Figura. Fases en la ejecución de una PHD. Fuente: http://tracksonhorizontaldrilling.com.au/directional-drilling-presents-top-solution/
La instalación propiamente dicha de las tuberías o los conductos se realiza en varias fases. Primero se perfora un taladro piloto; a continuación se ensancha dicha perforación de forma concéntrica en sentido contrario al de la perforación piloto. En ese momento la máquina tira y la tubería se engancha al escariador para alojarla en su posición definitiva.
La perforación piloto constituye la siguiente fase del proceso tras los estudios previos y el emplazamiento de la maquinaria. Se trata de perforar con un cabezal direccionable con un varillaje especial que admite cambios de orientación. Su diámetro dependerá de la maquinaria utilizada y está relacionada con el tamaño de las barras de perforación y de las brocas de perforación. Los aspectos más relevantes a considerar son las posibles obstrucciones y los radios de curvaturas. Un sistema de navegación guía la cabeza de perforación. Lo habitual es que el varillaje permita la entrada de lodos, que pueden inyectarse a presión para mejorar la perforación. Los lodos arrastran el detritus hacia el exterior. En el caso de terrenos duros se puede utilizar un motor de lodos (mud-motor) que acciona el cabezal de perforación.
Tras la perforación piloto se realiza la operación de ensanche, normalmente en sentido inverso, tirando de un escariador. El agrandamiento puede hacerse de una vez o en fases sucesivas hasta alcanzar el diámetro necesario. Es habitual que el diámetro final sea el doble del de la tubería a instalar. Un aspecto clave es el terreno y su estabilidad, pues va a condicionar el uso del ensanchador. Así, en terrenos blandos se emplean ensanchadores tipo flycutter o barriles, mientras que en terrenos duros o roca se necesitan ensanchadores especiales con protecciones de carburo de tunsgteno. Existen escariadores cortadores, que corta trozos pequeños de material que se mezclan con el fluido de perforación; el escariador compactador, donde los recortes se compactan; y los mixtos, donde los recortes se compactan y se mueven.
Figura. Cabeza de perforación. Imágen de Catalana de Perforacions
Figura. Escariador. Imágen de Catalana de Perforacions
Por último, la tubería se alinea y se fija justo detrás del ensanchador y se introduce, de una sola vez, en el interior de la perforación tirando de ella. Para facilitar la operación los lodos lubrican las paredes de la perforación para reducir el rozamiento. Cuando se recoge el varillaje, la instalación ya está terminada.
Las recomendaciones generales para la ejecución de PHD pasarían por normalizar los métodos de trabajos para aumentar rendimientos y reducir costes, establecer sistemas de control que garanticen la seguridad y la calidad de los trabajos y establecer un sistema capaz de rechazar, corregir o aceptar las desviaciones que se puedan dar.
A continuación os dejo un vídeo explicativo al respecto del procedimiento constructivo del PHD.
Referencias:
IbSTT Asociación Ibérica de Tecnología SIN Zanja (2013). Manual de Tecnologías Sin Zanja.
Yepes, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.
Yepes, V. (2015). Aspectos generales de la perforación horizontal dirigida. Curso de Postgrado Especialista en Tecnologías Sin Zanja, Ref. M7-2, 10 pp.
Figura 1. Perforación Horizontal Dirigida. http://www.construtec.es/
Actualmente existe una gran variedad de máquinas empleadas en la PHD. En la Tabla 1 se recoge una clasificación en función de la fuerza máxima de tiro, el par máximo y el peso (IbSTT, 2013). Más del 90% de las máquinas se pueden clasificar como pequeñas o medianas, con una fuerza máxima de tiro de 250 kN. Con estas características, se pueden colocar diámetros que oscilan entre los 50 mm y los 2200 mm, e incluso llegar a 3 km de conducción si se dan las circunstancias favorables. Aunque las máquinas estándar y más versátiles del mercado suelen tener 500 kN de tracción, las mayores tiran unos 2000 kN. Resulta interesante en este sentido el trabajo de Gierczak (2014) donde se realiza una valoración cualitativa de los riesgos inherentes a los proyectos PHD. Además, estas máquinas presentan una gran variedad de sistemas de guiado, cabezas de perforación, de ensanchamiento y otros accesorios (Figura 2).
Tabla 1. Clasificación de máquinas para la perforación horizontal dirigida (IbSTT, 2013)
Figura 2. Mandriles de cabeza de tiro. Imagen de Terra Trenchless Technologies
Las pequeñas acometidas utilizan sistemas Mini-PHD (Figura 3) en las que la dirección de la cabeza de perforación se logra gracias al corte en bisel que presenta la propia broca. En los sistemas Maxi-PHD se utiliza una camisa doblada para desviar el eje del cabezal de corte, además de un tubo de lavado (“washover”) o una camisa con un gran diámetro interno, dentro de la que se desliza la sarta de perforación. A pesar de la gran variedad de máquinas y fabricantes, los equipos están montados sobre tráiler, sobre orugas o por módulos. El sistema modular suele ser la mejor opción para los equipos de mayor potencia, por su facilidad y rapidez de acoplamiento. Para obras de fácil acceso y para facilitar el transporte, lo mejor sería montar el equipo sobre un tráiler, pero si tenemos problemas de movilidad, mejor sería montarlo sobre orugas.
Figura 3. Mini-PHD para acometidas modelo GRUNDOPIT. Imágenes de Sistemas de Perforación S.L.U.
Los rendimientos de las máquinas PHD dependen del tipo de terreno (ver Tabla 2), pero también de aspectos gerenciales, medioambientales o de las condiciones de la tubería. Zayed y Mahmoud (2013) analizan todos los factores que influyen en la productividad. Predecir la producción y los costes que va a tener un equipo de estas características puede ser complejo (Yepes, 2015); en este sentido Zayed y Mahmoud (2014) proponen técnicas basadas en la lógica difusa para su predicción.
Tabla 2. Valoración de la aplicabilidad de la técnica PHD en función del material (Hair, 1994).
Así, lo más favorable son arcillas homogéneas, mientras que los materiales granulares presentan problemas de estabilidad, sobre todo bajo nivel freático. Además, las gravas pueden acelerar el desgaste de la cabeza de perforación. Wang y Sterling (2007) han estudiado el comportamiento de la PHD en arenas flojas o mezclas de arenas y gravas, que son los terrenos más problemáticos. En el caso de roca, las máquinas deben contar con motores de lodos que accionen las cabezas cortadoras. Existen incluso máquinas con doble varilla en el que el tubo interior hacer rotar la cabeza cortadora de roca y el exterior proporciona la dirección de perforación; sin embargo, estas máquinas son de pequeño diámetro y longitud de perforación. Otra opción es combinar la percusión con el empuje y la rotación.
En cuanto al emplazamiento de las máquinas, éstas se instalan en superficie, aunque en ocasiones se implantan en un foso. Las de superficie se desplazan mediante orugas, aunque si son muy grandes a veces se requieren medios de transporte. Con todo, son necesarios pequeñas excavaciones para conectar los extremos de los tramos de tubería. Las máquinas emplazadas en fosos se usan normalmente para tramos cortos y rectos, con ligeras desviaciones. Esta circunstancia también restringe la longitud de la sarta de perforación.
Las máquinas PHD presentan dos características comunes, un soporte que empuja la sarta de perforación para la perforación piloto y luego tira de ella y del tubo durante el ensanchamiento (Figura 4), y un motor que hace girar la sarta de perforación, junto con la cabeza de perforación o de ensanche. El empuje suele ser hidráulico, y la inclinación del soporte está inclinada entre 10º y 20º respecto a la horizontal. Si la máquina se emplaza en un foso, la reacción necesaria la proporcionan las caras de la excavación. Las máquinas de superficie se anclan al suelo para su estabilización.
Figura 4. Conexión del escariador a la tubería. Imagen de Apollo Trenchless, Inc.
La sarta de perforación está formada por tubos que están sometidos a grandes esfuerzos, tanto de tracción como de compresión por el empuje y tiro de la máquina, así como de torsión por el par de rotación. Además deben ser flexibles para adaptarse a los cambios de dirección de la perforación y ligeros para facilitar su transporte. Y por supuesto, resistentes a la abrasión y al desgaste. Cheng y Polak (2007) presentan un modelo teórico para el dimensionamiento de las tuberías y Yang et al. (2014) proporcionan un modelo dinámico determinar los esfuerzos de tiro. Las máquinas emplazadas en superficie usan tubos de entre 3 y 9,6 m de longitud, mientras que las situadas en un foso requieren tramos más cortos, entre 0,3 y 1, 5 m. Estos tramos suelen roscarse entre sí, aunque también hay conexiones tipo bayoneta. La tubería se incorpora a la perforación por tramos cargándose por un sistema automático de la máquina (Figura 5). Los tramos se pueden roscar o desenroscar de forma automática para acelerar la producción y seguridad de las operaciones.
Figura 5. Sistema de carga de tramos de tubería. Imagen de Zemin Arastrima Merkezi, Corp.
A continuación os dejo un vídeo explicativo que espero sea de vuestro interés.
Referencias:
Cheng, E., and Polak, M. A. (2007). Theoretical model for calculating pulling loads for pipes in horizontal directional drilling. Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 22, No. 5-6, pp. 633-643.
Gierczak, M. (2014). The qualitative risk assessment of mini, midi and maxi horizontal directional drilling projects. Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 44, pp. 148-156.
IbSTT Asociación Ibérica de Tecnología SIN Zanja (2013). Manual de Tecnologías Sin Zanja.
Wang, X., and Sterling, R. L. (2007). Stability analysis of a borehole wall during horizontal directional drilling. Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 22, No. 5-6, pp. 620-632.
Yang, C. J., Zhu, W. D., Zhang, W. H., Zhu, X. H., and Ren, G. X. (2014). Determination of pipe pullback loads in horizontal directional drilling using an advanced computational dynamic model. Journal of engineering mechanics, Volume 140, No. 8, 04014060.
Yepes, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.
Yepes, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp.
Yepes, V. (2015). Aspectos generales de la perforación horizontal dirigida. Curso de Postgrado Especialista en Tecnologías Sin Zanja, Ref. M7-2, 10 pp.
Zayed, T., and Mahmoud, M. (2013). Data acquisition and factors impacting productivity of horizontal directional drilling (HDD). Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 33, pp. 63-72.
Zayed, T., and Mahmoud, M. (2014). Neurofuzzy-based productivity prediction model for horizontal directional drilling. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, Volume 5, No. 3, 04014004.
La perforación horizontal con tornillo helicoidal (horizontal auger boring) es una tecnología sin zanja (trenchless) que se utiliza para instalar tuberías metálicas o de hormigón de diámetros entre 100 y 1500 mm en terrenos blandos sin bloques. La perforación se realiza mediante el corte de un eje broca equipado con bordes de corte tipo cincel. Los escombros se evacuan del tornillo sin fin a través de la tubería y son conducidos hasta el inicio de la perforación. Esta tecnología permite instalaciones hasta de 240 m de longitud con control de dirección en los 360º vertical y horizontal). Es un procedimiento muy útil en instalaciones bajo estructuras como vías de cualquier tipo, cuerpos de agua, edificaciones etc.
Os dejo algunos vídeos para veáis su funcionamiento. El primero es una técnica no guiada, el segundo, técnica guiada.
Referencias:
YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.
El desarrollo de la tecnología PHD se ha basado fundamentalmente en las innovaciones realizadas en los sistemas de navegación y seguimiento de la perforación. La navegación permite conocer con precisión la localización de la punta de perforación. Para controlar la dirección y profundidad de la cabeza, se le coloca en su interior o junto a ella una sonda que emite señales que se recogen en superficie. Este sistema vía radio se denomina “Walk-over”, que incluso es capaz de capturar las señales sin acceso directo sobre el transmisor; es un sistema muy utilizado en la PHD, sobre todo en trabajos pequeños y medianos.
Sin embargo, a veces resulta complicado seguir en superficie al transmisor, como por ejemplo en un río; en estos casos se puede utilizar un cable conectado a la cabeza para el guiado, sería el sistema de cable “Wire-line”, utilizado también cuando se requiere una mayor precisión. Existe asimismo la posibilidad de anular el efecto de campos magnéticos y eléctricos cuando se atraviesan elementos que interfieren las señales. Otros sistemas, denominados “Gyro compass”, utilizan la magnetometría para la localización; estos giroscopios trabajan independientemente del campo magnético terrestre y por tanto determinan de forma precisa la dirección del eje de perforación. Li (2013) explica la monitorización de una tubería de gas durante su ejecución.
Todos estos sistemas de navegación se encuentran asistidos por ordenador para el correcto control de la dirección. La tabla resume los diferentes procedimientos de navegación con detalles de los campos de utilización (IbSTT, 2013).
Tabla. Diferentes procedimientos de navegación de PHD (IbSTT, 2013).
Os dejo un vídeo explicativo que espero os sea de interés.
Referencias:
IbSTT Asociación Ibérica de Tecnología SIN Zanja (2013). Manual de Tecnologías Sin Zanja.
Li, S. (2013). Construction monitoring of a municipal gas pipeline during horizontal directional drilling. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, Volume 4, No. 4, 04013005.
Yepes, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.
Yepes, V. (2015). Aspectos generales de la perforación horizontal dirigida. Curso de Postgrado Especialista en Tecnologías Sin Zanja, Ref. M7-2, 10 pp.
Fluido de perforación. Imagen de Catalana de Perforacions
El procedimiento habitual es la perforación asistida con fluidos. En este caso, la cabeza se empuja por una sarta de perforación a través del terreno. El fluido se bombea por el interior de la tubería que forma la sarta de perforación y retorna por el espacio que existe entre la sarta y las paredes de la perforación, con el detritus correspondiente, por lo que debe reciclarse para volver a utilizarse. Hay máquinas autónomas que llevan consigo los tanques de mezcla y las bombas del fluido, aunque en otras son sistemas independientes.
El uso de la perforación con lodos es frecuente, pues además de contener las paredes, permite el transporte del detritus en suspensión al exterior, además de la lubricación y refrigeración de la cabeza de corte. Asimismo, estabilizan la perforación piloto hasta que se inicia su ensanche. Los fluidos de perforación suelen ser mezclas de bentonita y agua, aunque hoy existe una tendencia creciente en el uso de polímeros. Hay que prever en suelos porosos o fracturados una pérdida de fluidos significativa. Cuando se trata de perforar terrenos duros y roca, se pueden utilizar conjuntos de fondo, BHA (bottom hole assembly), que es la parte inferior de la sarta de perforación que se extiende desde un tricono de perforación al varillaje. El BHA se acciona mediante un motor de lodos, que utiliza la potencia hidráulica del fluido de perforación.
Central de tratamiento de lodos. Imagen de Catalana de Perforacions
En el vídeo que os dejo a continuación se profundiza en el uso de los lodos como fluido de perforación. Espero que os sea de utilidad.
Referencias:
IbSTT Asociación Ibérica de Tecnología SIN Zanja (2013). Manual de Tecnologías Sin Zanja.
Yepes, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.
Yepes, V. (2015). Aspectos generales de la perforación horizontal dirigida. Curso de Postgrado Especialista en Tecnologías Sin Zanja, Ref. M7-2, 10 pp.
La perforación por compactación con topo de percusión (impact moling o earth piercing): Consiste en una perforación por impacto empleada en la instalación de tubería con tecnología sin zanja (trenchless). La perforación se realiza sin necesidad de desplazar el suelo (compaction boring). El proceso de perforación es independiente de la inserción de la tubería.
Se utiliza un dispositivo en forma de torpedo que contiene en su nariz un martillo de movimiento alternativo que provoca una fuerza de impacto que impulsa el torpedo hacia delante. Puede avanzar de 7 a 120 cm por minuto. Tras el torpedo se inserta un cable que sirve para tirar de la tubería que va a colocarse. Si el tubo es rígido, entonces se empuja a través de orificio abierto.
Pueden abrirse diámetros de 30 a 180 mm en una sola operación, aunque con múltiples pasadas pueden alcanzarse los 200 – 250 mm de diámetro. Los martillos neumáticos de perforación horizontal son normalmente usados para distancias de entre 5 y 25 m. Este método requiere, aparte de los correspondientes planos actualizados de servicios, del acompañamiento de técnicas indirectas de localización de líneas de servicio y tuberías, como el georradar (GPR) y el detector electromagnético de servicios, para evitar afectarlas durante la perforación.
Esquema de la perforación percusiva (impact moling)
Os dejo a continuación algunos vídeos para que veáis cómo funciona este método.
Referencias:
YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.
