¿Por qué se rompen tan a menudo las barras de perforación? Entendiendo las fuerzas que provocan la falla.
Las varillas de perforación roscadas, también conocidas como varillas de perforación jumbo o varillas de perforación de alta resistencia, conectan la perforadora de roca, el adaptador del vástago y la broca. Su función es transmitir la energía de impacto y el par de torsión rotatorio para que la broca pueda romper la roca y crear un pozo.
Debido a que la perforación se realiza en condiciones complejas y cambiantes, las barras de perforación están sometidas a cargas mecánicas repetidas, abrasión por la roca y los detritos, corrosión por el agua y tensiones adicionales derivadas de condiciones de operación anormales. Comprender estas cargas es fundamental para seleccionar las herramientas de perforación adecuadas, mejorar el mantenimiento y reducir el tiempo de inactividad no planificado.
1. Compresión y tensión axial alternadas
Durante la perforación, la energía de impacto de alta frecuencia se transmite desde la perforadora a través del adaptador del vástago y la varilla de perforación hasta la broca. Cuando la broca golpea la roca, la masa rocosa crea resistencia, la cual se propaga a través de la sarta de perforación.
Este ciclo repetido genera esfuerzos alternos de compresión y tracción en la varilla de perforación. Con el tiempo, la carga y descarga constantes pueden provocar fatiga, agrietamiento, disminución de la resistencia estructural y, finalmente, la rotura de la varilla. La calidad del material, el tratamiento térmico, el estado de la rosca y las prácticas de operación correctas influyen en la capacidad de la varilla de perforación para soportar estos ciclos.
2. Esfuerzo de flexión radial
Una varilla de perforación es un componente largo y delgado, lo que la hace más susceptible a la tensión de flexión que una herramienta corta y rígida. El peso de la varilla, una ligera desalineación, la desviación en el orificio, la presión de avance y un impacto descentrado pueden generar fuerzas laterales.
Incluso una ligera flexión afecta la transferencia de energía. En lugar de transmitir la energía del impacto directamente a la broca, la sarta de perforación pierde eficiencia debido a la desalineación y la vibración. La tensión de flexión continua puede provocar deformación permanente, menor precisión en la perforación, daños en la rosca y un mayor riesgo de rotura inesperada.
3. Esfuerzo torsional rotacional
La perforación de rocas requiere una rotación continua para facilitar la fractura de la roca y la extracción de los detritos. A medida que la varilla gira, debe vencer la fricción contra la pared del pozo, la resistencia de los detritos y las variaciones en las condiciones de la roca.
Esto somete la varilla de perforación a esfuerzos de torsión. Una varilla con resistencia o tenacidad a la torsión insuficientes puede torcerse, agrietarse o fallar en condiciones exigentes. Por lo tanto, una perforación confiable depende de que las especificaciones de la varilla se ajusten al tipo de roca, el equipo de perforación, el diámetro del pozo y las condiciones de operación.
4. Abrasión y corrosión dentro del pozo.
La tensión mecánica es solo una parte del problema. Durante la perforación, la superficie de la varilla está continuamente expuesta a fragmentos de roca abrasivos, al contacto con la pared del pozo, a los fluidos de lavado y a las impurezas del agua.
Los fragmentos de roca pueden desgastar la superficie de la varilla, mientras que el agua y los contaminantes pueden corroer gradualmente el metal. Con el tiempo, la abrasión y la corrosión pueden reducir el espesor de la pared, debilitar las roscas, crear defectos superficiales y acortar la vida útil. Una limpieza, inspección y lubricación adecuadas, cuando corresponda, así como un almacenamiento controlado, son medidas prácticas que ayudan a reducir este daño.
5. Cargas combinadas durante operaciones anormales
Las condiciones especiales o anormales pueden generar cargas combinadas mucho mayores que las de una perforación rutinaria. Algunos ejemplos son las herramientas atascadas, la dificultad para retraerlas, la presión de avance excesiva, el golpeo incorrecto de la broca vacía, los trabajos de sostenimiento del terreno y otras operaciones no estándar.
Estas condiciones pueden combinar flexión, tensión, compresión y torsión simultáneamente. Por ejemplo, una sarta de perforación atascada puede verse sometida a una fuerza de tracción excesiva durante su recuperación, mientras que un impacto sin perforación puede generar energía sin una vía efectiva para romper la roca. Estas condiciones aceleran la fatiga y aumentan la probabilidad de falla de los componentes.
Mejorar la fiabilidad mediante una mejor gestión de las herramientas.
Un programa fiable de varillas de perforación debe incluir:
Seleccionar varillas con la resistencia, tenacidad, resistencia a la torsión y resistencia a la corrosión adecuadas.
Adaptar las herramientas de perforación a la geología del sitio y a la capacidad del equipo.
Controlar la rectitud de la varilla, el estado de la rosca y el desgaste visible.
Evitar el uso excesivo de la fuerza y las prácticas operativas inadecuadas.
Reemplazar los componentes dañados o muy desgastados antes de que se produzca una falla.
Capacitar a los operadores para que reconozcan a tiempo las condiciones anormales de perforación.
En proyectos que implican excavación de rocas, extracción de canteras, minería, construcción de túneles o trabajos de cimentación, el estado de las herramientas de perforación tiene un impacto directo en la productividad, la calidad de los pozos y la seguridad en la obra.
Consideraciones alternativas para la rotura de rocas
Cuando los métodos convencionales de perforación y voladura se enfrentan a limitaciones de vibración, estructuras cercanas, restricciones normativas o condiciones operativas delicadas, puede ser conveniente evaluar una alternativa de ingeniería. El sistema de fractura de rocas Gaea Rock O2 Gas Energy utiliza energía de cambio de fase de oxígeno líquido rápido para la fractura controlada de rocas, en lugar de formulaciones explosivas convencionales.
La selección siempre debe basarse en la geología del sitio, los requisitos del proyecto, las regulaciones locales, la revisión de ingeniería calificada y la operación por parte de personal capacitado.
