Perforación direccional

La perforación direccional , también conocida como perforación direccional horizontal ( HDD ), es un método sin zanja de mínimo impacto para la instalación de servicios subterráneos como tuberías, conductos o cables en un arco o radio relativamente poco profundo a lo largo de una trayectoria subterránea predefinida, utilizando una plataforma de perforación de superficie . La perforación direccional ofrece importantes ventajas ambientales sobre las instalaciones tradicionales de tuberías/servicios mediante el método de corte y cobertura. Esta técnica se utiliza habitualmente cuando la excavación convencional no es práctica o cuando se requiere una mínima alteración de la superficie. ^{[ 1 ]}

Aunque a menudo se usan indistintamente, los términos perforación direccional y perforación direccional horizontal son distintos, ya que transmiten una escala diferente. El término "perforación direccional" o "perforación" generalmente se reserva para plataformas de perforación pequeñas, perforaciones de diámetro reducido y longitudes de cruce de cientos de pies. Generalmente, el término perforación direccional horizontal (HDD) se utiliza para describir plataformas de perforación grandes, perforaciones de gran diámetro y longitudes de cruce de miles de pies. La perforación direccional y la HDD son similares en algunos aspectos a la perforación direccional asociada con la industria petrolera; sin embargo, no se puede establecer una comparación equivalente, ya que los procedimientos cumplen funciones marcadamente diferentes. La perforación direccional se puede utilizar con diversos materiales de tubería, como PVC , polietileno , polipropileno , hierro dúctil y acero , siempre que las propiedades de la tubería (espesor de pared y resistencia del material) permitan su instalación y operación (si corresponde) bajo límites de tensión aceptables. ^{[ 2 ]}

La perforación direccional (HDD) generalmente se realiza en tres fases principales. Primero, se perfora un orificio piloto de pequeño diámetro siguiendo una trayectoria direccional desde un punto de la superficie hasta otro. El diámetro del orificio piloto depende del equipo utilizado y puede variar desde unas pocas pulgadas hasta poco más de un pie. A continuación, el orificio creado durante la perforación piloto se ensancha hasta alcanzar un diámetro que facilite la instalación de la tubería deseada. Para instalaciones de pequeño diámetro, puede que no sea necesario ensanchar o ensanchar el orificio. Finalmente, la tubería se introduce en el orificio ensanchado, creando así un segmento continuo de tubería subterránea expuesta únicamente en los dos puntos extremos iniciales. La perforación direccional se puede utilizar para cruzar diversos obstáculos superficiales, como carreteras, vías férreas, humedales y cuerpos de agua de diferentes tamaños y profundidades. ^{[ 3 ]}

El proceso es adecuado para una variedad de condiciones de suelo, incluyendo arcilla, limo, arena y roca. Las condiciones de suelo problemáticas incluyen un alto contenido de granos en forma de grava gruesa, cantos rodados y rocas. Otras condiciones del subsuelo que pueden afectar la viabilidad de la perforación direccional incluyen la resistencia y abrasividad excesivas de la roca, la mala calidad de la roca o la roca muy fracturada/fisurada, y la roca que presenta características kársticas . ^{[ 4 ]}

El equipo utilizado en la perforación direccional depende de la longitud del cruce (propuesto), las propiedades de la tubería (del oleoducto que se va a instalar) y las condiciones (previstas) del subsuelo.

Para travesías más largas y complejas, se pueden utilizar perforadoras montadas en remolques tractores con una capacidad de 1.320.000 lb (fuerza de empuje/tracción) y 150.000 ft-lb (fuerza de rotación) [600 toneladas - 204.000 NM]. Estas unidades se utilizan junto con un recuperador de fluido de perforación , una o varias bombas de alto volumen, una excavadora (o equipo similar para el manejo de la tubería de perforación), además de diversos equipos auxiliares (por ejemplo, tanques de agua, contenedores de escombros, etc.) para facilitar las operaciones habituales.

Para perforaciones de menor diámetro, se dispone de equipos proporcionalmente más pequeños y portátiles. Estas unidades pueden generar entre 5000 y 100 000 libras de fuerza de empuje y pueden utilizarse para cubrir la distancia entre el sótano de una casa y una tubería de agua compartida cercana o un cruce de carretera corto. El consumo de fluido asociado a las perforaciones de menor diámetro también es proporcionalmente menor. En muchos casos, las perforaciones de menor diámetro no requieren el uso de fluido de perforación, solo agua, e incluso en perforaciones aún menos significativas, ningún fluido en absoluto. ^{[ 5 ]}

Las herramientas, es decir, los aparatos mecánicos que se instalan en la sarta de perforación para realizar las operaciones, están disponibles en una amplia variedad de formas y tamaños. Las herramientas de perforación direccional incluyen el conjunto de brocas o cabezales de perforación utilizados durante las operaciones de perforación piloto, escariadores y ensanchadores de pozos para la ampliación de pozos, y herramientas de limpieza que se utilizan para el acondicionamiento y la retracción del pozo. Las herramientas destinadas a perforar roca o formaciones más duras pueden utilizar aleaciones de carburo de tungsteno o diamante policristalino (PCD). En cambio, las herramientas destinadas a perforar suelos blandos pueden limitarse al acero con alto contenido de carbono (mecanizado a la forma y tamaño deseados). La metodología de avance también varía ligeramente entre los cruces de suelo y roca. El avance de las herramientas en suelos sueltos no cementados se realiza principalmente mediante excavación hidráulica. Es decir, el suelo se corta o se retira bajo la influencia de un fluido a alta presión. En formaciones rocosas, la excavación hidráulica también se lleva a cabo en cierta medida (evacuación de escombros), pero la mayor parte del corte y la rotura del material se debe al trabajo mecánico realizado por la propia herramienta.

La industria de plataformas de perforación grandes y pequeñas es lo suficientemente diferente como para que cada una posea sus propios estándares y prácticas de construcción. La profundidad de cobertura, los radios de curvatura y la geometría general de la trayectoria difieren significativamente entre las aplicaciones de plataformas grandes y pequeñas. Los estándares asociados con las instalaciones de plataformas grandes están más consolidados y recogidos en la literatura existente, a diferencia de las instalaciones de plataformas pequeñas, que tienden a variar según la aplicación y las limitaciones específicas del proyecto.

La perforación direccional se utiliza para la instalación de infraestructura como conductos para cables de telecomunicaciones y energía , tuberías de agua, alcantarillado, gasoductos, oleoductos, tuberías de productos y revestimientos para remediación ambiental . Se emplea para cruzar vías fluviales, carreteras, accesos costeros, zonas congestionadas, zonas ambientalmente sensibles y áreas donde otros métodos son más costosos o imposibles. Se utiliza en lugar de otras técnicas para minimizar las interrupciones del tráfico, reducir costos, permitir instalaciones más profundas y/o largas, eliminar la necesidad de pozos de acceso, acortar los plazos de ejecución, ofrecer capacidad direccional y garantizar la seguridad ambiental. El costo de la perforación direccional varía según factores como las condiciones del suelo, la longitud de la perforación y el diámetro de la tubería. Los costos pueden variar significativamente dependiendo de la complejidad y la ubicación del proyecto. ^{[ 6 ]}

Esta técnica se utiliza ampliamente en áreas urbanas para el desarrollo de servicios subterráneos, ya que ayuda a evitar la excavación de grandes zanjas a cielo abierto. Su uso requiere que el operador cuente con información completa sobre los servicios existentes para poder planificar la alineación y evitar dañarlos. Dado que la perforación incontrolada puede causar daños, las distintas agencias y autoridades gubernamentales propietarias de la vía pública urbana o de los servicios públicos cuentan con normas para la ejecución segura de los trabajos. Para estandarizar las técnicas, diversas organizaciones promotoras de la tecnología sin zanja han desarrollado directrices para esta técnica. ^{[ 7 ]}

El proceso comienza con el pozo de recepción y las fosas de entrada. Estas fosas permitirán recolectar y recuperar el fluido de perforación para reducir costos y evitar desperdicios. La primera etapa perfora un pozo piloto en la trayectoria diseñada, y la segunda etapa (escariado) agranda el pozo mediante el paso de una herramienta de corte más grande conocida como escariador trasero . El diámetro del escariador depende del tamaño de la tubería que se va a extraer a través del pozo. El perforador aumenta el diámetro de acuerdo con el diámetro exterior del conducto y para lograr una producción óptima. La tercera etapa coloca el producto o la tubería de revestimiento en el pozo agrandado a través de la sarta de perforación; esta se arrastra detrás del escariador para permitir el centrado de la tubería en la trayectoria recién escariada. ^{[ 8 ]}

La perforación direccional horizontal se realiza con la ayuda de un fluido viscoso conocido como fluido de perforación . Este fluido es una mezcla de agua y, generalmente, bentonita o polímero que se bombea continuamente a la broca para facilitar la eliminación de los recortes, estabilizar el pozo, enfriar la broca y lubricar el paso de la tubería de producto. El fluido de perforación se envía a una máquina llamada recuperadora, que elimina los recortes y mantiene la viscosidad adecuada del fluido. El fluido de perforación mantiene los recortes en suspensión para evitar que obstruyan el pozo. Un pozo obstruido genera contrapresión en la broca, lo que reduce la producción.

Se puede utilizar un motor de lodo (o motor de perforación) para dirigir la trayectoria del pozo.

La ubicación y el guiado del cabezal de perforación son aspectos cruciales de la operación, ya que este se encuentra bajo tierra durante la perforación y, en la mayoría de los casos, no es visible desde la superficie. Una perforación descontrolada o sin guiado puede provocar daños considerables, los cuales pueden evitarse mediante una correcta ubicación y guiado del cabezal de perforación. ^{[ 9 ]}

En términos generales, existen tres tipos de equipos de localización para ubicar la cabeza de perforación: el sistema de localización por desplazamiento , el sistema de localización por cable magnético y la perforación guiada por giroscopio, donde un sistema de navegación inercial completo se ubica cerca de la cabeza de perforación.

• Sistema de localización por contacto: Una sonda, o transmisor, ubicada detrás de la cabeza de perforación registra datos de ángulo, rotación, dirección y temperatura. Esta información se codifica en una señal electromagnética y se transmite a través del suelo hasta la superficie. En la superficie, un receptor (generalmente un localizador portátil ) se coloca manualmente sobre la sonda, se decodifica la señal y se transmiten las instrucciones de dirección al operador de la perforadora. Por lo general, el sistema de localización por contacto es inalámbrico, lo que significa que no se requiere un cable interno dentro de la tubería de perforación para la alimentación y la comunicación de datos .
• Sistema de localización por cable: El sistema de cable es un sistema de guiado magnético. Con un sistema de guiado magnético (MGS), la herramienta registra los valores de inclinación direccional y acimut, y estos datos se transmiten a través de un cable que recorre la tubería de perforación desde la cabeza de perforación hasta la superficie. El MGS también suele contar con un método secundario de verificación de la ubicación mediante rejillas de alambre colocadas en la superficie. Se realiza un levantamiento topográfico de la posición de la rejilla de alambre y, al transmitir corriente a través de ella, se crea un campo electromagnético de orientación conocida. Las herramientas de fondo de pozo detectan la orientación y la intensidad del campo magnético asociado al cable de superficie, lo que permite una determinación secundaria de la posición. El MGS, incluso sin el uso de la rejilla de alambre, ha demostrado una precisión superior a 2  km con una precisión del 2 % en profundidad. El operador del MGS se comunica con el perforador y lo guía hacia una trayectoria de perforación predeterminada.
• Sistema de localización giroscópico: El sistema giroscópico es totalmente autónomo y, por lo tanto, uno de los más precisos cuando se dispone de un diámetro suficiente (200 mm) y se deben cubrir largas distancias (hasta 2 km) con una desviación mínima (menos de 1 m de error de posición). Actualmente, la profundidad real no se puede verificar sin el uso de bobinas de superficie, un transpondedor cercano a la superficie o una sonda utilizada en sistemas de inspección a pie. Al igual que el sistema de cable MGS, la mayoría de las herramientas giroscópicas requieren que se pase un cable a través de la tubería de perforación para comunicar los datos a los operadores en la superficie.

Los tres sistemas tienen sus propias ventajas, y la elección de uno u otro depende de las necesidades del lugar.

• Tecnología sin zanjas
• Perforación neumática subterránea

• PR-277-144507-Z01 Instalación de tuberías mediante perforación direccional horizontal, una guía de diseño de ingeniería , preparada bajo el patrocinio del Comité de Investigación de Tuberías de la Asociación Americana del Gas, 15 de abril de 1995, revisada bajo el patrocinio del Consejo Internacional de Investigación de Tuberías, Inc., 2015.
• Comité de Trabajo de Directrices de Diseño de Perforación Direccional Horizontal (HDD) del Comité Técnico sobre Instalación Sin Zanja de Tuberías (TIPS) de la División de Tuberías de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles (ASCE). Diseño de tuberías para instalación mediante perforación direccional horizontal - Manuales e Informes sobre Práctica de Ingeniería (MOP) n.° 108 de la ASCE : Manual de práctica de la ASCE. Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles, 2005. Reston, VA. ISBN 978-0-7844-0804-9
• Skenberg, Eric R., y Tennyson M. Muindi. Diseño de tuberías para instalación mediante perforación direccional horizontal - Manuales e informes de la ASCE sobre práctica de ingeniería (MOP) n.° 108 (2.ª edición). Reston, Virginia: Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles, 2014. ISBN 978-0-784413-50-0
• ASME, Georiesgos en oleoductos, planificación, diseño, construcción y operaciones , Segunda edición de Diseño geoambiental y gestión de georiesgos en oleoductos, Nueva York: Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos, 2019. ISBN 978-0791861790
• v. Hinueber, Edgar (iMAR Navigation) (2006). Guía de perforación más precisa mediante navegación a estima utilizando giroscopios ópticos de alta precisión , Actas de la Conferencia NoDig de Perforación Direccional Horizontal, Brisbane 2006.
• Rizkalla, Moness. Diseño geoambiental de oleoductos y gestión de riesgos geológicos. Nueva York, NY: ASME, 2008. ISBN 978-0-791802-81-6

• El artículo "La ventaja del taladrado direccional", archivado el 16 de agosto de 2022 en Wayback Machine, describe las técnicas utilizadas, con diagramas.
• La perforación direccional ofrece ejemplos de los seis tipos de servicios públicos instalados mediante este método.
• Directional Boring ofrece información detallada sobre los distintos tipos de máquinas de perforación direccional horizontal disponibles.

https://ppdrillingfluids.in/