Métodos de perforación

Perforación a rotación

Los sistemas de perforación a rotación (Rotary Drilling, en inglés) se caracterizan, porque la extracción se realizada únicamente por la rotación del elemento de corte, sobre la que se ejerce un empuje desde el extremo del varillaje, con ausencia del elemento de percusión.

Por este motivo, este sistema es usado principalmente en formaciones rocosas blandas, que son perforadas a través del corte por cizalladura. La perforación rotativa es la más rápida, más barata y más sencilla de los métodos de exploración minera. Se obtiene un rendimiento óptimo en formaciones sedimentarias, llegando incluso a la centena de metros por turno.

La rotación se genera por medio de un conjunto de motores y engranajes, llamado “cabeza de rotación” que además mueve hacia arriba o hacia abajo la sarta de excavación para proporcionar el empuje requerido sobre la boca de perforación.

Aunque algunas perforadoras rotativas vienen montadas sobre neumáticos en camiones para obras civiles o canteras, generalmente las mineras son ajustadas sobre chasis con orugas planas, dependiendo del uso y terrenos a los que se les vaya a destinar.

Las máquinas rotativas se componen de un cuerpo estructural, que consiste en: convertidor de corriente alterna a continua, generador, motor principal, compresor, motor hidráulico, motor del cabezal, motor de propulsión, equipo de empuje e izado y gatos niveladores.

En general, “las dos principales variantes del sistema de rotación son la rotación con circulación directa y la rotación con circulación inversa, dependiendo del sentido de circulación del fluido de perforación”, cuenta el experto. No obstante, ya los modernos equipos de perforación a rotación suelen estar preparados para trabajar en varios sistemas (circulación directa o inversa, rotopercusión, rotación con aire), pudiendo de este modo adaptarse a las condiciones específicas de cada perforación.

En sondeos menos profundos, el efecto de circulación inversa se puede provocar por aspiración, generalmente mediante bombas centrífugas, aunque en la práctica, su eficacia se ve limitada a unos seis metros. El efecto de “aspiración” se puede lograr de varios sistemas: utilizando un varillaje de doble pared o con conductos laterales, de forma que puede inyectarse aire a presión mediante un compresor. A una profundidad determinada se introduce el aire, mediante un sistema de válvulas, al interior del varillaje, que está relleno de agua o lodo. La inyección del lodo provoca un “aligeramiento” en la columna de lodo del interior del varillaje con respecto a la columna del anular, con la consiguiente diferencia de presión que induce un efecto de “aspiración”. De este modo el lodo asciende por el interior del varillaje, arrastrando el detritus de perforación hasta el exterior.

Perforación con martillo

El método de perforación con martillo en cabeza (en inglés Top Hammer Drilling) es aquel en la que el martillo de perforación genera la percusión, que está situado en el extremo de la sarta, ubicado sobre la deslizadera de la columna. Por lo tanto, la energía de impacto se transmite desde el martillo hasta la boca de excavación a través de toda la sarta de varillaje en forma de ondas de choque.

Este método es rápido para la excavación en roca en buenas condiciones. Tiene como inconveniente que la sarta que sufre la percusión del martillo y además en la perforación de pozos largos pueden surgir grandes desviaciones en la extracción.

Por otro lado, existe la  perforación con martillo en fondo (Down the Hole Drilling, DTH), el cual proporciona la percusión que está situado en el interior del pozo, estando en contacto directo con la boca de este proceso. De este modo el pistón del martillo transmite la energía al elemento de corte. Así, las pérdidas de energía son insignificantes a medida que se aumenta la longitud de excavación.

“Este es el método más empleado para la excavación de pozos largos, ya que se reducen las desviaciones en estos casos y se reduce también el desgaste de la sarta de perforación”, señala el ejecutivo.

Las barras de este tipo de perforación, son tubos de sección circular con diámetro de 63,5 a 102 mm (2½” a 4”) para bocas o elementos cortantes entre 76,2 a 152,4 mm (3 a 6”) Se caracterizan por conseguir una velocidad de penetración más constante que el martillo en cabeza.

Perforación a rotación con recuperación de testigo

En todo proceso de exploración existe un punto en el que después del estudio realizado con métodos indirectos de prospección es necesaria la verificación de éstos mediante la toma de muestras de roca en profundidad. Esta toma de muestras se realiza por medio de los sistemas de perforación con recuperación de testigo.  Según Dagnino, “los testigos son las muestras del macizo rocoso que nos van a permitir un análisis directo de los diferentes materiales que atraviesa, así como la presencia de mineralizaciones, para estudiar su potencial explotación”.

Asimismo, la perforación a rotación con recuperación de testigo se basa en que un elemento de corte de forma anular, con diamantes industriales incrustados colocado en el extremo de una sarta de perforación, “corta” la roca obteniendo un cilindro de roca que se aloja en el interior de la sarta, a medida que el elemento de corte avanza. El elemento de corte se denomina corona de diamante.

En la extracción con diamante el agua es el fluido de excavación más usual, aunque el aire es usado en algunas ocasiones con éxito. En ocasiones también se usa una mezcla de agua y lodo. El agua se bombeada por el interior de la sarta hasta alcanzar la corona de diamante, saliendo por el espacio anular entre la sarta de perforación y la roca. En la superficie, el agua de retorno suele ser recogido en un tanque donde se decanta el contenido de finos en suspensión procedentes del detritus de perforación. Una vez decantado, el agua puede ser recirculada de nuevo.

El testigo recuperado se aloja en los denominados tubos sacatestigos (o portatestigos), que permiten su desmontaje en el exterior para una mejor maniobrabilidad del mismo. Para la extracción de los núcleos de roca se han desarrollado tubos sacatestigos de diferentes características que han permitido mejorar la recuperación en terrenos difíciles.

El testigo entra en el tubo interior (portatestigo), situado dentro del tubo de sarta inmediatamente detrás de la corona de perforación. Se evita que el testigo caiga de nuevo en el pozo por medio de un casquillo en forma de cuña montado en la base de la sarta, llamado muelle rompetestigo o portatestigo. La longitud de las barras es normalmente de hasta 6 metros de longitud, dependiendo del tamaño del equipo de perforación.

La perforación con corona de diamante permite realizar estudios geológicos e incluso se pueden obtener gran volumen de muestra para evaluaciones geoquímicas. El testigo puede ser orientado permitiendo la medida de las estructuras geológicas, reproduciendo la posición del testigo en el macizo rocoso.

Los tamaños de testigo estándar van desde 27 mm a 85 mm de diámetro. Los diámetros de testigo usados normalmente con el sistema wireline son: AQ (27 mm), BQ (36,5 mm), NQ (47,6 mm), HQ (63,5 mm) y PQ (85 mm).

Perforación a rotopercusión

El sistema de extracción a rotopercusión se basa en que la excavación se logra a través de la combinación de aplicar a la sarta de perforación un empuje y una rotación, junto con una percusión, logrando así una mejor fragmentación de la roca.

Esta técnica es aplicable en investigaciones en las que los cuerpos mineralizados están próximos a la superficie o en ciertas zonas donde exista un recubrimiento difícil para cualquiera de otros métodos de excavación (con diamante o a rotación) y sea necesario atravesar esa formación para después proseguir con otro de los métodos (recuperación de testigo o perforación con tricono). “Este sistema tiene el inconveniente de que no se puede extraer testigo continuo”, explica Dagnino.

En sondeos superficiales los métodos de excavación pueden ser con martillo en cabeza o bien martillo en fondo. A partir de 20-30m es habitual el uso de martillo en fondo. En ambos casos el detritus se tiene que recoger en ciclones y captadores de polvo, introduciéndolos en bolsas de plástico para su posterior análisis. Los equipos de perforación son los diseñados para la perforación de pozos de voladura, con chasis adaptados a cada caso.