071021 articulo tecnico cruzamientos direccionales

8/11/2019 071021 Articulo Tecnico Cruzamientos Direccionales

1/20

Cruzamientos DireccionalesORIZZONPetroservicios Riogrande, S.A. de C.V. / MearsMex, S. De R.L. de C.V

www.orizzon.com.mx

1

CRUZAMIENTOS DIRECCIONALESMTODO DE PERFORACIN HORIZONTAL DIRIGIDA

DETERMINACIN DE LONGITUD: PRINCIPIOS BSICOS PARA CAMPO

Ing. Toms Iglesias FerraraDirector

Cruzamientos DireccionalesORIZZONMoralillo Pte. 210, Lomas del Valle

San Pedro, NL 66256

Tel. / Fax (52)(81) 8356 9852 E-mail: [email protected]

RESUMEN

La importancia de este tema es debido a

que actualmente se estn licitando y

llevando a cabo cruzamientos

direccionales con tubera de acero al

carbn, incluyendo aqullos que estn

enfrentando obstculos de longitudes

relativamente cortas, y el usuario se

sorprende al ver una longitud requerida

del cruzamiento direccional mayor a la

del obstculo: Se tiene por ejemplo un

cruzamiento de un canal de una longitudde 20 (veinte) metros de ancho, de 5

(cinco) metros de profundidad en forma

de caja y las elevaciones del terreno

natural a ambos lados son iguales; La

tubera a instalar es de acero al carbn

de 12 Dimetro Nominal, 0.281 espesor

de pared, X-52. El resultado es un

cruzamiento direccional de mnimo 256.0

metros lineales (257.3 metros

instalados). (Figura 1.)


2/20


www.orizzon.com.mx

2

Esta presentacin ilustra cmodeterminar esta longitud, y en general los

principios bsicos para determinar las

longitudes de los cruzamientos

direccionales por el mtodo de

perforacin horizontal dirigida. En la

prctica el diseo es en base a Prueba

y Error de los parmetros conocidos,

hasta optimizar el diseo final.

Los cruzamientos direccionales por el

mtodo de perforacin horizontal dirigida,

que es la alternativa a la instalacin de

ductos sin efectuar zanja, se han ido

implementando con mayor frecuencia en

la instalacin de ductos de acero al

carbn, tanto para lneas nuevas como

para el mantenimiento de lneas

existentes. Este mtodo consiste en

instalar el tubo de conduccin del

Usuario dentro de un tnel que esquiva

un obstculo, para luego continuar con

la instalacin del ducto de la manera

tradicional; el obstculo puede ser un

ro o arroyo, carretera o autopista, dren o

canal, zona residencial, vas de

ferrocarril, pantano, propiedades

afectadas, etc..

La ejecucin de este tnel implica el

tener que darle la direccin adecuada a

lo largo de una longitud definida, para

que sea efectiva su utilizacin, es decir,

debe de partir de un punto definido hacia

una salida preestablecida, esquivando el

obstculo durante su trayectoria. Al

mismo tiempo, debe respetar principios

bsicos de esfuerzos del tubo a instalar,

as como lineamientos prcticos de la

industria de los cruzamientos

direccionales, los cuales se han

desarrollado de una manera emprica y

pragmtica a lo largo de ms de

veinticinco aos de existencia de esta

metodologa.

Fundamentalmente, determinar la

longitud del cruzamiento direccional es la

base de la correcta ejecucin del

cruzamiento direccional y adecuada

instalacin del ducto, para mantener una

situacin estable de un tubo

naturalmente esforzado: Al existir una

curva a seguir como parte de la

ejecucin del tnel, implica que el tubo a

instalar se esforzar para penetrar por


3/20


www.orizzon.com.mx

3

este tnel, de manera que la estabilidadde la instalacin depender de la

correcta aplicacin de los lineamientos

de la industria, lo cual resultar en una

longitud que proveer la estabilidad que

se busca en instalaciones de ductos,

especialmente aqullos que transportan

hidrocarburos.

Finalmente, con la determinacin

adecuada de la longitud, se verifica que

el diseo lleve al ejecutor a poder

mantenerse dentro de los parmetros

aceptables de las normas establecidas

de esfuerzos y profundidades, para un

dimetro de tubera determinado, y

dadas las condiciones de carga,

presiones y temperatura del fluido a

transportar. As mismo se ratifica que el

diseo est dentro de los lineamientos

de la industria de cruzamientos

direccionales, para confirmar que su

ejecucin en el campo sea viable y

aumente as las posibilidades de xito

del cruzamiento direccional.

INTRODUCCIN

Cruzamiento Direccional por el mtodode Perforacin Horizontal Dirigida es un

procedimiento de instalacin de ductos

que no utiliza zanja. Este procedimiento

es utilizado para superar obstculos tales

como ros o arroyos, carreteras o

autopistas, drenes o canales, zonas

residenciales, vas de ferrocarril,

pantanos, propiedades afectadas, etc..

(Figura 2.)

El diseo de un proyecto o perfil de

cruzamiento direccional incluye el


4/20


www.orizzon.com.mx

4

desarrollo de las Partes del cruzamientocon su Ajuste para determinar las rectas

inclinadas, las curvas y el ajuste recto

horizontal en el centro. De los

parmetros conocidos o definidos por el

proyecto global -tal como dimetro

nominal de la tubera- y por los

lineamientos de la industria tal como el

distanciamiento del tnel al punto ms

profundo del obstculo-, se concluyen los

valores especficos de las longitudes de

los elementos desconocidos y de este

modo se concluye la longitud del

cruzamiento direccional.

El desarrollo del diseo se lleva a cabo

aplicando frmulas trigonomtricas, que

emanan de los elementos conocidos o

predeterminados, hasta terminar con la

definicin de la longitud mnima del


Finalmente, se llega a la determinacin

de la longitud del cruzamiento a travs

del ajuste horizontal en el centro, el cual

se ajusta de acuerdo a la necesidad

prctica, respecto a los equipos y

herramientas utilizadas para la

implementacin del cruzamiento, o lasnecesidades mismas del proyecto.

NOMENCLATURA

: Pies

: Pulgadas

DN: Dimetro Nominal

DCCA: DirectionalCrossing

Contractors Association

Mtrs: Metros

MY: Mdulo de Young En acero al

carbn es de 29,000,000 psi

Psi: Pound perSquareInch (Libras

por Pulgada Cuadrada)

r: radio del tubo a instalar que es

el DN dividido entre 2, en

pulgadas

R: Radio de curvatura del

segmento curvo del


5/20


www.orizzon.com.mx

5

Cruzamiento Direccional, enPies.

SMYS: Specified Minimum Yield Stress

(Esfuerzo de Cedencia Mnimo

Especificado)

DESARROLLO

A grandes rasgos, el procedimiento de

Perforacin Horizontal Dirigida se ha

mostrado en la Figura 2: Frente a un

obstculo a superar, se ubica el taladro

de perforacin de un lado, y del otro lado

se fabrica, de la longitud del obstculo a

subsanar, la lingada grupo de tubos a

instalar soldados, probados y detectados

en superficie-.

Con el taladro se efecta el pozo gua o

Pozo Piloto, como paso inicial; Esto se

logra introduciendo tubos de perforacin

que llevan en la punta un ensamble

especial o una broca que le permite

desviar su trayectoria para dar la

direccin que se requiere. Los recortes

que se producen en esta etapa y al

ensanchar se recogen con el lodo

bentontico que se inyecta durante el

proceso; Al quedar tubera deperforacin dentro de este pozo, sta se

utiliza como gua para ensanchar el tnel

a un dimetro tal, que el tubo a instalar

quepa al ser jalado por el taladro dentro

del tnel.

Previo al Pozo Piloto, se disea el perfil

del cruzamiento, de acuerdo a las

necesidades del proyecto. Es aqu

donde aparece la exigencia de disear y

definir la longitud del cruzamiento.

Especficamente el cruzamiento

direccional consta de dos Partes

Principales y un Ajuste horizontal entre

stas, como se muestra en la Figura 3.

En esta figura se muestran tambin los

cinco segmentos de que consta el



6/20


www.orizzon.com.mx

6

Ahora bien, ya que se identificaron las

PARTES, se procede a adaptarlas al

proyecto, iniciando con los segmentos de

la PARTE I. (Figura 4.)

Siguiendo con el Ejemplo que se

present al inicio, se revisan los

parmetros conocidos: La profundidad

del Canal, y el DN y Grado de la tubera

a instalar: En este caso la profundidad

del canal es de 5 Mtrs y la tubera a

instalar es de 12 DN, X-52.

En el tema de la profundidad a la cual se

instalar el ducto, se siguen los

lineamientos de la industria, los cuales

han sido bien recopilados por la DCCA.

Considerando que se inyecta bentonita

para recoger los recortes, normalmentese intenta distanciar el tnel del punto

ms profundo por al menos 6 metros.

Es decir, que en este caso la profundidad

del tubo a instalar es 11 Mtrs., que es la

suma de los 5 metros de profundidad del

Canal ms los 6 Mtrs. del

distanciamiento utilizado en la industria.

De modo que la profundidad es ya un

dato conocido que ser utilizado

posteriormente para desarrollar el

diseo. Esto se recuerda en la Figura 5.

Otro dato que se convierte en conocido

se deriva del parmetro del DN de la

tubera a instalar: El radio de curvatura

de la porcin curva del la PARTE I del

direccional. En la industria se utiliza la

regla de definir el radio de curvatura en

pies, como 100 pies por pulgada de DN.


7/20


www.orizzon.com.mx

7

En este caso:

0) 100 x DN = DN00

1) 100 x 12 = 1,200

La razn primordial de haber llegado a

esta regla se relaciona con el esfuerzo

ejercido, en lo que respecta a la

flexibilidad del tubo a instalar. En este

caso se conoce que es un tubo X-52, o

de otra forma descrito, el SMYS es de

52,000 psi. La prctica en la industria

es que el tubo quede instalado con un

esfuerzo menor al 25% del SMYS.

Entonces se desarrolla la siguiente

ecuacin para determinar el esfuerzo de

flexibilidad del tubo:

2) Esfuerzo = (MY x r)/ R

Donde

MY = 29,000,000 psi

r = DN/2 = 12/2

R = (100x DN) en pies, i.e. (100 x 12)pies X 12 para convertir a Pulgadas

En el ejemplo se traduce a

3) Esfuerzo = 29,000,000 x

(12/2)/((100x12)x12)

Resultando en

4) Esfuerzo = 12,083 psi

Es decir

5) Esfuerzo/SMYS = 12,083/52,000=

23.2 % de SMYS

De este modo se confirma que la

profundidad es conocida y que el radio

de curvatura es conocido: En el ejemplo

es 11 Mtrs y 1,200 Pies respectivamente.

Continuando con elementos conocidos,

se procede a definir de una manera

quasi-arbitraria, el ngulo de entrada de

lo que se ha definido como el segmento


8/20


www.orizzon.com.mx

8

recto inclinado de la PARTE I delcruzamiento (Lado Taladro). Los

lineamientos de la industria vuelven a

aparecer como guas para determinar

este ngulo: Se recomienda que el

ngulo de entrada sea de entre 8y 20.

Este rango se relaciona tanto con las

capacidades de inclinacin de los

equipos, las cuales varan dependiendo

de la marca, modelo y tamao del taladro

de perforacin, as como con las

caractersticas de profundidad del

proyecto. Este ngulo se muestra en la

Figura 6., y en el ejemplo se ha utilizado

un ngulo de entrada de 10.

Resumiendo: Los parmetros

conocidos son la profundidad, el radio de

curvatura y el ngulo de entrada.

Lo siguiente es visualizar la trigonometradel cruzamiento direccional, comenzando

por los segmentos de la PARTE I, para ir

resolviendo las longitudes horizontales y

las profundidades de los puntos de

inflexin, y definir las longitudes de

tubera instalada en esta PARTE I. La

Figura 7. ilustra la trigonometra de la

PARTE I.

Se inicia el desglose enfocado al ngulo

de entrada


9/20


www.orizzon.com.mx

9

Al conocer el ngulo


10/20


www.orizzon.com.mx

10

8) Re = Yet+ Ye1

9) Ye1 = Re - Yet

10) cos


11/20


www.orizzon.com.mx

11

16) tan


12/20


www.orizzon.com.mx

12

Entonces Seccin Curva:Be1

20) Be1 =


13/20


www.orizzon.com.mx

13

Los lineamientos de la industria vuelven

a aparecer como guas para determinar

el ngulo de salida: Se recomienda que

el ngulo de salida sea de entre 5y 12,

para minimizar los riesgos de seguridad

industrial al embocar la tubera a

instalar en el tnel. Ms an, la tubera

a instalar se debe de levantar para

acoplarse al mismo ngulo con el que se

efectu el Pozo Piloto en el lado de la

Salida; especficamente, la tubera

habr de levantarse por medios

mecnicos a la altura de acople, y

seguir la curvatura en superficie a lo

largo de la lingada, lo cual implica que,

entre mayor es ngulo de salida, mayor

es el riesgo en la maniobra del jalado

para la instalacin de la tubera: El

objeto de todo el proceso de estametodologa es instalar el tubo de

producto, por lo cual lo ideal es minimizar

distracciones durante este preciso

evento del proceso, para maximizar el

xito a la primera y con el mximo de

medidas de seguridad industrial.

El anlisis trigonomtrico y frmulas para

la PARTE II del cruzamiento direccional,

son similares a las de la PARTE I, por lo

cual slo se listan los resultados a

continuacin:

24) Xs1 = Rs * sen


14/20


www.orizzon.com.mx

14

En el ejemplo de un canal de una

longitud de 20 (veinte) metros de ancho,

de 5 (cinco) metros de profundidad en

forma de caja y las elevaciones del

terreno natural a ambos lados son

iguales; La tubera a instalar es de

acero al carbn de 12 Dimetro

Nominal, 0.281 espesor de pared, X-

52- el ngulo de salida es escogido de

una manera quasi-arbitraria, como lo fue

el ngulo de entrada, quedando definido

este ngulo de salida en 5, lo cual est

dentro de los lineamientos de la

industria. La longitud de la PARTE II del

cruzamiento direccional arroja lo

siguiente:

24) Xs1 = 31.9 Mtrs

25) Ys1 = 1.4 Mtrs

26) Ys2 = 9.6 Mtrs

27) Xs2 = 109.8 Mtrs

28) Xst = 141.7 Mtrs

De modo que en el ejemplo que se ha

seguido la PARTE II produjo un resultado

de 141.7 Mtrs (Ver aplicacin de

Ecuacin 28 arriba), aunado a lo que

arroj la PARTE I del cruzamiento

direccional que consiste en una longitud

mnima de 94.4 Mtrs (Ver aplicacin de

Ecuacin 18 arriba). Esto da una

longitud total de 236.1 Mtrs., sin el

AJUSTE horizontal.

Como una prctica comn en la

industria, es la de dejar como AJUSTE

horizontal entre las PARTES I y II del

cruzamiento direccional, al menos el

equivalente de una barra y media de

perforacin. Esto es con el afn de

evitar direccionar en tres dimensiones,

es decir, evitar direccionar en curva por

una longitud larga, y para proveer de una

longitud adecuada para correcciones al

momento de estar direccionando, esto es

direccional en dos dimensiones. Es

prudente recordar que lo diseado en el

papel es afectado en la implementacin


15/20


www.orizzon.com.mx

15

en campo por elementos en la formacincomo rocas, cavernas, madera, etc., que

desvan la broca de perforacin del eje

del trazo de diseo originalmente

planeado.

Si en el ejemplo se aade un mnimo

conveniente de longitud para AJUSTE

horizontal, de 19.9 Mtrs, esto a su vez se

aade a la longitud calculada para las

PARTES I y II, para dar la longitud total

del cruzamiento de 256.0 Mtrs.. Es de

hacer notar, que en este caso el ajuste

fue necesario, adems, para que el pozo

piloto pasara por una distancia de al

menos 6 metros por debajo de los puntos

ms profundos de la caja que forma el

Canal del ejemplo que se ha utilizado.

As como en este ejemplo ha existido un

factor externo a la trigonometra como

lo ha sido la profundidad y forma del

Canal- el AJUSTE se utiliza para,

precisamente, ajustar la longitud a las

necesidades del proyecto ms all de la

trigonometra pura. Si en lugar de un

canal de 20 Mtrs de ancho se tuviera un

canal de 300 Mtrs de ancho, el

cruzamiento direccional aqu presentadoiniciara y terminara dentro del agua de

este otro canal; Del mismo modo, si

fuera un ro de 200 Mtrs de ancho, con

un movimiento de las mrgenes

excesivo, probablemente el usuario final

del servicio del cruzamiento direccional,

prefiera alejarse de las mrgenes por

una longitud de varios cientos de metros,

para tener su instalacin en suelos ms

estables, prolongando la vida de la

instalacin: de nuevo el AJUSTE

horizontal es lo que va a hacer la

diferencia en la longitud total del


Entre los factores externos que influyen

directamente con la longitud del

cruzamiento direccional estn las

elevaciones y depresiones del terreno a

lo largo del trazo por donde se efectuar

el cruzamiento. Se ha utilizado en este

ejemplo que se ha presentado, y en el

desarrollo de la trigonometra, la

situacin en la cual las elevaciones del

terreno natural son iguales, tanto del lado

de la Entrada como de la Salida, ya que

se ha intentado en esta Presentacin,


16/20


www.orizzon.com.mx

16

compartir los principios bsicos deldiseo de la longitud. Es de vital

importancia en el diseo final, real, del

cruzamiento direccional, que estas

elevaciones y batimetras sean incluidas.

Recordando, as mismo, lo que se

mencion al inicio de esta presentacin,

en cuanto a intentar variar los

parmetros conocidos en forma de

Prueba y Error -es decir cambiar la

profundidad o los ngulos de entrada o

salida, por ejemplo-, se adjunta una tabla

de alternativas del mismo ejemplo con

sus consecuentes longitudes; Del

mismo modo se hace lo mismo para

tuberas de diferentes dimetros

nominales.

De vital importancia tambin es, evitar

modificar estas elevaciones de manera

artificial, como al excavar para

enterrar el taladro en una elevacin

ms baja, para reducir as la longitud del

cruzamiento. Los riesgos de corromper

la prctica de la metodologa de la

Perforacin Horizontal Dirigida provoca a

su vez riesgos innecesarios en seguridad

industrial, tanto relacionados con elpersonal como con los equipos y, por

ende, en el incremento del riesgo de

fracaso del proyecto; esto de ninguna

manera justifica los ahorros

malentendidos que supuestamente se

generan al corromper as la metodologa.

El procedimiento de Perforacin

Horizontal Dirigida tiene tambin el

objeto de minimizar los disturbios en la

formacin, conservando as la estabilidad

natural del terreno y minimizando los

efectos ecolgicos negativos, lo cual se

incumple al no llevar al cabo los sanos

lineamientos que ha desarrollado la

industria.

Finalmente, al haberse compartido en

esta presentacin los principios bsicos

del diseo de la longitud, se espera que

esta presentacin sirva de instrumento

para la generacin de ideas y la mejora

de la ejecucin en campo, de los

Cruzamientos Direccionales utilizando la

metodologa de Perforacin Horizontal

Dirigida.


17/20


www.orizzon.com.mx

17

CONCLUSIONES

1. La longitud de un cruzamiento

direccional es diferente a la

longitud del obstculo a superar.

2. Cruzamiento Direccional por el

mtodo de Perforacin Horizontal

Dirigida, se est utilizando para

superar obstculos sin hacer zanja.

3. Previo a la ejecucin del

Cruzamiento Direccional, es

necesario efectuar el diseo, el

cual incluye la longitud mnima del

cruzamiento.

4. En la elaboracin del diseo se

contemplan las necesidades del

proyecto, los lineamientos de la

industria, y los equipos a ser

utilizados.

5. Las PARTES del cruzamiento

direccional se desarrollan por

trigonometra, partiendo de

parmetros conocidos y definidos.

(Ver Figura 16)

6. Se desarrolla la trigonometra y se

establece la longitud mnima del


7. El AJUSTE horizontal se efecta

para adecuarse a las necesidades

del proyecto y a los factores

externos que influyen en la longitud

de cruzamiento, siguiendo los

lineamientos de la industria.

8. Las elevaciones y depresiones del

terreno natural en el eje del trazodel cruzamiento direccional,

influyen directamente en la

determinacin de la longitud.


18/20


www.orizzon.com.mx

18

9. Mantener las prcticasaconsejadas en los lineamientos de

la industria, respetando la longitud

mnima para el desarrollo del

cruzamiento direccional, genera

una ejecucin de alta seguridad

industrial y gran respeto a la

ecologa.

10. La buena prctica de la

metodologa resulta en maximizar

la posibilidad de xito del


AGRADECIMIENTOS

A las personas que por ms de 10 aos

en la industria me han enseado y han

compartido su artesana con un servidor,

lo cual ha llevado a la marca ORIZZON

a ser un smbolo de prestigio y calidad

en la industria. En especial a mi amigo

y socio en Petroservicios Riogrande, S.A.

de C.V., Mr. Edward W. Crowe por

haberme expuesto a esta industria, a

L.D. Garrett por los detalles tcnicos que

nos ha mostrado. A J.D. Young () y a

sus queridos hijos Trevor y Troy de Tulsa

Rig Iron, Inc. por todas las enseanzas

pragmticas que nos han dejadorespecto a equipos y herramientas; al

personal de MEARS HDD, LLC. que han

compartido con su servidor literalmente

todo lo que saben, lo que tienen, y lo que

son en el tema de los cruzamientos

direccionales, en especial a Scot

Fluharty, Neil Smith, Bob Stern, Gale

Sarkozi que adems nos han brindado

su profunda amistad. A todo el personal

que sigue trabajando para mantener el

nombre ORIZZON en la competicin y

ms all, en especial a Gladys de

Iglesias, que es la que realmente lleva el

negocio y nos tiene a todos marcando el

paso, independientemente de

nacionalidades, razas, religiones, etc.

Gracias !!!

REFERENCIAS

1. Directional Crossing Contractors

Association Gua Para Realizar Una

Oferta Exitosa de Perforacin Horizontal

Dirigida (Traduccin al Espaol de

MEARS HDD, LCC)

2. Directional Crossing Contractors

Association Proyectos de Perforacin


19/20


www.orizzon.com.mx

19

Horizontal Dirigida con Equipos deMediana Envergadura (Traduccin al

Espaol de MEARS HDD, LCC)

3. American Gas Association

Installation of Pipelines by Horizontal

Directional Drilling, An Engineering

Design Guide. John D. Hair &

Associates, Inc., Louis J. Capozzoli &

Associates, Inc., Stress Engineering

Services, Inc. April 15, 1995

4. American Society of Civil

Engineers (ASCE) Pipeline Design for

Installation by Horizontal Directional

Drilling ASCE Manuals and Reports on

Engineering Practice No. 108. Prepared

by the HDD Design Guideline Task

Committee of the Technical Committee

on Trenchless Installation of Pipelines

(TIPS) of the Pipeline Division of the

American Society of Civil Engineers.

May 2005


20/20


www.orizzon.com.mx

071021 articulo tecnico cruzamientos direccionales

Documents