Fundamentos de Perforación: Eficiencia, Equipos y Costos Operativos

Eficiencia y Rendimientos en la Perforación

Los factores que determinan la eficiencia y los rendimientos son: las características de potencia de la máquina perforadora, la transmisión de la energía a la roca y la aplicación de la energía a la roca.

Potencia en un Equipo Neumático

La potencia en un equipo neumático se define mediante la fórmula: Wo = 0,5 · P · A · L · N [kgm/min], donde:

• P: Es la presión manométrica del aire a la entrada del cilindro, equivalente a 6 [kg/cm²].
• A: Es el área de la cara frontal del pistón o área del cilindro de la máquina [cm²].
• L: Es la carrera del pistón [m].
• N: Es la frecuencia de impactos [golpes/min].

Sistemas y Mecanismos de Perforación

Fuerza de Empuje

La fuerza de empuje cumple tres funciones principales:

• Contrarrestar la fuerza que ejerce el fluido a presión en la parte posterior del cilindro de la máquina.
• Contrarrestar la fuerza de reacción de la roca (principio de acción-reacción).
• Optimizar el proceso de aplicación de la energía.

Rotación

La rotación permite la penetración de la roca con la herramienta mediante el torque de rotación y la fuerza de empuje aplicada sobre la superficie. Estos sistemas no poseen una máquina perforadora como tal; utilizan energía eléctrica (motores) o combinaciones electro-hidráulicas para la rotación, la fuerza de empuje y otros componentes. Aplica energía a la roca haciendo rotar el trépano en conjunto con la fuerza de empuje.

Variantes de Rotación

• Rotación con trépano cortante: Utilizada en roca blanda (perforación para petróleo).
• Rotación con trépano triturante: Para rocas medianas a duras, con un diámetro mínimo de 150 mm.
• Rotación con herramienta abrasiva: Empleada para sondajes.

Descripción de Equipos y Componentes

La descripción de equipos incluye los siguientes componentes:

• Unidad de potencia.
• Mecanismo o motor de rotación.
• Sistema o mecanismo de empuje.
• Mecanismo de izamiento.
• Sistema de barrido con aire comprimido.
• Accionamientos hidráulicos.
• Mástil y patas de apoyo.
• Mecanismo de propulsión o desplazamiento.
• Dispositivo de extracción de polvo, etc.

Montaje

• Neumáticos: Permiten un desplazamiento rápido (20 a 30 km/h).
• Orugas: Desplazamiento lento (2 a 3 km/h).

Unidad de Potencia

• Eléctricos (Full Electric): Se alimentan por cable (380-500 volts) y perforan sobre 9”.
• Diésel-Eléctricas: Generan su propia energía eléctrica.
• Diésel: Perforadoras de menor tamaño; utilizan el motor de desplazamiento del equipo como fuente de potencia para la perforación.
• Diésel-Diésel: Poseen dos motores independientes para generar el desplazamiento y la perforación.

Mecanismo o Motor de Rotación

El torque de rotación se transmite a la herramienta de perforación mediante la columna de barras.

• En equipos eléctricos, se usan motores eléctricos de corriente continua, donde el torque es mayor y su velocidad de rotación varía entre 0 a 150 rpm.
• En equipos diésel, se utiliza un motor hidráulico que opera en circuito cerrado con una bomba de presión constante y un convertidor de torque, que varía la velocidad de rotación.

Mecanismo de Empuje

La fuerza de empuje se obtiene de un motor hidráulico, representando el orden del 50% del peso del equipo, además de permitir el izamiento de las barras a velocidades de 20 m/min.

Sistema de Barrido

El barrido de detritus (resultante de la perforación) se realiza con aire comprimido, el cual se inyecta mediante un flexible por el cabezal de rotación, pasando por dentro de la columna de las barras hasta el fondo del pozo. Su presión oscila entre 2-4 bar, dependiendo de la longitud de los tiros y el diámetro.

Herramientas de Perforación

• Trépanos cortantes CM: Diseñados para roca blanda.
• Trépanos triturantes CH: Compuestos por tres rodillos cónicos con dientes (triconos).

Triconos

Originalmente aplicados a rocas blandas-medias, actualmente se utilizan en rocas muy duras con diámetros sobre 7”. Existen dos tipos de dientes: los estampados (para materiales blandos) y los insertos de carburo de tungsteno (para rocas duras). Se perforan mediante indentación y corte.

Su diseño depende de la propiedad de la roca, y su geometría se basa en:

• Ángulo de eje: Proporcional a la dureza de la roca.
• Ángulo y diámetro de cono: Inversamente proporcional a la dureza de la roca.

Variables de Operación

Las principales variables incluyen: velocidad de rotación (rpm), fuerza de empuje, diámetro de perforación, velocidad y caudal del aire de barrido, desgaste de trépanos, y dureza o resistencia de la roca.

Velocidad y Caudal de Aire de Barrido (Objetivos)

• Remoción o barrido del detritus desde el fondo del tiro.
• Extracción del detritus hacia el exterior.
• Refrigeración y lubricación de los rodamientos del tricono.

Velocidad de Penetración

Depende de la velocidad de avance frente a las variables de operación, la velocidad de rotación y el empuje aplicado.

Costos de Perforación

Se define como todo el gasto realizado para perforar un metro lineal.

Costos Directos

• Mantenimiento y reparaciones.
• Mano de obra.
• Combustible y/o energía.
• Aceites, grasas y filtros.
• Aceros de perforación (material de desgaste).

Costos Indirectos

• Amortización e intereses.
• Seguros.