Categoría: perforación

Principios de las perforaciones a rotación

Figura 1. Principio de la perforación rotativa

En un artículo anterior explicamos los fundamentos de la perforación por extracción de material. De entre los procedimientos existentes, la perforación mecánica por rotación constituye uno de los procedimientos más habituales. Aquí vamos a explicar los principios básicos en los que se basa.

El principio utilizado por las perforadoras rotativas consiste en aplicar energía al terreno haciendo rotar un útil de corte o destroza conjuntamente con la acción de una fuerza de empuje. Este tipo de perforación se empezó a emplear en minería sobre rocas blandas; sin embargo, la rapidez de desplazamiento y montaje de estos equipos, la variedad de útiles de corte han favorecido su uso en otros campos.

El giro del útil lo realiza el motor de la perforadora en superficie, que acciona una mesa o cabeza de rotación que, a su vez, mueve el tren de varillaje y este finalmente transmite el giro al útil. Los útiles de corte que se emplean en rotación son las barrenas helicoidales, las coronas circulares y las cabezas tricono, según el tipo de terreno, del diámetro del talador y de la finalidad de la perforación (extracción de testigos o avance a destroza).

La perforación a rotación presenta características diferentes si se efectúa en roca o en suelos. En roca el avance se produce por corte y compresión: el giro se ejecuta mediante sonda o rotor y la presión por barra de carga, varillaje y empuje hidráulico. En el caso de los suelos, si estos son granulares no demasiado cohesivos, la perforación se realiza con una barrena helicoidal; en el caso de granulares muy sueltos es necesario el uso de cucharas.

En otros artículos anteriores ya hablamos de la perforación rotativa de rocas, de la perforación rotativa con triconos, de la perforación rotativa con cazo, del sondeo a rotación con barrena helicoidal, entre otros. También podéis leer algunas entradas que escribimos en su momento sobre técnicas de reconocimiento en el estudio geotécnico, la ejecución de pilotes o de procedimientos de perforación horizontal dirigida con sistemas de perforación a rotación.

Sistemas de avance

El avance de la perforación rotativa en rocas se produce por la influencia simultánea de la presión que el útil de corte ejerce sobre el terreno y el efecto producido por el giro de dicho útil sobre la roca. Estas dos acciones se pueden provocar con diversos medios y potencia según las fuentes de energía y los sistemas de empuje y rotación empleados.

Las formas de energía motriz de uso más frecuente son la térmica y la eléctrica. La primera se suele utilizar en perforadoras pequeñas y medianas, generalmente montadas sobre camión en equipos accionados por el propio motor del camión o más frecuentemente por dos motores, el del camión más otro independiente. Para perforadoras montadas en equipos de mayor tamaño (diámetros de perforación superior a 250 mm, lo más normal es usar energía eléctrica a media tensión, alimentando la perforadora con corriente alterna. En algunas instalaciones mineras también se emplean equipos diésel-eléctricos cuyo coste de mantenimiento es aproximadamente un 15 % inferior al de los equipos diésel.

La aplicación de la potencia se realiza mediante mecanismos de transmisión mecánicos e hidráulicos. La energía se transmite a través de las barras de perforación, que giran al mismo tiempo que penetra la boca, debido a la intensidad de la fuerza de avance. Prácticamente, casi sin excepciones, esta fuerza de empuje se obtiene a partir de un motor hidráulico. En este tipo de perforación, las pérdidas de energía en las barras y la boca son despreciables, por este motivo, la velocidad de penetración no varía apenas con la longitud del barreno. Para girar las barras y conseguir el par necesario, estas máquinas tienen un sistema de rotación montado habitualmente sobre un bastidor que se desliza a lo largo del mástil de la perforadora. El barrido del detritus de la perforación se efectúa con aire comprimido, para lo cual el equipo está dotado de uno o dos compresores ubicados en la sala de máquinas.

Figura 2. Perforación a rotación para estudios de terrenos

Empuje y elevación

El empuje a aplicar dependerá de la resistencia del terreno y del diámetro de la perforación (Figura 3). El mecanismo de empuje está diseñado para aplicar una fuerza del orden del 50% del peso de la máquina, alcanzando los equipos de mayor tamaño un peso de unas 120 t. Los sistemas de empuje, además de proporcionar la presión suficiente sobre el fondo de la perforación, sirven para elevar y manipular el conjunto de varillas o barras que hay que añadir o quitar durante la ejecución de la perforación. Se pueden emplear sistemas mecánicos (por cadena o cremallera) o hidráulicos. Los sistemas hidráulicos están formados por dos cilindros combinados, son más potentes y fácilmente controlables.

Figura 3. Mecanismos de empuje y elevación

El empuje transmitido al fondo del taladro debe ser suficiente para que el efecto conjunto sobre la roca genere una tensión superior a su resistencia a compresión. Pero tampoco conviene un empuje excesivo que aumente el desgaste del equipo. La velocidad de penetración aumenta proporcionalmente al empuje hasta un límite a partir del cual el útil se agarrota y los insertos se incrustan en la roca. En estas condiciones, el desgaste aumenta considerablemente junto con un mayor consumo de energía y, si la roca es dura, puede producirse la rotura de los dientes del útil (Figura 4).

Figura 4. Relación velocidad de avance-empuje

Como suele ser habitual, os dejo unos vídeos al respecto.

Referencias:

  • DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1998). Manual para el control y diseño de voladuras en obras de carreteras. Ministerio de Fomento, Madrid, 390 pp.
  • INSTITUTO TECNOLÓGICO GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie Tecnológica y Seguridad Minera, 2ª Edición, Madrid, 541 pp.
  • MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
  • UNIÓN ESPAÑOLA DE EXPLOSIVOS (1990). Manual de perforación. Rio Blast, S.A., Madrid, 206 pp.

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Perforación rotativa con cazo

Figura 1. Cazo rotativo abierto

Cuando se utilizan lodos tixotrópicos para el sostenimiento de la perforación, o estamos ante la presencia de agua, la barrena helicoidal no puede retirar el material, pues éste se escurre entre los pasos de ésta. En estos casos se emplea la perforación rotativa con cazo (bucket auger boring).

La perforadora con cazo rotativo utiliza un accionamiento mecánico o hidráulico que hace girar una Kelly que se fija a la cuchara. Para perforar, la cuchara gira para permitir que la parte inferior de los dientes de corte llene la cuchara. Las aletas en el fondo de la cuchara se cierran para mantener los detritus en su interior. El fondo de la cuchara es abatible (Figura 1) para permitir el vertido de la excavación.

La perforación con cazo es más lenta, con rendimientos previstos pueden ser la mitad (40-50 m/turno) de los conseguidos con hélices. Si bien es cierto que pueden triplicar los alcanzados con cuchara de valvas. Existen variantes de cazo con dientes de tierra, con dientes de widia, de fondo plano, se entrada simple, doble, etc.

Este sistema presenta algunos inconvenientes, además de los asociados a la perforación con lodos. Cuando se extrae el cazo se ejerce cierta succión que puede inestabilizar las paredes. Este efecto es particularmente sensible con diámetros de 500 mm o menos, por lo que lo habitual es perforar con cazo por encima de los 600 mm de diámetro.

Figura 2. Cazo rotativo

 

Os dejo algunos vídeos que ilustran la forma de trabajar con este tipo de perforación rotativa.

En el siguiente vídeo de Keller se muestra la perforación de un pozo de gran diámetro mediante cazos de diámetros sucesivamente mayores. Previamente se ha realizado una pantalla de pilotes secantes.

Referencias:

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Ed. IGME. Madrid, 500 pp.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Fluidos bentoníticos como estabilizador de excavaciones

Central de tratamiento de lodos. Imagen de Catalana de Perforacions

La bentonita es el nombre con el que se denominan a ciertos tipos de arcillas que poseen propiedades tixotrópicas cuando se mezclan con el agua. Debe su nombre a su descubrimiento cerca de Fort Benton, en los Estados Unidos en el siglo XIX. Las bentonitas comerciales son silicatos de aluminio hidratados y contienen fundamentalmente el mineral montmorillonita. El nombre de este tipo de arcilla se debe a su descubrimiento en cerca de Montmorillon, en Francia. Hoy día se utilizan distintas clases de bentonita tanto en ingeniería civil como en edificación, pudiendo variar sensiblemente sus propiedades en función de su origen.

Uno de los usos más frecuentes de la bentonita es como fluido estabilizador de excavaciones, donde compite con los fluidos a base de polímeros, fundamentalmente en la ejecución de pilotes. Dentro de este uso, la estabilización de excavaciones de muros pantalla esta ampliamente difundida en España. Los fluidos bentoníticos se utilizan también habitualmente para estabilizar las paredes de la excavación de pilotes excavados de cierto diámetro e incluso en los de pequeño diámetro en competencia con las entibaciones recuperables. En esta aplicación el fluido bentonítico debe se capaz de formar una barrera o bizcocho (cake) en las paredes de la excavación a fin de impedir la pérdida de fluido en el terreno, creando una capa contra la que puede actuar la presión del fluido para contrarrestar las presiones externas del terreno o las aguas freáticas. Otro uso habitual, del cual ya hemos hablado en una entrada anterior, es como fluido de perforación en la Perforación Horizontal Dirigida. También se usa la bentonita en la creación de barreras húmedas en el terreno para contener el agua de zonas contaminadas. Son las pantallas plásticas (Cutter Soil Mixing). En esta aplicación se suele mezclar con cemento u otros materiales a fin de crear un slurry que permanece en estado fluido durante varias horas antes de adquirir mayor consistencia y funcionar como barrera. En ciertas ocasiones se suele introducir una membrana flexible en la barrera. Por último, los fluidos bentoníticos también se utilizan para la contención del frente de excavación en túneles, delate de las tuneladoras y para el transporte de los restos excavados hacia las unidades desarenadoras situadas en la parte posterior del convoy.

Sin embargo, las propiedades de las bentonitas varían y, por tanto, no todas sirven para todos los usos. Por ejemplo, la propiedad de resistencia del estado de gel es importante si el fluido bentonítico esta en reposo y debe ser capaz de contener sólidos en suspensión, y no es por el contrario importante si el fluido es agitado continuamente en un sistema con recirculación. Las propiedades de las bentonitas deben considerarse antes de usar un tipo determinado para una aplicación específica. Independientemente de estas variaciones en cuanto a sus característica, las bentonitas deben cumplir los siguientes requisitos y funciones:

    1. Mantener los frentes de la excavación aportando presión hidrostática a las paredes de la misma.
    2. Mantenerse dentro de la excavación sin fluir hacia el suelo colindante.
    3. Mantener en suspensión los detritus procedentes de la excavación.
    4. Permitir ser desplazados con facilidad y limpiamente por el hormigón, sin una afección significativa a la adherencia armadura-hormigón.
    5. Debe ser posible su limpieza de sólidos en suspensión mediante el bombeo y paso por desarenadoras para su reutilización posterior.
    6. Ser bombeables con facilidad.

En general, las tres primeras propiedades requieren un producto denso y las tres últimas un producto muy fluido. Hay por tanto un conflicto que debe ser resuelto en cada caso antes de la puesta en obra del fluido estabilizador.

En el vídeo que sigue se puede observar la elaboración de bentonita para su uso en un muro pantalla.

En este otro, podéis ver su uso en un pilote.

https://www.youtube.com/watch?v=FpV6Oi2ZG7w

En el vídeo que os dejo a continuación se profundiza en el uso de los lodos como fluido de perforación. Espero que os sea de utilidad.

Referencias:

 

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Potencia de un martillo a rotopercusión

Figura 1. Martillo en cabeza. http://osebe.es/perforaciones-con-martillo/

En una entrada anterior ya se comentaron los fundamentos básicos de la perforación a rotopercusión. El principio de perforación de estos equipos se basa en el impacto de una pieza de acero llamada pistón, sobre un útil, que a su vez transmite la energía al fondo del barreno, por medio de un elemento final denominado boca o bit. Este sistema de perforación suele usarse en terrenos muy duros y semiduros. Estas perforadoras, tal y como se comentó anteriormente, pueden tener el martillo en cabeza o en fondo.

La potencia necesaria de un martillo se puede estimar mediante la siguiente expresión:

donde,

P = potencia del martillo

pf = presión del fluido (aire o aceite) en el interior del cilindro

s = superficie de trabajo del pistón

Ip = carrera del pistón

mp = masa del pistón

Figura 2.- Elementos para el cálculo de la potencia del martillo

Es posible estimar la velocidad de penetración Vp1 para un diámetro dado d1, cuando, utilizando el mismo equipo en similares condiciones, se conoce la velocidad Vp2 que se alcanza para otro diámetro d2.

Referencias:

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Ed. IGME. Madrid, 500 pp.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia.

 

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Perforación por extracción de material

Figura 1.- Perforación mecánica (Ingeopress)

Las operaciones necesarias para la ejecución con éxito de perforación con extracción de material son el troceo, la extracción del material propiamente dicha y la contención de las paredes. Estas operaciones se realizan en ocasiones de forma simultánea a la ejecución de la perforación.

 

La rotura o corte del terreno puede realizarse mediante varios procedimientos diferentes. Entre otros, destacan los siguientes:

 

  • Perforación mecánica: se deben aplicar tensiones sobre el material que superen su resistencia de corte. Este efecto puede realizarse por impacto (percusión), presión (empuje), fricción (rotación) o desgaste (barrido), o por efectos combinados de ellos.
  • Perforación térmica: realizada mediante soplete o lanza térmica, plasma, fluido caliente o congelación.
  • Perforación química: realizada mediante microvoladura o por disolución.
  • Perforación hidráulica: provocada por efecto de un chorro de agua a alta presión, por erosión o cavitación.
  • Otros tipos de perforación: eléctrica, sónica, nuclear, etc.

 

La eliminación del detritus puede ser discontinua, en el caso de interrupción de la perforación y la eliminación mecánica del detritus, o continua, empleando un fluido en circulación (aire, agua o lodos) que, a su vez, refrigera el útil de perforación y sostiene las paredes de la perforación. La extracción hidráulica presenta dos variantes, la circulación directa y la circulación inversa.

Cuando se utiliza un fluido para extraer el detritus, la circulación directa se refiere a que el fluido de perforación y el detritus se elevan hacia la superficie entre las paredes del sondeo y el varillaje. La circulación directa es el sistema más empleado en perforaciones relativamente cortas (menos de 50 m) y hasta ahora ha sido universal en los martillos neumáticos.

Figura 2.- Extracción del material en una perforación

En cambio, con la circulación inversa, el fluido y el material se eleva por el interior del varillaje. En este caso se mantiene inundada la perforación, siendo el ascenso del material por depresión o por inyección forzada. Se emplea también con martillos en fondo. Este método tiene interés en formaciones relativamente blandas poco permeables, con fisuración débil, poco abrasivas y de paredes estables (arcillas, algunas formaciones yesíferas y sales potásicas, por ejemplo). Es un método seguro, pero más caro, aunque mejora la limpieza del sondeo, recupera detritus de mayor tamaño y aumenta la velocidad de perforación. Normalmente se emplea un sistema de doble pared, es decir, dos tubos concéntricos: por la cámara exterior se inyecta el fluido y por la interior asciende.

Figura 3.- Esquema de instalación en circulación inversa

La perforación en suelos es más sencilla que en roca, pero en numerosas ocasiones se necesita un sostenimiento de las paredes del sondeo para evitar su derrumbe. El sostenimiento se puede realizar mediante fluidos como el agua (equilibrio hidrostático) o lodos (películas tixotrópicas) que sirven, además, para la eliminación del detritus; o bien mediante entubaciones, que pueden ser provisionales o definitivas.

El lodo es una mezcla de agua y bentonita sódica (a veces, sepiolita) tratada, a la que en ocasiones se añade arcilla y algún aditivo. Esta mezcla forma una lámina o “cake” que impermeabiliza el sondeo, de forma que si se mantiene llena de lodo la perforación, la presión en la cara interna de la pared supera a la existente en el exterior, lo que permite la estabilidad de la pared.

En sondeos y perforaciones helicoidales, el residuo de la perforación se extrae con la propia hélice.

Según la resistencia a compresión de las rocas y el diámetro de perforación, se pueden delimitar distintos métodos de perforación, según se refleja en la Figura 4. Sin embargo, en obras de construcción, lo habitual son los métodos rotopercutivos en la perforación de rocas, mientras que en minería a cielo abierto, también se utiliza la perforación rotativa.

Figura 4.- Campos de aplicación de los métodos de perforación en función de la resistencia de las rocas y diámetros de los barrenos (ITGE, 1994)

Referencias:

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Ed. IGME. Madrid, 500 pp.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia.

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Vagones y carros perforadores

Figura 1.- Vagón perforador montado en llantas BARI-JÚPITER, modelo JRD 120 (B)

En una entrada anterior se describió el sistema de montaje de perforación mediante jumbos. En esta entrada, el sistema de montaje será el de vagones y carros perforadores. Los vagones y carros perforadores son las unidades remolcadas o autoportantes que permiten trasladar martillos medianos o pesados, de accionamiento neumático o hidráulico, y que están pensadas para perforaciones a cielo abierto.

La mayoría de estos equipos disponen de un sistema de avance con potencia suficiente para alcanzar profundidades superiores a 50 m, longitud que rebasa el límite de los 20 m impuesto por las desviaciones que son más habituales en este tipo de perforación.

Los equipos más simples, diseñados para excavación en banco y explotación de minas y canteras, constan de un chasis remolcable sobre el que se apoya un martillo de fondo ligero montado sobre una deslizadera de unos 2-2,5 m con avance de cadena.

Los equipos pesados, con diámetro superior a 12 cm y 3 – 4 t, montados sobre orugas, disponen de una deslizadera de mayor longitud (5-6 m) y de un sistema de avance con la potencia adecuada al peso del varillaje o sarta de tubos que se requiere en perforaciones más profundas.

Figura 2.- Carro perforador FlexiROC D65 de Atlas Copco
Figura 3.- Componentes de un carro perforador Atlas Copco

 

Figura 4.- Perforadora montada sobre camión T455WS SCHRAMM

Os dejo algunos vídeos al respecto:

 

Referencia:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia.

 

 

Libro Blanco de las Tecnologías sin Zanja

La Asociación Ibérica de Tecnología Sin Zanja (IbSTT) ha recopilado en un libro, en el cual he participado como autor de un capítulo, de las técnicas sin zanja más actuales, guías de Perforación Dirigida, así como Manuales de rehabilitación de tuberías sin zanja y buenas prácticas y casos de éxito a lo largo de un recorrido por 587 páginas distribuidas en 12 capítulos, con más de 500 imágenes a color, recopilando el temario, capítulo por capítulo y módulo por módulo, del Curso de Postgrado Especialista en Tecnologías SIN zanja que llevamos impartiendo desde 2015 anualmente. En formato muy manejable de 15 cm. x 21 cm y tapa blanda.

Si quieres solicitar un ejemplar, puedes acudir a la página de IbSTT o bien acceder directamente aquí: https://docs.google.com/forms/d/e/1FAIpQLSfIUusGTfTicMUnuzAmhifC1uHDpDrDj6dWW3S2BfSAP7mOlw/viewform 

Os paso a continuación el índice del libro por si os interesa:

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Tendido de cable para fibra óptica sin abrir zanjas

Ditch Witch JT60
Ditch Witch JT60

En este artículo me gustaría incidir en el tema de la instalación de fibra óptica. La fibra óptica es un medio de transmisión, empleado habitualmente en redes de datos y telecomunicaciones, consiste en un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir.

Sin embargo, la perforación horizontal dirigida se está convirtiendo en una alternativa real y económica frente a los métodos tradicionales de aperturas de zanjas. A continuación os dejo el ejemplo de máquinas que utilizan esta tecnología. El vídeo que presento es de la empresa Ditch Witch. En este caso, la máquina puede realizar trabajos de instalación de tubos o fibra óptica en tramos de 300 a 400 m, presenta una fuerza de tiro de 26,7 toneladas y puede perforar incluso roca.

Sistemas de navegación en la Perforación Horizontal Dirigida (PHD)

www.flowtex.com.ar
www.flowtex.com.ar

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 resume los diferentes procedimientos de navegación con detalles de los campos de utilización (IbSTT, 2013).

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

Os dejo un vídeo explicativo que espero os sea de interés.

Referencias:

  • IbSTT Asociación Ibérica de Tecnología SIN Zanja (2013). Manual de Tecnologías Sin Zanja.
  • Li, S. (2013). Construction monitoring of a municipal gas pipeline during horizontal directional drilling. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, Volume 4, No. 4, 04013005.
  • Yepes, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.
  • Yepes, V. (2015). Aspectos generales de la perforación horizontal dirigida. Curso de Postgrado Especialista en Tecnologías Sin Zanja, Ref. M7-2, 10 pp.

 

Maquinaria en la Perforación Horizontal Dirigida (PHD)

Figura 1. Perforación Horizontal Dirigida. http://www.construtec.es/
Figura 1. Perforación Horizontal Dirigida. http://www.construtec.es/

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 2).

Tabla 1. Clasificación de máquinas para la perforación horizontal dirigida (IbSTT, 2013)
Tabla 1. Clasificación de máquinas para la perforación horizontal dirigida (IbSTT, 2013)
Figura 7. Mandriles de cabeza de tiro. Imagen de Terra Trenchless Technologies
Figura 2. Mandriles de cabeza de tiro. Imagen de Terra Trenchless Technologies

Las pequeñas acometidas utilizan sistemas Mini-PHD (Figura 3) 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 equipo sobre un tráiler, pero si tenemos problemas de movilidad, mejor sería montarlo sobre orugas.

Figura 8. Mini-PHD para acometidas modelo GRUNDOPIT. Imágenes de Sistemas de Perforación S.L.U.
Figura 3. 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).
Tabla 2. Valoración de la aplicabilidad de la técnica PHD en función del material (Hair, 1994).

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 4), 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.

Figura 9. Conexión del escariador a la tubería. Imagen de Apollo Trenchless, Inc.
Figura 4. 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 5). Los tramos se pueden roscar o desenroscar de forma automática para acelerar la producción y seguridad de las operaciones.

Figura 10. Sistema de carga de tramos de tubería. Imagen de Zemin Arastrima Merkezi, Corp.
Figura 5. Sistema de carga de tramos de tubería. Imagen de Zemin Arastrima Merkezi, Corp.

A continuación os dejo un vídeo explicativo que espero sea de vuestro interés.

Referencias:

  • Cheng, E., and Polak, M. A. (2007). Theoretical model for calculating pulling loads for pipes in horizontal directional drilling. Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 22, No. 5-6, pp. 633-643.
  • Gierczak, M. (2014). The qualitative risk assessment of mini, midi and maxi horizontal directional drilling projects. Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 44, pp. 148-156.
  • IbSTT Asociación Ibérica de Tecnología SIN Zanja (2013). Manual de Tecnologías Sin Zanja.
  • Wang, X., and Sterling, R. L. (2007). Stability analysis of a borehole wall during horizontal directional drilling. Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 22, No. 5-6, pp. 620-632.
  • Yang, C. J., Zhu, W. D., Zhang, W. H., Zhu, X. H., and Ren, G. X. (2014). Determination of pipe pullback loads in horizontal directional drilling using an advanced computational dynamic model. Journal of engineering mechanics, Volume 140, No. 8, 04014060.
  • Yepes, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.
  • Yepes, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp.
  • Yepes, V. (2015). Aspectos generales de la perforación horizontal dirigida. Curso de Postgrado Especialista en Tecnologías Sin Zanja, Ref. M7-2, 10 pp.
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