecanización de la perforación manual de pozos poco profundos y la formación de agujeros para la instalación de cercas y postes de líneas eléctricas, se utilizan motores de gasolina y eléctricos. Transmiten movimientos rotatorios al sinfín o al tubo de testigo.

Equipos para perforación y acondicionamiento de pozos

Al realizar la perforación con testigo, se necesita equipo que permita trabajar a profundidad, extraer y recuperar los más diversos tipos de rocas. Durante la ejecución de los trabajos, se debe garantizar la elevación periódica a la superficie del material destruido por la herramienta.

Conjunto estándar de herramientas de perforación

Para la realización de trabajos de calidad, se requiere:

• Herramientas de perforación con testigo. Se utilizan tanto para la perforación horizontal como para la excavación de pozos verticales. Con tubos de testigo estándar es posible realizar perforaciones con un ángulo de hasta 45 grados. Las herramientas de testigo de pared delgada solo se pueden utilizar exclusivamente para la perforación horizontal sin zanja en la instalación de servicios públicos.
• Coronas de perforación. Son herramientas que destruyen la roca y con las que se equipa el tubo de testigo para facilitar la extracción del núcleo de la roca. Para la perforación de suelos sedimentarios cohesivos y no cohesivos se utilizan coronas de latón. Para la perforación de rocas, la realización de agujeros en hormigón, asfalto, paredes de ladrillo, se fabrican coronas de carburo con insertos de diamante.
• Tubos de revestimiento de acero. Son necesarios para entubar la excavación, es decir, formar el pozo, lo que se realiza simultáneamente con su profundización. Su diámetro es igual al diámetro del pozo. El revestimiento para la captación de agua se selecciona de antemano, teniendo en cuenta el diámetro del tubo de testigo y de la bomba que se planea utilizar en el pozo.
• Varillas de perforación. Son tubos estrechos que se enroscan entre sí. Se utilizan para extender la columna de perforación. En pocas palabras, se atornillan sucesivamente a la parte superior del tubo de testigo para poder transmitir el movimiento rotatorio a una profundidad que excede la altura de la herramienta. Altura del tubo de testigo + altura de la columna de varillas de perforación = profundidad de la excavación.
• Adaptadores. Son necesarios para asegurar la unión de conexiones roscadas de diferente diámetro, que están presentes en las varillas de perforación, rotadores, prensaestopas de lavado y otros componentes.
• Tapones de lavado y retenes. Con ellos se asegura la elevación a la superficie del suelo destruido, si no es necesaria la extracción de un testigo intacto. En este caso, se inyecta agua en el fondo del pozo, que lava bajo presión el suelo destruido hacia la superficie.
• Trépanos. Se utilizan para profundizar el agujero del pozo en los lugares más difíciles de atravesar con la barrena de perforación con testigo. Al usar el trépano, a veces se pasa de la perforación rotatoria a la de percusión por cable.

La herramienta presentada es un conjunto estándar para realizar perforaciones con tecnología de testigo. En casos particulares, dependiendo de la complejidad del desarrollo, pueden ser necesarias herramientas y equipos adicionales.

Al profundizar la excavación, se enrosca sucesivamente una columna de varillas de perforación en la parte superior del tubo testigo. Para extraer el conjunto de perforación con testigo a la superficie, se desenrosca la columna varilla por varilla.

Particularidades de la construcción del tubo de perforación por testigo

La característica estructural del dispositivo en la perforación con testigo se debe a la máxima preservación de la integridad del núcleo y consiste en una disposición anular alrededor del paso libre. Una de las características más importantes es el coeficiente de recuperación de testigo. Se define como la relación entre el diámetro del núcleo y el diámetro exterior de la herramienta.

La herramienta para perforación con testigo está estandarizada y se diferencia principalmente solo por el diámetro. Según las características constructivas, los tubos testigo se clasifican en simples y dobles. Los conjuntos simples, diseñados para trabajar en condiciones geológicas normales, son excelentes para el desarrollo de pozos de captación de agua.

La herramienta doble con tubo interior no giratorio se utiliza solo en la exploración geológica. Es necesaria para extraer muestras de rocas que se destruyen fácilmente bajo la acción de diversos factores. Permite tomar una muestra en su estado natural, con el porcentaje natural de minerales útiles y roca estéril.

En la toma de muestras para estudios de ingeniería geológica, en la exploración geológica y en la perforación de agujeros para la instalación de soportes de líneas eléctricas se utiliza un tubo testigo simple.

Todos los tubos testigo están diseñados para el uso de purga, suministro de lodo de perforación al fondo del pozo y lavado del pozo. Su parte superior está equipada con un orificio técnico a través del cual se realiza la inyección de agua o un chorro de aire.

Especificidades de la parte cortante del equipo

Cualquier corona se presenta como un anillo con una rosca en la parte superior, necesaria para enroscar al tubo testigo, y con cortadores ubicados en el extremo inferior. Los cortadores pueden ser de una sola pieza fundida o soldados a esta pieza metálica cortante.

En la perforación con testigo se utilizan las siguientes coronas:

• De metal duro – de cortadores pequeños, acanaladas.
• De diamante – impregnadas y de microdiamantes.

Los elementos de corte de carburo están diseñados para perforar terrenos “blandos”. Con ellos se realiza la perforación de todo tipo de rocas arcillosas de cualquier consistencia, rocas semisólidas, arenas de baja humedad y húmedas de compactación densa y densidad media. Para atravesar areniscas y margas, se utilizan coronas con cortadores de tungsteno-cobalto.

Las coronas de cortadores pequeños están diseñadas para perforar rocas de dureza media y baja abrasividad. Están equipadas con cortadores de sección octogonal o cuadrada. Al disponer los cortadores a diferentes alturas también se logra un escalonamiento del fondo, cuyas ventajas se expusieron anteriormente.

Con las coronas acanaladas se mejora la circulación del fluido de lavado debido a la expansión del diámetro del pozo.

Las coronas acanaladas están diseñadas para perforar rocas duras de abrasividad media. Los cortadores de tales coronas consisten en una barrita de acero cilíndrica o prismática con un inserto de metal duro. Además, incluso en caso de desgaste de la corona, la eficiencia de su trabajo no disminuye.

Las coronas con cortadores de diamante están diseñadas para perforar rocas duras y semiduras de alta abrasividad.

Para aumentar la resistencia y mejorar las propiedades abrasivas, se prensan diamantes técnicos en su matriz fundida durante el proceso de fabricación. Últimamente, los cristales naturales a menudo se reemplazan por los cultivados artificialmente.

El número de nervaduras está determinado por el diseño de la corona y su diámetro – puede ser de tres a seis. Se puede acelerar el proceso de destrucción de la roca desplazando las nervaduras hacia arriba con respecto al extremo de la corona. De esta manera, se garantiza un fondo de pozo escalonado y se facilita el paso del fluido de lavado.

Tubos para entubar el pozo

Tanto los tubos de acero para testigos como los de revestimiento se fabrican según la norma GOST 51682-2000. En la exploración geológica y en la geología de ingeniería, se utilizan para evitar el colapso del suelo en el fondo del pozo, lo que impediría saber a qué profundidad una capa geológica es reemplazada por otra.

En el acondicionamiento de pozos de captación de agua, las tuberías de revestimiento forman las paredes del pozo. En la columna de revestimiento ensamblada se introduce otra columna de tuberías, la de explotación. Actualmente, a menudo se ensambla de plástico. La columna de explotación se provee de un filtro para retener granos de arena y grava fina durante el bombeo.

Las tuberías de revestimiento con conexión de niple son las más utilizadas. Estas tuberías tienen rosca interna en un extremo y rosca externa en el otro. El pozo se ensambla con tuberías roscadas de forma extremadamente simple y rápida.

Tanto las tuberías de perforación como las de revestimiento están provistas de rosca, con rosca externa en un extremo e interna en el otro. Esto permite ensamblar la columna de revestimiento de forma rápida y sencilla. Los tamaños de rosca están unificados – cualquier tubería de revestimiento puede servir como tubería de perforación, basta con acoplarle una corona y una cabeza.

Existen tuberías de revestimiento diseñadas para conexiones soldadas. En el sector privado no se utilizan debido al proceso laborioso de ensamblaje de la columna.

Tanto las tuberías de revestimiento como las tuberías de testigo se fabrican de acero de grado 45 con grupo de resistencia «K». Para aumentar la resistencia al desgaste superficial, los extremos de las tuberías se templan. Dependiendo del equipo de perforación utilizado y del diámetro de la bomba sumergible, en la construcción de pozos de captación de agua privados se utilizan tuberías de diámetro de 100 a 200 mm.

Etapas de la perforación por testigo

Antes de comenzar los trabajos, es necesario estudiar el plano catastral y preparar la superficie de trabajo. Se debe garantizar el acceso sin obstáculos al lugar de perforación tanto para la propia perforadora como para el vehículo con el fluido de lavado.

El siguiente paso será excavar un pozo de al menos 2 m³; esto evitará la necesidad de utilizar un depósito adicional. El pozo está destinado a drenar las aguas subterráneas y el fluido de lavado usado. Para instalar la parte principal del pozo, es necesario perforar el suelo.

A continuación, se realiza la conexión de la corona seleccionada con la tubería de testigo de perforación y la selección de tuberías de revestimiento, las cuales se irán añadiendo a medida que se profundiza. El equipo debe fijarse de manera segura, después de lo cual se pone en marcha la perforadora.

La tecnología de perforación con testigo con lavado del fondo con agua permite liberar el pozo de la roca triturada de la manera más simple y rápida.

A medida que se profundiza y se llena el barril de testigo, se realiza su izado periódico a la superficie y su limpieza del suelo capturado por la herramienta durante la perforación. Después, el barril liberado del núcleo se puede volver a sumergir en el orificio del pozo para continuar la perforación.

Para elevar a la superficie la columna de tuberías de perforación, compuesta por el conjunto de testigo y las varillas, se desmonta. Es decir, se separan las varillas una tras otra hasta que se extrae el tubo de testigo del pozo.

La opción óptima para la perforación de pozos por particulares es la perforación con núcleo acompañada de lavado. En este caso no es necesario tomar muestras. Lo principal es formar rápidamente el pozo y limpiarlo de lodos. Al mismo tiempo, se realiza la preparación de la excavación para la futura explotación.

Para el lavado se puede usar cualquier agua, es adecuada la de un estanque o río cercano. La perforación también puede realizarse en seco, si se está perforando un pozo en arena. Normalmente, en ese caso, basta con un par de cubos de agua como lodo de perforación solo para enfriar la herramienta en el fondo.

Con la tecnología de perforación con testigo se realiza la perforación de agujeros en estructuras de hormigón y hormigón armado, cimientos y paredes de ladrillo.

Al trabajar en arenas sueltas y poco húmedas, para reforzar las paredes del agujero se recomienda añadir vidrio líquido o masa arcillosa a la solución de trabajo. En cualquier caso, al atravesar el taladro un horizonte con estructura inestable, será justificado reforzar las paredes del pozo con tuberías de revestimiento.

Particularidades tecnológicas del proceso

Durante el proceso de profundización es posible ajustar la velocidad de rotación del taladro. Cabe señalar que el taladro atraviesa fácilmente las capas de rocas sedimentarias a bajas revoluciones. Sin embargo, al atravesar rocas ígneas, se requiere aumentar la velocidad de rotación. Con el método de perforación con testigo se pueden atravesar estratos de diferente composición y cualquier dureza.

Hay que tener en cuenta que la plataforma de perforación debe estar ubicada en un área preparada, nivelada y horizontal. El ángulo de perforación se puede ajustar si el diámetro del agujero del pozo a perforar no supera 1 metro. Luego, la verticalidad de la excavación se mantiene con la columna de revestimiento.

Las tuberías de revestimiento se pueden reutilizar si se extraen de la excavación inmediatamente después de la perforación. La tubería de testigo es una herramienta reutilizable, lo que no puede decirse de las coronas. Para la perforación en un horizonte sedimentario se requieren al menos dos, o incluso más. Al construir un pozo en caliza, es imposible predecir con precisión el número de coronas desgastadas.

Para prolongar la vida útil de la corona diamantada, después de su instalación o reemplazo, es necesario tratar el fondo del pozo con una barrena. Esta medida aumentará significativamente la velocidad de perforación.

La plataforma de perforación se puede montar en vehículos de alta capacidad de carga o en maquinaria especial de orugas cuando se trabaja en terrenos difíciles. Se puede utilizar equipo móvil más ligero para la perforación con núcleo de pozos de agua.

Ventajas y desventajas del método de perforación por testigo

Gracias a la acción puntual de la corona en su radio, se asegura un corte preciso y la extracción a la superficie de un testigo intacto. La tecnología es aplicable para perforar rocas hasta la categoría XII, y se puede trabajar tanto perpendicularmente como en ángulo.

Uno de los indicadores más importantes del método de perforación con testigo es la alta productividad y velocidad de perforación.

Además de esto, se pueden destacar las siguientes ventajas:

• El volumen de perforación en caso de aplicar fluido de lavado o agua técnica es del 85%;
• La introducción de emulsiones activas en la solución de trabajo permite mantener las paredes del pozo en su estado original;
• Gracias a la reducción de las cargas axiales debido a que la roca no se destruye en su totalidad, se logra una disminución de los costos energéticos.
• El método permite trabajar con cualquier tipo de roca, incluyendo basálticas y graníticas.
• Al utilizar un equipo móvil desmontable, es posible realizar trabajos en lugares de difícil acceso.

Junto con las ventajas, la perforación con testigo también tiene sus desventajas:

• Al trabajar en rocas fracturadas, a menudo se produce el atascamiento del testigo, lo que lleva a la necesidad de extraer la tubería para golpearlo y liberarlo.
• Al atravesar rocas duras, debido al sobrecalentamiento y al agarre, la corona se desafila rápidamente. Para evitarlo, es necesario aplicar líquido refrigerante y reducir la velocidad de avance. Como consecuencia, disminuye la velocidad de perforación.
• La pequeña sección de perforación (hasta 200 mm) no permite el uso de bombas sumergibles potentes.

Al desarrollar pozos de agua, en caso de aplicar solución arcillosa al abrir el estrato, existe una alta probabilidad de colmatación de la capa acuífera.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Video 1. Etapa inicial de la perforación de un pozo mediante el método con testigo:

Video 2. Perforación con testigo de un pozo en roca granítica:

El inicio de los trabajos de perforación con testigo de un pozo debe ir precedido de un cálculo económico. El cumplimiento de las normas de seguridad y las reglas de operación del equipo minimizan el riesgo de avería, garantizando así una alta eficiencia del trabajo, velocidad de perforación y reducción de costos económicos.

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