uda 05 perforacion por sistema rotativo
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sistema rotativo para sondajes y perforacion cielo abiertoTRANSCRIPT
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La Universidad de la Regin de Atacama
Ctedra de Perforacin
302
2014
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Ctedra de Perforacin Sistema de Perforacin por Rotacin
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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
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Ctedra de Perforacin Mtodos de perforacin del
Sistema de rotacin
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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
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Rotacin con trpano cortante
Fue usado originalmente en la perforacin de pozos petrolferos, pero limitado slo a
formaciones rocosas ms bien blandas.
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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.
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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,
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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.
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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)
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La herramienta penetra la roca por la accin conjunta de:
Torque de rotacin
Fuerza de empuje aplicada sobre la superficie rocosa. (WOB) PullDown
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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.
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Comparacin del sistema por rotacin triturativa con los dems sistemas de
perforacin
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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.
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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.
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Ctedra de Perforacin Historia del Sistema de Perforacin por
Rotacin Triturativa
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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$
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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Ctedra de Perforacin Tricono
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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
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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.
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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.
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Partes y componentes del tricono
Los conjuntos principales de un tricono estn indicados en la ilustracin inferior.
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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Ctedra de Perforacin Tricono
Unin de los Conos
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Cono
Se observan los parmetros geomtricos que caracterizan la disposicin de los conos
dentados para dos tipos de roca diferentes.
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Diseo de conos para formaciones blandas
ngulos de cono mltiples, donde una hilera acta como conductor y promueve el
deslizamiento en otras hileras
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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
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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.
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Numeracin de los conos
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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
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Sin Excentricidad para formaciones Duras
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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
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Angulo de skew
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Comparacin del offset del cono
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Perfil del fondo de un pozo
Terreno Blando
Terreno Duro
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Ctedra de Perforacin Tricono
Partes internas de un cono
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Sistema de retencin de los conos
Los conos requiere de un sistema de retencin al cuerpo del trepano
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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.
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Sello O-ring ( elastmero)
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Las cargas se distribuyen de la siguiente forma sobre el cojinete, principalmente sobre el
perno piloto en componentes radiales y axiales.
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Cojinete de retencin con rodillos
Tolera altas RPM pero requiere de mas espacio.
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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.
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Rodamiento de rodillos: su funcin principal, soportar la mayor porcin de las fuerzas
radiales
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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
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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
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Sello metlico
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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
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Ancho excesivo
Cojinete exterior
Estructura del cojinete
Excesiva
Espesor adecuado
Del cono
Estructura interna
Rodamiento pequeo
Estructura interna
Rodamiento robusto
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Tricono terreno blando v/s terreno duro
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Ctedra de Perforacin Tricono
Componentes de la estructura de corte
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Estructura de corte
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Componentes de la estructura de corte
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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).
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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).
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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).
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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%)
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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:
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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.
.
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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
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Ctedra de Perforacin Parmetros de la perforacin por rotacin
triturativa Velocidad de perforacin
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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.
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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.
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Ctedra de Perforacin Sistema de Rotacin por Trituracin
Fuerza de empuje ( Pull Down)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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,
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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.
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Tabla de empuje limite planteada por Lpez Jimeno
P&V pg. 83
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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].
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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].
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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.
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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.
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Cuando se perfora una roca, los triconos pueden trabajar en tres situaciones
distintas.
a) Empuje insuficiente
b) Avance eficiente
c) Enterramiento del til.
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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.
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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.
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Rotary Blasthole Drill 320XPC de P&H
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Ctedra de Perforacin Sistema de Rotacin por Trituracin
Velocidad de rotacin
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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.
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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.
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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.
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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.
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Rotary Blasthole Drill 320XPC de P&H
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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.
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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.
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Rotary Blasthole Drill 320XPC de P&H
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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:
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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).
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Ctedra de Perforacin Sistema de Rotacin por Trituracin
Sistema de Barrido
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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].
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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].
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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.
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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
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CORRECCION POR ALTURA GEOGRAFICA
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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%
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V.B.= 1310 x ( ( 100 13,38 - 4,10 ) / 100 ) x 183,3 / ( 12,252-10,2752)
Velocidad de barrido = 4710 [Pies/min]
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Ctedra de Perforacin Sistema de Rotacin por Trituracin
Determinacin de la Velocidad de penetracin
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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.
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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).
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Grficos para el clculo de la velocidad de penetracin en funcin de la resistencia a compresin.
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Grafico de casa de fabricante de triconos
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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).
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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) .
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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
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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:
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Ctedra de Perforacin Sistema de Rotacin por Trituracin
Tricono - Dimetro de Perforacin
-
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..