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Geología / Teoría Perforación
Preparado por Francisco Jara

Geología
Minerales y rocas
La corteza de la tierra consiste en una variedad de rocas, formada bajo diferentes
circunstancias. Las rocas están compuestas en por uno o más minerales.
Un mineral es una substancia formada por naturaleza. Un mineral puede ser un
elemento o puede consistir en compuestos químicos que contienen varios
elementos. Hay más bien, más de 3,000 diferentes minerales.
De los 103 elementos conocidos, oxígeno es lejos el más común abarcando
aproximadamente el 50 % de la corteza de la tierra. Silicona aproximadamente el 25
%, aluminio, hierro, calcio, sodio, potasio, magnesio y el titanio, junto con oxígeno,
abarcan sobre 99 %. Silicona, aluminio y oxígeno están comúnmente en los
minerales de cuarzo, feldospato y mica. Ellos forman el grupo grande conocido como
silicatos, un silicato es un compuesto formado por ácido de silicio y otros elementos.
También incluido es anfíbol y piroxeno que contienen aluminio, potasio e hierro.
Algunas de las rocas comunes de la tierra, granito y gneis, son compuesto de
silicatos.

Geología
Diagrama muestra sucesos de
minerales en la corteza de la tierra
1 Dispersión-Calcita 2 Cuerpos mineralizados Pirita Calcopirita 3 Bauxita y otros esquistos
4 Carbonífera Cuarzo 5 Cuerpos mineralizados Azurita Cuprita 6 Sedimentos Oro plata diamante
7 Roca volcánica mica magnetita 8 metamórfica carbonifera cuarzo 9 metamórfica calcárea
Calcita dolomita 10 Zona de contacto súlfuros

Geología
Características de los minerales
Algunas de las características de los minerales son:
Dureza Densidad Color Rayado
Brillo Fracturación Hendidura
Cristales
La dureza se mide en grados de acuerdo a la escala de Moh’s, que va de 1 a 10
1. Talco
2. Yeso
3. Calcita
4. Fluorita
5. Apatito
6. Ortoclasa
7. Cuarzo
8. Topacio
9. Corindón
10. Diamante

Geología
Propiedades de la roca
Para poder prever el resultado de la perforación con respeto a la proporción de
penetración, calidad del agujero, taladro-acero, costos, etc., nosotros debemos
poder hacer una apreciación correcta de la roca involucrada. Así para que nosotros
podamos distinguir entre propiedades microscópicos y macroscópicas.
Una piedra está compuesta de granos de varios minerales y entre las propiedades
microscópicas la composición del mineral, tamaño de grano, la forma y distribución
de los granos. Tomado juntos estos factores deciden las propiedades importantes
de la piedra, como dureza, abrasividad, resistencia a la compresión y densidad.
Éstas propiedades, en su globalidad, determinan la tasa de penetración y cómo eso
puede lograrse y cual será la herramienta de uso.
La perforabilidad de una piedra depende en adelante, entre otras cosas, de la
dureza de sus minerales constitutivos y del tamaño de grano y la forma del cristal.
Cuarzo es uno los minerales comunes en rocas. Debido a que el cuarzo es material
muy duro, un volumen de cuarzo alto (SiO2) hacen la roca muy difícil de taladrar y
causa mucho trabajo y desgaste al acero de perforación, nosotros decimos que la
roca es abrasiva. Recíprocamente, una roca con un volumen alto de calcita es fácil
taladrar y causa bajo trabajo y desgaste al acero de perforación

Geología
Las rocas son clasificadas en tres grupos principales relativos a la base de su origen
y la manera en que ellos se formaron:
1. las rocas ígneas o magmáticas (formado a partir de la solidificación de la lava o
”magma”).
2. las rocas sedimentarias (formado por deposición de material roto o por
precipitación química).
3. las rocas metamórficas (formado por la transformación de rocas ígneas o
sedimentarias, en la mayoría de los casos por un aumento en presión y calor).

Geología
Roca ígnea
Se forman rocas ígneas cuando un magma solidifica profundamente bajo en la
corteza terrestre (roca plutónica), o cuando sube hacia la superficie (fallas en roca)
o en la superficie (roca volcánica). El componente (minerales) más importante es el
cuarzo y silicatos de varias composiciones, principalmente el feldospasto de roca
plutónica, solidifica despacio y se forma por consiguiente grano tosco, mientras las
rocas volcánicas solidifican rápidamente y se vuelven en grano fino
Roca ígnea
Cobre nativo
en basalto
Pagmatita

Geología
Rocas sedimentarias
Las rocas sedimentarias son formadas por la deposición de material por acción
mecánica o química y una consolidación de este material bajo la presión de capas.
Frecuentemente ocurre que la formación de la roca está rota por la acción mecánica
(curando), llevando y depositado en ella agua. Así la piedra original determina las
características de la roca sedimentaria. El desgaste o corrosión pueden proceder a
diferentes proporciones que dependen en parte de clima y en parte en cómo
fácilmente la roca se separa.
Roca
Sedimentaria
Hematita
Dolomita

Geología
Rocas metamórficas
Los efectos de acción química o la presión y/o la temperatura en una formación de
roca puede algunas veces producir una transformación llamada metamórfosis. Por
ej., presión y temperatura podrían aumentar bajo la influencia del brote de magma, o
porque la formación ha hundido más profundamente en la corteza de la tierra. Esto
resulta en la re cristalización de los granos minerales o la formación de nuevos
minerales. Una característica de las rocas metamórficas son que ellas se forman sin
una completa fundición. Ellas son también frecuentemente muy duros y tienen un
polvo fino y compacto, y es por consiguiente a menudo difícil de taladrar.
Roca
Metamórfica
Granito
Leptita

Geología
Clasificación de la roca
Se han hecho muchos esfuerzos por clasificar la roca en base a su perforabilidad, y
varios métodos de medición han evolucionado con el animo de desarrollar la forma
de predecir la productividad y la herramienta de perforación, llevando a cabo
pruebas de laboratorio antes de iniciar un trabajo de perforación de roca.
El término ”perforabilidad” se usa aquí para significar principalmente la proporción a
la que la herramienta penetra en la roca, pero en el sentido más amplio se extiende
al resultar calidad del agujero, rectitud del agujero, el riesgo de herramienta se
bloquee etc. el uso de la Herramienta es a menudo proporcional a perforabilidad,
aunque también depende de cuanto abrasiva sea la roca.

Geología
Clasificación de la roca

Teoría Perforación
La energía requerida para romper la roca se genera por una perforadora neumática
o hidráulica. Máquinas de esta clase de construcción donde una alta presión se
descarga sobre el pistón delantero. El pistón golpea al adaptador de culata. La
energía cinética del pistón se convierte en una onda de tensión que viaja a lo largo
del taladro hasta a la roca.
Para obtener el mejor posible economía del sistema de perforación, es decir,
perforadora-acero-roca, se debe armonizar. En adelante damos una descripción
teórica cómo esto es posible de ser logrado en la perforación de roca.

Forma de la onda y potencia
Teóricamente, la onda tiene una forma rectangular. Su longitud es dos veces la del
pistón, mientras su altura depende de la velocidad del pistón al momento del
impacto y la relación entre el área del pistón y del acero de perforación. La energía
total que la onda contiene se indica diagramaticalmente por el campo gris en figura
para calcular la potencia de salida de una perforadora nosotros multiplicamos la
energía de la onda por la frecuencia de impacto del pistón, y normalmente se
declara en kW. Desarrollar perforadoras con características especiales requiere se
combine varias variables, como la geometría del pistón, la proporción de impacto y
la frecuencia. Dos máquinas con las mismas tasas de potencia nominales podrían
comportarse por consiguiente bastante diferentemente.

Las formas de onda que se generan en perforadora hidráulica (Fig. 3) y neumática
(Fig. 4) son diferentes en forma. Un acero usado con máquinas hidráulicas
normalmente muestra una vida de servicio substancialmente más larga que uno
usado con máquinas neumáticas, la razón, es que el nivel de tensión es más alto
con un pistón neumático.
Esto es debido a que el pistón neumático tiene una sección más grande y necesita
una presión del funcionamiento substancialmente más baja 6-8 bar, para que el
taladro neumático opere, comparado con los 150-250 bar encontrados en sistemas
hidráulico. El pistón más delgado dará tensión más baja en el acero.

La siguiente figura muestra tres pistones:
Pistón 1 es el de una perforadora neumática que opera a una presión de 0.8 MPa
(8 bar).
Pistón 2, es de una perforadora hidráulica que opera a una presión de 12 MPa
(120 bar).
Pistón 3, es un pistón hidráulico operando a una presión de 20 MPa (200 bar).
Los pistones en este ejemplo son del mismo peso y velocidad de impacto, es decir
la velocidad a que el pistón golpea el adaptador, también es el mismo
(normalmente sobre 10 m/sec.).
Si nosotros calculamos la tensión en el acero del taladro producido por estos tres
pistones, vemos el diagrama de fondo, revela que la tensión más baja (amplitud de
la onda de choque) se obtiene con el pistón delgado largo (No. 3).

Si nosotros medimos la tensión en el acero de los pistones 2 y 3 podemos ver en el
siguiente diagrama que la tensión en el acero es 250-300 MPa (25-30 kg/mm2) y
que la ”primera onda de choque” tiene una longitud de aproximadamente 1,200 mm
que es la velocidad del sonido en el acero, 5,200 m/sec., multiplicado por el tiempo
en milésimas de segundo, 0.23 msec.
5,200 x = 1.2 M = 1,200 mm
¿Cuánta fuerza hace este producto para que el acero pueda transmitir para que el
bit perfore la roca?.
Una barra de perforación con un diámetro de 38 mm tiene un área de
aproximadamente 975 mm2 y con una tensión de 25 kg/mm2, la onda de choque
en el acero nos da una fuerza de 25 x 975 = 24,500 kg. o 24.5 toneladas.

Eficacia y pérdidas
La onda pierde algo de su energía, 6 a10 % por cada acoplamiento en su tren a lo
largo del taladro. Esta pérdida es debido en parte a la diferencia entre el área de la
barra y camisa, en parte al hecho que las caras de la barra y copla nunca son de
perfecto ajuste entre ellas. El contacto más pobre da mayor pérdida de energía.
Cuando la onda de choque alcanza por último el bit, su fuerza se descarga contra
la piedra. La eficiencia al momento nunca alcanza el 100 %. Algo de la energía es
reflejada y regresa en forma de pulso tensor. El contacto más pobre entre el bit y la
roca dará menos eficiencia.

Desarrollo de la Perforadora
El desarrollo de la perforadora ha sido muy rápido desde el descubrimiento del
principio hidráulico en los años setenta, y no va a ser lento en el futuro. Hidráulica
hace posible estas cosas. Si nosotros estudiamos el funcionamiento de un barreno
de 25 metros, cuántas ondas de choque nosotros podemos calcular que atraviesan
este tren de barras por segundo. Si la onda de choque viaja de 5,200 m/sec.
Nosotros no queremos tener más que una onda de choque a la vez en cualquier
momento lo que significa que el espacio entre las ondas de choque deben ser
mayores que la longitud del ”paquete de perforación”. Si pusiéramos esta figura a
30 metros, significa que podemos tener una perforadora de percusión, eso en
teoría golpeará el acero 5,200/30 ˜ 175 veces por seg. Una COP 1238 entrega 50
gpm., en teoría pudiéramos triplicar la frecuencia impacto sin aumentar la tensión
del acero. Podemos manejar esto aumentando el flujo de aceite y significa que
debemos aumentar la potencia de salida de motores y bombas. Aparte de esto no
hay diferencias en principio. No obstante, el tema no significa estar libre de
problemas como parece. Una muy rápida frecuencia de impacto acarrea otros
problemas

Desarrollo de la Perforadora

Presión de percusión
La presión de percusión que nosotros seleccionamos
nos da la energía de percusión. Una presión de
percusión más alta será la velocidad del pistón y en
consecuencia más alta será la energía. Si estamos
trabajando en una roca muy dura y el contacto bit-
roca es bueno, nosotros podemos utilizar energía al
máximo de la onda de choque. Si nosotros no
estamos en contacto con la roca y golpeamos con el
bit ”en el aire” la energía no puede descargarse en el
taladro; ésta invierte su dirección abajo en el bit y
vuelve atrás por el acero, pero en lugar de una onda
de presión nosotros conseguimos una onda de
tensión de la misma potencia, es decir 24 toneladas.
La onda de choque también puede ilustrarse
esquemáticamente de la manera mostrada en la
figura.

La potencia contenida en la onda de choque (Fs) es
24.5 toneladas para un acero de 38-mm , asumiendo
utilización total del mecanismo de percusión en una
COP 1238. La onda de choque es transportado a una
velocidad VS de 5200 m/s. La fuerza contenida en el
acero antes y después de la onda de choque es sólo
la de la fuerza de avance FM que está alrededor de
1.0-1.5 toneladas. Sólo cuando la porción delantera
de la onda de choque alcanza la frente del bit tiene
una fuerza FS de 24.5 toneladas obtenida entre el bit
y la roca y este es el momento que el bit comienza su
penetración en la roca. La longitud de la onda de
choque en una COP 1238 es aproximadamente 1200
mm.

En consecuencia, sólo con rocas
suficientemente duras nosotros podemos
utilizar la energía al máximo por golpe. Con
rocas muy suaves la presión de percusión
(energía percusión) tendrá que ser reducida,
para que nosotros entreguemos la cantidad
de energía justa que la roca pueda alojar se
deberá reducir la energía reflejada en la
forma de una onda de tensión en el cordón
del taladro.

Avance
El avance siempre debe satisfacerse a la
presión de percusión, una presión de
percusión alta requiere una alto presión de
avance y una presión de percusión baja
requiere una presión de avance más baja.
El propósito del avance es asegurar el
contacto permanente del bit contra la roca,
pero desde que el avance se aplica el
conjunto de perforación todavía debe poder
rodar. El avance normalmente estará
alrededor de 500-1,500 kg, dependiendo de
la perforadora que estemos usando.

Rotación
El propósito de rotación es hacer rodar la broca para
un sitio apropiado para el próximo golpe. para los bit
de botones recomendamos que la periferia del bit
deba se volteado aproximadamente 10 mm después
de cada golpe. Para tomar un ejemplo, un bit de
76mm tiene una circunferencia de 76 x 3.14 = 240
mm, y si lo queremos girar 10 mm para cada golpe
de la perforadora este bit tendría que ser movido
240/10 = 24 veces por revolución. Si la frecuencia de
impacto es 3,000 gpm. (COP 1238) esto dará
3,000/24 = 125 rpm como la proporción. rotación Si la
frecuencia de impacto es 1,800 gpm. (típico para una
máquina neumática), sería 1,800/24 = 75 rpm. Esta
claro que la proporción de rotación debe aumentarse
para una frecuencia impacto más alta y para una
dimensión del bit reducida.

Rotación
Se muestra en la forma de un gráfico
cómo la rpm de perforación cambian
con respecto al tamaño del bit. El
gráfico es válido para una máquina
hidráulica que opera a
aproximadamente 3,000 gpm
Rango de penetración (ppm) en
relación a las revoluciones (rpm)

Barrido
Como la potencia de salida de las perforadoras ha aumentado y acompañado por
eficaz aumento en proporción de penetración. El barrido se pone más significante.
El medio de barrido es normalmente el aire en equipos de superficie y agua en
subterráneos. ¿Qué esperamos del barrido?
1. Limpie el fondo del agujero para el próximo golpe.
2. Transporte el detritus fuera del agujero.
Lo que depende de:
1. Gravedad específica: La gravedad específica más alta requiere un barrido más
alto velocidad (aire barrido).
2. El tamaño de la partícula: Las partículas más grande obtenidas de la rotura de la
roca, necesariamente requiere más velocidad alta de barrido.
3. La forma de la partícula: Las partículas equiláteras necesitan mayor velocidad de
barrido. Para ilustrar esto, es fácil de llevar lejos una partícula en la forma de una
hoja que una del mismo peso que con forma esférica.

Barrido de aire
La velocidad del aire en el taladro-agujero para una
roca normal con una densidad de 2.0 ton/m3 debe
ser por lo menos 10 m/seg.
Puede reducirse si la densidad es más baja, y se
debe aumentar si es más alta. Por ejemplo, una
mina de hierro con una densidad de 4 ton/m3
necesita una velocidad de barrido de 25-30 m/seg.
en el agujero del taladro

Barrido de aire
El volumen de aire necesario puede
calcularse, si sabemos el diámetro del bit y el
diámetro de la barra para el barreno a
realizar. Por ejemplo, si nosotros usamos
barras R38 y Bit de 76 mm el área anular
entre el acero del taladro y la pared del
agujero será:

Barrido de agua
Como el agua tiene considerablemente una
mejor capacidad de levantamiento que el
aire, es suficiente tener una velocidad de 0.5
mtr/seg. en el área anular, una velocidad
considerablemente baja en relación al aire.
Al perforar tiros largos ascendentes tenemos
que tener en cuenta que tendremos una
presión de carga de 1 bar por cada 10
metros, y esta presión de carga tiene que ser
superada.

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