BR112015028000B1

BR112015028000B1 - junta roscada para tubos de poços de petróleo

Info

Publication number: BR112015028000B1
Application number: BR112015028000-5A
Authority: BR
Inventors: Kazunari Takahashi; Masaki Yoshikawa; Takuya Nagahama; Hiroshi Chikatsune; Jun Takano; Takamasa Kawai; Masateru Ueta
Original assignee: Jfe Steel Corporation
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2014-06-09
Publication date: 2020-12-08
Also published as: US9982491B2; EP2977662B1; BR112015028000A2; EP2977662A4; US20160123091A1; JP2015001252A; WO2014199620A1; JP5742885B2; EP2977662A1; AR096606A1; MX2015016314A

Abstract

JUNTA ROSCADA PARA TUBOS DE POÇOS DE PETRÓLEO. É difícil fornecer, como um produto industrial, uma junta roscada para um cano de poço de petróleo que tenha excelente resistência à escoriação em uma seção roscada de lado de extremidade de cano de pino da mesma com o uso da técnica anterior. É fornecida uma junta roscada para um cano de poço de petróleo que tem excelente resistência à escoriação e que é caracterizada por compreender uma junta de alta qualidade na qual a razão L/p entre um comprimento de chanfradura de rosca de pino (L) e um espaçamento de rosca (p) é 1,0-3,0.

Description

CAMPO DA TÉCNICA

[0001] A presente invenção refere-se a uma junta roscada para tubos de poços de petróleo que tem excelente resistência à escoriação e, mais particularmente, a uma junta roscada para tubos de poços de petróleo com excelente resistência à escoriação que é adequada para a conexão de canos de aço, tais como OCTG (tubos de poços de petróleo), que incluem, na mesma categoria, tubulações ou revestimentos usados para busca e produção de um poço de petróleo ou um poço de gás em geral, tubos de elevação ou tubos de linha.

TÉCNICA ANTECEDENTE

[0002] Uma junta roscada tem sido usada popularmente para conectar canos de aço usados em uma instalação de petróleo para a indústria do óleo, tais como tubos de poços de petróleo. Na conexão de canos de aço usados para busca e produção de petróleo ou gás, convencionalmente, uma junta roscada padrão que é estipulada no padrão do API (American Petroleum Institute - Instituto Americano de Petróleo) tem sido tipicamente usada. No entanto, recentemente, o aprofundamento de um poço em busca de petróleo bruto ou gás natural pro-grediu e o número de poços horizontais e poços direcionais no lugar de poços verticais vem aumentando e, portanto, o ambiente de perfuração e produção se tornou difícil. Além disso, o número de poços desenvolvidos em uma circunstância apavorante, tal como oceanos e regiões polares, vem aumentando e, portanto, os desempenhos que as juntas roscadas precisam alcançar são diversificados e incluem resistência à compressão, resistência à curvatura e capacidade de vedação contra pressão externa (resistência à pressão externa). Em vista do dito acima, o número de casos em que se usa uma junta roscada especial que tem altos desempenhos e é referida como "junta de alta qualidade" aumentou, e uma demanda para o aprimoramento de de-sempenhos da junta de alta qualidade também tem aumentado mais e mais.

[0003] Uma junta de alta qualidade é uma junta do tipo acoplamento em que membros roscados externamente (doravante referidos como "pinos"), em que cada um inclui uma rosca cônica, uma porção de vedação (para ser mais específico, uma porção de vedação metal com metal) e um ombro (para ser mais específico, um ombro de torque) e é formado em uma porção de extremidade de cano, e um membro roscado internamente que inclui roscas cônicas, porções de vedação (para ser mais específico, porções de vedação metal com metal) e ombros (para ser mais específico, ombros de torque) e conecta os pinos uns aos outros (doravante referido como "caixa") são unidos uns aos outros. As roscas cônicas são importantes para a fixação firme da junta de cano, as porções de vedação têm a função de garantir a estanqueidade do gás colocando a caixa e os pinos em contato metálico em tais porções, e os ombros formam faces de ombro que têm a função de encostos durante a composição da junta.

[0004] A Figura 3 são vistas explicativas esquemáticas que mostram um exemplo convencional de uma junta de alta qualidade para uso em tubos de poços de petróleo. A Figura 3 são também vistas em corte transversal longitudinal de uma junta roscada de um cano circular (uma vista em corte transversal em que um eixo geométrico de cano se estende no corte transversal).A junta roscada inclui pinos 3 e uma caixa 1 correspondente aos pinos 3. Em uma superfície externa da mesma, o pino 3 tem uma porção roscada externamente 7 e um nariz (também referido como nariz de pino) 8 que é uma porção alongada formada adjacente à porção roscada externamente 7 em cada lado de extremidade distal do pino 3 e não tem nenhuma rosca. O nariz 8 tem uma porção de vedação (para ser mais específico, uma por- ção de vedação metal com metal) 11 em uma superfície periférica externa do mesmo e um ombro 12 em uma superfície de extremidade do mesmo. A caixa 1 correspondente aos pinos 3 tem porções roscadas internamente 5, porções de vedação 13 e ombros 14 em uma superfície interna da mesma, e essas porções são porções que são engatadas de modo roscado às porções roscadas externamente 7, às porções de vedação 11 e aos ombros 12 dos pinos 3 ou colocadas em contato com os mesmos, respectivamente.

[0005] No exemplo convencional mostrado na Figura 3, a porção de vedação 11 é formada em uma porção de extremidade distal do pino 3, e o desempenho de vedação desejado pode ser realizado conferindo-se um torque de composição apropriado. No entanto, o torque de composição é influenciado por uma condição de lubrificação, uma qualidade de superfície e similares. Como um projeto de uma junta roscada que não depende demais desses fatores, conhece-se um método de vedação em direção radial (também referido como um tipo de vedação radial) em que um componente em direção radial de uma pressão de contato de vedação é relativamente aumentado.

[0006] No que se refere à questão em que a porção de vedação é fornecida em uma porção diferente do ombro, a junta roscada do tipo vedação radial é substancialmente igual à junta roscada, mostrada na Figura 3, que tem a porção de vedação na porção de extremidade distal do pino.

[0007] Quando as faces de ombro que têm a função de batentes são colocadas em contato entre si durante a composição da junta roscada, uma força de reação de contato na direção do eixo geométrico age sobre um lado de extremidade de cano de pino de modo que uma força de reação axial máxima seja gerada em uma face de flanco de carga de uma porção roscada em um lado de extremidade de cano de pino de forma que a escoriação seja passível de ocorrer.

[0008] Conhece-se uma técnica anterior referente a uma técnica de prevenção contra escoriação em uma porção de extremidade de caixa diminuindo-se uma força de reação de contato na porção de extremidade de caixa (consultar a literatura de patente 1).

LISTA DE CITAÇÃO LITERATURA DE PATENTE

[0009] PTL 1: JP-A-2001-21072

SUMÁRIO DA INVENÇÃO PROBLEMA DA TÉCNICA

[0010] No entanto, na técnica anterior, uma força de reação de contato em um lado central da caixa, isto é, em um lado de extremidade de cano de pino é mantida alta e, portanto, a técnica anterior não pode superar a escoriação no lado de extremidade de cano de pino. Em vista do dito acima, pode-se considerar que uma força de reação de contato pode ser diminuída aplicando-se o conhecimento da técnica anterior em que um vão de rosca (um vão face a face formado entre faces opostas de flanco de penetração) é mudado alterando-se um espaçamento na direção de eixo geométrico no corte de rosca também para um lado de extremidade de cano de pino. No entanto, o vão de rosca é extremamente pequeno no primeiro local e há variações de espaçamento nadireção de eixo geométrico, e, portanto, é difícil realizar industrialmente o ajuste fino do vão de rosca.

[0011] Finalmente, a técnica anterior tem uma desvantagem em que é difícil fornecer uma junta roscada para tubos de poços de petróleo que tenha excelente resistência à escoriação em uma porção roscada em um lado de extremidade de cano de pino como produtos industriais.

SOLUÇÃO PARA O PROBLEMA

[0012] Os inventores da presente invenção realizaram extensivos estudos para superar a desvantagem supracitada e, como resultado dos estudos, constataram que uma força de reação de contato em uma porção roscada em um lado de extremidade de cano de pino no momento da composição de uma junta roscada pode ser diminuída definindo-se adequadamente um comprimento de chanfradura de rosca de pino de modo que a escoriação possa ser prevenida.

[0013] Nesse caso, "comprimento de chanfradura de rosca de pino" é um comprimento na direção de eixo geométrico de cano de uma porção de chanfradura de rosca de pino 40 (consultar a Figura 1), que é uma porção alisada, quando uma porção roscada (porção roscada externamente) em um lado de extremidade de cano de pino é alisada em um ângulo de corte constante normalmente em um estágio final do rosqueamento. O ângulo de corte constante é referido como um ângulo de chanfradura e é definido por um ângulo de inclinação θ (um ângulo agudo) de um plano que cruza um eixo geométrico de cano ortogonalmente.

[0014] A presente invenção realizada com base na constatação supracitada tem os seguintes recursos da técnica.

[0015] (1) Uma junta roscada para tubos de poços de petróleo quetem excelente resistência à escoriação inclui: pinos em que cada um ocupa uma porção de extremidade de cano de um cano de aço para tubos de poços de petróleo e inclui uma porção roscada externamente, um nariz que se estende em direção a um lado de extremidade de cano a partir da porção roscada externamente e um ombro que forma uma extremidade distal do nariz; e uma caixa que inclui porções roscadas internamente em que cada uma forma uma porção roscada sendo unida de modo roscado à porção roscada externamente, e ombros que são colocados em contato com os ombros dos pinos,

[0016] sendo que os pinos e a caixa são unidos uns aos outros pela união roscada de modo que as porções entre as porções roscadas e os ombros sejam colocadas em contato de metal com metal, formando, assim, porções de vedação nas porções de contato, e

[0017] sendo que os ombros dos pinos e os ombros da caixa formam faces de ombro que são colocadas em contato entre si no momento de composição da junta roscada, em que

[0018] uma razão entre um comprimento de chanfradura de rosca de pino e um espaçamento de rosca é definida em 1,0 ou mais a 3,0 ou menos.

EFEITOS VANTAJOSOS DA INVENÇÃO

[0019] De acordo com a presente invenção, adotando-se a constituição supracitada, é possível adquirir uma junta roscada para tubos de poços de petróleo que pode ser produzida industrialmente com facilidade e tem excelente resistência à escoriação.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0020] A Figura 1 é uma vista explicativa esquemática que mostra um exemplo de uma junta roscada para tubos de poços de petróleo de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0021] A Figura 2 é um gráfico que mostra uma força de reação de contato em cada estria de rosca de pino no momento de composição da junta roscada.

[0022] A Figura 3 são vistas explicativas esquemáticas que mostram um exemplo de uma junta roscada especial convencional.

MODO PARA EXECUTAR A INVENÇÃO

[0023] A Figura 1 é uma vista explicativa esquemática que mostram um exemplo de uma junta roscada para tubos de poços de petróleo de acordo com uma modalidade da presente invenção. Para ser mais específico, a Figura 1 é uma vista em corte transversal longitudinal de uma porção roscada (porção roscada externamente) de uma extremidade de cano de pino e do entorno da porção roscada.

[0024] Na Figura 1, o símbolo 20 indica uma linha paralela de eixo geométrico de tubo, o símbolo 21 indica uma linha ortogonal do eixo geométrico de tubo, o símbolo 22 indica uma linha de base em uma raiz da posição de rosca, o símbolo 23 indica uma linha de base em uma posição superior de estria de rosca, o símbolo 24 indica uma linha limite de alisamento, o símbolo 30 indica uma face de flanco de carga, o símbolo 31 indica uma face de flanco de penetração, o símbolo 40 indica uma porção de chanfradura de rosca de pino, o símbolo L indica um comprimento de chanfradura de rosca de pino, o símbolo θ indica um ângulo de chanfradura, o símbolo α indica um ângulo de conicida- de de rosca, os símbolos 71 e 72 indicam uma primeira estria de rosca de pino e uma segunda estria de rosca de pino que são primeira e segunda estrias de rosca contadas a partir de um lado de extremidade de cano de pino respectivamente, o símbolo h indica uma altura de rosca, o símbolo p indica um espaçamento de rosca, e os pontos A e B indicam um ponto de início de ascensão e um ponto de término de ascensão de uma face de flanco de penetração 31 de cada estria de rosca de cada pino respectivamente. A linha de base 22 da raiz de posição de rosca e a linha de base 23 da posição superior de estria de rosca são dispostas paralelas uma à outra. O ângulo de conicidade de rosca α é um ângulo de interseção (um ângulo agudo) feito pela linha paralela de eixo geométrico de tubo 20 e pela linha de base 22 da raiz de posição de rosca. A altura de rosca h é uma distância de direção radial de cano entre a linha de base 22 da raiz de posição de rosca e a linha de base 23 da posição superior de estria de rosca. O espaçamento de rosca p é uma distância de direção de eixo geométrico de cano entre os pontos A das estrias de rosca contíguas do pino (por exemplo, a primeira estria de rosca de pino 71 e a segunda estria de rosca de pino 72). O ângulo de chanfradura θ é um ângulo de inclinação que uma linha limite de alisamento 24 forma com a linha ortogonal de eixo geométrico de tubo 21. Quando um ponto de convergência de uma faixa de ângulo de chanfradura, uma faixa de ângulo do ângulode chanfradura θ, é posicionado no ponto A da primeira estria de rosca de pino 71, uma porção da porção roscada externamente 7 que entra na faixa de ângulo de chanfradura se torna uma porção que é uma porção da estria de rosca a ser alisada, isto é, uma porção de chanfra- dura de rosca de pino 40. Um comprimento de direção de eixo geométrico de cano da porção de chanfradura de rosca de pino 40 é um comprimento de chanfradura de rosca de pino L. Um ponto de interseção entre a linha limite de alisamento 24 e a linha de base 23 da posição superior de estria de rosca se torna um ponto de extremidade da porção de chanfradura de rosca de pino 40 em um lado oposto à extremidade de cano. Nesse exemplo da modalidade, o caso em que o ponto de extremidade e o ponto B da segunda estria de rosca de pino 72 correspondem um ao outro é ilustrado. No entanto, o ponto de extremidade nem sempre corresponde ao ponto B da segunda estria de rosca de pino 72, e pode acontecer de o ponto de extremidade corresponder a qualquer ponto em uma linha de perfil de estria de rosca a partir do ponto B de uma certa estria de rosca de pino até um ponto de extremidade inferior da face de flanco de carga 30.

[0025] Na presente invenção, uma razão entre o comprimento de chanfradura de rosca de pino L e o espaçamento de rosca p (abreviada como razão de comprimento de chanfradura) L/p é definida em 1,0 ou mais a 3,0 ou menos. A seguir, é descrito o motivo de se definir a razão de comprimento de chanfradura L/p em tal valor.

[0026] Uma porção da porção roscada externamente 7 em que uma porção da estria de rosca de pino é alisada constitui uma porção de rosca incompleta que tem um formato de rosca incompleto. A porção de rosca incompleta tem uma rigidez menor do que uma porção de rosca completa que é uma porção que tem um formato de rosca completo formado contiguamente em um lado oposto de extremidade de cano, e, portanto, a rosca incompleta é passível de ser deformada no momento de composição da porção roscada externamente 7 com a porção roscada internamente 5. Como resultado, uma força de reação de contato é dispersada na direção de comprimento de porção de rosca e reduzida, e, quanto maior o comprimento da porção de rosca incompleta, maior se torna um efeito de diminuição de força de reação de contato. Por outro lado, quando a razão de comprimento de chan- fradura L/p é menor do que 1,0, o efeito de diminuição de força de reação de contato se torna insuficiente, enquanto quando a razão de comprimento de chanfradura L/p excede 3,0, o aumento do efeito de diminuição de força de reação de contato chega à saturação, e um tempo de corte é estendido inutilmente. Da mesma forma, a razão de comprimento de chanfradura L/p é definida em um valor que é abrangido por uma faixa de 1,0 a 3,0, sendo que, devido a isso, uma força de reação de contato da porção roscada em um lado de extremidade de cano de pino é diminuída de modo que a resistência à escoriação da junta roscada possa ser melhorada.

[0027] A Figura 2 é um gráfico que mostra um resultado obtido preparando-se juntas roscadas em que a quantidade de estrias de rosca de pino é 20 e a razão de comprimento de chanfradura L/p é definida em dois níveis que consistem em 0,90 (exemplo comparativo) e 1,50 (exemplo da presente invenção) e outras condições de formato de rosca são definidas igualmente e calculando-se, com o uso de uma FEA (análise de elemento finito), uma força de reação de contato em cada estria de rosca de pino no momento de se realizar a composição de rosca dos respectivos parafusos. Entende-se, a partir da Figura 2, que o exemplo da presente invenção pode diminuir uma força de reação de contato na porção de rosca em um lado de extremidade de cano de pino de modo mais eficaz do que o exemplo comparativo.

[0028] Na Figura 1, a fórmula a seguir (1) se mantém com base na relação geométrica.h = L x (1/tanθ -tana) ... (1)

[0029] Na fórmula (1), a fórmula a seguir (2) é obtida modificando- se a fórmula (1) substituindo-se L por mxp.h/(mxp) = 1/tanθ -tana ^ 1/tanθ = tana + h/(mxp) ^ tanθ = 1/{tana + h/(mxp)} ^ θ = tan-1 [1/{tana + h/(mxp)}] ... (2)

[0030] A partir da fórmula (2) e dos requisitos da presente invenção de que L/p = m = 1, 0 a 3,0, é suficiente definir o ângulo de chan- fradura θ de forma a satisfazer a seguinte fórmula (3).tan-1 [1/{tana + h/(1,0xp)}] < θ < tan-1 [1/{tana + h/(3,0xp)}]... (3)

[0031] Sob o nível de rosqueamento da técnica atual, o ângulo de chanfradura θ que satisfaz a fórmula (3) pode ser definido de modo relativamente fácil, e, portanto, de acordo com a presente invenção, é possível adquirir uma junta roscada para tubos de poços de petróleo que tenha excelente resistência à escoriação e que pode ser produzida industrialmente com facilidade.

EXEMPLOS

[0032] No que se refere a uma junta roscada para tubos de poços de petróleo que inclui: pinos formados aplicando-se rosqueamento às porções de extremidade de cano de um cano de aço que tem um diâmetro externo de 24,447 cm (9-5/8 polegadas) e uma espessura de parede de 1,384 cm (0,545 polegada); e uma caixa correspondente aos pinos e que tem formatos de rosca de pino e formatos de chanfra- dura de rosca de pino em níveis mostrados na Tabela 1, é realizado um teste de Conexão e Desconexão (Make & Break), de acordo com a ISO 13679:2002, em que a composição e a decomposição são executadas repetidamente. As condições de teste são definidas de forma que uma quantidade de interferência de rosca seja "Alta" (0,305mm), uma quantidade de interferência de vedação seja "Alta" (1,016mm) e um torque de composição seja "Alto" (50.000N-m). Nesse caso, a quantidade de interferência de rosca é um valor que é o dobro de um valor maior de um tamanho na direção radial de cano (um valor por diâmetro) de uma região em que uma porção que se torna uma porção de vedação de lado de pino e uma porção que se torna uma porção de vedação de lado de caixa interferem uma na outra quando um dese-nho de pino e um desenho de caixa se sobrepõem um ao outro de forma que seus eixos geométricos de cano e seus ombros correspondam uns aos outros. A quantidade de interferência de rosca é um valor que é o dobro de um tamanho na direção radial de cano (um valor por diâmetro) de uma região em que uma porção que se torna uma porção roscada de lado de pino e uma porção que se torna uma porção roscada de lado de caixa interferem uma na outra em tal sobreposição. Além disso, na Tabela 1, "conicidade (diâmetro)" na coluna "formato de rosca de pino" é uma quantidade de mudança no diâmetro da porção roscada por comprimento de 2,54 centímetros (1 polegada) da porção roscada e é um valor que é expressado por 2tana quando o ângulo de conicidade de rosca α é usado.

[0033] O resultado do teste é mostrado na Tabela 1. Conforme mostrado na Tabela 1, a escoriação não é gerada em qualquer nível em relação aos exemplos da presente invenção de modo que os exemplos da presente invenção tenham passado no teste de Conexão e Desconexão. TABELA 1

LISTA DE REFERÊNCIAS NUMÉRICAS1: caixa3: pino5: porção roscada internamente (lado de caixa)7: porção roscada externamente (lado de pino)71: primeira estria de rosca de pino72: segunda estria de rosca de pino8: porção de nariz (nariz de pino)11, 13: porção de vedação (porção de vedação metal com metal)12: ombro (lado de pino)14: ombro (lado de caixa)20: linha paralela de eixo geométrico de tubo21: linha ortogonal de eixo geométrico de tubo22: linha de base em uma raiz da posição de rosca23: linha de base em uma posição superior de estria de rosca24: linha limite de alisamento30: face de flanco de carga31: face de flanco de penetração40: porção de chanfradura de rosca de pino

Claims

1. Junta roscada para tubos de poços de petróleo que com-preende:pinos (3) em que cada um ocupa uma porção de extremidade de cano de um cano de aço para tubos de poços de petróleo e inclui uma porção roscada externamente (7), um nariz (8) que se estende na direção de um lado de extremidade de cano a partir da porção roscada externamente (7) e um ombro (12) que forma uma extremidade distal do nariz; euma caixa (1) que inclui porções roscadas internamente (5) em que cada uma forma uma porção roscada sendo unida de modo roscado à porção roscada externamente (7), e ombros (14) que são colocados em contato com os ombros (12) dos pinos,sendo que os pinos (3) e a caixa (1) são unidos uns aos outros pela união roscada de modo que as porções entre as porções roscadas (5, 7) e os ombros (12, 14) sejam colocadas em contato de metal com metal entre si, formando porções de vedação (11, 13) nas porções de contato, caracterizada pelo fato de queos ombros dos pinos (12) e os ombros da caixa (14) formam faces de ombro que são colocadas em contato entre si no momento de composição da junta roscada, euma razão entre um comprimento de chanfradura de rosca de pino (L) e um espaçamento de rosca (p) é definida de 1,0 ou mais a 3,0 ou menos,em queuma porção de chanfradura de rosca de pino (40) é formado na porção roscada externamente (7) de um lado da extremidade de um cano de tubo sendo alisada em um ângulo de corte constante em um estágio final do rosqueamento, eo comprimento de chanfradura de rosca de pino (L) é um comprimento na direção de eixo geométrico de cano da porção de chanfradura de rosca de pino (40).