2. PERFORACION DE SONDEOS DE INVESTIGACION

2.1. Programas de Investigación y tipos de sondeos característicos

2.2. Técnicas de perforación2.2.1. Generalidades2.2.2. Tipos de sondeos

2.3. Métodos de perforación de sondeos de investigación

2.3.1. Perforación con recuperación de testigo2.3.2. Perforación a rotopercusión con aire a baja presión2.3.3. Perforación con aire a alta presión(Booster Drilling)2.3.4. Perforación rotary con triconos

2.4. Evolución futura. Problemas a solucionar

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2.1.- PROGRAMAS DE INVESTIGACION Y TIPOS DE SONDEOS

Puesto que el objetivo final de la investigación esla caracterización de un volumen de roca representativo dentrode un área seleccionada, se suele plantear la misma envarias etapas, de manera que progresivamente se vayaprofundizando en el conocimiento deseado, con la posibilidadde suspender la investigación si los datos obtenidos en unsondeo así lo aconsejan. Factores que pueden obligar alabandono de una zona son: espaciamiento pequeño entrefracturas, condiciones anómalas, altcvalores de la hidráulica, etc.

Esta fase de investigación se suele comenzar con laperforación de un sondeo de reconocimiento profundo queatraviese la masa de la roca seleccionada llegando a losestratos infrayacentes. Este sondeo suele hacerse a testigocontinuo y permite llevar a cabo los siguientes puntos:

- Descripción y estudio detallado del testigo.- Ensayos sobre los mismos.- Testificación del sondeo.- Ensayos hidráulicos en diferentes zonas.- Medidas de esfuerzos y de la roca.

Con estos ensayos y estudios es posible ya tener uncriterio de abandono. En caso de continuar la investigación,se suelen acometer ya la realización de diferentes tipos desondeos con finalidad también distinta. Así, se perforandiversos sondeos, similares al descrito anteriormente, paraevaluar la extensión y homogeneidad de la masa de roca. Por

7otra parte se perforan 1 Ó 2 sondeos de 500-700 metrosempleando técnicas de rotopercusión con aire para llevar acabo la toma de muestras no

acontaminadas de aguas de distintas zonas y fracturas.

Con vistas a estudiar la piezometría y su variaciónen profundidad se realiza un conjunto de sondeos de 50 a 100metros, mediante técnicas de rotopercusión. A dichos sondeosse les instala un control continuo de piezometría dediferentes zonas en profundidad.

En estos sondeos se llevan a cabo ensayoshidráulicos detallados con estudio de interferencia entrediferentes sondeos.

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2.2.- TECNICAS DE PERFORACION

GENERALIDADES

En estos tipos de sondeos, enumerados suscintamente,se emplean técnicas diferentes de perforación, que se adaptanal fin perseguido por los mismos.

A s í , en la perforación de sondeos para laobtención de testigo continuo se utiliza la técnica de rotacióncon corona de testigo que a su vez puede ser de dos tipos Ó

modelos, el sistema de recogida del testigo:o batería de doble tubo. La elección del modelo de recogidade testigo, depende a su vez de múltiples factoresrelacionados con la atravesada, diámetros deltestigo deseado, rendimiento de coronas, velocidad deavance, etc. La mayoria de las veces es la experiencia la quedicta qué método se elige ccmo más apropiado.

En la perforación de sondeos profundos, para caracterización geoquímica, con muestreos de agua sin

contaminar el método más apropiado es el de rotopercusión con aire a altapresión. Este método similar al de rotopercusión tradicionalse caracteriza por la ausencia de fluidos o espumas acompañandoal aire. El problema de columna de agua es salvado mediante eluso de aire a muy alta presión (60-80 que seconsigue mediante el empleo de conectado a la salidade los compresores.

Para la perforación de sondeos piezométricos y deensayos hidráulicos se usa habitualmente el método de

9perforación a rotopercusión a baja presión. En áreas conniveles piezométricos de poca profundidad, la profundidadmáxima que se puede alcanzar suele ser de 200 metros.

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Como se ve, cada sondeo exige la elección de unmétodo de perforación adecuado a su finalidad y diseño. A

veces es necesario utilizar métodos casi siempre, porimperativos de características de formación. Es el ejemplode estudio de formaciones arcillosas tendentes alhinchamiento en que es muy difícil obtener testigo continuo.En estos casos se suele por el método rotary conadecuados que sostienen las paredes; y, eventual yperiódicamente extraer testigos conla incorporación de una batería de doble tubo.

TIPOS DE SONDEOS

En general, los sondeos se pueden clasificar endiversos tipos según la finalidad para la que se construyen.Se tienen así:

- Sondeos de reconocimiento o investigación en general.

- Sondeos

- Sondeos de monitoring o vigilancia de calidad de agua.

- Sondeos

- Sondeos de inyección de cemento o pilotes.- Sondeos de explotación de agua.- Sondeos petrolíferos, que a su vez pueden ser de

investigación o de desarrollo decampo.

- Sondeos de inyección de residuos en formaciones

- Sondeos para la creación de cavidades salinas,

- Sondeos

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-Como se ve la variedad es grande, y en cada uno de

12ellos se emplean métodos de operación

En el presente informe se trata especialmente elprimer tipo .de los enumerados, es decir, los sondeos deinvestigación y reconocimiento.

Estos sondeos tienen por objeto hacer lasexploraciones necesarias para el estudio de un determinadoterreno o formación, proporcionando entre otros los siguientesdatos:

- mediante el estudio del ripio, testigos yregistros o

- Presiones de formació n y niveles de losdistintos acuíferos cortados.

- Propiedades de las rocas tales como porosidad, permeabilidad, temperatura, existencia de fluidos,características mecánicas, etc.

- Propiedades de los fluidos contenidos en la roca, salinidades, efectos corrosivos o incrustantes, concentra- ciones de diferentes elementos, composición

etc.

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2.3.- DE PERFORACION DE SONDEOS DE

Para la realización de los diferentes tipos desondeos enumerados en el capítulo anterior existen diversosmétodos de perforación, que se adaptarán de distintasmaneras a las condiciones de cada caso, Básicamente todos losmétodos se pueden incluir en dos grupos, diferenciados por elsistema de trabajo de la son

percusión y rotación. En el primer grupo se pueden incluir lossiguientes métodos:

- Procedimientos manuales.- Martillos de percusión con aire comprimido.- Martillos en fondo.- Hinca de tubos.- Métodos de percusión con cable.

Dentro del grupo de rotación se puedenincluir:

- Procedimientos manuales.- Sondeos con granalla.- Perforación con hélice.- Rotación con obtención de testigo.- Método Rotary.- Procedimientos especiales.

Cada uno de estos métodos tiene a su vez variantesligadas al funcionamiento y dimensiones de los diferentesmecanismos de acción o transmisión.

Puesto que no es el objetivo del presente informeexponer un manual de métodos de perforación, sólo se haráreferencia a los más usados en sondeos de investigación

12aplicados al estudio de las características másimportantes de las formaciones impermeables que se trata deevaluar con el sondeo. Para un estudio más detallado de cadauno de los métodos se

13recomienda en particular el texto titulado: "Procedimientosde sondeos", de Jesús Puy Huarte (1981), editado por laJunta deEnergía Nuclear. Se trata de un compendio muy claro y sobretodo muy práctico, de los métodos de perforación. Por supuestoexisten otros tratados, ya más específicos para determinadostipos de sondeos, como pueden ser los Cursos del InstitutoFrancés del Petróleo para Perforación o paraPerforación con Diamantes, así como algunas publicaciones deChristensen Diamond Products sobre de diamantes ensondeos poco profundos',

Line en la Investigación Minera", etc., que tratanen detalle aspectos muy específicos.

Otra obra muy interesante, pero más enfocada a sondeos de explotación de agua es la titulada water and de F.G. Driscoll editada por Johnson Filtration Sistem Inc., en la en los capítulos dedicados a métodos de perforación se describen ventajas e incovenientes de los diferentes sistemas con presentación de gráficos explicativos muy claros.

No obstante el texto citado en primer lugar puedeser tomado como manual de uso diario para quien se dedique aestos aspectos de la investigación de subsuelo.

Volviendo a la investigación de rocas pocoperneables, empleadas como barreras existen ciertos condicionantes que es necesario tener encuenta a la hora de considerar los diferentes métodos deperforación. A continuación se presentan algunos comentariossobre estos condicionantes,

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de recogerse. La selección del método de perforación y ensayosbasados en la experiencia sueca en este tipo deinvestigación.

Los sondeos perforados durante las fases deinvestigación regional y local deben atender a diferentespropósitos, ya comentados en apartados anteriores. Cada uno deellos exige diferentes especificaciones en cuanto a situación, orientación, profundidad, diámetro ytipos de muestras que han de

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ha de adaptarse a las necesidades de cada caso particular.

ensayos, testificación y se realizanpara determinar las condiciones naturales del agua subterráneay del sistema que las contiene. Sin embargo, la propiaperforación altera las condiciones naturales originales poracción de los fluidos de perforación y de los ripiosgenerados. Ambos contaminan el agua subterránea y alteranlas propiedades hidráulicas del sistema. Es también frecuenteque el sondeo perforado sirva de conexión entre sistemashidráulicos con diferentes niveles provocandomovimientos de agua subterránea entre unidades diferentes.

Deben conocerse y cuantificarse los efectos de estasperturbaciones, a la vez que se desarrollan metodologías ysistemas de perforación que minimicen la alteración delestado natural.

Los métodos más frecuentemente utilizados en laperforación de rocas poco permeables son:

* Perforación con recuperación de- Testiguera convencional en sarta de- Testificación mediante- Barrenas de testificación especiales.

* Perforación a destrucción (sección total). - con aire a baja presión.- Rotopercusión con aire a alta presión (booster).- Perforación rotary con triconos.

2.3.1.- PERFORACION CON RECUPERACION DE TESTIGO

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de recogerse. La selección del método de perforación y ensayos

La toma de testigos suele ser necesaria durante las

17fases de investigación regional y caracterización deemplazamiento. De este modo pueden realizarse descripciones yensayos de laboratorio sobre los testigos, a la vez que seemplea el sondeo para ensayos hidráulicos ygeoquímico.

La evolución de las técnicas de toma d.e testigosha seguido dos tendencias. La convencional con empleo de testiguerasde doble tubo, acoplada al varillaje de perforación y la dewire

o testigo cable (Figuras 1 y 2).

En la primera la bateria de testigo se instaladirectamente sobre la sarta de perforación. Constan de dostubos: la barra exterior y el tubo portatestigos, que vanmontados mediante una cabeza que permite que el portatestigospermanezca estático durante la rotación de la barra exterior,alojando y protegiendo el testigo de los esfuerzos surgidosdurante la perforación. Las barras pueden ser extraídasrelativamente rápido si se emplean sistemas avanzados demanejo del varillaje. La proporción de testigo recogido frentea roca perforada es alta; por ejemplo, una barra convencionalde 72 mmO permite obtener testigos de 62 mmO. Se puedeutilizar como fluido de perforación lodo o mejor agua con

producto lubricante, tipo taladrina. Como es lógico, sedebe sacar la sarta cada vez que la ha penetradotoda su longitud en la formación.

En la perforación mediante wire-line, la tuberíainterior es independiente de la herramienta y puedeextraerse mediante un cable. Por ello no es necesario sacar

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de recogerse. La selección del método de perforación y ensayostoda la maniobra cada vez que se completa la bateria detestigo. Sus dimensiones deben ser suficientemente pequeñaspara poder pasar por el interior del tubo de perforaciónque sustituye al varillaje.

En el mercado hay dos sistemas principales: la serieQ y el sistema métrico estándar. La serie Q es más adecuada a

.....

Cobera poro tubo 'T'

..... ...............76 ..... ................ 2...... ..................... ................21446 .......... ............... .

......... .................... .......47

06 ......... ..........76 .......... .........66........61,5160 .......... 5356 ....... .........44,514346 ....... ......... 33...... ........

~

......................... 52306 76 ........................ 52306 66 .. .................. 52205 ...............................................................

...............

- E j e .

4-7 -

d e bronce.

-

FIGURA 1TESTIGUERA CONVENCIONAL CON TUBO TIPO T

CUADROS DE MEDIDAS

de perforación en el tubo testigo con cable

Medidas métricas

E 0 0 0 testigo

0 tren de 0 testigosin cable

86 5876 486 6 x 4 0 56 3046 20

827263

43

7262

4232

Medidas americanas

TipoCorona

0 E 0 agujero 0

testigo

Tuboexterior

Tubointerior

Varillas de perforación

Peso

27.060.0

36.4 47.6

46,O 36.5S7.2 46.073.0 60.392.1

32.5 28.642.9

x

44.5 34.955.6 46,O69.9

4 h"3 3 3 h"3

4.66.07.611.5

FIGURA

TESTIGUERA WIRELINE Y CUADRO DE MEDIDAS

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con el estándar y uno de 56 con el wire-line métrico. La

dees la velocidad de avance al

formaciones blandas que han de perforarse con lodo.Experiencias realizadas en confimaron su mala capacidadde penetración en rocas cristalinas duras. El sistemamétrico estándar, desarrollado en utiliza un wire-line de pared delgada. Su penetración esmayor, pero su uso actual está limitado a profundidadesmáximas de 600-700 m. Una perforación con diámetro nominal de76 produciría un testigo de 47.6

disminuir los tiempos de maniobra. Otra ventaja estriba enla estabilidad de la sarta. Entre los haycitar el menor del testigo, el mayor costo de la coronaque es más ancha y, por fin, sus dificultades en perforarterrenos blandos que tiendan a hincharse debido a que funcionamal cuando hay queemplear

Los tiempos invertidos para perforar sondeos en unaroca cristalina dura mediante e: sistema convencional y elsistema métrico son prácticamente similares en sondeos delorden de los 500 m.

Se han desarrollado otros tipos de barrenasespeciales de toma de testigos para hacer frente a probienas concretos. Diseños con tres tubos han sido utilizados pararecoger testigos mediante en formaciones blandas, asícono barras presurizadas para mantener la muestra a la mismapresión de la formación durante la extracción. Estos tipos de barras de testificación obtienen testigos de menor y tienen capacidades de penetración notablemente menores que los modelos utilizados habitualmente.

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En algunos proyectos de prospección de mineralesse'han tomado testigos de rocas cristalinas a profundidades quealcanzan los 3000 m. Sin embargo, en trabajos de exploraciónnormales raramente se superan los 1500 de profundidad.

2.3.2. - PERFORACION A ROTOPERCUSION CON AIRE A BAJA PRESION

En perforaciones a percusión se utiliza airecomprimido para accionar un martillo de fondo, asi como paraextraer los ripios del fondo y refrigerar la herramienta.En lugar del martillo en fondo puede usarse también triconosestandares, y añadir al aire aditivos espumantes, con lo quese amplia el campo de aplicación del método.

Las velocidades de perforación habituales son delorden de los 5 alcanzando profundidades máximas entorno a los150-200 m. Los diámetros de perforación son variables, loscostes son y las máquinas tienen fácil movilidad.Empleando este tipo de perforación no pueden tomarse testigos.Estos métodos están limitados casi exclusivamente a laperforación de rocas consolidadas o semiconsolidadas ya queen caso contrario se pueden o bien originar grandes cavidadesen el fondo o empastarse la herramienta, perdiendo suspropiedades de corte.

Dentro del programa sueco, este tipo de sondeostienen una doble finalidad: (1) Comprobar y orientar zonasfracturadas previamente detectadas mediante estudios

y de superficie; y (2) Observar el nivel

19 del agua subterránea en la zonas altas del

custrato rocoso.

Entre las ventajas del método cabe citar lavelocidad de salida del ripio, el que no dañan las formacionespermeables, no contaminan los fluidos nativos de la formación,las barrenas tienen una larga duración, durante la perforaciónse puede

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estimar la permeabilidad (grosso modo) de las formacionesatravesadas. Entre las desventajas hay que citar suslimitaciones en cuanto a tipo de formación y el elevado costode compra y mantenimiento de compresores. En la Figura 3

adjunta se presenta un análisis del campo de aplicación delmétodo preparado por unade las casas fabricantes:

2.3.3.- CON A

Dri11ing

Es una variante de la técnica de percusión en la quese emplean presiones de aire considerablemente superiores.La circulación de agua y ripios se mantiene mediante aire. EnSuecia este método ha sido ensayado hasta 500 m deprofundidad con diámetros de 165 mm, aunque es posiblealcanzar los 1500 m condiámetros de 140 mm.

se necesitan más ensayos sobre rocas cristalinas. La experiencia hasta el momento indica unos costes del 50% bajos que la perforación con toma de testigo.

Este método es de difícil aplicación a materialesblandos debido a la alta presión de inyección del aire.

Sin embargo es también muy adecuado cuando seplanean ensayos de interferencia hidráulica a gran escala. Losgrandes diámetros obtenidos en la perforación con airepermiten la instalación de bombas sumergidas de grancapacidad.

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Existe abundante información técnica sobre estosmétodos a base de inyección de aire preparada porlos fabricantes, especialmente: Compair-Holman y la antesCitada Ingersoll-Rand. Puesto que se trata de un método degran aplicación en el estudio de rocas cristalinas debaja

o

GUIR PERFORRCION

deFormación

Ejemplos

Dureza

yGranito

Basalto Gne

De muy di

Cuarcita Caliza

Arenisca Lutita Rrena Grava

No consolidada

Métodos deperforación

defondo

, de

Tricono

Perforación Rotary

aire o espuma

inserto de carb

Tricono con dient

acero

Prof

FIGURA 3CAMPO DE APLICACION DE L A ROTOPERCUSION

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permeabilidad, se adjunta como anexo alguna información técnica de interés.

PERFORACION ROTARY CON TRICONOS

Esta modalidad de perforación a rotación ampliamenteconocida en investigación minera y petrolera se utiliza cuandoha de perforarse a grandes profundidades (varios miles demetros). Con ella se alcanzan las mayores velocidades deperforación en sondeos de diámetro grande. En Escandinavia seha llegado a perforar un sondeo en granito de 311 dediámetro, alcanzándose velocidades entre

a 4000 de profundidad.

Constituye quizás el método de perforación másutilizado, ofreciendo como principales ventajas lassiguientes:

- Velocidad de perforación alta.- Necesidades de tuberías durante la perforación muy bajas.

- de montajes y traslados.- Rápida instalación de tuberías y acabados.- Gran profundidad de investigación.

Entre las desventajas cabe citar:

- Las máquinas de perforación pueden ser costosas.- Se requiere un mantenimiento sofisticado.- máquinas necesitan al menos dos personas.- La toma de muestras de formación requiere un

23procedimientoespecial.

- El uso de los fluidos de perforación puede dañar las formaciones.

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- No pueden trabajar para condiciones extremas de temperatura.

- El manejo de los fluidos de perforación requiere unconocimiento adicional y experiencia.

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2.4.- EVOLUCION FUTURA. PROBLEMAS A SOLUCIONAR.

El desarrollo de las técnicas de perforación contoma de testigos corre normalmente a cargo de los fabricantesde material de perforación y de las de sondeos.No es probable que las organizaciones que están interesadasen la investigación del realicen programas dedesarrollo en este campo. Sin embargo, puede ser deutilidad realizar estudios sobre la selección de técnicas deperforación y mejor adaptación a los diferentes casos asícomo los efectos de la peforación sobre la contaminación demuestras, etc.

Las labores de perforación suponen una parteimportante del coste total de una investigación local. Por ello, parece razonable ensayar diferentes métodos,comparar costes, tiempos de perforación, recuperación entestigos y efectos contaminantes, todo ello a diferentesprofundidades de investigación, y realizado con vistas amejorar los sistemas de Selección.

Durante la perforación se emplea agua pararefrigerar la herramienta y circular los ripios hastasuperficie. Sus efectos sobre el entorno del sondeo pueden'dividirse en dos categorías: contaminación del aguasubterránea que se desea posteriormente estudiar y alteraciónde las propiedades hidráulicas de las rocas.

El agua empleada durante la perforación contaminafuertemente el agua subterránea en las zonas permeables delsondeo. Para minimizar estos efectos deben aplicarse medidas

25preventivas. Por ejemplo, la perforación de sondeos

para agua de similarescaracterísticas a la de formación, que sin añadirle ningúntipo de aditivos, puede emplearse como fluido de perforación.

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También debe llevarse un registro muy exacto ydetallado de las pérdidas de fluido de perforación ocurridasen cada tramo permeable a diferentes profundidades. Si elcitado fluido es con un trazador que no sufraadsorción, será posible posteriormente determinar laproporción de fluido de perforación existente en el agua de laformación muestreada. Para ello es necesario, como se ha dicho,llevar a cabo un exhaustivo control de niveles en balsas,presiones, velocidades de avance, etc.

Las zonas más contaminadas suelen ser como esnatural las permeables, en las cuales tiene especial interésla obtención de muestras fiables que permitan determinar lascondiciones geoquímicas naturales. Los resultados de estosanálisis son muy importantes para obtener buenos resultadosen lahidráulica y en la estimación del transporte de nucleidos.Para obtener estos datos es fundamental una buena programaciónprevia de la perforación. Si se va a realizar unsondeo con testificación para toma de muestras de agua, laperforación ha de vigilarse estrechamente de manera que alentrar en una zona permeable, pueda pararse la perforaciónpara realizar la toma de muestras.

La alteración de las propiedades hidráulicas laroca es dificil de evitar. El uso de agua de laformación para perforar puede reducir la precipitación causadapor fluidos que no están en equilibrio con la formación.Sin embargo, la inyección de ripios generados durante laperforación dentro de las fracturas] puede por si sola alterarlas caracteristicas hidráulicas de la zona.

25Una posible solución a los problemas puede ser lautilización de técnicas de perforación con circulación inversamediante en la no seemplea fluido de perforación externa ya que actua como talel mismo agua de

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formación que se extrae junto al ripio por el interior delvarillaje y no por el espacio anular. Esta metodología deperforación es muy usada en E.E.U.U. en sondeos en los queel principal objetivo es estudiar la calidad y composición delagua de formación. Un requerimiento importante es que existaagua en la formación. En la 4 se presenta un esquemaexplicativo de'este sistema.

iodo

de airecomprimido

depara

balsa- perroración

, o

FIGURA 4

PERFORACION A CIRCULACION INVERSA CON AIRE Y ESQUEMAEXPLICATIVO.