Curso Teoria Perforacion Atlas Copco

Atlas Copco Rock Drilling Tools

Geologa / Teora Perforacin

Francisco Badilla

P-CA


Geologa

Minerales y rocas

La corteza de la tierra consiste en una variedad de rocas, formada bajo diferentes

circunstancias. Las rocas estn compuestas por uno o ms minerales.

Un mineral es una substancia formada por naturaleza. Un mineral puede ser un

elemento o puede consistir en compuestos qumicos que contienen varios

elementos. Hay ms bien, ms de 3,000 diferentes minerales.

De los 103 elementos conocidos, oxgeno es lejos el ms comn abarcando

aproximadamente el 50 % de la corteza de la tierra. Silicona aproximadamente el 25

%, aluminio, hierro, calcio, sodio, potasio, magnesio y el titanio, junto con oxgeno,

abarcan sobre 99 %. Silicona, aluminio y oxgeno estn comnmente en los

minerales de cuarzo, feldospato y mica. Ellos forman el grupo grande conocido como

silicatos, un silicato es un compuesto formado por cido de silicio y otros elementos.

Tambin incluido es anfbol y piroxeno que contienen aluminio, potasio e hierro.

Algunas de las rocas comunes de la tierra, granito y gneis, son compuesto de

silicatos.


Geologa

Diagrama muestra sucesos de

minerales en la corteza de la tierra

1 Dispersin-Calcita 2 Cuerpos mineralizados Pirita Calcopirita 3 Bauxita y otros esquistos

4 Carbonfera Cuarzo 5 Cuerpos mineralizados Azurita Cuprita 6 Sedimentos Oro plata diamante

7 Roca volcnica mica magnetita 8 metamrfica carbonifera cuarzo 9 metamrfica calcrea

Calcita dolomita 10 Zona de contacto slfuros


Geologa

Caractersticas de los minerales

Algunas de las caractersticas de los minerales son:

Dureza Densidad Color Rayado

Brillo Fracturacin Hendidura

Cristales

La dureza se mide en grados de acuerdo a la escala de Mohs, que va de 1 a 10

1. Talco

2. Yeso

3. Calcita

4. Fluorita

5. Apatito

6. Ortoclasa

7. Cuarzo

8. Topacio

9. Corindn

10. Diamante


Geologa

Propiedades de la roca Para poder prever el resultado de la perforacin con respeto a la proporcin de

penetracin, calidad del agujero, taladro-acero, costos, etc., nosotros debemos

poder hacer una apreciacin correcta de la roca involucrada. As para que nosotros

podamos distinguir entre propiedades microscpicos y macroscpicas.

Una piedra est compuesta de granos de varios minerales y entre las propiedades

microscpicas la composicin del mineral, tamao de grano, la forma y distribucin

de los granos. Tomado juntos estos factores deciden las propiedades importantes

de la piedra, como dureza, abrasividad, resistencia a la compresin y densidad.

stas propiedades, en su globalidad, determinan la tasa de penetracin y cmo eso

puede lograrse y cual ser la herramienta de uso.

La perforabilidad de una piedra depende en adelante, entre otras cosas, de la

dureza de sus minerales constitutivos y del tamao de grano y la forma del cristal.

Cuarzo es uno los minerales comunes en rocas. Debido a que el cuarzo es material

muy duro, un volumen de cuarzo alto (SiO2) hacen la roca muy difcil de taladrar y

causa mucho trabajo y desgaste al acero de perforacin, nosotros decimos que la

roca es abrasiva. Recprocamente, una roca con un volumen alto de calcita es fcil

taladrar y causa bajo trabajo y desgaste al acero de perforacin


Geologa

Propiedades de la roca

Las rocas son clasificadas en tres grupos principales relativos a la base de su origen

y la manera en que ellos se formaron:

1. las rocas gneas o magmticas (formado a partir de la solidificacin de la lava o

magma).

2. las rocas sedimentarias (formado por deposicin de material roto o por

precipitacin qumica).

3. las rocas metamrficas (formado por la transformacin de rocas gneas o

sedimentarias, en la mayora de los casos por un aumento en presin y calor).


Geologa


Roca gnea Se forman rocas gneas cuando un magma solidifica profundamente bajo en la

corteza terrestre (roca plutnica), o cuando sube hacia la superficie (fallas en roca)

o en la superficie (roca volcnica). El componente (minerales) ms importante es el

cuarzo y silicatos de varias composiciones, principalmente el feldospasto de roca

plutnica, solidifica despacio y se forma por consiguiente grano tosco, mientras las

rocas volcnicas solidifican rpidamente y se vuelven en grano fino

Roca gnea

Cobre nativo

en basalto

Pagmatita


Geologa


Rocas sedimentarias Las rocas sedimentarias son formadas por la deposicin de material por accin

mecnica o qumica y una consolidacin de este material bajo la presin de capas.

Frecuentemente ocurre que la formacin de la roca est rota por la accin mecnica

(curando), llevando y depositado en ella agua. As la piedra original determina las

caractersticas de la roca sedimentaria. El desgaste o corrosin pueden proceder a

diferentes proporciones que dependen en parte de clima y en parte en cmo

fcilmente la roca se separa.

Roca

Sedimentaria

Hematita

Dolomita


Geologa


Rocas metamrficas Los efectos de accin qumica o la presin y/o la temperatura en una formacin de

roca puede algunas veces producir una transformacin llamada metamrfosis. Por

ej., presin y temperatura podran aumentar bajo la influencia del brote de magma, o

porque la formacin ha hundido ms profundamente en la corteza de la tierra. Esto

resulta en la re cristalizacin de los granos minerales o la formacin de nuevos

minerales. Una caracterstica de las rocas metamrficas son que ellas se forman sin

una completa fundicin. Ellas son tambin frecuentemente muy duros y tienen un

polvo fino y compacto, y es por consiguiente a menudo difcil de taladrar.

Roca

Metamrfica

Granito

Leptita


Geologa

Clasificacin de la roca

Se han hecho muchos esfuerzos por clasificar la roca en base a su perforabilidad, y

varios mtodos de medicin han evolucionado con el animo de desarrollar la forma

de predecir la productividad y la herramienta de perforacin, llevando a cabo

pruebas de laboratorio antes de iniciar un trabajo de perforacin de roca.

El trmino perforabilidad se usa aqu para significar principalmente la proporcin a la que la herramienta penetra en la roca, pero en el sentido ms amplio se extiende

al resultar calidad del agujero, rectitud del agujero, el riesgo de herramienta se

bloquee etc. el uso de la Herramienta es a menudo proporcional a perforabilidad,

aunque tambin depende de cuanto abrasiva sea la roca.


Geologa

Clasificacin de la roca


Teora Perforacin

La energa requerida para romper la roca se genera por una perforadora neumtica

o hidrulica. Mquinas de esta clase de construccin donde una alta presin se

descarga sobre el pistn delantero. El pistn golpea al adaptador de culata. La

energa cintica del pistn se convierte en una onda de tensin que viaja a lo largo

del taladro hasta a la roca.

Para obtener el mejor posible economa del sistema de perforacin, es decir,

perforadora-acero-roca, se debe armonizar. En adelante damos una descripcin

terica cmo esto es posible de ser logrado en la perforacin de roca.


Teora Perforacin

Forma de la onda y potencia

Tericamente, la onda tiene una forma rectangular. Su longitud es dos veces la del

pistn, mientras su altura depende de la velocidad del pistn al momento del

impacto y la relacin entre el rea del pistn y del acero de perforacin. La energa

total que la onda contiene se indica diagramaticalmente por el campo gris en figura

para calcular la potencia de salida de una perforadora nosotros multiplicamos la

energa de la onda por la frecuencia de impacto del pistn, y normalmente se

declara en kW. Desarrollar perforadoras con caractersticas especiales requiere se

combine varias variables, como la geometra del pistn, la proporcin de impacto y

la frecuencia. Dos mquinas con las mismas tasas de potencia nominales podran

comportarse por consiguiente bastante diferentemente.


Teora Perforacin


Las formas de onda que se generan en perforadora hidrulica (Fig. 3) y neumtica

(Fig. 4) son diferentes en forma. Un acero usado con mquinas hidrulicas

normalmente muestra una vida de servicio substancialmente ms larga que uno

usado con mquinas neumticas, la razn, es que el nivel de tensin es ms alto

con un pistn neumtico.

Esto es debido a que el pistn neumtico tiene una seccin ms grande y necesita

una presin del funcionamiento substancialmente ms baja 6-8 bar, para que el

taladro neumtico opere, comparado con los 150-250 bar encontrados en sistemas

hidrulico. El pistn ms delgado dar tensin ms baja en el acero.


Teora Perforacin


La siguiente figura muestra tres pistones:

Pistn 1 es el de una perforadora neumtica que opera a una presin de 0.8 MPa

(8 bar).

Pistn 2, es de una perforadora hidrulica que opera a una presin de 12 MPa

(120 bar).

Pistn 3, es un pistn hidrulico operando a una presin de 20 MPa (200 bar).

Los pistones en este ejemplo son del mismo peso y velocidad de impacto, es decir

la velocidad a que el pistn golpea el adaptador, tambin es el mismo

(normalmente sobre 10 m/sec.).

Si nosotros calculamos la tensin en el acero del taladro producido por estos tres

pistones, vemos el diagrama de fondo, revela que la tensin ms baja (amplitud de

la onda de choque) se obtiene con el pistn delgado largo (No. 3).


Teora Perforacin



Teora Perforacin


Si nosotros medimos la tensin en el acero de los pistones 2 y 3 podemos ver en el

siguiente diagrama que la tensin en el acero es 250-300 MPa (25-30 kg/mm2) y

que la primera onda de choque tiene una longitud de aproximadamente 1,200 mm que es la velocidad del sonido en el acero, 5,200 m/sec., multiplicado por el tiempo

en milsimas de segundo, 0.23 msec.

5,200 x = 1.2 M = 1,200 mm

Cunta fuerza hace este producto para que el acero pueda transmitir para que el

bit perfore la roca?.

Una barra de perforacin con un dimetro de 38 mm tiene un rea de

aproximadamente 975 mm2 y con una tensin de 25 kg/mm2, la onda de choque

en el acero nos da una fuerza de 25 x 975 = 24,500 kg. o 24.5 toneladas.


Teora Perforacin



Teora Perforacin

Eficacia y prdidas

La onda pierde algo de su energa, 6 a10 % por cada acoplamiento en su tren a lo

largo del taladro. Esta prdida es debido en parte a la diferencia entre el rea de la

barra y camisa, en parte al hecho que las caras de la barra y copla nunca son de

perfecto ajuste entre ellas. El contacto ms pobre da mayor prdida de energa.

Cuando la onda de choque alcanza por ltimo el bit, su fuerza se descarga contra

la piedra. La eficiencia al momento nunca alcanza el 100 %. Algo de la energa es

reflejada y regresa en forma de pulso tensor. El contacto ms pobre entre el bit y la

roca dar menos eficiencia.


Teora Perforacin

Desarrollo de la Perforadora

El desarrollo de la perforadora ha sido muy rpido desde el descubrimiento del

principio hidrulico en los aos setenta, y no va a ser lento en el futuro. Hidrulica

hace posible estas cosas. Si nosotros estudiamos el funcionamiento de un barreno

de 25 metros, cuntas ondas de choque nosotros podemos calcular que atraviesan

este tren de barras por segundo. Si la onda de choque viaja de 5,200 m/sec.

Nosotros no queremos tener ms que una onda de choque a la vez en cualquier

momento lo que significa que el espacio entre las ondas de choque deben ser

mayores que la longitud del paquete de perforacin. Si pusiramos esta figura a 30 metros, significa que podemos tener una perforadora de percusin, eso en

teora golpear el acero 5,200/30 175 veces por seg. Una COP 1238 entrega 50 gpm., en teora pudiramos triplicar la frecuencia impacto sin aumentar la tensin

del acero. Podemos manejar esto aumentando el flujo de aceite y significa que

debemos aumentar la potencia de salida de motores y bombas. Aparte de esto no

hay diferencias en principio. No obstante, el tema no significa estar libre de

problemas como parece. Una muy rpida frecuencia de impacto acarrea otros

problemas


Teora Perforacin

Desarrollo de la Perforadora


Teora Perforacin

Presin de percusin

La presin de percusin que nosotros seleccionamos

nos da la energa de percusin. Una presin de

percusin ms alta ser la velocidad del pistn y en

consecuencia ms alta ser la energa. Si estamos

trabajando en una roca muy dura y el contacto bit-

roca es bueno, nosotros podemos utilizar energa al

mximo de la onda de choque. Si nosotros no

estamos en contacto con la roca y golpeamos con el

bit en el aire la energa no puede descargarse en el taladro; sta invierte su direccin abajo en el bit y

vuelve atrs por el acero, pero en lugar de una onda

de presin nosotros conseguimos una onda de

tensin de la misma potencia, es decir 24 toneladas.

La onda de choque tambin puede ilustrarse

esquemticamente de la manera mostrada en la

figura.


Teora Perforacin

Presin de percusin

La potencia contenida en la onda de choque (Fs) es

24.5 toneladas para un acero de 38-mm , asumiendo

utilizacin total del mecanismo de percusin en una

COP 1238. La onda de choque es transportado a una

velocidad VS de 5200 m/s. La fuerza contenida en el

acero antes y despus de la onda de choque es slo

la de la fuerza de avance FM que est alrededor de

1.0-1.5 toneladas. Slo cuando la porcin delantera

de la onda de choque alcanza la frente del bit tiene

una fuerza FS de 24.5 toneladas obtenida entre el bit

y la roca y este es el momento que el bit comienza su

penetracin en la roca. La longitud de la onda de

choque en una COP 1238 es aproximadamente 1200

mm.


Teora Perforacin

Presin de percusin

En consecuencia, slo con rocas

suficientemente duras nosotros podemos

utilizar la energa al mximo por golpe. Con

rocas muy suaves la presin de percusin

(energa percusin) tendr que ser reducida,

para que nosotros entreguemos la cantidad

de energa justa que la roca pueda alojar se

deber reducir la energa reflejada en la

forma de una onda de tensin en el cordn

del taladro.


Teora Perforacin

Avance

El avance siempre debe satisfacerse a la

presin de percusin, una presin de

percusin alta requiere una alto presin de

avance y una presin de percusin baja

requiere una presin de avance ms baja.

El propsito del avance es asegurar el

contacto permanente del bit contra la roca,

pero desde que el avance se aplica el

conjunto de perforacin todava debe poder

rodar. El avance normalmente estar

alrededor de 500-1,500 kg, dependiendo de

la perforadora que estemos usando.


Teora Perforacin

Rotacin

El propsito de rotacin es hacer rodar la broca para

un sitio apropiado para el prximo golpe. para los bit

de botones recomendamos que la periferia del bit

deba se volteado aproximadamente 10 mm despus

de cada golpe. Para tomar un ejemplo, un bit de

76mm tiene una circunferencia de 76 x 3.14 = 240

mm, y si lo queremos girar 10 mm para cada golpe

de la perforadora este bit tendra que ser movido

240/10 = 24 veces por revolucin. Si la frecuencia de

impacto es 3,000 gpm. (COP 1238) esto dar

3,000/24 = 125 rpm como la proporcin. rotacin Si la

frecuencia de impacto es 1,800 gpm. (tpico para una

mquina neumtica), sera 1,800/24 = 75 rpm. Esta

claro que la proporcin de rotacin debe aumentarse

para una frecuencia impacto ms alta y para una

dimensin del bit reducida.


Teora Perforacin

Rotacin

Se muestra en la forma de un grfico

cmo la rpm de perforacin cambian

con respecto al tamao del bit. El

grfico es vlido para una mquina

hidrulica que opera a

aproximadamente 3,000 gpm

Rango de penetracin (ppm) en

relacin a las revoluciones (rpm)


Teora Perforacin

Barrido

Como la potencia de salida de las perforadoras ha aumentado y acompaado por

eficaz aumento en proporcin de penetracin. El barrido se pone ms significante.

El medio de barrido es normalmente el aire en equipos de superficie y agua en

subterrneos. Qu esperamos del barrido?

1. Limpie el fondo del agujero para el prximo golpe.

2. Transporte el detritus fuera del agujero.

Lo que depende de:

1. Gravedad especfica: La gravedad especfica ms alta requiere un barrido ms

alto velocidad (aire barrido).

2. El tamao de la partcula: Las partculas ms grande obtenidas de la rotura de la

roca, necesariamente requiere ms velocidad alta de barrido.

3. La forma de la partcula: Las partculas equilteras necesitan mayor velocidad de

barrido. Para ilustrar esto, es fcil de llevar lejos una partcula en la forma de una

hoja que una del mismo peso que con forma esfrica.


Teora Perforacin

Barrido de aire

La velocidad del aire en el taladro-agujero para una

roca normal con una densidad de 2.0 ton/m3 debe

ser por lo menos 10 m/seg.

Puede reducirse si la densidad es ms baja, y se

debe aumentar si es ms alta. Por ejemplo, una

mina de hierro con una densidad de 4 ton/m3

necesita una velocidad de barrido de 25-30 m/seg.

en el agujero del taladro


Teora Perforacin

Barrido de aire

El volumen de aire necesario puede

calcularse, si sabemos el dimetro del bit y el

dimetro de la barra para el barreno a

realizar. Por ejemplo, si nosotros usamos

barras R38 y Bit de 76 mm el rea anular

entre el acero del taladro y la pared del

agujero ser:


Teora Perforacin

Barrido de agua

Como el agua tiene considerablemente una

mejor capacidad de levantamiento que el

aire, es suficiente tener una velocidad de 0.5

mtr/seg. en el rea anular, una velocidad

considerablemente baja en relacin al aire.

Al perforar tiros largos ascendentes tenemos

que tener en cuenta que tendremos una

presin de carga de 1 bar por cada 10

metros, y esta presin de carga tiene que ser

superada.

Documents

Curso Teoria Perforacion Atlas Copco