Development and performance evaluation of an in-situ temperature- and pressure-preserving corer for acquiring true in-situ parameters in deep mines
Este artículo presenta el desarrollo y la evaluación exhaustiva de un sacador de núcleos in situ para minas profundas con preservación de temperatura y presión (DM-ITPC), el cual integra con éxito el levantamiento hidráulico, el sellado de autodisparo y el control térmico activo-pasivo para adquirir y mantener los verdaderos parámetros in situ de los núcleos bajo condiciones de alta presión y alta temperatura para aplicaciones de minería fluidizada.
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En lo profundo del subsuelo, donde la tierra es caliente y la roca es comprimida por un peso inmenso, yace un secreto que la tecnología minera actual no puede desbloquear por completo. Para extraer carbón de forma segura y eficiente desde profundidades de dos kilómetros o más, los ingenieros necesitan comprender la verdadera naturaleza de la roca y los fluidos atrapados allí. El problema es que cuando una muestra de roca es traída a la superficie, cambia. A medida que asciende, la presión disminuye y la temperatura cae, lo que provoca que la roca se expanda, se agriete o pierda los gases y líquidos que contenía en las profundidades. Las mediciones tomadas de estas muestras alteradas no reflejan la realidad de la tierra profunda. Para construir un nuevo tipo de sistema minero que transforme el carbón en energía bajo tierra sin traer la roca sólida a la superficie, los científicos primero necesitan una forma de traer una muestra que permanezca exactamente como era en su hogar original de alta presión y alta temperatura.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Sichuan y de Jin Shi Drill Tech Co., Ltd. ha desarrollado una herramienta especializada diseñada para resolver este problema. Crearon un dispositivo llamado perforador de preservación de temperatura y presión in situ para minas profundas. Esta herramienta está construida para perforar la roca, capturar un cilindro de núcleo y luego sellarlo dentro de una cámara que mantiene la muestra a la misma temperatura y presión que tenía en las profundidades de la tierra, todo el camino hasta la superficie. El dispositivo mide 3,8 metros de largo y está diseñado para contener una muestra de núcleo de 50 milímetros de diámetro y 800 milímetros de longitud. Está construido para resistir las condiciones extremas de las minas profundas, específicamente manteniendo una presión de hasta 30 megapascales y una temperatura de hasta 50 grados Celsius.
La operación de esta herramienta depende de una hábil secuencia de eventos activados por el propio fluido de perforación. Una vez que la herramienta ha perforado su muestra de 800 milímetros, una bola de acero se deja caer por la tubería de perforación. Esta bola aterriza en un lugar específico dentro de la herramienta, bloqueando el flujo normal de fluido. Este bloqueo obliga al fluido de perforación a acumular presión en una cámara diferente, la cual actúa como un pistón hidráulico. Esta presión ascendente empuja una varilla central hacia arriba. A medida que la varilla se mueve, realiza dos tareas críticas simultáneamente. Primero, activa un sistema de calentamiento envuelto alrededor del tubo del núcleo para mantener la muestra caliente, compensando el calor que de otro modo perdería debido al aire más frío de la superficie. Segundo, impulsa el tubo del núcleo hacia arriba hasta que golpea un juego de sellos. En la parte inferior, una válvula magnética se cierra de golpe para sellar el núcleo desde abajo. En la parte superior, los sellos de goma se comprimen para cerrar la cámara desde arriba. Esto crea un entorno sellado y presurizado alrededor de la muestra de roca.
Para asegurar que esta cámara sellada no estallara bajo la inmensa presión de la tierra profunda, los investigadores analizaron la resistencia de sus paredes. La herramienta utiliza una estructura compuesta con capas de acero resistente y un material aislante especial entre ellas. Utilizaron simulaciones por computadora y modelos matemáticos para calcular cómo se distribuiría el estrés a través de estas capas cuando el interior fuera presurizado a 30 megapascales mientras la presión exterior descendía a cero en la superficie. Los cálculos mostraron que las capas de acero manejarían fácilmente el estrés, permaneciendo la presión más alta en el metal muy por debajo de su punto de ruptura. La capa aislante, aunque mucho más débil, resultó estar bajo un estrés muy bajo, lo que significa que el diseño es seguro y lo suficientemente robusto para el trabajo.
El equipo puso entonces la herramienta a prueba en el laboratorio. Colocaron la cámara sellada dentro de un gran recipiente de presión y la calentaron a 50 grados Celsius mientras la presurizaban a 30 megapascales. Mantuvieron estas condiciones durante cuatro horas. Durante toda la prueba, la temperatura y la presión internas se mantuvieron perfectamente estables, sin signos de fugas o pérdida de presión. En una prueba separada, simularon el proceso de perforación real en un foso de 30 metros de profundidad lleno de un material similar al cemento. La herramienta perforó con éxito la muestra, activó el mecanismo de sellado y elevó el núcleo a la superficie. Cuando revisaron los sellos después, la herramienta mantuvo la presión sin tener fugas. También confirmaron que el sistema de calentamiento se encendió y funcionó según lo previsto al ser alimentado eléctricamente.
Los resultados confirman que esta nueva herramienta puede recuperar con éxito muestras de roca de las profundidades de la tierra mientras las mantiene en su estado original. Al mantener la verdadera temperatura y presión de la tierra profunda, las muestras traídas por este dispositivo permitirán a los científicos medir las propiedades reales del carbón y la roca profundos. Estos datos precisos son esenciales para desarrollar las nuevas teorías y tecnologías necesarias para minar carbón de forma segura y eficiente desde profundidades que antes se consideraban demasiado peligrosas o difíciles de alcanzar. El éxito en las pruebas de las funciones de sellado, mantenimiento de presión y calentamiento demuestra que el concepto funciona, proporcionando una base crítica para el futuro de la extracción de recursos en la tierra profunda.
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