Descifrando el código de la perforación en roca dura: la revolucionaria tecnología DTH.
Según las condiciones geológicas del área de construcción, existen cuatro métodos principales de perforación comúnmente utilizados por las plataformas de perforación, como se muestra en la Figura 1.
a. Los cabezales rotatorios accionados neumática o hidráulicamente combinados con equipos de impacto transmiten energía de rotación e impacto a través de la parte superior deltubería de perforación, suministrando energía a la broca mediante ondas de choque en la tubería de perforación. Este método se limita a diámetros pequeños y profundidades reducidas, y se utiliza generalmente en canteras, obras de construcción y operaciones mineras subterráneas.
b.Martillos de fondo (DTH) Se ubican en la parte inferior de la sarta de perforación. El aire comprimido ingresa al DTH a través de la sarta de perforación, impulsando un pistón con un movimiento alternativo que impacta directamente la broca, transfiriendo la energía del impacto a la roca. Este sistema presenta una pérdida mínima de potencia y es especialmente adecuado para pozos profundos, pozos rectos y rocas de dureza media.
do.Perforación con circulación inversa (RC)Utiliza el DTH para recolectar y transportar muestras de roca desde la cara de la broca. Los recortes secos y no contaminados se transportan a través del tubo central del DTH a un dispositivo de recolección de muestras, preparándolos para el análisis geológico.
Una caja de engranajes accionada por motores hidráulicos o eléctricos forma un cabezal de potencia giratorio que aplica suficiente fuerza de avance a la broca de tres conos mediante un sistema de avance que se mueve verticalmente en el equipo de perforación y una tubería de perforación de pared gruesa. Este método se utiliza para rocas más blandas o rocas duras con uniones fuertes.
- Principios y características del DTH
Las formaciones perforadas con DTH son casi completamente capaces de incluir todas las rocas ígneas, metamórficas y sedimentarias de dureza media o más dura. El DTH es particularmente ventajoso para la perforación de roca dura y estratos tenaces, ya que esta última tiende a ser frágil. Bajo cargas de impacto, las fracturas no solo se producen en el punto de impacto directo, sino que también crean una zona de fractura, lo que resulta en fragmentos de roca de mayor tamaño. Por lo tanto, la velocidad de perforación es significativamente mayor en comparación con la perforación rotatoria pura. El modelo mecánico de la Figura 2 ilustra las diversas cargas que actúan sobre la roca durante la perforación rotatoria de impacto.
Además, la perforación DTH (Down-the-Hole) es muy eficaz en formaciones propensas a la desviación del pozo, como estratos con estratificación y foliación bien desarrolladas, o capas de roca con dureza irregular y numerosas fracturas. Puede reducir significativamente la desviación del pozo y también superar las dificultades de la perforación a través de capas de grava y lechos de cantos rodados.
La perforación DTH se desarrolló a finales del siglo XIX y tiene más de un siglo de historia. Si bien existen muchos tipos de perforadoras DTH, todas comparten una característica común: tanto el mecanismo de impacto como la broca se sumergen en el pozo, y la rotación se combina con el impacto para romper la roca. Los equipos utilizados para generar la fuerza de impacto se clasifican, según su método de accionamiento, en neumáticos, hidráulicos, a presión de aceite, eléctricos y mecánicos.
Dado que la energía de impacto experimenta una pérdida significativa durante la transmisión y puede causar daños considerables a los componentes impactados, generalmente se requiere en operaciones de perforación más profunda que el equipo entre en el pozo con la herramienta de perforación, para que la fuerza de impacto de salida pueda actuar directamente sobre la broca o el barril sacatestigos. Esto minimiza la pérdida de energía durante la transmisión, mejora la eficiencia energética y reduce la probabilidad de fallas en el equipo de fondo de pozo.
El DTH neumático, también conocido como DTH impulsado por aire, viene en muchos tipos estructurales y métodos de clasificación.
- Por clasificación de presión: tipos de alta presión, presión media y baja presión.
- Por estructura general: tipos no pasantes y pasantes.
- Por principio de funcionamiento de la válvula: tipo válvula de control, tipo válvula libre y tipo válvula híbrida.
- Por estructura del pistón: pistón de diámetro igual, pistón de diámetro desigual y tipos de pistón tándem.
Por tipo de distribución de aire: DTH con válvula y DTH sin válvula. Los DTH con válvula se pueden subdividir en válvulas de placa, de disco y cilíndricas, mientras que los DTH sin válvula se pueden dividir en escape de vástago central, distribución de aire por pistón y distribución de aire combinada por pistón, cilindro y vástago central.
- Por método de lavado de pozos y descarga de escoria: lavado de pozos centrales, lavado de pozos frontales y lavado de pozos laterales.
2. Determinación de esquemas estructurales de mecanismos de impacto
2.1 Mecanismo de impacto sin válvula de suministro de gas propio del pistón
Este tipo de mecanismo de impacto utiliza principalmente los conductos de gas del propio pistón para el suministro de gas, lo que resulta en una estructura compleja con numerosos canales de gas, lo que reduce su resistencia y vida útil. Sin embargo, este mecanismo de impacto integra los cilindros interior y exterior, aumentando el área de trabajo efectiva del pistón y optimizando la energía de impacto del mecanismo.
2.2 Mecanismo de impacto sin válvula de suministro de gas combinado de pistón y cilindro
Este tipo presenta una estructura simple y fácil de fabricar, una mayor vida útil del pistón y orificios de gas ubicados tanto en el cilindro como en el pistón. Esta estructura es ampliamente utilizada en el extranjero.
2.3 Mecanismo de impacto sin válvula de suministro de gas de tubería central
En este mecanismo, los conductos de entrada de aire para las cámaras superior e inferior están dispuestos en el tubo circular por donde se desliza el pistón. Requiere una alta precisión de fabricación y la vida útil del tubo central es relativamente corta.
2.4 Mecanismo de impacto del escape lateral
El llamado escape lateral significa que la trayectoria de los gases de escape sale del cuerpo del cilindro en lugar de pasar por el centro de la broca hasta el fondo del orificio. Este tipo de mecanismo de impacto suele tener múltiples vías de entrada y salida en el cuerpo del cilindro, lo que resulta en una resistencia estructural reducida, la posibilidad de grietas longitudinales por fatiga y una pérdida significativa de presión de aire, lo que resulta en una eliminación de residuos y un enfriamiento deficientes de la broca.
2.5 Mecanismo de impacto del escape central
Este tipo de mecanismo de impacto expulsa los residuos y el gas directamente desde el centro de la broca hasta el fondo del pozo. El flujo de aire directo no solo mejora la eficiencia de remoción de residuos, sino que también mejora la eficiencia de perforación y la refrigeración, prolongando así la vida útil de la broca. Este tipo estructural reemplaza las numerosas ranuras longitudinales del cilindro interior de los mecanismos de impacto con escape lateral por una ranura anular, lo que reduce considerablemente la concentración de tensiones en dicho cilindro. Esta estructura se ha adoptado ampliamente en los últimos años.
Mecanismo de impacto de pistón serie 2.6
El mecanismo de impacto de pistón en serie, también conocido como impactador de doble pistón (cabeza), divide el cilindro en dos cámaras mediante un anillo de aislamiento. Este diseño permite que ambas caras del pistón trabajen simultáneamente dentro del mismo diámetro interior, lo que resulta en una mayor potencia y frecuencia de impacto. Asimismo, cuenta con un sistema de doble escape que elimina eficazmente el polvo de roca del fondo del pozo. Sin embargo, su principal desventaja reside en su compleja estructura y la necesidad de alta precisión en el mecanizado de las piezas; por ejemplo, el pistón tiene hasta cinco superficies de contacto con sus componentes asociados, lo que limita su aplicación y promoción. Por lo tanto, este diseño adopta la segunda opción, que es el mecanismo de impacto sin válvula, con suministro de gas combinado entre el pistón y el cilindro. Su estructura se muestra en la Figura 3.
3. Análisis teórico y cálculos relevantes para DTH
3.1 Selección de parámetros de funcionamiento**
3.1.1 Longitud y peso del martillo: El diseño preliminar especifica una longitud de menos de 4500 mm y un peso de menos de 2500 kg.
3.1.2 Diámetro del martillo: El diámetro adecuado del martillo se determina en función del diámetro de perforación, establecido en 540 mm.
3.1.3 Diámetro de perforación: Se refiere al diámetro del agujero del pilote, generalmente entre 550 mm y 600 mm.
3.1.4 Profundidad de perforación: Según los requisitos de diseño del pilote, esta suele estar entre varias docenas de metros y cien metros.
3.1.5 Velocidad de perforación: La perforación DTH generalmente opera a bajas velocidades de rotación, típicamente entre 7 y 25 r/s.
3.1.6 Par rotacional: El par máximo para este diseño se establece en 150 kN·m.
3.2 Cálculo de parámetros de diseño
Los parámetros de diseño para DTH, específicamente los parámetros de rendimiento del equipo de impacto DTH, sirven como base para el diseño de la máquina y definen el rendimiento del equipo fabricado.
3.2.1 Presión de diseño P para equipos de impacto
En China, una presión de 0,49 MPa (aproximadamente 5 × 10^5 Pa) se considera ampliamente como el estándar de diseño para equipos de impacto neumáticos. Dado que el DTH para este diseño es un dispositivo de impacto sin válvula con un gran diámetro de perforación y un pistón pesado, una mayor presión de aire mejorará aún más el rendimiento. Además, los compresores de aire de alta presión son cada vez más comunes y, de acuerdo con la norma internacional ISO 5941-1979, se ha seleccionado una presión de diseño de 1,6 MPa.
3.2.2 Potencia de impacto
En el caso de perforaciones de gran diámetro con DTH, la energía de impacto de diseño puede fluctuar significativamente. La energía de impacto para este diseño se calcula de la siguiente manera:
3.2.3 Frecuencia de impacto
Generalmente, bajo una energía de impacto constante, la frecuencia de impacto es proporcional a la potencia de salida del impactador. Sin embargo, cuando el diámetro del cilindro es fijo, aumentar la frecuencia de impacto requiere una reducción de la carrera del pistón, lo que a su vez disminuye la potencia de impacto. Una vez que la potencia de impacto cae por debajo de cierto umbral, aumentar la frecuencia no producirá resultados satisfactorios en la trituración de rocas. Por lo tanto, la selección de la frecuencia de impacto está limitada por la potencia de impacto.
Para un DTH neumático que opera a una presión de diseño de 0,5 MPa, la frecuencia no debe superar los 16,8 Hz. Dado que el DTH opera a presiones de diseño de entre 0,5 y 2,5 MPa, la frecuencia de impacto puede variar significativamente. La selección inicial de la frecuencia del impactador se puede calcular de la siguiente manera:
f = 10,4 + 7,6P
(2) donde P es la presión de suministro del sistema. Para este diseño, P = 1,6 MPa; por lo tanto:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Diseño de parámetros estructurales
Los principales parámetros estructurales del DTH incluyen el diámetro del cilindro, la carrera y las dimensiones del pistón. Aumentar el diámetro del cilindro puede mejorar tanto la potencia como la frecuencia de impacto, por lo que el diámetro debe maximizarse dentro de los límites del tamaño estructural. Normalmente, la diferencia entre el diámetro exterior del DTH y el diámetro del cilindro no debe ser inferior a 15-20 mm, y la carcasa exterior del DTH no debe ser demasiado delgada. Por lo tanto, la relación entre el diámetro del cilindro del DTH y el diámetro de perforación suele ser superior a 0,5.
3.3.1 Diámetro de trabajo del cilindro y carrera estructural
El diámetro de trabajo D del cilindro se puede calcular de la siguiente manera:
D = K × D(diámetro interior) = (0,57 - 0,68) × D(diámetro interior) (3)
Para este diseño, D(diámetro interior) = 600 mm, por lo que D se considera 360 mm. La carrera estructural S se considera empíricamente como S = 500 mm.
3.3.2 Masa del pistón
Las dimensiones radiales del pistón están limitadas por el tamaño y la estructura del cilindro, lo que permite pistones de igual o diferente diámetro. Las dimensiones lineales dependen del peso del pistón, que también se relaciona con la velocidad a la que impacta la broca. Por lo tanto, determinar las dimensiones estructurales del pistón es un aspecto complejo del diseño de un DTH. La masa del pistón DTH se puede estimar de la siguiente manera:
m = 0,0205D^2,84 (4)
donde m es la masa del pistón en kg; D es el diámetro de trabajo del cilindro en cm.
Sustituyendo D = 36 obtenemos: m = 540 kg.
El DTH consta principalmente de una estructura de transmisión de par y un mecanismo de impacto neumático. La estructura de transmisión de par conecta la varilla de perforación y el DTH, transmitiendo las fuerzas de corte y tracción rotatorias. El mecanismo de impacto neumático genera el impacto, proporcionando potencia axial a la broca de impacto. Los detalles específicos de la estructura se muestran en la Figura 3.
La estructura de transmisión de par conecta la varilla de perforación y el impactador. La junta superior se conecta a la varilla de perforación y al impactador mediante roscas, principalmente para garantizar la estanqueidad del gas, a la vez que transmite el par y la fuerza de tracción. La válvula de retención, controlada por un resorte, impide la entrada de lodo y agua en el impactador y la varilla de perforación. El asiento de admisión de aire con la varilla de suministro de gas introduce aire comprimido en el cilindro, facilitando el suministro de gas junto con el cilindro y el pistón, logrando así un suministro de gas combinado. El anillo de seguridad con resorte evita que el pistón se deslice fuera del cilindro al reemplazar la broca.
3.4 Análisis de elementos finitos de la broca DTH
La broca DTH se somete a las fuerzas de impacto del pistón y al par del cabezal de accionamiento. La fuerza ejercida por el aire comprimido sobre el pistón se expresa como:
F = P × S (5)
donde P es la presión del sistema en Pa; S es el área de fuerza del pistón en m².
Por lo tanto, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Por lo tanto, la fuerza de impacto sobre la broca es:
F' = kF (6)
donde k es el coeficiente de impacto; F es la fuerza ejercida sobre la broca por el aire comprimido en N. Por lo tanto, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
El par aplicado a la broca DTH por el cabezal de accionamiento es N = 150 kN. Aplicando F' = 2688 kN y N = 150 kN a la broca mientras se fija la cara inferior, y utilizando material QT500-7 con un límite elástico de 320 MPa, se realiza un análisis de elementos finitos. Las condiciones específicas de carga y restricción, así como la división de la malla, se muestran en las figuras 4 y 5.
Los resultados del análisis de elementos finitos se muestran en la Figura 6, indicando que la tensión máxima es de 144,355 MPa, que es menor que el límite elástico de QT500-7 (320 MPa), cumpliendo así con los requisitos.