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Propiedades de las capas de suelo y selección del cubo para perforación
Cada capa de suelo posee sus propias propiedades mecánicas, lo que afecta la eficiencia de la perforación y el desgaste del cucharón. La arcilla, la arena, la grava y la roca alterada presentan distintas resistencias al corte y niveles de abrasividad, además de variar en sus propiedades cohesivas. Estos factores determinan cómo interactúa el cucharón con las capas de suelo durante el proceso de corte, así como cómo retiene y descarga el suelo. La arcilla tiene una alta resistencia al corte y una alta cohesión; por lo tanto, el cucharón requiere placas gruesas. La grava es altamente abrasiva, y la roca blanda desgastará el cucharón. La roca alterada exige un diseño capaz de soportar impactos y de cortar a través de la roca. Estos cucharones deben estandarizarse en las regiones donde se utilizarán, debido a la elevada variabilidad de las propiedades del suelo. En un ejemplo concreto, las propiedades del suelo pueden cambiar desde arena blanda hasta roca alterada altamente consolidada. Esto puede provocar un par elevado, una reducción de la velocidad de corte y un desgaste acelerado del equipo de perforación. Los datos recopilados entre 2022 y 2023 en proyectos de pilotaje en Norteamérica revelan que, si se ignoran estas propiedades, los costes totales de perforación aumentan aproximadamente un 40 %, debido al fallo del cucharón y a la prolongación del proceso de perforación.
Tipo de suelo, resistencia al corte, abrasividad, cohesión, adaptación recomendada de la cuchara
Arcilla, alta, baja, alta, placas laterales reforzadas
Arena, baja, moderada, baja, relación de abertura amplia
Grava, moderada, alta, ninguna, dientes de alta resistencia
Roca alterada, muy alta, muy alta, variable, diseño especializado de cortadores
Adaptación del diseño de la cuchara de perforación para formaciones de suelo frente a roca
Ciertas capas de alta resistencia y alta abrasividad requieren un diseño/geometría específicos de los dientes, refuerzo de las placas laterales y una relación de abertura determinada.
El diseño o geometría de los dientes del cucharón y la relación de abertura del cucharón desempeñan un papel fundamental a la hora de determinar el tipo de suelo que puede manejar dicho cucharón. Los dientes anchos y estrechamente espaciados permiten un corte continuo en suelos cohesivos. En cambio, para suelos con roca dura y fracturada, los dientes deben ser puntiagudos y estar colocados con mayor separación. Asimismo, debe considerarse el refuerzo de las placas laterales y la relación de abertura del cucharón. Las placas laterales conforman los costados del cucharón, y la relación de abertura influye directamente en su capacidad de trabajo. Una reducción (del 15 al 20 %) de dicha relación incrementa la capacidad del cucharón para suelos gruesos, fracturados y duros, aunque ralentiza la descarga de los materiales; por otro lado, un aumento (del 25 al 35 %) de la relación de abertura mejora el flujo de suelos más finos y menos cohesivos. El uso de un único diseño de cucharón en transiciones entre arcilla y roca dura provoca una disminución de aproximadamente el 40 % en la penetración deseada del suelo en este experimento, lo que pone de manifiesto la necesidad de contar con un diseño adaptado a fines específicos.
Las especificaciones de material destacan la importancia que tienen los grados de acero aleado y los avances en el tratamiento térmico sobre la vida útil de las cucharas alargadas.
La durabilidad del acero depende tanto del tratamiento como del proceso de fabricación. En condiciones abrasivas con rocas, normalmente se utilizan aceros aleados, como el 30CrMo o el 40CrNiMo, tratados térmicamente hasta una resistencia de 1.000 MPa o más. La endurecedura superficial por inducción o llama aumenta la dureza de las puntas de los dientes y de las placas laterales a 48–52 HRC, lo que mejora la resistencia al desgaste frente a granito o cuarcita. Por el contrario, en cubos destinados principalmente a arcilla o arena, puede emplearse el acero más económico 20Mn con un temple básico, logrando así una tenacidad económica y evitando el uso excesivo de recursos. Es importante destacar que la utilización de cubos para roca de doble corte requiere un recocido de alivio de tensiones tras la soldadura, con el fin de eliminar el riesgo de grietas originadas durante el proceso de fabricación. La Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM) A615/A615M y la norma ISO 6892-1 establecen los requisitos mínimos para los ensayos de las propiedades mecánicas de estos materiales, y su cumplimiento garantiza la consistencia entre los lotes de producción. Sin una adecuada coincidencia entre el tratamiento térmico, la composición del material y las condiciones geológicas de formación, la vida útil de los cubos se reduce aproximadamente un 50 % ante lentes rocosos imprevistos, lo que conlleva mayores costes de mantenimiento y sustitución durante las paradas no planificadas provocadas por la formación rocosa.
Despliegue Adaptativo de Cubos para Maximizar la Eficiencia de Perforación
Evidencia de Aplicación: Indicadores de Degradación de RPM/Par: Cuándo Deben Cambiarse los Cubos Durante una Perforación
Existen muchas formas en que la degradación del rendimiento puede indicar una inadecuación entre el suelo y la cuchara utilizada. Una pérdida sostenida de revoluciones por minuto (RPM) del 15 % o más respecto al valor normal, oscilaciones de par de ±25 % respecto al valor nominal del cambio y la presencia de vibraciones armónicas inusuales son todos signos de un funcionamiento ineficaz causado por transiciones en el tipo de suelo. Estas mediciones y observaciones pueden recopilarse mediante sistemas integrados originales del fabricante (OEM), como la telemetría de la serie BG de Bauer y el sistema Casagrande SmartDrill. Con estos sistemas, los operadores pueden cambiar de cuchara para evitar daños. Según el Informe de referencia operativa 2023 de la Asociación Internacional de Contratistas de Cimentaciones (IFCA, por sus siglas en inglés), los cambios posibilitados por los datos en tiempo real sobre la pérdida de rendimiento permiten realizar ajustes en menos de 30 minutos. El uso de estos datos y esta tecnología ha logrado reducir un 36 % el tiempo medio de inactividad. La adecuada selección de herramientas mantiene la velocidad de penetración dentro de un margen de ±5 % respecto al objetivo, y dicha velocidad de penetración contribuye a mejorar la tasa de utilización general del equipo entre un 18 % y un 34 %.
Integración de registros geotécnicos y datos en tiempo real para organizar de forma eficiente los pedidos de cucharas de perforación
Los principales contratistas utilizan una combinación de registros geotécnicos interpretables (perfiles CPTu, valores N del ensayo SPT y valores de resistencia al corte obtenidos en laboratorio) y datos en tiempo real procedentes de las perforadoras para elaborar órdenes predictivas de cucharas. Estas órdenes predictivas funcionan secuenciando las cucharas de perforación de acuerdo con los límites de los datos geotécnicos de las capas a perforar (por ejemplo, cucharas para arcilla seguidas de cortadores para grava y, posteriormente, barrenos para roca). Los contratistas que aplican órdenes predictivas de cucharas informan una reducción del 27 % en la necesidad de retrabajos y una reducción del 32 % en la necesidad de cambiar las herramientas de perforación durante la ejecución de la obra. Asimismo, dichas órdenes predictivas han mejorado la capacidad de mantener los taladros dentro de una desviación aceptable de 2 mm por cada 30 m y cumplen con diversos requisitos de construcción de infraestructuras, como las normas ASTM D1586 y EN 1997-2. Las órdenes predictivas de cucharas transforman la planificación de herramientas y cucharas durante la perforación, pasando de un proceso reactivo a un proceso planificado centrado en los datos.
Preguntas frecuentes
P. ¿Por qué son una preocupación las propiedades del suelo durante la selección de una cuchara de perforación?
R. El rendimiento y el deterioro de una cuchara de perforación se ven afectados por la resistencia al corte, la abrasividad y la cohesividad del suelo. Un diseño adecuado de cuchara, acorde con el tipo de suelo, reduce el deterioro de la cuchara y mejora su rendimiento.
P. ¿Cuáles son los efectos de los cambios bruscos en el tipo de suelo?
R. Los cambios bruscos en el tipo de suelo pueden provocar una mayor resistencia a la penetración de la cuchara de perforación y un desgaste incrementado de esta, como consecuencia de un par de torsión más elevado. Esto aumenta la necesidad de trabajos de retoque y el costo del proyecto.
P. ¿Qué factores intervienen en el diseño de una cuchara de perforación para hacerla más duradera?
R. Para lograr un diseño más duradero de la cuchara de perforación, es importante considerar el refuerzo de las placas laterales, la relación entre las aberturas, los grados de acero aleado, la geometría de los dientes y el tratamiento térmico. Estos factores deben adaptarse a las condiciones del suelo y la roca.
P: ¿Qué hacen los operadores para identificar el desalineamiento de las cucharas durante la perforación?
R: Las cucharas desalineadas pueden indicarse mediante una pérdida constante de revoluciones por minuto (RPM), picos de par y vibraciones anormales durante la perforación. Estos indicadores requieren acciones inmediatas para mitigar las interrupciones y limitar los tiempos de inactividad del sistema.
P: ¿Cómo ayuda la integración de los registros geotécnicos con la monitorización en tiempo real?
R: La integración de los registros geotécnicos con los datos en tiempo real ayuda a definir la mejor posición de las cucharas, reduciendo así las realineaciones posteriores durante la perforación. Esta integración mejora, en última instancia, la eficiencia al atravesar estratos diversos de suelo.
