RECOMMENDATIONS

El fluido de perforación más empleado hasta ahora en las exploraciones geotécnicas ha sido el agua, cuando se desarrollaron los sistemas de exploración petrolera mediante máquinas rotatorias, fue introducida la técnica del lodo de perforación por las ventajas como estabilidad, enfriamiento del equipo de perforación, que presenta sobre el agua que anteriormente se venía usando. Posteriormente se amplió el campo de acción del lodo hacia los pozos de agua, la exploración geológica y de suelos.

Se denomina lodo de perforación a una mezcla de agua con arcilla coloidal, generalmente bentonita, empleada como auxiliar en la ejecución de barrenos.

Las funciones principales del lodo son: enfriar la broca, transportar el material cortado por la broca y mantener estable la pared y el fondo de la perforación. Las mismas funciones cumple el agua, pero el lodo es considerablemente más eficiente para transportar el material y en particular la supera en la estabilidad que puede dar la perforación eliminando la posible necesidad de ademe metálico. Los lodos también tienen la ventaja sobre el agua de alterar menos el contenido natural de humedad del suelo muestreado. Los tipos de lodos se identifican según su fase liquida. Así, se reconocen lodos de agua dulce, de agua salada, de emulsiones aceite-agua y de aceite. En las exploraciones geotécnicas sólo se utilizan lodos de agua dulce y cuando se perfora en zonas con agua salada se agregan aditivos.

1.2.4.5.1 Lodos de perforación de agua dulce

Los lodos con agua dulce se pueden hacer con arcillas plásticas locales, bentonita natural o bentonita tratada. En la figura B.26, se presentan las viscosidades y densidades que se pueden obtener con diferentes dosificaciones (Manual de Diseño y Construcción de Pilas y Pilotes, 1989).

Por su bajo costo y fácil preparación, el lodo de perforación más comúnmente usado en México, incluye agua dulce con menos de 1% de cloruro de sodio y menos de 120 ppm de sales de calcio en suspensión, mezclada con bentonita sódica o cálcica.

Cuando el agua de mezclado es salada, como ocurre en las costas, se puede utilizar arcilla “atapulgita” que tienen la propiedad de hidratarse en aguas de alta concentración salina.

V iscosid ad en centip o ises, m ed ida en v iscom etro a 60 0 r.p .m 1.0 00 1.0 50 1.1 00 1.1 50 1.2 00 1.2 50 1.3 00 1.3 50 5 0 5 1 0 1 5 20 25 3 0 3 5 40 45 10 0 15 0 2 0 0 2 5 0 30 0 35 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 00 A = Z eogel o aquagel B = B aroco C = R an go d e arcilla típica A B C Kg/m % de arcilla en pe so

Figura B.26. Relación de viscosidad-dosificación de arcilla en agua dulce, (Manual de Diseño y Construcción de Pilas y Pilotes, 1989).

PROPIEDADES FÍSICAS Y CONTROL DE CAMPO:

Los lodos de perforación deben elaborarse cuidando que tengan las propiedades físicas adecuadas y que éstas se mantengan durante el trabajo. Las propiedades más significativas son: densidad, viscosidad y tixotropía. Es importante también controlar la contaminación. Los métodos que se describen aquí para la medición y control de estas propiedades requieren sólo de equipo elemental y económico.

Densidad: Se define como el peso de unidad de volumen. La densidad de los lodos que

se pueden elaborar es función del tipo y cantidad de arcilla que se utilice. Puede variar de 1.2 a 1.25 kg/l, para lodos que por su viscosidad pueden ser manejados aun con bombas convencionales. Se puede utilizar barita en polvo para aumentar la densidad conservando la viscosidad, lo cual permite lograr lodos manejables con densidades hasta de 1.35 kg/l. La densidad se debe elegir en función del peso volumétrico y granulometría de los suelos. Así en arenas gruesas de cuarzo con pocos finos se requieren lodos con densidades hasta de 1.25 kg/l, en arcillas sin arenas se podrá operar densidades 1.05 kg/l. Se recomienda iniciar el sondeo con un lodo de densidad media de 1.1 kg/l y modificarla durante el proceso de trabajo según los materiales que se encuentren.

Viscosidad: Se define como la resistencia que opone un líquido a fluir. La determinación

de la viscosidad se realiza con viscosímetros de rotación (figura B.27) y se mide en centipoises (unidad absoluta de viscosidad. 1 centipoises = 0.01poise). El viscosímetro rotacional hace girar un cilindro externo a 3, 5, 100, 200, 300 y 600 rpm, el cual, merced a la viscosidad del lodo en que está sumergido, hace girar a otro cilindro interno, coaxial con el anterior pero conectado a un resorte calibrado. La viscosidad de un lodo de perforación usualmente varía entre 10 y 25 centipoises; valores mayores dificultan el manejo del lodo y valores menores no garantizan su eficiente funcionamiento. Con este aparato también pueden determinarse la viscosidad aparente, el punto de cadencia, la resistencia del gel y la tixotropía. Caratula Cilindro giratorio exterior Recipiente Selector de velocidad Motor Base Resorte calibrado Cilindro giratorio exterior Cilindro interior

Figura B.27. Viscosímetro rotacional.

De una manera simple y aproximada se puede determinar la viscosidad con el cono de Marsh (figura B.28).

Para realizar el ensaye, se tapa con un dedo el orificio calibrado inferior del cono Marsh (de 5 mm de diámetro inferior) y se llena con lodo hasta el borde superior donde se encuentra la malla No. 10 la cual tienen como funcion retener las particulas gruesas (la cantidad requerida de lodo es de aproximadamente 1500 cm³). Luego se remueve el dedo al momento de iniciar el conteo del tiempo requerido para llenar un recipiente de 946 cm³. Varias mediciones permiten verificar y afinar resultados. El agua limpia a 22ºC ± 1.5ºC tarda 26 s ± 0.5 s; en el lodo bentonítico puede variar entre 35 y 60 seg, prefiriéndose los valores bajos por su mayor manejabilidad.

Los lodos o fluidos deben tener una viscosidad que les permitan cumplir con su función y que además permitan su manejo eficiente en campo.

Rendimiento: Se acostumbra llamar rendimiento de una bentonita a la cantidad en m³ de

lodo bentonítico con 15 centipoises de viscosidad que se puede elaborar con una tonelada de bentonita seca.

Es muy importante que al elaborar el lodo, la mezcla se realice por algún método que permita la mayor dispersión posible de las partículas de bentonita evitando la formación de grumos y facilitando así su completa hidratación, la cual requiere tiempo.

Malla No. 10 1000cc M=D(0.85T-461/T) 15 cm 35.5 cm 4.5 cm 0.47 cm

Figura B.28. Cono de Marsh.

Filtración: Permite determinar la capacidad que tienen un lodo para formar una película

impermeable (enjarre o costra) en las paredes de las perforaciones. Para ejecutar la prueba se emplea el filtro prensa (figura B.28), constituido por un recipiente metálico de 500 cm³ de capacidad, capaz de recibir una presión de gas (aire) a 7 kg/cm² y recoger en la parte inferior el agua filtrada expulsada a través del papel filtro y un orificio, después de 30 min.

Donde:

D = densidad, kg/lt M = viscosidad, centipoises T = tiempo, seg

R e cip ie n te S a lid a d e a g u a P ro b e ta T a p a su p e rio r E n tra d a d e a ire E m p a q u e R e cip ie n te P a p e l filtro M a lla E m p a q u e T a p a in fe rio r S a lid a d e a g u a

Figura B.29. Filtro prensa.

Al final del ensaye se mide el volumen de agua filtrada en cm³ y tambien el espesor de la costra que quedó pegada en el papel filtro. Un buen lodo tiene menos de 20 cm³ de agua filtrada, y una costra no mayor de 0.5 cm.

Contenido de arena: Influye drásticamente en las operaciones de perforación,

provocando daños en los equipos, herramientas y tuberías. Además, a mayor contenido de arena, se incrementa el agua de filtrado y el espesor de la costra.

Para determinar la cuantía de arena se pasa una cierta cantidad de lodo por la malla No. 200 y la arena retenida se expresa en porcentaje respecto al volumen del lodo. Generalmente dicho porcentaje debe ser menor de 3 %.

Potencial Hidrogeno (pH): Representa el grado de acidez o alcalinidad, y se determina a

partir del color que adquiere el papel indicador al entrar en contacto con el lodo. Existen aparatos electrónicos especiales para medir el pH. El valor usual para conservar la viscosidad del lodo, está entre 7 y 10.

DOSIFICACIÓN:

Para determinar con precisión la cantidad de bentonita seca que debe mezclarse con agua, para producir un lodo cuyos valores de propiedades quedan dentro de los rangos antes mencionados, es necesario realizar pruebas previas con diferentes concentraciones dejándolas en reposo un tiempo aproximado de 24 horas para que alcancen su completa hidratación.

Con agua dulce, se pueden emplear porcentajes en peso de 5 a 10% con relación al agua. Los sistemas de mezclado están integrados por una o varias bombas que permiten recircular el lodo. Algunos realizan la mezcla con aspas girando dentro de recipientes, siendo esto menos eficiente. Existen también mezcladores de chiflón, empleados cuando se requieren pequeños volúmenes de lodo. Es común emplear entre 3 y 10 minutos de mezclado para lograr una buena hidratación inicial.

Para lograr un aprovechamiento máximo de la bentonita se pudo dejarla en reposo de 8 a 24 horas. Sin embargo, el costo extra que implica la realización de instalaciones adicionales debe compararse con el ahorro de bentonita. Por otro lado, hay cierto tipo de suelos granulares en los que es conveniente dejar que la bentonita termine de hidratarse dentro de la perforación para lograr mayor obturación de posibles fugas.