Perforación a rotación

ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN LA PERFORACIÓN POR ROTACIÓN DE UN POZO

-Columna o sarta de perforación

-La máquina perforadora que, desde la superficie del terreno, proporciona a la sarta el movimiento de giro y avance que se transmite al útil de corte.

-El fluido de perforación, que en general es un lodo formado por bentonitas a las que se han añadido ciertos aditivos para adecuar sus características a las necesidad de perforación para pozos.

TECNICA

En la construcción de pozos para agua se aprovechan los conocimientos y técnicas puestas a punto para los sondeos de petróleo, pero con las simplificaciones de todo orden que se derivan de su menor profundidad y con algunas peculiaridades propias, como el empleo de mayores diámetros, colocación de filtros, desarrollo con aire comprimido y otros procedimientos.

La perforación a rotación se realiza el fluido de perforación se inyecta a alta presión desde el cabezal a la herramienta de corte a través del interior del tren de varillaje. El mecanismo impulsor suele ser una bomba de pistones (bomba de lodos). El lodo inyectado en el tricono sale a alta presión a través de unos orificios, los "jet" cumpliendo con la doble función de refrigerar y limpiar las piñas del tricono y arrastrar los detritus. El lodo asciende, impulsado por la propia presión de inyección, por el espacio anular entre el varillaje y las paredes de la perforación hasta el exterior, donde es canalizado hacia el sistema de balsas. Antes de rebombearlo al interior del sondeo se debe descargar en la medida de lo posible su contenido en detritus, bien mediante dispositivos tipos mesas vibrantes y tamices, o simplemente mediante decantación en balsas.

En general, suelen presentar mayores dimensiones y suelen ser más complejos que los de percusión. Si se comparan, ambos coinciden en el tipo de plataforma (trailer o semitrailer) normalmente con mayor número de ejes para mejor reparto del peso. El mástil, a veces de tipo telescópico, está constituido por una estructura metálica reforzada y es abatible y/o desmontable para el transporte. Además de los motores, cabrestantes, etc., suelen llevar montados sobre el chasis otros elementos mecánicos como bombas de lodos, compresor, etc, según las características de cada equipo. Pero en cambio, son claramente distintos los elementos que constituyen la sarta de perforación.

La mecánica de perforación se basa en el corte por cizallamiento o desgaste por abrasión. Este efecto se produce en esquema mediante una herramienta de corte combinando presión/peso sobre la formación, y un movimiento rotativo, al tiempo que un fluido limpia, transporta y extrae los detritus arrancados.

Los principales parámetros que se definen en la perforación a rotación son: el peso sobre la herramienta, la velocidad de rotación, las características de la herramienta de corte y la naturaleza y sentido de la circulación del fluido de perforación.

SISTEMAS DE PERFORACION A ROTACION CON CIRCULACION DIRECTA Y CON CIRCULACION INVERSA

Las dos principales variantes del sistema de rotación son la rotación con circulación directa y la rotación con circulación inversa. La principal diferencia entre ambas radica en el sentido de circulación del fluido de perforación. No obstante, ya los modernos equipos de perforación a rotación suelen estar preparados para trabajar a varios sistemas (circulación directa o inversa, retopercusión, rotación con aire), pudiendo de este modo adaptarse a las condiciones específicas de cada perforación.

Cuando el diámetro de una perforación es grande, la velocidad del lodo en el anular comprendido entre la pared del varillaje y el terreno, resulta muy pequeña e insuficiente para elevar el detritus o ripio a la superficie, haciendo lenta y peligrosa la perforación. Para evitar esto se invierte el sentido de circulación del lodo, es decir, se le hace descender por el anular y retornar por el interior del varillaje, que además, es de mayor diámetro. Con ello se obtienen 3 ventajas: (1) gran capacidad de extracción de detritus debido a la alta velocidad del lodo en el interior del varillaje; (2) pequeña cantidad de descenso del lodo por el anular, con mínimo efecto de erosión en las paredes del terreno, disminuido aún por tratarse de lodo limpio, sin partículas de detritus; (3) posibilidad de emplear (si la formación se sostiene) lodos de baja densidad y viscosidad, puesto que la capacidad de arrastre del detritus está confiada a su alta velocidad en el interior del varillaje. Con estos lodos ligeros, que pueden llegar a ser agua limpia, no se corre el riesgo de impermeabilizar acuíferos de poca potencia o escasa presión.

La principal diferencia entre los equipos de rotación directa o los de rotación inversa es que, mientras los primeros utilizan una bomba de lodos, los segundos utilizan un compresor, que generalmente suele llevar su propio motor. En ambos casos, estos elementos suelen ir montados sobre el propio chasis de la máquina, aunque a veces, debido al tamaño de los compresores suelen ir en remolques independientes.

Otra diferencia entre la rotación directa y la inversa estriba en el varillaje, aunque en la circulación inversa las varillas que se utilizan por debajo de la cota de inyección del aire son comunes a las de circulación directa.

En cuanto a las herramientas de corte son iguales en la rotación directa y en la inversa, aunque adaptadas al particular tipo de circulación. Por ejemplo, a los triconos se les obturan los "jets", mientras que para la aspiración se abre un orificio central. Mientras que el problema más frecuente de la circulación directa es el emboce de las piñas del tricono por insuficiente limpieza, en la circulación inversa, el problema más frecuente es la obstrucción de la aspiración de cantos gruesos.

En sondeos poco profundos, el efecto de circulación inversa se puede provocar por aspiración, generalmente mediante bombas centrífugas, aunque en la práctica, su eficacia se ve limitada a unos 6 m. El efecto de "aspiración" se puede lograr de varios sistemas: utilizando un varillaje de doble pared o con conductos laterales, de forma que puede inyectarse aire a presión mediante un compresor. A una profundidad determinada se introduce el aire, mediante un sistema de válvulas, al interior del varillaje, que está relleno de agua o lodo. La inyección del lodo provoca un "aligeramiento" en la columna de lodo del interior del varillaje con respecto a la columna del anular, con la consiguiente diferencia de presión que induce un efecto de "aspiración". De este modo el lodo asciende por el interior del varillaje, arrastrando los detritus de perforación hasta el exterior.

SISTEMAS DE TRANSMISION DE ENERGIA A LA SARTA DE PERFORACIÓN

Actualmente existes dos sistemas de transmisión de la energía rotativa a la sarta de perforación: mediante mesas de rotación y mediante un cabezal de rotación.

* Mesas de rotación: La mayor parte de los equipos, sobre todos los de mayor capacidad, transmiten el movimiento rotativo mediante mesas de rotación. Este elemento lleva en su eje un hueco ajustado a la sección de la barra Kelly. Suelen ser elementos abatibles o incluso totalmente desmontables, para permitir las operaciones de entubación. Por esta razón requieren de otro elemento para soportar el peso de la sarta de perforación, y al mismo tiempo, conectar el circuito del fluido de perforación en el tren de varillaje, que es el denominado giratoria de inyección y que está soportado por un cabrestante y debe tener capacidad para soportar grandes cargas a considerables revoluciones.
Su principal ventaja radica en su elevado par de rotación, su capacidad para trabajar a mayor rango de velocidad y la sencillez de su mecánica.
* Cabezal de rotación. Consiste en un elemento de accionamiento mecánico-hidráulico que se desplaza a lo largo de la torre de perforación gracias a cilindros hidráulicos y/o transmisiones de cadenas. Este sistema se instala en la mayoría de las perforaciones modernas. Disponen de capacidad de empuje sobre la herramienta de corte, importante en la primera fase de perforación, mientras que en las otras perforadoras apenas existe peso disponible. También disponen de mejor control sobre el peso, mayor velocidad de maniobras (los cabezales suelen tener capacidad para autoalimentarse y roscar nuevas varillas) y precisan de menor número de operarios ya que el manejo es más automatizado.