Métodos de perforación de roca

Hay tres métodos de perforación de roca para pozos de producción:

1. Perforación rotatoria

1) Alta velocidad de rotación, bajo par y empuje

2) Baja velocidad de rotación, alto par y empuje

2. Perforación por percusión rotatoria

1) martillo superior

2) Martillo de fondo

3. Perforación rotatoria vibratoria (sónica)

I. Perforación Rotatoria

Alta velocidad de rotación (es decir, 600 rpm), bajo torque, bajo empuje: se pueden usar equipos de perforación relativamente livianos para extraer muestras de núcleos, cuando se usa un sistema de barril de núcleo, o también se pueden usar simplemente para perforar "metraje", usando "perforaciones ciegas". ” o “tapón”, brocas de inserción de diamante o tungsteno impregnadas o fijadas en la superficie. Las tasas de penetración instantánea son más altas para la perforación de testigos que para la perforación de cara completa (“ciega”), pero esta última es más económica cuanto más profundo es el pozo (entre un 50 y un 100 %), ya que no se pierde tiempo en la recuperación de recorridos de testigos. El método generalmente se usa para agujeros de hasta 3 pulgadas de diámetro a profundidades de 165 pies a 500 pies.

Las ventajas de la perforación rotatoria de alta velocidad incluyen:

Ø Se puede utilizar el mismo equipo para la perforación de pozos de investigación y de producción.

Ø Es posible la exploración continua o intermitente de la roca en toda la longitud del pozo.

Ø La perforación se puede realizar a profundidades relativamente grandes (1000 pies).

Ø Se pueden perforar orificios relativamente rectos con menos desviación que la percusión rotatoria con martillo en cabeza.

Ø Por lo general, no se obstruye o se obstruye de forma limitada las fisuras de la roca.

Ø Es posible perforar en todo tipo de roca.

Ø Es posible utilizar la mayoría de las alternativas de energía para impulsar el equipo (es decir, aire, electricidad, diésel).

Ø Las brocas rotatorias producen paredes lisas del orificio que facilitan la instalación posterior del empacador para la lechada de roca.

Ø Se pueden lograr buenas velocidades de penetración en formaciones blandas.

Ø No se transmiten vibraciones a la formación rocosa ni a las estructuras adyacentes.

A pesar de estas ventajas, que son ampliamente explotadas en ciertas aplicaciones (por ejemplo, minas de minerales profundos), el uso de este método de perforación está disminuyendo en la construcción geotécnica, en gran parte por motivos económicos debido a la competencia de los métodos de percusión rotatoria en particular. Rara vez se utilizan métodos de extracción de testigos para la perforación de producción, excepto en situaciones en las que primero se debe penetrar hormigón fuertemente reforzado.

Baja velocidad de rotación, alto par, alto empuje: se utiliza con equipos de perforación más pesados y potentes para perforar pozos de mayor diámetro a profundidades considerables. La tasa de penetración depende en gran medida de la cantidad de empuje y torsión aplicada a la barrena. Hay disponible una variedad de brocas de dedo o rodillo tricónico con punta de carburo que penetran a través de mecanismos de "amolado y rotura". Los taladros rotatorios equipados con barrenas de vuelo continuo se usan comúnmente para hacer avanzar pozos sin revestimiento en rocas blandas o suelos.

II. Perforación rotatoria por percusión

La broca (inserto de carburo, cruz o botón) se percute y gira. En general, la energía de percusión determina la tasa de penetración. Con un martillo en cabeza, las barras de perforación son giradas y percutidas por la cabeza de perforación en la plataforma. Con un martillo de fondo de circulación directa, las barras de perforación (diámetro más grande) solo son giradas por la cabeza de perforación, y el aire comprimido alimentado por las barras activa el martillo de percusión montado directamente sobre la broca. La perforación con martillo en cabeza se realiza a velocidades de rotación de aproximadamente 60 rpm a 120 rpm para proporcionar diámetros de orificio que rara vez superan las 4 pulgadas. La profundidad del pozo está limitada a aproximadamente 200 pies por la disponibilidad de energía y por preocupaciones sobre la desviación del pozo. Debido a la ruta por la que se transfiere la energía a la barrena (es decir, a través de acoplamientos de varilla sucesivos), la tasa de penetración disminuye con la profundidad. La perforación en el fondo del pozo se realiza a aproximadamente 10 rpm a 60 rpm en diámetros de pozo superiores a 31⁄2 pulgadas hasta profundidades de más de 300 pies. Dado que el efecto de percusión se aplica inmediatamente por encima de la broca, independientemente de la profundidad del pozo, la velocidad de penetración es constante con la profundidad, siendo iguales los demás factores.

Ventajas de los agujeros perforados por percusión:

Ø Tasas de penetración más altas (5x o más) y consistentes que los métodos rotativos (30 a 60 pies/hora).

Ø Se pueden utilizar equipos de perforación relativamente pequeños, livianos y móviles.

Ø Bajos costos de perforación.

Ø La perforación en el fondo del pozo brinda el potencial para una desviación mínima del pozo con tasas de producción de 15 pies por hora a 500 pies por hora.

Actualmente existen cuatro conceptos básicos en la perforación en fondo (DTH):

Ø Martillos DTH accionados por aire de circulación directa (DC) como se describe anteriormente, con el aire de retorno al ras en contacto con las paredes laterales de toda la longitud del orificio de perforación.

Ø Los martillos DTH de circulación inversa (RC) utilizan barras de perforación de doble pared y también pueden usar aire o aire con una neblina de agua. El enjuague regresa a la superficie a través del orificio interno y, por lo tanto, ayuda a aumentar la limpieza del pozo al protegerlo de los recortes de perforación y el medio de enjuague. Se debe tener cuidado para garantizar que siempre se evite el taponamiento de la barra de perforación interior.

Ø Dual Fluid Drilling Systems (DFS) es un nuevo concepto que comprende un martillo DTH especial activado por aire, que incorpora un tubo central a través del cuerpo del martillo que permite usar agua como único medio de lavado. El aire de conducción se escapa entre la tubería de revestimiento exterior y la sarta de perforación interior, por lo que nunca entra en contacto con la roca. Este sistema tiene el potencial de tasa de penetración DTH más bajo.

Los martillos DTH de agua (WH) utilizan agua a alta presión para activar el martillo y enjuagar el orificio. Un inconveniente técnico potencial es que la formación estará expuesta a estas presiones muy altas, lo que resultará en la posibilidad de una hidrofractura localizada.

En principio, los principales controles técnicos sobre la elección del método de perforación idealmente deberían ser la geología, la profundidad y el diámetro del pozo. Otras consideraciones, como la linealidad del pozo y las restricciones de acceso a la perforación, también pueden tener un impacto significativo en la elección de un proyecto determinado.

III. Perforación rotatoria vibratoria (sónica)

Esta técnica se desarrolló a fines de la década de 1940 y se está volviendo cada vez más popular donde existen fuertes restricciones ambientales. Es un sistema de doble carcasa que utiliza vibración mecánica de alta frecuencia para proporcionar muestras continuas de núcleos, o simplemente para hacer avanzar las carcasas para otros fines, como pozos profundos o pozos de congelación. La sarta vibra a frecuencias continuamente ajustables entre 50 Hz y 150 Hz, y gira lentamente en formaciones más duras para distribuir uniformemente la energía y el desgaste de la barrena. La frecuencia se ajusta para lograr la tasa de penetración máxima al coincidir con la frecuencia de resonancia natural de la sarta de perforación. La resonancia proporciona una energía extremadamente alta a la barrena y, en el suelo, también desplaza lateralmente las partículas, lo que facilita en gran medida la velocidad de penetración. La penetración se optimiza variando la frecuencia y los parámetros de empuje.

En cuanto a sus ventajas, la perforación sónica:

Ø puede proporcionar muestras continuas en el suelo (de 3 a 10 pulgadas de diámetro) sin usar medios de lavado, a tasas de penetración muy altas

Ø puede penetrar fácilmente obstrucciones (naturales y artificiales) y condiciones variables (p. ej., piedra caliza kárstica)

Ø se ha utilizado a profundidades de 500 pies

Ø se puede convertir fácilmente a otros tipos de roca o perforación de sobrecarga

Ø no requiere lavado en sobrecarga y solo cantidades menores en roca.

Varias aplicaciones importantes relacionadas con la construcción geotécnica se han registrado hasta la fecha, incluidos proyectos a través de terraplenes de presas donde no se permiten los sistemas de perforación convencionales. El sistema sónico tiene un potencial excepcional para la perforación de rocas y suelos en ciertas combinaciones de circunstancias. En las ingeniosas palabras promocionales de sus desarrolladores, puede ser, de hecho, “la ola del futuro” en tecnología de perforación.