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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