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• Luis Antony Guerra Quispe

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE GEOLOGÍA, GEOFÍSICA Y MINAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS

MAQUINARIA MINERA PERFORACIÓN CON CHORRO DE AGUA

PRESENTADO POR: 

GUERRA QUISPE LUIS ANTONY

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RONDON ZEBALLOS JIMENA PAOLA

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TUNI ROMAN MILAGROS SABRINNA

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VALENCIA JUAREZ SEBASTIAN

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VARGAS VALDIVIA BRYAND WALTER

DOCENTE: FIGUEROA GALIANO MANUEL RUBEN

AREQUIPA - PERU 2019

1. DESCRIPCIÓN DE LA MAQUINA Y CARACTERÍSTICAS Los equipos constan básicamente de una central hidráulica accionada por un motor eléctrico y acoplado a una bomba hidráulica de alta presión con las presiones ya antes mencionadas que se encarga de accionar un multiplicador de presión constituido por un pistón de doble efecto y movimiento alternativo capaz de realizar entre 60 y 80 ciclos por minuto

Figura Bomba de proceso de émbolo HDP 755

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En la perforación de barrenos, para aumentar la acción de los chorros de agua, se dispone de unas brocas de carburo de tungsteno que realizan un escariado de las coronas de roca concéntrica que se producen en el fondo del taladro.

PARTES Diámetros Central hidráulica Motor Bomba hidráulica a alta presión Multiplicador de presión Boquilla inyectora zafiro sintético

ROBUSTOS DE ALTA POTENCIA Y FIABLES 24-32 mm  Accionada por el motor eléctrico o diésel 150 - 300 MPa pistón de doble efecto 0.1 - 1 mm diámetro

Figura esquema de un multiplicador de presión

Figura multiplicador de presión hidráulico / aceite-aceite M852

SISTEMA DE PERFORACIÓN DE CHORRO (JET BORE SYSTEM JBS) El método implica el uso de agua a alta presión para cortar cavidades del mineral. Es un enfoque de no entrada, donde el personal no entrará en contacto directo con el yacimiento ya que toda la minería estará en la roca del sótano debajo del yacimiento. La mina estará equipada con cuatro unidades mineras JBS, incluidas dos máquinas durante la producción completa y dos para el relleno y el mantenimiento. Inicia con una máquina de minería perfora la roca para crear el túnel de producción. El sistema de perforación penetra en este túnel y perfora un agujero piloto a través del yacimiento. Luego se inserta la boquilla de perforación en el orificio piloto y el sistema comienza a perforar a través de la roca utilizando un chorro de agua a alta presión. El mineral suelto se descarga por el agujero piloto.

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El proceso que involucra a JBS incluye la mezcla del mineral con agua para formar una suspensión, que se bombea a través de tuberías a la instalación receptora de mineral en ejecución (ROM). La suspensión de mineral se transfiere a la superficie a través de una bomba de suspensión. La suspensión se almacena y luego se transfiere al molino McClean Lake JEB para su procesamiento. Otra técnica innovadora utilizada en la mina Cigar Lake es la congelación a granel, que implica la circulación de una solución de salmuera, enfriada a -40 ° C, a través de agujeros de congelación superficiales y subterráneos para evitar la entrada de agua en la mina y estabilizar las formaciones rocosas débiles, congelando la roca circundante en aproximadamente un año. Se espera que la congelación a granel minimice el riesgo de entrada de agua al sitio minero.

2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ANTECEDENTES: Suprimir la perforación y voladura en la minería metálica significa eliminar gran parte de la polución minera medioambiental originado por ruido, polvo, gases y vibraciones. El minado continuo es desconocido en las operaciones mineras de roca dura. Todos los sistemas de perforación de taladros rompen la roca por compresión y molimiento de la superficie de ataque en la interface broca-roca, requiriendo mucha energía y causando desgaste prematuro y falla de la broca. No se aprovecha la resistencia a la tensión de la roca que es 15 a 30 veces menor que su resistencia a la compresión. Considerando el grado de dureza de la roca (de menos dura a más dura), el rompimiento puede efectuarse en orden ascendente de dureza por:

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Presión de agua, Excavación, Escarificación, Perforación y voladura.

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Entonces esto nos deja una buena solución para perforar roca que sería el uso de presión de agua y para ello se utilizaría la antes descrita perforación por chorro de agua a alta presión, cuya presión llevada a altos niveles es capaz de perforar cualquier tipo de roca.

La perforación de alta presión por erosión fue desarrollada para perforar en  roca sin tener que triturarla mecánicamente. Esta tecnología inicio en Alberta, Canadá donde a partir del año 2008 que se iniciaron los estudios para aplicación de esta tecnología de perforación y esta empezó a ganar un peso en este procedimiento aplicándola a la extracción de petróleo, cabe resaltar que la empresa “Tempress Technologies Inc”, fue pionera en perforación por erosión. Actualmente, en minería se utilizan en el corte de rocas ornamentales y en la perforación de barrenos para bulonaje en diámetros de 24 y 32mm.

FRAGMENTACIÓN POR CHORRO DE AGUA A ALTA PRESIÓN:

La técnica es lo suficientemente simple:

La perforación a chorro utiliza agua a presión para perforar. También llamado JET EROSION, utiliza una boquilla especial de agua que penetra entre la roca con la fuerza suficiente para desintegrarla. “La cabeza de la boquilla gira libremente y los chorros que despide se desplazan, como si fuera un rociador, el agua sale con tanta fuerza que es esa misma fuerza la que hace que la boquilla gire”. (Jack Kollé 2008)

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Boquilla diseñada especialmente por Tempress Technologies: inyecta el agua con suficiente presión como para desintegrar roca.

Entonces, para obtener estos chorros de agua potentes ubicados a corta distancia del punto de ataque de la broca, se requiere de altas presiones de agua que pueden conseguirse mediante chorros de agua de alta presión lanzados desde distancias no mayores a 8 cm. y generados por bombas de agua de 5,000 a 10,000 psi.

Los equipos constan básicamente de una central hidráulica accionada por un motor eléctrico y acoplado a una bomba hidráulica de alta presión con las presiones ya antes

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mencionadas que se encarga de accionar un multiplicador de presión constituido por un pistón de doble efecto y movimiento alternativo capaz de realizar entre 60 y 80 ciclos por minuto. El efecto multiplicador se consigue por la diferencia relativa de superficies activas del pistón.

Equipo multiplicador de presión

La rotura der la roca se produce cuando el agua a presión choca contra las microfracturas de la superficie creadas consecuentemente. A una velocidad de 300 m/s, la presión creada es del orden de 150 MPa, próxima a la resistencia de muchas rocas. Con 500 m/s, se alcanzan valores de 300 MPa, superiores a la resistencia de la mayoría de los materiales rocosos. Resistencia a la compresión de las rocas.

Fuente: Mecánica de rocas.

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Este método consta de cinco fases, que son -

El hincado de la cañería, La limpieza del pozo, La colocación del filtro y cañería de aspiración, La instalación de la bomba y La extracción de agua.

El resultado es un movimiento de corte circular y una distribución de la fuerza en la piedra sobre la que se está trabajando. A diferencia de la mayoría de los métodos de perforación, esta tecnología no utiliza fluidos de perforación, simplemente necesita agua. En este sistema, es el agua la que empuja el cutting hacia la superficie.

En la perforación de barrenos, para aumentar la acción de los chorros de agua, se dispone de unas brocas de carburo de tungsteno que realizan un escariado de las coronas de roca concéntrica que se producen en el fondo del taladro.

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Boca de perforación con cuatro orificios.

3. UTILIZACIÓN DE LA PERFORACIÓN A CHORRO DE AGUA

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Una aplicación común es la ubicación de los agujeros para los pernos del techo en los estratos suprayacentes sobre las aberturas de la mina. Dichos agujeros se perforan más comúnmente mediante un dispositivo de tipo de broca de arrastre o mediante una broca de cincel accionada por martillo neumático. Del mismo modo, los agujeros se conducen en operaciones de minería y túneles para el emplazamiento de explosivos y estos agujeros también se perforan con una broca de tipo mecánico o una broca de cincel impactante.

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En la perforación de pozos petroleros, con frecuencia se agregan chorros de agua como complemento de las brocas de perforación de cono de rodillos.

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La capacidad de un chorro de agua abrasivo para cortar rocas y metales tiene aplicaciones potenciales en el campo petrolero. En la industria del petróleo y el gas, el chorro radial se puede utilizar para aumentar el área de superficie de drenaje y mejorar la producción de petróleo. En la perforación, el sistema de perforación por chorro de alta presión puede reducir drásticamente el par y el empuje necesarios para la perforación, lo que aumenta la fiabilidad, la

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velocidad de penetración (ROP) y el alcance lateral, que eventualmente reduce el costo de perforación.

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En general, la aplicación principal de la perforación a chorro de agua es proporcionar un método rápido y económico para recuperar los hidrocarburos restantes de campos de petróleo y gas marginales o maduros. Se ha demostrado que mejora las tasas de producción, reduce las tasas de disminución y prolonga la vida productiva de los pozos y campos, reduce el daño cercano al pozo.

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También es una alternativa viable para que la perforación tradicional se extienda más allá de la zona dañada cerca del pozo, cuando otras técnicas de estimulación no son aplicables, una alternativa para formaciones en capas y cerca del contacto con el agua.

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Se realizaron una serie de experimentos por chorro de agua en diferentes muestras de roca. Llegaron a la conclusión de que los chorros de agua pueden perforar con éxito rocas sedimentarias.

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También han señalado que HPWJ puede usarse para cortar acero o para hacer agujeros usando materiales abrasivos como arena y cuentas.

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Se ha informado en la literatura que la eficiencia del proceso depende de cuatro factores: 1)Distancia de separación 2)Velocidad del fluido 3)Perfil de chorro de corriente 4)Rotación

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Se ha argumentado que el uso de la perforación por chorro de agua de más de 15,000 pies (5,000 m) fue más favorable en comparación con el sistema de perforación rotatoria convencional.

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4.

FUNCIONAMIENTO DE PERFORACION DE ROCAS A CHORRO DE AGUA

Método y aparato de perforación de rocas que utilizan chorros de agua a alta presión para perforar agujeros de diámetro relativamente pequeño a velocidades significativamente mayores que las que se pueden lograr con las herramientas de perforación existentes. Se logran tasas de perforación considerablemente mayores debido a la geometría de la boquilla de chorro y la velocidad de rotación. El diseño de la boquilla de chorro tiene dos orificios, uno apuntando axialmente hacia adelante en la dirección de desplazamiento y el segundo inclinado en un ángulo de aproximadamente 30 desde el eje. Los dos orificios tienen diámetros en la proporción de aproximadamente 1: 2. Se utilizan velocidades de chorro de líquido superiores a 1,000 pies / seg, y la boquilla se gira a velocidades de hasta 1,000 rpm y más. CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere generalmente al campo de la perforación o penetración de la Tierra, y más particularmente al método y aparato para la perforación por erosión de fluidos. DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA La perforación de agujeros de diámetro relativamente pequeño (por ejemplo, 1-7 pulgadas) en roca es común en las operaciones de minería, túneles y canteras. La perforación hidráulica por chorro de roca se ha descrito en el arte de la patente, como lo ejemplifica la patente de Acheson, patente de EE.UU. No. 3.567.222. Acheson enseña una broca de chorro de rotación libre que tiene una pluralidad de boquillas de chorro que descargan un líquido de perforación que transporta partículas abrasivas suspendidas. La broca se hace girar por la fuerza de reacción del fluido expulsado. En la práctica, la velocidad de perforación de agujeros de diámetro pequeño a través de la roca está restringida con los sistemas de perforación mecánica existentes debido al empuje limitante que puede llevarse a través de la barra de perforación de diámetro pequeño hasta la broca de perforación. El uso de chorros de agua como ayuda para las brocas de cono de rodillo todavía requiere un gran empuje para ser transportado en el vástago de perforación, y existen problemas con la confiabilidad de tales sistemas. Se requieren dispositivos de bombeo grandes, caudales muy grandes, y el fluido de corte por chorro es generalmente un lodo de perforación, que no corta tan eficazmente como un chorro de agua solo. El uso de abrasivos suspendidos en el líquido de perforación introduce algunos problemas adicionales. Tales abrasivos, si son efectivos para cortar rocas, también son suficientes para causar un desgaste rápido en la superficie del orificio de las boquillas de perforación. Además, la presencia de tales partículas crea problemas en el bombeo y la circulación en un sistema de perforación.

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¿COMO ES QUE FUNCIONA? Esta invención utiliza una boquilla de chorro de agua como una broca que tiene una configuración de dos orificios de chorro, específicamente de diferentes diámetros, uno dirigido axialmente a lo largo de la dirección de desplazamiento del cabezal de perforación, y el otro inclinado en ángulo con respecto al eje de rotación. La boquilla de perforación está soldada a una tubería de alimentación de acero que está montada de forma giratoria en una pluma extensible que puede alimentar la boquilla de perforación y la tubería en el orificio a medida que se perfora. Se utilizan velocidades de líquido de perforación de al menos 1,000 pies / seg, y el cabezal de perforación se gira en el pozo a una velocidad normalmente en el rango de 1,000 a 1,500 rpm, cortando así la roca que forma el fondo del pozo. La invención proporciona un método de perforación de roca más rápido que el disponible anteriormente y, por lo tanto, predice una reducción en el costo y el consumo de energía en la realización de dicha operación. Debido a que la boquilla no entra en contacto con la roca, hay un aumento en la vida útil de las puntas de la boquilla a un nivel mucho mayor que el alcanzado actualmente.

ESQUEMAS QUE NOS MUESTRAN EL FUNCIONAMIENTO

FIG. 1 Es un diagrama esquemático del aparato experimental utilizado para medir el rendimiento de perforación de la boquilla de chorro

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FIGURA 2: Es una vista en sección longitudinal de una muestra de roca abierta para mostrar cómo se realiza la perforación por chorro de agua a alta presión;

FIGURA 3: Es una vista en sección ampliada de una boquilla de chorro experimental utilizada para realizar la perforación de la FIG. 2;

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FIGURA 4: Es una vista en sección ampliada de la boquilla de perforación por chorro mejorada de la presente invención;

FIGURA 5: Es un gráfico que muestra la variación en el diámetro del orificio en función de la velocidad ofendida para diferentes velocidades de rotación;

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FIGURA 6: Es un gráfico que muestra la variación en el diámetro del orificio en función de la velocidad ofendida para diferentes separaciones angulares de los chorros de la boquilla;

FIGURA 7: Es una vista esquemática en sección de un recipiente a presión triaxial modificado usado para simular perforaciones a profundidades profundas en la tierra; y

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FIGURA 8: Es un gráfico que muestra la variación en el diámetro del pozo en función de la presión del pozo.

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5. CONCLUSIONES 6. RECOMENDACIONES

7. BIBLIOGRAFÍA

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OSWALDO ORTIZ SÁNCHEZ, E. MAURO GIRALDO PAREDES, GUDELIA CANCHARI SILVERIO (2009), TITULO: MINE HARD ROCK EXCAVATION WITH NO BLASTING.

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CONMICO, TECNOLOGÍA DE SISTEMAS DE ALTA PRESIÓN.

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FEBRERO 15TH, 2016, ESPAÑA. TÍTULO: PERFORACIONES Y SONDEOS EN TERRENOS DE ROCA DURA.

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COILED TUBING (2008), NEW TECHNOLOGY MAGAZINE, TITULO: EL AGUA A PRESIÓN VENCE A LA ROCA.

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CARLOS LOPEZ JIMENO, ET AL. TITULO: PERFORACIÓN Y VOLADURA DE ROCAS.

MANUAL

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