Perforación Dirigida

La Perforación Horizontal Dirigida (PHD) se emplea para la colocación sin zanja de nuevas tuberías, conductos y cables. El trazado de la perforación puede ser recto o gradualmente curvado, y la dirección de la cabeza perforadora puede ajustarse en cualquier momento durante la realización de la perforación piloto para esquivar obstáculos o pasar bajo carreteras, ríos o vías férreas, para seguir el trazado previsto.

Las perforaciones se pueden llevar a cabo desde la superficie del terreno, o bien entre fosos de ataque previamente excavados, colocando la máquina de modo que inicie la perforación con un ángulo pequeño respecto a la superficie.

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Esquemá básico del método PHD.

En términos de escala y capacidad, la PHD se encuentra entre las técnicas de Topo de Percusión y el Microtunelado.

Los términos Perforación Guiada y PHD, son habitualmente usados indistintamente. Sin embargo, el término PHD se aplica frecuentemente al sector más pesado del mercado, como grandes cruces de ríos, canales y autopistas cubriendo frecuentemente grandes distancias, pero actualmente hay tal solapamiento en las capacidades de los diferentes sistemas, que probablemente es innecesario establecer una frontera entre ambas

La capacidad de tiro, o la fuerza disponible en toneladas, es el criterio más empleado para clasificar los sistemas de PHD. A mayor capacidad de tiro, generalmente mayor será la máquina, mayor diámetro de tubería, conducto o cable que es capaz de instalar, y mayor longitud de perforación posible. En cualquier caso, esto depende de las condiciones del terreno y del diámetro de la tubería o cable que se desee colocar.

Montaje y Ejecución

En los primeros años, la PHD se usaba principalmente para colocar tuberías de presión y conductos para cables, donde la precisión en la inclinación no es crítica, más que para tuberías de gravedad, que tienen unas tolerancias en su alineación vertical más exigentes para cumplir con los criterios hidráulicos de diseño.

Sin embargo, recientemente, las máquinas y los sistemas de guiado ofrecen una mayor precisión en el control y monitorización de la posición en las condiciones geológicas adecuadas, y por esta razón estas técnicas se emplean cada vez más para colocar tuberías de gravedad.Las capacidades del equipamiento han mejorado en los últimos años, tanto en la potencia y los diámetros de instalación disponibles, como en un rango más amplio de tipos de terreno perforables, y cada vez más se aprecian las ventajas de la tecnología sin zanja para obra nueva.

La colocación de la tubería o conducto, se realiza normalmente en dos o tres fases.

  • En primer lugar, se realiza una perforación piloto siguiendo el trazado previsto, empleando un equipo de monitorización de la posición que proporciona la información necesaria para el guiado,
  • Posteriormente la perforación es ensanchada de forma concéntrica en sentido contrario al de la perforación piloto, bien de una sola vez, o por etapas, dependiendo de las condiciones del terreno y las exigencias del proyecto, para conseguir el diámetro adecuado para la tubería a colocar.
  • Durante la etapa de tiro, la tubería a instalar se conecta con un antigiro al escariador y éste, a la vez, al varillaje, y se tira de ella junto a dicha perforadora para alojarla en la perforación ensanchada.

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Cruce de carretera sin zanja mediante el método de PHD.

Los fabricantes a nivel mundial son numerosos y ofrecen una amplia variedad de equipamiento, desde máquinas compactas para pequeños diámetros y pequeñas longitudes, hasta máquinas muy grandes capaces de colocar tuberías de gran diámetro a lo largo de más de un kilómetro.

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Clasificación de máquinas perforadoras para PHD

Normalmente, las máquinas son emplazadas en superficie pero hay situaciones en las que la implantación de la máquina es requeridadentro del foso.

Las máquinas emplazadas en superficie por lo general se mueven sobre orugas y pueden acceder por sus propios medios a la posición de trabajo. Aunque no necesitan fosos de ataque ni de recepción para colocar la nueva tubería, es necesario realizar pequeñas excavacionespara poder conectar los extremos de la tubería al tramo anterior y posterior, malgastando los primeros metros de la nueva tubería para alcanzar la profundidad requerida.

Las máquinas emplazadas en un foso, requieren una excavación en los dos extremos de la perforación, pero pueden ser manejadas en un espacio reducido. Están pensadas para perforar en trazados relativamente cortos y rectos, con leves desviaciones, lo que puede limitar su capacidad para evitar obstáculos.

Métodos

La mayoría de las máquinas de PHD utilizan una cabeza de perforación asistida por fluidos que es empujada a través del terreno por una barrena de perforación.

Las capacidades de las máquinas de PHD varían considerablemente en función del tipo de terreno que deben perforar:

  • Arcillas homogéneas: En general, las arcillas homogéneas son los suelos más favorables.

  • Arenas: Pueden presentar problemas, especialmente si están por debajo del nivel freático o no son autoestables.

  • Gravas: Pueden penetrarse, a expensas de un desgaste acelerado de la cabeza de perforación, y son muy difíciles de estabilizar.

  • Roca: Las máquinas estándar no son adecuadas generalmente para perforar roca o inclusiones duras, y la cabeza perforadora podrá perder el trazado si topa con estos obstáculos.

Sin embargo, existen diversas formas de mejorar el rendimiento en terrenos duros:

  • Cabezas cortadoras de roca.

  • Sistemas de doble varilla: Sistema en el cual el tubo interior hace rotar la cabeza cortadora de roca, mientras que el exterior proporciona la capacidad de direccionabilidad.

  • Percusión mediante martillo integrado en la máquina: Transmitida a través de las barrenas por un martillo integrado en la máquina de perforación, permitiendo una mejor penetración y control de dirección en suelos rocosos o roca blanda, no en roca dura u hormigón.

  • Percusión mediante martillo en fondo:

Se emplea para taladrar rocas duras, pero sus limitaciones son la dificultad de perforar ante la aparición de agua o terrenos más suaves y la longitud de perforación.

Normalmente se emplea una mezcla de bentonita y agua como fluido de perforación o lodo, que transporta el detritus de perforación en suspensión hacia el exterior. Estos lodos deben ser filtrados por un sistema de reciclaje si van a ser recirculados para minimizar la cantidad de producto usado, y por tanto, el coste.

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Unidad de mezcla y reciclado de lodos, imagen cortesía de Tracto-Technik.

Una vez completada la perforación piloto, los lodos tixotrópicos estabilizan las paredes de la perforación hasta que se empiece con el proceso de ensanchamiento concéntrico. En algunas circunstancias, donde lo exigen las condiciones del terreno o los parámetros de la perforación, se emplean aditivos polímeros junto con agua y/o bentonita para crear la mezcla de lodos de perforación.

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Escariador, que permite el ensanchamiento concéntrico de la perforación tras la piloto.

PERFORACIÓN ASISTIDA POR FLUIDOS

Cualquier máquina de PHD tiene dos características principales.

  • La primera es un soporte accionado (normalmente hidráulicamente), que empuja la barrena de perforación a través del terreno para realizar la perforación piloto, y después tira de ella y del tubo a colocar a lo largo de la perforación piloto durante el proceso de ensanchamiento concéntrico. Generalmente, la inclinación del soporte en una máquina emplazada en superficie, se puede ajustar entre 10ºy 20º respecto a la horizontal.

  • La segunda característica es un motor y un sistema de accionamiento para hacer girar la barrena de perforación (junto con la cabeza de perforación o la cabeza de ensanche) y proporcionar un par para la rotación.

En los terrenos más blandos, la cabeza perforadora es generalmente angulada, de modo que la constante rotación de la barrena de perforación produce una excavación recta, mientras que mantener la cabeza en la misma posición, empujando sin rotar, conlleva el desvío de la alineación.

 

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Cabeza angulada para perforación asistida por fluidos.

Por otra parte, el fluido es bombeado hasta la cabeza de perforación a través de las barrenas de perforación, que son huecas y están conectadas hasta ella. El retorno se produce por el espacio anular existente entre la barrena y las paredes de la perforación, con el fluido, mezclado con el detritus de la perforación, bombeado a una unidad de recilcaje para su separación y reutilización.

PERFORACIÓN EN SECO

Mientras que la mayoría de máquinas de PHD utilizan un fluido de perforación para lubricar la cabeza de corte, transportar el detritus al foso de ataque y estabilizar las paredes de la perforación, algunos sistemas se han diseñado para funcionar teóricamente en seco. Hay disponibles versiones que actúan desde un foso o en superficie.

Suelen ser más compactas y simples que la mayoría de las máquinas asistidas por fluidos.

Además del empuje axial y la rotación generada por la máquina, las máquinas de perforación en seco usan un martillo neumático de alta frecuencia en la cabeza (en fondo), para penetrar y compactar el terreno para la perforación piloto.

Al igual que los sistemas asistidos por fluidos, la cabeza en la punta del martillo es angulada, permitiendo dirigir la perforación parando la rotación en una orientación determinada.

Ambos sistemas, perforación asistida por fluidos y perforación en seco, tienen sus ventajas si se da las condiciones apropiadas:

  • Mientras que la perforación asistida por fluidos tiene una gran versatilidad en términos de características del terreno y diámetros máximos, requiere un mayor equipamiento en obra e implica un trabajo en el reciclaje de materiales.
  • La perforación en seco con pequeños diámetros es esencialmente una técnica de desplazamiento del suelo y debería quizás denominarse ‘topo guiado’. Como tal, es más adecuada para suelos estables, y no es apropiada para arenas y gravas con diámetros superiores a 75mm. Además, el riesgo de levantamiento en superficie debería tenerse en cuenta, especialmente en suelos granulares y zonas urbanas.

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Martillo neumático en fondo

SISTEMAS DE NAVEGACIÓN Y GUIADO

La mayoría de las técnicas de PHD, cuentan con sistemas de localización y guiado de precisión. Las capacidades de los sistemas de navegación han mejorado considerablemente en los últimos años, con avances en la tecnología electrónica, pudiendo alcanzar un alto grado de precisión.

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Sistema de rastreo

Los sitemas de navegación empleados por APLES, S.A. son los conocidos como “walkover”, basados en una sonda contenida en un alojamiento especialmente diseñado tras la cabeza de perforación. La sonda emite una señal de radio, que es captada por un receptor en superficie.

Los datos transmitidos son:

  • Posición y profundidad de la cabeza de perforación bajo tierra,
  • Inclinación de la broca
  • Orientación de la cabeza
  • Estado de carga de la batería
  • Temperatura de la sonda

Es habitual enviar esta información a un receptor secundario en la máquina de perforación, de modo que su operador tenga acceso directo a los datos y pueda realizar cualquier ajuste de guiado que sea necesario.

FLUIDOS DE PERFORACIÓN

El fluido de perforación más simple es el agua, y normalmente es innecesario utilizar algo más sofisticado para perforaciones cortas o de pequeño diámetro en suelos adecuados. Sin embargo, el agua carece, entre otras, de propiedades de suspensión para el detritus de perforación, de lubricación de la barrena y herramientas de corte, y de reducción de filtrado. Por lo tanto, si el suelo a perforar requiere de estas propiedades, deberá compensarse esta carencia mediante aditivos.

El tipo más común de fluido de perforación es una mezcla de bentonita y agua, formando el “lodo”. La bentonita es un tipo de arcilla con propiedades tixotrópicas, confeccionando un lodo que permanece fluido mientras se mantenga bombeado o agitado, o en forma de gel en reposo. Por ésta razón, el material actúa como lubricante y transporte de detritus durante el proceso de perforación, pero se solidifica para estabilizar la perforación cuando termina la misma.

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Empleo del lodo durante la perforación.

Después, durante los procesos de escariado y colocación del tubo, el lodo ayuda a la lubricación entre el tubo instalado y las paredes de la perforación, reduciendo la fricción y la regresión del suelo

Además del agua y de los lodos bentoníticos, existen materiales con base de polímeros y un amplio abanico de aditivos, que se usan para modificar las propiedades del fluido de perforación para adecuarlas a la mediad requerida por las características del terreno y la naturaleza del proyecto.

VENTAJAS DEL MÉTODO DE PERFORACIÓN DIRIGIDA

– La superficie bajo la que se perfora no se ve afectada, dañada o rota

– No se requiere la reposición ni reparación del entorno, lo que conlleva importantes ventajas económicas.

– Bajos costes sociales al evitar desvíos del tráfico

– Tiempos de implantación y ejecución reducidos.

– Es una solución muy económica en el caso de cruzar riveras fluviales

– Amplio margen de utilización

– Técnica conocida

– Se puede conocer en todo momento la posición y la potencia de perforación ejercida.

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Tiro del tubo camisa con equipo de perforación dirigida.

Algunos de nuestros proyectos de perforación dirigida.

  • Hinca hidráulica. Molledo, Cantabria

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