ATLAS COPCO- Present- Curso Teoria Perforacion

Atlas Copco Rock Drilling Tools

Geología / Teoría Perforación

Francisco Badilla

P-CA

http://www.maquinariaspesadas.org/


Geología

Minerales y rocas

La corteza de la tierra consiste en una variedad de rocas, formada bajo diferentes

circunstancias. Las rocas están compuestas por uno o más minerales.

Un mineral es una substancia formada por naturaleza. Un mineral puede ser un

elemento o puede consistir en compuestos químicos que contienen varios

elementos. Hay más bien, más de 3,000 diferentes minerales.

De los 103 elementos conocidos, oxígeno es lejos el más común abarcando

aproximadamente el 50 % de la corteza de la tierra. Silicona aproximadamente el 25

%, aluminio, hierro, calcio, sodio, potasio, magnesio y el titanio, junto con oxígeno,

abarcan sobre 99 %. Silicona, aluminio y oxígeno están comúnmente en los

minerales de cuarzo, feldospato y mica. Ellos forman el grupo grande conocido como

silicatos, un silicato es un compuesto formado por ácido de silicio y otros elementos.

También incluido es anfíbol y piroxeno que contienen aluminio, potasio e hierro.

Algunas de las rocas comunes de la tierra, granito y gneis, son compuesto de

silicatos.



Geología

Diagrama muestra sucesos de

minerales en la corteza de la tierra

1 Dispersión-Calcita 2 Cuerpos mineralizados Pirita Calcopirita 3 Bauxita y otros esquistos

4 Carbonífera Cuarzo 5 Cuerpos mineralizados Azurita Cuprita 6 Sedimentos Oro plata diamante

7 Roca volcánica mica magnetita 8 metamórfica carbonifera cuarzo 9 metamórfica calcárea

Calcita dolomita 10 Zona de contacto súlfuros



Geología

Características de los minerales

Algunas de las características de los minerales son:

Dureza Densidad Color Rayado

Brillo Fracturación Hendidura

Cristales

La dureza se mide en grados de acuerdo a la escala de Moh’s, que va de 1 a 10

1. Talco

2. Yeso

3. Calcita

4. Fluorita

5. Apatito

6. Ortoclasa

7. Cuarzo

8. Topacio

9. Corindón

10. Diamante



Geología

Propiedades de la roca Para poder prever el resultado de la perforación con respeto a la proporción de

penetración, calidad del agujero, taladro-acero, costos, etc., nosotros debemos

poder hacer una apreciación correcta de la roca involucrada. Así para que nosotros

podamos distinguir entre propiedades microscópicos y macroscópicas.

Una piedra está compuesta de granos de varios minerales y entre las propiedades

microscópicas la composición del mineral, tamaño de grano, la forma y distribución

de los granos. Tomado juntos estos factores deciden las propiedades importantes

de la piedra, como dureza, abrasividad, resistencia a la compresión y densidad.

Éstas propiedades, en su globalidad, determinan la tasa de penetración y cómo eso

puede lograrse y cual será la herramienta de uso.

La perforabilidad de una piedra depende en adelante, entre otras cosas, de la

dureza de sus minerales constitutivos y del tamaño de grano y la forma del cristal.

Cuarzo es uno los minerales comunes en rocas. Debido a que el cuarzo es material

muy duro, un volumen de cuarzo alto (SiO2) hacen la roca muy difícil de taladrar y

causa mucho trabajo y desgaste al acero de perforación, nosotros decimos que la

roca es abrasiva. Recíprocamente, una roca con un volumen alto de calcita es fácil

taladrar y causa bajo trabajo y desgaste al acero de perforación



Geología

Propiedades de la roca

Las rocas son clasificadas en tres grupos principales relativos a la base de su origen

y la manera en que ellos se formaron:

1. las rocas ígneas o magmáticas (formado a partir de la solidificación de la lava o

”magma”).

2. las rocas sedimentarias (formado por deposición de material roto o por

precipitación química).

3. las rocas metamórficas (formado por la transformación de rocas ígneas o

sedimentarias, en la mayoría de los casos por un aumento en presión y calor).



Geología


Roca ígnea Se forman rocas ígneas cuando un magma solidifica profundamente bajo en la

corteza terrestre (roca plutónica), o cuando sube hacia la superficie (fallas en roca)

o en la superficie (roca volcánica). El componente (minerales) más importante es el

cuarzo y silicatos de varias composiciones, principalmente el feldospasto de roca

plutónica, solidifica despacio y se forma por consiguiente grano tosco, mientras las

rocas volcánicas solidifican rápidamente y se vuelven en grano fino

Roca ígnea

Cobre nativo

en basalto

Pagmatita



Geología


Rocas sedimentarias Las rocas sedimentarias son formadas por la deposición de material por acción

mecánica o química y una consolidación de este material bajo la presión de capas.

Frecuentemente ocurre que la formación de la roca está rota por la acción mecánica

(curando), llevando y depositado en ella agua. Así la piedra original determina las

características de la roca sedimentaria. El desgaste o corrosión pueden proceder a

diferentes proporciones que dependen en parte de clima y en parte en cómo

fácilmente la roca se separa.

Roca

Sedimentaria

Hematita

Dolomita



Geología


Rocas metamórficas

Los efectos de acción química o la presión y/o la temperatura en una formación de

roca puede algunas veces producir una transformación llamada metamórfosis. Por

ej., presión y temperatura podrían aumentar bajo la influencia del brote de magma, o

porque la formación ha hundido más profundamente en la corteza de la tierra. Esto

resulta en la re cristalización de los granos minerales o la formación de nuevos

minerales. Una característica de las rocas metamórficas son que ellas se forman sin

una completa fundición. Ellas son también frecuentemente muy duros y tienen un

polvo fino y compacto, y es por consiguiente a menudo difícil de taladrar.

Roca

Metamórfica

Granito

Leptita



Geología

Clasificación de la roca

Se han hecho muchos esfuerzos por clasificar la roca en base a su perforabilidad, y

varios métodos de medición han evolucionado con el animo de desarrollar la forma

de predecir la productividad y la herramienta de perforación, llevando a cabo

pruebas de laboratorio antes de iniciar un trabajo de perforación de roca.

El término ”perforabilidad” se usa aquí para significar principalmente la proporción a

la que la herramienta penetra en la roca, pero en el sentido más amplio se extiende

al resultar calidad del agujero, rectitud del agujero, el riesgo de herramienta se

bloquee etc. el uso de la Herramienta es a menudo proporcional a perforabilidad,

aunque también depende de cuanto abrasiva sea la roca.



Geología

Clasificación de la roca



Teoría Perforación

La energía requerida para romper la roca se genera por una perforadora neumática

o hidráulica. Máquinas de esta clase de construcción donde una alta presión se

descarga sobre el pistón delantero. El pistón golpea al adaptador de culata. La

energía cinética del pistón se convierte en una onda de tensión que viaja a lo largo

del taladro hasta a la roca.

Para obtener el mejor posible economía del sistema de perforación, es decir,

perforadora-acero-roca, se debe armonizar. En adelante damos una descripción

teórica cómo esto es posible de ser logrado en la perforación de roca.




Forma de la onda y potencia

Teóricamente, la onda tiene una forma rectangular. Su longitud es dos veces la del

pistón, mientras su altura depende de la velocidad del pistón al momento del

impacto y la relación entre el área del pistón y del acero de perforación. La energía

total que la onda contiene se indica diagramaticalmente por el campo gris en figura

para calcular la potencia de salida de una perforadora nosotros multiplicamos la

energía de la onda por la frecuencia de impacto del pistón, y normalmente se

declara en kW. Desarrollar perforadoras con características especiales requiere se

combine varias variables, como la geometría del pistón, la proporción de impacto y

la frecuencia. Dos máquinas con las mismas tasas de potencia nominales podrían

comportarse por consiguiente bastante diferentemente.





Las formas de onda que se generan en perforadora hidráulica (Fig. 3) y neumática

(Fig. 4) son diferentes en forma. Un acero usado con máquinas hidráulicas

normalmente muestra una vida de servicio substancialmente más larga que uno

usado con máquinas neumáticas, la razón, es que el nivel de tensión es más alto

con un pistón neumático.

Esto es debido a que el pistón neumático tiene una sección más grande y necesita

una presión del funcionamiento substancialmente más baja 6-8 bar, para que el

taladro neumático opere, comparado con los 150-250 bar encontrados en sistemas

hidráulico. El pistón más delgado dará tensión más baja en el acero.





La siguiente figura muestra tres pistones:

Pistón 1 es el de una perforadora neumática que opera a una presión de 0.8 MPa

(8 bar).

Pistón 2, es de una perforadora hidráulica que opera a una presión de 12 MPa

(120 bar).

Pistón 3, es un pistón hidráulico operando a una presión de 20 MPa (200 bar).

Los pistones en este ejemplo son del mismo peso y velocidad de impacto, es decir

la velocidad a que el pistón golpea el adaptador, también es el mismo

(normalmente sobre 10 m/sec.).

Si nosotros calculamos la tensión en el acero del taladro producido por estos tres

pistones, vemos el diagrama de fondo, revela que la tensión más baja (amplitud de

la onda de choque) se obtiene con el pistón delgado largo (No. 3).





Si nosotros medimos la tensión en el acero de los pistones 2 y 3 podemos ver en el

siguiente diagrama que la tensión en el acero es 250-300 MPa (25-30 kg/mm2) y

que la ”primera onda de choque” tiene una longitud de aproximadamente 1,200 mm

que es la velocidad del sonido en el acero, 5,200 m/sec., multiplicado por el tiempo

en milésimas de segundo, 0.23 msec.

5,200 x = 1.2 M = 1,200 mm

¿Cuánta fuerza hace este producto para que el acero pueda transmitir para que el

bit perfore la roca?.

Una barra de perforación con un diámetro de 38 mm tiene un área de

aproximadamente 975 mm2 y con una tensión de 25 kg/mm2, la onda de choque

en el acero nos da una fuerza de 25 x 975 = 24,500 kg. o 24.5 toneladas.




Eficacia y pérdidas

La onda pierde algo de su energía, 6 a10 % por cada acoplamiento en su tren a lo

largo del taladro. Esta pérdida es debido en parte a la diferencia entre el área de la

barra y camisa, en parte al hecho que las caras de la barra y copla nunca son de

perfecto ajuste entre ellas. El contacto más pobre da mayor pérdida de energía.

Cuando la onda de choque alcanza por último el bit, su fuerza se descarga contra

la piedra. La eficiencia al momento nunca alcanza el 100 %. Algo de la energía es

reflejada y regresa en forma de pulso tensor. El contacto más pobre entre el bit y la

roca dará menos eficiencia.




Desarrollo de la Perforadora

El desarrollo de la perforadora ha sido muy rápido desde el descubrimiento del

principio hidráulico en los años setenta, y no va a ser lento en el futuro. Hidráulica

hace posible estas cosas. Si nosotros estudiamos el funcionamiento de un barreno

de 25 metros, cuántas ondas de choque nosotros podemos calcular que atraviesan

este tren de barras por segundo. Si la onda de choque viaja de 5,200 m/sec.

Nosotros no queremos tener más que una onda de choque a la vez en cualquier

momento lo que significa que el espacio entre las ondas de choque deben ser

mayores que la longitud del ”paquete de perforación”. Si pusiéramos esta figura a

30 metros, significa que podemos tener una perforadora de percusión, eso en

teoría golpeará el acero 5,200/30 ˜ 175 veces por seg. Una COP 1238 entrega 50

gpm., en teoría pudiéramos triplicar la frecuencia impacto sin aumentar la tensión

del acero. Podemos manejar esto aumentando el flujo de aceite y significa que

debemos aumentar la potencia de salida de motores y bombas. Aparte de esto no

hay diferencias en principio. No obstante, el tema no significa estar libre de

problemas como parece. Una muy rápida frecuencia de impacto acarrea otros

problemas




Desarrollo de la Perforadora




Presión de percusión

La presión de percusión que nosotros seleccionamos

nos da la energía de percusión. Una presión de

percusión más alta será la velocidad del pistón y en

consecuencia más alta será la energía. Si estamos

trabajando en una roca muy dura y el contacto bit-

roca es bueno, nosotros podemos utilizar energía al

máximo de la onda de choque. Si nosotros no

estamos en contacto con la roca y golpeamos con el

bit ”en el aire” la energía no puede descargarse en el

taladro; ésta invierte su dirección abajo en el bit y

vuelve atrás por el acero, pero en lugar de una onda

de presión nosotros conseguimos una onda de

tensión de la misma potencia, es decir 24 toneladas.

La onda de choque también puede ilustrarse

esquemáticamente de la manera mostrada en la

figura.





La potencia contenida en la onda de choque (Fs) es

24.5 toneladas para un acero de 38-mm , asumiendo

utilización total del mecanismo de percusión en una

COP 1238. La onda de choque es transportado a una

velocidad VS de 5200 m/s. La fuerza contenida en el

acero antes y después de la onda de choque es sólo

la de la fuerza de avance FM que está alrededor de

1.0-1.5 toneladas. Sólo cuando la porción delantera

de la onda de choque alcanza la frente del bit tiene

una fuerza FS de 24.5 toneladas obtenida entre el bit

y la roca y este es el momento que el bit comienza su

penetración en la roca. La longitud de la onda de

choque en una COP 1238 es aproximadamente 1200

mm.





En consecuencia, sólo con rocas

suficientemente duras nosotros podemos

utilizar la energía al máximo por golpe. Con

rocas muy suaves la presión de percusión

(energía percusión) tendrá que ser reducida,

para que nosotros entreguemos la cantidad

de energía justa que la roca pueda alojar se

deberá reducir la energía reflejada en la

forma de una onda de tensión en el cordón

del taladro.




Avance

El avance siempre debe satisfacerse a la

presión de percusión, una presión de

percusión alta requiere una alto presión de

avance y una presión de percusión baja

requiere una presión de avance más baja.

El propósito del avance es asegurar el

contacto permanente del bit contra la roca,

pero desde que el avance se aplica el

conjunto de perforación todavía debe poder

rodar. El avance normalmente estará

alrededor de 500-1,500 kg, dependiendo de

la perforadora que estemos usando.




Rotación

El propósito de rotación es hacer rodar la broca para

un sitio apropiado para el próximo golpe. para los bit

de botones recomendamos que la periferia del bit

deba se volteado aproximadamente 10 mm después

de cada golpe. Para tomar un ejemplo, un bit de

76mm tiene una circunferencia de 76 x 3.14 = 240

mm, y si lo queremos girar 10 mm para cada golpe

de la perforadora este bit tendría que ser movido

240/10 = 24 veces por revolución. Si la frecuencia de

impacto es 3,000 gpm. (COP 1238) esto dará

3,000/24 = 125 rpm como la proporción. rotación Si la

frecuencia de impacto es 1,800 gpm. (típico para una

máquina neumática), sería 1,800/24 = 75 rpm. Esta

claro que la proporción de rotación debe aumentarse

para una frecuencia impacto más alta y para una

dimensión del bit reducida.




Rotación

Se muestra en la forma de un gráfico

cómo la rpm de perforación cambian

con respecto al tamaño del bit. El

gráfico es válido para una máquina

hidráulica que opera a

aproximadamente 3,000 gpm

Rango de penetración (ppm) en

relación a las revoluciones (rpm)




Barrido

Como la potencia de salida de las perforadoras ha aumentado y acompañado por

eficaz aumento en proporción de penetración. El barrido se pone más significante.

El medio de barrido es normalmente el aire en equipos de superficie y agua en

subterráneos. ¿Qué esperamos del barrido?

1. Limpie el fondo del agujero para el próximo golpe.

2. Transporte el detritus fuera del agujero.

Lo que depende de:

1. Gravedad específica: La gravedad específica más alta requiere un barrido más

alto velocidad (aire barrido).

2. El tamaño de la partícula: Las partículas más grande obtenidas de la rotura de la

roca, necesariamente requiere más velocidad alta de barrido.

3. La forma de la partícula: Las partículas equiláteras necesitan mayor velocidad de

barrido. Para ilustrar esto, es fácil de llevar lejos una partícula en la forma de una

hoja que una del mismo peso que con forma esférica.




Barrido de aire

La velocidad del aire en el taladro-agujero para una

roca normal con una densidad de 2.0 ton/m3 debe

ser por lo menos 10 m/seg.

Puede reducirse si la densidad es más baja, y se

debe aumentar si es más alta. Por ejemplo, una

mina de hierro con una densidad de 4 ton/m3

necesita una velocidad de barrido de 25-30 m/seg.

en el agujero del taladro




Barrido de aire

El volumen de aire necesario puede

calcularse, si sabemos el diámetro del bit y el

diámetro de la barra para el barreno a

realizar. Por ejemplo, si nosotros usamos

barras R38 y Bit de 76 mm el área anular

entre el acero del taladro y la pared del

agujero será:




Barrido de agua

Como el agua tiene considerablemente una

mejor capacidad de levantamiento que el

aire, es suficiente tener una velocidad de 0.5

mtr/seg. en el área anular, una velocidad

considerablemente baja en relación al aire.

Al perforar tiros largos ascendentes tenemos

que tener en cuenta que tendremos una

presión de carga de 1 bar por cada 10

metros, y esta presión de carga tiene que ser

superada.


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