BR112017007196B1 - Conexão roscada com um ressalto de encosto duplo e método para acoplar a mesma - Google Patents

Abstract

Uma conexão roscada (30) com um ressalto de encosto duplo compreende um primeiro componente tubular montado sobre um segundo componente tubular, os referidos componentes tubulares destinados à exploração ou operação de um poço de hidrocarbonetos, compreendendo o primeiro componente tubular (C1) um encosto externo (BE), uma porção de conexão roscada macho (PC1) prolongada por uma porção terminal não roscada (PT1) definindo um encosto interno (BI) na sua extremidade axial; compreendendo o segundo componente tubular (C2) uma extremidade fêmea definindo numa extremidade livre uma superfície de suporte (SA) forçada contra o encosto externo, uma porção de conexão roscada fêmea (PC2) montada com a porção de conexão roscada macho e terminando num ressalto interno (EI) forçado contra o encosto interno, uma porção inicial não roscada (PT2) que liga a porção de conexão roscada fêmea ao ressalto interno, a qual compreende uma interferência radial máxima formando localmente uma superfície de vedação situada entre a porção de conexão roscada macho e o encosto interno, estando esta interferência máxima localizada a uma distância não nula do encosto interno, sendo esta distância pelo menos superior a metade de uma distância axial (d1) da porção terminal.

Description

[001] A invenção refere-se a ligações tubulares roscadas pre mium usadas, em particular, para ligar tubos de aço tais como componentes tubulares utilizados em campos de petróleo ou gás. Em particular, a invenção é de aplicação a componentes utilizados para perfuração e a componentes empregues sob condições de pressão interna e externa elevadas. Estes componentes têm de suportar cargas tanto de tracção como de compressão, tais como as encontradas durante as operações de fracturamento hidráulico de rochas, cimentação de um poço ou na realização de ensaios de integridade num poço; estas operações são ainda mais críticas quando são realizadas no mar.

[002] Existe uma necessidade de ligações que possam ser utili zadas tanto para perfuração como para assegurar uma vedação.

[003] A invenção é também de aplicação a cadeias utilizadas no mar, em plataformas conhecidas como plataformas "offshore" que ligam a cabeça de poço submarino à plataforma de perfuração e que são submetidas a grandes esforços de fadiga assim como tensões de flexão, tracção e torção devido à acção das ondas, marés e correntes marítimas. Estas cadeias utilizadas no mar, conhecidas como "drill pipe risers”, ou seja, tubos ascendentes de perfuração", podem ser utilizados para transportar as ferramentas e os instrumentos necessários para monitorizar os parâmetros operacionais do poço pronto para a produção (conhecido neste caso como um "work over riser", ou seja, tubo ascendente de trabalho), e para os primeiros passos na produção de um poço (conhecido neste caso como um "early production riser", ou seja, tubo ascendente de produção inicial).

[004] Estas cadeias são frequentemente montadas e desmonta das e necessitam de ligações cuja integridade seja mantida durante toda a sua utilização.

[005] Existe uma necessidade de melhorias na vedação das liga ções formadas entre estes tubos devido às grandes variações de pressão que podem existir entre o interior e o exterior da coluna. Existe também uma necessidade económica de ligações que permitam o uso polivalente dos tubos para várias actividades a serem realizadas no local de produção, em particular tanto para perfuração como para a cimentação.

[006] Na técnica anterior é convencional utilizar, para passos de perfuração, ligações de encosto duplo roscadas com encostos interno e externo, nomeadamente a montante e a jusante das porções roscadas. Em particular, os documentos US-5908212, WO-2005/095840 e WO-2006/092649 descrevem várias soluções de conexão roscada dotadas de encostos duplos deste tipo e cada uma representando compensações na concepção das roscas da porção roscada, o ângulo da porção roscada, a distribuição das cargas axiais sobre os encostos, ou o torque de aperto necessário para as ligações deste tipo - são todos parâmetros que, de fato, definem as suas condições de aplicação.

[007] Além disso, o documento US 6 511 102 descreve uma co nexão dedicada a cadeias estáticas usadas para ligar uma cabeça de poço submarino a uma plataforma petrolífera offshore. Este documento US 6 511 102 descreve uma conexão roscada de encosto duplo dotada de roscas que podem ser utilizadas para aumentar a sua capacidade sob tensão e possuindo uma superfície de vedação dupla. Embora seja satisfatório para a implementação em cadeias destinadas a trabalhos ad hoc num poço, ou para realizar ensaios de produção que necessitem de equipamento leve e acessórios, esta conexão não é certificada para condições de funcionamento acima de (15000 psi) de pressão interna e também não acima (10000 psi) de pressão externa. Além disso, uma conexão deste tipo tem pequenas superfícies de en- costo, o que impede a sua utilização em operações de perfuração.

[008] Assim, existe uma necessidade de uma melhoria das liga ções de encosto duplo que possam ser utilizadas para obter altos torques de aperto, que sejam multifuncionais em utilização e que, para além da perfuração, possam ser utilizadas em pelo menos uma outra operação seleccionada entre cimentação de poços, realização de ensaios de vedação e integridade de poços ou ensaios realizados a partir da cabeça do poço nos primeiros passos de produção. A cimentação do poço, juntamente com a realização de testes de vedação, expõe a coluna a uma pressão interna muito alta. Uma operação de cimenta- ção destina-se a fixar no sítio um corpo largado no poço, ou a fechar temporariamente a entrada de um poço com vista a um trabalho futuro ou no final de um período de trabalho no poço.

[009] Em particular, existe a necessidade de uma conexão que possa ser utilizada para perfuração sob condições de pressão excepcionais tais como condições de baixa pressão dentro da coluna.

[0010] A invenção tem por objetivo proporcionar uma solução para o problema que se coloca ao proporcionar uma conexão roscada com um ressalto de encosto duplo que compreende um primeiro componente tubular montado num segundo componente tubular, estando os referidos componentes tubulares destinados a exploração ou operação de um poço de hidrocarboneto; • o primeiro componente tubular cilíndrico com um eixo de revolução e compreendendo uma extremidade macho, compreendendo a extremidade macho um encosto externo, uma porção de conexão roscada macho prolongada por uma porção terminal não roscada definindo um encosto interno na sua extremidade axial, sendo uma base macho não roscada definida entre o encosto externo e a porção de conexão roscada macho; • o segundo componente tubular cilíndrico que compreende uma extremidade fêmea que define numa extremidade livre uma superfície de apoio forçada contra o encosto externo, tendo esta extremidade fêmea na sua superfície interna uma porção de conexão roscada fêmea ligada à porção de conexão roscada macho e terminando num ressalto forçado contra o encosto interno, uma porção inicial não roscada que liga a porção de conexão roscada fêmea ao ressalto interno, sendo definida uma base fêmea não roscada entre a porção de conexão roscada fêmea e a superfície de apoio,

[0011] que compreende uma interferência radial máxima formando localmente uma superfície de vedação localizada entre a porção de conexão roscada macho e quer o encosto interno quer o encosto externo, estando esta interferência máxima localizada a uma distância não nula, respectivamente, do encosto interno e do encosto externo sendo esta distância pelo menos superior a 50% do mínimo entre uma distância axial da porção terminal e uma distância axial da porção inicial.

[0012] Como exemplo, esta interferência radial máxima pode estar localizada entre a porção de conexão roscada macho e o encosto interno.

[0013] Em particular, pode ser gerada uma interferência contínua a partir do encosto interno até a interferência radial máxima, a fim de evitar a formação de um volume que poderia causar retenção de gases, o que geraria um risco operacional para a conexão durante a operação.

[0014] Mais particularmente, a interferência radial máxima pode ser obtida por uma interação entre um ápice de uma porção toroidal e uma porção cônica, sendo a porção toroidal apresentada por uma entre a porção terminal e a porção inicial e a porção cónica apresentada pela outra das porções terminal ou inicial.

[0015] Como exemplo, a porção toroidal pode ser apresentada pe la porção inicial, enquanto a porção cônica é apresentada por uma zo- na com inclinação macho da porção terminal.

[0016] Em particular, um raio de curvatura da porção toroidal pode ser superior a 50 mm, por exemplo, da ordem dos 300 mm.

[0017] Em particular, um ápice da porção toroidal está localizado a uma distância axial em relação ao encosto interno, podendo esta distância axial estar na faixa de 60% a 90%, em particular na faixa de 70% a 80% da distância axial da porção inicial em relação ao ressalto interno.

[0018] De maneira vantajosa, um ponto de impacto do ápice da porção toroidal na zona com inclinação macho pode estar localizado a uma distância axial na faixa de 5 a 25 mm, preferencialmente na faixa de 10 a 20 mm, em particular cerca de 18 mm em relação ao encosto interior.

[0019] Como exemplo, a interferência radial máxima está localiza da a uma distância radial desde o início da porção de conexão roscada, sendo esta distância radial, por exemplo, na faixa de 2 a 5 mm.

[0020] Em particular, estas respectivas porções de conexão ros cada macho e fêmea podem ter uma inclinação de rosca na faixa de 8,33 cm/m (1,0 polegada/pé) a 10 cm/m (1,2 polegada/pé) relativamente ao eixo da conexão.

[0021] Finalmente, a invenção também se refere a um método pa ra acoplar uma conexão roscada de acordo com a invenção, na qual a conexão é feita com um torque nominal de aperto superior a 22250 N*m quando a conexão roscada da invenção tem um diâmetro externo de mais de 13,02 cm (5 1/8 de polegada) e um diâmetro interno de mais de 7,18 cm (2 7/8 de polegada).

[0022] Em particular, as características deste método de acopla mento podem ser tais que um torque nominal de aperto pode ser superior a 70000 N*m quando a conexão roscada da invenção tem um diâmetro externo superior a 20,32 cm (8 polegadas) e um diâmetro in- terno de mais de 13 cm (5,119 polegadas).

[0023] A conexão da invenção pode ser utilizada para obter tor ques nominais de aperto mais elevados do que os das ligações produzidas de acordo com as normas API. A conexão da invenção pode ser utilizada para obter pelo menos 90% dos torques nominais de aperto das ligações da técnica anterior sem um sistema de vedação anelar obtido por interferência radial metal-metal.

[0024] A invenção será melhor compreendida a partir da descrição que se segue e das figuras anexas. Estes são apresentados apenas a título de indicação e não limitam a invenção de qualquer forma. Nas figuras:

[0025] • Figura 1 representa uma plataforma petrolífera offshore ilustrando a utilização de uma coluna de componentes tubulares de acordo com a invenção;

[0026] • Figura 2 é uma vista em corte longitudinal detalhada do pormenor A da Figura 1, de uma conexão roscada de encosto duplo de acordo com a invenção;

[0027] • Figura 3 é uma vista em corte longitudinal detalhada do pormenor B da Figura 2, em que os elementos macho e fêmea de uma conexão roscada da invenção são mostrados separados um do outro;

[0028] • Figura 4 é uma vista em corte longitudinal detalhada do pormenor C1 da Figura 3, representando uma porção de vedação numa porção terminal não roscada do elemento macho de uma conexão roscada da invenção;

[0029] • Figura 5 é uma vista em corte longitudinal detalhada do pormenor C2 da Figura 3, representando uma porção de vedação numa porção inicial não roscada do elemento fêmea de uma conexão roscada de acordo com a invenção;

[0030] • Figura 6 é uma vista em corte longitudinal das porções de conexão roscadas em acoplamento de uma conexão roscada de acor- do com a invenção;

[0031] • Figura 7 representa a alteração na deformação elástica dos encostos e da zona de interferência radial metal-metal máxima durante a formação de uma conexão de acordo com a invenção;

[0032] • Figuras 8a, 8b e 8c representam vistas em corte detalha das de porções localizadas entre a porção de conexão roscada e o encosto interno quando se engatam durante a formação de uma conexão roscada da invenção; a Figura 8c representa a conexão na sua posição final após a formação.

[0033] A Figura 1 mostra uma instalação de perfuração offshore 10 na qual a presente invenção pode ser utilizada com um efeito vantajoso. No exemplo descrito, a instalação 10 compreende uma plataforma offshore 12 flutuando no mar. A plataforma 12 compreende uma torre 14 equipada com uma mesa giratória 16, bem como uma variedade de acessórios para agarrar e manipular os vários elementos utilizados na fabricação e operação do poço. A plataforma 12 está, assim, localizada directamente sobre um poço submarino 20 perfurado no fundo do mar F. O poço submarino 20 é representado aqui como sendo entubado, 21. A instalação 10 compreende uma coluna 22 (denominada tubo ascendente marítimo) que liga a plataforma flutuante 12 e a cabeça do poço 23 formando uma conduta que é exposta a correntes marítimas e mantendo um espaço interno protegido para as etapas de formação de poços, em particular para perfuração.

[0034] No exemplo ilustrado na Figura 1, uma coluna de perfura ção 24 está disposta de forma móvel na coluna 22. A coluna de perfuração 24 compreende uma pluralidade de componentes tubulares ligados extremidade a extremidade através das suas extremidades. Os componentes tubulares da invenção são produzidos a partir de aço.

[0035] De acordo com a invenção, os componentes tubulares da coluna de perfuração ilustrados são montados extremidade com ex- tremidade utilizando uma conexão roscada 30 de acordo com a invenção. A montagem é realizada entre uma conexão roscada macho conhecida como "pino" e uma conexão roscada fêmea conhecida como "caixa".

[0036] Uma conexão tubular roscada que cumpra especificações de montagem optimizadas garante uma resistência mecânica optimi- zada na conexão que é produzida, por exemplo no que se refere às cargas de tracção, mas também contra o desengate acidental durante o serviço e no que diz respeito a desempenhos de vedação optimiza- dos.

[0037] Em detalhe, a Figura 2, a conexão roscada 30 da invenção compreende um primeiro componente tubular C1 e um segundo componente tubular C2.

[0038] O primeiro componente tubular C1 compreende um primei ro corpo 3 que é cilíndrico com um eixo de revolução X. Este primeiro corpo 3 é soldado anelarmente, por exemplo por atrito, a um segundo corpo tubular 10. Em particular, o primeiro corpo 3 pode ser definido pelo seu diâmetro externo POD e seu diâmetro interno PID. Perto da zona de soldadura 6, o primeiro corpo 3 tem uma espessura de parede que é maior do que a do restante do corpo. Esta espessura de parede pode ser obtida localmente por um maior diâmetro externo PUOD, ou um menor diâmetro interno PUID. Em particular, o diâmetro externo POD do primeiro corpo 3 está na faixa de 7,30 cm (2 7/8 de polegada) a 22,86 cm (9 polegadas), preferencialmente na faixa de 10,16 cm (4 polegadas) a 19,37 cm (7 5/8 de polegada), incluindo 14,92 cm (5 7/8 de polegada).

[0039] De modo a poder ser associado ao segundo componente tubular C2, o segundo corpo 10 tem um elemento de conexão 11 que é capaz de cooperar com um elemento de conexão complementar 13 transportado pelo segundo componente tubular C2. A conexão dos elementos de conexão 11 e 13 forma a conexão roscada 30 da invenção. No exemplo representado na Figura 2, o elemento de conexão 11 é um elemento macho e o elemento de conexão 13 é um elemento fêmea.

[0040] Em particular, o segundo corpo 10, conhecido como junta ferramenta, que é cilíndrico com um eixo de revolução X, pode ser definido pelo seu diâmetro externo máximo TJOD e pelo seu diâmetro interno TJID. Em particular, o diâmetro externo máximo TJOD do segundo corpo 10 está na faixa de 12,06 cm (4 3/4 de polegada) a 22,22 cm (8 3/4 de polegada). O diâmetro externo do segundo corpo 10 é maior do que o diâmetro externo do primeiro corpo 3. Em particular, o diâmetro interno máximo TJID do segundo corpo 10 está na faixa de 6,19 cm (2 7/16 de polegada) a 14,29 cm (5 5/8 de polegada), mesmo até 15,87 cm (6 % polegadas).

[0041] O segundo corpo 10 pode, de preferência, ser fabricado a partir de aço com um grau da ordem de (130 ksi), com uma tensão de cedência na faixa dos (120000 a 140000 psi); mas também pode ser seleccionado a partir de graus superiores de cerca de (140 ksi, 150 ksi e 165 ksi), bem como de graus de aço inferiores tais como os definidos em torno de (80 ksi ou 95 ksi ou até 110 ksi).

[0042] O segundo componente tubular C2 compreende um primei ro corpo 3' e um terceiro corpo 12. O primeiro corpo 3' é substancialmente da mesma estrutura e das mesmas características dimensionais que o primeiro corpo 3. Este primeiro corpo 3' é também soldado anelarmente em 6 respectivamente com o terceiro corpo 12. O terceiro corpo 12 tem o elemento de conexão complementar 13 mencionado acima.

[0043] A conexão 30 é produzida de modo a que os diâmetros ex terno e interno do segundo corpo 10 e do terceiro corpo 12 tenham as mesmas dimensões externas máximas e o mesmo diâmetro interno pelo menos perto da sua zona de conexão representada pelo pormenor B.

[0044] Vantajosamente, o terceiro corpo 12 é produzido a partir de um aço de grau idêntico ao do segundo corpo 10.

[0045] Os perfis dos elementos de conexão 11 e 13 são preferen cialmente obtidos por maquinagem. Em particular, pode ser realizado um tratamento de superfície químico ou mecânico nestas porções maquinadas. Pode ser um tratamento por fosfatação usando manganês ou zinco, ou mesmo um tratamento de lixamento. Após o tratamento de superfície pode ser depositada uma massa de armazenamento ou de montagem nos elementos de conexão 11 e 13.

[0046] A conexão 30 tem um duplo encosto tanto internamente como externamente.

[0047] O segundo corpo 10 tem um encosto externo BE no seu perímetro externo. Este encosto externo BE é na forma de um ressalto anelar plano. O plano desta forma em ressalto forma um ângulo agudo ou recto com o eixo X, em particular 90° na Figura 3.

[0048] O encosto externo BE está ligado através de uma base B1 a uma porção de conexão roscada macho PC1. A base macho B1 não é roscada; prolonga-se ao longo do eixo X e tem uma superfície anelar substancialmente paralela ao eixo X no seu perímetro externo. A forma geral da porção de conexão PC1 é um cone truncado externo com um diâmetro que diminui com a distância à referida base B1. A porção de conexão PC1 tem uma rosca no seu perímetro externo. A porção de conexão PC1 é prolongada por uma porção terminal PT1 não roscada. A porção terminal PT1 está ligada a uma superfície transversal formando um encosto interno BI na sua extremidade axial livre.

[0049] Este encosto interno BI tem a forma de uma superfície ane lar plana. O plano desta superfície forma um ângulo agudo ou recto com o eixo X, em particular 90° na Figura 3. O encosto interno BI liga- se ao perímetro interno definido pelo corpo C1.

[0050] Na zona do corpo C1 para a qual o perímetro externo é de finido pelo encosto externo BE, a base macho B1, a porção de conexão PC1 e a porção terminal PT1, o diâmetro interno TJID é substancialmente constante.

[0051] Na prática, quando a conexão é feita entre os dois corpos C1 e C2, os respectivos eixos de revolução dos corpos são substancialmente coincidentes.

[0052] O terceiro corpo 12 estende-se ao longo do eixo X. Tem uma secção transversal circular com um diâmetro externo máximo que é, por exemplo, substancialmente igual ao diâmetro externo máximo TJOD. A extremidade axial livre do terceiro corpo 12, orientada em direcção ao primeiro corpo 10 quando a conexão 30 da invenção é formada, define uma superfície de apoio SA.

[0053] A superfície de apoio SA está na forma de uma superfície anelar plana. O plano desta superfície forma um ângulo agudo ou recto com o eixo X, em particular 90° na Figura 3. A superfície de apoio SA liga-se ao perímetro externo do segundo corpo 12. Também se liga ao perímetro interno deste terceiro corpo oco 12, em particular a uma base fêmea B2 deste perímetro interno. A base fêmea B2 não é roscada; define um perímetro cilíndrico interno com um eixo paralelo ao eixo X.

[0054] A base B2 liga a superfície de apoio SA à porção de cone xão roscada fêmea PC2. A porção de conexão PC2 tem uma forma geralmente afunilada em torno do seu perímetro interno e tem uma rosca que é capaz de cooperar com a rosca da porção de conexão macho PC1.

[0055] Para optimizar as dimensões da superfície de contato defi nida entre a superfície de apoio SA e o encosto externo BE, a base B2 pode ser inclinada enquanto a base B1 permanece cilíndrica.

[0056] A porção de conexão fêmea PC2 é prolongada internamen te por uma porção inicial PT2. Esta porção inicial PT2 prolonga-se substancialmente ao longo do eixo X. Esta porção inicial PT2 está ligada a um ressalto interno EI definido transversalmente ao eixo X. O ressalto interno EI tem uma inclinação em relação ao eixo X que é substancialmente idêntica à do encosto interior BI. Como pode ser visto na Figura 3, o ressalto interno EI define uma superfície anelar plana num plano perpendicular ao eixo X.

[0057] Quando a conexão 30 é formada, a superfície de apoio SA está em contato com o encosto externo BE sobre pelo menos uma porção da sua superfície e de forma semelhante, o encosto interno BI está em contato com o ressalto interno EI sobre pelo menos uma porção da sua superfície.

[0058] A porção de conexão da conexão roscada 30 formada pela interacção entre roscas existentes na porção de conexão roscada macho PC1 e porção de conexão roscada fêmea PC2 é representada com mais pormenor na Figura 6.

[0059] Em particular, a inclinação da rosca Y está na faixa de 8,33 cm/m (1,0 polegada/pé) a 10 cm/m (1,2 polegada/pé) relativamente ao eixo da conexão X. Preferencialmente, as roscas podem estar em interferência bordo-bordo. Como exemplo, as roscas da porção de conexão macho PC1 e respectiva porção roscada fêmea PC2 podem ter um bordo de fuga 14 na faixa de 35° a 42°, em particular cerca de 40° relativamente ao eixo da rosca Y, e um bordo de ataque 15 formando um ângulo na faixa de 25° a 34°, em particular cerca de 30° com o eixo da rosca Y. Como exemplo, a base 16 das roscas pode ter a forma de uma porção de uma elipse. Vantajosamente, a crista 17 das roscas pode ter uma inclinação na direcção oposta à da rosca.

[0060] Em particular, a porção de conexão pode incluir uma rosca tal como a descrita na patente US 5 908 212. A rosca pode incluir fios roscados cónicos ou trapezoidais. A porção de conexão pode compreender zonas de rosca imperfeitas a montante e a jusante das zonas de rosca perfeitas e com uma forma de rosca idêntica.

[0061] A conexão roscada 30 da invenção compreende uma veda ção metal-metal produzida entre a porção terminal PT1 e a porção inicial PT2, entre o encosto interno obtido por acoplamento pressurizado do encosto interno BI contra o ressalto interno EI, e a porção de conexão obtida por acoplamento da porção de conexão roscada macho PC1 com a parte de conexão roscada fêmea PC2. Este exemplo será descrito em mais detalhe abaixo.

[0062] No entanto, alternativamente, numa concretização que não será proporcionada em pormenor e que pode ser deduzida por simetria com a concretização definida acima, a vedação metal-metal pode ser formada nas bases B1 e B2, nomeadamente entre o encosto externo BE e a referida porção de conexão.

[0063] Esta vedação metal-metal é obtida por formação local de uma zona de interferência anelar, em particular por interferência radial.

[0064] A porção terminal PT1 está ligada ao encosto interno BI através de uma porção filetada 40. A porção filetada 40 é, por exemplo, uma porção arredondada com um raio de curvatura na faixa de 1 a 1,6 mm, de preferência seleccionada para ser cerca de 1,3 mm. Partindo da porção filetada 40, o perímetro externo da porção terminal PT1 tem uma zona 41 que está inclinada em relação ao eixo X. Em particular, esta inclinação é superior à inclinação do eixo de rosca Y em relação ao eixo X. Em particular, esta zona inclinada macho 41 forma um ângulo na faixa de 5° a 15°, por exemplo na ordem de 7,25° (cone %) com o eixo X. A zona inclinada macho 41 é continuamente inclinada, neste exemplo, com a mesma inclinação. A zona inclinada macho 41 define uma porção cónica.

[0065] A porção terminal PT1 estende-se ao longo de uma distân- cia axial d1 paralela ao eixo X entre o encosto interno BI e a porção de conexão roscada PC1. Esta distância d1 pode estar na faixa de 5 a 50 mm.

[0066] De preferência, uma distância axial d3, ao longo da qual a zona inclinada macho 41 se prolonga com a mesma inclinação, é definida a partir do ângulo filetado 40. Esta distância d3 representa mais de 50%, de preferência de 70%, do comprimento axial d1.

[0067] A porção inicial PT2 está ligada ao ressalto interno EI atra vés de uma porção filetada 43. A porção filetada 43 é, por exemplo, uma porção curva com um raio de curvatura na faixa de 1 a 1,6 mm, de preferência cerca de 1,3 mm. Partindo da porção filetada 43, a porção inicial PT2 compreende, em sucessão, uma zona fêmea 42 inclinada em relação ao eixo X e uma porção toroidal 45.

[0068] A zona inclinada fêmea 42 define uma superfície cónica. Uma inclinação desta zona inclinada fêmea 42 é em particular maior do que a inclinação do eixo de rosca em relação ao eixo X. Em particular, esta zona inclinada fêmea 42 forma um ângulo na faixa de 5° a 15°, por exemplo da ordem de 7,125° (cone %), com o eixo X. Preferencialmente, a inclinação da zona inclinada fêmea 42 é seleccionada de modo a ser substancialmente idêntica à da zona inclinada macho 41. Para a mesma inclinação, as variações na inclinação ao longo destas zonas inclinadas são toleradas desde que em qualquer ponto a tangente forme um ângulo com o eixo de revolução inferior a 80°, de preferência inferior a 70°.

[0069] A porção inicial PT2 estende-se ao longo de uma distância axial d2 paralela ao eixo X entre o encosto interno EI e a porção de conexão roscada PC2. Esta distância d2 pode estar na faixa de 5 a 50 mm.

[0070] De preferência, a porção toroidal 45 tem um raio de curva tura largo. A porção toroidal 45 é protuberante para o interior do tubo e está destinada a entrar em contato de interferência com a zona inclinada macho 41 de maneira a assegurar localmente uma vedação por interferência radial.

[0071] A porção toroidal 45 tem um raio de curvatura na faixa de 50 mm a 800 mm, por exemplo da ordem dos 300 mm, de modo a distribuir as forças de pressão de interferência tanto quanto possível e para evitar a plastificação local da zona inclinada macho 41.

[0072] O ápice 46 da porção toroidal 45 define a posição da inter ferência radial máxima que é desejada entre a zona inclinada 41 da porção terminal (PT1) e a porção inicial (PT2) quando a conexão 30 da invenção é produzida. Este ápice 46 é definido a uma distância d5 paralela ao eixo X do rebordo interno EI.

[0073] O ápice 46 da porção toroidal 45 é definido a uma distância axial d5 que é substancialmente idêntica à distância axial do ponto de impacto deste ápice da porção toroidal 45 na zona inclinada macho 41 em relação ao encosto interno BI.

[0074] Esta distância d5 define a posição da máxima interferência radial obtida entre os elementos de conexão 11 e 13 em relação ao encosto interno. Esta distância d5 está, por exemplo, na faixa de 5 a 25 mm, de preferência na faixa de 10 a 20 mm, por exemplo da ordem dos 18 mm. Esta distância d5 é maior do que o mínimo definido pela metade da distância d1 e metade da distância d2. d5> min (50% de d1; 50% de d2) Preferencialmente, d5> min (70% de d1; 70% de d2)

[0075] Em qualquer dos casos, d5 é menor do que d3 e menor do que d2.

[0076] A distância axial d5 está, por exemplo, na faixa de 60% a 90% da distância axial d2 da porção inicial PT2 em relação ao ressalto interno, em particular na faixa de 70% a 80% desta distância d2.

[0077] A distância axial d5 está, por exemplo, na faixa de 60% a 90% da distância axial d1 da porção terminal PT1 em relação ao encosto interno, em particular na faixa de 70% a 80% desta distância d1.

[0078] Assim, a superfície de interferência máxima 46 está dispos ta a uma distância do encosto interno BI de modo a impedir o colapso do encosto interno e aleatoriedade na formação da vedação. Esta separação também significa que é proporcionada uma função de guia ao longo do encosto interno sem correr o risco de danificar a zona de vedação durante o acoplamento do elemento macho no elemento fêmea até que a conexão 30 esteja formada. Outra vantagem desta posição atrás da superfície de vedação máxima 46 é limitar o desgaste durante o acoplamento e limitar os picos de tensões do fim da montagem.

[0079] A Figura 7 representa a alteração, determinada por cálculos pelo método dos elementos finitos, da deformação medida como % da deformação elástica ao longo do eixo B durante a montagem da conexão 30 ao longo do eixo A do gráfico.

[0080] No começo da montagem, para um certo número de voltas que se estendem por um período t1, nem o encosto interno BI nem o encosto externo BE nem o máximo de interferência radial proporcionado na conexão estão deformados. Em seguida, o progresso da montagem durante um período t2 forma gradualmente a interferência radial entre o ápice 46 da porção toroidal 45 e a zona inclinada macho 41. A Figura 8a representa a conexão que está a ser formada no início do período t2. Ver-se-á que para uma conexão 30 existe um aumento muito lento e gradual da deformação nesta zona de interferência durante este período t2. A Figura 8b representa uma conexão de encontro ao fim do período t2.

[0081] Finalmente, na última parte da montagem, o período t3 pre tende pôr os encostos em contato; primeiro o encosto externo e depois o encosto interno são postos em contato. O período t3 é terminado atingindo um torque de aperto predefinido para a conexão 30. A configuração particular da porção terminal PT1 e da porção inicial PT2 significa que a zona de interferência máxima 46 pode ser mantida a um grau de deformação que é sempre inferior a 100% da sua tensão de cedência. A Figura 8c representa a conexão no final do período t3.

[0082] Esta configuração particular significa que pode ser evitado desgaste durante a formação da conexão 30.

[0083] A conexão 30 da invenção tem a vantagem de passar o tes te de ser consecutivamente feita e desfeita 100 vezes enquanto garante uma vedação sob condições de pressão interna de 20000 psi e 15000 psi de pressão externa durante todo o seu período de utilização. Na prática, a vedação foi validada de acordo com a norma ISO-13628. Foi também demonstrada uma vedação estanque a gás para uma pressão interna de 30000 psi no contexto de uma conexão com um diâmetro TJOD de 13,02 cm (5 1/8 de polegada).

[0084] Na prática, a vedação foi validada de acordo com a norma ISO ISO-13628. A vedação estanque a gás foi também demonstrada pela pressão interna de 30000 psi no contexto de uma conexão com um diâmetro de TJOD de 13,02 cm (5 1/8 polegadas).

[0085] Utilizando testes de modelação com métodos de elementos finitos, a conexão 30 da invenção também se classificou como vedação para cargas de pressão acima de 200 MPa, por exemplo acima de 400 MPa ou mesmo 600 MPa.

[0086] Na prática, de acordo com a invenção, uma conexão 30 de acordo com a invenção cumpre os critérios impostos pelas duas condições definidas abaixo: (1) razão = raio da porção toroidal 45 (em mm) / interferência radial máxima medida no diâmetro (em mm).

[0087] A interferência radial máxima medida no diâmetro corres ponde a duas vezes o valor imax representado na Figura 8c, imax repre- sentando a interferência radial máxima medida no raio. (2) razão > -0,261 x [grau de aço do segundo corpo 10 em MPa] + 400

[0088] Como exemplo, quando o segundo corpo 10 é produzido a partir de aço de grau (130 ksi), ou seja 896 MPa, então as dimensões são, por exemplo, seleccionadas de modo a ter um raio de curvatura da porção toroidal 45 de 300 mm e uma interferência radial máxima no diâmetro de 0,41 mm.

[0089] Vantajosamente, quando a conexão 30 é formada, a interfe rência radial máxima 46 está localizada a uma distância radial e em relação ao início da porção roscada de modo a não afectar as cargas já exercidas na porção roscada. Esta distância radial e está, por exemplo, na faixa de 2 a 5 mm, por exemplo da ordem de 3,12 mm.

[0090] Vantajosamente, como pode ser visto nas Figuras 8b e 8c, as zonas respectivamente inclinadas macho 41 e fêmea 42 são pro-porcionadas de modo a também estarem em interferência radial. Em particular, a interferência i entre estas zonas inclinadas 41 e 42 é de um valor que é menor do que a interferência radial máxima imax. Por exemplo, uma vez que as inclinações são iguais, a interferência i que é constante em toda a porção das zonas 41 e 42 em contato de interferência é inferior a 2/3 de imax, por exemplo, ou mesmo inferior a metade de imax. Assim, a zona de interferência estende-se sobre toda a distância axial d5. De preferência, quando a conexão 30 é formada, a interferência obtida entre o segundo corpo 10 e o terceiro corpo 12 estende- se continuamente desde a porção filetada 43 até à posição desta interferência máxima 46, ou mesmo até um pouco para além desta na direcção da porção de conexão.

[0091] Na porção terminal PT1, a zona inclinada macho 41 está ligada, através de um raio filetado 47, a uma porção cilíndrica 48 com um diâmetro que é estritamente menor do que o diâmetro observado na raiz da rosca da porção de conexão roscada macho PC1 imediatamente adjacente à porção terminal PT1. Alternativamente, o filete 47 pode ser um ângulo agudo e não arredondado. A porção cilíndrica 48 está ligada através de um raio filetado 49 a uma porção filetada inclinada 50 que proporciona a conexão com a porção de conexão roscada macho PC1.

[0092] O diâmetro de calibração D46 no ápice 46 é menor que o diâmetro de calibração D48 da porção cilíndrica 48. Em particular, a diferença entre estes dois diâmetros de calibração D46 e D48 está na faixa de 0,5 a 1 mm, por exemplo na ordem dos 0,81 mm.

[0093] Na porção inicial PT2, a porção toroidal 45 está ligada atra vés de um raio filetado convexo 51 a uma porção filetada inclinada 52. A porção filetada inclinada 52 está ligada através de um raio filetado 53 a uma porção cilíndrica 54 que proporciona a conexão com a porção de conexão de rosca fêmea PC2.

[0094] Uma distância axial d4 define a distância axial ao longo do eixo X da soma das distâncias ao longo deste eixo X da zona inclinada fêmea 42 e da porção toroidal 45. Esta distância d4 representa mais do que 50%, mais preferencialmente mais do que 70%, do comprimento axial d2. Na prática, d4 é maior do que d5, à medida que a porção toroidal 45 se prolonga em ambos os lados do seu ápice 46. Em particular, a porção toroidal é concebida de tal modo que o seu ápice 46 não está centrado no meio da referida porção toroidal 45. A porção toroidal 45 compreende uma porção 61 entre o ápice 46 e um filete 62 à zona inclinada fêmea 42 que se estende sobre uma distância axial que é maior do que a distância axial de uma segunda porção 60, sendo esta segunda porção 60 definida entre o ápice 46 e o raio de filete convexo 51. O filete 62 é, por exemplo, concebido para se ligar tangencialmente tanto à porção toroidal 45 como à zona inclinada fêmea 42.

[0095] Ao longo da descrição, a expressão "compreendendo um/uma" deve ser considerada como sendo sinónima de "compreendendo pelo menos um/uma", a menos que especificado em contrário.

Claims (12)

1. Conexão roscada (30) com um ressalto de encosto duplo compreendendo um primeiro componente tubular montado num segundo componente tubular, os referidos componentes tubulares destinados à exploração ou operação de um poço de hidrocarbonetos; • o primeiro componente tubular cilíndrico (C1) com um eixo de revolução (X) e compreendendo uma extremidade macho, compreendendo a extremidade macho um encosto externo (BE), uma porção de conexão roscada macho (PC1) prolongada por uma porção terminal não roscada (PT1) que define um encosto interno (BI) na sua extremidade axial, sendo definida uma base macho não roscada (B1) entre o encosto externo e a porção de conexão roscada macho; • o segundo componente tubular cilíndrico (C2) compreendendo uma extremidade fêmea que define numa extremidade livre uma superfície de apoio (SA) forçada contra o encosto externo, tendo esta extremidade fêmea na sua superfície interna uma porção de conexão roscada fêmea (PC2) montada com a porção de conexão roscada macho e terminando num ressalto interno (EI) forçado contra o encosto interno, uma porção inicial não roscada (PT2) que liga a porção de conexão roscada fêmea ao ressalto interno, definindo-se uma base fêmea não roscada (B2) entre a porção de conexão roscada fêmea e a superfície de apoio, caracterizada por compreender uma interferência radial máxima formando localmente uma superfície de vedação localizada entre a porção de conexão roscada macho e o encosto interno ou o encosto externo, estando esta interferência máxima localizada a uma distância diferente de zero (d5) respectivamente do encosto interno e do encosto externo, sendo esta distância pelo menos superior a 50% do mínimo entre uma distância axial (dl) da porção terminal e uma distância axial (d2) da porção inicial.

2. Conexão de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a interferência radial máxima estar localizada entre a porção de conexão roscada macho e o encosto interno.

3. Conexão de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizada por ser gerada uma interferência contínua desde o encosto interno até à interferência radial máxima.

4. Conexão de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por a interferência radial máxima ser obtida por uma interacção entre um ápice (46) de uma porção toroidal (45) e uma porção cónica, sendo a porção toroidal apresentada por uma das porções terminal ou inicial, e a porção cónica ser apresentada pela outra das porções terminal ou inicial.

5. Conexão de acordo com a reivindicação 4, caracterizada por a porção toroidal (45) ser apresentada pela porção inicial (PT2) e a porção cónica (41) ser apresentada por uma zona inclinada macho (41) da porção terminal (PT1).

6. Conexão de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizada por um raio de curvatura da porção toroidal ser superior a 50 mm, por exemplo da ordem dos 300 mm.

7. Conexão de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 6, caracterizada por um ápice (46) da porção toroidal estar localizado a uma distância axial (d5) em relação ao encosto interno (BI) na faixa de 60% a 90% da distância axial (d2) da porção inicial em relação ao ressalto interno, em particular na faixa de 70% a 80%.

8. Conexão de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 7, caracterizada por um ponto de impacto (46) do ápice da porção toroidal na zona inclinada macho (41) estar localizado a uma distância axial (d5) na faixa 5 a 25 mm, de preferência na faixa de 10 a 20 mm, em particular cerca de 18 mm em relação ao encosto interno.

9. Conexão de acordo com qualquer uma das reivindica ções 4 a 8, caracterizada por a interferência radial máxima (46) estar localizada a uma distância radial (e) do início da porção de conexão roscada, estando esta distância radial compreendida na faixa de 2 a 5 mm, por exemplo.

10. Conexão de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por as respectivas porções de conexão roscada macho e fêmea terem uma inclinação de rosca (Y) na faixa de 8,33 cm/m (1,0 polegadas/pé) a 1,0 cm/m (1,2 polegadas/pé) em relação ao eixo da conexão.

11. Método para acoplar uma conexão roscada como definida em qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a conexão ser feita com um torque nominal de aperto superior a 22250 N*m quando a conexão roscada tem um diâmetro externo superior a 13,02 cm (5 1/8 de polegada) e um diâmetro interno de mais de 7,18 cm (2 7/8 de polegada).

12. Método para acoplar uma conexão roscada como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por a conexão ser feita com um torque nominal de aperto superior a 70000 N*m quando a conexão roscada tem um diâmetro externo superior a 20,32 cm (8 polegadas) e um diâmetro interno de mais de 13 cm (5,119 polegadas).

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