Muestreadores de doble barril 117 

Esta categoría de muestreadores, consta de dos tubos concéntricos los cuales están sujetos a una cabeza, alineados en la punta. El principio de operación consiste, en que por medio de rotación el tubo exterior corta la muestra, mientras el tubo interior permanece sin rotar, tomando la muestra por presión a medida que avanza el muestreador. El torque se aplica desde la superficie utilizando una máquina de perforación, la cual se conecta al muestreador por una columna de tubos de perforación. La perforación debe realizarse con un fluido de perforación (agua o lodo) que se hace circular por la columna de perforación y entre los dos tubos concéntricos.

Existen tres tipos de muestreadores de doble barril: Denison, Pitcher y tubo hueco con broca helicoidal.

1- Muestreador Denison

Con este muestreador que opera a rotación y presión se obtienen muestras que difícilmente pueden tipificarse como inalteradas. Se usa en arcillas duras, limos compactos y limos cementados con pocas gravas, localizados abajo del nivel freático en donde se puede utilizar agua o lodo como fluido de perforación.

El muestreador Denison consiste de dos tubos concéntricos; en el interior que se hinca a presión, se rescata la muestra de suelo, mientras que el exterior, con la broca de corte en su extremo gira y corta el suelo del derredor. Para operar este muestreador se requiere fluido de perforación, que se hace circular entre ambos tubos.

Características

En la figura B.55, se muestra el diseño actualizado de este muestreador que esencialmente consiste de dos tubos concéntricos acoplados a una cabeza con valeros axiales, que los une a la columna de barras de perforación y permite que el tubo interior se hinque a presión en el suelo, en inducir esfuerzos de torsión a la muestra; mientras que el exterior, gira y corta el suelo circundante.

La cabeza del muestreador tiene una tuerca de ajuste que controla la posición relativa entre ambos tubos; así durante el muestreo, el tubo interior penetra en el suelo la distancia, “d” (figura B.55) antes que la broca, para proteger a la muestra de la erosión y contaminación que le puede ocasionar el fluido de perforación.

Figura B.55. Muestreador Denison.

Tipo de suelo d (cm)

Blando 2

Duro 0.5

Muy duro 0 ó el menor

Tabla B.42. Ajuste "d" entre broca y

La broca de corte es una pieza de acero con pastillas de carburo de tungsteno que protegen las zonas de mayor desgaste; en la figura B.56, se muestran las dos brocas tipo más usuales.

Figura B.56. Tipos de broca Denison.

Tabla B.43. Dimensiones de los tubos Denison (en cm). Diámetro

Nominal

Tubo interior Tubo Exterior _{Barras de}

operación De Di Dm L De Di L Lm 7.5 7.62 7.22 7.11 7.17 75 8.52 7.92 90 60 BW 10 10.15 9.76 9.61 9.69 90 11.16 10.46 105 75 NW

En donde: De: Diámetro exterior, Di: Diámetro interior, Dm: Diámetro de la muestra, L: Longitud de tubo, Lm: Longitud de la muestra.

Las dimensiones del muestreador Denison que permiten obtener muestras de 7.5 y 10.0 cm de diámetro nominal, se anotan en la tabla B.43.

Para el muestreo de materiales granulares conviene adaptarle una trampa de canastilla que consiste en lengüetas de lámina de acero flexible remachadas al tubo interior, como se muestra en la figura B.55.

Operación

Antes de introducir el muestreador al sondeo se debe ajustar la distancia “d” entre el tubo interior y la broca, como se indica en la figura B.55 de acuerdo con el material que se va a muestrear; también se debe verificar que la cabeza esté limpia, engrasados los valeros y que la válvula opere correctamente.

A continuación se baja el muestreador al fondo de la perforación y se hinca por al menos la profundidad “d” para evitar que el tubo interior gire al iniciar la rotación del tubo exterior. Durante el muestreo la máquina perforadora transmite, a través de la columna de barras, rotación y fuerza vertical, la primera varía entre 50 rpm para materiales blandos y 200 rpm para los duros. En cuanto a la fuerza vertical puede ser hasta de 3 t.

Una vez que se ha penetrado la longitud prevista o que el muestreador no pueda avanzar, se suspende la rotación y la fuerza axial, se deja 30 segundos en reposo para permitir que la muestra expanda; después se gira para desprender la muestra de su base y posteriormente extraer el muestreador.

La extracción del material que corta la broca, así como el enfriamiento de la misma se hace con un fluido de perforación que circula por el espacio anular que dejan los dos tubos; en muestreo arriba del nivel freático se debe utilizar aire; podría ser admisible utilizar lodo, sólo si se demuestra que la contaminación que induce a la muestra es tolerable. En muestreos abajo del nivel freático puede utilizarse agua o lodo. La presión de operación del fluido de perforación debe ser la mínima con que se mantenga limpia la perforación.

Registro de datos

El registro de datos se hará igual al muestreador Shelby, agregando la velocidad de rotación con que operó el muestreador.

Protección y transporte de muestras

En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte.

Ventajas y desventajas

La ventaja de este muestreador, es que permite manejar relaciones de área más grandes y los esfuerzos en la cabeza de corte van disminuyendo durante la operación de perforación.

Sin embargo, presenta algunas desventajas: se manejan relaciones de compensación interna que hacen que la retención de la muestra no sea adecuada. Además se pueden presentar daños en la muestra por las vibraciones que se producen durante la perforación con rotación.

En el caso de suelos localizados arriba del nivel freático, las muestras pueden contaminarse con el fluido de perforación. También, la posición del tubo interior respecto a la cabeza de corte, se debe ajustar conforme se avanza en la perforación dependiendo del tipo de suelo que se vaya encontrando (U.S. Army Corp, 2001). Por estos motivos, su uso es poco recomendable.

2- Muestreador Pitcher

Con este muestreador que opera a rotación y presión se pueden obtener muestras, que pueden ser inalteradas, de arcillas duras, limos compactos y limos cementados con pocas gravas; resulta particularmente adecuado en los suelos con capas delgadas (hasta de centímetros) de materiales de diferente dureza.

Este muestreador es similar al Denison excepto porque la posición del tubo interior se regula con un resorte axial; mientras que el exterior, con la broca de corte en su extremo, gira y corta el suelo del derredor. Su operación requiere también la inyección de un fluido de perforación.

Características

El muestreador Pitcher consiste de dos tubos concéntricos, acoplados a una cabeza compuesta de dos piezas: la superior es fija para transmitir la rotación al tubo exterior, en cuyo extremo va la broca de corta, mientras que la inferior, separada de la fija por un resorte axial, soporta al tubo interior de 7.5 ó 10 cm de diámetro en que se aloja a la muestra; la función del resorte es de regular la posición longitudinal del tubo interior con respecto al exterior. En la figura B.57, se observa que la unión del tubo interior-cabeza se hace por medio del tornillo Allen, aunque también puede hacerse por medio de rosca, como en el tubo Denison. La parte fija de la cabeza tiene un balero axial cuya función es mantener estático al tubo interior mientras gira el exterior y soportar la reacción del resorte axial. El resorte se elige con una constante que depende de la resistencia del suelo. La broca de este muestreador es similar a la que se utiliza en el barril Denison.

Figura B.57. Muestreador Pitcher.

a b c RESORTE VÁLVULA DESLIZANTE (ABIERTA)

RETORNO DEL FLUIDO DE PERFORACIÓN RESORTE VÁLVULA TUBO EXTERIOR GIRATORIO BROCA TORNILLO DEL TUBO INTERIOR

TUBO INTERIOR FIJO DE PARED DELGADA FLUIDO DE PERFORACIÓN TUBERÍA DE PERFORACIÓN VÁLVULA DESLIZANTE (CERRADA)

Operación

El muestreador se introduce en el sondeo con el tubo interior totalmente salido del exterior y la válvula deslizante abierta (figura B.57.a); poco antes de llegar al fondo de la excavación se inyecta fluido de perforación que sale por el tubo interior e impide que se introduzca el azolve del sondeo al tubo (figura B.57.a). Al iniciarse el hincado, el tubo interior toma su posición de muestreo, la válvula deslizante se conecta para dar salida al fluido que queda dentro del tubo interior y el resorte transmite la fuerza axial; en ese momento se puede iniciar la rotación del tubo exterior (figura B.57.b). Si durante el muestreo se encuentra un estrato duro, el resorte se contrae (figura B.57.c) y almacena energía, que impulsa automáticamente el tubo interior si llega a encontrarse suelo blando nuevamente.

Este muestreador se opera con velocidades de rotación menores entre 100 y 200 rpm; la presión vertical debe permitirle avanzar con velocidades máximas de 5 cm/s. La longitud de la muestra que puede obtener es de 75 cm para tubos de 90 cm.

Además, el gasto para el fluido de perforación varía entre 80 y 240 l/min, con presión

máxima de 15 kg/cm2 (PEMEX, 2001).

Registro de datos

El registro de datos se hará igual al del muestreador Shelby, agregando la velocidad de rotación con que se operó el muestreador.

Protección y transporte de muestras

En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte.

Ventajas y desventajas

La ventaja de este muestreador, es que permite manejar relaciones de área más grandes y los esfuerzos en la cabeza de corte van disminuyendo durante la operación de perforación.

En suelos blandos este muestreador trabaja como tubo de pared delgada, en donde la broca sirve solo para recortar el material alrededor del tubo. En cambio, en suelos duros, funciona como un muestreador Denison, logrando buena calidad de muestras (PEMEX, 2001).

Sin embargo, presenta algunas desventajas: se manejan relaciones de compensación interna con las que la retención de la muestra no resulta adecuada. Además se pueden presentar daños en la muestra por las vibraciones que se producen durante la perforación con rotación (U.S. Army Corp, 2001).

3- Muestreador de broca helicoidal

Este muestreador, también opera a rotación y presión. Con este, se pueden obtener muestras que pueden ser inalteradas, de arcillas duras, limos compactos y limos cementados con pocas gravas. También permite obtener muestras inalteradas en

materiales secos sin usar lodos de perforación o en materiales inestables sin utilizar revestimiento.

Este muestreador consiste en una broca helicoidal externa que perfora a rotación, la cual está equipada con una ceja de corte en la punta y un barril interno estacionario, ajustable con una zapata de corte. Su operación requiere también la inyección de un fluido de perforación.

Características

Este muestreador está provisto de una broca helicoidal que tiene en su punta unas cejas de corte y por medio de rotación se introduce en el suelo. La ceja hace que debajo del muestreador el diámetro del sondeo sea más amplio. La función de la espiral helicoidal, es sacar los restos de suelo que quedan después del corte para evitar que se contamine la muestra de suelo. Este muestreador hace las veces de revestimiento en el interior del sondeo. Tiene en su interior un tubo de pared delgada, el cual permanece estacionario, mientras el exterior está rotando.

La broca helicoidal está definida por el espaciamiento, la trayectoria, el diámetro externo y el diámetro interno. Los diámetros de avance recomendado se muestran en la siguiente tabla.

Tabla B.44. Diámetros recomendados para muestreadote de broca helicoidal. Diámetro del sondeo (mm) Recorrido de la broca (Diámetro externo) (mm) Broca axial (Diámetro interno) (mm) Diámetro de la muestra (mm) 159 127 57 51 171 146 70 64 184 159 83 76

Las cejas de corte están equipadas con 4 a 12 dientes, que son ajustados con inserciones reemplazables de carburo.

El barril interno contiene un muestreador y una funda, la cual puede ser una sola de 1.5 m de sección o dos de 0.76 m de sección. Estas fundas, pueden ser de acrílico o de metal. Las fundas de acrílico tienen la ventaja que permiten la inspección visual de la muestra y se pueden reutilizar si no presentan deterioro. Las fundas metálicas generan menos fricción en la pared que las de acrílico. En la figura B.58 se muestra un esquema de este muestreador.

Figura B.58. Muestreador de Broca Helicoidal.

CABEZA DEL SACA NÚCLEO TIPO GIRATORIO. CABEZA EXTERNA DEL MUESTREADOR CABEZA INTERNA DEL MUESTREADOR BARRENA

PUNTA DE CORTE DEL TUBO MUESTREADOR CEJA DE CORTE BARRENA TUBO DE PARED DELGADA VÁLVULA DE CHECADORA DE ESFERA LAMINA HELICOIDAL DE LA BARRENA

Operación

La operación es similar al de los otros dos muestreadotes de barril doble. La broca helicoidal penetra el suelo por rotación, mientras las cejas de corte aumentan el diámetro del sondeo debajo de la muestra.

Los cortes de suelo, son sacados de la perforación por la broca helicoidal en el tubo externo. El esquema de este muestreador puede apreciarse en la figura B.58.

Las cejas de corte dejan un espacio para el que tubo interno pase. Durante el muestreo el tubo interno se clava en la superficie de la muestra y avanza conforme penetra la broca helicoidal. El tubo interno se puede colocar por delante o atrás de las cejas de corte por medio de un vástago ajustable.

Cuando se trabaja con el tubo interno por delante de la cejas de corte, la alteración de la muestra es mínima, si se maneja una distancia de aproximadamente 75 mm. Si la distancia es menor a 75 mm se presenta alteración de la muestra por la acción de raspado de las cejas de corte.

En esta herramienta, se pueden obtener muestras continuas con el avance de la perforación. En el caso que no se requiera muestrear, se usa un pistón central que impide la entrada del suelo. Este pistón es una broca izquierda que fuerza al material a salir por la broca helicoidal externa. Así permite que la broca helicoidal se encargue del corte de la superficie. Este pistón central se reemplaza por el barril interno en el momento que se requiera tomar la muestra.

Cuando se utilice para el muestreo de suelos bajo el nivel freático, se debe mantener la presión hidrostática durante todo el tiempo al interior de la tubería para prevenir cavitación y socavación en la perforación.

Si se utiliza el pistón central, se deben emplear empaques tipo aro sello para mantener el agua por fuera de la tubería de perforación.

Registro de datos

El registro de datos se hará igual al del muestreador Shelby, agregando la velocidad de rotación con que se operó el muestreador.

Protección y transporte de muestras:

En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte.

Ventajas y desventajas

La ventaja de este muestreador, es que permite manejar relaciones de área más grandes y los esfuerzos en la cabeza de corte van disminuyendo durante la operación de perforación. Además, permite el avance del sondeo en materiales secos sin fluido de perforación o en materiales inestables sin revestimiento (U.S. Army Corp, 2001).

Sin embargo, presenta algunas desventajas: se manejan relaciones de compensación interna con las que la retención de la muestra no es adecuada. Además se pueden presentar daños en la muestra por las vibraciones que se producen durante la perforación