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Manual de perforacion

2. 1.- La Roca y el Proceso de Perforación
1.1 Clasificación de roca basada en su origen.
a) Roca ígnea
b) Roca sedimentaria
c) Roca metamórfica
1.2 Propiedades de la roca que afectan el proceso de perforación.
a) Dureza
b) Abrasividad
c) Estructura y textura
d) Drilling Rate Index DRI
2.- Métodos de perforación.
a) Corte rotativo
b) Desgaste rotativo
c) Trituración rotativo
d) Perforación por percusión
- Perforación Top Hammer
- Perforación DTH
3.- Eficiencia de Perforación
4.- Transmisión de Energía.
5.- Sistema de afilado.
6.- Costo de Aceros de perforación y rendimientos aproximados.
Objetivos
.
• Alcanzar una comprensión básica sobre la clasificación
de rocas basada en su origen.
• Comprender el efecto que, diferentes propiedades de las
rocas tienen sobre el proceso de perforación.
• Comprender el índice DRI y su derivación.
• Conocer los 4 principios básicos de perforación y sus
aplicaciones
la razón de penetración de la broca en
Perforabilidad
• La perforabilidad se define como
el material rocoso.
• Las características de la roca están
determinadas principalmente por su
origen, formación y composición mineral.
Manual de perforación de brocas

3. 1.- La roca y el proceso de perforación
1.1 CLASIFICACIÓN DE ROCA BASADA EN SU ORIGEN.
• La corteza terrestre consiste de una variedad de tipos de roca.
• Un tipo de roca dado consiste de uno o varios minerales.
• Un mineral consiste de uno o varios elementos.
• La tierra está en un estado de flujo donde tanto las rocas como los minerales
Ciclo del tipo de roca
están en un constante proceso de transformación.

4. Clasificación de roca
a.- Roca Ígnea.
• La roca ígnea se forma cuando el magma se solidifica.

> La roca plutónica se solidifica muy profundo y tiene

granulometría gruesa

> La roca en dique se solidifica en su camino hacia la

superficie.

> La roca volcánica se solidifica en la superficie y tiene una

granulometría fina.
• Al rededor del 95% de la corteza terrestre está hecha de roca ígnea
• Dependiendo de la profundidad a la que la roca se solidifica se le da diferentes nombres,
aun cuando su composición sea la misma.
• La roca ígnea se clasifica de acuerdo a su contenido de silicio (SiO2).
• Mientras mayor el contenido de silicio mayor será la cantidad de cuarzo en la roca.

> Grano fino si solidifica cerca de la superficie (Basalto,

andesita).
profundas(Granito, Gabro).

> Grano grueso, la solidificación se produce en zonas

GRANITO BASALTO DIORITA
CONTENIDO PLUTONICA DIQUES VOLCANICA
de SiO2
BASICA Gabro Diabasa Basalto
<52%
52%-65% Diorita Porfirita Andesita
ACIDA Granito Porfido de Riolita
>65% cuarzo

5. Clasificación de roca
meteorización, erosión y deposición.
• Algunas rocas sedimentarias son:

>Caliza
>Arenisca

>Dolomita
>Yeso
• Al rededor del 75% de la superficie de la tierra está cubierta de roca
sedimentaria.

>Meteorización, erosión del material rocoso y deposición en
océanos y lagos (Caliza, arenisca, yeso, dolomita).
CALIZA PIZARRA ARENISCA
Los procesos mediante los cuales se genera la roca sedimentaria incluyen

b.- Roca Sedimentaria

6. Clasificación de roca
.
•Las rocas metamórficas son aquellas que, originalmente eran sedimentarias, ígneas o
c.- Roca Metamórfica
metamórficas que, por influencia de la presión y/o temperatura han cambiado de forma.

>La presión hace que cambie la forma estructural de la roca.
>La temperatura hace que cambie la mineralogía de la roca.
>Transformadas por efecto de la presión y/o la temperatura
(Gneis, mármol, cuarcita).
GNEIS (FOLIADA) ANFIBOLITA CUARCITA
ROCA ORIGEN
METAMORFICA
ANFIBOLITA DIABASA, BASALTO
GNEIS (FOLIADA) GRANITO
MARMOL CALIZA
CUARCITA ARENISCA

7. 1.2 Propiedades técnicas del material rocoso.
• Algunas importantes propiedades del material rocoso, que
tienen efecto sobre la perforabilidad, son:

> Dureza

> Abrasividad

> Textura

> Estructura

>Características de quebrado
a) Dureza.
Es la resistencia de una capa superficial a la penetración en ella
de otro cuerpo más duro. En una roca es función de la dureza
y composición de los granos minerales constituyentes, de la
porosidad de la roca, del grado de humedad, etc.
Las rocas se clasifican en cuanto a su dureza por medio de la
escala de Mohs, en la que se valora la posibilidad de que un
mineral pueda rayar a todos los que tienen un número inferior
al suyo.
CLASIFICACION DUREZA RESISTENCIA A LA
MOHS COMPRESION (MPA)
Muy Dura +7 +200
Dura 6-7 120-200
Medio Dura 4-5-6 60-120
Medio Blanda 3-4-5 30-60
Blanda 2-3 10-30
Muy Blanda 1-2 -10
MINERAL ESCALA DE MOH VHN
Diamante 10 4500
Corindòn 9 2300
Topacio 8 1680
Cuarzo 7 1060
Feldespato 6 730
Apatito 5 520
Fluorita 4 265
Calcita 3 125
Yeso 2 50
Talco 1 20
Carburo cementado 6.5
Propiedades tecnicas de la roca
vhn: (Numero de dureza Vickers)

8. b) Abrasividad.
• La abrasividad es un parámetro que influye en el tiempo de desgaste de la broca.
• Depende de la composición mineral de la roca.
• El contenido de cuarzo (SiO2) es usualmente un indicador confiable del desgaste de la
broca.
• La textura se refiere a la estructura de los granos de los minerales constituyentes de ésta
c) Textura y Estructura
que influye en la velocidad de perforación (rendimiento de la perforación).

>Tamaño de grano
>Porosidad
>Densidad
• Algunas de las propiedades estructurales que influyen en la desviación de la perforación
y estabilidad de las paredes del taladro son:
>Fallas
>Joints (geoda)
>Bedding planes (diaclazas)
TIPO DE ROCA CONTENIDO DE

CUARZO (%)
ANFIBOLITA 0-5
CALIZA

0-5
MICA 0-35
PEGMATITE 15-30
GRANITO 20-35
GNEIS 15-50
ARENISCA 25-90
CUARCITA 60-100
Propiedades tecnicas de la roca

9. Propiedades tecnicas de la roca
.
• DRI es una medida relativa de la tasa de penetración y se usa como un procedimiento
d) Drilling Rate Index DRI
estándar de prueba (test) en la industria.
• El DRI es determinado en base a 2 parámetros:
>Resistencia de la roca a la fractura (crushing) – valor de
Friability S20
>Dureza superficial de la roca – valor J de Siewers SJ.
10 20 30 40 50 60 70 80 90

10. • Los agujeros son perforados en la roca y el suelo por varias razones. La mayoría de los agujeros perforados son
usados en operaciones de tronadura para la distribución de explosivos en la roca.
• Otras operaciones que consideran perforación son:
>Refuerzo de roca y suelo
>Perforación de exploración
>Extracción de petróleo, gas y agua
>Perforación de pozos de energía
• Existen 4 métodos básicos de perforación:
>Desgaste rotativo
>Corte rotativo
>Trituración (crushing) rotativa
>Perforación por percusión
• La selección del método apropiado de perforación dependerá de factores tales como:
>Propiedades de la roca.
>Diámetro requerido para el agujero.
>Profundidad requerida para la perforación.
2.- Métodos de perforación
Métodos de Perforación y Aplicaciones

11. 2.- Métodos de perforación
Corte RotativoDesgaste Rotativo: Trituración Rotativa
Perforación por Percusión:
También conocida perforación con martillo, es el método más común en la mayoría de los
tipos de roca, se utiliza tanto martillo en cabeza como martillo en fondo.
TOP HAMMER (TH) DOWN THE HOLE (DTH)

12. Top Hammer
Cuando el pistón impacta al shank adapter se crea una onda de choque, que viaja por la sarta de perforación.
Perforar con una broca muy desgastada o sin rotación causará una gran fuerza de compresión viajando de vuelta por la
sarta.
A diferencia de una fuerza de tensión, la fuerza compresiva pasará a través de las uniones, lo que implica que se
transmitirá al martillo y a la máquina perforadora.
Down The Hole
El funcionamiento de un martillo en fondo se basa en que el pistón golpea directamente a la broca de perforación. El fluido
de accionamiento es el aire comprimido que se suministra a través de un tubo que constituye el soporte y hace girar al
martillo. La rotación es efectuada por un simple motor neumático o hidráulico. La limpieza del detrito se efectúa por el
escape del aire del martillo a través de los orificios de la broca.
Cuáles son los componentes mas importantes del sistema de
perforacion DTH?
Maquina Compresor Martillo
2.- Métodos de perforación

13. Eficiencia (%) = WR / WK
WK = ENERGIA SUMINISTRADA
WR = ENERGIA USADA
En perforacion Top Hammer se usa como máximo un 75% de la energia suministrada para
perforar, o para triturar la roca.
La eficiencia de perforación en TH
depende de:
· Condiciones de la roca
· Diseño de la broca de perforación
· Combinación herramienta - sarta
· Hombre & máquina
- percusión
- avance
- rotación
- barrido
2.- Métodos de perforación
Ejemplo: Un martillo para perforacion TH entrega 18 kW

14. 3.- Eficiencia de perforación
Percusión
Razón de penetración
Vida útil del acero
Potencia de percusión
Penetración
V
ida del acero
La rotura de la roca por perforación por percusión
se puede dividir en cuatro fases:
• Deformación elástica
• Trituración de la roca
• Formación de grietas
• Despostillamiento

15. 3.- Eficiencia de perforación
Avance
Rotación
Fuerza muy alta
• Acero de perforación se dobla
• Desviación en el agujero
Fuerza muy baja
• Incremento en el desgaste del hilo
• Disminución de la vida de servicio
Velocidad de rotación (rpm) =

60 x f x b
x D ∏
f = frecuencia de percusión (Hz)
D = diámetro de la broca (mm)
b = distancia de indexación (mm)
CALCULADOR

Tasa de penetración
Velocidad de rotación (flujo)
•Muy alta: - corta vida de la broca
•Muy baja: - baja tasa de pentración
- riesgo de atascar la sarta
•Presión de rotación (= torque) es función de la
presiòn de avance; ajustes a la presión de avance
Broca pequeña
tienen influencia sobre la resistencia a la rotación.
Broca grande

16. 3.- Eficiencia de perforación
Remoción de detritos y refrigeración
de herramientas
Agua, aire o espuma
El espacio entre el agujero y la barra
es importante para la velocidad de
flujo
• espacio grande = baja velocidad
Barrido insuficiente
• tasa de penetración reducida
• riesgo de atascamiento
Barrido por agua:

> Velocidad de barrido: Mínimo 1.0 m/s
> Presión mínima de agua: 3 bar
Barrido por aire:

> Velocidad de barrido: Mínimo 15 m/s
Barrido mixto aire-agua:

> Volumen de agua agregado al aire: 2 - 5 l/min

17. 4.- Transmisión de la energia
Velocidad del pistón al impacto = 10 m/s
Cuando el pistón impacta al shank adapter se crea una onda de choque, que viaja por
la zarta de perforación
La onda de choque (fuerza compresiva) acelera hasta la velocidad
del sonido en el acero = 5140 m/s

18. 4.- Transmisión de la energia
Perforar con una broca muy
desgastada o sin rotación
causará una gran fuerza de
compresión viajando de vuelta
por la sarta.
A diferencia de una fuerza de
tensión, la fuerza compresiva
pasará a través de las uniones,
lo que implica que se transmitirá
al martillo y a la máquina
La energía se pierde en
perforadora.
lugares en que la sarta
de perforación cambia
de diámetro, tales como
junturas e hilos.
Compresión
Barras MF ~4%
Barras y copias ~6%

19. 5.- Sistema de Afilado de Broca
Afilado
Es la restauración del inserto
desgastado a su estado original
con la ayuda de una afiladora.
F
Pérdida de Velocidad de Penetración
R
Sobre perforación
Cuando el desgaste de los
insertos es mayor a 1/3 Ø del
inserto.
Causas de la Sobre Perforación
Cuando los insertos de la broca se encuentra desgastada,
ésta ya no tritura a la roca y toda la fuerza transmitida por
la perforadora retorna causando destrucción de los aceros.
Tener en cuenta que la una perforadora hidráulica genera
de 3,000 a 3,500 Golpes por min. y por cada golpe transmite
Afilado cuando el desgaste es
una fuerza de 30 – 40 TM.
1/3 del diametro del inserto
Velocidad de
Penetración
dm/min.
Metros perforados
90
Antes del afilado
1,0
1,2
Afilado cuando el desgaste es
1/2 del diametro del inserto

20. Recomendaciones:
Afilar
• Antes que aparesca las microfisuras (piel de serpiente).

• Antes que ocurra la rotura de los insertos.

• Antes que los planos de desgaste sean mayores a 1/3 del diámetro del inserto.

• Antes que la velocidad de penetración disminuya.

• Antes que se presente el contracono.

• Antes que la desviación del taladro este fuera de control.
Afilar con frecuencia es mas económico que hacerlo raras veces.
Intervalo de Afilado
El intervalo de afilado puede elegirse en función de los diferentes tipos de roca y
condiciones de perforación. Por ejemplo, al cabo de un determinado número de
taladros, que coincida aproximadamente cuando se haya consumido al tercera
parte del diámetro del inserto (Sobre perforación).
Beneficios de un Correcto Afilado

• Incremento de la velocidad de penetración.

• Reduce los niveles de esfuerzo en los aceros de perforación y la máquina.

• Incremento de la productividad.
• Reduce la desviación de los taladros.
5.- Sistema de Afilado de Broca

21. 6.- Costos de Aceros de Perforación
Costo de excavación vs Costo de Bit.
Es la resistencia de una capa superficial a la penetración en ella de otro
cuerpo más duro. En una roca es función de la dureza y composición
de los granos minerales constituyentes, de la porosidad de la roca, del
grado de humedad, etc.
Las rocas se clasifican en cuanto a su dureza por medio de la escala
de Mohs, en la que se valora la posibilidad de que un mineral pueda
rayar a todos los que tienen un número inferior al suyo.
Cálculo de costo Unitario de aceros de perforación en
un frente:
Rendimientos estimados de la columna de
Drill bit 3.5%
perforación según tipo de roca
La vida útil de los accesorios de perforación depende
básicamente del tipo de roca (dureza y abrasividad),
del estado operativo del equipo de perforación, del
uso correcto por parte del operador.