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Perforación y Sondajes

HERNÁN CASTILLO GARCÍA INGENIERO DE MINAS

Perforaciones (Geología) INTRODUCCION LOS RECURSOS GEOLÓGICOS SON, FUNDAMENTALMENTE, LAS MATERIAS PRIMAS MINERALES Y LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS . LOS SUELOS SÓLO SE CONSIDERARÁN AQUÍ DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL RECONOCIMIENTO . SE ENTIENDE POR RECONOCIMIENTO, PROSPECCIÓN Y EXPLORACIÓN AQUELLAS TAREAS ( ETAPAS) QUE PRECEDEN A LA EXPLOTACIÓN O APROVECHAMIENTO ECONÓMICO DE LOS RECURSOS GEOLÓGICOS . LOS IMPACTOS AMBIENTALES RESULTANTES DEL B ENEFICIO, T R ATAMIENTO, PROCESAMIENTO Y D I STRIBUCIÓN . LAS PERFORACIONES PUEDEN GENERAR IMPAC TOS NEGATIVOS EN EL MEDIO A MBIENTE A T RAVÉS D EL M ATERIAL E X TRAÍDO, P RODUCTOS Q U ÍMICOS, AG UAS.

ALGUNOS TIPOS DE PERFORACIONES

1. Perforación manual con pala barreno. El método de perforación mediante pala barreno utiliza un equipo liviano operado por un perforista, donde el descenso y ascenso de la pala barreno y de las barras de perforación en la perforación no requiere del auxilio de un trípode con poleas.

Este tipo de exploración no utiliza encamisado y la muestra de suelo recuperada es totalmente alterada, siendo solamente apropiada para realizar la inspección tacto-visual de la misma y su clasificación.

EQUIPO DE PERFORACION PALA BARRENO

2. Perforación mediante equipo manual. El método de perforación mediante equipo manual, generalmente consta de un malacate o guinche de 500 a 1 000 kg de capacidad, accionado por un motor a explosión o diésel, combinado con un trípode que permite el descenso y ascenso del tren de barras de perforación. Este procedimiento es apto para suelos y rocas blandas alteradas. Las herramientas de perforación y las camisas empleadas tienen una gran variedad de diámetros, en virtud del objetivo perseguido, pero normalmente oscilan entre 100 mm y 300 mm.

Perforación mediante equipo manual.

3. Perforación mediante pala barreno mecánica. El sistema de hélice continua se utiliza normalmente con un alma hueca para perforaciones en suelos cohesivos.

Los diámetros usuales de las hélices continuas son de 75 mm y 125 mm que producen perforaciones de 150 mm y 250 mm de diámetro respectivamente. Los detritos de la perforación son extraídos a la superficie mediante la misma hélice, que trabaja como un tornillo de Arquímedes, obteniéndose una muestra muy alterada que dificulta la identificación de la profundidad de donde se la obtuvo.

ELEMENTOS DEL POZO Elementos del pozo de sondeo 1. La boca del pozo es el comienzo de éste, es decir, el punto de intersección del pozo con la superficie de la Tierra o, en el caso de perforación subterránea, con la de la excavación minera. 2. El tajo del pozo es el fondo de éste, que se desplaza por la acción de la herramienta que desagrega la roca.

3. La s paredes del pozo son las superficies laterales de éste. tajo del pozo.

Elementos del pozo de sondeo 4. La tubería de revestimiento es una columna de entubación concéntrica que se destina para fijar las paredes del pozo. Si las paredes son de rocas firmes, la tubería de revestimiento no se introduce en el pozo. El tronco del pozo es el espacio del subsuelo ocupado por éste. Una vez descendida al pozo la columna de entubación, el tronco del pozo se estrecha. Por lo tanto se deben distinguir: a) el tronco del pozo no revestido de tubos (5), que es el espacio del subsuelo limitado por las paredes del pozo (3). A-A b) el tronco del pozo revestido de tubos 5a, que es el espacio del subsuelo limitado por la superficie interior de la tubería de revestimiento.

El eje 6 del pozo es la línea imaginaria que une los centros de las secciones transversales del pozo. Según el método de excavación del fondo la perforación de los pozos se divide en perforación sin testigo de sondeo y de corona sacatestigos.

En caso de la perforación sin testigo de sondeo la roca se tritura por toda el área del fondo 2, que es un círculo. La perforación con corona sacatestigos destruye la roca por el fondo anular conservándose el testigo de sondeo 7. El testigo de sondeo es la muestra de la roca originada por la desagregación anular del tajo del pozo.

Los pozos se perforan en forma escalonada, disminuyendo su diámetro paso a paso. Esto se hace con el fin de colocar la columna de entibación. Las dimensiones principales del pozo de sondeo son: a.Los diámetros de los intervalos del pozo en milímetros b.Los diámetros exteriores e interiores de las tuberías de revestimiento en milímetros c.La profundidad de los intervalos del pozo desde la boca hasta el fondo en metros. d.La profundidad total del pozo desde la boca hasta el tajo final en metros.

Disposición espacial de los pozos en el subsuelo. Se determina por los factores siguientes: 1) las coordenadas del centro de la boca del pozo x, y, z; 2) la dirección del pozo; 3) el ángulo de inclinación del pozo; 4) el azimut del pozo; 5) la profundidad. Las coordeadas x e y del centro de la boca del pozo se expresan en el sistema único de coordenadas rectangulares de Gauss-Krüger, adoptado en la URSS. La zcoordenada es la cota absoluta o de altura, la cual indica la superación del centro de la boca del pozo con respecto al nivel de los océanos, tomado como cero.

En cuanto a su dirección los pozos de sondeo se dividen en cinco tipos: 1) verticales, dirigidos verticalmente hacia abajo; 2) inclinados, dirigidos hacia abajo por un ángulo agudo a la vertical; 3) horizontales, dirigidos de modo horizontal; 4) ascendentes inclinados, excavados bajo ángulo agudo a la vertical; 5) ascendentes verticales.

Clasificación de los pozos de sondeo según su aplicación: se clasifican en tres categorías principales: de exploración geológica, de explotación y técnicos.

De la primera categoría son los pozos de prospección geológica, que se excavan para estudiar los yacimientos minerales o con el objeto de analizar la estructura geológica de determinada región. Los pozos de exploración geológica se subdividen según su destino en las siguientes variedades. 1. Los pozos cartográficos se perforan, al realizar el levantamiento-geológico, con el fin de aflorar las rocas originarias, según las cuales se realiza la confección de mapas geológicos, en aquellas regiones donde dichas rocas están cubiertas por depósitos aluviales.

2. Los pozos de búsqueda. se perforan con el objetivo de establecer la presencia o ausencia en la región dada de uno u otro mineral. 3. Los pozos de prospección. Se perforan con el fin de contornear y determinar las reservas de mineral en el yacimiento dado.

4. Los pozos hidrogeológicos . se perforan con vistas a estudiar las aguas subterráneas, las condiciones de su concentración posible rendimiento y con composición química. Los pozos artesianos han recibido su nombre del antiguo vocablo romano Artesia. Que es una provincia francesa actualmente denominada Artois, en 1126 en esta provincia se perforo el primer pozo de sondeo en Europa para la obtención del agua brotante. Sin embargo semejantes pozos eran ya conocidos en los tiempos de la remota antigüedad en China y Egipto.

6. Los pozos ingeniero-geológicos se perforan para el destape de los horizontes superiores de la corteza terrestre con el propósito de confeccionar el corte geológico, realizar ensayos de las propiedades fisico-mecánicas de los terrenos en el pozo y tomar muestras del terreno de estructura inalterada para determinar sus propiedades en el laboratorio para los menesteres de la construcción civil e industrial. 7. Los pozos sismicos se perforan durante la prospección sísmica con el fin de efectuar explosiones subterráneas, mediante las cuales, con ayuda de sismógrafos, se determinan la profundidad y la inclinación de los filones, estructuras geológicas. 8. Los pozos paramétricos se perforan a fin de medir los parámetros de las propiedades geofísicas de las rocas y la temperatura en condiciones de estratificación natural y de estudiar la constitución según la profundidad de las posibles zonas de acopio de petróleo y gas natural.

9. Los pozos estructurales se perforan con el propósito de estudiar las estructuras geológicas y los elementos de estratificación (potencias, ángulos de buzamiento y dirección) de las capas, de controlar y puntualizar los datos de los levantamientos geológico y geofísico. 10. Los pozos de apoyo se perforan dentro de los límites de áreas cuya estructura geológica no se ha elucidado por perforación para el levantamiento geológico, búsquedas, examen regional de la constitución geológica según la profundidad, estudio del contenido en mineral o la capacidad gasífera y petrolífera de los horizontes profundos.

De la segunda categoría son los pozos de explotación excavados para extraer del subsuelo los minerales líquidos (agua potable o mineral, petróleo) y gaseosos. A ésta se refieren las siguientes variedades. 1. Los pozos de toma del agua ; para suministrar ésta a las ciudades, empresas industriales, balnearios, agricultura, transporte ferroviario. 2. Los pozos de petróleo y gas natural :para la extracción de estos minerales.

3. Los pozos de gasificación subterránea del carbón Para la obtención de gases combustibles por el método de combustión incompleta directamente en el macizo del yacimiento carbonífero; los gases obtenidos se utilizan como combustible o materia prima en la industria química.

4. Los pozos para la extracción de salmueras, Depositadas en los colectores de la corteza terrestre y que sirven para lixiviar de ellas diferentes sales: las de bromo, yodo, etc. 5. Los pozos geotecnológicos Se operan para la desagregación hidrodinámica de las rocas que contienen minerales o para inyectar en el pozo soluciones de ácidos que disuelvan a estos componentes extrayéndolos a la superficie.

DE LA TERCERA CATEGORÍA son los pozos técnicos construidos con distintos fines técnicos. 1. Los pozos de explosión Son destinados p1ra colocar en ellos la ·carga explosiva a fin de separar el mineral o las rocas del macizo al ejecutar explosiones en las labores mineras a cielo abierto o subterráneas. Llámense barreno de voladura los pozos de explosión de pequeñas dimensiones: de diámetro de 30 a 60 mm y de profundidad hasta .de 5 m. 2. Pozos a mano y de mina Son perforados en las rocas. (cuñas con cincel o cortafrío) 3. Los pozos de congelación del suelo Son perforados por un anillo alrededor del futuro pozo de mina para congelar las rocas acuíferas antes de que éste se excave, eliminándose de este modo la posibilidad de inundar de agua la mina durante su laboreo y al construir el revestimiento impermeable. Las rocas acuíferas se congelan por el descenso en los pozos perforados de tubos con soluciones refrigerantes que circulan por estos últimos.

4. Los pozos para consolidar los terrenos Se realizan durante las obras de construcción inyectando en las rocas agrietadas mortero de cemento, distintas resinas o vidrio líquido. 5. Los pozos de drenaje o de descenso del agua Son destinados para el drenaje, o sea, para el método de desecación de una cantera, un yacimiento o un terreno para edificar, que consiste en bajar el nivel de las aguas subterráneas. 6. Los pozos de desagiie Sirven para evacuar el agua de un horizonte subterráneo a otro al secar las excavaciones mineras, a veces, estratos acuíferos enteros.

7. Los pozos de inyección Sirven para organizar la impulsión de agua, aire o gas de petróleo a la zona contorneada del yacimiento petrolífero con el propósito de ejercer presión sobre el petróleo y aumentar el aflujo de este mineral al pozo de explotación. 8. Los pozos de observación Sirven para realizar el control sistemático del cambio del nivel de agua en el pozo o del cambio de la presión de líquido o gas en el proceso de explotación de la capa contenedora de petróleo y gas. 9. Los pozos en el interior de la capa Se practican desde las galerías subterráneas por las capas para des gasificar y despolvorear el carbón a extraer, que se 1 humedece con el agua inyectada por dichos pozos.

10. Los pozos auxiliares Sirven para ventilar las excavaciones, colocar la cañería a fin de suministrar el aire comprimido desde el compresor, que se halla en la superficie terrestre, a las máquinas neumáticas en los tajos, bajar la madera de entibación, extinguir los incendios subterráneos. NOTA Las aplicaciones de los pozos de sondeo se pueden unir o variar al efectuar los trabajos de perforación. Por ejemplo, las aplicaciones del pozo de apoyo se pueden combinar con las de los pozos de búsqueda estructural y paramétrico; el pozo de búsqueda o de exploración del agua, petróleo o gas natural puede convertirse en pozo de explotación, etc.

Aplicación, ventajas y deficiencias de la perforación de exploración geológica Se aplica para todos los minerales líquidos y gaseosos -aguas dulces y minerales, petróleo, gas natural. Para los yacimientos carboníferos, minerales de hierro, aluminio, manganeso y muchos criaderos de metales no ferrosos, sin emplear excavaciones mineras. Los yacimientos poli metalíferos y los minerales de metales raros y nobles, así como los yacimientos que descansan en el subsuelo en forma de cuerpos irregulares se exploran por la perforación combinada con las excavaciones mineras de búsqueda. Se emplea asimismo durante el levantamiento geológico, durante la prospección sísmica para practicar los pozos de explosión, durante las investigaciones hidrogeológicas e ingeniero geológicas en los terrenos de la futura obra de construcción para estudiar las condiciones de estratificación de las rocas, su acuosidad y propiedades físico-mecánicas.

Ventajas y desventajas de la perforación de exploración VENTAJAS

DESVENTAJAS

1. Estudiar la corteza terrestre a gran profundidad 1. La imposibilidad de la observación directa de las extrayendo testigos para Investigarlos y elaborar el paredes del pozo a causa del pequeño diámetro del corte Geológico. pozo. El corte geológico se confecciona a base de las muestras extraídas de éste. Para eliminar esta insuficiencia se emplea la fotografía de sus paredes. 2. La posibilidad de perforar pozos en las rocas de La extracción incompleta de las muestras, debida a todo género. siendo cualquiera el aflujo de agua, ya su abrasión y derrubio en el pozo. Como que no siempre es posible la realización de consecuencia el corte geológico no resulta exacto. excavaciones mineras de exploración. Para evitar este defecto las muestras se extraen de las paredes del pozo, empleando métodos geofísicos de investigación. 3. La posibilidad de la hermetización completa, es decir, de impermeabilidad del pozo de sondeo y la comodidad de explotación de los minerales líquidos y gaseiformes.

Las muestras del mineral sólido tienen volumen menor que las obtenidas en las excavaciones mineras. No obstante, esta insuficiencia no es considerable, puesto que las investigaciones requeridas se pueden realizar con muestras de pequeñas dimensiones.

VENTAJAS

DESVENTAJAS

4. El alto rendimiento de la perforación de los pozos en Comparación con el de las excavaciones mineras de Exploración que se abren en las condiciones idénticas.

El encorvamiento del pozo, o sea, el desvío de éste de la dirección rectilínea proyectada da una representación falsa de las profundidades en las que yacen las capas, de su espesor y de su disposición en las entrañas de la Tierra. A fin de eliminar esta insuficiencia se emplean instrumentos de medida del encorvamiento de los pozos, lo que da la posibilidad de establecer la disposición real de los pozos en el subsuelo.

5. La economía, o sea, el coste de 1 m del pozo de sondeo, es menor que el de la excavación minera de igual longitud, lo que se explica por la sección pequeña del pozo y por la gran productividad de la perforación.

Clasificación de los métodos de perforación de los pozos Según los métodos de destrucción de las rocas la perforación de los pozos se puede ejecutar por los siguientes Procedimientos que se diferencian en principio por su naturaleza física.

1. Perforación mecánica La desagregación de la roca se realiza por la acción mecánica de la herramienta sobre el tajo. VENTAJAS

DESVENTAJAS

1) la posibilidad de extraer muestras naturales de las rocas 1) El desgaste de las herramientas cortantes, lo que para la confección del corte geológico y para su estudio requiere su cambio; esta deficiencia ha llevado a la multilateral. búsqueda de otros procedimientos físicos de destrucción de las rocas sin emplear trépanos. 2) las condiciones favorables para el destape e Investigación de los horizontes que contienen agua, petróleo y gas natural; 3)la posibilidad de practicar los pozos en la dirección prefijada.

2) el bajo coeficiente de aprovechamiento energético, que disminuye al profundizar el pozo, estando situado el motor sobre la superficie de la tierra;

2. Perforación hidrodinámica Se efectúa por el chorro de líquido a alta presión mediante la desagregación o disolución de las rocas en el tajo. Son conocidas dos variedades de dicha perforación: a) El chorro desmorona por completo el fondo y forma el tronco del pozo, la presión del chorro debe ser de 20 a 200 MPa , según sea su resistencia. cuando en el chorro de agua se introduce un material abrasivo (granalla de acero, arena cuarzosa) de una concentración del 5 a 15% en volumen: b) El chorro de agua desagrega parcialmente y reblandece la roca del fondo, el tronco del pozo se conforma por el trépano con toberas de hidromonitor que aumentan la velocidad de salida del chorro.

3. Perforación térmica, ígnea o por chorro de fuego La roca se fractura por la acción térmica de la alta temperatura. Esta última (cerca de 2300°C) se crea al quemarse el chorro de kerosene con el de oxígeno, que salen por las toberas del quemador de chorro de fuego que se baja al pozo por tubos. El quemador se enfría con agua. A la dilatación libre de los sectores calientes de las rocas del fondo obstaculiza la reacción de sus sectores fríos. De aquí, en la roca surgen tensiones térmicas que provocan el desprendimiento del macizo de la roca de trozos escamiformes que se arrastran por los gases de desecho y el vapor desde la zona de acción del quemador hacia arriba. Los gases y vapor se succionan del pozo con un ventilador. La perforación ígnea se aplica para sondear pozos de explosión las máquinas de sondeo térmico excavan pozos de 160 a 250 mm de diámetro a una profundidad de 8 a 50 m. El rendimiento de la perforación térmica en las cuarcitas es cerca de 30 m/turno, mientras que el de la perforación por percusión con cable es de 3-3,5 m/turno. NO SE APLICA EN GEOLOGIA

4. La perforación termomecánica Prevé la debilitación de la resistencia de las rocas mediante su calentamiento local, con la posterior desagregación de éstas por medio de la herramienta habitual de perforación rotatoria.

5. La perforación electrotérmica

se emplea en la Antártida para: derretir el hielo por calentadores eléctricos. La perforadora electrotérmica está adaptada para perforar en el hielo pozos de profundidad hasta de 1000 m y de diámetro hasta de 300 mm con la obtención del testigo de hielo hasta el 100% . La potencia del calentador es de hasta 8 kW. El dispositivo tiene una bomba para la evacuación del agua originada por el derretimiento del hielo.

6. La perforación explosiva En este caso la roca se desagrega en el fondo bajo la acción de la explosión dirigida. Durante la perforación explosiva las ampollas de plástico, llenas de materia explosiva, son alimentadas a iguales intervalos de tiempo hacia el fondo por los tubos en el flujo del líquido lavador inyectado. Al golpear contra el fondo la espoleta se pone en funcionamiento y la ampolla estalla. La roca destruida por la explosión se extrae por el flujo del líquido lavador desde el fondo hacia la superficie. Por perforación explosiva está practicado un pozo de profundidad hasta de 2800 m en las rocas sedimentarias, con alimentación de 300 cargas/h. Debido a la presión hidrostática creada por la columna de líquido sobre el fondo del pozo, la eficacia de la explosión unitaria disminuye con la profundidad. La perforación explosiva se halla todavía en la etapa experimental y no goza de amplia aplicación práctica.

7. Los métodos electro físicos de perforación reúnen un grupo de procedimientos basados en el empleo de la corriente eléctrica para la desagregación directa de las rocas. Entre ellos figuran: a) El efecto electrohidráulico, es un fenómeno que consiste en la formación en el agua de una descarga por impulso de alta tensión (chispa); la chispa eléctrica posee un volumen determinado; surge instantáneamente, desplaza con gran fuerza el líquido, provocando un choque que destruye la roca; b) El método eléctrico por impulsos, Según este método el pozo se llena de líquido (por ejemplo, aceite para transformadores) cuya resistencia eléctrica supera la de la roca. Contra el fondo se aprietan estrechamente dos electrodos y se alimenta corriente de alta tensión. Esta última atraviesa la roca. La descarga eléctrica disruptiva va acompañada de la destrucción efectiva de la roca. También fueron propuestos otros métodos físicos de desagregación de las rocas para perforar pozos (ultrasónico, con plasma, con láser), pero todos ellos no pasaron de la etapa experimental.