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9 Ene 2016

PERFORACIÓN HORIZONTAL DIRIGIDA: ASPECTOS GENERALES. 2 de 2

PERFORACIÓN HORIZONTAL DIRIGIDA 

Las máquinas para realizar la PHD han mejorado tanto en potencia como en diámetros de instalación disponibles, habiendo bajado el coste hasta ser competitivo con las técnicas de excavación con zanja facilitando colocar tubos, conductos y cables en la mayoría de los diámetros habituales y en longitudes de más de un kilómetro sin necesidad de abrir zanjas

Fluido de perforación. PHD

Figura 5. Fluido de perforación. Imagen de Catalana de Perforacions

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MÉTODOS DE INSTALACIÓN

El procedimiento habitual es la perforación asistida con fluidos. En este caso, la cabeza se empuja por una sarta de perforación a través del terreno. El fluido se bombea por el interior de la tubería que forma la sarta de perforación y retorna por el espacio que existe entre la sarta y las paredes de la perforación, con el detritus correspondiente, por lo que debe reciclarse para volver a utilizarse (Figura 5). Hay máquinas autónomas que llevan consigo los tanques de mezcla y las bombas del fluido, aunque en otras son sistemas independientes.

El uso de la perforación con lodos es frecuente, pues además de contener las paredes, permite el transporte del detritus en suspensión al exterior, además de la lubricación y refrigeración de la cabeza de corte. Asimismo, estabilizan la perforación piloto hasta que se inicia su ensanche. Los fluidos de perforación suelen ser mezclas de bentonita y agua, aunque hoy existe una tendencia creciente en el uso de polímeros. Hay que prever en suelos porosos o fracturados una pérdida de fluidos significativa. Cuando se trata de perforar terrenos duros y roca, se pueden utilizar conjuntos de fondo, BHA (bottom hole assembly), que es la parte inferior de la sarta de perforación que se extiende desde un tricono de perforación al varillaje. El BHA se acciona mediante un motor de lodos, que utiliza la potencia hidráulica del fluido de perforación.

 Central de tratamiento de lodos PHD

Figura 5. Central de tratamiento de lodos. Imagen de Catalana de Perforacions

En equipos pequeños se puede utilizar la percusión para complementar el empuje y la rotación de la cabeza de perforación, sobre todo en terrenos heterogéneos o inclusiones duras. El martillo puede estar en cabeza o bien en la máquina de superficie. Sin embargo hay que tomar precauciones, pues este sistema puede dañar la sarta de perforación y los equipos electrónicos de guiado. También se pueden proyectar fluidos a alta presión (fluid jet boring) en la cabeza perforadora. Puede proyectarse agua o una mezcla de fluidos de perforación. El ángulo de ataque permite disgregar el terreno y facilitar el guiado. Se usa este sistema en suelos más bien blandos.

Otra posibilidad consiste en perforar en seco o con pequeñas cantidades de agua o lodos, aunque se reserva para diámetros moderados y condiciones favorables del terreno. Las máquinas son más compactas y sencillas que las de fluidos. Estas máquinas, aparte del empuje y la rotación, emplean un martillo neumático en cabeza para penetrar y compactar el terreno. Es un concepto parecido al de un topo de percusión (Figura 6). De la misma forma que en las máquinas de fluidos, la cabeza del martillo está angulada para dirigir la perforación parando la rotación en una orientación determinada.

La direccionabilidad de la perforación se consigue combinando la geometría de la broca de corte, con el efecto “rotación-empuje” o “no rotación-empuje” y gracias a la flexibilidad de la barra de perforación, que se adapta a los radios de curvatura.

Cabeza de percusión de roca para equipos PHD

Figura 6. Cabeza de percusión de roca para equipos PHD. Imagen de Terra Trenchless Technologies

MAQUINARIA DE PERFORACIÓN Y ELEMENTOS AUXILIARES

Actualmente existe una gran variedad de máquinas empleadas en la PHD. En la Tabla 1 se recoge una clasificación en función de la fuerza máxima de tiro, el par máximo y el peso (IbSTT, 2013). Más del 90% de las máquinas se pueden clasificar como pequeñas o medianas, con una fuerza máxima de tiro de 250 kN. Con estas características, se pueden colocar diámetros que oscilan entre los 50 mm y los 2200 mm, e incluso llegar a 3 km de conducción si se dan las circunstancias favorables. Aunque las máquinas estándar y más versátiles del mercado suelen tener 500 kN de tracción, las mayores tiran unos 2000 kN. Resulta interesante en este sentido el trabajo de Gierczak (2014) donde se realiza una valoración cualitativa de los riesgos inherentes a los proyectos PHD. Además, estas máquinas presentan una gran variedad de sistemas de guiado, cabezas de perforación, de ensanchamiento y otros accesorios (Figura 7).

 

Tabla 1. Clasificación de máquinas para la perforación horizontal dirigida (IbSTT, 2013)

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Mandriles de cabeza de tiro PHD

Figura 7. Mandriles de cabeza de tiro. Imagen de Terra Trenchless Technologies

Las pequeñas acometidas utilizan sistemas Mini-PHD (Figura 8) en las que la dirección de la cabeza de perforación se logra gracias al corte en bisel que presenta la propia broca. En los sistemas Maxi-PHD se utiliza una camisa doblada para desviar el eje del cabezal de corte, además de un tubo de lavado (“washover”) o una camisa con un gran diámetro interno, dentro de la que se desliza la sarta de perforación. A pesar de la gran variedad de máquinas y fabricantes, los equipos están montados sobre tráiler, sobre orugas o por módulos. El sistema modular suele ser la mejor opción para los equipos de mayor potencia, por su facilidad y rapidez de acoplamiento. Para obras de fácil acceso y para facilitar el transporte, lo mejor sería montar el quipo sobre un tráiler, pero si tenemos problemas de movilidad, mejor sería montarlo sobre orugas.

Mini-PHD para acometidas modelo GRUNDOPIT

Figura 8. Mini-PHD para acometidas modelo GRUNDOPIT. Imágenes de Sistemas de Perforación S.L.U

Los rendimientos de las máquinas PHD dependen del tipo de terreno (ver Tabla 2), pero también de aspectos gerenciales, medioambientales o de las condiciones de la tubería. Zayed y Mahmoud (2013) analizan todos los factores que influyen en la productividad. Predecir la producción y los costes que va a tener un equipo de estas características puede ser complejo (Yepes, 2015); en este sentido Zayed y Mahmoud (2014) proponen técnicas basadas en la lógica difusa para su predicción.

Tabla 2. Valoración de la aplicabilidad de la técnica PHD en función del material (Hair, 1994)

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Así, lo más favorable son arcillas homogéneas, mientras que los materiales granulares presentan problemas de estabilidad, sobre todo bajo nivel freático. Además, las gravas pueden acelerar el desgaste de la cabeza de perforación. Wang y Sterling (2007) han estudiado el comportamiento de la PHD en arenas flojas o mezclas de arenas y gravas, que son los terrenos más problemáticos. En el caso de roca, las máquinas deben contar con motores de lodos que accionen las cabezas cortadoras. Existen incluso máquinas con doble varilla en el que el tubo interior hacer rotar la cabeza cortadora de roca y el exterior proporciona la dirección de perforación; sin embargo, estas máquinas son de pequeño diámetro y longitud de perforación. Otra opción es combinar la percusión con el empuje y la rotación.

En cuanto al emplazamiento de las máquinas, éstas se instalan en superficie, aunque en ocasiones se implantan en un foso. Las de superficie se desplazan mediante orugas, aunque si son muy grandes a veces se requieren medios de transporte. Con todo, son necesarios pequeñas excavaciones para conectar los extremos de los tramos de tubería. Las máquinas emplazadas en fosos se usan normalmente para tramos cortos y rectos, con ligeras desviaciones. Esta circunstancia también restringe la longitud de la sarta de perforación.

Las máquinas PHD presentan dos características comunes, un soporte que empuja la sarta de perforación para la perforación piloto y luego tira de ella y del tubo durante el ensanchamiento (Figura 9), y un motor que hace girar la sarta de perforación, junto con la cabeza de perforación o de ensanche. El empuje suele ser hidráulico, y la inclinación del soporte está inclinada entre 10º y 20º respecto a la horizontal. Si la máquina se emplaza en un foso, la reacción necesaria la proporcionan las caras de la excavación. Las máquinas de superficie se anclan al suelo para su estabilización.

 Conexión del escariador a la tubería

Figura 9. Conexión del escariador a la tubería. Imagen de Apollo Trenchless, Inc.

La sarta de perforación está formada por tubos que están sometidos a grandes esfuerzos, tanto de tracción como de compresión por el empuje y tiro de la máquina, así como de torsión por el par de rotación. Además deben ser flexibles para adaptarse a los cambios de dirección de la perforación y ligeros para facilitar su transporte. Y por supuesto, resistentes a la abrasión y al desgaste. Cheng y Polak (2007) presentan un modelo teórico para el dimensionamiento de las tuberías y Yang et al. (2014) proporcionan un modelo dinámico determinar los esfuerzos de tiro. Las máquinas emplazadas en superficie usan tubos de entre 3 y 9,6 m de longitud, mientras que las situadas en un foso requieren tramos más cortos, entre 0,3 y 1, 5 m. Estos tramos suelen roscarse entre sí, aunque también hay conexiones tipo bayoneta. La tubería se incorpora a la perforación por tramos cargándose por un sistema automático de la máquina (Figura 10). Los tramos se pueden roscar o desenroscar de forma automática para acelerar la producción y seguridad de las operaciones.

Sistema de carga de tramos de tubería

Figura 10. Sistema de carga de tramos de tubería. Imagen de Zemin Arastrima Merkezi, Corp.

SISTEMAS DE NAVEGACIÓN

El desarrollo de la tecnología PHD se ha basado fundamentalmente en las innovaciones realizadas en los sistemas de navegación y seguimiento de la perforación. La navegación permite conocer con precisión la localización de la punta de perforación. Para controlar la dirección y profundidad de la cabeza, se le coloca en su interior o junto a ella una sonda que emite señales que se recogen en superficie. Este sistema vía radio se denomina “Walk-over”, que incluso es capaz de capturar las señales sin acceso directo sobre el transmisor; es un sistema muy utilizado en la PHD, sobre todo en trabajos pequeños y medianos.

Sin embargo, a veces resulta complicado seguir en superficie al transmisor, como por ejemplo en un río; en estos casos se puede utilizar un cable conectado a la cabeza para el guiado, sería el sistema de cable “Wire-line”, utilizado también cuando se requiere una mayor precisión. Existe asimismo la posibilidad de anular el efecto de campos magnéticos y eléctricos cuando se atraviesan elementos que interfieren las señales. Otros sistemas, denominados “Gyro compass”, utilizan la magnetometría para la localización; estos giroscopios trabajan independientemente del campo magnético terrestre y por tanto determinan de forma precisa la dirección del eje de perforación. Li (2013) explica la monitorización de una tubería de gas durante su ejecución.

Todos estos sistemas de navegación se encuentran asistidos por ordenador para el correcto control de la dirección. La Tabla 3 resume los diferentes procedimientos de navegación con detalles de los campos de utilización (IbSTT, 2013).

Tabla 3. Diferentes procedimientos de navegación de PHD (IbSTT, 2013)

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CONCLUSIONES

La Perforación Dirigida Horizontal PHD constituye una técnica que presenta claras ventajas en la instalación de tuberías, conducciones o cables en medios urbanos o para superar barreras como carreteras, ríos, etc. Sus costes actualmente son muy competitivos, especialmente si se tiene en cuenta los costes indirectos que suponen las molestias e interrupciones de servicios que plantea la excavación en zanja tradicional. Son posibles conducciones de una gran variedad de diámetros y longitudes de perforación que pueden superar fácilmente el kilómetro. Los procedimientos actuales de navegación y guiado de la perforación están asistidos por ordenador y permiten una elevada precisión, capaz incluso de instalar tuberías que funcionan por gravedad, donde es fundamental el control de la inclinación. Sin embargo, esta tecnología necesita, para garantizar su éxito en plazos, rendimientos y seguridad, de un elevado grado de especialización, pues la elección del equipo adecuado, el manejo del sistema de guiado, el mantenimiento del equipo y la planificación y estudio de los trabajos requieren formación y experiencia.

REFERENCIAS

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Autor: VÍCTOR YEPES PIQUERAS.  

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