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S a n d v i k M i n i n g a n d C o n s t r u c t i o n

Brocas Tricónicas en la Minería de Superfi cieManual del Usuario

MANUAL DEL USUARIO

Guía de como usar brocastricónicas en la minería

2

Sandvik Rotary Tools 2006Derechos de autor.

Todos los derechos reservados

SANDVIK ROTARY TOOLS

3

Capítulo 1: Geología 4

Introducción 4

Minerales 6

Rocas 6

Perforabilidad 9

Capítulo 2: Familiarización con la broca tricónica 14

Introducción 14 Sistema de circulación 15

Limpieza del pozo 15 Enfriado y limpieza de los rodamientos 17

Capítulo 3: Economía en la perforación de pozos 18

Cuándo se debe dejar de usar una broca 19

Capítulo 4: Selección de brocas 20

Capítulo 5: Análisis de brocas desgastadas 21

Capítulo 6: Cómo perfora la roca una broca tricónica 27

Capítulo 7: Cambio de boquillas 31

Capítulo 8: Consejos prácticos para perforar 33

Anexo A: IADC 36

Anexo B: Tarjeta de registro 37

Anexo C: Tabla de conversión 39

Anexo D: Aire comprimido 40

Anexo E: El torque de rotación 43

Anexo F: Consejos de un experto en perforación 43

Contenidos

Contenido

4

GEOLOGÍA

Introducción Siempre que se hable de perforación con brocas tricónicas se debe partir de una exposición general de la geología para entender mejor por qué se deben seleccionar diferentes brocas para cada situación. Es importante señalar que las propiedades geológicas y mecánicas de las rocas están relacionadas, y hay que tener en cuenta unas y otras al escoger una broca y realizar una perforación. Las características de una roca las determina principalmente su origen, formación y composición mineral.

Figura 1Esquema de la Tierra

Arenisca

Cuarcita

CoralinaPiedra Caliza

Depósito Oceánico

Arcilla / Equisto

Tipos de Roca de Intrusión Ignea-Granito-Diabasa-Basalto

MetamórÞ ca-Gneiss-AnÞ bolita-Mármol

Depósitos de Magma o Glaciales

Depósitos Aluviales

Desde el punto de vista geológico, la tierra está en constante cambio, y continuamente se forman y alteran las rocas y minerales. La corteza terrestre se compone de tres tipos principales de rocas, según su origen: ígneas, sedimentarias y metamórÞ cas. El cuadro esquemático (Figura 1) ilustra cómo se forman las rocas y minerales.

Capítulo 1 � Geología

5

Figura 2

Esquema de cómo se forman los depósitos minerales en la corteza terrestre

A continuación se describen algunas rocas asociadas con los rasgos geológicos ilustrados en la Figura 1.

Lecho marino: calcita.

Vetas de mineral: sulfuro de plomo, sulfuro de cinc, piritas de cobre, piritas de azufre.

Arcilla-esquistos arcillosos desgastados: caolín, bauxita.

Piedra arenisca desgastada: cuarzo.

Vetas de mineral desgastadas: azurita, malaquita, cuprita, vitriolo de plomo, carbonato de cinc.

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Lechos de río: sedimentos aluviales (oro, platino, dia-mantes, estaño, magnetita, acero titanio-ferroso).

Piedra volcánica: feldespato, cuarzo, olivino, horn-blenda, mica de magnetita.

Piedra arenisca metamórÞ ca: cuarzo.

Piedra caliza metamórÞ ca: calcita, dolomita.

Esquistos de arcilla metamórÞ cos: granito, mica, feldespato.

Zonas de contacto: granito, hornblenda, sulfuros.

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Introducción

Las Figuras 2 (abajo) y 3 (próxima pagina) en al �ciclo de la roca� ilustran el proceso por medio el cual la roca es alterada y transformada

6

Figura 3

Capítulo 1 � Geología

Ígneas El magma es esencialmente una fusión de silicato caliente (600° - 1200° Celsius) y es el material matriz de las rocas ígneas. Pueden observarse magmas y formación de rocas ígneas en las regiones volcánicas.

Las rocas ígneas pueden formarse dentro, sobre ó junto a la superÞ cie de la corteza terrestre, pero normalmente se forman dentro de la corteza. Las rocas ígneas que se forman cuando el magma se enfría y se solidiÞ ca dentro de la corteza, se clasiÞ can en intrusivas (plutónicas e hipoabisales). Como la temperatura de la Tierra es más alta en las profundidades, el magma se enfría lentamente y permite el desarrollo de grandes cristales, los cuales generan proporcionan una textura de grano grueso a las rocas ígneas formadas en estas condiciones. Después, estas rocas ígneas intrusivas quedan expuestas a la superÞ cie debido a la corrosión ó a los movimientos de tierra como los levantamientos causados por las placas tectónicas. Cuando las rocas ígneas se forman en la superÞ cie terrestre o cerca de ella, se llaman rocas ígneas (volcánicas) extrusivas. Como el magma se deposita donde la temperatura ambiente es más fría, la velocidad de enfriamiento es relativamente rápida, lo que produce la formación de pequeños cristales, y en algunos casos ni siquiera se forman cristales. Ello produce una roca de grano Þ no.

Las rocas ígneas se clasiÞ can según la composición en ácidas, intermedias, básicas (máÞ cas) y ultrabásicas (ultramáÞ cas), dependiendo de la cantidad de sílice que contengan. La tabla 1 expone algunas de las rocas más comunes de cada subclasiÞ cación.

Minerales

Todas las rocas están formadas por un conglomerado de minerales. La proporción de cada mineral en la roca, juntamente con su estructura granular, textura y origen, sirven de base para la clasiÞ cación geológica.

Los minerales son homogéneos, es decir, enteramente iguales; las rocas no, porque tienen una mezcla de varios minerales. Por ejemplo, el granito se compone de mica, feldespato y cuarzo. Un mineral puede deÞ nirse como una sustancia inorgánica que tiene propiedades físicas constantes y una composición química Þ ja. Con excepción de algunas formas de carbono, azufre y unos pocos metales, todos los minerales son compuestos químicos; cada uno contiene dos o más elementos en proporción Þ ja con su peso. Algunos elementos están presentes en varios minerales, siendo los más comunes el oxígeno y el silicio, mientras otros, entre ellos los metales más preciosos y los comunes, constituyen una mínima proporción de las rocas en la corteza terrestre.

Rocas

Como se dijo, las tres (3) clasiÞ caciones principales de roca son: ígneas, sedimentarias y metamórÞ cas y todas se clasiÞ can según su origen. En esta sección trataremos estas tres clasiÞ caciones y algunas subclasiÞ caciones.

7

NOTAS:El tipo de Magma indica el color resaltante de las rocas (de claro a oscuro) con SiO2 % (sílice).En este contexto, los términos ácido y básico no tienen NINGUNA relación con el pH.Esta tabla NO contiene todos los tipos existentes de rocas ígneas; es solo una guía general para asociar el SiO2 % (sílice) con los nombres de roca comunes.

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1. Óxidos de Þ erro, óxidos de aluminio (como la hematita de Þ erro - Fe2O3)

2. Cuarzo 3. Minerales de arcilla 4. Moscovita 5. Feldespato alcalino 6. Biotita 7. Anfíbolitas 8. Piroxenas 9. Plagioclasa rica en calcio 10. Olivino

El proceso de desgaste origina sedimentos que son transportados por el viento, el agua y los glaciares, y se depositan Þ nalmente en áreas bajas, en tierra seca o bajo agua. Entonces se forman las rocas sedimentarias, litiÞ cadas por enterramiento/compactación y cimentación.

Rocas

Sedimentarias La sedimentación es el resultado de la interacción atmosférica e hidroesférica (aire y agua) en la corteza terrestre. El proceso de formación de las rocas sedimentarias se compone de desgaste, corrosión, transporte, deposición y litiÞ cación. Las rocas ígneas se mantienen relativamente estables si siguen a la misma temperatura ambiente y condiciones de presión en que se formaron. Sin embargo, cuando están alejadas del ambiente en que se formaron, se vuelven inestables y se transforman con la exposición al aire y al agua. Este proceso de transformación se llama desgaste. Este desgaste se divide en dos categorías reconocidas por los geólogos; desgaste físico y desgaste químico. Los silicatos varían considerablemente en cuanto a estabilidad química. A continuación enumeramos los minerales que son estables bajo presión, temperatura, H2O (agua) y mayor nivel de O2 (oxígeno) cerca de la superÞ cie terrestre (desde el más al menos estable):

Tabla 1

SiO2 (wt.%) (sílica) <45 45 - 52 52 - 57 57 - 63 63 - 68 >68Componente o

Químico Equivalente Ultrabásico Básico Básico a Intermedio Intermedio Intermedio a

Ácido o SilícicoÁcido o Silícico

Tipo de Magma UltramáÞ co MáÞ co MáÞ co a Intermedio Intermedio Intermedia a

Félsica Félsica

Nombre de Roca Estrusiva Komatita Basalto Andesita

Basáltica Andesita Dacita Riolita

Nombre de Roca Intrusiva Peridotita Gabro Diorita Diorita o Diorita

de Cuarzo Granodiorita Granito

Temperatura del Liquidus

Contenido Mineral MáÞ co

Contenido de Agua

Magnesio / Hierro

Calcio Sodio o Calcio Potasio

NOMBRES DE COMPONENTES ÍGNEOS Y TIPOS DE MAGMA

DISMINUYE

DISMINUYE

DISMINUYE

DISMINUYE

AUMENTA

8

Las rocas sedimentarias pueden subdividirse en tres grupos principales según si se formaron mecánicamente, a partir de restos orgánicos o químicamente. Aunque el 95% de la corteza terrestre esta formado por rocas ígneas, cerca del 75% de la superÞ cie está cubierto por rocas sedimentarias; arenisca, caliza y esquisto constituyen el 95% de las rocas sedimentarias. Basándose en estos cálculos, es fácil ver lo importante que es entender las rocas sedimentarias para su perforación.

Hay dos clasiÞ caciones principales de rocas sedimentarias: detríticas y de origen químico-orgánico. Las rocas se clasiÞ can por el tamaño de grano y por la composición. Los precipitados químicos se clasiÞ can según la composición, con subdivisiones basadas en la textura u otras características dominantes. Algunas rocas sedimentarias comunes son el conglomerado, la brecha, la arenisca de cuarzo y el fangolítico. Algunos precipitados químicos comunes son la caliza cristalina, la caliza oolítica, la caliza bioclástica, la caliza foraminífera, la dolomita, la calcedonia y el yeso

MetamórÞ casLas rocas metamórÞ cas fueron originariamente ígneas, sedimentarias o incluso metamórÞ cas. Meta en griego signiÞ ca cambio y morfo forma. Por tanto, una roca metamórÞ ca es una roca que ha cambiado de constitución (estructural y mineral). La mayor parte de la corteza que se encuentra bajo la delgada capa de sedimentos y de roca sedimentaria que cubre casi toda la superÞ cie terrestre esta compuesta de rocas ígneas equilibradas en su mayor parte con rocas metamórÞ cas. Las rocas cambian de constitución por tres procesos o fuerzas: temperatura, presión y de origen químico.

Temperatura: Para clasiÞ carse como roca metamórÞ ca, la temperatura a la que está sometida tiene que ser superior a 200 grados Celsius e inferior a la temperatura en que se licua. Si la roca se vuelve líquida, se llama magma, y por tanto se clasiÞ ca como una roca ígnea una vez que se ha enfriado y cristalizado. Los aumentos de temperatura pueden ser originados por las capas de sedimentos que se entierran cada vez más hondo bajo la superÞ cie terrestre. Cuanto más profundamente se entierran, más aumenta la temperatura (se calcula que aumenta unos 25 grados por cada kilómetro de profundidad). A mayor profundidad, mayor es la presión, y a medida que aumenta la presión también aumenta la temperatura. Además, la roca metamórÞ ca se forma cuando las rocas se someten al calor generado por dos placas tectónicas que se deslizan entre si ó por su subducción (una placa se desliza por encima o por debajo de otra) causando un choque de fuerzas y generando calor a consecuencia de la fricción

entre las placas. Asimismo, el calor que altera la roca puede provenir del magma. Hay dos subdivisiones del metamorÞ smo termal:1. MetamorÞ smo regional: Es el calentamiento a gran

escala y la modiÞ cación de la roca existente mediante la creación de plutones (magma) en las zonas tectónicas de subducción. Abarca amplias zonas y volúmenes de roca.

2. MetamorÞ smo de contacto: Es el calentamiento a pequeña escala y alteración de la roca por medio de intrusiones ígneas localizadas (por ejemplo, diques volcánicos o cabezales).

Presión: Tres factores causan el aumento de presión que tiene como consecuencia la formación de rocas metamórÞ cas: 1. El peso generado por la carga de capas de sedimentos.2. Las presiones causadas por las placas que chocan en

la formación de una montaña.3. Las presiones causadas por las placas que se deslizan

una sobre otra.

El proceso que altera las rocas por la presión se conoce cientíÞ camente como metamorÞ smo dinámico. El metamorÞ smo dinámico no efectúa cambios químicos al mineral, sino cambios estructurales en la roca. La roca metamórÞ ca puede ser laminada o congregada (la alineación de los minerales desde que se comprimieron) o carecer de estructura (no laminada) excepto por las señales de deformación de granos de mineral constituyente.

Químico: Cuando los gases líquidos penetran en el lecho de roca (o han sido capturados durante la formación de la roca) y se calientan, pueden producir un reemplazo químico de elementos en los minerales, el cual se cree que puede tener lugar a lo largo de un periodo considerable de tiempo. Los cientíÞ cos llaman a este proceso metamorÞ smo hidrotermal o metasomatismo.

Las rocas metamórÞ cas casi siempre son más duras que las sedimentarias, y generalmente tanto y a veces más que las ígneas, porque las metamórÞ cas se forman típicamente por estar sometidas a presión y suelen ser más densas que la mayoría de las otras. En la página siguiente se expone una tabla que facilita la identiÞ cación y clasiÞ cación de las rocas metamórÞ cas.

Estructura Las rocas se pueden clasiÞ car también según su estructura. Por ejemplo, si los granos de mineral están mezclados en una masa homogénea, se dice que la roca es maciza. El granito es un ejemplo de una roca maciza. Cuando los granos de los minerales se orientan en capas en la roca, estas se llaman rocas estratiÞ cadas

Capítulo 1 � Geología

9

Perforabilidad

La posibilidad de perforar las rocas depende de muchos factores. Como dijimos en la sección sobre minerales y rocas, estas están formadas por componentes de diferentes minerales y varían en cuanto al tamaño del grano, el contenido de sílice y sus diversas estructuras. Todas estas características dan lugar a variaciones considerables en la perforación. Estas variaciones no solo son evidentes entre distintos tipos de rocas. En esta sección, trataremos a grandes rasgos las características de la roca que tienen más efecto en relación con la perforabilidad y el desgaste de la broca. Trataremos también brevemente los diferentes métodos de medición empleados para clasiÞ car la resistencia y la dureza de la roca. Lo que no haremos será dar una fórmula para pronosticar la velocidad de penetración (rate of penetration = ROP). El tema de la perforabilidad es demasiado complejo para reducirlo a una fórmula. Todo intento llevaría a una conclusión errónea en relación con el rendimiento de la broca.

Tamaño del granoUna roca de grano grueso es más fácil de perforar y causa menos desgaste que una de grano Þ no. Una roca con

contenido de mineral similar puede tener una diversidad de tamaños de grano dependiendo de la velocidad de enfriamiento o de que estén o no expuestos a presión y, en caso aÞ rmativo, a cuánta presión. Veamos dos ejemplos: cuarzo y granito. El tamaño del grano del cuarzo puede variar desde grano Þ no (0,5 a 1 mm) a grano denso (sobre 0,05 mm). El tamaño de grano de granito puede variar de grano grueso (>2 mm) a grano medio (1 a 2 mm) a grano Þ no (<1 mm) a muy Þ no o vidrioso (no se puede ver a simple vista).

Dureza El cuarzo es el mineral más común en la Tierra y puede encontrarse en prácticamente todos los tipos de roca. Se compone de dióxido de silicio y es muy duro y abrasivo. Por tanto, las rocas con alto contenido de cuarzo son difíciles de perforar y causan altos índices de desgaste en los insertos de carburo de tungsteno y la broca. En cambio, una roca con alto contenido de calcita (bajo en cuarzo) es relativamente fácil de perforar y se produce menos desgaste en los insertos y en la broca.

TEXTURA TAMAÑO GRANO COMPOSICIÓN TIPO DE

METAMORFISMO COMENTARIOS NOMBRE DE LA ROCA

LAM

INA

DA

ALI

NEA

CIÓ

N

MIN

ERA

L FINO

MIC

A

Regional

(Calor y presión aumentan con la

profundidad)

Bajo grado de metamorÞ smo de

esquisto Esquisto

FINO A MEDIO

CU

AR

ZO

FELD

SPAT

O

AN

FIB

OLI

TA

GR

AN

ATE

SuperÞ cie fol-lada brillante por cristal de mica microscopico

Filita

CO

NG

REG

AD

A

MEDIO A GRUESO

Cristales platy de mica visibles por metamorf-

ismo de arcilla o feldespato

Schist

PIR

OX

ENO

Alto grado de metamorÞ smo;

algo de mica cam-bió a feldespato,

segregada por mi-nerales en bandas

Gneis

NO

LA

MIN

AD

A

FINO VARIABLE Contacto (Calor)

Varias rocas se convertieron en

casi magma o lava por calor

Roca Córnea

FINO A GRUESO

CUARZO

Regional o Contacto

MetamorÞ smo de arena de caurzo Cuarcita

CALCITA Y/O DOLOMITA MetamorÞ smo de caliza a dolostona Mármol

GRUESO VARIOS MINERALES EN PARTIC-ULAS Y MATRIZ

Posible defor-mación o en-cogimiento de

guijarro

Metaconglomerados

Tabla 2 Perforabilidad

10

Medidas de Dureza y Resistencia

Hay varias maneras de medir la dureza y la resistencia de la roca y la dureza de los minerales.

Escala de Mohs La dureza del mineral se mide por la escala de Mohs, creada por Friedrich Mohs en 1812, desde entonces ha sido de muchísima utilidad. En rigor, es una escala relativa que se sirve de los siguientes minerales ordenados del 1 al 10 (del más blando al más duro):

1. Talco 2. Yeso 3. Calcita 4. Fluorita 5. Apatita 6. Feldespato 7. Cuarzo 8. Topacio 9. Corindón 10. Diamante

La escala ensaya el mineral desconocido comparándolo con uno de estos minerales normales. Cualquier mineral que raspa a otro es más duro, y si se raspan mutuamente, tienen la misma dureza. Como la escala de Mohs no tiene una precisión absoluta, puede usar números medios. Por ejemplo, la dureza de la dolomita, que raspa la calcita, pero no la ß uorita, tiene una dureza en la escala de Mohs de 3 1Ú2 ó 3,5. Un cuchillo y un pedazo de vidrio tienen una dureza de 6,5, por lo que si el mineral desconocido no los raspa, se sabe que no es tan duro. Una lima metálica endurecida tiene en la escala de Mohs una dureza de 6,5, así que si un mineral desconocido raya la lima, sabemos que es más duro que 6,5. En términos de dureza absoluta, el diamante (dureza 10) es en realidad cuatro veces más duro que el corindón (dureza 9) y seis veces más duro que el topacio (dureza 8).

Como vimos en la sección de geología de este manual, las rocas se componen de dos o más minerales, mientras que los minerales son homogéneos. Recuerde que la escala de Mohs no es un buen indicador de perforabilidad de la roca.

Resistencia a la compresibilidad / módulo de YoungLa resistencia a la compresibilidad es una medida de pre-sión de máxima compresión a la que puede estar sometido un volumen de muestra de roca antes de ceder. El módulo de Young es una medida de la elasticidad de la roca. Es la proporción entre presión y deformación que puede resistir una muestra de roca antes de ceder (deformación dúctil). Las diferentes pruebas de resistencia a la compresibilidad son uníaxiales, no reducidas, reducidas ó triaxiales. Como el nombre indica, la prueba de resistencia a la compresibilidad reducida expone una muestra de roca en una célula que es sometida a presión reducida y axial. La reducción de presión puede variar desde el mínimo a más de la presión máxima esperada en terreno. El cuadro 1 representa la presión y deformación típica como en relación con la resistencia a la compresión uniaxial. Muchos se sirven de la resistencia a la compresibilidad para medir el grado de perforabilidad de la roca. Es sólo un indicador, porque la resistencia de la roca depende de la composición física y química, además de otros factores como mineralogía, porosidad, cementación,

Método alternativo de determinación de la perforabilidad: Como dijimos, la de Mohs es una escala relativa para medir la dureza del mineral, y la medida de la resistencia compresiva (módulo de Young) son pruebas volumétri-cas. Ninguna de ellas representa lo que enfrenta normal-mente una broca. Al perforar una roca, la broca intenta superar la resistencia de la superÞ cie, no la resistencia volumétrica.

Del manual de Excavación de Roca de Sandvik Tamrock para Ingenieros Civiles, �La mayoría de las herramientas mecánicas (incluso las brocas) agrietan la roca en-dentando de la superÞ cie. La fracturación de la roca, la propagación de macrofracturas y la formación de astillas son consecuencia de la acción de una herramienta de corte.� Más aun, �...el proceso de corte es una combi-nación de los siguiente modos de fractura de la roca:

Endentamiento inicial de la superÞ cie que tritura y compacta la roca bajo la punta de la herramienta.Se desarrolla el esquema de propagación de macrofracturas haciendo que se desprendan astillas y se libere presión.Si no se produce desprendimiento de astillas con cada paso de la herramienta o ciclo de carga, se da el proceso de rotura múltiple.La remoción eÞ ciente de astillas para evitar nuevos cortes y compactación del material roto al paso de la herramienta.�

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grado de desgaste, tamaño del grano, elasticidad, densi-dad, laminación y depresión. La resistencia compresiva y el módulo de Young no son más que medios de determinar la perforabilidad de la roca. Recuerde que es una prueba volumétrica de resistencia de la roca y no representa nec-esariamente las condiciones a las que están expuestos los dientes de la broca durante la perforación.

Cuadro 1

Capítulo 1 � Geología

11

Finalmente, �Cortar o perforar una roca es el arte de aumentar al máximo la formación de astillas y la elimi-nación de material rocoso en forma de detritus. No es el proceso de amplia propagación de macrofracturas bajo la herramienta. La inß uencia de las discontinuidades en la masa de roca en la capacidad de corte suele ser a mayor escala que con herramientas individuales. Es frecuente que afecte simultáneamente a varias herramientas, así como también a las cabezas de cortadores.�

Dureza de Vickers Si tenemos en cuenta el proceso que acabamos de describir, se podría medir con más precisión la perforabilidad midiendo la dureza de la superÞ cie de la roca. Una forma sería adaptar la prueba de dureza de Vickers para medir la de la roca. Esta medida de la dureza de la superÞ cie de la roca es un valor global basado en los valores de dureza equivalentes a sus componentes minerales.

La tabla 3 tomada del Manual de excavación de roca de Sandvik contiene algunos de los valores medios de los números de dureza de roca de Vickers para una selección de rocas comunes.

Table 2.4-3Número de Dureza de la Roca Vickers (VHNR) para algunos tipos comunes de roca

Tipo de Roca VHNR Tipo de Roca VHNRAnÞ bolita 500. . . 750 Mármol 125. . . 250Andesita 550. . . 775 Metadiabasa 500. . . 750

Anortosita 600. . . 800 Metagabro 450. . . 775Basalto 450. . . 750 Micagneis 500. . . 825

Esquisto Negro 300. . . 525 Micaschist 375. . . 750

Cromita 400. . . 610 Mineral de Niquel 300. . . 550

Mineral de Cobre 350. . . 775 Norita 575. . . 725

Diabasa/ Dolorita 525. . . 825 PorÞ rita 550. . . 850

Diorita 525. . . 775 Mineral de Pirita 500. . . 1450

Epidotita 800. . . 850 Filita 400. . . 700Gabro 525. . . 775 Cuarcita 900. . . 1060Gneis 650. . . 925 Riolita 775. . . 925

Granito/Gneis de Granito 725. . .925 Arena 550. . . 1060

Granodiorita 725. . .925 Serpentinita 100. . . 300

Granulita/ Leptita 725. . .925 Esquisto y

Silstone 200. . . 750

Schist Verde 625. . .750 Skarn 450. . . 750

Piedra Verde 525. . .625 Mineral Es-falerita 200. . . 850

Hornfels 600. . .825 Tonalita 725. . . 925Caliza 125. . .350 TuÞ ta 150. . . 850

Tabla 3

Tabla 4Comparación entre Escalas de Megapascal (Mpa) y Protodjakonov y Libras por pulgada cuadrada (Psi)

Psi Mpa Protodjakonov Psi Mpa Protodjakonov1,000 7 1 28,000 193 152,000 14 2 29,000 200 163,000 21 3 30,000 207 164,000 28 4 31,000 214 165,000 34 4 32,000 221 176,000 41 5 33,000 228 177,000 48 6 34,000 234 178,000 55 6 35,000 241 189,000 62 7 36,000 248 18

10,000 69 7 37,000 255 1811,000 76 8 38,000 262 1912,000 83 8 39,000 269 1913,000 90 9 40,000 276 1914,000 97 9 41,000 283 2015,000 103 10 42,000 290 2016,000 110 10 43,000 297 2017,000 117 11 44,000 303 *2118,000 124 11 45,000 310 *2119,000 131 12 46,000 317 *2120,000 138 12 47,000 324 *2221,000 145 12 48,000 331 *2222,000 152 13 49,000 338 *2223,000 159 13 50,000 345 *2324,000 166 14 51,000 352 *2325,000 172 14 52,000 359 *2326,000 179 14 53,000 366 *2427,000 186 15

Estos números pueden servir de guía, pero hasta que la medida VHNR u otra como esta lleguen a adoptarse como norma en la industria usaremos la medida VHNR y las previamente mencionadas a Þ n de guiarnos en cuanto a la perforabilidad de la roca.

Comparación de medidas comúnas de perforaciónLa siguiente tabla compara la escala de Protodiakonov con la resistencia a la compresibilidad en megapascales (MPa) y en libras por pulgada cuadrada (psi). Tenga presente que la escala de Protodiakonov sólo llega a 20. En la tabla de abajo, las cifras del 21 al 24 se han calculado matemáticamente.

Los valores señalados con un asterisco (*) han sido calculados matemáticamente.

Perforabilidad

12

La perforabilidad de un tipo determinado de roca depende mayormente de factores como contenido mineral, tamaño de grano y estructura. Aquí comparamos la perforabilidad y los factores de desgaste asociados con varias rocas comunes.

Con frecuencia la caliza y el esquisto no son abrasivos, son fáciles de perforar y permiten una alta penetración y poco desgaste. En cambio, la arenisca (que también es una roca sedimentaria), causa mucho desgaste por su contenido de cuarzo.

Foto 1 Foto 2 Foto 3

Foto 6Foto 5Foto 4

Granito Basalto Diorita

Caliza Esquisto Arenisca

El basalto y la diorita son otros dos tipos de roca ígnea. A menudo desgastan menos las barras y la broca y pueden ser más fáciles de perforar.

Las comparaciones están hechas con granito común, el cual se considera que tiene un desgaste y características de perforabilidad normales.

Capítulo 1 � Geología

13

Como su nombre indica, la cuarcita contiene gran cantidad de cuarzo y causa por tanto mucho desgaste.

Foto 9Foto 7 Foto 8 Cuarcita AnÞ bolita Gneis

Es raro que un solo tipo de roca se dé en un lugar concreto. Esto hace más difícil de prever si la roca será fácil o difícil de perforar. En realidad, la respuesta exacta a la pregunta solo se conocerá después de la perforación.

La caliza es normalmente fácil de perforar y causa poco desgaste. Sin embargo, si su aspecto es como el de la foto, puede ser difícil de perforar. En la roca blanda y friable siempre se corren riesgos paralelos de desviación del pozo, atascamiento de la broca, e incluso quedarse atascado en el pozo. En tales condiciones, es esencial una perforación cuidadosa.

Foto 10 Foto 11

Debido a que la roca metamórÞ ca (transformada) puede alterarse en diversos grados, su perforabilidad y sus características de desgaste varían ampliamente. Por ejemplo, el gneis y la anÞ bolita son relativamente difíciles de perforar. El gneis causa mucho desgaste por su elevado contenido de cuarzo, mientras que la anÞ bolita no es tan abrasiva. Sin embargo, como la anÞ bolita es granulada-Þ na, es más difícil de perforar.

Perforabilidad

Caliza

14

protección de faldón

Þ la del talóncalibre

cono

tubo de aire

boquilla

paso principal de aire al rodamiento

tapa de bolines de retención

rodamiento de rodillo externo

rodamiento de bola

botón de empuje axial secundario

rodamiento de rodillo interno botón de empuje axial primarioFAMILIARIZACIÓN CON LA BROCA

TRICÓNICA

Introducción

Una broca tricónica consiste en tres grupos de componentes principales: los conos (o cortadores), los rodamientos y el cuerpo de la broca (o pata). Los conos constituyen la herramienta en sí que perfora la roca. Todas las brocas de insertos de carburo de tungsteno (Figura 4a) tienen dichos insertos colocados en hileras distribuidas en los conos de tal forma que les permiten perforar eÞ cientemente la roca. Las brocas de diente fresado (Figura 4b) se usan generalmente en formaciones muy blandas, y las brocas con insertos de carburo de tungsteno en la mayoría de las otras formaciones. La Þ gura 4 ilustra la nomenclatura común.

Todas las brocas tricónicas de Sandvik proporcionan la velocidad de penetración más alta posible y una larga vida útil. Para lograr una alta velocidad de penetración y mayor longevidad, se debe seleccionar la broca indicada.

Una broca tricónica típica para roca blanda está dotada de dientes largos, aÞ lados y con grandes espacios entre sí (Figura 5). La broca para roca blanda también está diseñada de forma que cuando los dientes estén en contacto con el fondo del pozo lo raspen. Eso signiÞ ca que la roca es quebrada a la vez por el corte y el raspado. Típicamente una broca tricónica para roca dura tiene dientes compactos, cortos, sin punta o incluso esféricos (Figura 6). La broca

Figura 4Nomenclatura de Broca Tricónica

Broca con Inserto de Carburo de Tungsteno Broca de

Diente-Fresado

Figura 6 � Estructura de corte menos agresiva para formaciones de roca dura.

Figura 5 � Estructura de corte más agresiva para rocas blandas.

para roca dura quiebra la roca solo por trituración. El efecto de corte se mantiene al mínimo para reducir el desgaste de los dientes. Este tipo de broca se usa generalmente con mayor peso (fuerza) sobre la broca en comparación con la broca para roca blanda. Por esta razón, los rodamientos de la broca para roca dura son usualmente más robustos que los de las brocas para roca blanda. El siguiente esquema (Figura 7) ilustra mejor cómo una broca para formación blanda perfora por acción de corte y una broca para formación dura por trituración:

Figura 4aFigura 4b

Broca de diente fresado

Insertos de dureza media

Inserto suave Inserto duro

100%Corte (Raspado)

100%Extrucción

Figura 7Continuidad de la acción de perforación

Actualmente la mayoría de las brocas para minería cortan la roca por medio de insertos de carburo de tungsteno de formas variadas. Dichos insertos tienen una aleación de tungsteno y cobalto; la resistencia al desgaste y al quiebre del inserto las determinan el tamaño del grano del carburo de tungsteno y el porcentaje de cobalto. El inserto se compone de una estructura determinada del grano y porcentaje de cobalto, que se denomina grado. Como cada grado tiene sus características particulares, la selección del grado del inserto es otro criterio importante para seleccionar la broca indicada. Al seleccionar una broca, elegir la forma de inserto indicada y el grado supone en muchos casos encontrar un término medio entre la resistencia al desgaste y la resistencia al quiebre del inserto. Esto se ilustra mejor en la Figura 8 (página siguiente). Su representante de brocas puede ayudarle a seleccionar el grado más adecuado de inserto.

Capítulo 2 � Familiarización con la broca tricónica

cuerpo de la broca

15

En cualquier conÞ guración, la mayoría de las fuerzas radiales son soportadas por el rodamiento del rodillo grande con algo de ayuda del rodamiento del rodillo pequeño interno o el rodamiento de fricción.

Una broca tiene dos superÞ cies de rodamientos axiales. El rodamiento axial primario con el sistema de botón que se ubica en el agujero piloto del muñón de la pata y la superÞ cie del acoplamiento ubicada en el fondo del cono. El rodamiento axial secundario es el área de contacto entre el cono y el reborde de empuje del muñón. A medida que se desgasta el rodamiento de empuje primario, el secundario ayuda a compartir la carga.

Sistema de Circulación

El sistema de circulación (a veces llamado �limpiado con chorro�) limpia el pozo transportando los detritos del fondo del pozo a la superÞ cie, y al mismo tiempo enfría y limpia eÞ cazmente los rodamientos de la broca.

Los dos medios más comunes de limpiar el pozo de detritos son el aire y el lodo. El aire, por ser un gas y de peso ligero por naturaleza, requiere volumen alto y velocidad para sacar los detritos fuera del pozo. El lodo, por ser denso, requiere menos volumen y genera bastante presión para extraer los detritos del fondo del pozo. En este manual sólo mostraremos la circulación por aire.

En la siguiente sección se describen las pautas para los sistemas de la circulación por aire con respecto a la limpieza del pozo, limpieza del rodamiento y selección de boquillas.

Limpieza del Pozo

Se necesita una velocidad suÞ ciente del aire para lanzar los detritos fuera del pozo (Figura 11 y 12 - dos páginas siguien-tes). Tanto el caudal (para referencia, CFM � Cubic Feet per Minute = pies cúbicos por minuto) como la presión se regulan aumentando o disminuyendo el tamaño de las boquillas de la broca. La información de la capacidad del compresor, presión y el caudal (CFM) se la puede encontrar habitualmente en la lámina de datos que esta pegada al compresor.

Figura 8Resistencia al desgaste y al quiebre

De izquierda a derecha: insertos de calibre, cónico, cincel y semi esférico

Fuerzas Radiales

Fuerzas Axiales

Fuerzas Radiales

Fuerzas Axiales

Figura 9Rodillo-Bolas-Rodillo (RBR)

Figura 10Rodillo-Bolas-Fricción (RBF)

Para lograr una larga vida útil de la broca, los rodamientos deben resistir las altas fuerzas axiales y radiales que se dan durante la perforación. Las brocas tricónicas se sirven de cinco rodamientos que actúan conjuntamente. El diseño de los rodamientos, su forma geométrica y la selección de material son factores críticos que todo diseñador debe tener en cuenta cuando esta creando una broca. Los rodamientos de rodillo de broca Sandvik abiertos y enfriados por aire tienen dos conÞ guraciones de uso: RBR (roller-ball-roller = rodillo-bolas-rodillos) (Figura 9) en brocas más grandes, y RBF (roller-ball-friction = rodillo-bolas-fricción) (Figura 10) en las más pequeñas.

Introducción / Sistema de circulación / Limpieza del pozo

16

Ejemplo: V = 35 m/s (7000 ft/min)DH = 251 mm = 0.251 m or 9 7/8� = 09.875DP = 197 mm = 0.197 m or 7 3/4� = 07.750

Indicado en sistema métrico:V = 35 m/s (7000 ft/min)Q = 35 x (0.2512 - 0.1972) x 47Q = 40 m3/min ó indicado en unidades Inglesas:

Q = 7000 x (9.8752 - 7.7502) 183.3Q = 1430 cfm

La siguiente fórmula se puede emplear para calcular la velo-cidad de barrido real: Fórmula 1 - Unidades Inglesas: V = 183.3 x AO DH2 - DP2

Fórmula 2 - Unidades métricas:

V = Q(m3/m) 47(DH2 - DP2)

Para calcular la velocidad del ß ujo de aire, se puede utilizar una de las dos formulas siguientes:

Fórmula 1 = Unidades métricas

Q = V(DH2 - DP2) 47m3/min

Fórmula 2 = Unidades Inglesas

Q = V(DH2 - DP2)cfm 183.3

Donde: V = Velocidad de aire deseada (metros/segundo o

pies/minuto) DH = Diámetro del pozo (diámetro de la broca) DP = Diámetro de la barra Q = Caudal de Aire AO = Caudal real de salida (uno de los dos cfm

o m3/min) 183,3 = Constante para unidades Inglesas 47 = Constante para unidades métricas

d

P = W o rk in g P re s s u re

Q = R a te d F lo wÊ

No olvide que el caudal de aire que genera el compresor se reduce si este está estropeado o si funcionan a grandes alturas. En el Anexo D encontrará más información sobre los efectos de la altitud y la temperatura sobre el aire comprimido. Su representante le dará asimismo más información al respecto.

La diferencia en constitución mineral, densidad y estructura de las diversas rocas da lugar a diferencias en el peso y tamaño de los detritos. A consecuencia de ello, puede ser necesaria una velocidad de barrido (BV) diferente en cada caso, dependiendo de las condiciones geológicas. Determinar la óptima velocidad de barrido (BV) puede resultar más complicado por la presencia de agua, que ocurre naturalmente y aumenta la densidad de los detritos.

Las siguientes recomendaciones son normas mínimas para la velocidad de barrido (BV). Con todo, pruebas de perforación, las condiciones de desgaste de la broca o experiencias previas en las condiciones del lugar pueden indicar mejor la velocidad óptima de barrido para la operación. 1. Los detritos de perforación Þ nos y minerales

livianos requieren una velocidad de barrido de aproximadamente V = 25 m/s (5.000 ft/min)

2. Los detritos de perforación grandes y minerales pesados requieren una velocidad de barrido de chorro de aproximadamente V = 35 m/s (7.000 ft/min)

3. Los detritos de perforación grandes con alto contenido de agua pueden requerir una velocidad de barrido (BV) de hasta V = 50 m/s (10.000 ft/min)

A veces, los detritos de perforación Þ nos se atribuyen erróneamente a las condiciones geológicas, cuando la verdadera causa es la baja velocidad de barrido, que puede dar lugar a que los detritos recirculen en el pozo hasta que sean lo bastante Þ nos para salir de él.

El caudal de aire para limpiar el pozo se llama barrido y tiene un impacto directo en las velocidades de penetración y en la vida útil de la broca. Generalmente, mientras mas alta sea la velocidad de barrido, mejor será la limpieza del pozo y mayores serán la velocidad de penetración y de vida útil de la broca. La velocidad de barrido la determina la relación entre el anular (diámetro del pozo menos el diámetro de las barras de perforación) y el caudal (m3/min o cfm) que genera el compresor. Por regla general, el diámetro del tubo debe ser aproximadamente un 80% del diámetro de la broca.

Figura 11 Flujo de Aire

Capítulo 2 � Familiarización con la broca tricónica

(2-1)

(2-2)

(2-3)

(2-4)

(2-5)

(2-6)

17

Todas las brocas tricónicas de Sandvik mayores de 6 1/4� son de boquilla tipo jet. La mayoría de las brocas de diámetro inferior a 6� tienen un agujero central. El sistema de circulación de boquilla tipo jet (Figura 14) es una prolongación del cuerpo de la broca ubicada cerca del diámetro exterior del cuerpo de esta y entre los conos. El sistema de boquillas tipo jet tiene oriÞ cios fáciles de desmontar para que el sistema de circulación de aire mantenga las contrapresiones adecuadas. Las boquillas de Sandvik son instaladas por una de estas dos maneras: sistema de resorte tipo eje ó con clavo (ver página 31 y 32).

Además, la mayoría de las brocas de rodamiento de aire superiores a 6 3/4� están provistos de válvula de contraß ujo (Figura 15). Cuando no circula aire por la broca, las válvulas de contraß ujo se utilizan para impedir que el agua y detritos suspendidos en el anular entren a la broca, (Figura 14).

Figura 12OriÞ cio Central

Figura 13Boquilla de chorro

Figura 15Válvula de Contra ß ujo

Enfriamiento y Limpieza de Rodamientos

Para el enfriamiento y limpieza de los rodamientos se requiere una contra presión para obligar al aire a pasar a través del rodamiento y presurizar la cavidad de este. La presurización de la cavidad de los rodamientos es para impedir que los detritus y otras corpúsculos externos no entren al rodamiento; en caso contrario se reduciría la vida útil de este. Además, el aire enfría los rodamientos por la transferencia del calor de estos hacia el aire comprimido. En esencia, el aire entra por un tubo a la cavidad del rodamiento, y se evacua por la ranura que esta ubicada entre el cono y la pata (el Þ ltro del tubo de aire retiene desechos que podrían entrar en la cavidad del rodamiento y reducir la circulación de aire haciendo que los rodamientos se sobrecalienten y fallen prematuramente). A medida que pasa el aire por la cavidad del rodamiento, recoge el calor generado en este y lleva el calor hacia el anular del pozo. El aire es forzado a través de los rodamientos por la presión creada dentro de la broca. Como se dijo, la cantidad de presión interna es regulada por el tamaño de las boquillas. Aumente el tamaño de la boquilla y la presión se reducirá. En cambio, si el tamaño de la boquilla se disminuye, la presión interna de la broca aumentará. Una cantidad limitada de aire puede ß uir a través de los rodamientos; por lo tanto, recomendamos que la presión interna de la broca sea entre 30 y 36 psi (2.1 a 2.5 bar).

Las brocas tienen que ser abiertas para que los ß uidos de perforación puedan salir de la broca a limpiar el fondo del pozo y expulsar los detritos. Generalmente las brocas tricónicas tienen dos conÞ guraciones: con un agujero central (Figura 12) o con tres boquillas tipo jet (Figura 13). Ambas conÞ guraciones dirigen el caudal para el barrido al fondo del pozo.

Enfriamiento y limpieza de Rodamientos

Figura 14Circulación

18

ECONOMÍA EN LA PERFORACIÓN DE POZOS

El mejor medio de determinar cuál es la broca ideal a utilizar es hacer una evaluación de los aspectos económicos.

Las dos maneras más comunes de calcular el costo de perforación se conocen por las siglas PDC (Partial Drilling Cost = costo parcial de perforación) y TDC (Total Drilling Cost = costo total de perforación).

El costo parcial de perforación es el precio al que se adquirió la broca dividido por la distancia que perfora. El PDC puede expresarse por la fórmula:

Precio de compraDistancia perforada (en pies o metros)

El TDC es el PDC incluyendo la productividad en la ecuación. El TDC incluye el costo de la broca, el rendimiento por hora del equipo de perforación, pies o metros por hora y distancia perforada. La fórmula TDC se expresa normalmente por una de las dos ecuaciones siguientes:

Costo broca + [(Costo por hora de equipo)(horas)]

Pies (metros) perforados

ó Costo de la broca + Costo por hora de equipo Pies (metros) perforados Velocidad de penetración (ROP)

Si el tiempo de perforación no es problema, el costo parcial de perforación (PDC) es probablemente la mejor forma de evaluar el funcionamiento de la broca. Sin embargo, si tiene poco tiempo para la perforación y está dispuesto a manejar la ß ota de perforadoras en razón de la productividad, el costo total de perforación (TDC) podría ser un buen criterio. Veamos un par de ejemplos hipotéticos: La Mina tiene 5 perforadoras y los siguientes datos de broca:

Broca Tipo A Broca Tipo BPrecio de la Broca $3,000.00 $3,600.00Metros (pies) 2,000 2,100Horas 100 100ROP 20/hora 21/horaCosto de Perforación/Hora $200.00 $200.00Costo Parcial de Perforación: $1.50 $1.71Costo Total de Perforación: $11.50 $11.24

Como lo demuestra la Tabla 5, el precio de compra de la Broca Tipo B es 20% superior y su penetración 5% más rápida que la de la Broca Tipo A y perfora a un TDC más bajo, pero a un PDC superior. Entonces, ¿cuál sería la mejor broca? Para determinarlo, conteste las siguientes preguntas:

� ¿Está atrasado en la perforación? � ¿Puedo aprovechar la ß ota de perforadoras para

beneÞ ciarme de la reducción en TDC? � ¿Los ahorros en TDC lo son sólo en el papel?

� ¿Puedo aumentar el ROP lo suÞ ciente para reti rar una perforadora de servicio?

Si la perforación no es urgente y el aumento en la penetración no produce el retiro de una perforadora o no previene la compra de una nueva, o si el ahorro es sólo en el papel, un 5% de aumento en la productividad no puede tener mucho impacto.

¿Hay una manera mejor de evaluar y comparar el funcionamiento? Por las razones indicadas, consideramos que un costo por hora de equipo modiÞ cado puede ser la mejor medida. De hecho, algunos contadores dan a entender que el método de medida TDC es apropiado para ser incluido en las autorizaciones de gastos cuando se justiÞ ca la compra de una perforadora nueva, pero no es siempre un buen método para pagar y comparar las brocas. Esto obedece a que la broca tiene un impacto limitado en la productividad de perforación. El control operativo o gestión, el mantenimiento de las maquinas y las normas de trabajo tienen mucho más impacto en la productividad que las brocas.

Debido a lo anterior, una manera más eÞ caz de evaluar el funcionamiento es por el uso de MTDC (ModiÞ ed Total Drilling Cost = costo de perforación total modiÞ cado). El MTDC usa un costo por hora de equipo que sólo considera la mano de obra, mantenimiento y combustible. Excluye entre otras cosas depreciación y gastos generales. La fórmula MTDC se expresa de la siguiente manera:

MTDC =Costo broca + [(Costo por hora de equipo Mod.)(horas)] Pies (metros) perforados

ó Costo de la broca + Costo por hora de equipo Mod. Pies (metros) Velocidad de Penetración (ROP)

Ahora apliquemos el MTDC al ejemplo hipotético detallado anteriormente:

Broca Tipo A Broca Tipo BPrecio de la Broca $3,000.00 $3,600.00Metros (pies) 2,000 2,100Horas 100 100ROP 20/hora 21/horaCosto de Perforación en mov-imiento/Hora

$75.00 $75.00

Costo Parcial de Perforación: $1.50 $1.71Costo Total de Perforación: $5.25 $5.29

En el ejemplo anterior, la Broca Tipo A es la de más bajo costo, si tenemos en cuenta que la Broca Tipo B era la más económica de usar. El método de evaluación económica a usar dependerá de las circunstancias de la mina.

Tabla 6Tabla 5

Capítulo 3 � Economía en la perforación de pozos

(3-1)

(3-2)

(3-3)

PDC =

TDC =

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va disminuyendo la velocidad de penetración. Como se ve en el Cuadro 2, la reducción en la velocidad de penetración produce un aumento en TDC y MTDC. Sin embargo, al evaluar por MTDC el impacto de la velocidad de penetración es más bajo y no inß uye hasta el Þ nal de la vida útil de la broca. Al comparar el TDC y el MTDC, se observará que el PDC nunca aumenta.

Cuándo se debe dejar de usar una broca

Solo hay una razón para retirar una broca de servicio: que su uso ya no sea económico. Esto normalmente sucede cuando un rodamiento se traba o falla la estructura de corte. En cualquiera de estos casos, la broca deja de ser económica, porque no perfora o lo hace con extrema lentitud. Hay una razón menos sutil para dejar de usar una broca - el desgaste gradual de la estructura de corte, que

Cuadro 2

Cuadro 3

El Cuadro 3 se basa en la misma broca y datos de funcionamiento que en el Cuadro 2, excepto que este usa la fórmula MTDC.

Cuando se debe dejar de usar una broca

A menos que una broca este gastada, el momento en que se va a dejar de usar dicha broca dependerá del patrón de medida que se usa: por la existen-cia o no de la urgencia del uso de las perforadoras, y si cambio en la produc-tividad es manejable

20

SELECCIÓN DE BROCAS

Escoger la broca adecuada es fundamental para perforar de forma exitosa y rentable. Factores importantes a tener en cuenta son la superÞ cie, la resistencia a la compresibilidad, la abrasividad, el volumen y homogeneidad de la roca, la velocidad de penetración deseada, la capacidad y características del equipo de perforación y la experiencia en perforación previa en la mina (ver página 37, Anexo B).

Sandvik ofrece una amplia gama de brocas que cumplen la mayoría de los requerimientos, tanto de inserto de carburo de tungsteno como de diente fresado.

Dureza de la roca / Resistencia El primer paso para seleccionar la broca adecuada es conocer la resistencia y dureza de la roca a Þ n de escoger las brocas que se adapten mejor a sus características. En muchos casos es difícil elegir una broca basándose solo en la dureza de la roca, porque los rangos de trabajo de las brocas no están claramente delimitados. Con la ayuda de su representante de Sandvik podrá elegir las que tengan más posibilidades de reducir sus costos de perforación.

Abrasividad La próxima consideración es determinar la abrasividad de la roca. Sin embargo, escoger una broca de formación dura resistente a la abrasividad es con frecuencia un error porque podría limitar la velocidad de penetración y la vida útil de la broca. Para perforar de forma eÞ ciente y rentable, se debe optar por una broca que coincida con la formación a perforar. Una formación abrasiva requerirá una broca equipada con los grados y formas de insertos resistente a la abrasividad. Por lo tanto, una formación muy abrasiva puede exigir una broca ligeramente más dura que una formación no abrasiva, ya que la broca más dura generalmente tiene insertos más adecuados a esa clase de formación.

Homogeneidad y masivo de la rocaA la hora de elegir la broca adecuada hay que tener en consideración la homogeneidad y el volumen. Si una roca no es homogénea, puede ser necesaria una broca más dura que para perforar una roca maciza y homogénea. Además, una broca más dura puede ser necesaria si está va a perforar una roca altamente fracturada o inicios de pozos (collares) mas largos debido a la sobre carga de roca fragmentada.

Guiarse por la experienciaUn buen punto de partida es examinar los rendimientos anteriores para identiÞ car el mejor producto (fabricante, marca, tipo, código IADC [ver Anexo A, página 36]) y posiblemente el número de parte del fabricante). Esta información lo ayudará a escoger el mejor producto de comparación, y a los fabricantes de brocas ayudara a escoger brocas similares. Si no hay un historial disponible, entregue los siguientes datos geológicos a su proveedor de broca:

Resistencia de la Broca Abrasividad Homogeneidad Tipo(s) de roca a perforar

Esta información es necesaria para que ellos puedan seleccionar la broca más adecuada a las necesidades de usted.

Después de seleccionar las mejores brocas y comenzar a perforar, no perfore en exceso. En la roca no debe penetrar no más de 90% de la extensión del inserto.

Un método que usted puede usar para determinar si está sobreperforando es medir los milímetros por revolución del cono (o pulgadas por revolución del cono). Puede usar la siguiente fórmula:

MM/REV = ROP x 1000 RPM x 60

O el índice de penetración multiplicado por 1000 y divididos por RPM multiplicadas por 60.

Donde:MM = MilímetroREV = Un giro de la barras de perforación ROP = Velocidad de penetración en m/hrRPM = Revoluciones por minuto de las barras

de perforación

En unidades inglesas,

IN/REV = ROP x 12 RPM x 60

Donde:IN = PulgadasREV = Revolución de las barras de perforacióneROP = Velocidad de Penetración en m/hrRPM = Revoluciones por minuto de las barras de

perforación

Si los resultados son superiores al 90% de la extensión del inserto multiplicado por 1.2 (revoluciones del cono por cada revolución de las barras de perforación), se esta sobreperforando. Puesto en una fórmula esto seria:

IN/REV> (90% de extensión de inserto 1.2)

Consideraciones Þ nalesUna vez que hemos aprendido a elegir brocas, determinaremos cuál es la más rentable a través de una prueba de perforación en condiciones controladas y mensurables. Debido a que las condiciones de perforación varían mucho, incluso en distancias cortas, reúna información y evalúe las diferencias al hacer su selección. Muchas veces elegir una broca es un compromiso, pero es critico para el rendimiento de la perforación.

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Capítulo 4 � Selección de brocas

(4-1)

(4-2)

(4-3)

21

ANÁLISIS DE UNA BROCA DESGASTADA

En esta sección veremos las causas más comunes de la falla prematura de la broca. Estudiamos las brocas desgastadas para mejorar el rendimiento y rentabilidad de la perforación y mejorar la calidad del producto.

Una broca desgastada indica: El estado de la perforadora La eÞ ciencia del operador de la perforadora El estado del compresor y condición de la línea del compresor Los parámetros de operación (si son ad)Condición de la columna de perforacion

Estudiando brocas desgastadas se puede ahorrar dinero.

Todas las brocas fallan. Y entonces nos preguntamos: �¿Por qué falló la broca?� y �¿Ha fallado prematuramente?� Por lo general, las brocas fallan prematuramente por no usarse debidamente; pero también pueden fallar por un error de diseño o de fabricación. ClasiÞ caremos por tanto las fallas en las siguientes categorías: �uso�, �diseño�, y �fabricación.�

En esta sección del manual estudiaremos las fallas prematuras por mal uso, sin abarcarlas todas, sólo algunas de las más comunes. Usaremos la siguiente metodología síntoma> causa> remedio, para evaluar las brocas desgastadas e identiÞ car la causa raíz para aplicar el remedio apropiado.

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Insertos quebrados - internos (BT) - Fotografía 12:

Síntoma:Los insertos de carburo de tungsteno (siglas en inglés: TCI) se quiebran en las hileras internas al nivel del acero de los conos.

Causa:Demasiado peso sobre la broca (siglas en inglés: WOB) Roca fracturada mientras se perfora el pozo o su collarGrado de insertos TCI erróneos

Remedio:Evaluar las practicas de perforación y reducir el peso (WOB) Reducir el peso sobre la broca (WOB) y disminuir la velocidad de rotaciónEscoger una broca con grado de insertos más resistente al quiebre

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Desgaste por huella (TR) - Fotografía 13:

Síntoma:Los insertos están predominantemente gastados por un lado. Esto causa vibración de la broca y un corte ineÞ ciente.

Causa:Normalmente causado por el peso (WOB) indebido y una velocidad de rotación errónea. Esto hace que los insertos golpeen las paredes de los cráteres abiertos por otro insertoError en la selección de broca

Remedio:Ajuste del peso sobre la broca (WOB) y de la rotación para alcanzar el peso de fractura de la roca y tiempo de detención apropiadosSeleccione una broca que se adapte mejor o con alteraciones en la distancia entre insertos

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Foto 12

Foto 13

Capítulo 5 � Análisis de una broca desgastada

22

Insertos internos quebrados (BT) - Fotografía 14:

Síntoma:Insertos quebrados en el calibre.

Causas:Velocidad excesiva de rotaciónRoca fracturada mientras se perfora el pozo o el collar de esteBroca no adecuada a nuevas circunstancias

Remedio:Reducir la velocidad de rotaciónPerforar la roca fracturada con peso y velocidad de rotación reducidosElegir una broca más apropiada para las condiciones de perforación

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Foto 14

Interferencia de cono (CI) - Fotografía 16:

Síntoma:El desgaste de los rodamientos resulta en la interferencia de los dientes (insertos) de un cono sobre otro cono. Suele producirse cuando los conos se traban y son arrastrados intermitentemente y/o se produce la rotura de insertos.

Causas:Un peso (WOB) excesivo produce un exagerado momento de ß exión del muñónUn rodamiento no llega a enfriarse por cortarse el paso de aire hacia el rodamientoAß ojamiento del rodamiento externo o interno; empuje excesivo; o perforación excéntrica causada por torcimiento de las barras, daño de los hilos o el anillo guiador dañado que quiebran el reborde de la pista de las bolas de retenciónExceder la vida útil de servicio del rodamiento de aireUso de la broca en un pozo de menor diámetro

Remedio:Reducir el peso (WOB)Revisar los procedimientos de perforación para que la broca quede bien limpia entre usosRevisar los procedimientos de perforación e inspeccionar el estado de la columna de perforación y el anillo guiador.Usar una broca de rodamiento selladoEmplear una broca usada o de poco diámetro para re-perforar pozos ya perforados

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Cono quebrado (CC) � Fotografía 15:

Síntoma:Cono agrietado en sentido axial o en su circunferencia.

Causas:Fatiga del acero del conoBotón de empuje dañado porque su reborde se calienta y genera grietasEl OB (outer bearing = rodamiento externo) se suelta y hace que la boca del cono se monte sobre el faldón y genere calor y grietasAlta velocidad de impacto con el fondo del pozo o caída de broca

Remedio:Puede ser normal en brocas de larga duraciónReducir el peso (WOB)Revisar los procedimientos de perforación para que la broca trabaje sin impactos en el fondo del pozo

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Foto 15

Foto 16

Capítulo 5 � Análisis de una broca desgastada

23

Redondeado de calibre (RG) - Fotografía 17:

Síntoma:Insertos redondeados hacia el centro de la broca. Baja velocidad de penetración.

Causa:Demasiadas RPMInserto demasiado blando

Remedio:Reducir RPM para que la hilera del calibre tenga tiempo para incrustarse a la pared en el fondo del pozoEmplear una broca con diferente grado de carburoEmplear una broca con menos excentricidad de los conos y/o con un mayor ángulo de muñón del cojinete

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Rajaduras por el calor (HC) � Fotografía 18:

Síntoma:Aparece una superÞ cie semejante a una piel de culebra en la superÞ cie del inserto. Con frecuencia produce la rotura del inserto.

Causa:Grado de carburo de tungsteno inapropiado para la formación perforadaCalentamiento y enfriamiento simultáneo del carburo por el agua inyectada o por agua subterránea

Remedio:Escoger una broca de carburo menos propensa a rajarse por el calor (con un contenido inferior de cobalto o mayor tamaño del grano de tungsteno)Disminuir la velocidades de rotación y usar menos agua

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Dientes o insertos gastados (WT) - Fotografía 19:

Síntoma:Los insertos desgastados reducen la productividad.

Causa:Peso (WOB) inadecuado Grado inadecuado de carburo de tungstenoLas condiciones de las formaciones de roca han cambiadoExcesiva revoluciones por minuto (RPM)Puede ser normal en brocas de larga duración

Remedio:Ajustar los parámetros de perforación y aumentar el peso (WOB) y/o disminuir la velocidad de rotaciónSeleccionar una broca con insertos menos propensos al desgaste (insertos más duros)Seleccionar una broca que se adapte más a las circunstanciasReducir RPM para aumentar el tiempo del inserto en la roca a Þ n de transferir eÞ cazmente la energía

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Foto 17

Foto 18

Foto 19

Análisis de una broca desgastada

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Erosión (ER) - Fotografía 20:

Síntoma:El acero del cono se erosiona dando lugar a la pérdida de los insertos. Una erosión excesiva puede causar también averías en la tapa del agujero de los bolines de retención y en el faldón.Causa:

Broca inadecuada para la formaciónCaudal de aire insuÞ cienteFormación pegajosa y abrasiva originada por aguas subterráneas o por inyección excesiva de aguaPresión excesiva de airePenetración excesiva de los insertos

Remedio:Escoger una broca con una estructura de corte que contribuya a mantener la broca no enterrada en el fondo del pozoVeriÞ car que no haya fugas en el sistema de entrega de aire, que los Þ ltros de aire no están tapados y las mangueras no están apretadasSi se emplea inyección de agua, reducir la cantidad. VeriÞ car que la boquilla es la apropiada para la broca.VeriÞ car la velocidad del barridoAumentar el tamaño de la boquilla para reducir la presión de aireAceptar la condición de desgaste si la alta velocidad (ROP) es rentable

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Faldón quebrado (BST) - Fotografía 22:

Síntoma:Rotura del área del faldón que protege los rodillos y/o sellos.

Causa:Un rodamiento empujado hacia fuera obliga a que la punta (ceja) del faldón lleve una porción de la cargaPerforación excéntricaLa resistencia estructural del faldón reducida por la erosión

Remedio:Reducir el peso sobre la broca (WOB) o escoger una broca con menos ángulo de muñónInspeccionar la columna de perforación para veriÞ car anomalías, y también inspeccionar la broca para ver si hay señales de rosca dañada y de concentricidadInspeccionar la colmna de perforación, compresor y el sistema de aire y efectuar los ajustes necesarios

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Acero deformado (STL) / Conexión de rosca dañada (PCT) � Fotografía 21:

Síntoma:Desgaste excesivo en una o dos patas (pata, faldón y hileras de calibre). Excesivo desgaste o rotura de la hilera del calibre. Desgaste irregular de rodamiento (empujado hacia adentro, empujado hacia afuera y rotura del reborde del muñón de la pata).

Causa:La barra de perforación se ha torcido dando lugar a una rotación excéntrica en la brocaEl hilo de la broca se ha dañado

Remedio: VeriÞ car la concentricidad de la columna de perforaciónInspeccionar y reemplazar la broca si la rosca está dañada

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Foto 20

Foto 21

Foto 22

Capítulo 5 � Análisis de una broca desgastada

25

Pérdida de circulación (LCR) - Fotografía 24:

Síntoma:Los tres conos se traban simultáneamente.

Causa:El compresor de aire deja de funcionar mientras perfora, a consecuencia de lo cual el rodamiento se atasca y/o sobrecalientaEl aire no llega a la broca porque la manguera de aire principal esta apretada, hay una fuga importante o la manguera se ha soltado, y consecuentemente se llena con material perforado (detritus) la cavidad de la broca

Remedio:Inspeccionar las válvulas del sistema de refrigeración y el sistema de enfriamiento y hacer los ajustes del casoVeriÞ car el sistema de ventilación por si hay fugas, mangueras apretadas o dobladas, y si hay detritus en la cavidad de la broca

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Boquilla tapada (PLG) - Fotografía 23:

Síntoma:Una boquilla obstruida hace que el compresor descargue el aire a la atmósfera y no perfore limpiamente el pozo. Esto también puede manifestarse por la erosión excesiva de una parte de la broca.

Causa:El aire se desvía antes de que la broca salga del pozo permitiendo que los detritus entren en las boquillas y la cavidad de los rodamientosSobreperforación (perforar con más rapidez de la que salen los detritus)La broca se queda en el pozo por manutención del cabezal de la perforadoraEl revestimiento de goma de la manguera principal o del amortiguador se suelta

Remedio:Revisar y corregir los procedimientos de perforaciónReducir la velocidad de penetración a través de la reducción del WOB y/o RPMLimpiar la broca después del mantenimiento o emplear una broca usadaReemplazar la manguera principal

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Foto 23

Foto 24

Pata(s) quebrada(s) (BRL) - Fotografía 25:

Síntoma:Pérdida de una o más patas, por lo general debida a malos tratos.

Causa:La broca se suelta y cae del inicio hasta el fondo del pozoUna erosión excesiva de la pata reduce su sección y la debilita

Remedio:Asegurar que el cabezal este bloqueado y asegurado mientras la broca esta sobre el pozo y mientras se cambian las barras de perforaciónRevisar el proceso de perforación para asegurar que se entrega todo el aire disponible a la brocaVeriÞ car frecuentemente la condición de la broca

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�Foto 25

Análisis de una broca desgastada

26

Broca apretada (PB) - Fotografía 26:

Síntoma:Las tres hileras del calibre están desgastadas y el empuje hacia el centro de los cojines resulta en el daño de las hileras internas de insertos de carburo de tungsteno (TCI).

Causa:Reperforación o limpieza de un pozo existente con una broca nueva o con broca que tenga el diámetro no desgastado

Remedio:Emplear una broca gastada para reperforar los pozosPerforar un pozo nuevo junto a uno viejoAdquirir una broca más pequeña para limpiar o reperforar pozos

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Foto 26

Coreado (CR) - Fotografía 27:

Síntoma:La parte interna de los conos está dañada o gastada, o perdida.

Causa:Un pesos sobre la broca (WOB) excesivo hace que el cono choque con el fondo del pozoUna broca dura hace que el cono choque con el fondo del pozoUn peso (WOB) excesivo quiebra insertosUna limpieza insuÞ ciente del pozo causa la erosión de cono

Remedio:Reducir el peso sobre la broca (WOB)Escoger brocas para formaciones blandas con mayor extensión de los insertosEvaluar el rendimiento del compresor y el diámetro de las barras y ver si la broca tiene las boquillas apropiadas

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Foto 27

Capítulo 5 � Análisis de una broca desgastada

27

CÓMO PERFORA LA ROCA UNA BROCA TRICÓNICA

Velocidad de penetración:La Þ gura 16 ilustra el efecto que tiene el WOB (peso sobre la broca) en el ROP (velocidad de penetración) mientras se ajustan las RPM (revoluciones por minuto). Una vez que la roca se ha cortado (punto A), el peso adicional reducirá la velocidad de perforación.

Fase Abrasiva de la Fractura de la Roca:La Þ gura 17 ilustra la primera fase de corte de la roca. Como el peso sobre la broca (WOB) no es suÞ ciente para superar la resistencia de la superÞ cie de la roca, los insertos desgastan la roca antes que cortarla. La acción de corte es muy parecida al que haría una hoja de un cuchillo en una piedra de aÞ lar. El operador de la perforadora puede identiÞ car fácilmente esta fase porque el polvo que sale del pozo es muy Þ no.

Figura 17

Capítulo 6 � Cómo perfora la roca una broca tricónica

En este capítulo se describen los principios básicos de perforación con broca tricónica.

Figura 16

VELO

CID

AD

DE

PEN

ETR

AC

IÓN

AUMENTO DE PESO EN LA BROCA

EFICIENCIA MÁXIMADE CORTE

EFICIENCIA MÍNIMADE CORTE

A

28

Fase de Fatiga de la Fractura de la Roca:En la Þ gura 18, el peso sobre la broca (WOB) se ha aumentado mientras se mantiene el mismo número de revoluciones por minuto (RPM), como en el ejemplo anterior. Como se puede ver, al aumentar el WOB los insertos penetran ligeramente en la roca. Aunque los insertos penetran en la roca, la roca todavía no cede. Esta etapa se llama fase de fatiga. El operador de la perforadora reconoce esta fase porque el corte produce algunas astillas pequeñas junto con polvo Þ no. La roca esta sometida a muchos ciclos, y puede ceder en esta fase. A pesar de ello, el ROP será muy lento y el desgaste de la broca aumentará.

Figura 18

Fase de Astillamiento de la Fractura de la Roca: En esta fase, mientras las RPM permanecen constantes, se aplica suÞ ciente peso WOB para superar la resistencia de la superÞ cie. Como se ve en la Figura 19, la matriz del cono no choca con la roca.

Figura 19

Capítulo 6 � Cómo perfora la roca una broca tricónica

29

Fractura de la roca / Fase de astillamiento: En esta ilustración (Figura 20) de la fase de astillamiento se aprecia el nivel de peso WOB que genera descascaramiento o astillamiento. Las astillas (detritus) salen del pozo impulsadas por el ß uido circulante, permitiendo que la estructura cortante avance sobre un fondo limpio del pozo. Cuando los parámetros de perforación logran que la broca opere en esta zona, la broca perfora con un máximo de eÞ ciencia. El operador de la perforadora sabrá cuando ha llegado a la fase de astillamiento, cuando la perforación saque predominantemente astillas (detritus) y muy poco polvo.

Figura 20

¿Más es mejor? Exceso de peso:La adición de más peso sobre la broca después de la fase de astillamiento, es perjudicial para la perforación eÞ ciente y para la vida útil de la broca. Como se ve en la Figura 21, la matriz del cono choca con la roca y las astillas desprendidas quedan atrapadas entre la broca y el fondo del pozo, reduciendo la eÞ ciencia de la broca y aumentando su desgaste.

Figura 21

Cómo perfora la roca una broca tricónica

30

Cómo obtener la máxima penetración:Cuando la broca perfora en la fase de astillamiento, se pueden alcanzar velocidades más altas de penetración (perforación eÞ ciente) aumentando las RPM mientras se mantiene constante el peso (WOB). El aumento de eÞ ciencia depende de las características de la roca y la eÞ ciencia de la perforadora y del operador.

Como indica la curva en la Figura 22, si las RPM se aumentan por encima de un punto determinado se disminuye la eÞ cacia.

Este fenómeno se debe a que los Insertos no se mantienen el tiempo suÞ ciente en el fondo del pozo para transferir con eÞ cacia la energía a la roca.

Resumen:Como acabamos de ver, una vez que se alcanza el peso necesario para el astillamiento, aumentando la velocidad de rotación mejora la velocidad de penetración.

Así, la productividad ideal de la perforación y la vida útil de la broca se determinan Þ jando el WOB de astillamiento, subiendo después las RPM a un nivel que aumente al máximo la velocidad de penetración.

Nota: Todo lo que acabamos de explicar es aplicado con rocas quebradizas. Las características mecánicas de rocas muy elásticas podrían dar unos resultados más parecidos a la ilustración de la fase de fatiga (Figura 18) en lugar de la de astillamiento (Figura 19).

Figura 22

Capítulo 6 � Cómo perfora la roca una broca tricónica

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VELO

CID

AD

DE

PEN

ETR

AC

IÓN

R.P.M.

VELOCIDAD MÁXIMADE PENETRACIÓN

0

31

CAMBIO DE BOQUILLAS(Dos Sistemas de Rentención de la Boquilla)

UTILICE SIEMPRE LENTES DE SEGURIDADCAMBIE SIEMPRE LAS TRES BOQUILLAS A LA VEZ

Cuando haya que cambiar las boquillas de las brocas, siga el siguiente procedimiento.

Método de cambio del pasador tipo resorte:

Limpie la zona aledaña al pasador y a las boquillas.Extraiga el pasador con un punzón de 5 mm.

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Extraiga la boquilla.�

VeriÞ que que el oriÞ cio de aloja-miento de la boquilla está limpio.Coloque la boquilla en su sitio comprobando que la ranura en la boquilla está alineada con el oriÞ cio de conexión.

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Vuelva a colocar el pasador con el martillo, veriÞ cando que la cabeza del pasador este al nivel de la superÞ cie de la broca.

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Figura 23 Figura 24

Figura 25 Figura 26

Capítulo 7 � Cambio de boquillas

32

Cambio de Boquillas Þ jadas con clavo:

Extraiga el clavo sujetador con un martillo o los alicates especiales para sacar boquillas.

� Saque la boquilla con un destornillador.

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Coloque la boquilla en su sitio y alinee la ranura con el agujero del clavo.

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Figura 27 Figura 28

Figura 29 Figura 30

Figura 31 Figura 32Coloque y clave el clavo sujetador con el martillo.

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Nota: El lado cóncavo de la boquilla se inserta en la broca

Capítulo 7 � Cambio de boquillas

Vista lateral de la boquilla

33

CONSEJOS PRÁCTICOS PARA PERFORAR

1. (Figura 33) Escoja los tamaños adecuados de boquilla. VeriÞ que que en la broca se mantiene el mínimo de presión de aire recomendado (30 psi, 2.1 bar).

4. (Figuras 36 and 37) Accione el aire para el barrido antes que la broca comience a perforar, y continúe con el aire hasta que la broca este fuera del pozo durante al menos 10 segundos (Figura 38). Esto garantizará que los rodamientos queden limpios y evitará el bloqueo del conducto de refrigeración y el atascamiento de los rodillos. VeriÞ que que pase aire por los tres conos.

2. (Figura 34) Compruebe que no haya materiales extraños en la broca y que ninguno de los conductos de aire este bloqueado. VeriÞ que también que todos los rodillos giran.

3. (Figura 35) Aplique una capa Þ na de grasa de calidad alrededor y cubra bien los hombros de la broca y las barras de perforación para evitar el desgaste. Tenga cuidado para no dañar los hilos cuando acople la broca tricónica al adaptador o estabilizador.

5. Revise que la columna de perforación esta recta (alineada). Los tubos rectos son indispensables para obtener buenos resultados.

6. Cuando use una broca nueva, perfore el primer pozo con poco peso y rotación reducida. (Figura 39).

7. Aplique siempre poco peso sobre la broca y una baja velocidad de la rotación al perforar el collar de un pozo nuevo.

Capítulo 8 � Consejos prácticos para perforar

Figura 33

Figura 36Figura 37

Figura 34

Figura 38

Figura 35

Figura 39

> 10 segundos

34

8. Aplique siempre movimiento de rotación a la broca cuando entre y salga del pozo.

9. Emplee siempre una cantidad mínima de agua para reducir el polvo.

10. (Figuras 40 and 41) Utilice siempre una broca usada para limpiar un pozo derrumbado.

11. Para evitar problemas con los rodamientos, utilice siempre la máxima presión y caudal de aire posible en pozos que contengan mucha agua.

12. Para evitar que entren agua y lodo en la columna de perforación y en el estabilizador, use una válvula de contraß ujo.

Capítulo 8 � Consejos prácticos para perforar

Figura 40

Figura 41

Figura 42

35

13. (Figura 43) Inspeccione la broca después de perforar. Todos los rodillos deben girar. Si la temperatura del cono es irregular después de perforar, es señal de que un conducto de aire esta bloqueado.

14. Las brocas que se van a volver a usar se deben limpiar con un chorro de aire (Figura 38) hasta que los rodillos giren sin trabas, y luego se deben lubricar con aceite limpio (Figura 44).

16. Guarde las brocas en lugar protegido del polvo.

15. Calcule la penetración de los insertos (en mm o pulgadas/revolución) (Figura 45). Si penetra menos o más del 90% del inserto en la roca, se puede ajustar el peso sobre la broca de acuerdo a la necesidad. (Si a la broca se le han quebrado insertos o el incremento de peso resulta en rotura de insertos, no agregue más peso.) Una vez ajustado el peso en la broca, revise los parámetros de RPM según se explicó en la sección �Cómo perfora la roca una broca tricónica� (páginas 27 - 30).

Consejos prácticos para perforar

VeriÞ cación de la temperatura del cono

Figura 43Figura 45

Figura 44

Figura 46

36

Rodamiento de rodilloenfriado con aire

Rodamiento derodillo estandar

IADCxx2

or xx3

IADCxx1

or xx3

Rod

amie

ntos

Abl

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os S

ella

dos

Rodamiento derodillo sellado

Rodamiento de rodillofricción sellado

IADCxx6

or xx7

IADCxx4

or xx5

Anexo A - IADC

Figura 47

( )

37

Anexo B � Tarjeta de Registro de Brocas y Grado de Desgaste de una Broca

)

38

Anexo B � Tarjeta de Registro de Brocas y Grado de Desgaste de una Broca

Figura 48:Grados de desgaste

Figura 49:IdentiÞ cación de conos e hileras

Una broca tricónica tiene 3 conos (Figura 49). Cada uno tiene hileras de insertos que se deÞ nen como A, B, C, etc. La A es la más próxima al centro del pozo; La B es la que va inmediatamente después, y así sucesivamente. En general se puede identiÞ car el cono 1 identiÞ cando las Þ las B en los tres conos. El cono con la hilera B más próxima al centro del pozo es el cono 1.

El sistema de designación del grado de desgaste de los insertos (TCI) en el la Figura 48 ilustra gráÞ camente el estándar de designación utilizado en la industria.

GRADO DE DESGASTE DE UNA BROCA

39

PROFUNDIDAD Pies Metros 0.3048

Metros Pies 3.2808

Pulgadas Milímetros 25.4

Milímetros Pulgadas 0.0394

PESO SOBRE LA BROCA Libras Decanewtons 0.4448

Decanewtons Libras 2.2481

Libras Toneladas (métricas) 0.0004536

Tonelada libras 2205

Libras Kilogramos 0.4536

Kilogramos Libras 2.205

TAMAÑO DE BOQUILLA 1/32 de Pulgada Milímetros 0.7938

Milímetros 1/32 de Pulgada 1.2598

VOLUMEN Barriles Metros cúbicos 0.1590

Metros cúbicos Barriles 6.290

Galones de EEUU Metros cúbicos 0.003785

Metros cúbicos Galones de EEUU 264.2

Galones de EEUU Litros 3.7854

Litros Galones de EEUU 0.2642

TASA DE CIRCULACIÓN Barriles/min Galones/min 42

Galones/min Barriles/min 0.02381

Galones/min Litros/min 3.7854

Litros/min Galones/min 0.2642

VELOCIDAD ANULAR Pies/min Metros/min 0.3048

Metros/min Pies/min 3.2808

PRESIÓN psi kilopascals 6.8947

kilopascals psi 0.14504

psi megapascals 0.006895

megapascals psi 145.038

psi atm 0.06804

atm psi 14.696

psi bars 0.06895

bars psi 14.5038

psi kilogram/sq cm 0.07031

Kilogramos/cuadrados cm psi 14.2233

PESO DE LODO (densidad) Libra/galón Kilogramo/metro cúbico 119.829

Kilogramo/metro cúbico Libra/galón 0.008345

Libra/galón Gravedad especíÞ ca 0.119829

Gravedad especíÞ ca Libra/galón 8.3452

Libra/galón psi/1000 ft. 51.948

psi/1000 ft. Libra/galón 0.01923

TORQUE Libras pie Metros newton 1.3558

Metros newton Libras pie 0.7376

ÁREA Pulgadas cuadradas Milímetros cuadradas 645.16

Milímetros cuadradas Pulgadas cuadradas 0.00155

A convertir A multiplicar por

Anexo C � Tabla de Conversión TABLA DE CONVERSIÓN

40

DeÞ niciones: PSI: Libras por pulgada cuadradaPSIG: Libras por pulgada cuadrada en el manómetro. PSIA: Libras por pulgada cuadrada absoluta. Ésta es la presión manométrica más la presión atmosférica. Por ejemplo, si el manómetro al nivel del mar indica 100 psi, y la presión atmosférica es 14,6, el PSIA es igual a 114,6. ACFM: Cantidad real de aire en pies cúbicos por minuto. Es la medida en la entrada en condiciones ambientales. Los cambios en la humedad, presión y temperatura no afectan estos valores. La ACFM es una medición volumétrica, independiente del peso. SCFM: Cantidad estándar de aire en pies cúbicos por minuto. Los compresores de aire se miden en SCFM.

NOTA:

El aire estándar varía en volumen si las condiciones ambientales son diferentes a aquellas en que se midió. Es decir, que la masa es constante en cualquier circunstancia, mientras que el volumen varía. Por eso, el SCFM es una medida de peso, no de volumen, y siempre es 0,075 libras.

Las deÞ niciones del SCFM varían. Por ejemplo, la norma adaptada el ASME (Sociedad Norteamericana de Ingenieros Mecánicos) es: 68° F (20° C) a 14,7 PSIA y una humedad relativa del 36%. Por su parte, el Instituto de Aire Comprimido y Gas y el PNEUROP han adoptado la norma ISO que es 68° F (20° C), a 14,5 PSIA (presión absoluta en libras por pulgada cuadrada) y 0% humedad.

La formula de la velocidad de barrido que se encuentra en la página 16 y usada en el anexo, en la página 42, es un estándar en la industria, y es una aproximación ya que no considera la humedad y los efectos que la altura tiene en la reducción de la fricción y en la fuerza de gravedad.

Aire comprimido Los compresores son medidos en caudales. Su capacidad se mide según la cantidad de pies (o metros) cúbicos del ß uido (aire) por minuto que pasa por la entrada del compresor.

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Efecto de las Condiciones Atmosféricas

La presión atmosférica de una columna de una pulgada de aire (que se extiende desde el nivel del mar a la cima de la troposfera) es mayor al nivel del mar que a 10.000 pies sobre el nivel del mar, porque hay 10.000 pies más de volumen de aire apilados encima. Esto hace que el aire a nivel del mar sea más denso (más moléculas por el volumen equivalente) que a 10.000 pies.

Como se ve en la Figura 51, el aire al nivel del mar tiene un peso de masa superior. Para calcular lo que pasa con el volumen cuando se mantiene un peso constante en dos alturas diferentes se emplea la siguiente fórmula del gas ideal:

P x V = R x T Donde: P = Presión V = Volumen R = Constant de los Gases T = Temperatura

Es esencial saber el ACFM que un SCFM dado entregará en condiciones ambiente. La siguiente fórmula sirve para convertir SCFM a ACFM:

acfm = scfm x x

Donde:Ps = Presión normal, psia (CAGI & ISO usa

14,5 psia y ASME usa 14,7 psia)Pa = Presión atmosférica, psia ppm = Presión parcial de humedad a la

temperatura atmosférica RH = Humedad relativaTa = Temperatura atmosférica, FTs = Temperatura estándar, F (CAGI y

ISO usa 68o F, ASME usa 68o F) (CAGI y la norma ISO está a cero RH y

ASME usa 36 RH)

Nivel del marW = 0.075 lbs

10,000 piesW = 0.056 lbs

1 pie

1 pie

1 pie

1 pie

1 pie

1 pie

Anexo D � Aire Comprimido

Figura 51

(AD-1)

(AD-2)1 pie

1 pie

1 pieFigura 50

AIRE COMPRIMIDO

Ps (Ta + 460)[Pa - (ppm x RH)] (Ts + 460)

41

Además, la densidad molecular cambia con la altitud. La Figura 53 ilustra las diferencias en la densidad molecular entre el nivel del mar y 10.000 pies sobre el nivel del mar. Como el aire es menos denso (tiene menos moléculas) a 10.000 pies, habrá menos PSIG y PSIA. En consecuencia, hace falta más CFM para generar la misma presión que en condiciones normales.

Adicionando, una temperatura ambiente diferente a la temperatura en condiciones normales altera la densidad del aire y su capacidad para retener el agua (humedad). Esto se debe a que el aire frío es más denso que el caliente y no puede por tanto retener tanta agua.

El efecto acumulado del cambio de presión causado por la altitud y la temperatura resulta en una proporción de compresión diferente que en condiciones normales. Debido a estas variables, use los factores de conversión para determinar el ACFM que produce un SCFM de aire en condiciones ambiente. Por contrapartida, utilice los factores de conversión para convertir el ACFM a SCFM a Þ n de comparar el SCFM corregido con el SCFM calculado (ver las tablas D1 y D2 al Þ nal de esta sección).

¿Cómo afecta la altitud al funcionamiento del compresor y de la broca? Empecemos por el ACFM. Como dijimos, la presión ambiente disminuye a medida que aumenta la altitud, ocasionando un aumento en la proporción de presión en el compresor. En los siguientes ejemplos, vamos a usar 1000 CFM a 100 PSI para el SCFM. La proporción de comprensión en condiciones normales sería:

7.80:1 ((14.7+100)/14.7)

Si se reubica el compresor a 10.000 pies sobre el nivel del mar y las demás condiciones normales se mantienen constantes, la presión atmosférica, sería 10,1 que es muy diferente a 14,7. La proporción resultante de compresión sería:

10.9:1 ((10.1+100)/10.1)

La alta proporción de presión resulta en una pérdida de capacidad de compresión en la entrada, y al momento de re-expandirse el aire. Esto produce una reducción ligera en la eÞ ciencia volumétrica que es preciso corregir.

Es importante corregir la altura y temperatura del SCFM cuando no son los mismos que en las condiciones normales. Como la densidad del aire que entra se reduce con la altitud, la cantidad de �presión� generada por el compresor se reduce en proporción. No solo eso; la temperatura del aire afecta a la cantidad de �presión� generada, porque ésta afecta también a la densidad del aire que entra, además de la cantidad de humedad que puede retener el aire. Como los cambios en la altitud y la temperatura afectan el PSIG, la capacidad de enfriamiento de los rodamientos y barrido del pozo será inferior que en condiciones normales. Reducciones de presión en la broca pueden llegar a disminuir la vida útil de los rodamientos (en las brocas de rodamiento enfriadas por el aire), y reducir la capacidad de limpieza, ensuciando el pozo, lo que puede dar a lugar a bajos velocidades de penetración, menor vida útil de la broca y mayor desgaste de la columna de perforación. Por esto, conviene tener en cuenta estos factores al determinar qué compresores emplear con las perforadoras.

En resumen, toda alteración de la presión del ambiente, la temperatura y la humedad afecta el rendimiento del compresor en cuanto a ACFM y SCFM. La tabla de factores de corrección de la página siguiente sirve de guía.

Instrucciones:

1. Determine la altitud y las condiciones ambientales típicas en que funcionará el compresor. (Es mejor prevenir las peores condiciones, temperaturas y altitudes ambiente máximas y humedad máxima.)

2. Encuentre los 1.000 pies más cercanos y baje por la columna hasta que se coincida con la línea que indica la temperatura del ambiente típica más próxima.

3. Multiplique el SCFM por el factor de corrección para obtener el ACFM adecuado a las condiciones dadas.

Anexo D � Aire comprimido

100 pies3 @ nivel del mar

131 pies3 @ 10.000 pies sobre el nivel del mar

1 pie 1 pie

1 pie

1 pie

1 pie

1 pieNivel del mar 10,000 pies

No está a escala Figura 52

Figura 53No está a escala

(AD-3)

(AD-4)

Un balón que contiene 100 pies3 al nivel del mar aumentaría a 131 pies3 a 10.000 pies como se ve en la Figura 52.

42

Factores de CorecciónPara altitud y temperatura ambiente

Temperatura Pies / MetrosC F 0 / 0 1000 /

304.82000 / 609.6

3000 / 914.4

4000 / 1219.2

5000 / 1524

6000 / 1828.8

7000 / 2133.6

8000 / 2438.4

9000 / 2743.2

10000 / 3048

11000 / 3352.8

12000 / 3657.6

13000 / 3962.4

14000 / 4267.2

15000 / 4572

-40 -40 .805 .835 .866 .898 .932 .968 1.004 1.043 1.084 1.127 1.170 1.217 1.266 1.317 1.371 1.426-37.2 -35 .815 .845 .876 .909 .944 .980 1.016 1.056 1.097 1.141 1.184 1.232 1.282 1.333 1.387 1.443-34.5 -30 .824 .855 .886 .920 .954 .991 1.028 1.068 1.110 1.154 1.198 1.246 1.297 1.349 1.403 1.460-31.7 -25 .834 .865 .897 .931 .965 1.003 1.040 1.080 1.123 1.167 1.212 1.261 1.312 1.365 1.420 1.477-28.9 -20 .844 .875 .907 .941 .976 1.014 1.052 1.092 1.136 1.180 1.226 1.275 1.327 1.380 1.436 1.494-26.1 -15 .854 .885 .918 .952 .988 1.026 1.064 1.105 1.149 1.194 1.240 1.290 1.342 1.396 1.453 1.511-23.3 -10 .863 .895 .928 .962 .999 1.037 1.076 1.117 1.161 1.207 1.254 1.304 1.357 1.411 1.469 1.528-20.5 -5 .873 .905 .938 .973 1.010 1.049 1.088 1.130 1.174 1.221 1.268 1.319 1.372 1.427 1.485 1.545-18.3 0 .882 .915 .948 .984 1.021 1.060 1.100 1.142 1.187 1.234 1.282 1.333 1.387 1.443 1.501 1.562-15 5 .892 .925 .959 .995 1.032 1.072 1.112 1.155 1.200 1.248 1.296 1.348 1.402 1.459 1.518 1.579

-12.2 10 .901 .935 .969 1.005 1.043 1.083 1.123 1.167 1.213 1.261 1.310 1.362 1.417 1.474 1.534 1.596-9.4 15 .911 .945 .980 1.016 1.054 1.095 1.135 1.180 1.226 1.275 1.324 1.377 1.432 1.490 1.550 1.613-6.6 20 .920 .954 .990 1.026 1.065 1.106 1.147 1.192 1.239 1.288 1.338 1.391 1.447 1.506 1.566 1.630-3.9 25 .930 .964 1.000 1.037 1.076 1.118 1.159 1.205 1.252 1.302 1.352 1.406 1.463 1.522 1.583 1.647-1.1 30 .939 .974 1.010 1.048 1.087 1.129 1.171 1.217 1.265 1.315 1.365 1.420 1.478 1.537 1.599 1.6641.7 35 .949 .984 1.021 1.059 1.009 1.141 1.183 1.229 1.278 1.328 1.379 1.435 1.493 1.553 1.616 1.6814.5 40 .959 .994 1.031 1.069 1.110 1.152 1.195 1.241 1.290 1.341 1.393 1.449 1.508 1.568 1.632 1.6987.2 45 .969 1.004 1.041 1.080 1.121 1.164 1.207 1.254 1.303 1.355 1.407 1.464 1.523 1.584 1.648 1.71510 50 .978 1.014 1.051 1.091 1.132 1.175 1.219 1.266 1.316 1.368 1.421 1.478 1.538 1.600 1.664 1.732

12.8 55 .988 1.024 1.062 1.102 1.143 1.187 1.231 1.279 1.329 1.382 1.435 1.493 1.553 1.616 1.681 1.74915.5 60 .997 1.034 1.072 1.112 1.154 1.198 1.243 1.291 1.342 1.395 1.449 1.507 1.568 1.631 1.697 1.76618.3 65 1.007 1.044 1.083 1.123 1.165 1.210 1.255 1.304 1.355 1.409 1.463 1.522 1.583 1.647 1.714 1.78321.1 70 1.016 1.054 1.093 1.133 1.176 1.221 1.267 1.316 1.368 1.422 1.477 1.536 1.598 1.662 1.730 1.80023.9 75 1.026 1.064 1.103 1.144 1.187 1.233 1.279 1.329 1.381 1.436 1.491 1.551 1.613 1.678 1.746 1.81726.7 80 1.035 1.074 1.113 1.155 1.198 1.244 1.291 1.341 1.394 1.449 1.505 1.565 1.628 1.694 1.762 1.83429.5 85 1.045 1.084 1.124 1.166 1.210 1.256 1.303 1.353 1.407 1.462 1.519 1.580 1.643 1.710 1.779 1.85132.2 90 1.055 1.094 1.134 1.176 1.221 1.267 1.315 1.365 1.419 1.475 1.533 1.594 1.658 1.725 1.795 1.86835 95 1.065 1.104 1.144 1.187 1.232 1.279 1.327 1.378 1.432 1.489 1.547 1.609 1.674 1.741 1.812 1.885

37.8 100 1.074 1.114 1.154 1.198 1.243 1.290 1.339 1.390 1.445 1.502 1.560 1.623 1.689 1.756 1.828 1.90240.6 105 1.084 1.124 1.165 1.209 1.254 1.302 1.351 1.403 1.458 1.516 1.574 1.638 1.704 1.770 1.844 1.91943.3 110 1.093 1.137 1.175 1.219 1.265 1.313 1.363 1.415 1.471 1.529 1.588 1.652 1.719 1.783 1.860 1.93646.1 115 1.103 1.143 1.186 1.230 1.276 1.325 1.375 1.428 1.484 1.543 1.602 1.667 1.734 1.797 1.876 1.95348.9 120 1.112 1.153 1.196 1.240 1.287 1.336 1.386 1.440 1.497 1.556 1.615 1.681 1.749 1.810 1.892 1.970

Descarga de aire a través de un OriÞ cio a 100psi

Presión en

manó-metro antes del

oriÞ cio en psi

Diámetero del OriÞ cio

1/64 1/32 3/64 1/16 3/32 1/8 3/16 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8 1 1 1/8 1 1/4 1 3/8 1 1/2 1 3/4 2

Descarga en pies cúbicos de aire libre por minuto

2 .04 .158 .356 .633 1.43 2.53 5.7 10.1 22.8 40.5 63.3 91.2 124 162 205 253 307 364 496 648

5 .062 .248 .568 .993 2.23 3.97 8.93 15.9 35.7 63.5 99.3 143 195 254 321 397 482 572 780 1015

10 .077 .311 .712 1.24 2.8 4.98 11.2 19.9 44.7 79.6 124.5 179.2 244.2 318.2 402.5 498 604 716 972 1274

15 .105 .42 .944 1.68 3.78 6.72 15.2 26.9 60.5 108 168 242 329 430 544 672 816 968 1318 1720

20 .123 .491 1.1 1.96 4.41 7.86 17.65 31.4 70.7 126 196 283 385 503 637 784 954 1132 1540 2120

25 .14 .562 1.26 2.25 5.05 8.98 20.2 35.9 80.9 144 225 323 440 575 727 900 1091 1293 1760 2300

30 .158 .633 1.42 2.53 5.69 10.1 22.8 40.5 91.1 162 253 365 496 648 820 1019 1230 1460 1985 2594

35 .176 .703 1.58 2.81 6.31 11.3 25.2 45 101 180 281 405 551 720 910 1124 1367 1620 2205 2880

40 .194 .774 1.75 3.1 7 12.4 28 49.6 112 198 310 446 607 793 1004 1240 1505 1783 2429 3173

45 .211 .845 1.91 3.38 7.63 13.5 30.5 54.1 122 216 338 487 662 865 1094 1352 1643 1946 2650 3460

50 .229 .916 2.06 3.66 8.25 14.7 33 58.6 132 235 366 528 718 938 1187 1464 1780 2112 2875 3752

60 .267 1.06 2.38 4.23 9.50 16.9 38 67.6 152 271 423 609 828 1082 1370 1693 2054 2335 3310 4330

70 .3 1.2 2.7 4.79 10.8 19.2 43.2 76.7 173 307 479 690 939 1227 1552 1917 2330 2760 3755 4915

80 .335 1.34 3 5.36 12 21.4 48.3 85.7 193 343 536 771 1050 1371 1734 2144 2607 3081 4200 5480

90 .37 1.48 3.33 5.92 13.3 23.7 53.2 94.8 213 379 592 853 1162 1516 1918 2370 2880 3412 4643 6070

100 .406 1.62 3.66 6.49 14.6 26 58.5 104 234 415 649 934 1272 1661 2101 2596 3153 3734 5085 6650

125 .494 1.98 4.44 7.9 17.8 31.6 71 126 284 506 790 1138 1549 2023 2560 3160 3840 4550 6195 8100

150 .583 2.32 5.25 9.31 20.9 37.3 84 149.3 336 596 932 1340 1825 2385 3020 3725 4525 5360 7300 9540

En el ejemplo de la página 16, determinamos que la mina necesitaba 1430 CFM (40 m3/min) para lograr una velocidad de barrido (BV) de 7.000 pies/min. ¿Cuánto aire se necesitará para realizar esta perforación a 10.000 pies sobre el nivel del mar con una temperatura media de 60° F? La respuesta esta calculada a continuación: 1430 x 1,449 = 2.072 ACFM.

Anexo D � Aire ComprimidoTabla D1

Tabla D2

43

Composición de TorqueTamaño de la broca Conexión Torque recomendado

(Pulgadas) (Millímetros) (Pulgadas) (Millímetros) pies - libras N-m

03 3/4� - 04 1/2� 95 - 114 02 3/8 Reg 60 3000 - 3500 4000 - 4800

04 5/8� - 05 1/2� 117 - 139 02 7/8 Reg 73 6000 - 7000 8000 - 9500

05 5/8� - 07 3/8� 143 - 187 03 1/2 Reg 89 7000 - 9000 9500 - 12000

07 7/8� - 09� 200 - 229 04 1/2 Reg 114 12000 - 16000 16000 - 22000

09 7/8� - 13 3/4� 251 - 349 06 5/8 Reg 168 28000 - 32000 38000 - 43000

15� - 17 1/2� 381 - 444 07 5/8 Reg 194 40000 - 60000 54000 - 81000

Anexo E - El torque de rotación

Notas:________________________________________________________________________________________________________

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Anexo F - Consejos de un experto en perforación

1. Monte y saque siempre la broca con cuidado. 2. Emplee una grasa de buena calidad y cuide

adecuadamente las conexiones. 3. Mantenga siempre una presión de 30 a 35 psi en los

conductos de aire de las brocas. 4. Para iniciar un nuevo pozo, reduzca el peso sobre la

broca y la rotación. 5. Abra siempre las válvulas de aire antes de que la broca

empiece a perforar el pozo y mantenga el ß ujo de aire hasta que la broca haya salido del pozo.

6. Cuando se interrumpa la perforación, reinicie en el fondo del pozo reduciendo el peso sobre la broca y la rotación.

7. Nunca termine un pozo viejo con una broca nueva. Ello puede apretar los conos, dañando los rodamientos y los insertos.

8. Prepare (asiente) las brocas nuevas perforando con un peso y rotación reducidos durante lapso de tiempo breve.

9. Evite que se caiga la broca y las barras. 10. Revise de vez en cuando la broca para veriÞ car que la

temperatura de los conos es uniforme.

11. Mantenga siempre la presión del aire en los niveles apropiados.

12. La velocidad de rotación se debe disminuir en proporción al aumento de peso sobre la broca.

13. No utilice más agua de lo necesario para controlar el polvo y mantener las paredes del pozo.

14. Mantenga la rotación al entrar o salir de un pozo. 15. Una estabilización próxima a la broca, centralizadores

y amortiguadores pueden prolongar la vida útil de la broca.

16. Limpie siempre las brocas que hayan estado por un tiempo sin usarse haciendo pasar aire a través de la broca y mientras que gira los conos manualmente. Una capa delgada de aceite evita que se oxide mientras no se usa.

17. Antes de usar una broca que no se ha usado por un tiempo, compruebe manualmente que todos los conos giran bien.

18. Las barras dobladas reducen la vida útil de la broca. 19. Siga los procedimientos de rodaje (asentamiento)

recomendados por el fabricante.

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Brocas Tricónicas en la Minería de Superfi cieManual del Usuario