BR0309793B1 - Junção de tubulação roscada e tubulação - Google Patents

Description

Junção de tubulação roscada e tubulação.

Campo da invenção A presente invenção refere-se de maneira geral a uma junção roscada para tubulações, particularmente a junções para as tubulações utilizadas na indústria de exploração de gás ou de óleo. Essas tubulações podem ser utilizadas como tubos para o bombeamento de gás ou de petróleo, e como a embalagem dos próprios poços de perfuração.

Estado da técnica Na indústria de extração de óleo e gás natural, são utilizadas tubulações de comprimento previamente definido, as quais devem ser unidas umas às outras em suas extremidades para poderem alcançar as grandes profundidades onde os campos de hidrocarboneto ficam geralmente localizados. A técnica de perfuração mais comumente utilizada é aquela da perfuração, por meio de brocas, dos poços que começam no nível da terra ou no nível de mar até alcançar o reservatório de gás ou de óleo. A profundidade desses poços pode alcançar diversos milhares de metros. Durante a perfuração, os poços são alinhados com tubulações de metal ao longo de todo o seu comprimento. Os segmentos de tubulação de metal, com aproximadamente dez metros de comprimento, são unidos uns aos outros por meio de junções roscadas. Portanto, essas tubulações formam uma coluna tubular, com um diâmetro constante ao longo de todo o seu comprimento, exceto em correspondência com a junção, onde o diâmetro externo pode ser até mesmo 1 polegada (25, 4 mm) maior do que aquele da própria coluna.

Para cobrir toda a profundidade do poço, várias colunas são utilizadas, as quais, por razões de resistência mecânica e características geológicas da formação, têm diâmetros menores, quanto maior a profundidade alcançada pela coluna, de uma tal maneira que é formada uma estrutura do tipo "telescópico".

Atualmente, a indústria da extração de óleo se defronta cada vez mais com a necessidade de escavação de poços em posições extremamente inclinadas com respeito à posição vertical, ou até mesmo nas posições quase horizontais, para alcançar os reservatórios de óleo ou de gás. Há necessidades estruturais no uso das tubulações que não podem ser satisfeitas por aquelas tubulações projetadas normalmente para poços verticais. Também no caso de poços horizontais ou intensamente inclinados, ainda se faz necessária à escavação do maior número de poços possível para reduzir os custos. Uma vez que a perfuração tenha sido concluída, dentro do poço encerrado desse modo, uma outra coluna tubular é introduzida, a qual é utilizada para bombear o gás ou o óleo para a parte externa do reservatório subterrâneo. Essa coluna, a qual é passada ao longo de toda a profundidade do poço e que portanto pode alcançar comprimentos de até diversos milhares de metros, também é formada pela junção de tubulações de dezenas de metros mediante o uso de junções do mesmo tipo que aquele acima.

Geralmente, esse segundo tipo de coluna também tem um diâmetro constante ao longo de todo o seu comprimento, exceto próximo das junções onde ele tem geralmente um diâmetro externo maior, analogamente ao caso precedente.

Em ambos os casos acima, as tubulações são unidas umas às outras por meio de junções de tubulação roscadas, as quais podem ser de um tipo integral, em cujo caso uma extremidade da tubulação tem uma rosca macho e a outra tem uma rosca fêmea, ou por uma junção com luvas, e, cujo caso ambas as extremidades da tubulação têm roscas macho e são unidas por uma luva com rosca fêmea em ambos os lados. A seleção entre os vários tipos de junção é feita de acordo com a carga que a coluna tubular deve carregar, a pressão que age interna e/ou externamente, o seu comprimento e o tamanho máximo de diâmetro possível, com relação ao diâmetro do poço.

Se o diâmetro das junções for reduzido, é necessário encontrar soluções para compensar a sua resistência estrutural mais baixa. Realmente, na área de junção, a eficiência é necessariamente mais baixa do que no corpo principal da tubulação porque os elementos de construção, tais como as roscas, as vedações e os ressaltos são feitos na espessura da parede da tubulação, o que causa uma redução da seção em áreas críticas do macho ou da fêmea. A redução das causas de ruptura das junções a um valor mínimo é de vital importância, uma vez que a ruptura das tubulações, especialmente depois de terem sido colocadas no subsolo, desse modo tornando quase impossível para que os operadores intervenham diretamente na junção que pode ter sido quebrada, pode ter graves conseqüências econômicas na usina da extração e causar danos ambientais consideráveis, especialmente na eventualidade de que o reservatório contenha elementos agressivos.

No passado, portanto, muito trabalho foi feito para aperfeiçoar as junções de tubulação e para que elas se tornassem idealmente eficientes, tentando obter um balanço correto entre as várias necessidades, que algumas vezes colidem umas com as outras, de tamanho mínimo, resistência estrutural máxima e vedação contra vazamentos e/ou infiltração de líquidos. As tubulações são de fato submetidas a cargas de compressão, tração, flexão e torção quase sempre na presença da pressão produzida pelos agentes fluidos do exterior e/ou circulando dentro das próprias tubulações.

As junções também devem possuir excelentes propriedades de resistência à composição e ao emperramento.

Os problemas estruturais e de vedação ficam normalmente piores devido à temperatura dos fluidos, a sua capacidade corrosiva ou as condições ambientais existentes na área de mineração.

Os métodos de perfuração atuais permitem que uma única usina alcance várias profundidades e locais de reservatório, com poços que são inclinados, curvos ou até mesmo horizontais: isto, se por um lado representa uma grande vantagem econômica, também causa uma tensão estrutural extremamente grande da compressão e da torção nas tubulações e nas junções, durante as operações de abaixamento da coluna no poço, devido às forças de atrito que são desenvolvidas entre a própria tubulação e a parede do poço. A resistência à compressão requerida pelas tubulações, especialmente na área de junção roscada, é portanto uma necessidade há muito percebida, e normalmente a debilidade das junções é um ponto fraco desse tipo de tecnologia. Condições desfavoráveis similares também ocorrem nas colunas quando elas são utilizadas para a injeção de vapor, devido às elevadas cargas térmicas. Portanto, foram feitas propostas feitas para melhorar o desempenho da compressão dessas junções mediante a utilização de uma rosca de um tamanho tal que ambos os flancos da rosca de um segmento de tubulação entram em contato com os flancos da rosca correspondente no outro segmento de tubulação, uma vez que a junção tenha sido composta. 0 contato em ambos os flancos da rosca é uma contribuição importante para obter um comportamento de compressão o mais parecido possível com o comportamento de tração da junção.

Em circunstâncias particulares, por exemplo, para ângulos muito agudos do flanco de avanço da rosca, medidos em comparação com uma superfície perpendicular ao eixo da tubulação, a ação de compressão da coluna é insatisfatória, uma vez que esse tipo de solução ajuda no surgimento do fenômeno definido como "salto", quando as forças de compressão excedem determinados limites. 0 salto consiste no deslizamento do segmento macho da tubulação para o segmento fêmea, excedendo a resistência causada pelo rosqueamento das duas partes e ocorre mais freqüentemente quanto mais inclinado o ângulo de avanço da rosca.

Um outro inconveniente desse tipo de rosca é que ela fica sujeita ao risco elevado de emperramento da junção com o risco conseqüente de não assegurar a vedação hermética dos fluidos, com a marcação, um torque que varia bastante à medida que a operação de aparafusamento da junção prossegue e mais voltas são mutuamente envolvidas. Isso acarreta dificuldades na formação da junção e cria a possibilidade de imprecisão na aplicação do torque de acionamento correto.

Uma outra solução que foi proposta para melhorar as características de resistência da junção de tubulação refere- se ao aumento das espessuras do segmento macho da tubulação e do segmento fêmea da tubulação, também para poder obter um ressalto anular com um tamanho maior na fêmea, perto da área de marcação. Isto envolve um aumento no processamento das extremidades das tubulações, o que requer, particularmente, antes de colocá-las através do processo de rosqueamento, um processamento para a consolidação permanente, com o conseqüente tratamento de alívio de tensão para eliminar a tensão residual, com um aumento conseqüente dos custos e do tempo para a produção. Essa operação de consolidação permanente é necessária especialmente para as tubulações com paredes mais finas, para aumentar a resistência. Entretanto, também neste caso, os resultados não são sempre satisfatórios, uma vez que no melhor dos casos a resistência de compressão obtida dessa maneira no ponto de junção nunca excede 70% da resistência da parte não roscada do segmento de tubulação .

Portanto, é sentida uma necessidade quanto a uma junção que tenha um elevado desempenho de resistência e vedação até mesmo sob cargas de compressão elevadas, enquanto mantém as suas próprias capacidades de vedação hermética. A junção também deve ser fácil de centralizar e montar, de modo que possa ser montada no campo, até mesmo ao se utilizar equipamento de perfuração automático.

Também é apropriado que a junção seja exeqüível nas tubulações feitas de materiais diferentes que podem ser utilizados para a construção dos tubos para a perfuração.

Tais materiais compreendem, por exemplo, aços de carbono, de cromo ou aços de liga resistente à corrosão, por exemplo, aqueles que contêm grandes quantidades de Cr, excedendo 9%, com a presença de Ni e Mo, tais como os aços martensiticos ou o aço inoxidável duplex ou as ligas austeniticas ou de níquel e ferro.

Sumário da invenção Os problemas apresentados acima são resolvidos por meio de uma junção para tubulações roscada, tanto integral quanto com luvas, a qual compreende um membro macho, o qual consiste em uma tubulação dotada de uma rosca em pelo menos uma parte de sua superfície externa, e um membro fêmea, o qual consiste em uma tubulação ou uma luva dotada de rosca em pelo menos uma parte de sua superfície interna, sendo que a extremidade do membro macho tem um ressalto anular e um ressalto de suporte anular correspondente formado dentro do membro fêmea, em que as ditas roscas são adaptadas para serem parafusadas recíproca e reversivelmente até ser criado um contato entre as ditas superfícies de suporte anulares, e as ditas roscas têm uma seção ao longo de um plano que fica no eixo do membro no qual a rosca é feita com um perfil que tem um flanco de carga e um flanco de avanço, sendo que o dito o flanco de avanço forma um ângulo que varia de 10 a 25° com respeito a um plano perpendicular ao eixo do membro no qual a rosca é formada, e as ditas roscas são tais que quando o contato entre as ditas superfícies de suporte anulares tiver sido feito, quando a junção é descarregada, é formado um espaçamento localizado entre o flanco de avanço da rosca do membro macho e o flanco confrontante correspondente da rosca do membro fêmea, medido ao longo de uma direção paralela ao eixo da junção, o qual coincide com os eixos dos dois ditos membros, quando eles são aparafusados mutuamente, que varia de 0, 01 a 0,12 mm, e o diâmetro interno D3 e o diâmetro externo D4 do dito membro macho, na parte da tubulação não envolvida no acoplamento com o membro fêmea, e o diâmetro interno Dl e o diâmetro externo D2 da superfície de marcação formada no membro fêmea, são ligados pela relação (D22 - Dl2 ) / (D42 -D32) > 0,5.

Preferivelmente, as ditas superfícies de marcação anulares são superfícies em forma de cone truncado e aquela formada na extremidade do membro macho é virada para o eixo do membro. De acordo com um aspecto adicional da invenção, os problemas mencionados são resolvidos pelas tubulações de um comprimento definido, de acordo com as características das reivindicações 8 e 9.

Lista de desenhos A Figura 1 é uma vista em seção lateral de uma junção de composição de acordo com a invenção; A Figura 2 é uma vista ampliada de parte da Figura 1, mostrando a extremidade dos membros macho e fêmea compostos.

Descrição detalhada de uma realização preferida Com referência aos desenhos, uma junção de acordo com a presente invenção é descrita agora a título de exemplo não limitador. A junção mostrada nas figuras compreende dois membros, isto é, o macho 1 e a fêmea 2. Neste caso, o membro macho é uma tubulação, geralmente macho roscada em ambas as extremidades, e o membro fêmea é uma fêmea de luva roscada em ambas as extremidades e une duas tubulações, por meio de duas junções tal como descrito. A junção define uma parte interna 20, que contém o eixo 21 dos segmentos de tubulação 1 e 2, em que o fluido flui, por exemplo, gás natural ou petróleo ou um outro fluido similar, e uma parte externa 22 na qual pode haver fluidos de vários tipos, os quais também são geralmente pressurizados. O diâmetro externo D4 das tubulações, na área não envolvida na junção entre o membro macho e o membro fêmea, pode ser menor do que o diâmetro externo D5 da extremidade do membro fêmea na área de junção de um valor que varia de 0% na eventualidade de uma junção do tipo "nivelada" até aproximadamente 15% no caso de uma junção de luva. O membro macho 1 tem uma extremidade 13, a qual tem uma rosca em sua superfície externa. Tal como pode ser visto na Figura 2, as voltas da rosca têm um perfil de rosca 15, em um plano que fica no eixo do membro, substancialmente trapezoidal. Em cada dente, a rosca tem um flanco de avanço 6, um flanco de carga 4 e uma crista 7. O flanco de avanço 6 forma um ângulo β com respeito a um plano perpendicular ao eixo 21 compreendido entre 10 e 25° . 0 ângulo dos flancos de avanço e de carga é definido como sendo positivo, tal como no caso ilustrado, se a superfície do flanco é girada no parafuso para o flanco oposto do eixo 21 da junção, isto é, para o exterior e para o dito eixo na rosca interna. O ângulo α do flanco de carga 4, isto é, aquele formado com comparação com um plano perpendicular ao eixo 21, pode ser positivo ou negativo e varia preferivelmente de -4 a 3o . A extremidade 13 do membro macho 1 compreende a superfície de vedação 11, por exemplo, com um formato de cone truncado, e um ressalto anular 9 com uma superfície plana ou em forma de cone truncado, com um ângulo na base do cone com um valor compreendido entre 0o e 20°. A extremidade 13 pode ter a superfície externa roscada vantajosamente como um cone truncado, tal como mostrado, com um afunilamento que fica compreendido preferivelmente entre 6 e 10%. O passo da rosca varia preferivelmente de três a cinco voltas por polegada. A

rosca pode ser perfeita ou ter partes onde é imperfeita. A parte da superfície externa da extremidade 13 que compreende a superfície de vedação 11 não é roscada e geralmente tem um afunilamento maior do que a parte roscada. A superfície 11 também pode ser de uma forma esférica em outras realizações alternativas, mas outras formas também são possíveis. A extremidade 14 do membro fêmea 2 deve ser tal que seja aparafusada na extremidade 13 do membro macho 1. A composição é considerado completa quando a superfície anular 10 formada no membro fêmea 2 na extremidade da extremidade roscada 14 entra em contato com a superfície correspondente 9. Pode ser empregada uma superfície com um afunilamento agudo 12, que corresponde a 11, contra o qual entra em contato após a composição. As superfícies 11 e 12 formam uma vedação de metal-metal hermética. Preferivelmente, os flancos de avanço e de carga 5 e 6 da rosca do membro fêmea serão os mesmos que aqueles do membro macho, considerando os sinais tal como mostrado acima. A rosca da extremidade 14 corresponde à rosca da extremidade 13 do membro macho 1. Ela é tal que, após a composição, o flanco de carga 3 fica obviamente tocando o flanco de carga 4 do macho. Entre o flanco de avanço 6 e o flanco 5 do macho, com uma junção não carregada, isto é, sem nenhuma carga axial ou de flexão nos membros 1 e 2, há um espaçamento, medido ao longo de uma direção paralela com o eixo da junção que varia de 0,01 e 0,12 mm. Entre a crista 8 da rosca de um membro e a raiz 7 do outro membro, na zona entre duas voltas, o espaçamento compreende entre 0,05 e 0,30 mm. 0 diâmetro interno D3 e o diâmetro externo D4, na parte do dito membro macho 1 não envolvida no acoplamento com o membro fêmea, o diâmetro interno Dl e o diâmetro externo D2 da superfície de suporte 10 formada no membro fêmea 2, são ligados pela seguinte relação (D22 -Dl2 ) / (D42 -D32) >0,5. A junção da invenção é adequada para suportar elevadas forças de compressão axial na tubulação, forças que colocam os flancos de avanço 5 e 6 em contato, que desse modo começam a suportar a carga de compressão paralela às superfícies de suporte 9 e 10, enquanto a área próxima às ditas superfícies 9 e 10 ainda se encontra na condição de deformação elástica. Além disso, ela tem a resistência satisfatória ao desgaste e ao emperramento. 0 membro fêmea pode ser uma luva que conecta dois membros machos em forma de cano, tal como no caso descrito.

Alternativamente, pode haver uma junção integral, onde os dois membros são dois pedaços de tubulação, um macho roscado e uma fêmea roscada nas extremidades que formam a junção.

Neste caso, o membro roscado macho em uma extremidade pode ser roscado na fêmea (e vice versa) na outra extremidade, para formar uma outra junção integral com um outro pedaço de tubulação. Em tal caso, cada tubulação, perto do pedaço de fêmea roscada, pode ter uma ampliação de seu diâmetro externo para conferir uma resistência apropriada, por exemplo, junções quase niveladas. 0 diâmetro interno das tubulações pode ser preferivelmente igual para se obter a continuidade nas tubulações. No caso de junções com luvas, também o diâmetro interno do acoplamento de tubulação, na área não envolvida no acoplamento com o membro macho, vai ser preferivelmente igual àquele da tubulação, tal como pode ser visto nos desenhos; o dito diâmetro coincide com o diâmetro interno Dl da superfície de suporte 10.

Claims (9)

1. Junção de tubulação roscada, que define um eixo (21), a qual compreende um membro macho coaxial (1) que consiste em uma tubulação dotada de uma rosca em uma parte de sua superfície externa na proximidade de pelo menos uma de suas extremidades (13) e um membro coaxial fêmea (2) que consistem em uma tubulação ou uma luva dotada de rosca em uma parte de sua superfície interna na proximidade de pelo menos uma de suas extremidades (14), sendo que o membro macho (1) é dotado de uma parte cilíndrica, intermediária entre as suas extremidades com paredes de uma espessura constante, sendo que o membro macho é dotado em pelo menos uma de suas ditas extremidades (14) de uma superfície de confinamento anular (9) e uma superfície de confinamento anular (10) correspondente é formada no interior do membro fêmea (2), sendo que as ditas roscas são adaptadas para serem parafusadas recíproca e reversivelmente para produzir um contato entre as ditas superfícies de confinamento anulares (9, 10), sendo que as ditas roscas são complementares e o perfil da rosca, em uma seção ao longo de um plano que contém o eixo (21), define um flanco de carga (4, 3) formando um primeiro ângulo (a) com respeito a um plano perpendicular ao eixo (21) e define um flanco de avanço (6, 5) formando um segundo ângulo (β) com respeito a um plano perpendicular ao eixo (21), caracterizado pelo fato de que o dito segundo ângulo (β) tem um valor compreendido entre 10 e 25° e, quando a junção é montada e o contato entre as ditas superfícies de confinamento anulares (9, 10) é efetuado, na ausência de cargas axiais, entre o flanco de avanço (6) da rosca formada no membro macho e o (5) da rosca feita no membro fêmea, é formado uma folga com um tamanho entre 0,01 e 0,12 mm, medida ao longo de uma direção paralela ao eixo (21) da junção, e o diâmetro interno D3 e o diâmetro externo D4 do pedaço cilíndrico do dito membro macho (1), o diâmetro interno Dl e o diâmetro externo D2 da superfície de confinamento do membro fêmea são unidos pela relação (D22-D12)/ (D42-D32) > 0,5.

2. Junção de tubulação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dito membro fêmea (2) é uma luva com uma rosca fêmea em ambas as extremidades.

3. Junção de tubulação, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que os flancos de carga (4, 3) formam um ângulo (a) com respeito a um plano perpendicular ao eixo (21) da junção compreendido entre -4 e 3o.

4. Junção de tubulação, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que as partes com uma rosca têm um afunilamento com um valor compreendido entre 6 e 15%.

5. Junção de tubulação, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que um espaçamento com um valor entre 0,05 e 0,30 mm é formado entre as cristas (8) do membro macho e as raízes (7) do membro fêmea, e as raízes do membro macho e as cristas do membro fêmea (2) ficam em contato, com a composição.

6. Junção de tubulação, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a rosca tem três a cinco voltas por polegada.

7. Junção de tubulação, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que as superfícies de confinamento anulares (9, 10) são complementares e em forma de cone truncado, e a superfície de confinamento (9) do membro macho (1) tem um ângulo na base com um valor entre 0 e 20° e o ápice dirigido para o interior do membro macho.

8. Tubulação, de comprimento definido com uma parte externamente roscada em pelo menos uma extremidade adaptada para formar um membro macho (1) da junção, caracterizada pelo fato de apresentar as características de uma ou mais das reivindicações 1 a 7.

9. Tubulação, de comprimento definido com uma parte internamente roscada em pelo menos uma extremidade adaptada para formar um membro fêmea (2) da junção, caracterizada pelo fato de apresentar as características de uma ou mais das reivindicações 1 a 7.