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Cátedra de Geología de Minas Facultad de Ciencias Naturales y Museo

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA

APUNTES DIDÁCTICOS DE GEOLOGÍA DE MINAS

Tema: Perforaciones en la exploración minera

Autores

Raúl Fernández, Raúl de Barrio y Mario Tessone

Revisión: Abril de 2015

La serie de notas o apuntes didácticos de la Cátedra de Geología de Minas, constituyen sólo una guía de los temas abordados en la materia y no pretenden tener la categoría ni de material completo ni de libro de texto. En los años en que se ha dictado la materia, los hallazgos, por parte de los alumnos y docentes, de errores y/o desarrollos confusos así como cambios introducidos a los efectos de su actualización, llevan a continuas revisiones de estos apuntes. En ciertas ocasiones el contenido cubre la totalidad del desarrollo que se da en clase, pero en otras sólo se presentan algunos fundamentos y su profundización y aplicación se brinda en las clases correspondientes. Estos apuntes fueron confeccionados tomando como base la experiencia y conocimientos de los docentes, pero también tienen una fuente bibliográfica de gran amplitud, dada la diversidad de temas que se tratan. Se han consultado tanto libros de texto específicos como artículos de revistas periódicas, los que figuran al final de cada tema. La mayor parte de esa bibliografía puede ser proporcionada a los alumnos de la materia por los docentes de la cátedra. Debe mencionarse que por ser Geología de Minas una materia optativa de la Facultad de Ciencias Naturales y Museo de la UNLP, que es tomada por estudiantes avanzados en la carrera o por estudiantes de postgrado, hay numerosos temas, definiciones y términos que se considera, fueron desarrollados previamente en otras materias y por lo tanto no están comprendidos en estos apuntes

Raúl Fernández, Raúl de Barrio y Mario Tessone Geología de Minas FCNyM-UNLP

Apuntes Didácticos: Perforaciones en la exploración minera (2015) 1

PERFORACIONES EN LA EXPLORACIÓN MINERA Si bien la práctica le dará el sustento final, un geólogo de exploración debe tener un conocimiento

general de los sistemas, máquinas y herramientas de perforación para iniciar su planificación. En este apunte se tratan los aspectos técnicos de las perforaciones y fue elaborado sobre la base de bibliografía especializada, experiencias de los docentes y aportes de colegas que, en el ámbito de la industria, han actuado en la exploración con perforaciones. Se ha organizado en tres partes: la primera trata los tipos de perforaciones, herramientas y maquinaria, la segunda sobre las operaciones más comunes que se efectúan durante las perforaciones y la última sobre las propiedades de las rocas con respecto a las perforaciones.

TIPOS DE PERFORACIONES

De acuerdo a los objetivos que tengan las perforaciones en la actividad minera suelen denominarse: sondeos y barrenos.

Los sondeos son perforaciones que tienen como finalidad la investigación del subsuelo y la toma de muestras. Pueden alcanzar profundidades desde algunas decenas hasta algunas centenas de metros (normalmente entre 50 y 400 m) y ocasionalmente 500 a 1000 metros.

Los barrenos son perforaciones de menor longitud (pocos a algunas decenas de metros) que se realizan con el fin de ser cargadas con explosivos para voladura de las masa rocosa, tanto con el objeto de apertura de labores mineras (exploración y preparación) como de producción (también se usan en obras viales, represas, tunelería, etc.). Las perforaciones pueden clasificarse de acuerdo a como trabaja la herramienta que se emplea para hacer el orificio y en este sentido existen diferentes tipos de perforación. Si la herramienta va haciendo el agujero golpeando contra el fondo, es un sondeo de percusión. Si lo hace sin golpear, girando sobre el fondo, es un sondeo de rotación. En los sondeos de percusión que se usan en minería, la herramienta que golpea en el fondo pozo va girando a cada golpe, por eso se denomina roto-percusión, para diferenciarla de la percusión pura que, en la actualidad, prácticamente no se utiliza.

Dentro de los sistemas a roto-percusión los más comunes son: martillo de percusión (en general neumáticos), martillo de fondo y martillo en cabeza.

Entre los sistemas a rotación los más comunes son: trituración con tricono y corte por desgaste con corona de diamantes (diamantina).

Cada uno permite obtener diferentes tipos de calidad de muestra y su utilidad varía según el momento de la exploración en que se encuentre el proyecto. En los métodos a roto-percusión y en el de trituración con tricono, el material rocoso que se atraviesa con la perforación se recupera en forma de polvo o fragmentos algo mayores (“cutting” o detrito). En el método con diamantina se recuperan testigos (“core”) de roca.

De acuerdo a como circula la inyección (aire, agua o agua con aditivos) en la perforación, existen dos sistemas: de circulación normal y de circulación reversa. En el primero la inyección desciende por el interior de la tubería y asciende arrastrando el cutting, entre la tubería y el espacio que queda con la pared del pozo. En la circulación reversa (RC: “reverse circulation”) la tubería (barras) es de doble pared y por lo tanto la inyección desciende por el espacio anular entre esas dos paredes y asciende por el interior de la tubería (Fig. 1).

Nota: los valores monetarios que se consignan en el apunte no necesariamente están actualizados sino que son sólo una guía



a circulaciónnormal reversa

b

Fig.1. a) barras de pared doble para circulación reversa. b) esquema de circulación del fluido (aire o agua) en sistemas de circulación normal y reversa (con tricono)

En las perforaciones rotopercusivas y de trituración por tricono que se realizan en minería, se utiliza el sistema de circulación reversa para evitar la contaminación de las muestras. La diamantina (DDH: “diamond drill hole”) es por circulación normal, pero el contacto de la inyección con el testigo es mínimo o nulo.

PERFORACIONES ROTO-PERCUSIVAS Los dos sistemas más importantes de perforaciones rotopercusivas son con “martillo en cabeza” y con

“martillo de fondo” (“down the hole”) y se utilizan tanto en sondeos como en barrenos. La herramienta cortante es de una aleación de metal duro con insertos de carburo de tungsteno (widia) de distintas formas y dimensiones denominada broca (Fig. 2), que es la encargada de triturar la roca por medio de un doble efecto, el golpeteo sobre la roca y el giro (alrededor de 6º con cada golpe) para que cada inserto no vuelva a golpear sobre el mismo lugar. Debido a que esta abrasión produce polvo y trozos de roca, es necesaria una buena limpieza del fondo del pozo para que esa herramienta no trabaje sobre material ya roto y se desgaste sin producir un avance sobre la roca.

Fig. 2. Distintos tipos de broca para martillos de fondo

Martillo en cabeza Tanto el elemento de percusión (martillo) como el

sistema de rotación están en la perforadora, fuera del pozo. El martillo golpea las barras de perforación y esta energía de choque se transmite a la broca (o herramienta perforante) que está en el fondo; el impacto se va amortiguando cada vez más según el aumento de la longitud del tren de barras.

En general parte de la energía se disipa a través de las barras de sondeo y muchas veces daña las roscas y cuplas. Este efecto suele producir además, desviaciones de la perforación. Se utiliza mayormente en barrenos.

Martillo de fondo

El elemento de percusión se encuentra en el fondo del sondeo o barreno (Figura 3) y el de rotación, como en el caso anterior, fuera de él. El efecto de percusión se produce a través de aire comprimido (a veces agua) que se inyecta a través de las barras de perforación.

mar

tillo

broc

a

inse

rtos



El aire comprimido llega al martillo que consiste en un pistón sobre el que se produce un movimiento ascendente-descendente de la broca (Figura 4) y además un movimiento de rotación. De esta forma la energía se transmite directamente al martillo y al elemento desmenuzante en un corto trecho, sin disipación. Además del ahorro de energía se tiene la ventaja que no se producen deformaciones en el tren de barras, sólo hay pequeñas desviaciones del pozo y disminuyen los ruidos molestos para los perforistas. Un inconveniente del martillo de fondo, por la relación diámetro/carrera del pistón, es que necesita trabajar en diámetros grandes (mayor de 3 pulgadas).

Fig. 3. Rotopercusión con martillo en fondo Se utilizan tanto en barrenos como en sondeos; en estos últimos no suelen usarse para profundidades mayores a 400 metros.

Fig. 4. Esquema general del conjunto de martillo en fondo con la broca.

La resistencia de las brocas (bits) al desgaste, es mayor que la de los triconos, aunque sus costos son más

elevados (~40 % superiores). De acuerdo a la forma de entrada de los detritos (cutting) en la tubería se distinguen los martillos de

fondo con toma de muestra lateral y frontal. En el primero la muestra entra por arriba del martillo, lo cual implica un grado de contaminación, aunque localizado. Los martillos de muestreo frontal tienen dos boquillas frontales donde la muestra se recupera inmediatamente después de romperla, evitando la contaminación y dando un tamaño mayor de fragmentos (Figs. 5 y 6).

Fig. 5. Broca de martillo de fondo con carga frontal (orificios). Notar los “botones” que constituyen la herramienta que desmenuza la roca por golpe y rotación



Zona decontaminación

de lamuestra

aire

aire

Ciclón

Tubosstandard

de circulaciónreversa

Entrada frontal

Tubosstandard

de circulaciónreversa

aire

aire

Adap-tador

Recuperadorde muestraen cross-over

Pérdida decirculación

Cavidad deerosión

Salida deaire y ascenso

del cutting

Ciclón

Entrada lateralEntrada lateral

Movimiento de cutting

Movimiento de cutting

Entrada frontal

Fig. 6. Martillos de fondo con toma de muestras lateral y frontal

PERFORACIONES ROTATIVAS

Trituración con tricono Es un sistema muy utilizado en la industria del petróleo. Para minería se trata de un sistema de

perforación rápido y de bajo costo, donde la muestra se obtiene como partículas pequeñas (“cutting”). En general los fragmentos son de menor tamaño que con martillos de fondo (sobre todo el de muestreo frontal) por lo que la información geológica que se obtiene es limitada, pero la geoquímica es buena.

Las unidades de perforación, en minería, pueden utilizar indistintamente el martillo de fondo o el tricono, dependiendo de las condiciones del terreno a atravesar; es decir son los mismos equipos. Están montadas sobre camiones de gran porte pero de fácil maniobrabilidad y movilidad, en ocasiones sobre orugas. (Fig. 7).

Fig. 7. Máquina de perforación por circulación reversa montada sobre orugas.

La perforadora consta de un compresor cuya potencia dará la

capacidad de perforación del equipo por entrega de un caudal y presión suficiente. La capacidad de dicho compresor se puede ver modificada por la altitud de la zona de trabajo, la baja presión (por encima de los 4500 m.s.n.m puede perturbar). Un potente motor diesel dará la energía necesaria para que el compresor funcione, como así también las bombas hidráulicas, las cuales darán



movimiento a todas las operaciones de la máquina. En general las maniobras son totalmente hidráulicas, tanto su rotación, empuje, mesa de trabajo, llaves auxiliares y guinches para colocar las barras o herramientas pesadas.

La herramienta de perforación se ubica en el extremo inferior del tren de barras y consiste en triconos (Fig. 8). Existe una gran variedad de herramientas y diferentes diámetros, siendo los de 5 ¼”, a 5 ¾” los más usados en exploración minera.

Fig. 8: Triconos

Un tricono es una herramienta de trituración formada por tres conos con dientes de aleación dura

(carburo de tungsteno). Entre los conos se encuentran las boquillas que inyectan aire; los conos rotan libremente, dando la rotación a toda la herramienta. Trituran la roca y el cutting o detrito ingresa por el tubo interior directamente con muy escasa contaminación pero con un tamaño medio a pequeño de “chip” (3-5 mm), lo cual dificulta su identificación. La duración de un tricono está en relación directa a la dureza de la roca, llegando hasta unos 200-250 metros de performance. Hay veces que se dan situaciones difíciles de resolver como por ejemplo cuando la perforación está llegando a la profundidad deseada, pero dado el desgaste del tricono se observa que la velocidad de penetración disminuyó notablemente. En ese momento hay que decidir si se cambia la herramienta (una maniobra de cambio a unos 200 metros implica una operatoria de aproximadamente tres horas o más) o se continúa con el riesgo de perder un cono, lo cual se traduce en la posibilidad de arruinar el pozo, pues romper la herramienta perdida con un nuevo tricono es muy difícil aunque no imposible.

La característica más importante del sistema es que trabaja por circulación reversa de aire o agua para la recuperación del material triturado, lo cual lo diferencia de las perforaciones de circulación normal como las de la industria petrolera que trabajan con inyecciones acuosas (lodos).

Perforaciones con corona diamantada (diamantina)

Este es uno de los tipos más comunes de perforación utilizados en la exploración minera, especialmente porque permite la obtención de un trozo de roca cilíndrico (testigo; “core” en inglés) prácticamente intacto, lo cual asegura la representatividad de los resultados de los análisis químicos practicados y a su vez pueden obtenerse datos geotécnicos (como RQD) permite la medición de estructuras (vetas, fallas, etc) y la selección de muestras para cortes delgados y pulidos.

Si bien de los testigos de roca se obtiene gran información geológica, es un sistema de avance lento y de alto costo en comparación con el de circulación reversa.

Como su nombre lo indica la herramienta de corte está dada por una corona que puede llevar diamantes naturales o sintéticos, incrustados o impregnados en una matriz de aleación con tungsteno. Esta corona se apoya y presiona sobre el fondo del pozo y por rotación, produce la pulverización de la roca. En su avance queda en su interior el cilindro de roca “intacto” (no siempre).



El primer punto a resolver es el diámetro con el que se quiere perforar; los diámetros estándar en minería se muestran en el Cuadro 1. Los más utilizados actualmente corresponden a la denominación NQ y HQ. El agregado del número 3 a la denominación, indica que lleva un tubo interior (un tercer tubo) por lo que el diámetro del testigo será algo menor que el correspondiente al de doble tubo.

Cuadro 1

DenominaciónDiámetro de testigo

(mm)Diámetro externo (pozo)

(mm)AQ 27,00 48,00BQ 36,40 60,00NQ 47,60 75,70HQ 63,50 96,00PQ 84,00 122,60BQ3 33,50 60,00NQ3 45,10 75,70HQ3 61,10 96,00

Coronas (“Core bits”)

Existe una amplia gama de coronas, de diversas marcas, adaptables a cada necesidad. Los frentes que desgastan la roca del fondo del pozo pueden ser planos, curvos o escalonados y las salidas de agua también varían. La cantidad de diamantes es muy variable así como su tamaño.

Se las puede clasificar en dos grandes tipos: de inserción y de impregnación o concreción (Figura 9). En las coronas de inserción los diamantes están insertados en la superficie y en las de impregnación los diamantes (de menor tamaño que en las anteriores) están distribuidos en toda la aleación dura (carburo de tungsteno) que conforma la matriz. Las primeras, por estar los diamantes sólo en la superficie, terminan su vida útil una vez que se desgastan dichos diamantes, y normalmente se utilizan en rocas blandas a semiduras. En las segundas, a medida que se van desgastando los diamantes y la matriz, reaparecen los diamantes que están en su interior; se las utiliza para perforar rocas blandas hasta muy duras.

Fig.9. Coronas de impregnación (foto y dibujo a la izquierda) e inserción (foto y dibujo a la derecha)

En la Figura 10 se muestran las distintas denominaciones de coronas y su elección respecto a la roca a

perforar. De fábrica, las coronas vienen con un código que indica el tipo ý número de serie, cantidad y ancho de

salidas de agua, tipo de matriz, etc. y una numeración a la que se remiten todas las operaciones realizadas con cada una. Una vez finalizada su vida útil pueden ser enviadas al fabricante a fin de recuperar los diamantes que hayan quedado. Las coronas son de alto costo (las más comunes varían entre aproximadamente 1.500 y 2.000 u$s) por lo que se debe llevar un buen control del desgaste que sufre la herramienta a fin de optimizar los rendimientos (ver ejemplos en la Figura 11). Cuando se debe realizar un



cambio de corona (por desgaste o porque no es la serie adecuada) debe levantarse todo el tren de barras (y luego volver a bajarse) con la consecuente pérdida de tiempo.

Blanda DuraROCA

areniscacaliza andesita esquisto pegmatita basalto diorita granito riolita gneis cuarcita taconita jasperita

Diamantes en superficie

Diamantes impregnados

SS 6/10SS 10/15

SS 15/25SS 25/35

SS 35/45SS 45/55

SS 55/70

Series 1Series 2

Series 4Series 6

Series 7

Series 8Series 9

Series 10

Fig. 10: Coronas con diamantes en superficie (SS) y con diamantes impregnados (Series) y su utilización más común en distintos tipos de roca

a b c

d e f

Fig. 11. Coronas de impregnación. a) nueva. b) desgaste normal con pocos metros de uso (frente plano). c) desgastada en forma normal. d) Desgaste incorrecto, cóncavo hacia la parte interna. e) Desgaste incorrecto, cóncavo hacia la parte externa. f) Corona fundida (por falta de inyección o empuje excesivo)



Escariadores (“reamings”) Por encima de la corona se instala el escariador (Figura 12), que es

una herramienta con impregnaciones de diamantes en los laterales y sirve para corregir el diámetro del pozo y permitir el buen desplazamiento de las barras. Se debe utilizar el mismo diámetro que la barra. Si se perfora muy profundo es posible colocar a lo largo del tren de barras varios escariadores.

Fig. 12. Escariador Zapatas (“shoes”)

En caso de necesitar poner tubería (“casing”) para evitar desmoronamientos del pozo o pérdida de la inyección, se utilizan las zapatas (Figura 13). Son herramientas semejantes a las coronas con diamantes impregnados y perfiles rectos. Su diámetro interno es ligeramente mayor al externo de la corona correspondiente, por lo que se puede bajar simultáneamente (la corona en su interior). Se las denomina W o sea para NQ la zapata correspondiente es NW. La tubería de casing también es de mayor diámetro y algo más liviana. Cuando se termina el pozo se retira la zapata y el casing.

Fig. 13. Zapata y escariador Barras (“rods”)

Son tubos de aceros especiales con roscas en sus extremos y de diámetro externo inferior al de la corona correspondiente, ya que por ese espacio (entre las paredes del pozo y el exterior de las barras) asciende la inyección que lleva la roca molida desde el fondo del pozo. Por ejemplo: cuando se utiliza NQ (diámetro externo= 75,7 mm) las barras tienen un diámetro externo de 69,9 mm y para HQ (diámetro externo= 96,0 mm) las barras son de 88,9 mm de diámetro externo.

El largo es de 3,05 metros o 10 pies; las correspondientes a HQ pesan 34,5 kg y las NQ 23,4 kg. Para esos diámetros, en un sondeo de 100 m de profundidad sólo el peso de las barras será del orden de 1140 ó 770 kg, respectivamente

En el extremo superior del tren de barras (conjunto de las barras enroscadas) va la cabeza de inyección conectada por medio de una manguera a la bomba. La inyección desciende a presión por el interior de las barras y saldrá por el espacio que queda entre éstas y la pared el pozo. En la parte inferior, las barras van enroscadas al barril sacatestigos Barril sacatestigo (“core barrel”)

Pueden ser de pared doble o triple (que lleva el agregado 3 en la denominación). En los de pared doble el tubo externo gira con la corona y las barras mientras que el tubo interior (que es el tubo sacatestigos propiamente dicho) no gira (Figura 14). Entre el tubo interior y el testigo sólo circula una ínfima cantidad de agua (inyección) como lubricante. El tubo interior está enroscado a un cabezal que en su parte superior lleva el enganche (Figura 15) por el cual es izado por el interior de las barras, llevando el testigo. En los de triple tubo, dentro del tubo interior va otro tubo escindido longitudinalmente en dos mitades, en el cual entra el testigo; se usa en formaciones muy fracturadas para mejorar la recuperación ya que se evita cualquier contacto del testigo con la inyección.



Fig. 14. Cabezal y tubo interior o sacatestigos

Fig. 15. Parte superior del cabezal al que va enroscado el tubo sacatestigos (tubo interior)

En la Figura 16 se muestra un esquema del barril (de pared doble) armado en el fondo del sondeo y la circulación de la inyección. Para levantar el tubo interior sacatestigos una vez que está lleno, se baja una herramienta llamada “pescador” (“overshot”) que se acopla al enganche y el conjunto es izado mediante un cable (“wire line”).

testigo

coro

na

esca

riado

r

barril(4 m)

barras

tubo externotubo interiorportatestigos

3,05 m

resorte desujeción deltestigo

cabezal

enganche paraizar tubo interior

dirección dela inyección

Fig. 16. Esquema (no a escala) del barril armado con escariador y corona (en el fondo del sondeo) y conectado por medio de las barras al sistema de rotación y circulación de la inyección. Se trata sólo de un esquema ya que el barril, según las marcas, consta de alrededor de 40 piezas. Perforadoras

La máquina perforadora puede ir montada sobre camión o patines. En el primero de los casos debe contar con gatos hidráulicos que lo elevan y sobre los cuales se apoya para trabajar. Para el segundo caso deben construirse bases de anclaje o “muertos” a los cuales se sujetará la máquina para evitar desplazamientos.

La perforadora en sí está formada por un motor y una bomba hidráulica conectada a ese motor. Las operaciones actualmente son mayormente de tipo hidráulico. Las partes más importantes son la cabeza de



rotación, pistones de empuje, la torre con su sistema de poleas y cables y el cabrestante con el cable de acero (”wire line”) que lleva el “pescador” del tubo sacatestigos.

Los fabricantes o empresas de servicios ofrecen diversos tipos de perforadoras; actualmente son todas con sistema “wire line”, que es el que permite extraer el tubo sacatestigo mediante un cable de acero, sin necesidad de levantar todo el tren de barras (como era el sistema antiguo). Lo más importante es conocer la capacidad de la máquina para alcanzar la profundidad deseada con el diámetro de perforación requerido.

Desde hace algunos años se fabrican máquinas de perforar denominadas multi-propósito (como las UDR: Universal Drilling Riggs). Éstas pueden utilizar martillo o tricono y luego, cambiando el sistema de rotación y mordazas (“chuck”), pasar a diamantina. Se las suele utilizar con ventajas cuando la mineralización está debajo de un gran espesor de roca estéril. Entonces se inicia con martillo de fondo (“pre-collar”) y al llegar al sector mineralizado se reemplaza por diamantina. Sistema de inyección

Es independiente y cuenta con una bomba y una pileta de preparación de la inyección. La bomba debe tener una capacidad para hacer circular la inyección de modo que levante los detritos que, de acuerdo a la velocidad de avance, produce la corona en el fondo del sondeo, sin permitir floculaciones y hundimientos. Estará influenciada por el diámetro y profundidad de la perforación y el espacio anular entre la pared del sondeo y el tren de barras.

La pileta de inyección se dispone al lado de la perforadora. Por razones de costos es preferible usar sólo agua, pero se obtienen mejores rendimientos de la perforación cuando se le adicionan productos especiales como polímeros, lubricantes y, eventualmente, bentonitas activadas. Actualmente prácticamente todos estos productos cumplen con las normas ambientales.

El consumo de agua es normalmente alto (unos 10.000-15.000 litros por turno de 12 hs) por lo que debe preverse muy bien el sistema de abastecimiento de agua.

OPERACIONES

LOCALIZACIÓN E INICIO DE LA PERFORACIÓN Antes de instalar la máquina perforadora se debe construir una plataforma (horizontal) para su ubicación

y los caminos de acceso para camiones, prestando especial a las pendientes adecuadas para esos equipos pesados (que no superen el 10 %). Los caminos y plataformas deben construirse con la maquinaria específica (p.ej. topadoras, retroexcavadoras y motoniveladoras); debido al porte de las máquinas perforadoras de circulación reversa se requieren plataformas de una superficie de por lo menos 20 x 20 metros. En los equipos de diamantina pueden ser algo menores.

El tamaño de esas plataformas (y de los caminos para acceder a ellas) implica algunos problemas ambientales y de reclamos por parte de los superficiarios (los dueños del terreno); sin embargo una plataforma apropiada será más segura para los trabajadores de la perforación y las maniobras que deben realizar.

La ubicación de las plataformas y la construcción de los caminos de acceso están, en general, a cargo de los geólogos (que son los que han planificado el sondeo) quienes además deben tener cuenta que no tenga demasiado relleno moderno, ya que este puede ceder durante las operaciones de la perforación.

En la plataforma se debe marcar el sitio donde se desea el pozo (boca de pozo). Si el pozo es inclinado se debe dejar indicado azimut y buzamiento para poder orientar correctamente el camión perforador. El geólogo debe constatar en el campo la correcta ubicación.



El camión perforador cuenta con gatos hidráulicos sobre los cuales se apoya y se nivela. Para ello cuentan con un nivel universal proveniente de fábrica. Para darle la inclinación correcta a la torre podemos usar la brújula, la cual apoyamos sobre uno de los rieles de la misma.

Si la plataforma está sobre relleno o si los primeros metros son de grava o regolito, se debe preparar un ante-pozo para evitar derrumbes. El mismo puede ser cementado, con yeso o entubado con casing. En las perforaciones de circulación reversa, para esta maniobra se re-perfora con triconos de 7-7/8”; en el caso de diamantina se utilizan triconos de menor diámetro. Toda la intersección con posible derrumbe se encamisa mediante la zapata con “casing” de metal; esto sucede a menudo en los primeros 5-15 m de perforación con diamantina. Cuando existe un gran espesor de gravas (varias decenas de metros e incluso centenas) seguramente se va a perforar con circulación reversa (martillo o tricono) y se encamisa con tubería de PVC que normalmente se lo abandona al finalizar el pozo.

Una vez terminadas las tareas de locación e iniciación de pozo se continúa con una perforación normal. EJECUCIÓN DE LA PERFORACIÓN Sondeos de circulación reversa

El martillo de fondo se recomienda para formaciones duras a muy duras pero con poca fracturación; sin embargo para formaciones rocosas blandas o duras muy fracturadas la utilización del tricono es ventajosa. En las operaciones mineras de exploración resulta preferible el martillo de fondo, ya que da un mayor tamaño de los fragmentos (chips) y por lo tanto pueden reconocerse más fácilmente los tipos litológicos o la mineralización.

Para una operación normal el motor trabaja en altas revoluciones, ya que el compresor y las bombas trabajan siempre al máximo. Esto lleva a un consumo de gas oil del orden de los 600 a 800 litros por turno completo perforado (12 horas) y por ende la necesidad de tener almacenado grandes volúmenes de combustible. Las normas de medio ambiente indican además que el tanque de combustible debe disponerse dentro en una pileta para derrames cuya capacidad sea 10 % superior al tanque.

Cuando se perfora en altura o donde se desea hacer pozos muy profundos o mejorar la recuperación que es baja por el fracturamiento de las rocas, se puede aumentar el caudal de aire adicionando otro compresor, el cual va montado en otro camión. Esto también sucede cuando se está perforando con aire y se encuentran en el subsuelo zonas con agua (persistente); si bien depende de la capacidad del compresor original, cuando la columna de agua a elevar supera los 70-80 metros, debe usarse el compresor adicional. En cualquier caso, la empresa de perforaciones cobra aparte el uso del compresor adicional y esto suele elevar notoriamente el costo por metro perforado

El diámetro de barra más usado para minería es 4 pulgadas y cada barra pesa aproximadamente unos 120 Kg con un largo de 6,10 m (20 pies); su costo unitario es de unos u$s 1000; en un pozo de 200 metros habrá 30 barras o sea unos u$s 30.000, que es un valor para tener en cuenta en caso de pérdida de herramientas.

El equipo de operación de la perforación debe estar integrado por un perforista y al menos dos ayudantes. El perforista tiene los comandos de operación al lado de la torre, desde donde se pueden observar todas las maniobras. Allí cuenta con instrumental que le indica la presión de todas las partes integrantes de la perforadora, el motor, compresor, bombas hidráulicas, presión de fondo de pozo, torque, avance y otros. Los ayudantes se encargan de colocar las barras, cambiar las herramientas, cargar combustible, preparar la inyección si es necesario y cambiar las bolsas de muestreo.

Una buena limpieza de pozo se debe hacer después de cada maniobra para añadir una barra, porque durante esa maniobra el pozo se queda sin presión y los materiales pesados caen al fondo del pozo y pueden salir en la próxima muestra y contaminarla. Si no se tiene un conocimiento del cuidado con que trabaja el perforista o no se puede llevar un control constante, es recomendable efectuar un chequeo de la profundidad de cada maniobra, porque si después en los resultados geoquímicos se observa que existen valores anómalos a intervalos regulares puede relacionarse a efectos de contaminación.



Un problema que puede surgir es que la perforación atraviese la napa freática o una falla con surgencia de agua. Si es poca se puede “soplar” el pozo (inyectar aire) por un intervalo de tiempo hasta que se seque, y luego continuar con normalidad. Igualmente en cada maniobra de cambio de barra se deberá posiblemente perder unos minutos soplando el pozo para que se mantenga bien seco. Si el agua es abundante se deberá cambiar el sistema de circulación y continuar usando agua. Para esto hay que contar con un camión cisterna o “aguatero y una pileta o dique de carga. Esto debe haberse previsto durante la construcción del camino buscando el lugar más cercano posible de abastecimiento. Muchas empresas perforistas cobran no sólo el camión del agua, sino también un plus por arriba de cierta distancia que puede variar entre 6 y 10 km. En caso de que haya agua, el sistema de recuperación de muestras también cambia y debe adecuarse al nuevo sistema de perforación.

Perforar con agua trae aparejado algunos problemas debido a la abundancia de arcillas que empastan las herramientas, pérdida de agua por fracturas o por una formación permeable o poca recuperación de muestra. Para solucionar estos inconvenientes existe toda una gama de aditivos para objetivos y funciones específicas como por ejemplo bentonita, anticoagulantes, inhibidores de arcillas o selladores a base de celulosa. Los que se comercializan, cumplen en general con todas las normas ambientales, pero igualmente hay que asesorarse convenientemente para evitar futuros problemas.

Toma de muestras Como ya se mencionó el material triturado asciende por el tubo interior hasta el cabezal, donde se

imprime la rotación a las barras; desde allí continúa por un manguerón hasta el ciclón (Figura 17) donde se recupera la muestra en una bolsa plástica previamente rotulada. Normalmente se escribe el número del pozo y la profundidad a la que pertenece. Previamente se le debe indicar al perforista cada cuantos metros se muestreará; lo usual es cada 1 ó 2 metros.

Existen ciclones que a la salida cuentan con un cuarteador automático del que se obtiene directamente por una boca la muestra para el laboratorio y por otra el rechazo. Otro tipo de ciclón recupera la totalidad de la muestra, entonces se la debe llevar a un cuarteador con vibrador de aire, pasarla manualmente y así obtener una muestra final que en general se toma de 5 Kg. Para ambos tipos, automático y manual, siempre se debe hacer una buena limpieza previa para evitar contaminación. Para esto se habilita una manguera con aire a presión desde la perforadora.

Si se está perforando con agua se debe cambiar el ciclón común por un ciclón cuarteador hidráulico. Este dispositivo presenta un cuarteador cónico que va rotando por presión hidráulica. Tiene dos o tres bocas de salida, la principal recupera el rechazo y las otras los cuarteos. En estas últimas se coloca la bolsa de muestreo, la cual debe ser del tipo microporosa para muestras húmedas.

Fig. 17. Esquema de equipo de perforación sistema rotativo de circulación reversa.



Suele tomarse, por ejemplo cada 20 ó 40 m, una muestra doble (duplicado) para control del muestreo. También se efectúan chequeos de tipo triple; para ello la muestra se divide en tres partes: la primera irá normalmente al laboratorio, las otras dos se separan y al finalizar el pozo se rotulan, siguiendo la numeración correlativa (se debe registrar a que muestra original corresponden); la muestra duplicada va al mismo laboratorio y la triplicada a otro). De esta forma se controla la calidad del muestreo y de laboratorio.

Costos El precio por metro perforado ronda los u$s 100, pero aumenta según la profundidad y normalmente se

cotiza hasta 100, hasta 200, hasta 300 m, etc. Este valor es de perforación neta, al que eventualmente deberán sumarse las horas con operación o sin operación. Las primeras son instalación de casing, cementación, maniobras, limpieza de pozo, etc. Las segundas son esperas en “stand by”, por falta de agua o alguna otra causa en que la perforadora no haya trabajado (tiempo ocioso). Además se pagan los triconos, brocas y aditivos utilizados y los desplazamientos para cambio de pozo. Se llega a un precio final que puede variar entre u$s 120-150, sin no se ha empleado el compresor adicional.

La capacidad media de perforación es 100 metros por turno de perforación neta y en algunos casos más.

Sondeos con diamantina (“diamond drill hole”: ddh) Una vez instalada y nivelada la perforadora, se introduce el barril armado con corona y escariador en el

cabezal de rotación (“chuck”) y en la parte superior se enrosca la cabeza de inyección con la manguera que va a la bomba; eventualmente se coloca una barra y luego la cabeza de inyección. Además de las mordazas que posee el “chuck”, dicho conjunto está sostenido por un cable de acero.

Se inicia la rotación y al comienzo del pozo se ejerce una presión hacia abajo o empuje, para lograr el avance. Cuando hay varias barras colocadas esa presión la ejerce el propio peso de las herramientas y debe contraponerse una fuerza de retención (hacia arriba) para que este peso no sea excesivo en el fondo del pozo y dañe la corona.

Si se utiliza un tubo interior o sacatestigos de 3 m se perfora esa longitud, que es cuando se llena con el testigo. Se detiene la perforación y se corta el testigo con una pequeña rotación inversa. Hecho esto se saca la cabeza de inyección y se introduce el “pescador” con el cable (“wire line”). Este “pescador” tiene un cerrojo que cuando contacta con el enganche del cabezal del tubo interior (ver Figuras 15 y 16) lo atrapa y de esta forma se levanta con el malacate. Dentro del tubo sacatestigos, en su parte inferior, hay un anillo flexible (resorte de bloqueo) que se cierra contra el testigo y no permite que este se deslice cuando se lo está levantando.

Cuando el tubo sacatestigos sale a la superficie (por el interior del tren de barras) se desengancha y se lo coloca en un sostén con mediacaña. Inmediatamente se coloca otro sacatestigos que ya está preparado al lado de la máquina (se trabaja siempre con 2 tubos sacatestigos). Si el pozo está lleno de agua (muy normal) se lo deja caer libremente ya que tendrá un descenso lento en la columna de agua; si no, se lo baja con el cable para evitar que este llegue a gran velocidad al fondo del pozo y se destruya; luego se coloca una nueva barra (con el cabezal de agua) enroscándola a la barra superior. Al llegar el nuevo tubo sacatestigos al barril, provoca una serie de sonidos muy característicos a los que el perforista debe estar atento para escucharlos; de esta forma el tubo está dentro del barril y asegurado para que no se levante al avanzar y allí se reinicia la perforación.

Una perforadora a diamantina requiere de un perforista y dos ayudantes (recomendado). El perforista tiene los comandos al lado del motor, con instrumental que le indica las condiciones de trabajo. Además debe controlar la presión de agua, ya que de quedarse sin suministro se corre el riesgo de que se funda la corona. Los ayudantes manipulan las herramientas, sacan el testigo del tubo y lo acomodan en la caja y también controlan en nivel de inyección en la pileta y el agregado de aditivos.

Del tubo interior extraído, se retira el testigo (muchos perforistas lo denominan “la muestra”) mediante golpes “suaves” y giro, que se dispone en una mediacaña inclinada (de 3 m de largo); cuando se cuenta con



personal de control las 24 horas en boca de pozo, este es el mejor momento para medir la recuperación (longitud del testigo obtenido con relación a los metros perforados) y el parámetro geotécnico denominado RQD. Luego el testigo, en orden, se pasa a la caja portatestigo.

Las cajas portatestigo son de madera, aunque hay de PVC a un costo mucho mayor, y deben estar previamente rotuladas con la denominación del pozo y el sentido de ubicación del testigo que va de la parte inferior izquierda (menor profundidad) a superior derecha de la caja. Normalmente son de 3 compartimentos de 1 m, pero también hay de 4 y de 5 compartimentos; aunque depende del peso específico de la roca, las primeras pueden alcanzar unos 25 kg y las últimas unos 42 kg, peso que tendrá influencia en su manipulación. El perforista debe colocar al final del testigo un taco de madera en el cual se indica la profundidad alcanzada y el tramo perforado. Cuando se necesita información detallada de geotecnia (para planificación de la explotación) se debe recomendar no romper los testigos para que entren en la caja; si esto es necesario se deberá marcar con una fibra indeleble donde se hizo el corte, así no se interfiere en dichos estudios.

Para los primeros metros, sobre todo si hay relleno, se usa tubería de encamisado (casing) para evitar que el agua a presión socave por debajo de la máquina y ésta se hunda. Si se comienza a perforar una roca muy friable o muy permeable es conveniente cementar la zona para luego re-perforar y pasarla sin problemas. Hay fracturas que tienen mucha fracción arenosa que hace imposible pasarlas con coronas y si se intenta cementarlas no se puede porque llevan mucha agua o se pierde la lechada en el pozo; para estos casos se utilizan triconos de diámetro pequeño. Una vez pasada dicha zona se continúa con diamantina.

El geólogo de campo normalmente se encarga de supervisar al contratista (empresa de perforaciones). Para esto se firman partes por turno o diarios, en los cuales se asientan los metros perforados, los insumos consumidos y los movimientos efectuados (por ejemplo cambio de corona). Una vez finalizado el pozo, con ellos se completará un certificado de finalización por el cual el contratista hace la factura para el cobro; por lo tanto debe analizarse con detalle. Cuando se finaliza un pozo, en esos partes, el perforista normalmente asienta que es por decisión del geólogo.

Si durante la perforación (antes de llegar al objetivo) se encuentran problemas para continuar, suele haber 2 opciones: o se firma un acta que se denomina “pozo con riesgo” lo cual implica que todas las herramientas que se pierdan por un posible atrapamiento de barras las debe pagar el cliente (quien contrató el servicio), o bien si no se quiere tomar ese riesgo se firma un acta de paralización del pozo, en la cual se expresa la detención de las tareas de común acuerdo.

Se debe controlar que los contratistas cumplan con todas las normas de seguridad y prevención del medio ambiente, porque la empresa dueña del proyecto debe responder por todos los contratistas o subcontratistas. Esto implica, entre otras cosas, seguros de accidentes, utilización de ropa de seguridad para las condiciones de trabajo, polvorines seguros y permisos de gendarmería si se trabaja con explosivos, no tener pérdidas de combustibles y lubricantes, no arrojar aditivos a cursos de agua, entre otros aspectos.

En muchas circunstancias es muy importante medir la desviación del sondeo tanto en azimut como en buzamiento. Esto se detallrá en el apunte “Actividades de exploración minera”.

Costos El costo por metro de perforación con diamantina depende del diámetro y de la profundidad (como se

señaló para otros sistemas se cotiza hasta 100, 200, 300 m etc. de profundidad). Los valores rondan los u$s 110-120/m (NQ) a u$s 130-140/m (HQ), aunque varían de acuerdo al total de metros de perforación contratados (la movilización y desmovilización del equipo de perforación a más de 1000 km cuesta alrededor de u$s 20.000-25.000); a esto se suman los aditivos para inyección, desgaste de corona y escariadores, transporte de agua, etc. por lo que pocas veces el costo suele ser inferior a u$s 180-200/m. El promedio de avance en buenas condiciones es de 40-60 metros por turno (12 hs).



Muestreo La empresa de perforación entrega las cajas portatestigo, rotuladas, en boca de pozo y de allí se trasladan

al sitio donde se realiza el estudio geológico, normalmente situado en o cerca del lugar. Él o los geólogos son los responsables de su control y en primer lugar se procede a las mediciones geotécnicas, identificación de estructuras, definición y marcado de las muestras. Posteriormente se cortan los testigos en dos mitades a lo largo de su eje (con una sierra eléctrica) y se procede a la toma de muestras (una mitad del testigo), su embolsado y etiquetado. Suele tomarse por ejemplo cada 20 ó 25 m, una muestra duplicada; la mitad del testigo vuelve a cortarse por la mitad (1/4 de testigo cada muestra) y se adjudica un número distinto a cada una (debe registrarse a que muestra corresponde el duplicado). Metodologías de muestreo y “logueo” se sintetizan en el apunte “Actividades de exploración minera”.

PROPIEDADES DE LAS ROCAS RESPECTO A LAS PERFORACIONES

Dureza Es la resistencia a la penetración de una roca por otro cuerpo más duro. Está en función de la dureza de

los minerales componentes pero además influyen la porosidad, grado de humedad, etc. Obviamente las rocas más duras serán las que tienen mayor proporción de cuarzo y las más blandas las compuestas por calcita o arcillas.

Resistencia Se denomina resistencia mecánica de una roca a la propiedad de oponerse a su destrucción bajo una

carga exterior, estática o dinámica. Las rocas tienen una resistencia máxima a la

compresión, mientras que la resistencia a la tracción normalmente es cerca de 1/10 de aquella. Además de la presencia de irregularidades locales y grado de cohesión, la resistencia depende de la composición mineralógica, por ejemplo el cuarzo tiene una resistencia a la compresión de 500 Mpa (megapascales), los aluminosilicatos entre 20 y 500 y la calcita entre 10 y 20 MPa; también depende del tamaño de los cristales (menor tamaño: mayor resistencia). Una orientación sobre la resistencia a la compresión de las rocas se da en la Figura 19.

Fig. 19. Cuadro comparativo sobre la resistencia a la compresión para las diferentes rocas.

Elasticidad y Plasticidad

Las rocas tienen distintos comportamientos ante los esfuerzos de compresión; pueden ser elástico-frágiles, plástico-frágiles o plásticas. Las primeras, con alta resistencia a la compresión tienen escasa deformación y las últimas, de baja resistencia, tienen una gran deformación. Estas propiedades dependen, en gran parte, de la composición mineralógica de la roca.



Abrasividad Es la capacidad de las rocas para desgastar la superficie de contacto de otro cuerpo más duro, durante un

rozamiento dinámico. La capacidad abrasiva aumenta con la dureza de los componentes (por ej. cuarzo), forma de los granos,

tamaño de los granos, porosidad de la roca y heterogeneidad de la composición mineralógica.

Textura La estructuración, tamaño, forma y porosidad de los minerales de una roca tienen influencia

significativa en el rendimiento de la perforación. Por ejemplo en los granos aplastados (como en un esquisto) la perforación es más dificultosa que si los granos son redondeados como en una arenisca; rocas con mayor porosidad tienen menor resistencia a la perforación.

Estructura La esquistosidad, planos de estratificación, diaclasas y fallas, afectan la linealidad de los sondeos, los

rendimientos de perforación y la estabilidad de las paredes del pozo. BIBLIOGRAFIA Instituto Tecnológico Geominero de España, 1994. Manual de perforaciones y voladura de rocas. Serie

Tecnología y Seguridad minera. 540 pp. Puy Huarte, J., 1977. Procedimientos de sondeos. Teoría, práctica y aplicaciones. Publicaciones científicas

de la junta de Energía Nuclear. Madrid, 553 pp. Vozdvizhenski, B., Golubintsev, O. y Novozhilov, A., 1982. Perforación de exploración. Editorial MIR,

Moscú. 525 pp. Catálogos de productos: Atlas Copco, Boart-Longyear

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