Causas de fallas del martillo DTH en la perforación de roca dura: explicación de las cuatro categorías principales de fallas
En la perforación en roca dura con martillos de fondo (DTH), la alta dureza de la formación, las elevadas cargas de perforación y los entornos de trabajo rigurosos aumentan la probabilidad de diversas fallas. Estas fallas afectan directamente la velocidad de penetración, la calidad del pozo y la vida útil del equipo. Según las condiciones clave de la perforación en roca dura, las fallas comunes se clasifican en cuatro grupos: degradación del rendimiento por impacto, desgaste mecánico/atascamiento, anomalías en el sistema de remoción de recortes y fallas en la transmisión de potencia. A continuación, se analizan los síntomas y las causas de cada grupo.
Degradación del rendimiento de impacto. Síntoma y efecto: una disminución repentina de la eficiencia de trituración de rocas. Los signos típicos son una reducción de la fuerza y la frecuencia de impacto; la broca ya no puede fracturar eficientemente la roca dura y la penetración se ralentiza drásticamente o se detiene. Las principales causas incluyen:
1.1 Problemas de suministro del medio de alimentación
En el caso de los martillos neumáticos (accionados por aire), la presión insuficiente del compresor (por debajo del rango de 0,6 a 1,2 MPa normalmente requerido para la perforación de roca dura), el flujo de aire inestable o las fugas/bloqueos de aire en la línea de suministro reducen la presión disponible para impulsar el pistón.
En el caso de los martillos hidráulicos, la presión insuficiente de la bomba o la contaminación del aceite hidráulico y los conductos obstruidos reducen la fuerza de accionamiento del martillo.
Los contaminantes en el medio de potencia (humedad o polvo en el aire comprimido; partículas metálicas en el aceite hidráulico) aceleran el desgaste del sello y reducen aún más la eficiencia del medio.
1.2 Fallas en la distribución interna del aire/flujo
Los martillos tipo válvula comúnmente sufren desgaste, deformación o atascamiento de la placa de la válvula, lo que interrumpe el cambio oportuno de la válvula y evita que el pistón logre una reciprocidad de alta frecuencia.
Los diseños sin válvulas pueden verse afectados por el desgaste o la obstrucción de las ranuras de flujo del pistón/cilindro; la acumulación de recortes retrasa la inversión del flujo, interrumpe el ciclo de impacto y reduce en gran medida la potencia del impacto.
1.3 Problemas de interfaz entre el pistón y la broca
Los impactos de alta frecuencia contra la broca provocan un desgaste severo en la cara del pistón y en la cola de la broca; una mayor holgura en la interfaz de contacto provoca una pérdida de energía durante la transferencia.
La instalación de brocas excéntricas o pasadores de ubicación flojos pueden provocar golpes descentrados (golpes fallidos), lo que reduce la eficiencia del impacto y acelera el desgaste localizado.
Desgaste mecánico, atascamiento y falla estructural. Síntomas y efectos: causas del tiempo de inactividad. Bajo impactos de alta frecuencia y torque rotacional, las piezas mecánicas se desgastan excesivamente, se atascan o se rompen. Las manifestaciones comunes incluyen el agarrotamiento del pistón, daños en la sarta de perforación y desgaste de los substitutos delanteros/traseros, con las siguientes causas principales:
2.1 Agarrotamiento y desgaste del pistón
Las cargas pesadas intensifican la fricción entre el pistón y la pared del cilindro. Una lubricación inadecuada (p. ej., la falta de lubricación regular en martillos neumáticos o la baja lubricidad en aceite hidráulico envejecido) y la penetración de detritos de roca pueden reducir las holguras y provocar el agarrotamiento del pistón. El funcionamiento prolongado a alta frecuencia también desgasta la superficie del pistón y puede producir grietas; en casos graves, el pistón puede fracturarse.
2.2 Daños en la sarta de perforación
La sarta de perforación debe transmitir el par y soportar el peso del martillo. Si la resistencia del material de la sarta de perforación es insuficiente, las roscas están flojas o se produce una desviación del pozo, la sarta puede experimentar momentos de flexión adicionales que provoquen pandeo, deformación o falla de la rosca. La abrasión de los recortes de roca en la pared exterior también acelera el desgaste y acorta la vida útil.
2.3 Daños en juntas y sellos
Los subs delanteros y traseros son componentes de conexión críticos; bajo vibración y torsión intensas, sus roscas pueden desgastarse o deformarse. Los sellos (juntas tóricas, anillos de sellado) están expuestos a fluidos abrasivos y temperaturas elevadas (el calor generado en la broca puede transmitirse al martillo); los sellos envejecen y se agrietan, causando fugas del fluido y permitiendo que los recortes entren en los ensambles internos, lo que acelera el desgaste.
Anomalías en el sistema de extracción de recortes. Síntomas y efectos: interrupciones en la perforación continua. Los recortes de roca dura suelen ser duros y gruesos; cuando el sistema de extracción de recortes no funciona correctamente, se producen problemas como la obstrucción del pozo y una evacuación deficiente de los recortes. Los síntomas incluyen acumulación de recortes en el pozo, hundimiento de la broca, aumento repentino de la resistencia a la perforación y, en casos graves, atascamiento de la tubería. Causas principales:
3.1 Medio de transporte de esquejes insuficiente
Los martillos neumáticos pueden carecer de suficiente volumen de aire de limpieza; los martillos hidráulicos, de un flujo de fluido de limpieza insuficiente; cualquiera de estas condiciones impide la extracción oportuna de los recortes del fondo del pozo. El desgaste o la deformación de los conductos de transporte (p. ej., el orificio central de la broca o el orificio central del pistón) debido al transporte prolongado de recortes abrasivos puede estrechar los canales y reducir aún más la eficiencia de la evacuación.
3.2 Desajuste entre los parámetros de perforación y la remoción de recortes
Si la velocidad de penetración es demasiado alta, los recortes generados exceden la capacidad del sistema de extracción. Una velocidad de rotación o un empuje de la broca incorrectos pueden producir recortes demasiado gruesos que no pueden pasar por los conductos de flujo, lo que provoca acumulación y obstrucción.
3.3 Desviación del pozo y deposición de recortes
La desviación del pozo durante la perforación crea depresiones en la pared del pozo donde se acumulan los recortes, que el fluido de lavado no puede eliminar eficazmente. Con el tiempo, estos depósitos forman un lecho de recortes compactado que obstruye el avance del martillo y la acción de la broca.
Fallas de transmisión de potencia. Síntomas y efectos: interrupciones de la perforación debido a la transmisión de par deficiente o a la falta de suministro de energía de impacto a la broca. Estas fallas suelen ocurrir en las interfaces entre la sarta de perforación y el martillo, y entre el martillo y la broca. Causas principales:
4.1 Conexiones sueltas o dañadas
Las roscas flojas o peladas entre la sarta de perforación y la unión trasera del martillo, o el desgaste de los pasadores/estrías de ubicación, impiden una transferencia de torsión confiable y evitan que el martillo gire con la sarta.
El desgaste o la deformación de los componentes de conexión de la parte frontal del martillo con la broca (tuercas de seguridad, anillos elásticos, etc.) pueden hacer que el soporte de la broca se afloje, lo que produce golpes secos en los que la energía del impacto no se transmite a la roca y se pierde la rotación sincrónica, lo que produce un desgaste desigual de los dientes de la broca.
4.2 Daños en los bits que provocan fallas en la transmisión
Los cortadores de broca (botones de carburo de tungsteno, cortadores de diamante policristalino) en la perforación en roca dura son propensos al desgaste, astillamiento o desprendimiento. Una broca dañada no puede penetrar eficazmente la formación, por lo que la energía del impacto no se transfiere a través de los cortadores a la roca y, en cambio, se transmite de vuelta a la estructura interna del martillo, lo que aumenta las cargas de impacto internas y causa fallas secundarias.
Resumen y principales factores influyentes. En general, las fallas comunes de los martillos DTH en la perforación en roca dura se deben a las características predominantes de las condiciones de trabajo: cargas elevadas y entornos hostiles. Los principales factores influyentes se pueden agrupar en tres categorías:
Compatibilidad inadecuada del equipo: modelo de martillo, tipo de broca o materiales de los componentes no adecuados a las condiciones de la roca dura.
Operación y mantenimiento inadecuados: ajustes poco realistas de los parámetros de perforación, falta de limpieza y lubricación periódicas y reemplazo tardío de las piezas desgastadas.
Mala coordinación de los sistemas auxiliares: suministro de energía inestable y desajuste entre la capacidad de remoción de recortes y el ciclo de perforación.
La identificación de las causas fundamentales de estos tipos de fallas proporciona una base para la resolución de problemas y la adopción de medidas preventivas para garantizar una perforación continua y eficiente en roca dura.
