Perforación a Percusión

INTRODUCCIÓN Los primeros sistemas de perforación por percusión (China, 4000 AC) consistían en un balancín contrapesado por un grupo de hombres, que efectuaban el tiro en un extremo de una cuerda mientras que de otro colgaba la sarta de perforación construida con cañas de bambú.  Este sistema de perforación ha ido evolucionando incorporando técnicas y materiales modernos, por lo que sigue siendo uno de los procedimientos más usados actualmente para la explotación de acuíferos e investigación, ya que presenta ventajas que los más modernos sistemas de perforación no han podido igualar.  La técnica de perforación consiste en realizar un movimiento alternativo de bajada-subida de una masa pesada que en su caída va fracturando o disgregando la roca, desprendiendo de la misma trozos de variado tamaño, que después se extraen por medio de una válvula o cuchara de limpieza. Es una técnica válida para cualquier tipo de material, sobre todo rocas consolidadas.

ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN LA PERCUSIÓN DE UN POZO
Barrenas Columna o sarta de perforación Cable que imprime a la sarta el movimiento de vaivén que le comunica el balancín de la sonda. Sonda o máquina de perforación que desde la superficie del terreno proporciona a la sarta (por medio de un balancín), el movimiento de vaivén.	Equipo de perforación

Columna o sarta de perforación

Está formada por una serie de herramientas o útiles dispuestos, de abajo a arriba, de la forma siguiente: trépano, barrón, destrabador y montera. TRÉPANO Herramienta que realiza el trabajo de rotura, disgregación y trituración de la roca. Por tanto, su función es la de penetrar, triturar, escariar y mezclar.   Su peso, salvo casos excepcionales, puede variar entre 100 y 500 kg para pozos pequeños y de mediano diámetro y de 500 a 1200 kg para pozos de gran diámetro. Presenta formas variadas, para tratar de ajustarse con ellas a determinadas funciones específicas: Trépano regular Trépano de estrella o cruciforme. Adecuado para perforar formaciones estratificadas con buzamiento, donde exista una tendencia a producirse desviaciones en las perforaciones. En general con éste tipo de trépano se obtienen buenos rendimientos en cualquier clase de roca, independientemente de su utilidad para evitar desviaciones.  Presenta longitudes comprendidas entre 1,00 y 1,60 metros. Trépano californiano. Presenta hombros escurridizos y biselados para evitar atranques en su movimiento hacia arriba. Trépano de hombros rectos. Permite golpear hacia arriba o escariar. Trépano salomónico. Adecuado para formaciones blandas, con tendencia al desprendimiento, sobre todo si son plásticas, pues las caras del trépano alisan y compactan con su roce las paredes de la perforación.  Las características geométricas de un trépano deben ser función de las correspondientes al terreno a perforar. Según el tipo de formación de que se trate, deben predominar unas u otras funciones del trépano para que su trabajo de perforación sea óptimo.  PARA ROCAS DURAS: la funciones del trépano son penetrar y escariar. Deben elegirse trépanos con ángulo de penetración aguado y amplio ángulo de despeje para rocas no abrasivas y con ángulo de penetración obtuso, amplia superficie de desgaste y poco ángulo de despeje para rocas duras y abrasivas. PARA ROCAS BLANDAS (pizarras, margas, rocas arcillosas en general): la principal función del trépano es la mezcladora, por lo que se deben elegir trépanos con poco ángulo de penetración, amplio ángulo de despeje, gran superficie de trituración y pequeña sección del cuerpo del trépano, para que los pasos de agua sean grandes. Los diámetros de los trépanos para perforación con cable no están normalizados como las herramientas para perforación a rotación (coronas y triconos).  Diámetro trépano (mm) Diámetro entubado (mm) 580-590 500 480-490 400 380-390 300 300-310 250 250-260 200 200-210 150 El material de los trépanos también es variado, predominando los aceros al carbono, aceros de aleación y aceros al crisol. BARRÓN Es una barra cilíndrica de acero forjado que se coloca justo encima del trépano y enroscada a él. Su función es doble. Por una parte dota a la sarta del peso necesario para la perforación y por otra sirve de guía, dada su notable longitud, colaborando de forma importante en el mantenimiento rectilíneo y vertical de la perforación. La longitud del barrón de perforación varía normalmente entre 3 y 5 m y su peso entre 400 y 1000 kg. DESTRABADOR o tijera Esta herramienta, que va enroscada al barrón, constituye un elemento de seguridad ante posibles agarres del trépano. Si se conoce el terreno, si éstos son duros y coherentes y se sabe que no hay peligro de desprendimientos, se puede prescindir de su uso. Si por el contrario, y aunque disminuya algo el rendimiento, en terrenos deleznables o propensos a desprendimientos, y en aquellos en los que falte la experiencia de perforaciones anteriores, es prudente usar el destrabador. Consta de dos eslabones que permiten un juego longitudinal, de unos 20 ó 30 cms, gracias al cual se puede golpear hacia arriba, mediante tirones del cable y utilizar la masa de éste, de la montera y de la parte superior de la tijera, con lo que generalmente se consiguen resolver los pequeños atranques que haya podido tener el trépano, debido principalmente a desprendimientos de las paredes de la perforación, o acuñamientos, por desgaste de la superficie escariadora.  Si se han producidos importantes enganches del trépano, en las tareas de salvamente se emplea un destrabador de carrera más larga, disponiéndose entonces la hilera o sarta de pesca de la siguiente forma (de abajo a arriba): pescador, destrabador de carrera larga, barrón de carga y montera. Con esta disposición se utiliza también la masa del barrón al producir los golpes con la tijera. MONTERA Es el elemento colocado en la parte superior de la sarta. Sirve para unir la sarta al cable, unión que se hace mediante un bulón que se aloja en el interior de la montera propiamente dicha. La sujeción del cable al bulón se hace por medio de una moña, que consiste en destrenzar el cable en su extremo, deshaciendo los cordones y abriéndolos. Este extremo destrenzado del cable se aloja dentro del bulón, vertiéndose entonces zinc fundido o metal antifricción. Esta unión es uno de los puntos débiles en el conjunto sarta-cable, por lo que se debe revisar de forma periódica y rehacerse cada 50 horas de trabajo aproximadamente (otros puntos débiles de la sarta son las uniones roscadas de cada uno de los elementos o herramientas que la componen). Es muy importante acertar con la elección de estas roscas de unión, por lo que han sido normalizadas por el American Petroleum Institute (API).  Para diámetros comprendidos entre 150-250 mm, las roscas del macho del trépano son de 3 1/4 x 4 1/4 pulgadas y 7 hilos por pulgada. Para diámetros entre 250-580 mm, las roscas que se emplean son de 3 1/4 x 4 1/4 pulgadas. Pero lo mejor es que a partir de 380 mm se utilicen de 4 1/4 x 6, con 7 hilos por pulgada. Las rocas del macho en el barrón son 2 3/4 x 3 3/4 o para aceros de inferior calidad de 3 1/4 x 4 1/4 y 7 hilos por pulgada.

Cable

Del cable de perforar pende al sarta, comunicándole a ésta el  movimiento de vaivén, que a su vez le transmite el balancín de la sonda.  Este cable se ve sometido a un duro trabajo debido a las tensiones alternantes que se producen al elevar y soltar la herramienta, así como por las continuas sacudidas al tensar. También se produce un desgaste importante por el continuo contacto con el agua y el lodo, debido a las partículas abrasivas que contienen, que desgastan los alambres del cable. Y lo mismo ocurre, pero con mayor intensidad, al rozar el cable con las paredes de la perforación. También produce desgaste el repetido enrollamiento y desenrollamiento en el tambor del cabrestante en las operaciones de extracción e introducción de la sarta, así como el rozamiento continuo de las poleas del balancín y de la torre o castillete, durante el trabajo de perforación.  Para soportar todos los esfuerzos, el cable debe reunir una serie de características tales como: suficiente resistencia a la tracción, flexibilidad y resistencia al desgaste por abrasión. Los cables más utilizados, que cumplen razonablemente estas condiciones, son los del tipo SEALE, de acero sin galvanizar, con alma de cáñamo o polivinilo de composición 6 x 19 + 1(5) arrollamiento cruzado, con una resistencia a la tracción de 160 a 180 kg/mm2. La torsión de estos cables debe ser a la izquierda, para que al ponerse en tensión y producirse el "descableado" y girar, lo hagan de izquierda a derecha, en el sentido de apretar las roscas de las herramientas que componen la sarta.  También puede utilizarse un cable preformado, que por su menor descableado, produce menos giro en la herramienta, pero suficiente, sobre todo si se usan trépanos cruciformes. Con 1/6 de vuelta aproximadamente, cada 4 ó 5 golpes, es suficiente para mantener un pozo bien recortado, especialmente si la perforación se realiza sobre roca dura. Para la utilización óptima de un cable, existe un diámetro mínimo del tambor en que debe enrollarse y de las poleas que deben guiarlo. Es conveniente seguir los consejos del fabricante tanto para el arrollamiento como para su conservación, manipulación y engrase.  Con carácter general se recomienda que los tambores y las poleas tengan aproximadamente el diámetro que corresponda con arreglo a lo indicado en la tabla de abajo: Cable Diámetro tambor o polea 6 x 7 42 veces diámetro cable 6 x 19 30 veces diámetro cable 6 x 37 18 veces diámetro cable 8 x 19 21 veces diámetro cable 8 x 7 34 veces diámetro cable Otra regla general puede ser la siguiente: - diámetro de tambores D > 400 δ - diámetro de poleas D > 450 δ - diámetro de poleas de compensación D > 320 δ donde δ es el diámetro de los alambres más gruesos del cable.  También es preciso que la garganta de las poleas sea adecuada, puesto que la duración de los cables es tanto mayor cuanto mejor se adapte a ellas. El diámetro de la garganta debe ser ligeramente superior al diámetro del cable, pero no excesivamente, porque entonces el cable no tiene suficiente superficie de apoyo y se aplasta. Para el ángulo de contacto resultan adecuados valores comprendidos entre 120-150º. En las máquinas corrientes para perforar pozos para agua, los dos cables más usados son los de diámetros de 5/8" y 3/4".

Sonda o máquina perforadora

La sonda o máquina de perforación realiza tres funciones: mueve la sarta de perforación, extrae los detritus producidos por el trépano y coloca las entubaciones de revestimiento.  Para el movimiento de la sarta se utilizan varios dispositivos, pero prácticamente solo se utiliza el denominado balancín, el cual recibe su movimiento oscilante por medio de un mecanismo de biela y manivela. La manivela va unida a un piñón de diámetro grande, que engrana con uno más pequeño solidario al eje central de la sonda, que recibe el movimiento directamente del motor por medio de una transmisión generalmente de correas trapezoidales. Un tambor, movido también por correas trapezoidales o por cadena a través del eje central, sujeta el cable de perforar, que pasa por las dos poleas. Cuando el tambor del cabrestante está frenado y por tanto sujeto al cable, el extremo libre de éste (del que depende la sarta) queda sometido a un movimiento de bajada y subida al oscilar el balancín, produciéndose de esta manera el trabajo de la herramienta de perforación. A medida que esta avanza, se va dejando salir más longitud del cable enrollado en el tambor.  La altura de la caída del trépano se regula alargando o acortando la longitud de la manivela, para lo cual tiene varios puntos donde acoplar en ella la biela. La longitud del cable, debido a su elasticidad, tiene también mucha importancia en la altura de caída del trépano, hasta el punto que puede llegar a doblar la fijada por la manivela de la máquina, en cuyo caso cesa el movimiento del trépano. También, regulando la velocidad del motor se regula la del balancín, hasta conseguir que la caída de la herramienta sea libre (dentro del agua o del lodo de perforación), sin que quede frenada por la polea del balancín, obteniéndose con esa velocidad el mayor rendimiento de la perforación.  La altura de la caída del trépano se determina en función de la dureza del terreno y de la profundidad del fondo de perforación. En máquinas de perforar normales puede oscilar entre 20-60 cm. Para roca dura, la altura de caída debe ser la más corta, hasta una profundidad de unos 20-30 m. Después, teniendo en cuenta el aumento de alargamiento del cable al aumentar su longitud, el sondista experimentado, determinará la altura de caída más conveniente en cada momento. Para rocas blandas la altura de caída debe ser corta, hasta los 5-10 m primeros, pasando luego a la más larga, pero sin dejar que el trépano se clave en el terreno, toda vez que en esta roca, su misión, más que perforar rápido es la de enlucir bien las paredes de la perforación para que no se desprendan. La polea del cable de perforación colocada en la cima del mástil, va sobre un dispositivo amortiguador formado por un conjunto elástico de discos alternantes de goma y acero, cuya misión es aumentar la elasticidad del cable de perforación y evitar vibraciones a la torre de la máquina y a ésta misma. Para la extracción de los detritus producidos por el trépano, se dispone de una segunda línea de cable con su cabrestante, que permite la rápida introducción y extracción de una cuchara de limpieza. El cabrestante, de mayor velocidad que el de la línea de perforación, está accionada también por el eje central, al que se hace solidario por medio de un embrague. La polea de limpieza también va colocada en la torre de la sonda. Los diámetros más usados para el cable de limpieza, con indicación de los pesos recomendados en su trabajo, se recogen en la tabla siguiente: Diámetro (pulgadas) Resistencia (kg) Peso recomendado (kg) 5/16 2800 560 3/8 4000 800 7/16 5400 1100 1/2 7000 1400 9/16 8800 1750 El tipo de cable que se usa corrientemente para la limpieza o valvuleo es el de acero sin galvanizar en composición 6x7+1 normal que debe ser performado, con arrollamiento cruzado y torsión a derecha y alambres de una resistencia a la tracción de 140-160 kg/mm2. Las válvulas o cucharas que se utilizan para la extracción del detritus de perforación esencialmente son unos tramos de tubería, terminados en su parte inferior en una válvula, que puede ser plana o de dardo. La plana, (llamada también chanerla o clapeta) se usa especialmente para la extracción del detritus y hace mejor la limpieza del sondeo. La de dardo o lanza, se usa preferentemente para ensayos de achique o cuchareo de agua, al hacer un aforo elemental, en pozos de pequeño caudal. Su principal ventaja radica en la rapidez con que se vacían al apoyarlas en el suelo. Existen otra cuchara menos usada, que lleva un émbolo interior, que permite hace runa pequeña succión, resultando más precisa en la limpieza del fondo de la perforación, pero también es más costosa y su empleo más lento y complicado. Se usa en materiales aluviales groseros, con grandes gravas, convirtiéndose prácticamente en la herramienta más importante de la perforación.  Las dimensiones de las válvulas de limpieza deben ser, en cuanto a su diámetro, muy próximas al de la perforación (sólo 3 ó 4 cm menos de diámetro) y en cuanto a su longitud, relativamente largas, de aproximadamente 3 m las planas y del doble las de dardo, para poder conseguir caudales apreciables en las pruebas de aforo por cuchareo.  En cuanto a la función de colocación de las entubaciones del revestimiento que también realiza la máquina de perforación, la llevan a cabo por medio de un tercer cabrestante, con otra polea en la torre y una tercera línea de cable.  El cabrestante y la polea de entubación son normales y el cable debe ser de tipo antigiratorio, para la correcta colocación de las tuberías. Su composición 18x7+1, alma de cáñamo, preformado antigiratorio con arrollamiento cruzado, torsión a derecha y fabricado con alambres sin galvanizar, de una resistencia a la tracción de 140-160 kg/mm2. También se puede usar cable antigiratorio de composición 19x7+0. Diámetro (pulgadas) Resistencia (kg) Peso recomendado (kg) 5/8 12000 2400 3/4 17000 3400 7/8 23000 4600 1/2 7000 1400 El cabrestante y el cable de entubación se utilizan también para la suspensión y manejo de herramientas, así como para la eventual colocación de bombas de aforo o equipos de desarrollo.

SISTEMA DE TRABAJO

El procedimiento a seguir durante la perforación por percusión dependerá del tipo de terreno.  En formaciones rocosas coherentes o consolidadas, la perforación puede hacerse sin necesidad de que siga inmediatamente al avance el revestimiento y en muchos casos puede prescindirse definitivamente de éste. En formaciones no coherentes o granulares o poco consolidadas o arcillosas, es preciso que la entubación de revestimiento siga, en general muy de cerca, al avance de la perforación. Los rendimientos son mucho mayores en las formaciones rocosas coherentes o consolidadas, cuyas paredes se sostienen sin necesidad de un revestimiento inmediato a medida que se avanza. El golpe del trépano contra el terreno se produce cuando el cable está estirado (incluyendo la deformación debida a su elasticidad) y el amortiguador de la polea de la torre (y los de las poleas del balancín, si existen) comprimido. Es decir, cuando la polea del balancín ha llegado a su punto más alto, el trépano aún no ha tocado el fondo de la perforación. Es necesario que el balancín empiece su descenso, para que se ponga en tensión todo el cable, al tirar por un cabo el balancín y por el otro la sarta. Es entonces cuando el cable se estira y los amortiguadores de torre y poleas se comprimen, y la suma de estas deformaciones son las que permiten que el filo del trépano llegue al fondo del taladro. Inmediatamente después, la recuperación de las deformaciones anteriores, unida al movimiento descendente del balancín, hace que el trépano inicie su movimiento ascendente sin tirones bruscos.  El rendimiento de la perforación está condicionado por una serie de factores: resistencia de la roca; peso de la sarta de perforación; altura de caída de la misma; diámetro del trépano; número de golpes por minuto; calidad y densidad del lodo acumulado en la perforación. Salvo en la dureza de la roca, en los demás factores se puede intervenir, dentro de ciertos límites.  En la determinación del número de golpes por minuto, Carreira (1968) indica un modo sencillo de comprobar que se perfora a la velocidad correcta. Consiste en observar que cuando esto ocurre, el balancín asciende algo más rápido que la caída libre de la herramienta, y entonces, al quedar la polea de aquél libre de la presión del cable, gira libremente hacia adelante. Una cadencia normal de golpeo en la perforación es de alrededor 45-50 golpes/minuto.  Durante la ejecución de la perforación, es importante utilizar la cuchara de limpieza a intervalos razonables, sin esperar a que se acumule excesiva cantidad de detritus o lodo, puesto que entonces el trépano trabaja mal al golpear sobre el detritus, lo que además dificulta el giro normal del trépano, bajando el rendimiento. Tampoco debe utilizarse la cuchara con excesiva frecuencia, puesto que el tiempo invertido en esta operación es improductivo desde el punto de vista del avance. La tubería de revestimiento va protegida en su parte inferior con un refuerzo o zapata en forma de bisel, llamada zapata de avance. En estas formaciones, que es preciso revestir a medida que avanza la perforación, la operación de revestimiento retrasa considerablemente el trabajo, empleándose en ella tanto tiempo como en el avance y limpieza. Por otra parte, debido al rozamiento del terreno con la tubería y a veces a piedras gruesas que se colocan debajo de la zapata y que no es fácil romper o retirar, la tubería puede quedar retenida, fuertemente agarrada por el terreno, sin que a pesar del repetido golpeo se consiga proseguir su descenso. En estos casos es preciso introducir otro tubo de revestimiento de menor diámetro, encareciendo considerablemente el coste del pozo, pues a veces son necesarias varias reducciones hasta llegar a la profundidad prevista. Con ello existe el peligro de no poder alcanzar la profundidad prevista con el diámetro adecuado, so pena de comenzar la perforación con un diámetro desproporcionado, y probablemente prohibitivo desde el punto de vista económico, y de aumentar el tiempo necesario para la perforación. Esta es una limitación de la perforación a percusión en terrenos incoherentes, para los que está más indicada la perforación a rotación con empleo de lodos. En contraposición al inconveniente anteriormente citado, la perforación a percusión es un procedimiento sencillo, que permite localizar fácilmente los horizontes acuíferos, con escaso peligro de dejarlos tapados, siendo fáciles los desarrollos de los pozos hechos por este procedimiento. Para rocas coherentes, aunque estén fisuradas es, probablemente, el mejor procedimiento que se puede utilizar.

VENTAJAS E INCONVENIENTES

Ventajas Inconvenientes Mayores diámetros (1.100 mm) que permite mayor maniobrabilidad en posteriores actuaciones y la instalación de elementos de bombeo de mayor potencia y volumen Requiere personal altamente cualificado Perfecta verticalidad El avance e s más lento aunque en perforaciones poco profundas es equiparable al de una máquina rotativa.  Profundidades de hasta 800 m Es sensiblemente más lenta que los sistemas alternativos Pueden realizar varias reducciones de diámetro, pueden trabajar en lugares remotos debido a la poca cantidad de medios que necesitan (gas-oil, agua, y otros materiales), en comparación con otros sistemas En terrenos poco consolidados la necesidad de utilizar tuberías auxiliares de revestimiento limita las profundidades/diámetros de perforación  Produce muestras de gran calidad que permiten evaluar con precisión la naturaleza de los terrenos atravesados Puede perforar cualquier tipo de terreno No presenta problemas en terrenos muy fisurados donde otros sistemas resultan inoperativos. No emplea lodos por lo que se evitan riesgos de colmatación de las formaciones acuíferas Costes relativamente bajos de maquinaria, operacional y de mano de obra Pueden instalarse los equipos en áreas de accesibilidad compleja y trabajar en condiciones climáticas extremas.