Fluidos de perforación, la herramienta flexible

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 48)
Ponencia en No-Dig Madrid 2014
Francisco Beneyto; Product Manager en Tolsa

La ejecución de obras subterráneas ha sido uno de los desarrollos más beneficiosos para luchar contra la saturación en superficie de las grandes ciudades, así como para la ejecución de trabajos complejos de forma más ágil y versátil. Dentro de estos avances destacan por encima de todos el avance tecnológico de la maquinaria empleada, bien sean “topos” o tuneladoras de medio o gran diámetro. Estos avances han sido acompañados por los fluidos de perforación, que son una de las herramientas más flexibles dentro de una perforación subterránea, y a su vez más sencillas de utilizar. Se encargan de estabilizar y mantener limpia la excavación hasta la instalación de la tubería, y ayuda a reducir el impacto que la instalación de la tubería genera en el entorno, adaptándose a las circunstancias particulares de cada proyecto.

Introducción

Es muy sencillo comprobar el notable crecimiento de la población durante las últimas décadas. Este crecimiento implica un elevado aumento de densidad en las áreas urbanas y consecuentemente una mayor necesidad de servicios (agua, luz, telecomunicaciones…) así como una necesidad imperiosa de abastecer energéticamente las mismas (consumo y transporte de gas, petróleo…). Eso se traduce en un mayor número y dificultad de las obras a ejecutar.

En este marco, y en el caso de obras singulares en las que haya que salvar algún obstáculo natural (ríos, montañas…) o artificiales (vías ferrocarril, carreteras…) o bien haya una escasez de espacio, es de obligado uso el empleo de las tecnologías sin zanja. De hecho, debemos preguntarnos: por qué no emplearla siempre?

Las primeras razones son siempre las mismas:

a) Por coste: En la Universidad de Texas Arlington, Trupti Anil, Mustafa Kanchwala, Mohammad Najafi, Craig Fisher realizaron un estudio en el que se demostraba que el coste de instalación por pie para  un  tipo  de obra de canalización estándar resultaba más económico que con zanja. Realizaron comparativas en distintas áreas y básicamente concluyeron que la instalación sin zanja era entre un 40 y un 50% más económica, y que los gastos de restauración en superficie alcanzaban hasta el 70% de los costes totales de ejecución. Por lo tanto, ese razonamiento ya se tiene que estudiar particularmente para cada obra.

b) Por Impacto Ambiental: El empleo de las tecnologías sin zanja apenas afecta a apenas unos centímetros de la superficie circundante a la tubería/canalización a instalar, por lo que es muy reducido. Si tomamos en consideración algunas imágenes mostradas por el Dr Sam Ariaratnam actuales, es muy sencillo entender el bajo impacto de las tecnologías sin zanja.

c) Capacidad: The sky is the limit. Se han realizado instalaciones de más de 1.500 m y de diámetro superior a 1.800 mm mediante HDD. Empleando microtuneladoras el diámetro alcanza hasta los 3.600 mm y para grandes obras las tuneladoras no tienen límite (hasta 64 km de longitud en el proyecto TEO y más de 17 m de diámetro en otros proyectos).

d) Desconocimiento: No hay mayor indicador que la industria es conocida cuando su producción está extendida en China. El Dr. Sam Ariaratman facilitó una descripción muy interesante de este mercado hace unos pocos años, en el que ya se hablaba de miles de equipos. Una vez que hemos despejado las posibles dudas acerca del empleo de las tecnologías sin zanja en la ejecución de obras subterráneas, y se tiene el apoyo de las administraciones locales, como es el caso del Ayuntamiento de Madrid, (artículos 16, 17, 23 y 32 de la ordenanza de obras) ya podemos pasar a optimizar estas técnicas, tanto en rapidez como en seguridad.

Fluidos de perforación, la herramienta flexible

Siguiendo con nuestro razonamiento, es fácil de imaginar la siguiente pregunta que todos tenemos: cómo sostienen el terreno durante la instalación?. Aquí es donde entran en funcionamiento las distintas tecnologías, que no entraremos en detalle. Simplificando, el fluido de perforación participa activamente en la instalación de la tubería en mayor o menor peso dependiendo de la técnica, pero siempre debe aportar 3 funciones fundamentales:

a) Estabilidad del terreno perforado.

b) Limpieza para eliminar los restos de terreno al exterior.

c) Lubricación para facilitar la instalación final o bien para reducir la energía necesaria para la realización del trabajo.

Debemos considerar la particularidad de estas tecnologías: generalmente se ejecutan con información detallada del terreno a ejecutar. Aún así siempre se encuentran variaciones imprevisibles que pueden dificultar el avance de la obra. Por tanto, además de sus funciones propias, la primera función adicional del fluido de perforación es indicar posibles variaciones en el terreno, son los ojos del perforador.

Para una óptima ejecución de una perforación sin zanja son imprescindibles 4 factores fundamentales:

a) Conocimiento del terreno.

b) En función del terreno y dimensiones, elegir la tecnología adecuada (HDD, microtúnel,…).

c) Definir las herramientas de corte más adecuadas para cada terreno.

d) Definir el fluido de perforación para optimizar la velocidad de avance.

El orden de estos factores es muy importante, ya que el lodo de perforación permite amortiguar cambios graves de terreno que dificultan la velocidad de avance de una forma más rápida, siempre dentro de unos límites. De todas formas, es la primera modificación a realizar para mejorar rendimiento. Sin duda la mayor influencia sería el cambio de la tecnología, pero en ocasiones no es posible, y cuando es posible el retraso puede ser de semanas en los casos optimistas. Con respecto a los útiles de corte, el cambio sería más rápido, pero hablamos de incluso un día en función de los metros ya perforados. Por último, modificar el fluido de perforación no dura más de unas pocas horas y se puede modificar conforme va avanzando la perforación.

Para comprender un poco más esa flexibilidad, vamos a ver cómo realiza el fluido las funciones que se le exigen de estabilidad, limpieza y lubricación.

La mayoría de los fluidos de perforación están basados en una arcilla natural llamada bentonita. Esta arcilla tiene la propiedad de generar unas propiedades particulares cuando se encuentra dispersa en agua. Es capaz de generar un gel en ausencia de movimiento y por el contrario, comportarse como el agua cuando se tiene que bombear al exterior de la perforación. Estos fluidos actúan por inundación, es decir, se inyectan en la perforación para rellenar el hueco dejado en el terreno de forma que inundan el túnel excavado. De esta forma se aplican una presión en todo el túnel que evita que se derrumbe. Sólo como referencia, el fluido de perforación tan sólo afecta a unos pocos centímetros circundantes a la perforación, de forma que el impacto es mínimo.

La formación de este gel es esencial para estabilizar los terrenos, ya que de esta manera se evita que el fluido penetre en exceso en la formación. Este gel también ayuda a mantener en suspensión los recortes de la perforación y permitir así su extracción en continuo mediante bombeo.

La tercera propiedad, la lubricación, es una combinación de las otras dos, ya que si el túnel no está estabilizado y no está limpio de recortes, la fricción es muy elevada.

Flexibilidad en la práctica

Un fluido de perforación es una suspensión que se prepara in situ en el lugar de trabajo, bien dispersando un único componente o varios en función de las condiciones de trabajo, siempre tomando como premisa básica la estabilización de la perforación. El tener varios componentes da la flexibilidad suficiente para poder solventar imprevistos en las condiciones de partida de forma rápida y sencilla.

De nuevo, debido al avance de los fluidos acorde con la tecnología ya se disponen de productos que pueden abarcar la mayoría de las condiciones de trabajo que se puedan encontrar en la mayoría de los proyectos tan sólo variando sus proporciones, dejando las composiciones para casos verdaderamente excepcionales. Por ejemplo, estos productos se dosifican en concentraciones menores al 5%, en función de las condiciones del terreno, las nuevas generaciones de lodos varían desde el 1,5 al 4%.

Un caso particular son las perforaciones en entorno salino, o incluso en agua salada. La presencia de sales dificulta enormemente las condiciones de trabajo, ya que no permite generar la reología necesaria y es necesaria una experta formulación de los fluidos para poder atacar este tipo de proyectos.

De nuevo, la tecnología de fluidos, no es nada nuevo, ya que desde hace más de un siglo que se están empleando para la perforación de pozos de petróleo y gas, pero en condiciones y coste poco manejables para las obras de ingeniería actuales. Donde sí se ha avanzado es en el desarrollo de soluciones puntuales para las necesidades de cada tecnología, de forma que ya se puede trabajar de forma análoga a un ambiente “típico”, empleando formulaciones sencillas y flexibles en estos entornos poco amigables para el perforador empleando como base el agua existente en el entorno (por ejemplo, agua de mar para obras marítimas).  De nuevo, la seguridad es una premisa básica, incluyendo en esta variable los potenciales impactos en el entorno. La mejor forma de reducción de impacto es la afección a la mínima superficie posible, así como a los elementos existentes.

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