uda 05 perforacion por sistema rotativo

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La Universidad de la Región de Atacama Cátedra de Perforación 302 2014

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sistema rotativo para sondajes y perforacion cielo abierto

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  • La Universidad de la Regin de Atacama

    Ctedra de Perforacin

    302

    2014

  • Ctedra de Perforacin Sistema de Perforacin por Rotacin

    [email protected]

  • Introduccin

    En el sistema de perforacin por rotacin o conocido como ROTARY, la penetracin

    en el macizo rocoso ocurre debido a la combinacin de tres acciones:

    Empuje

    Rotacin

    Barrido

  • Ctedra de Perforacin Mtodos de perforacin del

    Sistema de rotacin

    [email protected]

  • Mtodos de perforacin del sistema por rotacin

    En la prctica minera, este sistema de perforacin presenta tres variantes segn el

    tipo de cabeza de perforacin utilizada:

    Rotacin con trpano cortante

    Rotacin con herramienta abrasiva

    Rotacin con trpano triturante

  • Rotacin con trpano cortante

    Fue usado originalmente en la perforacin de pozos petrolferos, pero limitado slo a

    formaciones rocosas ms bien blandas.

  • Un trepano cortante es el trpano de escalones (Step bit) que solo se utiliza en

    formaciones no consolidadas, areniscas y arcillas. Posee la caracterstica de cortar sin

    moler lo que es ventajoso para el anlisis de los fragmentos en superficie.

  • Rotacin con herramienta abrasiva

    La perforacin rotativa con una herramienta abrasiva - corona de diamantes o

    diamantina como se le conoce en la terminologa minera- se utiliza exclusivamente

    para sondajes destinados a la recuperacin de testigos de roca con fines de

    exploracin y/o reconocimiento de un cuerpo mineralizado,

  • Rotacin con trpano triturante

    El principio utilizado por este sistema consiste en aplicar energa a

    la roca haciendo rotar una herramienta (trpano) conjuntamente con

    la accin de una gran fuerza de empuje

    La cabeza de corte gira producindose el quiebre y la rotura del

    material adems se ingresa aire a presin para la limpieza de las

    partculas generadas en el fondo del pozo, el aire se devuelve por el

    espacio anular.

  • El sistema de rotacin triturativa, logra triturar el material en funcin de cierto

    caudal requerido para poder moler, por lo general se aplica en la minera a cielo

    abierto para perforacin de pozo de produccin y buffer. Este sistema de

    perforacin es usado para rocas blandas y semi-duras logrando pozos de (3 7/8 a

    16)

  • La herramienta penetra la roca por la accin conjunta de:

    Torque de rotacin

    Fuerza de empuje aplicada sobre la superficie rocosa. (WOB) PullDown

  • En los inicios del siglo XX aparecen los primeros trpanos provistos de rodillos

    indentados que ruedan sobre el fondo del hoyo (bicono), ejerciendo una accin

    triturante sobre la roca, capaces de perforar formaciones rocosas de dureza

    mediana. Su diseo evoluciona rpidamente hasta la herramienta conocida con el

    nombre de tricono.

  • Comparacin del sistema por rotacin triturativa con los dems sistemas de

    perforacin

  • Las principales caractersticas del sistema de perforacin por rotacin triturativa son:

    La perforacin se hace fragmentando la roca, sin impacto.(cortar)

    La fuerza de avance es muy alta para poder vencer la resistencia de la roca.

    Los torques requeridos, tambin son muy elevados debido al alto empuje.

    La presin de avance y el torque de rotacin rompen y muelen la roca y el medio de

    barrido saca los recortes.

  • El barrido se logra con aire, lodos o espumante

    Roca suave requiere menor fuerza de empuje y mayor velocidad de rotacin.

    Roca ms dura requiere mayor fuerza de empuje y menor velocidad de rotacin.

    La relacin entre fuerza de empuje y velocidad de rotacin determinan la eficiencia y

    velocidad de perforacin.

  • Ctedra de Perforacin Historia del Sistema de Perforacin por

    Rotacin Triturativa

    [email protected]

  • Historia del sistema de perforacin por rotacin triturativa

    En 1933 Hughes Tools introducir al mercado los Triconos. Estos podan perforar en

    zonas rocosas y de gran dureza pero de poca durabilidad.

    Un tricono cuesta entre 3000 6000 US$

  • Hasta 1949, la mayor parte de los barrenos para voladura eran realizados mediante

    perforadoras a rotopercusin y slo en el caso de rocas muy blandas era aplicable la

    perforacin a rotacin mediante bocas de corte o trpanos.

    A principios de los aos '50 esta tecnologa se empieza a aplicar en los primeros

    equipos rotativos diseados para realizar perforaciones de tronadura en minas a cielo

    abierto. Innovaciones posteriores, principalmente en lo que dice relacin con el diseo

    de estos triconos y la calidad de los aceros utilizados en su fabricacin, le dan hoy en

    da a este sistema una gran versatilidad.

    Manual de P&V pg. 73

  • La apertura en Estados Unidos de grandes explotaciones de carbn a cielo abierto,

    con espesores de recubrimiento que alcanzaban hasta 40 m, y la aparicin en el

    mercado de un explosivo a granel barato y de gran eficiencia energtica como el

    ANFO, fueron acontecimientos que impulsaron a los fabricantes de perforadoras a

    disear equipos de gran capacidad, capaces de alcanzar elevadas velocidades de

    penetracin.

    Manual de P&V pg. 73

  • Simultneamente, se comenzaron a utilizar de forma generalizada en la minera las

    bocas denominadas triconos, desarrolladas en el campo del petrleo desde 1907, y a

    aplicar el aire comprimido como fluido de evacuacin de los detritus formados durante

    la perforacin.

    Este mtodo de perforacin es muy verstil, ya que abarca una amplia gama de

    rocas, desde las muy blandas, donde comenz su aplicacin, hasta las muy duras.

    Manual de P&V pg. 74

  • En 1970, la compaa estadounidense General Electric inventa el proceso para

    conseguir PDC, compacto de diamante policristalino. (grafito de carbn y de cobalto)

    Se aplica tanto en rocas blandas como muy duras, sin restricciones en cuanto a la

    longitud de los tiros. Su nica limitacin es el dimetro de perforacin. Por razones

    que se explicarn ms adelante, este sistema no se aplica en dimetros menores a

    6 pulgadas (150 mm )para fines de fragmentacin de rocas.

  • Cuando un tricono logra perforar mas metros ,los costos disminuyen y la operacin

    es eficiente y el trabajo eficaz.

    En minera candelaria un tricono en rocas poco competentes su vida es de 1200

    metros en cambio en terrenos de alta dureza es de 400 metros.

    El valor de un tricono va desde los 3-000 6.000 dlares

  • Como ser eficiente y eficaz en la operacin de perforacin?

    Maximizando las herramientas de trabajo con las que cuenta un Ingeniero en Minas

    La experiencia

    El conocimiento

    La aptitud operativa

    Rodrigo Gonzlez Vojiachiz : Administrador de contratos en Minera candelaria y Mantos verde

  • El ingeniero en minas debe encontrar una velocidad de perforacin (pulldown-RPM)

    que maximice el rendimiento o duracin del tricono y conocer el punto mximo de la

    vida til del tricono

    Rodrigo Gonzlez Vojiachiz : Administrador de contratos en Minera candelaria y Mantos verde

  • Ctedra de Perforacin Tricono

    [email protected]

  • Tricono

    El Trpano es la herramienta de corte localizado en el extremo inferior de la sarta de

    perforacin que se utiliza para cortar o triturar la formacin durante el proceso de la

    perforacin rotatoria.

    Fabricantes de tricono

    Baker Hughes

    Varel international

  • Los trpanos ms utilizados son los trpanos triconos, que pueden tener dientes de

    acero o insertos de carburo de tungsteno para mayor duracin en formaciones de

    rocas duras.

  • El trabajo de un tricono se basa en la combinacin de dos acciones:

    Indentacin:

    Los dientes o insertos del tricono penetran en la roca debido al empuje sobre la boca.

    Este mecanismo equivale a la trituracin de la roca.

    Corte:

    Los fragmentos de roca se forman debido al movimiento lateral de desgarre de los

    conos al girar sobre el fondo del barreno. La accin de corte slo se produce, como tal,

    en rocas blandas, ya que en realidad es una compleja combinacin de trituracin y

    cizalladura debido al movimiento del tricono.

  • Partes y componentes del tricono

    Los conjuntos principales de un tricono estn indicados en la ilustracin inferior.

  • Manual de P y V pg. 91

    Muchos de los diferentes tipos de brocas triconicas utilizan jets en la parte superior entre los conos

    para limpiarlos directamente

  • Cuerpo del tricono

    El cuerpo del tricono se compone de tres partes idnticas que se denominan

    globalmente cabeza. Cada cabeza contiene un cojinete integral sobre el que se

    inserta el cono y tambin los conductos a travs de los cuales circula el fluido de

    barrido para limpiar los detritus de perforacin del fondo de los barrenos

  • Mediante soldadura controlada por ordenador se unen las tres cabezas en una unidad y

    despus se mecaniza la rosca donde se inserta la tubera. La rosca transmite al tricono

    los esfuerzos de torsin y los axiales producidos por la perforadora a travs de las

    tuberas.

  • Tubo de aire

    El tubo de aire est diseado para permitir que un porcentaje del aire comprimido sea

    dirigido a los canales de aire para el enfriamiento de los cojinetes. El tubo de aire adems

    evita que partculas mayores entren en los canales de aire y causen restricciones de aire a

    los cojinetes. Sistema abierto

    El sistema cerrado que se esta aplicando actualmente

    consiste en que el cojinete posea un sistema de bolsa

    de aceite que lo lubrica constantemente. Un ejemplo de

    ellos es el de la Empresa de Triconos Mineros y su

    tricono de rodamientos sellados Avenger

    Fuente Expomin 2014 Stand de Aceros Varel

  • En los triconos de perforacin de barrenos un porcentaje elevado de aire se desva a

    travs de los cojinetes con objeto de refrigerar y limpiar los elementos del mismo. La

    adicin de aceite a la tubera de aire comprimido contribuye a mejorar la vida de los

    cojinetes y, por tanto, disminuye el coste de perforacin.

  • Vlvula anti retorno

    La vlvula anti-retorno est diseada para evitar que el agua del pozo penetre y tapone

    los orificios de aire cuando se apaga el compresor. La vlvula anti-retorno puede quitarse

    o colocarse de acuerdo a la necesidad.

  • Ctedra de Perforacin Tricono

    Unin de los Conos

    [email protected]

  • Cono

    Se observan los parmetros geomtricos que caracterizan la disposicin de los conos

    dentados para dos tipos de roca diferentes.

  • Diseo de conos para formaciones blandas

    ngulos de cono mltiples, donde una hilera acta como conductor y promueve el

    deslizamiento en otras hileras

  • ngulo del eje del cono

    Es uno de los aspectos ms importantes que se tiene en cuenta en el diseo de un tricono

    Primera definicin: es el ngulo que forman los ejes de los conos con la horizontal.

    Eje del cono

  • Segunda definicin: Es el ngulo formado entre el eje vertical de la broca y una lnea

    perpendicular al eje donde gira el cono.

    A medida que se aumenta el ngulo del eje, el dimetro del cono se debe disminuir o a

    medida que se disminuye el ngulo se puede aumentar el dimetro del cono.

  • Numeracin de los conos

  • Excentricidad del cono (offset)

    Otro factor a tener en cuenta en el diseo es el descentramiento u offset de los ejes de

    rotacin de los conos. La excentricidad es el desplazamiento horizontal paralelo al centro

    de los conos

  • Sin Excentricidad para formaciones Duras

  • Con Excentricidad para formaciones Blandas

    Cuando los ejes de cada cono no concurren a un punto en comn, esto aumenta la

    velocidad de penetracin debido a la accin de escariado

  • Angulo de skew

  • Comparacin del offset del cono

  • Perfil del fondo de un pozo

    Terreno Blando

    Terreno Duro

  • Ctedra de Perforacin Tricono

    Partes internas de un cono

    [email protected]

  • Sistema de retencin de los conos

    Los conos requiere de un sistema de retencin al cuerpo del trepano

  • Cojinete de retencin con bolillas o de friccin. (journal)

    Se insertan bolillas a travs de la pata, luego se inserta un tapn en el orificio y se suelda

    para que permanezca cerrado. La ventaja es que tolera pesos elevados, relativamente

    eficiente respecto al espacio.

  • Sello O-ring ( elastmero)

  • Las cargas se distribuyen de la siguiente forma sobre el cojinete, principalmente sobre el

    perno piloto en componentes radiales y axiales.

  • Cojinete de retencin con rodillos

    Tolera altas RPM pero requiere de mas espacio.

  • Componentes de los cojinetes de retencin con rodillos

    Rodamiento de bolas: La funcin principal es retener o trabar el cono en la pista de la

    pata.

  • Rodamiento de rodillos: su funcin principal, soportar la mayor porcin de las fuerzas

    radiales

  • Cojinete de friccin: la funcin principal es soportar las cargas radiales conjuntamente

    con el rodamiento de rodillos exterior, su diseo deriva del confinamiento,

    reemplazando al rodamiento de rodillo interno

  • Botn de empuje: su funcin principal, soportar las cargas o fuerzas axiales. Hay dos

    cojinetes de empuje, uno primario y otro secundario. A medida que el botn primario

    se desgasta, el secundario ayuda a soportar las cargas

  • Sello metlico

  • Proporcin de los componentes

    El tricono debe mantener un espesor mnimo del cuerpo del cono para asegurar su

    integridad estructural.

    Se determina el espesor por el tamao del cojinete dentro del cono y tambin por la

    profundidad de los agujeros para los insertos de carburo de tungsteno

  • Ancho excesivo

    Cojinete exterior

    Estructura del cojinete

    Excesiva

    Espesor adecuado

    Del cono

    Estructura interna

    Rodamiento pequeo

    Estructura interna

    Rodamiento robusto

  • Tricono terreno blando v/s terreno duro

  • Ctedra de Perforacin Tricono

    Componentes de la estructura de corte

    [email protected]

  • Estructura de corte

  • Componentes de la estructura de corte

  • Tricono muy agresivo

    La configuracin del tricono muy agresiva es una estructura de corte muy agresiva para

    rocas muy blandas con una resistencia a la compresin hasta 100 Mpa (14 500psi).

  • Tricono agresivo

    La configuracin del tricono agresiva est diseada con puntas afiladas de los insertos

    para roca blanda con una resistencia a la compresin de 75 125 mpa (10 878 18 130psi).

  • Tricono agresivo medio

    El tricono agresivo medio est diseado con un plantilla de espaciamiento de insertos

    apropiada para roca media con una resistencia a la compresin de 100 - 310 Mpa (14 500

    44 962psi).

  • Tricono poco agresivo

    El tricono menos agresivo est diseado con insertos tenaces para rocas duras con una

    resistencia a la compresin de 200 Mpa (29000psi) (mnimo).

  • Insertos de carburo

    Los conos tienen filas mecanizadas en los mismos. Cada fila tiene orificios taladrados

    dentro de los cuales van colocados a presin los insertos de carburo de tungsteno. La

    geometra de las filas, el dimetro y forma del inserto son conocidos como la estructura

    de corte y diferentes tipos de roca requieren diferentes geometras de corte.

  • En general, un tricono con insertos largos muy espaciados se utiliza para perforar roca

    blanda. Aunque un tricono para roca blanda est diseado para producir una accin de

    rascado, tambin realiza alguna accin de triturado.

  • Insertos de carburo

    Un tricono tpico para perforar formaciones duras deber tener insertos esfricos cortos

    de punta roma con pequeo espaciamiento entre los mismos. Aunque un tricono para

    terreno duro realiza alguna accin de rascado, ha sido diseado principalmente para

    perforar la roca por trituracin.

  • Que es el carburo de tungsteno ?

    El carburo de tungsteno cementado empleado en los insertos de los triconos, es una

    mezcla de carburo de tungsteno y cobalto. El tungsteno provee a los insertos la dureza y

    resistencia al desgaste requeridas mientras que el cobalto provee la tenacidad.

    El carburo de tungsteno cementado se produce a partir de un proceso metalrgico del

    polvo, donde los ingredientes en forma de polvo son compactados mediante alta presin

    a la forma diseada. Los insertos son luego sinterizados a altas temperaturas, donde se

    amalgaman los granos del polvo. A medida que los insertos se enfran, se contraen a sus

    dimensiones finales.

  • Las propiedades de carburo cementado que forma los insertos de los triconos, estn

    detalladas ms abajo:

    alta resistencia al desgaste, con una dureza de 1100 1500 H (aproximadamente 9

    en las escala Mohs)

    mayor resistencia a la compresin que el acero

    alta densidad de 14500kg/m3 (2 700lbs/cu.ft)

    mayor conductividad de la temepratura que el acero

    menor coeficiente de expansin termal que el acero (aproximadamente 50%)

  • La resistencia al desgaste (dureza) y tenacidad (una combinacin de resistencia a la

    compresin y a la traccin) son factores importantes en perforacin rotativa y estn

    influenciados por el contenido de cobalto y por el tamao del grano del tungsteno.

  • Contenido de cobalto

    El contenido de cobalto en un inserto normal esta generalmente entre un 6 a un 12% en

    peso, con un tamao de grano de 4 a 6 micrones.

    Resistencia al desgaste

    La resistencia al desgate, en relacin con el contenido de cobalto y con el tamao del

    grano de los insertos de carburo, se detalla a continuacin:

    Menor contenido de cobalto-mayor resistencia al desgaste

    Menor tamao de grano-mayor resitencia al desgaste

    Mayor resistencia al desgaste-menor tenacidad y mayor fragilidad del material

  • Resistencia al desgaste

    La resistencia al desgate, en relacin con el contenido de cobalto y con el tamao del

    grano de los insertos de carburo, se detalla a continuacin

    Menor contenido de cobalto-mayor resistencia al desgaste

    Menor tamao de grano-mayor resistencia al desgaste

    Mayor resistencia al desgaste-menor tenacidad y mayor fragilidad del material

  • Nota: el carburo tradicional surge de compromisos. A mayor resistencia al desgaste menor tenacidad o a mayor tenacidad menor resistencia al desgaste.

    Resistencia al desgaste

    CARBURO (DESGASTE/TENACIDAD)

    Tenacidad

  • Inserto dp

    El carburo cementado propiedad dual (dp) es un carburo patentado por sandvik diseado

    para brindar resistencia al desgaste y tenacidad en el mismo inserto. Las propiedades

    especficas estn diseadas en un proceso especial de sinterizado donde se puede alterar

    la resistencia al desgaste o la tenacidad introduciendo gradientes de cobalto dentro del

    cuerpo del inserto.

  • Configuracin de los insertos

    Existen diversas estructuras de corte disponibles a seleccionar para satisfacer las

    necesidades de resistencia a la compresin, abrasividad, densidad y homogeneidad de la

    roca a ser perforada.

    Para nuestros propsitos vamos a clasificar los triconos en 4 (cuatro) categoras

    generales:

  • Desgaste de la broca

    Cuando se utilizan triconos de dientes, la velocidad de penetracin disminuye

    considerablemente conforme aumenta en desgaste de la broca. En el grafico

    siguiente se muestra cmo para un tricono a mitad de uso, la velocidad de

    penetracin puede reducirse de un 50 a un 75% con respecto a la obtenida con un

    tricono nuevo.

    .

  • Consideraciones de diseo

    Sin duda la primera consideracin en el diseo de una broca, es el espacio fsico o

    confinamiento determinado por el dimetro deseado de perforacin

    Cualquier cambio en el tamao de un componente, necesariamente resulta en la variacin

    de otro

    Otros aspectos son la excentricidad y espesor de los conos, ngulo de los ejes,

    rodamientos y estructuras de corte

  • Ctedra de Perforacin Parmetros de la perforacin por rotacin

    triturativa Velocidad de perforacin

    [email protected]

  • Velocidad de perforacin (perforacin)

    La velocidad de perforacin depende de muchos factores externos: caractersticas

    geolgicas, propiedades fsicas de las rocas, distribucin de tensiones y estructura

    interna del macizo rocoso.

    Esto hace que la determinacin de la velocidad de perforacin durante el desarrollo

    de un proyecto sea una tarea difcil para el ingeniero de Perforacin y Tronadura,

    pero necesaria ya que la decisin que se tome va a incidir decisivamente en el resto

    de las operaciones.

  • Las variables internas que intervienen en la velocidad de penetracin en la perforacin

    rotativa son:

    Empuje sobre la boca.

    Velocidad de rotacin.

    Dimetro de perforacin

    Caudal de aire para la evacuacin del detrito.

    Desgaste de la broca.

    Las variables externas son las siguientes:

    Caractersticas resistentes de la formacin rocosa,

    Eficiencia del operador.

  • Ctedra de Perforacin Sistema de Rotacin por Trituracin

    Fuerza de empuje ( Pull Down)

    [email protected]

  • Fuerza de empuje

    La fuerza de empuje (F) que es necesario aplicar aumenta directamente con la

    dureza de la roca, y debe alcanzar una magnitud suficiente para sobrepasar la

    resistencia a la compresin del macizo rocoso.

    Por otra parte, esta fuerza no puede exceder un determinado valor lmite, para evitar

    daos prematuros en el trpano. En formaciones rocosas duras o muy duras, una

    fuerza excesiva conduce a la destruccin de los rodamientos, lo que significa el

    trmino de la vida til de la herramienta.

  • A su vez, la mayor o menor resistencia de los rodamientos depende del tamao del

    trpano o, en ltimo trmino, del dimetro de perforacin (). A mayor dimetro, ms

    grande es el trpano y por consiguiente ms robustos y resistentes son sus

    rodamientos.

    En suma, la fuerza de empuje es funcin de dos variables: la dureza de la roca y el

    dimetro de perforacin.

  • Fuerza de empuje mnimo

    Segn la dureza de la roca, la fuerza de empuje mnima necesaria para vencer la

    resistencia a la compresin, est dada por la siguiente frmula emprica:

    libras de peso sobre el bit

    Donde:

    Sc : Resistencia a la compresin de la roca [MPa]

    : Dimetro de perforacin [pulg]

    La fuerza de empuje se acostumbra a expresarla en libras-peso [Ibp] por unidad de

    dimetro del trpano, expresado en pulgadas ("). Si se aplica una fuerza de empuje

    por debajo de la Fmin la roca no es perforada.

  • En la tabla siguiente se comparan los valores mnimos que resultan de aplicar la

    frmula anterior con los valores observados en la prctica minera segn la dureza de

    la roca.

  • Fuerza de empuje Mximo EM

    El empuje mximo, por encima del que se produce el enterramiento del tricono, se

    considera el doble de el empuje mnimo ( Em )

    libras

  • Fuerza de empuje Limite

    Por otra parte, tambin se ha obtenido una frmula emprica que permite estimar la

    fuerza de empuje mxima que soportan los rodamientos de un tricono, en funcin del

    dimetro de perforacin ().

    libras

    Donde:

    : Dimetro de perforacin [pulg]

    El empuje mximo, por encima del que se produce el enterramiento del tricono,

  • Si se hace el ejercicio de asignarle valores numricos a la frmula anterior,

    redondeando las cifras, se obtienen los resultados que se indican en la tabla

    siguiente.

  • Tabla de empuje limite planteada por Lpez Jimeno

    P&V pg. 83

  • Los resultados anteriores permiten explicar la razn por la cual la perforacin rotativa

    no se aplica en la prctica en dimetros menores a 175 mm (aproximadamente 7"),

    salvo en rocas blandas o muy blandas.

    Por ejemplo para entender de mejor lo anterior

    En una roca mediana a dura se requiere una fuerza (F) del orden de 5.000 a 6.000

    [Ibp/" de ]; vale decir, 30.000 a 36.000 [Ibp] para un tricono de 6 pulgadas, siendo su

    lmite de resistencia del orden de 29.000 [Ibp].

  • Los resultados anteriores permiten explicar la razn por la cual la perforacin rotativa

    no se aplica en la prctica en dimetros menores a 175 mm (aproximadamente 7"),

    salvo en rocas blandas o muy blandas. En efecto, en una roca mediana a dura se

    requiere una fuerza (F) del orden de 5.000 a 6.000 [Ibp/" de ]; vale decir, 30.000 a

    36.000 [Ibp] para un tricono de 6 pulgadas, siendo su lmite de resistencia del orden

    de 29.000 [Ibp].

  • La velocidad de penetracin aumenta proporcionalmente con el empuje, hasta que se

    llega a un agarrotamiento del tricono contra la roca por efecto del enterramiento de

    los dientes o insertos, o hasta que por la alta velocidad de penetracin y el gran

    volumen de detritus que se produce no se limpia adecuadamente el barreno.

  • En formaciones duras, un empuje elevado sobre la boca puede producir roturas en

    los insertos antes de presentarse un agarrotamiento o un defecto de limpieza.

    Tambin, disminuye la vida de los cojinetes, pero no necesariamente la longitud

    perforada por el tricono.

  • Cuando se perfora una roca, los triconos pueden trabajar en tres situaciones

    distintas.

    a) Empuje insuficiente

    b) Avance eficiente

    c) Enterramiento del til.

  • Empuje necesario

    La potencia necesaria para el empuje es pequea comparada con la de rotacin.

    Adems, el empuje sobre el tricono, como se ha visto anteriormente, depende del

    dimetro y de la resistencia a compresin de la roca.. La capacidad de empuje de la

    mquina se recomienda que sea un 30% mayor que el empuje mximo de trabajo.

  • Una vez conocido este parmetro de diseo, se tendr definido el peso de la

    mquina, ya que el empuje suele ser el 50% del peso en trabajo, disponiendo de un

    10 a un 15% de reserva para asegurar la estabilidad del equipo durante la operacin

    y los desplazamientos.

  • Rotary Blasthole Drill 320XPC de P&H

  • Ctedra de Perforacin Sistema de Rotacin por Trituracin

    Velocidad de rotacin

    [email protected]

  • Velocidad de rotacin

    La velocidad de rotacin (N), expresada en [rpm], es inversamente proporcional a la

    resistencia a la compresin de la roca (Sc). En la tabla siguiente se indican las

    velocidades observadas en la prctica para los diferentes tipos de rocas identificados

    previamente.

  • Ahora, segn el tipo de dientes, esta velocidad de rotacin vara en un rango de 60 a

    120 rpm para los triconos con dientes de aceros (estampados), y entre 40 a 80 rpm

    en el caso de los triconos con insertos de carburo de tungsteno

    Perforando a velocidades de entre 30-100 RPM se obtiene adecuadas velocidades

    de penetracin y mximo rendimiento por broca aunque estos dos parmetros

    dependen de la mano de obra calificada por lo tanto se debe tener en cuenta:

    A mayor dureza de la roca utilizar menor velocidad de rotacin.

    A menor dureza de la roca utilizar mayor velocidad de rotacin.

  • El lmite de la velocidad de rotacin est fijada por el desgaste de los cojinetes, que a

    su vez depende del empuje, de la limpieza del barreno y de la temperatura; y por la

    rotura de los insertos que es provocada por el impacto del tricono contra la roca,

    siendo la intensidad de ste proporcional al cuadrado de la velocidad de rotacin.

  • La velocidad de penetracin aumenta con la velocidad de rotacin en una proporcin

    algo menor que la unidad hasta un lmite impuesto por la evacuacin del detritus.

  • Rotary Blasthole Drill 320XPC de P&H

  • Potencia de rotacin

    El cabezal de rotacin es el medio que genera que el sistema de perforacin pueda

    girar. Por lo tanto un parmetro importante de conocer es la potencia que requiere el

    cabezal-motor para realizar la rotacin requerida para un determinado tipo de roca y

    dimetro de perforacin a utilizar.

  • La potencia de rotacin puede ser determinada, por la siguiente ecuacin:

    Donde:

    HP = Potencia de rotacin (HP).

    N = Velocidad de rotacin (r/min)

    T= Par de rotacin (lb-pies).

    Por lo tanto la potencia de rotacin es igual al producto del par necesario para hacer

    girar el tricono por la velocidad de rotacin.

  • Rotary Blasthole Drill 320XPC de P&H

  • El par de rotacin aumenta con el empuje sobre el tricono y la profundidad del

    barreno. Normalmente, las perforadoras se disean con una capacidad de par

    comprendida entre 10 y 20 libras/pie por libra de empuje.

    Cuando no se conoce el par necesario, la potencia de rotacin se puede calcular a

    partir de la siguiente expresin:

  • Donde:

    HP= Potencia de rotacin (HP).

    N= Velocidad de rotacin (r/min)

    D = Dimetro de perforacin (pulg)

    E = Empuje (miles de libras por pulgada de dimetro).

  • Ctedra de Perforacin Sistema de Rotacin por Trituracin

    Sistema de Barrido

    [email protected]

  • Sistema de Barrido

    El barrido del detritus de la perforacin se realiza con aire comprimido, para lo cual el

    equipo est dotado de uno o dos compresores ubicados en la sala de mquinas.

    Mediante un tubo flexible se inyecta el flujo de aire -a travs del cabezal de rotacin-

    por el interior de la columna de barras hasta el fondo del pozo. Dependiendo de la

    longitud de los tiros, la presin requerida se ubica en un rango de 2 a 4 [Bar].

  • El compresor de aire es seleccionado al momento de comprar la mquina y

    generalmente no se re-nueva hasta despus de varios aos de servicio.

    El aire comprimido, que se inyecta por el interior de la columna de barras hacia el

    fondo del barreno, cumple los siguientes objetivos:

    Remocin o barrido del detritus desde el fondo del tiro.

    Extraccin del detritus hacia afuera.

    Refrigeracin y lubricacin de los rodamientos del tricono.

    Limpiar los cojinetes

  • El barrido y extraccin del detritus de perforacin se realiza a

    expensas de la energa cintica del aire que circula por el

    espacio anular comprendido entre las barras y las paredes del

    pozo.

    Por lo tanto, la eficiencia del proceso depende, en lo esencial,

    de la velocidad del aire (V) en este espacio anular y de la masa

    de aire o caudal (Q) que circula por el sistema.

  • Por otra parte, la refrigeracin de los rodamientos se obtiene por efecto de la

    expansin o cada de presin (AP) que se produce durante el paso del aire por el

    tricono, que a su vez depende de la presin (P) con que llega el aire a la herramienta.

    La presin de aire es controlado por el tamao de las boquillas llamadas tambin

    NOZZLE, que se encuentran en la broca triconica.

  • Los triconos actuales son de chorro (jet) que impulsan el aire entre los conos directamente

    al fondo del barreno, debiendo suministrar los compresores el suficiente caudal y presin

    para limpiar tanto el fondo del barreno como los conos.

  • Velocidad del aire de barrido (Bailing Speed)

    La velocidad ascensional mnima para la extraccin del detritus es funcin de la densidad

    de la roca y del tamao promedio de las partculas. Existen algunas frmulas empricas

    que permiten estimar esta velocidad (3000 7000 ft. /min.) si se conoce la densidad de la

    roca y el dimetro de las partculas, pueden aplicarse dos frmulas para calcular la

    velocidad ascensional mnima:

    o tambin,

  • Donde .

  • En el comienzo de un proyecto, las frmulas anteriores tienen escasas posibilidades

    de aplicacin, dado las dificultades para obtener datos confiables acerca del tamao

    promedio del detritus de perforacin.

    Detritus livianos 5000 ft. /min

    Detritus ms pesados 7000 ft. /min

    Detritus hmedos y pegados 9000 ft. /min

  • No obstante, segn la prctica minera, las velocidades de aire recomendadas

    atendiendo al tipo de roca, son las que se indican en la tabla siguiente:

  • La velocidad ascensional mxima indicada obedece al problema de desgaste de las

    barras o tubos de perforacin. El flujo de aire que circula por el espacio anular Ileva

    en suspensin un material que puede ser altamente abrasivo, especialmente si hay

    presencia de cuarzo u otros minerales de gran dureza, como ocurre frecuentemente

    en la minera metlica. Es sabido que en los fenmenos de flujo de material

    particulado, el desgaste por roce es proporcional al cuadrado de la velocidad.

  • En el siguiente grafico se representa la energa de perforacin por unidad de

    volumen en funcin de la resistencia a compresin de la roca.

  • Caudal de aire de barrido

    El caudal de aire de barrido (Q) se calcula a partir de la frmula bsica que lo

    relaciona con la seccin del ducto de circulacin y con la velocidad de flujo.

    Q = rea de la seccin transversal x Velocidad de flujo

    ecuacin 1

    ecuacin 1 ecuacin 2

  • ( ecuacin 2 modificada)

    Dnde:

    Q = Caudal del aire circulado en CFM

    V = Velocidad (BAILING SPEED) en ft. /min

    D = Dimetro del taladro en pulgadas

    d = Dimetro de las barras de perforacin en pulgadas

  • Si los trozos son grandes y el caudal de aire insuficiente vuelve a caer en el fondo,

    producindose su remolienda hasta alcanzar el tamao adecuado para ascender.

  • Ejemplo de calculo de Caudal de aire de barrido

    Cuantos CFM se necesitan en una columna de barras de dimetro 8-5/8 y un tricono

    de perforacin de 9-7/8, adems considere una velocidad de barrido anular de 5.000

    ppm.

    La ecuacin se puede reducir a la siguiente si reemplazamos la velocidad de barrido.

  • Otro factor a considerar en relacin con este tema, es el rea de la seccin anular

    por donde circula el aire o, planteado de manera ms prctica, se trata de la

    diferencia entre el dimetro de perforacin y el dimetro exterior de las baas [ - D].

    Dado que a medida que aumenta la resistencia de la roca el tamao del detritus es

    ms pequeo, la prctica operacional aconseja adoptar los siguientes valores:

  • Por ltimo, en este mismo orden de cosas, otros especialistas proponen que cuando

    la resistencia a la compresin de la roca (Sc) es menor a 100 MPa, la proporcin

    entre la seccin transversal del pozo y la seccin del espacio anular debe ser de 2 a

    1, lo que equivale a una relacin D/ igual a 0,7.

  • Cuando la perforacin se efecta con menos aire que el necesario para limpiar con

    efectividad el barreno, se producen los siguientes efectos negativos:

    Disminucin de la velocidad de penetracin.

    Aumento del empuje necesario para perforar.

    Incremento de las averas de la perforadora, debido al mayor par necesario para

    hacer girar el tricono.

    Aumento del desgaste en el estabilizador, en la barra y en el tricono.

  • Presin del aire de barrido

    Los resultados de las investigaciones realizadas por los fabricantes, indican que la

    cada de presin (AP) del aire al pasar por el tricono -requerida para una adecuada

    refrigeracin de sus rodamientos- se ubica en un rango de 30 a 50 [psi], lo que

    equivale a 2,1 y 3,5 [bar] respectivamente. Si se suma la prdida de carga que

    experimenta el flujo de aire entre el compresor y la herramienta, estimada en unas 10

    [psi], se concluye que el valor promedio de la presin manomtrica requerida a la

    salida del compresor es del orden de 3,5 [bar].

  • Esta presin final incide significativamente en el consumo de energa del compresor,

    y en ltimo trmino en el costo de operacin del equipo, lejos el mayor consumo de

    energa de las perforadoras rotativas se origina en el suministro de aire comprimido

    para la extraccin del detritus.

  • Velocidad de Barrido

    La velocidad de barrido va en funcin a la velocidad del aire en el espacio anular del

    pozo en condiciones estndares ( altura a nivel del mar y temperatura de 27 C)

    Velocidad de barrido = Volumen del aire/ rea anular.

    Velocidad de barrido [Pies/Min]= Q x Fc x 183,3 / (D2 - d2)

    Donde

    Q= Volumen del aire en el bit, broca o tricono [Pies3/min]

    D= Dimetro del pozo (Broca) [Pulgadas]

    d= Dimetro de la barra [Pulgadas]

    183,4 = Cte. Para unidades inglesas

  • El volumen de aire en el bit, broca o tricono se ve disminuida por la altura geogrfica

    de las operaciones y el clima del sector:

    3,4 % por 305 metros / 1000 pies, por encima del nivel del mar.

    2 % por cada 5,6C / 10F, por encima de 15,5C / 60F.

    Velocidad de barrido [Pies/Min]= Q x Fc x 183,3 / (D2 - d2)

    Donde

    Fc = ( 100 % - % por de perdida por altura - % de perdida por temperatura) / 100

  • CORRECCION POR ALTURA GEOGRAFICA

  • Ejercicio 1

    Calcular la velocidad de barrido en condiciones estndar, bajo los siguientes

    antecedentes:

    Compresor (capacidad)= 1310 [Pies3/min]

    Dimetro de la broca= 12,25 [Pulgadas]

    Dimetro de la barra= 10,75 [Pulgadas]

    V.B.= 1310 x 183,3 / 12,252-10,752= 6960 [Pies/min] 2121 [Metros/min]

  • Ejercicio 2

    Calcular la velocidad de barrido bajo los siguientes antecedentes:

    Compresor (capacidad)= 1310 [Pies3/min]

    Dimetro de la broca= 12,25 [Pulgadas]

    Dimetro de la barra= 10,75 [Pulgadas]

    Altura geogrfica = 1200 msnm (4000 pies)

    Temperatura = 27C (80 F)

  • Fc = ( 100 % - % por de perdida por altura - % de perdida por temperatura) / 100

    % por de perdida por altura

    3,4% = 305 m

    x = 1200 m % por perdida por altura = 13,38%

    % por de perdida por altura

    2,5% = 5,6 C

    x = (27 -15,5)C % por perdida por temperatura = 4,10%

  • V.B.= 1310 x ( ( 100 13,38 - 4,10 ) / 100 ) x 183,3 / ( 12,252-10,752)

    Velocidad de barrido = 5791 [Pies/min] 1765 [Metros/min]

  • Ejercicio 3

    Calcular la velocidad de barrido bajo los siguientes antecedentes, la barra se

    desgasto desde 10,75 pulgadas a 10,275 pulgadas.

    Compresor (capacidad)= 1310 [Pies3/min]

    Dimetro de la broca= 12,25 [Pulgadas]

    Dimetro de la barra= 10,275 [Pulgadas]

    Altura geogrfica = 1200 msnm (4000 pies)

    Temperatura = 27C (80 F)

  • Fc = ( 100 % - % por de perdida por altura - % de perdida por temperatura) / 100

    % por de perdida por altura

    3,4% = 305 m

    x = 1200 m % por perdida por altura = 13,38%

    % por de perdida por altura

    2,5% = 5,6 C

    x = (27 -15,5)C % por perdida por temperatura = 4,10%

  • V.B.= 1310 x ( ( 100 13,38 - 4,10 ) / 100 ) x 183,3 / ( 12,252-10,2752)

    Velocidad de barrido = 4710 [Pies/min]

  • Ctedra de Perforacin Sistema de Rotacin por Trituracin

    Determinacin de la Velocidad de penetracin

    [email protected]

  • Frmulas empricas de estimacin de la velocidad de penetracin

    Este procedimiento es de una gran sencillez y est basado en frmulas empricas

    determinadas por ensayos de campo. En general, tienen en cuenta las siguientes

    variables:

    Dimetro de perforacin.

    Empuje sobre el tricono.

    Velocidad de rotacin

    Resistencia a compresin simple.

  • La variable desconocida es la Resistencia a Compresin, cuyo valor es fcilmente

    estimado mediante un ensayo de laboratorio o de campo, a partir de la Resistencia

    Bajo Carga Puntual.

    Una vez determinada la velocidad de penetracin, es preciso estimar cul ser la

    velocidad media resultante al incluir los tiempos muertos y la disponibilidad mecnica

    de los equipos que se supone del 80%. Se calcula mediante la expresin:

    Donde:

    VM = Velocidad media de perforacin (m/h).

    VP = Velocidad de penetracin (m/h).

  • Grficos para el clculo de la velocidad de penetracin en funcin de la resistencia a compresin.

  • Grafico de casa de fabricante de triconos

  • Frmulas de A. Bauer y P. Calder (1967)

    Despus de un trabajo de investigacin realizado en explotaciones de mineral de

    hierro en Canad, propusieron la siguiente expresin:

    Donde

    VP = Velocidad de penetracin (pies/hora).

    K = Factor que depende de la roca vara entre 1,4Y 1,75 para rocas con resistencia a compresin

    comprendidas entre 15.000 y 50.000 (libras/ pulg2)

    E = Empuje (libras/ pulg de dimetro).

    RC = Resistencia a compresin (libras por pulgada cuadrada).

  • Frmulas de R. Praillet (1978)

    Esta frmula tiene una mayor fiabilidad en todos los rangos de resistencias de las

    rocas, y permite calcular en una operacin en marcha el valor de RC.

    Donde

    VP = Velocidad de penetracin (metros/hora).

    E = Empuje (Kg)

    RC = Resistencia a compresin (Mpa)

    N, = Velocidad de rotacin (r/min)

    D = Dimetro del tricono (mm) .

  • Frmulas de Bauer (1971)

    Bauer modific la frmula introduciendo otra variable, como es la velocidad de

    rotacin:

    Donde

    VP = Velocidad de penetracin (pies/hora).

    W/D = Empuje unitrio (Miles de libras/ pulg de dimetro).

    SC = Resistencia a compresin (Miles de libras por pulgada cuadrada). Miles de psi

    RPM = Velocidad de rotacin (r/min).

    W = pull down (en miles de libra)

    = dimetro de la broca en pulgadas

  • Formula de SMITH GRUNNER,

    Grunner aplica la misma frmula de Bauer pero en diferentes segmentos de SC

    (resistencia a la compresin)

  • Ejemplo

    Teniendo los siguientes datos calcular la velocidad de penetracin con las formulas

    indicadas por Smith Grunner.

    Mineral de hierro

    Resistencia a la compresin simple de la roca 30 000 PSI

    Velocidad de rotacin 75 RPM

    Capacidad de Pull Down 90 000 lbs.

    de broca 15 pulg.

    Broca ser usada en mineral abrasivo muy dura.

  • Entonces ubicamos la resistencia a la compresin para determinar que formula

    utilizar:

  • Ctedra de Perforacin Sistema de Rotacin por Trituracin

    Tricono - Dimetro de Perforacin

    [email protected]

  • Dimetro de perforacin

    La velocidad de penetracin obtenida con empuje y velocidad de rotacin constantes

    es proporcional al inverso del dimetro de perforacin al cuadrado.

    .

  • Una vez determinado el dimetro de perforacin a utilizar, que depende de:

    Produccin requerida.

    Tamao y nmero de equipos de carguo y transporte

    Altura de banco.

    Limitaciones ambientales del entorno

    Costos de operacin..