ATLAS COPCO
MANUAL DE PERFORACION
PROLOGO
En las primeras épocas de la perforación rotativa era bastante difícil asegurar la perfecta combinación de los los diferentes componentes componentes de una columna de barras barras de perforación para que coincidieran en dimensiones roscadas, diámetros, pesos, longitudes, y diseños geométricos. En la actualidad en el vasto campo de la minería los aceros de perforación se fabrican conforme a especificaciones desarrolladas desarrolladas y aprobadas por organismos calificados, certificados y aprobados aprobados internacionalmente. ATLAS COPCO
THIESSEN THIESSEN TEAM
es una compañía fabricante de aceros de perforación para la minería con mas de 100 años de experiencia abasteciendo a los grandes centros mineros, esta trayectoria y experiencia también nos ha permitido participar en todas las etapas de evolución y desarrollo de los equipos de perforación para la minería de superficie y subterránea, siendo uno de los primeros en asegurar estándares de calidad bajo especificaciones A.P.I. y B.E.C.O. y procesos procesos de fabricación con certificación ISO-9000- 2001para nuestros aceros.
Este manual de perforación contiene especificaciones técnicas, recomendaciones de uso operativo de los aceros, mantenimiento y cuidado de todos los componentes de la columna de perforación. Su propósito es entregarles a los usuarios, perforistas, mecánicos e instructores un nivel de información técnica en un lenguaje simple de tal manera que pueda ser un textol de consulta rápida y confiable.
CONCEPTOS BASICOS SOBRE GEOLOGIA La corteza de la tierra consiste en diferentes tipos tipos de rocas que están compuestas compuestas de uno o más componentes químicos o elementos minerales. Los minerales tienen diferentes durezas y se clasifican de acuerdo a su escala de dureza y resistencia a la compresión. Los geólogos describen a los minerales como sustancias naturales inorgánicas, sólidas con composición química, forma cristalina y propiedades físicas características.
PROLOGO
En las primeras épocas de la perforación rotativa era bastante difícil asegurar la perfecta combinación de los los diferentes componentes componentes de una columna de barras barras de perforación para que coincidieran en dimensiones roscadas, diámetros, pesos, longitudes, y diseños geométricos. En la actualidad en el vasto campo de la minería los aceros de perforación se fabrican conforme a especificaciones desarrolladas desarrolladas y aprobadas por organismos calificados, certificados y aprobados aprobados internacionalmente. ATLAS COPCO
THIESSEN THIESSEN TEAM
es una compañía fabricante de aceros de perforación para la minería con mas de 100 años de experiencia abasteciendo a los grandes centros mineros, esta trayectoria y experiencia también nos ha permitido participar en todas las etapas de evolución y desarrollo de los equipos de perforación para la minería de superficie y subterránea, siendo uno de los primeros en asegurar estándares de calidad bajo especificaciones A.P.I. y B.E.C.O. y procesos procesos de fabricación con certificación ISO-9000- 2001para nuestros aceros.
Este manual de perforación contiene especificaciones técnicas, recomendaciones de uso operativo de los aceros, mantenimiento y cuidado de todos los componentes de la columna de perforación. Su propósito es entregarles a los usuarios, perforistas, mecánicos e instructores un nivel de información técnica en un lenguaje simple de tal manera que pueda ser un textol de consulta rápida y confiable.
CONCEPTOS BASICOS SOBRE GEOLOGIA La corteza de la tierra consiste en diferentes tipos tipos de rocas que están compuestas compuestas de uno o más componentes químicos o elementos minerales. Los minerales tienen diferentes durezas y se clasifican de acuerdo a su escala de dureza y resistencia a la compresión. Los geólogos describen a los minerales como sustancias naturales inorgánicas, sólidas con composición química, forma cristalina y propiedades físicas características.
La mezcla de minerales forma las rocas, y basados en su método método de formación se clasifican en tres tipos: Ígneas Sedimentarias Metamórficas Las rocas ígneas ígneas se forman del magma o silicato líquido fundido, cuando él liquido se enfría rápidamente en o cerca de la superficie de la tierra forma rocas muy finas o de textura vidriosa denominadas rocas extrusivas. Rocas ígneas extrusivas son, piedra pómez, o pumacina, el basalto, la obsidiana, y la riolita. Las rocas ígneas intrusivas se forman cuando el magma se solidifica lentamente a grandes profundidades bajo la corteza de la tierra. Ellas se caracterizan por una textura de grano grueso y a veces grandes cristales, ejemplo: Granito, diorita, y gabro. Son rocas ígneas intrusivas: Diorita 170 a 300 mpa Gabro 260 a 350 mpa 200 a 350 mpa Granito El tipo de roca formado depende de la composición química del magma y de los minerales que se cristalizan en la mezcla fundida.
El basalto ( extrusivo ) y el gabro ( intrusivo ) se forman de de magmas pobres en sílice. Son rocas extrusivas. 300 a 400 mpa Andesita 250 a 400 mpa Basalto 120 mpa Riolita 330 mpa Traquita Rocas sedimentarias, sedimentarias, las rocas sedimentarias se han formado por alteraciones climáticas de la corteza sólida de la tierra, la cual se ha desi ntegrado y sedimentado en los ríos y e n el fondo de los mares prehistóricos. Las rocas sedimentarias se clasifican en clásticas y precipitadas, las clásticas ( quebradizas ) se forman por la consolidación de arcillas, arenas, restos de conchas y fragmentos de otras rocas, tienen origen clástico la arenisca, los esquistos, y los conglomerados.
Las precipitadas se forman por la precipitación precipitación química disueltas en agua, de esta manera se forman el yeso, la dolomita, la caliza, y la sal, ellas p ueden incluir algunos materiales clásticos tales como conchas o fósiles. Son rocas sedimentarias. Conglomerados Areniscas Pizarra de grano fino Caliza Dolomita Rocas metamórficas.
140 mpa 160 a 255 mpa 70 mpa 120 mpa 150 mpa
Estas rocas se forman de rocas ya existentes, sean estas ígneas, sedimentarias, o previamente metamorfoseadas, la estructura, la textura y en algunos casos la mineralogía de la roca matriz cambian durante el calor y la presión intensos del metamorfismo. metamorfismo. El calor y la presión resultan del profundo entierro en la carcaza terrestre o debido al contacto cercano con el magma, las más comunes son. Esquistos, mármol, cuarcita, anfibolita, y calizas cristalinas. Son rocas metamórficas.
Mármol Neis Cuarcita Esquisto Serpentina Pizarra
100 a 200 mpa 140 a 300 mpa 160 a 220 mpa 60 a 400 mpa 30 a 150 mpa 150 mpa
Resistencia a la compresión. Es la cantidad de carga que una muestra de roca podría soportar hasta el momento de quebrarse y se usa generalmente como índice estándar de perforabilidad. Se expresa en: Mpa, kilos por centímetro cuadrado o en libras por pulgada cuadrada, La perforabilidad depende entre otras cosas de la dureza de los minerales constituyentes y del tamaño de sus granos. Uno de los minerales más comunes en la formación de las rocas es el cuarzo y debido a que es muy duro un gran contenido de el hará que la roca sea muy dura de perforar y causara causara mucho desgaste a las herramientas herramientas de perforación, en este este caso se dice que la roca es abrasiva. El contenido de sílice es mayor en la cuarzita y arenisca y menos en los minerales de hierro y algunas calizas. Una estructura de grano grueso es más fácil de perforar y causa menos desgaste a los aceros que una estructura de grano fino.
FUNDAMENTOS Y GENERALIDADES DE LA PERFORACIÓN El resultado de una operación extractiva dependerá fundamentalmente de sus costos, razón por la cual la perforación es de la mayor importancia en el costo de la remoción de minerales o roca , por lo tanto tratar de rebajar su incidencia en el costo de producción será la principal preocupación del personal a cargo del área de perforación y tronadura. Los factores que influyen en la rebaja de costos de la perforación son variados, aquí presentamos los mas comúnmente considerados.
Tipo de explosivo a usar. Altura de los bancos. Tonelaje que el explosivo puede remover
Tamaño de la perforación, profundidad de los tiros y espaciamiento. Angulo de la perforación Tonelaje promedio a obtener diariamente Capacidad del chancador primario Capacidad de los equipos de carguío y transporte Aptitud y actitud del personal de perforación y tronadura Experiencias anteriores en tronadura Características del clivaje de la roca Características de perforabilidad de la roca Disponibilidad de los equipos de perforación
¿C óm o el eg i r el eq u ip o ad ec u ad o c ap az d e p er f o r ar y q u eb r ar c u al q u ier t ip o d e ro c a?
En realidad considerando las casi infinitas variables de combinaciones, de los componentes de la roca, los tipos de formaciones en las cuales se opera, los objetivos que se persiguen cada vez de mayor exigencia con la perforación descartan cualquier opción de contar con un equipo y un método universal para perforación. La dureza es solo uno de los factores que deben ser considerados en la elección de un método de perforación, cualquier formación puede ser altamente dura o abrasiva, depende solo de su ubicación geográfica, en estas condiciones la perforación puede llegar a ser un gran problema.
PERFORACIÓN EN FORMACIONES DURAS, FRACTURADAS O FORMACIONES INCLINADAS. Tal vez los yacimientos con mantos muy inclinados sean el peor escenario para una faena de perforación, son en extremo complicados ya que hay perdidas de circulación de aire o agua , dificultad en la limpieza y atascamiento de la columna de perforación, después de la empatadura las barras tienden a seguir los clivajes o fallas, lo que indudablemente va a dar como resultado tiros torcidos y barras de perforación fatigadas con altos riesgos de ruptura en las zonas de mayor tensión como los radios de los fondos de las roscas, las zonas de uniones soldadas o cualquier otro punto de tensión. Los equipos rotativos tienen una clara ventaja en la perforación de formaciones fracturadas debido a que el área anular es pequeña y por lo tanto la velocidad de retorno del aire con material triturado es muy alta (velocidad de barrido), esto hace que el tiro se limpie antes de que las partículas se depositen en las grietas o zonas de fracturas. Si se encuentra humedad o barro en vetas arcillosas, esquistos viscosos o en grietas se van a formar anillos alrededor de la columna, lo que puede presentar peligros de atascamiento o dificultades para cargar el tiro con el explosivo adecuado. Para controlar este problema podríamos agregar agua o detener la perforación por un rato dejando que el agua se acumule hasta cierta altura para enseguida soplar con todo el aire, esto hace que el pozo se limpie dejando las paredes suaves.
En formaciones que tienen mucha agua se presenta un serio problema para los equipos de perforación rotativa ya que su baja presión de aire 40 a 50 p.s.i. a veces no son suficientes para evitar la formación de una columna estática que reduce la capacidad del aire para levantar el material removido por el tricono desde el fondo del pozo. La perforación rotativa se introdujo como mejora tecnológica en el año 1909 por su inventor Howard R. Hugues, la nueva herramienta consistía en conos giratorios con dientes cortantes que rodaban en el fondo del pozo y creaban una acción de escopleado o traslapeo, esta nueva herramienta de conos permitió a las perforadoras rotativas exceder lejos los mejores rendimientos alcanzados en formaciones duras, en esos tiempos aun no se pensaba aplicar el nuevo método a la perforación de minería, solo fueron usadas en exploración geofísica, pozos de agua y por supuesto el petróleo. Debido al rápido incremento en el uso de la rotación en la perforación de roca, los fabricantes de perforadoras y de triconos han tenido que ir ofreciendo cada vez mejores elementos. Los fabricantes de triconos por ejemplo han hecho significativos avances en el diseño de los dientes y en la capacidad de los cojinetes , como resultado de esto ahora se recomiendan aplicaciones de mayor peso sobre el tricono, de modo que las formaciones duras puedan ser perforadas económicamente con brocas rotativas. PERFORACIÓN A PERCUSIÓN. Es el método usado para hacer una perforación en roca utilizando las hondas de choque producidas por una masa que golpea a una broca en rotación o a una columna de barra giratoria que tiene una broca en el extremo opuesto, la rotación de la broca se produce por uno o más dispositivos de giro, rifle, bar, motor integral, o por un accionamiento externo. Las perforadoras de percusión se clasifican en dos tipos: Perforadoras de superficies. Perforadoras de fondo o D.T.H. Las perforadoras de superficie son las mas usadas y se llaman así debido a que el martillo de perforación trabaja sobre la superficie del terreno y la columna o sarta de barras se instala entre este y la broca de perforación, una de sus ventajas es el bajo peso de los montajes de sus aceros o herramientas. Entre las perforadoras de superficie se encuentran las guaguas, las perforadoras con émbolos o de patas, las perforadoras con drifters, y los stopers que son herramientas que se pueden usar en espacios muy reducidos por un solo hombre sin necesidad de montarlas en aparatos especiales, otra de sus ventajas es que pueden perforar en todo tipo de ángulos, sean horizontal, radial, vertical ascendente o descendente. En este sistema de perforación la energía de impacto transmitida por el martillo a través de las barras de extensión debe ser utilizada al máximo de tal manera que la fuerza de avance sea constante razón, por la cual el equipo de perforación debe estar firmemente posicionado al piso. Una condición muy importante que los operadores deben tener en cuenta es que las nuevas maquinas perforadoras tienen una gran energía de impacto lo que permite una alta velocidad de perforación, en estas condiciones es recomendable disminuir la velocidad de perforación para permitir que el material removido tenga el tiempo de ser evacuado a la superficie desde el fondo el tiro.
En ocasiones es necesario el uso de espuma de flotación cuando el material a perforar es de alta densidad, la espuma de flotación actúa como elemento de flotación permitiendo a los detritus ser evacuados por flotación. Dentro de las desventajas de las perforadoras de superficie están la limitación de las longitudes de tiros, por el rango de diámetros y profundidades que pueden cubrir , por ejemplo en tiros de 100 mts. de profundidad la energía que se pierde en la sarta de barras reduce severamente la penetración, el problema de la desviación de tiro puede llegar a su punto mas critico perforando en seco, la limpieza o barrido puede tornarse muy difícil. El ruido es otra desventaja de las perforadoras de superficie , por el hecho de estar prácticamente a la altura del oído del perforista hace que el nivel de ruidos sobrepase los límites permitidos . El acero de perforación constituye otra desventaja, puesto que a través de ellos se debe transmitir y absorber toda la energía de impacto a la herramienta de perforación, exponiéndolas a una gran concentración de tensiones y esfuerzos por lo que el costo del acero en los casos de tiros profundos puede ser muy alto debido a que un alto porcentaje de esta energía no llega a la herramienta de corte.
PERFORACIÓN DE FONDO – DTH (DOWN THE HOLE). Este sistema trabaja en la parte inferior de una columna de perforación y su principal característica es que actúa directamente sobre la roca que debe perforar, esto hace que la eficiencia de trabajo sea mucho mayor ya que a diferencia del sistema de perforación de superficie la energía perdida entre la columna y la herramienta de trabajo se mantiene en un m ínimo constante. Otra ventaja de este sistema es la limpieza de los tiros sobre todo en terrenos secos, esto producto del mínimo espacio anular que existe entre las barras y la herramienta de corte hacen que la velocidad de barrido sea muy buena aprovechando el aire de escape del martillo de perforación. El bajo ruido existente es otra ventaja debido a que la percusión del martillo y el escape de los ruidos se efectúan en el fondo del pozo. Entre sus desventajas esta el riesgo de operar un equipo neumático debajo de la superficie, si por accidente o por derrumbe del pozo cae material hacia el fondo se formara un anillo de obstrucción que evitara y/o dificultará la remoción y extracción del material removido, en algunas ocasiones esto es hasta imposible con la consiguiente perdida del martillo de perforación con herramienta incluida y parte de la columna de perforación. Como principal recomendación se sugiere que si la cantidad de agua bajo la superficie es mucha se formara barro demasiado pesado que pondrá en riesgo la operación por la dificultad de la limpieza del pozo, de la misma forma no se recomienda este sistema para zonas blandas ni de durezas variables . Las principales recomendaciones a tener en cuenta en la planificación de la perforación con martillo de fondo son las siguientes:
Diámetro de la perforación. La primera recomendación para una perforación eficiente es que entre el diámetro exterior del martillo y el diámetro exterior de bit de perforación debe existir una diferencia de diámetro ideal de ½” ó 12,7 m/m.
Este es el espacio anular que quedara entre el hoyo a perforar y el martillo de fondo, es suficiente para reducir el riesgo de derrumbe del pozo y suficiente para la evacuación del material cortado por el bit. Consumo de aire. Para la perforación con martillo de fondo se debe tener en cuenta el aire disponible en los compresores del equipo, en la medida que los martillos aumentan de diámetro se requiere un mayor consumo de aire pero una menor presión. Siempre es necesario consultar el catalogo del fabricante del martillo para conocer los parámetros de uso. Equipos de perforación. Las principales características de un equipo de perforación para trabajar con martillos de fondo deben ser el torque para la apropiada rotación, y su capacidad de levante. Los diseños geométricos de los bits de perforación son de una alta importancia para la eficiencia de la perforación, es así como existen tres diseños para una adecuada selección.
Cóncava. . Ideal para todo tipo de perforaciones, su vaciado frontal permite guiar la dirección del pozo, ideal para zonas blandas y semiduras.
Plana. Adecuada para perforaciones en zonas semiduras a duras, tienen más insertos en su frente lo que permite romper con mayor eficiencia la roca.
Convexa. Permite una mayor velocidad de perforación, su geometría da mayor resistencia a los botones, es adecuada para zonas duras y abrasivas.
Las velocidades de barrido necesarias para la limpieza de los hoyos deben estar entre 4.000 pie/min a 7.000 pie/min. Una velocidad mayor a este rango causará un desgaste excesivo por proyección de partículas a altas velocidades. Otras recomendaciones importantes para la perforación con este sistema estàn en el control de peso sobre el bit, se debe considerar que un martillo con percusión en el fondo necesita solamente el peso suficiente para mantener el bit en el fondo del hoyo, perforar con excesivo peso solo reducirá la vida útil del bit de perforación y aumentará la presión sobe la columna de perforación. De la misma forma un peso insuficiente tambien es perjudicial ya que si el martillo no está suficientemente apoyado en el fondo del hoyo la energía de impacto aplicada sobre el pistón no será transferida adecuadamente al bit. Una rotación a la inversa o impactos sin rotación pueden ser causantes de desacoplamiento de los hilos de unión entre las barras y/o el martillo, esto tiene un alto riesgo de que las barras se puedan caer al pozo que se está perforando. Antes de poner en servicio un martillo de fondo se debe ubicar en posición vertical, retirar el protector de hilos de la culata, presionar hacia abajo la válvula de no retorno y lubricar manualmente el martillo, con una cantidad de ¼ litro aproximadamente.
Tambien es conveniente confirmar que el bit esté seguro con los retenedores de bit, y comprobar que el sistema de lubricación del equipo se encuentre en buenas condiciones.
DESPIECE DE MARTILLO ( DOWN THE HOLE )
TRICONOS DE PERFORACIÓN.
En el diseño de triconos el factor de control es el espacio disponible debido a que las dimensiones están limitadas por el diámetro del pozo que debe ejecutarse. Por tal razón los diseñadores deben considerar la proporción de las diferentes partes tales como. Cojinetes o rodamientos. Espesor del cuerpo de los conos. Tamaño de los botones. En los triconos se asegura la mayor duración debido a que su diseño permite la máxima utilización del espacio disponible, además el tricono es más efectivo para mantener el diámetro constante del tiro puesto que tiene mayor superficie calibradora. Los conos están montados sobre un eje de rodamientos o cojinetes los que a su vez forman parte de las patas o faldones de los triconos, esta construcción integral provee la superficie y resistencia para soportar las cargas que la actual técnica de diseños y exigencias de perforación imponen sobre el tricono. La carga o el pulldown sobre la roca es absorbida por los rodamientos de bolas, de rodillos o cojinetes de friccion ubicados cerca de la base de los conos. Los triconos de diámetros superiores a 12” ¼ tienen
dos o más rodamientos de rodillos para aumentar su capacidad de empuje sobre la roca. Para obtener mayor acción sobre el fondo del pozo se recurre a la excentricidad de los ejes de los tres conos, la excentricidad de los conos se traduce en una mayor penetración en la mayoría de las formaciones debido a la acción de escariado adicional de los dientes del cono. El valor de la excentricidad de los conos depende de la formación que deba perforarse, pues la acción de escariado en formaciones abrasivas desgasta más rápidamente los dientes, así como también el diámetro del tricono. El tricono, el compresor, la perforadora y todos los componentes de la columna de perforación deben complementarse para para lograr la perforación m ás económica y eficiente. La formación que se va perforar es la que indica que se necesita de la broca y de los accesorios de la columna de perforación tales como diámetros de barras espesor de tubo de barras, tipos de recubrimientos antiabrasivos etc.etc. La experiencia en terreno indica que una velocidad anular de barrido de 5.000 pie/min. Es suficiente para la remoción de los recortes de materiales livianos en la mayoría de los casos, y que para materiales pesados se necesitaran unos 7.000 Pie/Min o tal vez más. SELECCIÓN Y USO DE TRICONOS El rendimiento de un tricono se ve afectado por varias características de la formación incluyendo su resistencia, de todas maneras no existe un método para relacionar estas características directamente con la selección del tricono.
Quizás la manera más simple de seleccionar el tricono adecuado sea determinar el tipo de formación que se va a perforar, en cualquier caso el método final para determinar el tipo de tricono es la experiencia que esta dando la actual perforación. En las formaciones muy blandas los pesos se pueden reducir y todavía producir un buen rendimiento, el mejor método de determinar el peso óptimo sobre el tricono es dictado por la práctica de la perforacion en cada caso. La velocidad de rotación variará en cada caso entre 50 a 80 r.p.m. el aumento de la velocidad de rotación aumentará la velocidad de penetración, pero al mismo tiempo aumentará el desgaste de los rodamientos y la estructura de corte , este efecto deberá ser observado en el proceso de evaluación de los resultados de variaciones de velocidad. También en este caso la experiencia de terreno será el mejor camino para determinar la mejor combinación de los resultados de peso y velocidad de rotación. el diámetro de las toberas de un tricono dependerá de eficiencia volumétrica del compresor y de su capacidad de presión de operación, el tamaño de la boquilla deberá permitir el paso del aire a través de la broca y además mantener una contra presión que permita forzar una adecuada cantidad de aire por los rodamientos a fin de mantenerlos refrigerados y limpios, las pruebas de laboratorio y la experiencia en terreno han demostrado que la vida de los rodamientos se reduce por la presencia de agua en la línea de aire, razón por la cual si se usa agua para el control del polvo deberá ser con algunas restricciones en las cantidades a usar.
CARACTERÍSTICAS DE FALLAS DE TRICONOS Y RECOMENDACIONES FALLA
DESGASTE DIAMETRAL
EROSION DE CONO
CAUSAS PROBABLES
SOLUCIONES
BROCA INADECUADA VELOCIDAD EXCESIVA ATRAPAMIENTOPOR DERRU MBE DE POZO PERDIDA DE CIRCULACIÓN DE AIRE BARRAS TORCIDAS CAMBIO A FORMACIÓN CON DIFERENTE DUREZA
BROCA CON MEJOR RECUBRIMIENTO BAJAR LAS R.P.M. REPASAR LENTAMENTE CON TRICONO USADO VOLUMEN Y PRESION DE AIRE ADECUADA REVISAR Y/O CAMBIAR BARRAS LEVANTAR Y REPASAR VARIANDO PESO Y R.P.M.
BROCA INADECUADA PESO EXCESIVO MALA CIRCULACIÓN DE AIRE
BROCA PARA FORMACIÓN MAS BLANDA REDUCIR PESO REDUCIR SI HAY EXCESO Y SI SE PRODUCE ARENADO USAR MINIMO POSIBLE.
EXCESO DE AGUA MALA CIRCULACIÓN DE AIRE PESO EXCESIVO VELOCIDAD EXCESIVA CONDUCTOS DE AIRE TAPADOS TERRENO FRACTURADO
DESGASTES DE RODAMIENTOS
DESGASTE DE NÚCLEO ( CORING)
EMPATAR SIN AIRE O CON POCO AIRE MALA CIRCULACIÓN DE AIRE MALA INICIACIÓN DE TRICONO
TRANSPORTE O MANIPULACIÓN INADECUADA TRICONO INADECUADO
QUEBRADURA DE INSERTOS
FALLAS AL INICIO VELOCIDAD EXCESIVA CAMBIO BRUSCO DE FORMACIÓN VIBRACIONES EXCESIVAS MATERIAL EXTRAÑO EN EL FONDO DEL POZO
PERDIDA DE INSERTOS
ENTRABAMIENTO O EMBOTADURA
INSERTOS GASTADOS
EVITAR ESTA PRACTICA CHEQUEAR COMPRESOR Y/O CAMBIAR BOQUILLAS A TRICONOS CON TRICONO NUEVO INICIAR LENTAMENTE Y CON POCO PESO
MEJORAR CONDICION PONER TRICONO CON INSERTOS CORTOS PARA FORMACIÓN DURA INICIO DE PERFORACIÓN LENTO BAJAR R.P.M. BAJAR R.P..M Y PESO CONTROLAR R.P.M. Y PESO, USAR AMORTIGUADOR Y /O REVISAR AMORTIGUADOR LIMPIAR PERFORACIÓN CON HERRAMIENTAS RESCATADORAS
CONO EROSIONADO
MEJORAR CIRCULACIÓN DE AIRE
EXCESO DE PESO BROCA INADECUADA
DISMINUIR PESO CAMBIAR A TRICONO PARA FORMACIÓN MAS BLANDA MEJORAR CONDICION
CIRCULACIÓN DE AIRE INSUFICIENTE EXCESO DE AGUA
CONOS ESTAMPADOS O CON HUELLAS
CHEQUEAR COMPRESOR Y/O CAMBIAR BOQUILLAS DE TRICONOS DISMINIR PESO BAJAR R.P.M. LIMPIAR CONDUCTOS BAJAR PULLDOWN
BROCA INADECUADA PESO O ROTACION INADECUADA BARRAS TORCIDAS HILOS DEFECTUOSOS
POCA PENETRACIÓN BARRAS TORCIDAS EXCESO DE R.P.M.
CONTROLARLA CAMBIAR A BROCAS PARA FORMACIÓN BLANDA CAMBIAR PESO Y/O R.P.M. REVISAR BARRAS CUIDAR LAS CONEXIONES, USAR GRASA
AUMANTAR PESO REVISAR BARRAS, CAMBIAR A INSERTOS MAS DUROS BAJAR R.P.M.
FORMULA PARA CALCULAR LA VELOCIDAD DE BARRIDO (Vb) EN PIE x MINUTOS (ppm)
Vb
=
C.F.M. x 183,4 ز Bit - ز Barras
Donde : Vb C.F.M. ز Bit ز Barras
: es la Velocidad de barrido, : es el caudal de aire del compresor expresado en pie3/min. : es el diámetro del bit, expresado en pulgadas. : es el diámetro de la columna de barras, expresado en pulgadas.
Ejemplo práctico. Que velocidad de barrido se necesita para trabajar con un bit de diámetro 6” ½, una columna de barras de 4” ½ y un compresor con capacidad de 600 c.f.m.
Vb
=
Vb
=
600 (cfm) x 183,4 = 6-1/2² - 4-1/2²
110,040 22
5,000 p.p.m.
FORMULA PARA CALCULAR CAUDAL DE AIRE (Q) EN PIE ³ /MIN
Q
=
27,272 x D² - d²
Donde: Q D² d²
: es el caudal de aire necesario para obtener una velocidad de barrido anular de 5.000 ppm, expresado en C.F.M. (pie3/min) : es el diámetro del tricono de perforación, expresado en pulgadas. : es el diámetro de la columna de barras, expresado en pulgadas.
Ejemplo práctico:
Cuantos CFM se necesitan en una columna de barras de diámetro 8-5/8” y un tricono de perforación de 9-7/8”?
Q
=
27,272 x 9-7/8 ² - 7-5/8²
Q
=
1.074 CFM
EFICIENCIA DEL AIRE COMPRIMIDO A DIFERENTES ALTURAS
ALTURA PIES Y MTS. 0 PIES
=
O MTS.
1.000 PIES = 304.8 MTS. 2.000 PIES = 609.6 MTS. 3.000 PIES = 914.4 MTS. 4.000 PIES = 1.219 MTS 5.000 PIES = 1.524 MTS. 6.000 PIES = 1.828.8 MTS. 7.000 PIES = 2.133.6 MTS. 8.000 PIES = 2.438.4 MTS. 9.000 PIES = 2.743.2 MTS. 10.000 PIES = 3.048 MTS. 11.000 PIES = 3.352.8 MTS. 12.000 PIES = 3.657.6 MTS. 13.000 PIES = 3.962.4 MTS 14.000 PIES = 4.267.2 MTS. 15.000 PIES = 4.572.0 MTS. 16.000 PIES = 4.876.8 MTS 17.000 PIES = 5.181.6 MTS. 18.000 PIES = 5.486.4 MTS.
PRESION BAROMÉTRICA P.S.I
% DE EFICIENCIA VOLUMETRICA
% DE PERDIDA POR ALTURA
14.75 14.20 13.67 13.16 12.67 12.20 11.73 11.30 10.87 10.46 10.07 9.70 9.34 8.98 8.65 8.32 8.00 7.69 7.39
100 % 97 % 94 % 91 % 87 % 84 % 81 % 78 % 75 % 72 % 69 % 66 % 63 % 60 % 57 % 54 % 51 % 48 % 45 %
0% 3% 7% 10 % 13 % 16 % 19 % 22 % 25 % 28 % 31 % 34 % 37 % 40 % 43 % 46 % 49 % 52 % 55 %
ROSCAS BECO
Su origen y diseño se desprende del fabricante de equipos de perforación
Bucyrus Erie
COmpany, quien junto con diseñar y construir
equipos, adicionalmente confeccionó las barras de perforación para lo cual tubo que buscar un diseño tal que cumpliera con las características que permitieran trabajar bajo condiciones mecánicas de trabajo al limite, su denominación cubre aspectos dimensiónales y de diseño, sus principales características son:
Alta resistencia mecánica para grandes esfuerzos torsionales. Perfil geométrico del triangulo generador de la rosca de gran altura y espesor para resistir altas cargas de fricción. Angulo de inclinación del cono roscado optimo para resistir esfuerzos alternados de torsión, tracción, compresión, pandeos y flexiones. Angulo de inclinación del cono roscado y longitud entre roscas óptimos para un acoplamiento rápido del par torsor. Todas las roscas Beco tienen la misma altura, distancia entre hilos y ángulo de inclinación del cono roscado hembra y macho. Las roscas beco se construyen en relación al diámetro de la barra de perforación que se usará. El espejo es la única área de sello de una conexión de barras, los hilos acoplados quedan con un juego entre sus filetes y las crestas que permiten almacenar la grasa de lubricación y evacuar residuos que se puedan adherir. Las roscas beco van desde beco 3 ½ hasta beco 10.
ROSCAS A.P.I. Su origen y diseño corresponde al American Petroleum Institute En las primeras épocas de la perforación rotativa era muy difícil asegurar la perfecta combinación de hilos entre distintos fabricantes de barras de perforación, motivo por el cual se solicitó al A.P.I. La elaboración de una norma que incluyera marcas de identificación y características de diseño que aseguraran un alto grado de exactitud. Sus especificaciones cubren las propiedades mecánicas de los aceros con que se construyen, detalles de fabricación, y dimensiones de barras con que serán usadas. Sus principales características son:
Rosca de paso fino, 4 a 5 hilos x pulgada. Angulo de inclinación que facilita su acoplamiento Denominaciones normalizadas a.p.i. Que identifican sus características. Principales fuentes de uso, en triconos de perforación mineros y petroleros y barras de perforación petroleras.
INSTRUCTIVO PARA ACOPLAMIENTO DE HILOS
Objetivo: Acoplar uniones roscadas, barras, adaptadores superiores y adaptadores de triconos a barras. Riesgos: Montajes de hilos con desgarramiento de aceros, fisuras, quebraduras de hilos, desacoplamiento y caída desde alturas de elementos por desgastes excesivos de las roscas. Para acoplar correctamente una unión roscada con hilo B.E.C.O. o hilo A.P.I. siga las siguientes instrucciones: 1) Asegure y fije el elemento que va a unir con la llave de sujeción hidráulica ubicada en la plataforma de trabajo. 2) Asegúrese de que las roscas a unir estén libres de residuos sólidos, como piedrecillas, restos metálicos, o residuos de otros materiales, etc.etc. 3) Si se observan residuos extraños se debe remover la grasa contaminada de la zona de unión y reemplazarla por grasa nueva. 4) En toda unión roscada solo se debe engrasar la rosca macho, si se engrasa la rosca hembra el aire de barrido la desplazará hacia el interior de la perforación central de los elementos a unir llevándola hasta el tricono con el riesgo de obstruir sus conductos de refrigeración. 5) Asegúrese de que el alineamiento entre cabezal de rotación y el elemento a unir se encuentren en el mismo eje, si observa un desalineamiento entre ellos infórmelo a su supervisor inmediatamente, un acoplamiento en esas condiciones genera una alta carga de fricción en los flancos de los hilos, dejando adicionalmente la unión roscada bajo permanente tensión. 6) Una ves engrasada la zona de unión, baje lentamente el cabezal manteniendo una baja rotación y mínimo avance hasta que los conos roscados se topen. 7) Manteniendo la baja rotación y el avance los elementos a unir se comienzan a ensamblar solos sin necesidad de forzarlos con Pull Down, las roscas Beco por ejemplo se topan en los espejos cuando han girado tres o cuatro vueltas. 8) Todos los hilos B.E.C.O. sin excepción tienen ½” o 12,7 m.m. de distancia entre sus hilos por lo tanto por cada vuelta que se gira se avanza la misma distancia, en el caso de las roscas A.P.I. estas varían de 5,0 m.m a 4,0 m.m de paso dependiendo del diámetro de las barras a utilizar. 9) Una vez topados los espejos POR NINGUN MOTIVO se debe aplicar torque al conjunto, la rotación de trabajo es suficiente para iniciar la perforación, esta condición será favorable para cuando se necesite soltar la columna. 10) La frecuencia de engrase depende de la adherencia que tenga la grasa, puede ser cada tres o cuatro pozos, no se debe permitir que se vea el brillo metálico del acero, esta es una señal para engrasar inmediatamente. 11) No olvide engrasar el hilo Pin de la barra seguidora, esta lubricación favorecerá al adaptador superior de amortiguador a barras esto es muy importante ya que por la posición en que quedan ambos elementos nunca se lubrican. 12) El inicio de la perforación o empatadura también debe ser lenta, hasta que la columna se ha estabilizado dentro del pozo y se tengan tres puntos de apoyo, 1° El pozo, 2° La mesa de trabajo con su anillo guía, y 3° El cabezal de rotación. 13) Utilice la llave de sujeción de cadena o mordaza para desacoplar las uniones roscadas, si no está habilitada o se encuentra en malas condiciones se debe dar aviso a la supervisión. 14) No se deben golpear los elementos para soltarlos, los golpes intermitentes generan fatigas en los aceros, las ondas de impactos transfieren energía directamente hacia los radios en el fondo de los hilos, los golpes causan micro fisuras que crecen en el tiempo y se transforman en grietas, metalúrgicamente a esto se le conoce con el nombre de “Proceso de fatiga y ruptura”.
15) Para desacoplar el conjunto gire lentamente en sentido inverso y con un avance bajo y controlado permita que estos se separen lentamente.
FALLAS COMUNES EN LOS ACEROS DE PERFORACIÓN. Es bien conocido que los metales son más sensibles de fallar bajo cargas de trabajo estáticas que bajo cargas de trabajo dinámicas. Los aceros tienen la capacidad de absorber cargas dinámicas o ciclos de esfuerzos de trabajo por un numero infinito de veces, siempre que los esfuerzos aplicados se mantengan dentro de los limites de resistencias que les corresponde, esto se observa en el grafico de la figura N° 1 que es un simple ejemplo del comportamiento del acero bajo cargas de trabajo aplicadas y su comportamiento durante los ciclos de trabajo alternados o repetitivos
n w o d l l u P
Resistencia del Acero
El grafico adjunto muestra un proporción entre los esfuerzos aplicados y la resistencia del acero, esta proporción se observa entre el punto O y el punto A. En el eje “y” se representan las cargas o esfuerzos aplicados. En el eje “x” se representan los ciclos de trabajo. La recta “O” “A” representa la resistencia del acero bajo cargas de trabajo si la tensión no supera el punto “A” cualquier cantidad de ciclos no causara fallas. A partir del punto “A” hasta “B” la r ecta se horizontaliza, se dice que el acero a dejado de resistir y a pasado desde el punto de elasticidad al punto de plasticidad, a partir del punto “B” de la recta el
colapso del acero será inminente solo depende del tiempo en que esta condición se mantenga. Un ejemplo clásico es el siguiente: Imaginar un clavo de acero dulce con una resistencia mecánica de 27.000 lbs./ pulg.² el clavo no se romperá cualquiera sea el N° de ciclos que actúen sobre el, sin embargo con 30.000 lbs./pulg.² el clavo se romperá a los 2.000.000 ( dos millones ) de ciclos, y a una tensión de 48.000 lbs./pulg.² que es él limite de resistencia elástica el clavo se romperá inmediatamente. Todas las fallas o rupturas por esfuerzos cíclicos se llaman fallas por fatiga de material.
DAÑOS Y FALLAS POR FATIGAS QUE AFECTAN A LAS BARRAS DE PERFORACIÓN. Las velocidades críticas de rotación y altas cargas de empuje sobre el tricono de perforación causan vibraciones y a menudo son las causantes del rápido deterioro de las barras, sea por desgastes excesivos o fallas por fatigas. Está comprobado que bajo condiciones criticas de perforación, sea por formaciones duras y por derrumbes de pozos se requiere aplicar una mayor potencia del equipo a los aceros de perforación, esta necesidad de aplicar mayor potencia del equipo a los aceros es la evidencia de que los operadores están trabajando bajo condiciones criticas. Fallas Por Tracción. Las fallas por tracción se pueden producir mientras se esta tirando de las barras de perforación aprisionadas en un derrumbe del pozo. En la medida que el esfuerzo de tracción sobre las barras exceda el limite de fluencia del acero el metal tiende a deformarse gradualmente concentrando la mayor tensión del esfuerzo aplicado sobre las paredes más delgadas de la barra o la zona de fondo de los hilos, estas son las zonas de mayor concentración de tensiones. Fallas Por Fatiga. La falla por fatiga es la más común entre las barras de perforación, también esta visto y demostrado que es la menos comprendida por los operadores y en general por la gente ligada a la perforación, generalmente los análisis y conclusiones a los que llega la gente en terreno son incorrectas porque se confunden las causas y efectos que actúan en un proceso de fatiga. En primer termino se debe tener siempre presente que una fatiga y ruptura es un proceso que evoluciona en el tiempo, la rapidez de inicio y termino de un proceso fatiga y ruptura depende solamente de las condiciones extremas en que se esta desarrollando, un ejemplo característico e inevitable de un proceso de fatiga y ruptura que esta en desarrollo y que solo es cosa de tiempo para que se produzca el colapso es la curva de pandeo extrema a la que se somete la columna de perforación cuando la zona de perforación es dura , alterada, con fallas o grietas. También se generan fatigas de material cuando las condiciones mecánicas de los equipos no son las mas adecuadas tal es el caso de las torres de perforación deformadas, con desviaciones o desnivelaciones, tornamesas de trabajo defectuosas, con desgastes, cremalleras o correderas de cabezales con desgastes etc.etc. Las barras de perforación son fabricadas con aceros con un alto punto de fluencia a la torsión, tracción y compresión, por lo tanto soportaran los esfuerzos aplicados mientras estos estén dentro de sus límites de ruptura o de fluencia elástica.
Debemos insistir en que el mecanismo de falla por ruptura es progresivo en el tiempo, su proceso comienza con una pequeña deformación submicroscopica de los átomos del acero y producto de esfuerzos mecánicos alternados se genera calor , bajando la resistencia cohesiva de los componentes de la estructura del acero, este fenómeno a su vez va formando micro fisuras que se van uniendo progresivamente hasta hacerse visibles, la dirección que la grieta toma es transversal al eje del cuerpo que esta siendo afectado, esta es la razón por la cual las fallas ocasionadas por grietas producidas por fatigas siempre son circunferenciales. En todo acero de perforación la composición química, su micro estructura, la terminación mecánica de sus superficies y las propiedades mecánicas del acero determinan su límite de fatiga. De manera aproximada el acero de las barras de perforación tiene una resistencia a la fatiga igual a la mitad de su resistencia a la tracción, por otro lado las entalladuras producidas por la forma geométrica de su diseño también tienen un gran efecto sobre su resistencia a la fatiga. Las barras de perforación y los adaptadores superiores, intermedios o de otro tipo sometidos a ciclos de esfuerzos de tracción, compresión stán, pandeo, torsión y flexión. Los esfuerzos mas criticos son los de compresion y pandeo, la magnitud de cualquier esfuerzo se acrecienta por efecto de las vibraciones, las que a su vez son las causantes de los sobre aprietes de hilos en las columnas de perforación, de aquí la importancia de contar con un buen diseño de amortiguador de impactos y vibraciones. Una interpretación negativa de una falla producida por fatiga es que el acero se cristaliza, en realidad todos los aceros tienen una estructura cristalina , en el caso de las fallas el tamaño de los cristales no varia y la ruptura o grieta es transversal a los planos del cristal , la apariencia frágil que resulta de la estructura se debe al trabajo de endurecimiento en la superficie de la fractura . Dentro de las principales recomendaciones para un adecuado uso de las barras de perforación se deben considerar las siguientes. Al iniciar la perforación las R.P.M. y el PullDown deben ser lentos permitiendo que la columna se estabilice y así reducir las curvas de deformación por pandeos. El control de la empatadura lenta y progresiva es recomendable mantenerla hasta los primeros dos metros de profundidad. Los puntos de apoyo de la columna que reducen el pandeo y las vibraciones son, la pared de la perforación, la mesa de trabajo con su anillo guía y el cabezal de rotación del equipo. Está comprobado que una mala empatadura de la perforación solo generará tiros torcidos, tensionando de manera permanente la columna de perforación, el tricono de perforación tambien se ve afectado ya que su rotación o giro no será uniforme y su estabilidad en el fondo del hoyo afectará siempre a un cono mas que a los otros, adicionalmente los tiros desviados provocan espaciamientos entre ellos que alteran la fragmentación de la roca lo que puede ser un problema serio para su carguío y su remolienda.
ANALISIS DEL MATERIAL USADO EN LAS BARRAS DE PERFORACION ATLAS COPCO . Steel (Naranjo)
Alloy (Burdeo)
Especificación
ASTM – A106
ASTM – A519
Grado
B
4140 Templado y Revenido
Condición
Acabado en caliente
Acabado en caliente
Limite elástico
35.000 lbs / pulg²
90.000 lbs / pulg²
Limite a la tensión
60.000 lbs / pulg²
120.000 lbs / pulg²
Dureza Brinell (HB)
106 a 120 HB
260 a 310 HB
Carbono
0,30 (máximo)
0,38 a 0,40
Manganeso
0,29 a 1,06 (máximo)
0,75 a 1,00
Fósforo
0,048 (máximo)
0,04 (máximo)
Azufre
0,058 (máximo)
0,04 (máximo)
Silicio
0,100 (mínimo)
0,15 a 0,35
Cromo
------------------
0,80 a 1,10
Molibdeno
------------------
0,15 a 0,25
ASTM A106 grado B, es la especificación para tubos de acero al carbono sin costura. ASTM A519 grado 4140, es un tubo que dimensionalmente es más preciso que el ASTM A106 grado B denominado acero dulce.
Existen Tres Tipos De Fallas Por Fatiga De Material.
Fatiga pura, que es una ruptura sin causa aparente, fisuras en lado box o en el pin de las barras. Fatiga por entalladura, que es una ruptura asociada a una entalladura de tipo mecánica producto de la forma geométrica del elemento o causada por un elemento extraño en la perforación. Fatiga por desgaste, que se produce por la erosión o abrasión a que ha estado sometido el elemento durante sus ciclos de trabajo.
PROBLEMAS FRECUENTES EN LA OPERACION Y USO DE LOS ACEROS DE PERFORACION
PROBLEMA
ORIGEN
SOLUCION
Desgaste prematuro de hilos
Excesiva rotación, excesivo PullDown, falta de lubricación, baja frecuencia de lubricación, desalineamiento de cabezal.
Bajar rotación y Pull Down al mínimo, aumentar frecuencia de lubricación, corregir desviación de cabezal de rotación.
Ruptura de hilos Pin y fisuras en hilos Box
Pandeo excesivo en la columna, golpes contra la llave de servicio.
Reducir PullDown al inicio de la perforación, no aplicar torque a la unión de barras para evitar el sobre apriete y posterior golpe contra la llave de servicio.
Dobladura de barras
Movimiento del equipo con barras en el pozo, desviación de cabezal de rotación, torres desniveladas, exceso de Pull Down con barras gastadas.
Antes de mover el equipo asegurarse de retirar las barras del pozo, corregir desviación de cabezal de rotación, corregir verticalidad de torre y confirmar con niveles de cabina, reducir PullDown con barras gastadas y sobre todo en formaciones duras.
Cortadura de barras
Pull Down excesivo con barras gastadas, pandeo extremo en barras gastadas, entalladuras por roce en el acero.
Reducir PullDown con barras gastadas y sobre todo en formaciones duras, retirar del equipo barras que con entalladuras ocasionadas por fricción contra rocas duras
Ruptura de anillos guías
Golpes contra barras torcidas, golpes contra Deck Hole con deformaciones o desgastes.
Retirar barras torcidas de la perforadora, reparar Deck Hole.
Desgastes asimétricos anillos guías
de
Perforación con barras torcidas, anillos trabados por suciedad interior, sedimentos en el interior, Deck Hole en mal estado.
Retirar barras torcidas de la perforadora, reparar Deck Hole, retirar y destrabar anillos guías con líquidos lubricantes.
en
Desgastes de piezas, fugas de aire, montaje defectuoso.
Retirar amortiguador y reemplazar por uno en buen estado, corregir montaje.
Vibraciones en la columna
Tricono en mal estado, Tricono inapropiado, formación demasiado dura, falta de PullDown, exceso de rotación.
Cambiar tricono, instalar tricono apropiado, aplicar PullDown gradualmente, reducir rotación gradualmente.
Sobre hilos
en
Vibraciones en la columna, pandeos excesivos, falta de lubricación en los hilos.
En columna single pass desacoplar barras cada dos turnos para eliminar tensión de los espejos y reengrasar.
Daños en hilos de triconos
Acoplamiento defectuoso, desalineamiento de la columna, mesa desnivelada, llave corta triconos en mal estado, golpes contra los hilos.
Controlar alineamiento de cabezal de rotación, reducir avance y rotación al mínimo, verificar estado de Deck Hole y de llave corta triconos y corregir de ser necesario .
Desviación de tiros
Empatadura defectuosa, desnivelación de torre, torre torcida, gatos hidráulicos defectuosos.
Corregir nivelación de torre y verificar con niveles de cabina, reparar defectos en torre de perforación, corregir defectos en gatos hidráulicos.
Atrapamiento de columna dentro del pozo
Perdida de aire a través de grietas, formación de lodo en el fondo del pozo, derrumbe de pozo, escariado de las paredes del pozo.
Inyectar agua o aditivos a la perforación para estabilizar y /o sellar las paredes, repasar la perforación para limpiar el fondo del pozo, retirar estabilizador para eliminar escariado de pozo en formaciones blandas, gravas, arcillosas o sedimentarias.
Desgastes prematuros barras
Columna torcida dentro del pozo, pozo desviado, desnivelación de equipo, exceso de presión de barrido.
Retirar columna torcida, controlar Pull Down al iniciar la perforación, controlar estabilidad del piso de la perforadora, regular aire de barrido en el compresor o nobles de los triconos.
Amortiguadores mal estado
apriete
en
ESTÁNDARES CON NORMAS Y PROCEDIMIENTOS PARA EL USO DE EQUIPOS Y ACEROS DE PERFORACIÓN. Es claro que las gerencias y/o superintendencias de cada faena minera son dueñas de sus propios manuales e instructivos de perforación por lo tanto también responsables de ellos, el
presente manual de perforación Thiessen solo pretende destacar las características básicas y fundamentales que los operadores deben considerar en cualquier proceso de perforación en los cuales participan. Condiciones De Trabajo Del Area De Perforación. Toda área de trabajo segura para la operación de perforación, debe considerar los riesgos asociados a ella, tale como, Taludes, caras libres, Charcos de agua, Galerías subterráneas, esto incluye, las estacas indicando grados de pendientes e información de riesgos que puedan existir. El área de perforación esta definida como la sección de la mina donde se realiza el proceso de perforación como primera etapa del proceso general de la tronadura y debe cumplir con los siguientes estándares. Pisos. El piso como área de perforación debe ser uniforme, sin obstáculos, ondulaciones, ni formas irregulares, debe estar libre de material suelto y contar con un fácil acceso. Del mismo modo debe contar con drenajes que eviten su inundación por lluvias o por filtraciones. Bermas de seguridad. Deben existir bermas de seguridad al borde de la cara libre del banco de aprox.1,5 mts. De alto x un metro de ancho y a 4 mts. De la primera fila de pozos. Señalización: Una vez terminada la malla de perforación debe c olocar avisos de “Zona de perforación” . Asegúrese que los avisos se mantengan visibles, se deben colocar a una distancia de ocho m etros de las estacas separados entre si por 30 mts. La señalización del área de perforación debe mantener los cables eléctricos aéreos, si existen, por fuera de esta área. En caso de que el cable aéreo pase por el área de perforación se deben colocar avisos de lado y lado del cable de tal manera que el equipo de perforación nunca perfore debajo de este. Demarcación de profundidad: Las estacas de localización de los pozos a perforar deben ser de una altura máxima de 30 cms. e indicar la profundidad del pozo en mts y deben ser visibles en la noche. La información registrada en las estacas debe quedar de frente al sentido de entrada a perforar en el equipo de perforación. Cables eléctricos. Los cables eléctricos de equipos ajenos al área de perforación deben estar distanciados por lo menos 10 mts. Las áreas señalizadas por avisos de perforación no deben contener cables eléctricos aéreos. Áreas En Talud La pendiente máxima del área en talud, después de preparada, debe ser menor a 18 grados. Las áreas en talud deben ser uniformes , sin ondulaciones ni formas irregulares, libres de material suelto, en caso de rampas en desuso deben estar libres de material triturado, cuando se tienen taludes con pendientes mayor a 18 grados se debe hacer una plataforma en la cresta del talud y se arregla el pie del mismo. El pie del talud debe permanecer libre de material, si la preparación es hasta la mitad del talud, se deben dejar salidas cada 10 mts. Aprox. Esta área también debe contar con drenajes para acumulación de aguas por napas o acumulación de lluvias.
ESTÁNDARES DE SEGURIDAD DE UN EQUIPO DE PERFORACIÓN. Se debe contar con los equipos de perforación en optimas condiciones de uso para realizar la operación de perforación considerando los riesgos inherentes a la operación con ellos, estos riesgos pueden ser los siguientes, Incendios, volcamientos, accidentes por atrapamiento de partes en movimientos, golpes contra puntos expuestos del equipo, caídas desde altura etc,etc. Por tal razón los operadores de estos equipos siempre deben tener presente que los estándares de operación de un equipo son el conjunto de requisitos que este debe cumplir para ser operado en el área de la mina de manera segura para el. Los equipos se deben operar idealmente sobre terrenos planos, si entran a mantención deben ser ubicados en áreas despejadas de movimiento y libre de cables eléctricos, sus orugas no deben tener cadenas con exceso de tensión, el equipo no se debe instalar en la dirección de rumbo a perforar, asegure como mínimo la nivelación horizontal o lateral del equipo con los cilindros de nivelación cercanos a la cabina y siempre que se pueda con todos los gatos. Antes de iniciar la perforación compruebe con los niveles de cabina y el diagrama de volteo del equipo que no está sobrepasando los grados de inclinación máximo permitidos para la condición en que se encuentra. Perforación De Pozos. La perforación de pozos es el objetivo y tarea principal del operador del equipo, esta se debe ejecutar de forma segura y eficiente, el trabajo se inicia cuando el operador instala el equipo en posición en el lugar indicado y termina cuando se ha sacado totalmente las barras de perforación del pozo perforado. Procure no operar el equipo dentro de un área de carguio, en el evento que se requiera avise al jefe de turno o jefe directo del área y tome todas las medidas preventivas establecidas según el estándar de la mina. Pasos a seguir: 1. Ubique el equipo en posición de trabajo en el lugar señalado por las estacas, de acuerdo al plan, perfore en orden ascendente y en filas completas. 2. Nivele el equipo con los gatos y déjelo descansar sobre ellos, trate de dejar las orugas haciendo contacto con el suelo. 3. Levante la torre de perforación y verifique que quede asegurada. 4. Retire la primera barra desde el cargador. 5. Baje la primera barra (Patera o iniciadora) hasta que toque el suelo, aplique aire y rotación y aumente gradualmente la presión y el empuje. 6. Aplique agua si las condiciones lo exigen. 7. Tenga en cuenta el tipo de material y condiciones del area a perforar, a mayor dureza aplique mayor presión de empuje y menor rotación, en terrenos blandos aplique menor presión de empuje y mayor rotación, con base en lo anterior gradué la válvula de empuje automático si el equipo la tiene disponible. 8. Cuando el extremo superior (Lado de hilo Pin) de la primera barra llegue hasta la plataforma de trabajo del equipo, asegúrela con la llave de sujeción. 9. Si la profundidad del pozo es mayor a la longitud de la primera barra se requiere el uso de una segunda barra ( Seguidora ), centre el cargador de barras con el cabezal de rotación, 10. tome la barra haciendo rotar y avanzar lentamente el cabezal de rotación y continué con la perforación. 11. Pare la rotación y el avance cuando el cabezal llegue a los topes inferiores de la torre de perforación. 12. Cuando haya llegado a la profundidad del tiro especificada, detenga primero el empuje, luego el avance y finalmente el aire y/o agua, sostenga la barra ( Seguidora ) con la llave
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de sujeción y desenrósquela lentamente con baja rotación y bajo avance, luego guárdela en el cargador de barras, posteriormente y en las mismas condiciones tome la primera barra ( Patera ) guárdela y cierre el cargador, en terrenos blando o de fácil derrumbe limpie el pozo con el aire de barrido aplicándolo desde el fondo. Anote en la hoja de registro la profundidad real perforada. Verifique que la llave de sujeción esté totalmente retraída y guardada cuando levante las barras. Levante los gatos hidráulicos de soporte, libere los frenos y mueva el equipo hacia el siguiente pozo a perforar. Verifique que las barras estén totalmente enroscadas al cabezal de rotación antes de levantarlas del pozo perforado. Verifique esporádicamente la profundidad real perforada, este debe ser a la especificada mas-menos 0.50 mts. El equipo de perforación puede desplazarse con la torre de perforación en posición vertical dentro del área delimitada por los avisos de seguridad si el terreno está plano y las condiciones lo permiten. Ponga la torre de perforación en posición horizontal para trasladar el equipo cuando las condiciones de terreno sean irregulares o no den seguridad para el traslado en posición vertical Permanezca en la cabina mientras esté perforando. Verifique permanentemente el estado de los triconos y los aceros de perforación, barras, adaptadores, anillos guías, tazas porta barras y amortiguadores. Este atento y reporte cualquier anormalidad mecánica o eléctrica que observe durante la operación. Aplique grasa lubricante cada cuatro o cinco pozos a los hilos de cada acero de perforación que se necesite acoplar. Totalice los metros perforados, tiempos de paradas, tiempos de espera y operativos al final de cada turno e informe a su supervisor.
Perforación de Pozos en Pendientes. En estas condiciones de perforación al trabajar con el equipo en planos inclinados las medidas de seguridad deben ser extremadamente rigurosas, el principal riesgo es el volcamiento, por tal razón el operador debe tener especial cuidado y atención en la información que debe recoger en el área de trabajo, por ejemplo, debe observar la estaca que señala los grados que tiene la pendiente, tambien se debe asegurar que el área no tenga material suelto ni irregularidades. Se recomienda aplicar el siguiente procedimiento: 1. Determine la pendiente del talud, no perfore cuando el ángulo sobrepase los 18°. 2. Asegúrese de que el área se encuentra libre de material suelto y seco superficialmente. 3. Instale el equipo con la cabina mirando siempre hacia la parte del talud, nivele el equipo con los gatos delanteros y ajuste los traseros para colocar el equipo en el ángulo predeterminado. 4. Ponga la torre en el ángulo requerido, una vez en posición asegúrelo con el pasador del seguro de inclinación. 5. Inicie la perforación siguiendo el procedimiento antes indicado. 6. Debe haber supervisión permanente cuando el talud a perforar es hacia la cara libre, ya que eventualmente se pueden deslizar las capas hacia el vacío. Perforación de pozos bajo el agua. Esta condición es tal vez una de las mas complejas dentro de las tan variadas condiciones de perforación, para ello el operador del equipo deberá tener necesariamente un grado de
experiencia tal que le permita detectar y tomar decisiones de manera rápida y eficaz dado a que por la condición de trabajo bajo el agua la condiciones y los aceros de perforación no son fáciles de controlar como en los casos de pozos secos, deberá sumar a su capacidad técnica su intuición para sentir y detectar otros tipos de reacciones, sonidos y nuevas e impredecibles variables. Las necesidades de disponer del aire necesario varían conforme las condiciones de diámetros, profundidades del pozo y tipo de terreno. Cuando se está perforando con un tricono o un martillo de fondo se necesita una mayor cantidad de aire para limpiar el pozo, a esto se le conoce con el nombre de “Presión de descarga”.
Una columna de agua 30,5 mts. Necesita de 43,5 p.s.i. De contra presión para ser levantada. Un pie es equivalente a 0.304 mts.y tambien es equivalente a 0.434 p.s.i. Las normas para estos casos señalan que por cada 100 p ies, es decir 30.5 mts de agua en el pozo se necesitan 43.5 libras de presión para vencer la columna de agua. Una vez vencida la presión hidrostática la presión de aire se aplicará a la operación sea con tricono o con martillo de fondo. Si el aire no fuera suficiente para vencer la presión hidrostática de la columna de agua se recomienda el uso de equipos auxiliares para inyectar aire como compresores en paralelo o Booster.
ELEMENTOS QUE COMPONEN LA COLUMNA DE PERFORACIÓN La columna de perforación es uno de los componentes más caros de un equipo de perforación, por lo que su duración determinará si su inversión económica ha sido amortizada o a originado pérdidas a la compañía. AMORTIGUADORES. El amortiguador de vibraciones o de impactos, es uno de los elementos más importantes en el conjunto de la columna, su trabajo consiste fundamentalmente en absorber parte de la energía liberada por el tricono de perforación que no ha sido utilizada en romper la roca. Considerando la evolución tecnológica de los aceros de perforación y la constante exigencia por mayor productividad en las minas, este accesorio es parte vital para un buen desempeño en la operación. Un buen diseño de este accesorio es aquel que tiene incorporado como elemento principal en su estructura una gran masa amortiguadora de impactos que absorba golpes y vibraciones no deseadas que provocan daños a los equipos y afectan a la perforación. Los efectos directos más frecuentes en la operación por un amortiguador defectuoso o por la ausencia de este son las sgtes. Daños en el tricono de perforación, rotura de botones y daños en rodamientos.
Daños en rodamientos de cabezal de rotación, ejes de transmisión, dientes en conjuntos de engranajes.
Daños en la estructura de las torres de perforación y puntos de uniones soldadas. Desviación en el rumbo de la perforación. Vibraciones excesivas en cabina de control.
Los daños antes señalados son generados por las solicitaciones mecánicas que actúan de manera constante o alternada sobre la columna de perforación y transfieren energía a través del tricono hasta el amortiguador de vibraciones e impactos. Definiremos de la forma más simple posible cada una de estas solicitaciones mecánicas también llamadas esfuerzos mecánicos e indicaremos como actúan en una columna de perforación.
DESPIECE DE UN AMORTIGUADOR DE IMPACTOS Y VIBRACIONES.
Vibraciones: Son de tipo vertical y rotativas, las vibraciones tal vez sean las que más daños ocasionan debido a que son absorbidas por la estructura y componentes que están en movimiento durante la fase de trabajo, generando inevitablemente en el tiempo fatigas de materiales, las vibraciones se deben entender como la energía que se ha transformado y que no fue utilizada por el tricono en la perforación. Los rodamientos, engranajes, cadenas de transmisión, puntos de uniones soldadas, soportes de fijación, pasadores, bujes . Son los componentes mas afectados por las vibraciones , cuando estas vibraciones son directas y permanentes los daños pueden ser frecuentes, por lo tanto los costos por reparaciones también tienen un alto costo.
Pandeos. Se asocian directamente a las cargas de compresión, pero por definición el pandeo es una flexión compuesta. El efecto de pandeo se presenta solo cuando los cuerpos que soportan la compresión son excesivamente largos en relación a sus diámetros, es el caso de una columna de barras, siempre se debe considerar que la resistencia al pandeo es función del espesor de las barras y su diámetro. Generalmente se confunde con el efecto de la flexión. Flexiones. Estas se producen por efectos de esfuerzos paralelos aplicados al eje central de la columna de perforación, ejemplo de esfuerzos paralelos tenemos cuando los cabezales de rotación están descentrados, cuando las empataduras quedan desviadas, cuando los anillos guías y/o sus mesas están fuera de medidas, también se presentan cuando las cremalleras de las torres de perforación están con desgastes y los cabezales de rotación se deslizan de forma deficiente. Compresión y tracción. Ambos esfuerzos se presentan cuando las cargas o fuerzas aplicadas al tricono de perforación pasan por el centro de la columna o por su eje, por ejemplo, el pulldown es una carga de compresión y el pullback es una carga de tracción. Torsión. La rotación necesaria que se transmite desde el cabezal de rotación través de las barras hacia el tricono de perforación genera un efecto torsional, para acoplar las barras entre sí o el tricono al adaptador se necesita un movimiento de torsión o de giro, esta fuerza actúa totalmente perpendicular al eje de la columna de perforación y es la que junto a la compresión permiten al tricono penetrar en la roca y triturarla.
ADAPTADORES SUPERIORES. La columna o tren de barras continúa con los adaptadores superiores que como primera función permiten acoplar elementos con diferentes uniones roscadas, como su nombre lo indica adaptan diferentes tipos de roscas o pueden adaptar elementos de diferentes diámetros, adicionalmente estos adaptadores cumplen una segunda función como elementos de desgastes, impidiendo daños en los hilos de los spindler de los cabezales de rotación y en los hilos de los amortiguadores. La lubricación en los hilos de unión hacia las barras es fundamental para prolongar su vida útil, solamente los hilos machos de los adaptadores se deben engrasar, los hilos hembras no se engrasan porque el flujo de aire los impulsa al fondo de la columna y pueden obstruir las toberas de refrigeración y lubricación de los triconos. Los adaptadores, así como los otros componentes de la columna son fabricados en aceros de alta resistencia, razón por la cual se debe evitar al máximo aplicar soldaduras para
fijarlos a los amortiguadores, un calentamiento excesivo en las zonas de unión con el amortiguador provoca revenidos en el acero alterando su estructura metalografía y alterando su resistencia mecánica. El punto de fusión de un arco de voltaico esta entre los 4000° a 5000° c. Estos choques térmicos producen cambios estructurales en las zonas inmediatas a los cordones de soldaduras. Si se considera como opción la practica de soldar planchas de seguridad en estas zonas para evitar el desenrosque de los elementos se debe tener en cuenta por parte de los soldadores tres aspectos básicos y elementales. 1. Precalentar la zona de unión a temperaturas entre 250° a 300° c. 2. Una vez aplicada la soldadura proteger las zonas soldadas con mantas térmicas para evitar las contracciones violentas por corrientes de aire. 3. Por ninguna cirscuntacia soldar la unión roscada por los espejos de las mismas. Las planchas de seguridad que eventualmente se podrían soldar pueden ser dos , tres o cuatro distribuidas simétricamente y de las mismas dimensiones.
BARRAS DE PERFORACIÓN Inmediatamente debajo de los adaptadores superiores se ubican las barras de perforación, se pueden definir como elementos de extensión y de unión que transfieren la energía de rotación y empuje desde el cabezal de rotación a la herramienta de corte o tricono de perforación conduciendo internamente el aire necesario para generar la evacuación del material cortado desde el fondo de la perforación a la superficie. Las longitudes, los diámetros, los hilos y sus diseños obedecen exclusivamente al tipo de maquina en que serán usadas. A excepción de algún accesorio especial, no hay otro elemento en la columna de perforación que esté sometido a condiciones de trabajo tan extremas y severas como las barras de perforación. Por tales motivos para la confección de esta vital herramienta de perforación se deben combinar la experiencia de los ingenieros de diseño con la total cooperación de los usuarios en terreno para conseguir el máximo de rendimiento de estos elementos beneficiándose al extender su vida útil. Cada barra de perforación tiene una identificación única e irrepetible para hacer un seguimiento durante el periodo que dure su vida útil, utilizando esta información el fabricante puede realizar mejoras a su diseño y adaptarlo a las condiciones de terreno. Las barras de perforación no obedecen a un estándar de fabricación, este depende como se ha señalado principalmente del terreno donde se usaran, básicamente su diseño consiste en un tubo de unión entre un terminal con rosca macho y un terminal con rosca hembra, razón por la cual la vida útil de las barras se mide por el desgaste que gradualmente va sufriendo la pared de dicho tubo. Independiente de lo anterior, las barras se pueden especificar por el espesor de pared del tubo señalado, cuando las condiciones de dureza de roca exigen una mayor energía de empuje se necesita que las barras puedan tener una mayor
resistencia a las cargas de compresión, por tal razón su espesor de pared debe ser necesariamente mayor. Dada La Importancia Y Alto Costo Que Pueden Tener Las Barras De Perforación Daremos Algunas Recomendaciones Para Su Uso Y Selección.
En una columna de perforación siempre es recomendable el uso de barras de una misma marca. En general siempre serán recomendable las barras de pared más gruesa, sin embargo por el mayor peso esta recomendación estará limitada a la capacidad de la perforadora. Considerar en la selección de barras la capacidad de levante de la perforadora. Tamaño y profundidad del tiro. Volumen medio de circulación de aire. Cargas de torsión, tensión y compresión. Disponibilidad de llaves de sujeción. Logística para el transporte y manipulación. Condiciones de manutención y cuidado. ADAPTADORES DE TRICONO (BIT SUB) En la parte inferior de la columna de perforación se ubican los adaptadores de tricono a barras que unen las barras de perforación con los triconos de perforación, su función es similar a los adaptadores superiores, en algunos casos deben unir elementos con roscas diferentes, pero nunca unir elementos con diferentes diámetros. Es el elemento de una columna que esta expuesto a las más severas condiciones de desgastes por abrasión las que se originan en el fondo de la perforación. Históricamente los adaptadores de triconos cumplían funciones de estabilizadores de la columna de perforación, para lo cual se confeccionaban con rodillos giratorios o aletas de aceros antiabrasivos dispuestas en sentido longitudinal o helicoidal. El rápido desarrollo de la ingeniería en la construcción de nuevos triconos de perforación trajo como consecuencia un aumento en la velocidad de la perforación, llámese aumento de r.p.m. Y carga sobre el tricono mismo, razón por la cual la cantidad de material removido debía ser extraída desde el fondo del pozo en el menor tiempo posible con el propósito de mantener limpio el frente de corte. Al evacuar el material removido también se disminuye la gran turbulencia que va gastando los faldones del tricono, el cuerpo del adaptador y de manera ascendente el resto de los componentes de la columna, el desgaste de los faldones del tricono y el cuerpo del adaptador es ocasionado por la mencionada turbulencia y remolienda del tricono al repasar las partículas más pesadas que no alcanzan ha ser levantadas por el aire de barrido.
El flujo de material turbulento que se ubica en el fondo de la perforación es causado por el aire a alta presión que sale desde las toberas del tricono, las tres toberas de barrido mas la rotación necesaria para la ruptura y remoción del material a cortar son los que generan la turbulencia. Esta turbulencia pasa a un flujo de evacuación la minar cuando ya se encuentra aproximadamente a una altura de un metro desde el fondo del pozo.
Una alta velocidad de barrido solo aumenta la turbulencia del material y acelera el desgaste de los aceros, por otro lado cuando la cantidad de agua utilizada para controlar la emisión de polvo es excesiva, el daño a los rodamientos de los triconos es inminente así como el efecto de arenado en los aceros de perforación.
Por las condiciones de trabajo mencionadas es que el estabilizador de rodillos y/o de aletas fue reemplazado por un cuerpo liso, es decir la geometría del adaptador o bit sub debería ser perfilada de tal manera que presentara la menor resistencia posible a la evacuación del material removido a altas velocidades. Tal como lo hemos señalado las mayores exigencias en términos de mayor productividad en los centros mineros trajo consigo la evolución tecnológica en los diseños de los aceros de perforación, de tal manera que la rentabilidad o bajo costo de los mismos hoy DIA es un factor clave para el análisis técnico económico de cualquier proyecto minero, razón por la cual los fabricantes de aceros de perforación para la minería han debido hacer uso de nuevas técnicas de fabricación que permitan aumentar la vida útil de los elementos con el propósito de controlar el valor del metro perforado llevándolo a l menor costo posible de obtener en razón de aumentar la vida útil de cada elemento. Por esta razón es que en el caso de los adaptadores de triconos principalmente se están utilizando recubrimientos antiabrasivos como protección al desgaste por erosión y fricción que son las únicas causas de desgastes que los afecta, estos recubrimientos pueden ser fundamentalmente en base a depósitos con aleaciones de carburos de cromo o depósitos con carburos de tungsteno, la elección de uno u otro pasa por un análisis técnico – económico que permita ofrecer la mejor alternativa al usuario. En cualquiera de los casos se usaran indistintamente tanto en adaptadores de triconos como en recubrimientos para los terminales de las barras sean pin o box.
ANILLOS GUÍAS ROTATORIOS La importancia de este accesorio generalmente no es plenamente reconocida por los usuarios así como tampoco su adecuado uso y manipulación. Sin embargo en el ítem de la columna de perforación el costo de este accesorio puede llegar a ser altamente incidente si no se controla debidamente su uso en la operación, los principales daños se producen por golpes que reciben a través de la columna de perforación cuando el terreno que se está perforando es muy duro, en estas condiciones de perforación las barras estàn siendo sometidas a una gran carga de empuje lo que a su ves da origen a grandes curvas de pandeo que asociadas a la rotación en conjunto con las vibraciones son los mayores causantes de golpes y daños en los anillos guías.
El diseño de estos accesorios considera que rodaduras en las cuales estàn las bolas de reduciendo su coeficiente de roce, la cantidad anillo guía y por consecuencia del diámetro de
su buje interior gire sobre dos o tres pistas de acero que permiten la rotación del buje interior de pistas de rodadura depende del diámetro del las barras de perforación.
Los cuerpos exterior e interior de los anillos guías se fabrican en aceros de alta resistencia mecánica con tratamientos térmicos, sin embargo las durezas que estos alcanzan en las pistas de rodaduras así como la dureza de las bolas no pueden ser mayores debido a los impactos permanentes a que estàn expuestos, una mayor dureza solo afectaría su vida útil ya que la resistencia a los impactos se reduce notablemente.
Los anillos guías montados sobe rodamientos tienen una importancia vital en la verticalidad de la columna de perforación, si los tiros a perforar son inclinados entonces el buen estado de estos accesorios tiene aun mas relevancia dado a que su ajuste reduce las desviaciones en los tiros y también reduce las vibraciones. Nunca se debe golpear un anillo guía, el flange de fijación a la mesa de trabajo es la parte más sensible de ser dañada por impactos, al momento de ser instalados estos deben deslizarse suavemente dentro de la perforación de la mesa. El control de desgaste se realiza en el buje interior, es recomendable que este desgaste no sea mayor a ½” por lado, es decir 1” de desgaste total en su
diámetro interior.
RECOMENDACIÓN PARA EL USO DE LOS ELEMENTOS DE PERFORACION. . Aun cuando los aceros hayan estado debidamente almacenados se deben inspeccionar las roscas machos y hembras, así como sus espejos, deben estar siempre limpios y libres de daños ocasionados por golpes. Antes de poner en uso los aceros de perforación se deben lubricar con grasas con altos contenidos de cobre micro pulverizado.
Cada vez que se reutiliza un acero se debe remover la grasa acumulada en sus zonas roscadas, para eliminar impurezas que impidan su acoplamiento normal y permitir la adherencia del nuevo lubricante. Acoplamientos de uniones roscadas, barras, adaptadores, etc. Las recomendaciones de limpieza y lubricación de hilos son extremadamente importantes para la vida útil de las uniones. Existen también otras variables de gran importancia que se deben tener en cuenta para la extensión de la vida útil de las uniones, las roscas nuevas son más susceptibles de ser dañadas que las uniones con desgaste, esto debido a que con el uso los perfiles van sufriendo desgastes que facilitan su engrane, por lo tanto los primeros acoplamientos son de gran importancia para la vida útil de las roscas. Las siguientes recomendaciones se deben tener presente al acoplar un conjunto roscado, sea entre barra- barra, barras-adaptadores, o adaptadores a triconos.
La rotación al acoplar debe ser lenta, el desplazamiento equivalente al paso de la rosca.
Por ejemplo, las roscas B.E.C.O. Tienen un paso de ½”, esto significa que por cada vuelta que giren al acoplar deben avanzar ½” .
Una rotación mayor que el desplazamiento indicado genera un montaje entre los hilos con desgarramiento de acero. Del mismo modo un desplazamiento mayor que la rotación produce el mismo daño.
descendente debe ser
En las columnas multipass es común que la vida útil de los hilos se vea reducida por desgastes prematuros en sus hilos, la razón radica en el constante acople y desacople de las uniones, la tendencia de algunos operadores es ejecutar esta operación en el menor tiempo posible pasando por alto las recomendaciones anteriores. Los daños en los hilos se producen por el constante acoplamiento o desacoplamiento de las uniones, durante el trabajo las uniones roscadas están sometidas a altas cargas de fricción y torsión, razón por la cual debe haber siempre una película protectora o de separación entre metal con metal, la lubricación adecuada y una buena calidad de lubricante pueden controlar en gran medida estos daños.
El sobre apriete de una columna de barras es producto de las cargas intermitentes de torsión, flexión y vibraciones que actúan sobre la columna principalmente cuando la dureza del terreno es muy alta. Las fallas más frecuentes de las roscas son
Desgastes por excesiva rotación o excesivo empuje al acoplar. Ruptura de hilos por micro grietas en el acero generado por una mala lubricación. Ruptura de hilos por fatiga de material provocadas por altas curvas de pandeo. Ruptura de hilos machos y/o hembras por sobre esfuerzos torsionales cuando la roca a perforar es muy dura.
Es importante señalar que el mecanismo de falla que provoca la ruptura en un hilo macho y/o hembra siempre es un esfuerzo mecánico extremo, sea por pandeo, flexión, o torsión, bajo estas condiciones los hilos van sufriendo lentamente un proceso de deformación hasta sobrepasar su limite de resistencia elástica llegando a la deformación permanente y su consiguiente ruptura. El mayor riesgo de fatiga y ruptura de hilos y/o barras se manifiestan en los primeros metros de perforación, en la “empatadura” de los pozos, por tal razón es estrictamente
necesario que el pulldown aplicado así como la rotación sean bajas, de tal forma de no producir desviaciones o pandeos , que son las causas de fatigas y rupturas, esta condición debe ser aplicada obligatoriamente en los primeros dos a tres metros, hasta que la columna ha conseguido estabilizarse lo suficiente apoyándose en el cabezal de rotación, la mesa de trabajo y las paredes de la perforación, esta es la única forma de reducir el riesgo de ruptura de hilos y barras . Los sobre aprietes de hilos tan comunes en las columnas de perforación principalmente cuando son de un solo paso (singlepas) son los principales causantes de rupturas en las zonas cercanas a los espejos de las uniones, cuando la resistencia de la roca a ser perforadora es muy alta una parte de la energía de empuje aplicada al tricono se libera transformándose en vibraciones y pandeo, estas a su ves causan dilataciones y contracciones permanentes en el acero, tal como se ha explicado en un capitulo anterior en estas condiciones en el acero comienza un proceso progresivo de deformaciones submicroscopicas en sus átomos generando calor y bajando la resistencia cohesiva de los componentes de su estructura, el proceso continua evolucionando hasta formar las primeras micro fisuras imperceptibles a simple vista, una vez que estas se van uniendo se transforman en grietas y se pueden observar fácilmente porque toman una dirección circular o transversal al eje del cuerpo afectado. Es por esta razón que cuando la columna de barras es single pass se debe incluir dentro del procedimiento de trabajo soltar la unión roscada para liberar la tensión acumulada por lo menos cada 2.000 a 2.500 mts. Esta será la única forma de reducir los sobre aprietes y rupturas de hilos en los terminales machos y grietas en el lado hembra de un tren de barras.
La resistencia a la torsión de una unión roscada es función de muchas variables, estas incluyen la resistencia del acero, el tamaño de la conexión, la forma de la rosca, su paso su conicidad y el coeficiente de fricción de las superficies en contacto, roscas y espejos. CONDICIONES SUB ESTANDARES QUE AFECTAN A LOS ACEROS DE PERFORACION PROBLEMA Cabezal de rotación descentrado Falta de aire para barrido
EFECTO SOBRE LA COLUMNA DE PERFORACION Altas curvas de pandeo sobre la columna, fatiga de de aceros y ruptura de hilos Pin y fisuras en hilos Box, desgastes asimétricos en faldones de triconos, altas cargas de fricción y golpes sobre los anillos guías rotatorios. Remolienda en el fondo del pozo, desgastes prematuros en los faldones de los triconos, desgastes prematuros en los bits sub por exceso de fricción en el fondo del pozo, desgastes en el núcleo de los triconos, entrabamiento de tricono, poca penetración.
Exceso de aire en el barrido
Desgaste por efecto de arenado sobre los bit sub y las barras, desgastes en los faldones de los triconos por efecto de arenado.
Gatos de nivelación en mal estado
Torceduras de barras, ruptura de hilos Pin y fisuras en hilos Box, ruptura de anillos rotatorios.
Cadenas de empuje con diferentes tensiones
Descentramiento de cabezal de rotación, pandeo de la columna con daños por fatigas en hilos Pin y Box, desgastes de anillos rotatorios por exceso de fricción, ruptura de hilos en Top Sub por desalineamiento, desgastes de hilos al acoplar.
Correderas gastadas
Desviación de cabezal y pandeo sobe la columna, vibraciones sobre el cabezal de rotación, desgastes de hilos al acoplar.
Amortiguador en mal estado
Vibraciones sobre el equipo, vibraciones sobre los anillos guías, daños sobre el tricono, ruptura de insertos en los triconos, sobre aprietes de hilos.
Torre de perforación torcida o desnivelada
Pandeo de columna y fatiga en los aceros, desgastes de hilos al acoplar, desgastes en faldones de triconos, desgastes prematuros en las barras por aumento de fricción sobre las paredes del pozo, empataduras defectuosas, pozos desviados.
Juegos excesivos en pasadores de fijación de torre
Vibraciones sobre la estructura de los equipos, ruptura de hilos Pin y fisuras en hilos Box, desviación de columna, daños en anillos guías, daños en faldones de triconos, fallas en empataduras de pozos, pozos desviados.
Anillos guías con excesivo desgaste
Vibraciones en columna de perforación, desviación de columna, impactps sobre el deck hole, daños en los rodamientos del anillo guia.
Instrumentos de nivelación descalibrados
Desviación de columna y torcedura de barras, fatigas en los aceros por pandeo, desgastes prematuros de aceros por aumento de fricccion sobre las paredes del pozo, desgastes de faldones en los triconos.
Llaves de servicio en mal estado. Válvulas de retención en mal estado
Exceso de aceite en la línea de aire.
Resbalamiento sobre los aceros, riesgos de golpes.
Golpes sobre los hilos Pin, ruptura de hilos Pin, desgastes prematuros de hilos al acoplar, barras torcidas al trasladar equipo. Daños en componentes de amortiguadores, contaminación de muestras, riesgos de caídas por resbalamiento en mesa de trabajo, desplazamiento de grasa en los hilos.
Calentamiento de las zonas de unión.
Alteración de la estructura de los aceros y fatiga de aceros por revenidos prolongados.
MANIPULACIÓN DE LAS BARRAS DE PERFORACIÓN Carguío de barras de perforación. Siempre se deben cargar las barras de perforación con una pluma de levante telescópica montada sobre un camión de apoyo con capacidad mínima para 3.000 kgs. También se puede realizar esta operación con un cargador tipo horquilla con una capacidad mínima de levante tambien de 3.000 kgs. La abertura de las horquillas de levante debe estar al máximo posible. Este tipo de cargador tiene un alto potencial de riesgo por resbalamiento de las barras sobre las horquillas metálicas, razón por la cual deben estar cubiertas con algún elemento antideslizante que evite el deslizamiento de metal con metal, puede ser madera o caucho. Cargar las barras y sujetarlas con eslingas o cadenas, ver figura Nº 1 Para el transporte de barras de mayor longitud (40’ 45’, 60’) se deben instalar cadenas o eslingas
adicionales en el medio.
Cargar los extremos machos o hembras de las barras hacia el mismo lado del camión, los protectores de hilos deben estar instalados y en buenas condiciones a ambos lados de las barras antes de comenzar a cargarlas. Evitar que los espejos de las barras rocen con las barras adyacentes, espaciándolas adecuadamente con listones de madera de a lo menos 1” de espesor dispuestos verticalmente
entre barra y barra para prevenir roces con las bandas de recubrimientos duros en los extremos machos y hembras.
Depositar las barras sobre el piso del camión apoyándolas sobre listones de maderas horizontales de a lo menos 3” de espesor.
La camada de barras se asegura al camión mediante cables o cadenas de sujeción atadas en puntos adecuados de la estructura del mismo. No sobrecargar el camión hasta el punto de exista peligro de resbalamiento o desnivelación durante el traslado, luego de recorrer una cierta distancia se debe controlar la tensión de los cables o cadenas de sujeción, para prevenir el asentamiento de la carga. Antes de descargar las barras asegúrese de que los protectores de hilos en ambos lados de las barras estén correctamente instalados y firmemente enroscados. Evite movimientos bruscos que pueden dañar o marcar el cuerpo de las barras. No descargue las barras dejándolas caer por las rampas o declives, se deben descargar de a una por vez, si las va a rodar sobre si mismas empújelas paralelamente hasta que tope con el separador de madera vertical que debe servir de s eparación entre barra y barra.
Los protectores de hilos protegen de la mayoría de los daños que se pueden producir mientras se trasladan, se almacenan o se manipulan para cargarlos. Las roscas machos y hembras así como sus espejos son las principales zonas que deben ser protegidas. No se debe permitir que estas zonas sean golpeadas contra otros aceros o superficies de igual o mayor dureza, los espejos dañados impedirán un acoplamiento de roscas eficientes, generando una luz entre los espejos de las uniones roscadas, al unir dos elementos que queden con sus espejos separados la flexión generada en la columna se transmite directamente a las roscas, esta flexión o bamboleo genera altas cargas de tensión que se concentran en los radios de fondo de los hilos produciendo fatigas de material y su consecuente ruptura, las fatigas una vez que se presentan no desaparecen, permanecen en la zona afectada y reaccionan generalmente ante menores esfuerzos .
TRANSPORTE Y ALMACENAMIENTO DE BARRAS DE PERFORACIÓN Las barras de perforación y los adaptadores en general están construidos con grados de precisión tal que requieren de un cuidado durante el transporte y almacenaje, se deben cargar las barras y sujetarlas con correas, o cadenas tomadas desde su centro de gravedad. Evitando que los espejos se golpeen entre si o contra otros objetos de igual o mayor dureza. Las barras y adaptadores deben estar permanentemente con sus protectores de hilos a ambos lados limpios y en buen estado antes de comenzar las operaciones de transporte y almacenamiento. Las barras deben ubicarse sobre bancos de madera o metal a una distancia mínima de 30 cm. Del suelo para evitar la humedad o la contaminación con barro, polvo, tierra u otro tipo de contaminante. La distancia de los puntos de apoyo entre las barras deben estar entre 3.0 a 5.0 mts. Entre si para evitar que se flecten.
CASOS TIPICOS DE RUPTURA DE HILOS CAUSADOS POR FATIGAS DE MATERIAL
IDENTIFICACIÓN DE HILOS MACHOS Y HEMBRAS B.E.C.O Y A.P.I.
LADO PIN Diámetro A 101.2 mm 113.9 mm 126.6 mm 145.6 mm 164.7 mm 215.5 mm 266.3 mm
Roscas B.E.C.O. LADO BOX Diámetro B 104.7 mm 117.4 mm 130.7 mm 149.2 mm 168.2 mm 219.0 mm 269.8 mm
TIPO BECO Nº 3½ 4 4½ 5¼ 6 8 10
Roscas A.P.I. Regular LADO LADO TIPO PIN BOX API Reg. Diámetro A Diámetro B Nº 66.6 mm 68.2 mm 2 3/8 76.2 mm 77.7 mm 2 7/8 90.1 mm 90.1 mm 3½ 117.4 mm 119.0 mm 4½ 140.2 mm 141.6 mm 5½ 152.1 mm 153.5 mm 6 5/8 178.6 mm 180.1 mm 7 5/8
DIMENSIONES Y PESOS DE LAS BARRAS DE PERFORACIÓN
Diam. De barras
Long. De barras
Esp. de tubos
5” ½
30’
5” ½
32’
5” ½
35’
6” ½
28’
6” ½
30’
6” ½
32’
6” ½
35’
¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
9” ¼
20’
1”
9” ¼
32’
1”
9” ¼
35’
1”
9” ¼
40’
1”
10” 3/4
33’
1” 1/2
MEDICIÓN DE BARRAS
Peso de barras Kgs. 565,0 600,0 650,0 752,0 800,0 850,0 914,0 988,0 1.468,0 1.580,0 1.780,0 2.265,0
CONTROL DE NIVELES EN EQUIPOS DE PERFORACIÓN
TABLAS DE CONVERSION PARA CONVERTIR BAR
EN PSI
MULTIPLIQUE POR
14.7
CENTIMETROS C.F.M C.F.M PIES CUBICOS METROS CUBICOS PIES LIBRAS PIE GALONES PULGADAS PULGADAS KILOGRAMOS KILOGRAMOS KILOMETROS LITROS x SEGUNDO LITROS LITROS MTS. CUBICOS x MINUTOS METROS METROS MILLAS MILIMETROS MEGA PASCALES (MPa) LIBRAS P.S.I P.S.I CUARTO GALON CENTIMETRO CUADRADO PIE CUADRADO PULGADA CUADRADA METRO CUADRADO TONELADA (US) TONELADA METRICA YARDAS KILO NEWTON
0.394 0.472 0.028 0.028 35.3 0.305 0.138 3.785 25.4 2.54 7.23 2.205 0.621 2.119 0.264 1.057 35.3 3.28 1.094 1.609 0.309 145 0.454 0.068 0.0069 0.946 0.155 0.093 6.452 10.764 0.907 1.102 0.914 22.4
PULGADAS LITROS x SEGUNDO METROS CUBICOS x MINUTOS METROS CUBICOS PIES CUBICOS METROS KILOGRAMOS LITROS MILIMETROS CENTIMETROS PIES x LIBRAS LIBRAS MILLAS C.F.M GALONES CUARTO DE GALON C.F.M PIES YARDAS KILOMETROS PULGADA PSI KILOGRAMOS BAR MEGA PASCALES ( Mpa) LITROS PULGADA CUADRADA METRO CUADRADO CENTIMETRO CUADRADO PIE CUADRADO TONELADA METRICA TONELADA (US) METROS LBS
TABLA DE LONGITUDES 1 DECAMETRO
DM
10 M.
1 HECTOMETRO
HM
10 DM = 100 M.
1 KILOMETRO
KM
10 HM = 100 DM. = 1.000 M
1 DECIMETRO
DM
100 MM. = 10 CM. =0.1 M
1 CENTIMETRO
CM
10 MM. = 0,01 M
1 MILIMETRO
MM
0.001 M
1 PULGADA
PULG.
0.0833 P = 0.0278 YD = 0.0254 M
