Trabajos Y Técnicas Previas en Hidrogeología: Sondeos de Reconocimiento

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SECCIÓN 2: SONDEOS A ROTACIÓN

INTRODUCCIÓN

El método de rotación, es el más rápido y económico que existe. Los sondeos a rotación

tienen un gran desarrollo a comienzo de siglo XX, motivado fundamentalmente por la técnica

del petróleo. En hidrogeología, los sondeos de reconocimiento no revisten la importancia, en

cuanto a maquinaría, que puedan tener los sondeos para petróleo, las técnicas y los medios

que se utilizan en la rotación son un legado de estos trabajos.

Hoy día, casi todos los sondeos de reconocimiento se ejecutan por rotación. Su realización

nos permite un conocimiento litoestratigráfico del acuífero y de las formaciones geológicas

contiguas, mediante los ensayos pertinentes, podemos determinar la permeabilidad, se podrá

analizar la calidad del agua, en ese punto. Nos podrá definir, si se llega a realizar un número

conveniente de taladros, las dimensiones geométricas del acuífero, si la complejidad del

estudio nos lo permite. El análisis de todas las variables decidirá, si el sondeo debe continuar

o suspenderse y cuál debe ser el próximo taladro a realizar.

El sistema de perforación por rotación consiste en el giro de una herramienta cortante,

cuyo movimiento es transmitido a través de un varillaje que es accionado por un motor.

Durante la perforación, para evitar el calentamiento y la extracción del material que se forma

durante el corte (detritus), se emplea un fluido, el agua frecuentemente, con objeto de extraer

todo el detritus. El fluido circula por medio de una bomba que lo inyecta desde una balsa a

través del varillaje y llega al fondo del taladro para salir por la boca del sondeo ( fig. 2.19).

fig. 2.19: Salida del fluido de perforación por la boca de un sondeo de 92 mm de diámetro

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ELEMENTOS FUNDAMENTALES EN LA PERFORACIÓN A ROTACIÓN

- La batería de perforación.

- La sonda o máquina de perforar que se encuentra instalada en la superficie del

terreno.

- El fluido de perforación, que generalmente es agua, pero que muchas veces puede ser

una mezcla de diversos aditivos, que, convenientemente estudiada, nos proporciona algunas

ventajas. El fluido se denomina, en estos casos, lodo de perforación.

BATERÍA DE PERFORACIÓN

La batería de perforación está constituida de abajo a arriba por los siguientes elementos:

útil de corte (corona, triconos, etc.),

tubo de sacatestigos,

tubo de sedimentos,

cabeza de inyección,

varillaje ( figs. 2.20 y 2.21).

1.- Varillaje

2.- Tubo de sedimento (longitud variable

3.- Cabeza

4.- Tubo de testigo (longitud variable)

5.- Acoplo

6.- Caja de muelles (extractor)

7.- Corona fig. 2.20

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Útil de corte es todo elemento metálico con dureza suficiente como para que, estando en

contacto directo con la formación geológica que estemos atravesando o vayamos a atravesar,

sea capaz de triturar el material en partículas suficientemente pequeñas como para que el

fluido de perforación que estamos utilizando lo eleve a través de todo el taladro y pueda salir

por la boca para su observación y sedimentación.

fig. 2.21

Elementos de la barería en posición horizontal, en primer lugar aparece un testigo,

la corona, caja de muelles, acoplo y tubo de testigo.

Existe una gama considerable de coronas, que oscilan aproximadamente desde los 48

hasta los 130 mm, diámetros que consideramos dentro de la nomenclatura de sondeo

La corona más utilizada, normalmente, es la corona de widia (fig. 2.22).

fig. 2.22

En el caso de que nos encontremos con cuarzo o granito o formaciones de análoga dureza,

no da resultado el empleo de la corona de widia. En tales circunstancias harbríamos de

emplear la corona de diamante, existente para los mismos diámetros mencionados

anteriormente.

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fig. 2.23

Otras tipos de coronas que se suelen utilizar para no extraer testigo son: la trialeta, la cola

de pez y el tricono y cuya velocidad de avance en la perforación es mucho mayor (figs. 2.24 y

2.25).

fig. 2.24

Aspecto de una cuatrialeta o trialeta

El empleo de estos elementos está especialmente indicado en aquellas formaciones

geológicas, que por su conocimiento previo, hacen innecesaria la extracción de un testigo

continuo. En estos casos, lo que se suele hacer es observar el detritus en superficie para tener

un control del tipo de material.

En formaciones geológicas de grandes espesores, es frecuente utilizar la trialeta o el

tricono, perforar 20 ó 30 m y extraer toda la batería, introducir un tubo sacatestigo para sacar

un testigo, es suficiente con realizarlo dos o tres veces en la profundidad o profundidades que

a nosotros nos interese.

Los triconos, así llamados porque están constituidos por tres sistemas de piñas que giran

mediante el impulso que les concede el varillaje en la rotación y el rozamiento del terreno,

tienen en la parte central un orificio por donde el fluido realiza sus funciones. Pueden ser de

dos, tres o cuatro elementos (fig. 2.25).

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fig. 2.25 Aspecto de un tricono

Cada tricono, requiere para conseguir el efecto cortante óptimo, un peso y una velocidad

apropiada, variables que están relacionadas con el diámetro del tricono y la dureza del

material que vayamos a perforar.

Se suele seguir aproximadamente el criterio de que el peso debe ser proporcional al

diámetro y a la dureza de la perforación. Como regla general, para formaciones normales

puede tomarse el que resulte a razón de 1.000 kp por pulgada de diámetro. En las formaciones

duras habrá que incrementar y en las blandas rebajar el peso, aunque la observación de la

marcha de la perforación es la que nos dará el peso óptimo. La velocidad de giro debe ser

menor cuanto mayor es el diámetro del tricono y mayor la dureza de la formación, de forma

tal que, a mayor peso, menor velocidad. Estas consideraciones están recogidas en la unidad

correspondiente a construcción de pozos.

Criterios para elección de una corona

La elección de una corona depende de:

1.º La naturaleza del terreno que hemos de atravesar.

2.º Los objetivos perseguidos por dicho sondeo.

3.º Condiciones en el trabajo para ejecutar el taladro.

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Tubo sacatestigos

La corona como hemos dicho anteriormente, corta en su rotación un cilindro de roca que

se va introduciendo dentro de un tubo (fig. 2.7 y 2.10), que denominamos testigo, para que

este cilindro de roca, no impida el avance de la corona se fija ésta sobre un tubo, llamado

sacatestigo, también se suele denominar testiguero, que tiene sensiblemente el mismo espesor

y el mismo diámetro interior que la corona y en el cual se introduce la muestra obtenida

(testigo) (figs. 2.21, 2.26 y 2.27).

fig. 2.26 Vista parcial de un tubo de pared doble (posición horizontal)

Este tubo suele tener una longitud que varía entre 1,5 y 3 m, sacándonos un testigo que

depende del terreno atravesado y de las r.p.m. de la máquina.

fig. 2.26

Extremo de un tubo doble en posición horizontal, la flecha izquierda indica la posición de los

distintos orificios por donde para el agua, para continuar entre pared y pared. La flecha

derecha indica la doble pared.

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Entre la corona y el tubo sacatestigos existe lo que se denomina muelle extractor,

formado por un anillo metálico de forma troncónica, cuya base menor queda junto a la corona

y que está abierto por una generatriz (fig. 2.27) cuando está instalado en el tubo sacatestigo, el

testigo tiene la suficiente presión como para abrir este muelle o anillo y pasar fácilmente hacia

fig. 2.27

el interior. Cuando se va a extraer la batería de perforación y se levanta todo el conjunto, el

muelle, solidario con el testigo, desciende y se aprieta gracias a unos soportes cónicos del

manguito extractor, quedando así el testigo acuñado y evitando se rompa en profundidad de la

formación perforada y poder ser extraido a la superficie. Si no fuese por este ingenioso

mecanismo, el testigo, al levantar la batería, podría quedarse dentro del taladro, bien porque

no se arrancase o por salida del interior del tubo (v. figs. 3.14,3.15 y 3.16).

fig. 2.28

Corona, caja de muelles y acoplo. Obsérvese en el interior de la caja de muelles el extractor.

El mecanismo corresponde a un tubo sacatestigo simple

No siempre se suele utilizar el muelle extractor, para perforar terrenos que producen

desprendimientos o son muy blandos, no se suele emplear en este caso, el acuñamiento del

testigo se consigue con unas pequeñas piedrecitas de naturaleza silícea o similar, que se

introducen momentos antes de extraer la batería de perforación al fluido de circulación. Estos

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granos se introducen en el tubo sacatestigo y acuñan al testigo, haciendo el papel de un

fig. 2.29

Detalle del muelle extractor alojado en su casa

extractor metálico. En la construcción de pozos a rotación no se suele extraer testigo,

simplemente se observa el ripio o el detritus que sale en superficie, junto con el fluido de

perforación.

fig. 2.30 Obsérvese el muelle extractor, se encuentra ligeramente desplazado

El tubo para la extracción de testigo, puede ser normal o de pared doble. El de pared

doble tiene la característica de que el fluido de perforación, pasa sin estar en contacto con el

testigo, se consigue por medio de una doble pared. No ocurre así en el sencillo. Este detalle es

interesante, en cuanto que durante nuestra perforación podemos atravesar materiales solubles,

como yesos, que en contacto con el paso del fluido podrían disolverse, especialmente si el

sedimento atravesado es de pequeño espesor ( figs. 2.30 y 2.31).

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fig. 2.31

Vista de un tubo sacatestigos de pared doble

Tubo de sedimentos

El tubo sacatestigo puede prolongarse es su parte superior por un tubo del mismo

diámetro, abierto en su extremo superior (fig. 2.5), posee una forma característica, con objeto

de que en su giro evite el acodalamiento y distribuya los sedimentos lo más uniformemente

posible.

Todo el detritus pesado, que se va obteniendo durante la perforación, tiende a depositarse

en esta parte de la batería. Ello es consecuencia de la diferencia de velocidades que

experimente el fluido, mayor en el entorno a la batería y menor cuando se encuentra alrededor

del varillaje.

fig. 2.32 Detalle del acodalamiento del testigo por el muelle extractor. La caja de muelle se

encuentra apoyada sobre una corona

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Cabeza de inyección

La cabeza de inyección permite que el fluido de circulación pase a través del varillaje y

llegue a la batería de perforación. Está roscado en la extremidad superior de la última varilla y

lleva una unión que sirve de conexión con el varillaje, flexible, para asegurar la inmovilidad

durante el giro de esta unión. Lleva un rodamiento a bolas, que separa las partes fijas y las

móviles (fig. 2.33).

fig. 2.33

El varillaje

Está formado por varillas de diámetro variable, cada fabricante suele tener normalizado un

tipo de diámetro. Los diámetros más frecuentes en los sondeos de reconocimiento son de 42,

63 y 85 mm, dependen de la profundidad que se va a alcanzar. Tienen una longitud variable

que oscila de 1,5 hasta 6 m, aunque esta longitud viene impuesta por la altura del castillete.

Van enroscados unos a continuación de los otros, las roscas pueden ser macho y hembra

según los casos. El diámetro interior del varillaje es notablemente menor que el exterior, el

tipo de rosca puede ser a derechas o a izquierdas, aunque naturalmente todas las uniones van

del mismo modo para un varillaje dado. La forma de la rosca es de tipo cónico, con lo que se

consigue una gran rapidez en el montaje y desmontaje de las varillas ( v. fig. 2.34).

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fig. 2.35: Varillaje sobre el que se encuentran tubos sencillos portatestigos con sus correspondientes coronas

Las uniones son generalmente los puntos débiles por donde suele romperse el varillaje,

originado averías de importancia a medida que la profundidad aumenta.

Iniciación del sondeo

Una vez instalada la máquina, se apoya toda la batería de perforación en el terreno, se

inicia despacio la rotación, previamente se ha hecho pasar la primera varilla y posteriormente

las sucesivas por el husillo, que es el elemento motriz de la rotación, accionado por el motor

las varillas se van uniendo a medida que desciende,(fig. 2.36), procurando que la corona esté

presionando el fondo del taladro. En la parte superior del varillaje se coloca la cabeza de

inyección. Antes de ejercer presión sobre la corona es necesario esperar que el agua de

limpieza salga a la superficie. En cuanto el agua salga al exterior, se puede presionar, con

objeto de que avance la corona.

fig. 2.36

Detalle del husillo de una máquina Joy

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Al principio se irá con cuidado para comprobar cómo corta el terreno. Del examen del

detritus y de la resistencia al avance se podrá prever si se obtendrá mucho o poco testigo

inicialmente. Cuando se haya avanzado una profundidad igual a la del tubo del testigo, se

debe sacar la sonda para comprobar la longitud contenido en él, observar si el muelle funciona

bien y el estado de la corona.

Revoluciones de la batería de perforación

El número de revoluciones de la batería de perforación depende de la potencia de la

máquina y de la naturaleza del terreno a perforar.

En líneas generales podemos decir que a igualdad de potencia en el motor, cuanto mayor

sea el diámetro de la corona menor ha de ser la velocidad de rotación, para poder mantener la

velocidad lineal de la corona. Por ejemplo, una corona de 48 mm de diámetro puede llevar

aproximadamente doble número de revoluciones que otra de 92 mm. Las de diamante son las

que resisten mayores velocidades de rotación, las coronas de widia, a mayor velocidad de la

conveniente, obligan a extracciones más frecuentes para se afiladas, perdiéndose el

correspondiente tiempo en la extracción, es preferible disminuir la velocidad para economizar

la pérdida de tiempo en las maniobras.

Respecto al terreno, cuanto más duro y compacto sea éste, menor ha de ser la velocidad de

rotación.

El testigo

Además de los datos hidrológicos que podamos obtener en el sondeo, normalmente su

realización viene motivada por un conocimiento litoestratigráfico de la zona.

Es el material que se extrae y contenido en el interior del tubo sacatestigo, es la base para

la interpretación de los cortes geológicos y tener un conocimiento de la geología en

profundidad.

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El testigo obtenible en una perforación varía según se emplee sacatestigo sencillo o de

pared doble, depende también de las formaciones atravesadas y de las r.p.m. de la máquina.

No tiene el mismo interés el porcentaje de testigo obtenible en hidrogeología que en un

reconocimiento con vistas a una obra pública. (Entenderemos por porcentaje de testigo la

relación entre metros atravesados y metros obtenidos). Se extrae en tramos variables de 1,5

hasta 3 m y se coloca en cajas, en cuyo interior están divididas por bandas paralelas a la

longitud mayor. En ellas se van anotando las profundidades con objeto de correlacionarla con

la formación geológica atravesada.

Durante la perforación, se clasifica el sondeo litológica y estratigráficamente. Examinada

la gea, todo el testigo obtenido, debería conservarse, frecuentemente se suele abandonar.

En este sentido, sería de interés público que las Administraciones procurarán formar

«litotecas» eligiendo parte de los testigos obtenidos para su posterior almacenaje y estudio.

Este aspecto es de vital importancia para los posibles interesados en cualquier estudio

estratigráfico, petrográfico o de cualquier índole geológica o hidrogeológica.

fig. 2.37

Caja de testigo