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8.5. PERFORACIN A ROTACIN CON CIRCULACIN DIRECTA Perforacin a rotacin con circulacin directa (Rotary convencional) 1. Conjunto de elementos que componen el tren de sondeos: - Torre, mstil - Poleas fijas - Polea mvil - Mesa de rotacin con transmisin mecnica o hidrulica - Cabezal de rotacin con transmisin por motor y bomba hidrulicos (en equipos

modernos y de baja a media capacidad, substituye a la mesa de rotacin) - Cabeza de inyeccin (en equipos modernos y de baja a media capacidad, forma un

solo cuerpo con el cabezal de rotacin) - Bomba de lodos de pistn (de doble cuerpo, generalmente), accionada por motor

Diesel independiente. - Cabrestantes para el alojamiento y maniobra de los respectivos cables - Sistemas de transmisin de potencia y accionamiento del equipo - Accesorios (gatos mecnicos/hidrulicos, llaves para las maniobras, poleas

auxiliares, equipo de soldadura electrgena, etc.) 2. Conjunto de elementos que componen el equipamiento de perforacin (Figuras

8.51, 2 y 3): - Sarta de perforacin: a) Tricono b) Lastrabarrenas c) Varillaje d) Varilla o barra de rotacin (de seccin generalmente cuadrada o hexagonal),

KELLY. - Herramientas auxiliares (de perforacin y entubacin): a) Ensanchadores b) Lastrabarrenas c) Varillaje d) Estabilizadores

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- Cables: a) de maniobra (perforacin, entubacin, etc.) b) auxiliares (carga de varillaje, etc.) - Herramientas de pesca ms usuales: a) Campanas b) Machos c) Garras d) Golpeadores e) Fresadoras f) Imanes g) Tubos de lavado 3. Parmetros de perforacin (avance o eficiencia): - Resistencia mecnica de la roca (perforabilidad) - Tipo de dimetro y herramienta - Peso sobre la herramienta - Velocidad de rotacin - Tipo y caractersticas reolgicas de los lodos de perforacin - Hidrulica de la perforacin (velocidad ascensional del lodo) 4. Operaciones de perforacin y terminacin del pozo: - Perforacin: a) Avance o penetracin con la sarta de perforacin b) Preparacin y mantenimiento de los lodos (bsicamente: agua + bentonita sdica +

diversos aditivos) c) Inyeccin de los lodos y recuperacin de los mismos junto con el ripio o detritus

(cuttings) de la perforacin. d) Controles (avance, circulacin de lodos, velocidad de rotacin, peso sobre la

herramienta, control de la calidad de los lodos, desgaste de la herramienta, desviacin del pozo, cambios de terreno, etc.)

e) Colocacin de posibles entubaciones provisionales, con o sin cementacin f) Entubacin: g) Composicin de la sarta (longitudes y dimetros)

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h) Soldadura o roscado de la sarta i) Descenso y colocacin en el pozo j) Uso de elementos accesorios (centradores, piezmetros, etc.) k) Extraccin de posibles entubaciones provisionales l) Operaciones de perforacin o rajado in situ del entubado (opcionales) - Colocacin de rejillas: a) Simultanea a la entubacin o posterior a la misma (telescpicas) b) Extraccin del tramo de entubacin frente al acufero (en caso de rejillas

telescpicas) c) Sellado de la rejilla a la entubacin (dem) - Engravillado: a) Colocacin del macizo de gravas filtrante o estabilizador de la formacin, con o sin

descenso y extraccin simultneos de entubaciones provisionales b) Colocacin de una o ms capas de un empaque de gravas, con descenso y

extraccin simultneos de una o ms entubaciones provisionales - Terminacin del pozo: a) Cementacin b) Operaciones de limpieza del lodo con agua (jet) y aditivos (floculantes) c) Desarrollo por pistoeno, aire comprimido, sobrebombeo, etc. d) Acidificacin e) Otras especficas de cada caso Variables que afectan a la perforacin por el procedimiento ROTARY 1. Alterables Propiedades de los fluidos de perforacin (lodos): - tipo - contenido en slidos - viscosidad - yield point - filtrado (cake)

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- densidad - mojabilidad Factores hidrulicos: - presin de inyeccin - velocidad del chorro (jet) en el tricono - velocidad de circulacin - velocidad en el anular - prdidas de carga por rozamiento - prdidas de circulacin o ganancias de volumen de lodos Factores mecnicos: - tipo de herramienta (triconos) - peso sobre la herramienta - velocidad de rotacin - estado (desgaste lateral y de los dientes, centrado, juego de las pias y

rodamientos, etc.) 2. Inalterables Meteorologa Emplazamiento Operatividad del equipo: - estado de revisin - dimensionado fsico proporcional al esfuerzo requerido - facilidad de operacin - adaptabilidad al tipo de trabajo Presencia de gases corrosivos Temperatura del fondo del pozo Propiedades de las rocas: - dureza, compacidad, consolidacin - abrasividad - perforabilidad - estado fsico (textura, estructura) - porosidad

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- estado fsico (textura, estructura) - porosidad - permeabilidad - saturacin, contenido en fluidos - presin intersticial - presin de confinamiento - presin sobre la pared del pozo - temperatura - relacin tensin/compresin - tendencia al hinchamiento o al apelmazamiento Problemas caractersticos del pozo Disponibilidades de agua Formaciones a perforar Eficiencia del personal: - competencia - turnos de trabajo - factores psicolgicos Profundidad

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Acoplamiento

Varillas

Tricono

Lastrabarrenas

Acoplamiento

Acoplamiento

Acoplamiento

Mesa de rotacin

Varilla de arrastre (Kelly)

Giratoria de inyeccin

Figura 8.5.1. Esquema de mquina de perforacin a rotacin con circulacin directa (Rotary).

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Sonda Craelius de investigacin minera, con avance manual, montada sobre chasis.

Sonda ligera con transmisin hidrulica

montada sobre remolque.

Sonda con avance hidrulico para la perforacin en todas direcciones, montada sobre remolque.

Sonda autopropulsada con bomba de lodos incorporada.

Figura 8.5.2. Diferentes modelos de trenes de sondeo o equipos de perforacin a rotacin con circulacin directa (Rotary convencional).

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Cuas de retencin de varillaje

Tricono Trialeta

Lastrabarena (Drill collar)

Manguito doble hembra (box)

Manguito macho-hembra (pin to box)

Manguito doble macho (pin)

Llave de maniobra para varillaje (Rotary tong)

Varilla de perforacin (drill pipe)

Mesa de rotacinManguito de rosca cnica para varillaje (tool joint)

Varilla de rotacin (Kelly)

Cabeza de inyeccin

Elevador

Cabeza de inyeccin

Figura 8.5.3. Elementos que componen una columna o sarta de perforacin a rotacin con circulacin directa (Rotary convencional).

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Elementos que componen el equipo de perforacin Actualmente se disean equipos compatibles con varios mtodos de perforacin (rotacin directa o inversa y rotopercusin). El mstil, por ejemplo, tenia hasta hace unas dcadas una base amplia en los equipos para perforacin a rotacin, posteriormente se ha ido simplificando su estructura hasta quedar prcticamente reducido a un vstago de hierro al que se aaden todos los dispositivos necesarios, y la base se ha reducido. No presenta problemas en su transporte ya que abatido no suele superar la longitud del camin. Para levantarlo se utilizan gatos hidrulicos. El lodo de perforacin (natural o con aditivos), se inyecta en el interior de un varillaje hasta llegar al fondo de la sarta, de donde sale por orificios a travs de la herramienta de perforacin; luego asciende hasta la superficie por el espacio anular que queda entre las varillas y el terreno perforado. En la superficie el lodo se conduce por gravedad hasta unas balsas donde es aspirado y vuelto a inyectar, cerrando el circuito de circulacin. Los dimetros de perforacin (suelen expresarse en pulgadas) oscilan generalmente entre 4 hasta 8. Se puede trabajar a dimetros mayores, de hasta 17, pero no es corriente que los varillajes tengan ms de 5 de dimetro, por lo que a medida que aumenta de dimetro de perforacin crece espacio anular entre ambos, esto disminuye la energa ascensional del lodo y dificulta la evacuacin de los detritus hasta la superficie. Cuando se precisan dimetros de pozo grandes se perfora a un dimetro pequeo y despus se ensancha mediante ensanchadores que se colocan encima del tricono (Figura 8.5.4).

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Figura 8.5.4. Ensanchador. La mesa de rotacin, donde por medios mecnicos se transmita el movimiento de rotacin a la sarta, se ha ido sustituyendo por un sistema hidrulico de motores y bombas que desde la cabeza de inyeccin del lodo transmiten el movimiento de rotacin a la sarta. Entre la cabeza de inyeccin y el varillaje se encuentra una varilla fija que no sigue el movimiento del resto de la sarta; esta varilla puede tener diferentes secciones (cuadrada, hexagonal...) y se la denomina Kelly. Despus de una serie de manguitos y roscas hay un varillaje de diferentes dimetros, siempre de seccin gruesa y hueco para que circule por dentro el lodo de perforacin; su funcin es dar peso sobre la herramienta, se le denomina lastrabarrenas e inmediatamente debajo de l se encuentran los triconos. Existen varios tipos de herramientas de perforacin pero los triconos son la ms usadas. Para terrenos muy blandos y perforaciones de poca profundidad se utilizan otro las colas de pez, de dos, tres cuatro aletas, que son fijas, a diferencia de los triconos que tienen elementos mviles que giran sobre sus propios ejes. Sobre el tricono pueden colocarse estabilizadores para mantener la verticalidad de la perforacin o corregir las desviaciones. Las bombas utilizadas para la circulacin de lodos son de pistn, generalmente de doble efecto (Figura 8.5.5).

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Los compresores suelen ir a parte para no sobrecargar la mquina.

Figura 8.5.5. Bomba de pistn de doble efecto.

Triconos Un tricono est formado por tres piezas cnicas que giran cada una sobre un eje, una serie de cojinetes permiten el movimiento de la pieza exterior (Figuras 8.5.6 y 7). La pieza exterior est provista en algunos casos de dientes y en otros de botones. En algunos casos estn diseados para perforar con aire.

(a) (b)

Figura 8.5.6. (a) Corte de un tricono (Aero-jet) para aire. (b) Vista inferior de un tricono.

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Tapn de la cazoleta de grasa

Rosca del tapn de engrase

Conducto de engrase

Tapn del conducto de engrase

Cazoleta degrasa

Rodamiento

Cuerpo del tricono

Cojinete esfrico

Dientes del tricono

Figura 8.5.7. Seccin y diferentes elementos de un cono. El lodo que es inyectado por el interior de la herramienta puede salir por dos vas: por el interior de los conos o por el exterior de stos mediante unos orificios calibrados (Figura 8.5.8). En funcin de la presin que se da al lodo en superficie se calcula el caudal y la velocidad de salida del lodo. El fluido golpea directamente sobre la roca a perforar.

(a) (b) Figura 8.5.8. Salida del lodo de perforacin: (a) chorro central (tricono regular, (b) chorro lateral con

orificios paralelos.

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Los dientes son de aleaciones de acero de gran dureza, estn colocados de manera alternativa en cada cono (Figura 8.5.9), se utilizan en terrenos de poca dureza y poca abrasividad, (terrenos con bajo contenido en cuarzo). Cuando el terreno es blando se utilizan conos con pocos dientes pero largos, cuando es ms duro el nmero de dientes es mayor y su longitud menor.

Figura 8.5.9. Direcciones de ataque de los dientes.

Para terrenos con ms contenido en slice, ms abrasivos y duros, se utilizan botones de widia (carburo de tunsgteno) (Figura 8.5.10), muy duros (frgiles al golpeo pero muy resistentes frente la abrasividad), con lo que se consiguen avances de varios metros por hora. Los botones no cambian mucho en su diseo, aunque son ms altos y afacetados para terrenos menos abrasivos. Las paredes laterales del tricono sufren un desgaste mayor al del resto de la pieza por lo que recargarlos peridicamente con soldadura, de lo contrario pozo tendra una seccin cada vez ms pequea.

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Figura 8.5.10. Ataque de los botones o insertos de widia.

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Parmetros utilizados para el control del desgaste de los triconos:

Grado de desgaste de los dientes

Cdigos de las condiciones de desgaste de los triconos:

Desgaste de los dientes Desgaste de los rodamientos

Desgaste por prdida de dimetro

Grado Altura que falta Grado Desgaste Grado (pulgadas) Desgaste en mm Nuevo Nada B1 1/8 I Sin prdida

T1 1/8 B2 O 1/64 0,4 T2 B3 3/8 O 1/32 0,79 T3 3/8 B4 O 3/64 1,19 T4 B5 5/8 O 1/16 1,59 T5 5/8 B6 O 5/64 1,98 T6 B7 7/8 O 3/32 2,38 T7 7/8 B8 Total* O 7/64 2,78 T8 Todo O 1/8 3,17

O 3/16 4,76 O 1/4 6,35

BT = diente *Rodamientos agarrotados o perdidos

8.5. PERFORACIN A ROTACIN CON CIRCULACIN DIRFigura 8.5.3. Elementos que componen una columna Elementos que componen el equipo de perforacin