Perforación rotativa de pozos: revisión de la tecnología de perforación y el equipo necesario

Si no es posible conectar una casa de campo al suministro central de agua, es necesario organizar un sistema autónomo. La mayoría de los propietarios prefiere instalarlo basándose en un pozo, en cuyo desarrollo se utilizan diversos métodos. Examinaremos la perforación rotatoria de pozos – una opción muy prometedora, aunque aún poco conocida.

En el artículo que proponemos se describen detalladamente los pormenores de la tecnología rotatoria y las herramientas utilizadas. Se analizan las ventajas y desventajas de este método, y se presentan las formas de implementarlo en la práctica. Nuestros consejos serán útiles para los propietarios prudentes de terrenos privados que deseen supervisar el trabajo de los perforadores.

Definición de la perforación rotatoria

Para empezar, analicemos qué es en realidad la perforación rotatoria de pozos y cuáles son sus alternativas. Uno de los métodos más habituales para construir una captación de agua sigue siendo la perforación por tornillo sin fin.

Sin embargo, la tecnología de barrena no permite atravesar rocas de lecho sólido. El taladro helicoidal utilizado en la perforación por barrena no es capaz de romper la caliza. Y a menudo sucede que es necesario perforar precisamente en ella, ya que las capas superiores no presentan un caudal estable y suficiente para la explotación.

La tecnología de perforación por corona y por barrena no permite atravesar rocas sólidas. En el caso de construir un pozo en caliza, es más eficaz y económico utilizar el método de perforación rotatoria.

Por ello, la tecnología rotatoria, utilizada anteriormente solo en la industria minera, comenzó a implementarse en el ámbito de la construcción de captaciones privadas. Su elemento de trabajo es la broca situada en la parte inferior del pozo. Con la broca se destruyen suelos coherentes e incoherentes, y se trituran rocas madre sólidas.

La extracción de la roca destruida se realiza mediante un fluido que se suministra al fondo del pozo a través de la columna de trabajo o del espacio anular. Estos son 2 métodos diferentes de perforación, cada uno de los cuales se examinará en detalle más adelante.

El diámetro de la broca supera el diámetro de la columna de trabajo, lo que permite:

• reducir el consumo de energía en todo el proceso de perforación (la potencia aquí se consume directamente solo para girar con fuerza la broca en el fondo del pozo, y las pérdidas por fricción de la columna de trabajo contra las paredes del pozo se reducen al mínimo);
• proteger la mayoría de los elementos de la columna de trabajo de daños, así como las paredes del pozo perforado de la destrucción;
• crear pozos de diámetro impresionante (por ejemplo, hasta 70 cm) a profundidades extremadamente grandes.

De esta manera se pueden formar pozos acuíferos con profundidades de 300 metros o más, es decir, perforar captaciones de agua para abastecer de agua a zonas de casas de campo y poblados.

Por lo tanto, la definición: la perforación por principio rotatorio es un método de desarrollo de pozos en el que la fuerza sobre la broca en el fondo del pozo se transmite desde el rotador rotatorio a través de la columna de trabajo. Esta se ensambla a partir de barras – tubos de acero estrechos, que se conectan sucesivamente entre sí a medida que se profundiza en el terreno.

En cambio, para la limpieza del tronco de la excavación y el fondo de los detritos se utiliza agua suministrada a presión. Gracias a esta solución, no es necesario desmontar y montar constantemente la columna de perforación para extraer testigos como en la perforación con sacatestigos.

El fluido inyectado en la excavación resuelve de inmediato dos tareas importantes: despeja el camino para el equipo de perforación para realizar trabajos posteriores y realiza el lavado del pozo, necesario para preparar la captación de agua para su explotación.

Ventajas de la tecnología rotatoria

¿Cuáles son las ventajas de la perforación rotativa frente a posibles alternativas? Varias.

En primer lugar, utilizando una broca rotativa, se pueden crear pozos de gran diámetro que puedan satisfacer plenamente las necesidades de agua de varios hogares a la vez.

No es un secreto que la perforación es un proceso costoso: requiere equipos especializados, y el proceso debe ser controlado y gestionado por perforadores experimentados. Después de todo, la actividad relacionada con la perforación de pozos está sujeta a licencia. De ahí su alto precio.

Gracias a su forma y diseño, la broca en la perforación rotativa puede formar pozos de un diámetro mucho mayor que los taladros de barrena y el tubo de testigo.

La unión de varios hogares para financiar un pozo común para terrenos colindantes – es una empresa económicamente rentable. Pero para ello se requiere un caudal significativo. En la mayoría de los casos, los acuíferos de depósitos cuaternarios (arenas) no pueden proporcionarlo.

Naturalmente, para la explotación colectiva, es mejor ubicar la captación de agua en caliza. Las aguas subterráneas extraídas de ella se caracterizan por una mayor abundancia de agua y pureza. El caudal de los pozos en caliza no se ve afectado en absoluto por el volumen de precipitaciones. Lo que no se puede decir de los pozos en arena.

En segundo lugar, las relativamente bajas necesidades energéticas son convincentes. El elemento de trabajo en la perforación rotatoria es la broca. Pero a diferencia de la perforación por barrena y la perforación con corona, la herramienta de perforación no interactúa con las paredes del pozo perforado.

Es decir, solo la broca, cuya altura es insignificante en relación con la altura de toda la columna de perforación, está en contacto directo con el suelo. En consecuencia, este método de formación de pozos es el más rápido: ¡hasta 1000 metros lineales al mes!

En tercer lugar, la profundidad de perforación atrae a los clientes colectivos. Solo mediante el método rotativo se puede perforar un pozo hundido en rocas metamórficas y magmáticas basales, de cuyas grietas se puede extraer agua cuya composición es la más adecuada para fines potables.

Con frecuencia, de las captaciones de agua con profundidad inferior a 30 m solo se extrae agua técnica. Su composición se ve afectada por cuerpos de agua cercanos, ríos atestados de basura, precipitaciones atmosféricas e incluso simplemente líquidos técnicos derramados en el suelo. El tornillo y la tubería de testigo solo permiten obtener dicha captación.

Todo el conjunto de equipos de perforación se monta fácilmente en una única plataforma automotriz de capacidad media. Esto hace que el proceso de perforación rotativa sea mucho más tecnológico y, por lo tanto, más económico.

Además, la perforación rotativa permite atravesar la excavación hasta la profundidad total sin cambiar a otro método de perforación. En el desarrollo de un pozo con tornillo, por ejemplo, si es necesario perforar un canto rodado, se recurre a la metodología de percusión por cable.

Para ello, se extrae el conjunto de barrena del pozo y se arroja la broca al fondo del pozo hasta que se rompe la roca grande. Luego, el fondo del pozo se limpia con una cuchara de perforación. Esta también se utiliza si es necesario subir a la superficie arena saturada de agua que simplemente no se retiene en el tubo de corona.

La práctica muestra que los pozos perforados por el método rotativo tienen una vida útil más larga. Tecnológicamente, esto se explica porque, después de instalar la columna de revestimiento que forma las paredes del pozo, se refuerza adicionalmente el espacio anular.

Equipo para la construcción del pozo

Inicialmente, sobre la superficie sobre el pozo se instala una consola vertical para el posterior montaje de los eslabones verticales de la columna de trabajo. El primer eslabón de este eje de perforación está equipado con un elemento de trabajo: la broca, que puede tener diferentes formatos, dependiendo de la categoría de la roca según su perforabilidad.

Por supuesto, para la perforación de pozos de agua se utiliza un equipo más compacto y, por lo general, no se requiere la formación de la torre mencionada.

Conjunto de herramientas de perforación

Al hundir el primer eslabón, la vela, se coloca encima el siguiente, llamado barra, y así sucesivamente. La longitud de cada uno de estos bloques de tubería puede variar de 20 a 50 m. Para simplificar la formación de la columna de trabajo, cada barra está equipada con una rosca cónica con cierre.

En resumen, se forma un tren de perforación que consiste en:

• la barrena de trabajo;
• la barra guía;
• la columna de barras ordinarias, unidas entre sí mediante manguitos.

La sujeción de la columna de trabajo se realiza mediante un swivel, cuyo giro es producido por el rotor. Dependiendo de la profundidad prevista de perforación, así como de las propiedades físico-mecánicas del terreno, para formar el eslabón guía se utilizan barras estándar o bien barras lastradas.

La barra guía, por lo general, es un tubo lastrado, porque se le asigna una importante misión tecnológica. A través de ella, el fluido de perforación llega al fondo del pozo hasta la barrena, cuya tarea es lavar la roca triturada. Y esto, a su vez, plantea exigencias a las conexiones de manguito, cuya tarea es sellar las uniones entre los eslabones.

No hay que olvidar que la presión del fluido depende directamente de la altura de la columna formada (y no de la sección de la tubería). Además, incluso si como fluido de perforación se utiliza agua, la presión aumentará en 1 atmósfera cada 10 metros.

A modo de comparación, vale la pena dar un ejemplo. La presión de trabajo en una red de tuberías doméstica en una casa es de 10 atmósferas, y las tuberías más resistentes están diseñadas para una presión de 20 atmósferas.

Pero mientras que los sistemas domésticos son estacionarios y no se mueven, sobre la barra guía se ejerce una presión igual al peso de la columna de perforación. Y además, debe transmitir el impulso rotatorio y la fuerza a la barrena.

Los manguitos son los elementos más críticos de la barra, porque soportan el peso de toda la parte inferior de la barra adyacente, así como la carga de las vibraciones dinámicas y el movimiento rotatorio transmitido por el motor.

A los manguitos, como elementos estructurales de la columna de perforación, se les exigen los siguientes requisitos:

• deben garantizar la estanqueidad de la unión de las barras y soportar una presión de fluido de hasta 100 atmósferas (para limpiar el fondo del pozo con un chorro a presión);
• deben ser resistentes al desgaste, para no deteriorarse por la fricción contra las paredes del pozo;
• deben tener la capacidad de transmitir el par de giro desde la parte superior de la columna de trabajo a la inferior y, en última instancia, a la barrena.

Es extremadamente importante que los manguitos tengan la calidad de fabricación adecuada. Si al menos uno de ellos no soporta la carga y la columna de trabajo se rompe, será extremadamente difícil recuperar su parte inferior junto con la barrena. En términos de costos de capital, a veces es más fácil perforar un nuevo pozo cerca que recuperar la barra guía desprendida.

Uso del agua durante la perforación

El líquido que se suministra al fondo del pozo suele ser agua corriente. A veces, para estabilizar el tronco que atraviesa rocas sueltas no consolidadas (arenas, gravas, depósitos de guijarros y cantos rodados), se introduce en el pozo una solución con aditivos de perforación. Es necesario porque no se coloca revestimiento en las primeras etapas de la perforación.

El agua entra en la excavación ya sea bajo presión dentro de la barra de transmisión (y entonces la extracción se produce a través del espacio anular), o por gravedad hacia abajo a través del espacio anular, y la eliminación se produce a través de la columna de trabajo mediante una bomba de extracción.

Estas son dos tecnologías diferentes de perforación rotativa, cuyas características se analizarán a continuación.

La perforación rotativa se caracteriza por la mayor velocidad de desarrollo de un pozo de captación de agua. Simultáneamente con la perforación, se realiza el lavado del tronco y la preparación de la excavación para su futura operación.

Sin embargo, independientemente del método que se utilice, el fluido empleado en la perforación siempre necesita ser limpiado (para su uso posterior).

Para ello se utiliza el siguiente conjunto de equipos:

• Depósito para almacenar lodo de perforación. (Si se planea perforar un pozo poco profundo – dentro de unas pocas decenas de metros, se puede construir directamente en el suelo, y se utiliza agua corriente como fluido de lavado). El depósito actúa como acumulador del fluido de lavado.
• Tamiz vibratorio. La solución de lavado que se eleva desde el pozo contiene partículas de roca triturada que deben eliminarse. La forma más eficaz es la mecánica, utilizando un tamiz vibratorio.
• Decantador. Después de eliminar las partículas grandes de roca, el fluido entra en el decantador para eliminar las partículas en suspensión que precipitan. Cuando se utiliza agua como fluido de lavado, a veces también se construye el decantador directamente en el suelo. Además, para separar sustancias líquidas y separar el sedimento se utiliza un hidrociclón.
• Bomba de perforación. Es la que asegura la circulación de la solución de lavado.
• Sistema de canales. Son necesarios para el movimiento del agua desde el punto de formación de la excavación hasta el lugar de su limpieza.

En total, para el desarrollo de un pozo mediante tecnología rotativa se necesitan los siguientes mecanismos y equipos:

1. Torre o consola para ensamblar la columna de perforación a partir de varillas y desmontarla al finalizar la perforación, así como un sistema de poleas.
2. Motor que proporciona la rotación del rotor.
3. Equipo para fluido. Mecanismos y dispositivos para asegurar la circulación del fluido de lavado y su limpieza (bomba; criba vibratoria; tanques de sedimentación y/o hidrociclón; depósito para almacenar el fluido de lavado; sistema de tuberías y canales).

Para la perforación rotativa de pozos poco profundos, todo el conjunto de equipos mencionado es muy compacto (por ejemplo, la pluma de la consola es plegable). Esto garantiza la facilidad de colocación del equipo de perforación en cualquier lugar conveniente para la realización de trabajos de perforación y posterior operación.

Dos variantes de la perforación rotatoria

Según el método de suministro del fluido de lavado al fondo del pozo, se distinguen 2 tipos de tecnología de perforación rotativa:

1. con suministro directo;
2. con suministro inverso.

Cabe señalar que el líquido suministrado al fondo del pozo no solo está destinado a lavar y extraer la roca triturada. También enfría la broca, que se calienta mucho por la fricción. En el caso del suministro directo de líquido, la bomba crea una presión excesiva del mismo.

El agua ingresa al fondo del pozo a través de los orificios tecnológicos existentes en la broca, «recoge» la roca triturada y luego, por gravedad, a lo largo del pozo (es decir, a través del espacio anular con respecto a la barra de perforación) llega a la superficie, donde pasa al complejo de limpieza (criba vibratoria, hidrociclón).

El lavado puede ser directo o inverso, de lo cual dependerán las características de calidad del equipo utilizado, pero el esquema fundamental es válido para ambas variantes de la tecnología

La tecnología de suministro inverso implica que el fluido de lavado llega al fondo del pozo por gravedad, descendiendo a través del pozo, mientras que de regreso a la superficie, la solución con material triturado ingresa a través del tubo de la varilla guía. La bomba de perforación en este caso crea una presión negativa precisamente en ella.

A pesar de la aparente simplicidad de ambas tecnologías, hay muchos más matices de los que podría parecer a primera vista. Por lo tanto, parece conveniente detenerse en cada una de las tecnologías de perforación mencionadas con más detalle.

Perforación con suministro directo de fluido de lavado

A esta tecnología a veces se le llama «flujo directo de agua». Es conveniente utilizarla en suelos arenosos, de grava o de pedregales. También se aplica si la profundidad del acuífero no supera los 30 m. Es aquí donde se añaden al líquido aditivos que aumentan su densidad y estabilidad del pozo.

La perforación rotatoria se caracteriza por la reducción gradual del diámetro del pozo que se realiza. En otras palabras, primero se perfora un pozo del diámetro más grande, luego se entuba con tubería, y el espacio anular entre la superficie exterior de la tubería y la pared del pozo se llena con lechada de cemento a través de los orificios tecnológicos.

A continuación, la perforación continúa con una broca de menor tamaño. Luego, nuevamente se entuba, y el nuevo tramo tiene un diámetro aún menor, etc. Cuanto menos sea necesario «distraerse» con la cementación del pozo, mayor será el rendimiento de la perforación, lo que finalmente se refleja en el costo total del proceso y del pozo en su conjunto.

Además, un entubado demasiado frecuente conduce finalmente a que el diámetro efectivo del pozo (aquel diámetro que realmente descubre el acuífero) se reduzca considerablemente. Así pues, la «circulación directa» se caracteriza por que, con este método de formación, el pozo no necesita ser entubado hasta los 100 metros.

La presión principal del fluido de lavado es generada por la bomba dentro de la barra de perforación, y el espacio anular es llenado por gravedad por el líquido con elementos de roca triturada, sin destruir las paredes del pozo con presión excesiva.

Esquema de perforación con circulación directa del fluido de lavado. Su inyección al fondo del pozo se realiza a través del tubo de la barra de perforación, y asciende a la superficie por gravedad.

Sin embargo, este método de perforación también tiene desventajas. En particular, un tramo sin entubar demasiado largo hace que partículas finas de arcilla entren en los acuíferos, lo que puede reducir y ralentizar significativamente el flujo de agua hacia la obra desde el estrato acuífero.

Estas partículas actúan como tapones de poros y microcanales en la roca, a través de los cuales se filtra el agua. Por lo tanto, el procedimiento de entubado realizado durante la perforación es necesario para mantener la productividad futura del pozo en su conjunto.

Perforación con suministro inverso de fluido de lavado

Con este método de control de la inyección del fluido, el pozo y el fondo se limpian de manera óptima. La bomba aquí no empuja el fluido hacia el fondo, sino que lo succiona de vuelta, lo que provoca que la velocidad de perforación con la broca aumente en un orden de magnitud y varias veces más en comparación con la circulación directa.

El pozo en sí no se contamina con inclusiones arcillosas arrastradas por el fluido de lavado. Ya que la bomba succiona hacia arriba todo lo que pueda contener. Por cierto, aquí ya no tiene sentido práctico usar aditivos adicionales, por lo que como fluido de lavado se utiliza agua pura.

Esquema de circulación inversa en perforación rotatoria. La inyección se realiza por gravedad a través del espacio anular, y el lodo es succionado de regreso por la bomba a través del tubo de la barra de perforación.

En resumen, resumamos las ventajas de la perforación con circulación inversa:

• la velocidad de perforación aumenta (en comparación con la circulación directa) hasta 15 veces;
• el acuífero no se contamina con partículas de arcilla y granos de arena limosa de los niveles inferiores, aún sin entubar del pozo;
• gracias a la apertura de calidad del acuífero, no es necesario preparar adicionalmente el pozo para su operación; se puede instalar directamente la columna de revestimiento interna con filtro y poner en marcha el bombeo con la bomba;
• como fluido de trabajo se utiliza agua simple (es decir, también barata).

Sin embargo, este método también tiene un inconveniente significativo. Requiere el uso de equipos costosos, lo que finalmente conduce a un aumento considerable del costo de todo el proceso de perforación en general.

Por lo tanto, la perforación con «flujo inverso de agua» se realiza solo en los casos en que el pozo está diseñado para ser explotado por varios hogares a la vez. Pero en el caso de que el pozo esté diseñado para uso individual, entonces es mucho más razonable utilizar la tecnología de perforación rotatoria con flujo directo de agua.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Video #1. Demostración visual del proceso de perforación rotatoria paso a paso:

Video #2. Análisis de la tecnología rotatoria y principios de la instalación del pozo:

Video #3. Circulación de agua durante la perforación rotatoria:

La situación respecto a la presencia y profundidad de los acuíferos puede variar mucho de un lugar a otro (y en algunos lugares ni siquiera existen, como en la isla de Madeira).

Al diseñar el pozo y seleccionar el método óptimo de perforación rotatoria, se deben utilizar los mapas disponibles de los acuíferos explorados. Esto le ayudará a ahorrar importantes recursos y tiempo.

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