BR112017020910B1 - junta de tubo rosqueada - Google Patents
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Abstract
É fornecida uma junta de tubo rosqueada na qual sob uma carga de tração, a fratura no lado de rosca fêmea da primeira parte de rosca da segunda fileira de rosca contínua com o rebaixo intermediário é evitada, e a fratura por tração certamente ocorre no lado de rosca fêmea da primeira parte de rosca da primeira fileira de rosca, que é a localização da seção transversal crítica normal. Sob uma condição na qual as roscas fêmea e macho do rebaixo intermediário serem engatadas uma à outra, o espaço de rosca de lado de flanco de carga L1G de uma primeira fileira de rosca que é a fileira de rosca no lado radialmente interno e o espaço de rosca de lado de flanco de carga L2G de uma segunda fileira de rosca que é a fileira de rosca no lado radialmente externo, com o rebaixo intermediário intercalado entre os mesmos, sempre satisfaz a relação L1G L2G.
Description
[001] A presente invenção refere-se a uma junta de tubo rosqueada utilizada para conectar tubos de poços de petróleo incluindo tubulação e envoltório utilizados geralmente na exploração de poços de petróleo ou poços de gás e na produção. Isso é, a presente invenção refere-se a uma junta de tubo rosqueada utilizada para conectar tubos de aço tal como produtos tubulares e acessórios para a indústria petrolífera (OCTG), tubos de elevação e tubos de linha. A junta de tubo rosqueada da presente invenção apresenta excelente resistência à fratura por tensão.
[002] As juntas de tubo rosqueadas são amplamente utilizadas na conexão de tubos de aço utilizados nas instalações industriais de produção de petróleo tal como tubos de poço de petróleo. Para a conexão de tubos utilizada na prospecção e produção de petróleo ou gás, as juntas de tubo rosqueadas padrão com base no padrão API (Instituto Americano de Petróleo) são tipicamente utilizadas.
[003] Visto que os poços de petróleo bruto e os poços de gás natural têm aumentado, recentemente, de profundidade, e os poços horizontais e poços direcionais são agora mais comuns do que os poços verticais, os ambientes de escavação e produção estão cada vez mais sob condições difíceis. Adicionalmente, um aumento no desenvolvimento do poço sob ambientes hostis, tal como no oceano e em regiões polares, tem levado a exigências de desempenho diversificadas para juntas de tubo rosqueadas, tal como resistência à compressão, resistência à flexão, e capacidade de vedação contra pressão externa.
[004] Por outro lado, a fim de se reduzir a quantidade de escavação durante o desenvolvimento de um poço, o poço precisa ser tornado mais fino. Dentre as juntas de tubo rosqueadas especiais de alto desempenho, chamadas de juntas premium, as exigências por uma junta de tubo rosqueada do tipo integral que conecte diretamente os tubos sem qualquer elemento de acoplamento intercalado entre os mesmos estão aumentando.
[005] A junta premium possui normalmente uma rosca cônica, uma parte de vedação de metal com metal, e uma parte de rebaixo de torque na extremidade de cada tubo. Existe componentes que formam cada um dentre um pino que é uma parte em formato macho fornecida em uma extremidade de um tubo e uma caixa que é uma parte em formato fêmea fornecida na outra extremidade do tubo e é rosqueada ou encaixada na parte de formato macho. Esses componentes são projetados de modo que quando uma junta (que significa uma junta de tubo rosqueada, o mesmo se aplica posteriormente) é apertada, os componentes fêmea e macho possuindo o mesmo nome, estejam de frente um para o outro.
[006] A rosca cônica é importante para prender com firmeza a junta. A parte de vedação de metal com metal é importante para se garantir a capacidade de vedação colocando a caixa e o pino em contato de metal com metal um com o outro na região da parte de vedação de metal com metal. A parte de rebaixo de torque serve como uma face de rebaixo que age como um apoio durante a criação da junta.
[007] Na junta de tubo rosqueada tipo integral (doravante também referida como uma junta integral), uma ou duas ou mais partes de vedação de metal com metal são fornecidas na direção axial (o que significa a direção axial do tubo, o mesmo se aplica posteriormente). Pelo menos uma das partes de vedação de metal com metal é fornecida na superfície periférica externa de uma parte não rosqueada (doravante referida como bico) contínua com a extremidade da rosca do lado da extremidade dianteira do pino da rosca cônica do pino, e na superfície periférica interna de uma parte não rosqueada (doravante referida como furo de bico) contínua com a extremidade rosqueada do lado de extremidade posterior da caixa da rosca cônica da caixa. Quando da criação da junta, a parte de vedação de metal com metal do bico e a parte de vedação de metal com metal do furo do bico entram em contato uma com a outra na direção radial, e essa parte de vedação de metal com metal forma uma superfície de vedação (referida como superfície de vedação radial interna para fins de conveniência) que impede que o fluido dentro do tubo entre na região da rosca cônica.
[008] Em algumas juntas integrais, em cada um dentre o pino e a caixa, a região da rosca cônica é dividida em duas partes na direção axial. Das duas partes, a fileira de rosca no lado de extremidade dianteira de pino e a fileira de rosca no lado de extremidade traseira da caixa engatado com a mesma são referidas como primeira fileira de rosca. Por outro lado, a fileira de rosca no lado de extremidade traseira de pino e a fileira de rosca no lado de extremidade dianteira da caixa engatada com a mesma são referidas como segunda fileira de rosca. Na direção radial (que significa a direção radial do tubo, o mesmo se aplica posteriormente), a primeira fileira de rosca está no lado interno, e a segunda fileira de rosca está no lado externo. A parte de rebaixo de torque é fornecida no limite da primeira fileira de rosca e segunda fileira de rosca, e isso é referido como rebaixo intermediário. Se esse rebaixo intermediário for fornecido, visto que as superfícies de rebaixo do pino e da caixa entram em contato um com o outro no momento do aperto, um torque de aperto é aumentado. Portanto, é possível se observar o torque de aperto para verificar se as roscas fêmea e macho foram encaixadas adequadamente com as superfícies de vedação.
[009] Em uma junta integral possuindo o rebaixo intermediário, quando duas partes de vedação de metal com metal são fornecidas na direção axial, uma das duas partes de vedação de metal com metal forma a superfície de vedação radial interna. A outra parte de vedação de metal com metal é fornecida na superfície periférica externa da parte não rosqueada contínua com a extremidade traseira da segunda fileira rosqueada do pino (referida como superfície não rosqueada de lado de extremidade traseira de pino para fins de conveniência), e na superfície periférica interna da parte não rosqueada contínua com a extremidade dianteira da segunda fileira rosqueada da caixa (referida como superfície não rosqueada de lado de extremidade dianteiro da caixa, por motivos de conveniência). Quando da criação da junta, a parte de vedação de metal com metal da superfície não rosqueada do lado de extremidade traseira de pino e parte de vedação de metal com metal da superfície não rosqueada de lado de extremidade dianteira da caixa entram em contato uma com a outra na direção radial, e essa parte de vedação de metal com metal forma uma superfície de vedação (referida como superfície de vedação radial externa por motivos de conveniência) que impede que o fluido fora do tubo entre na região da rosca cônica.
[010] Uma junta rosqueada para tubos (junta de tubo rosqueada) descrita na Literatura de Patente 1 é ilustrada na figura 5, como um exemplo de técnica convencional de uma junta integral possuindo o rebaixo intermediário. O objetivo da invenção descrito na Literatura de Patente 1 é produzir uma junta rosqueada para tubos que mantenha a rigidez adequada e que seja fornecida com uma vedação aperfeiçoada, para aperfeiçoar a resistência estrutural (característica) da junta a uma carga alta, especificamente uma carga de compressão, e para evitar que a característica afete a função de vedação. Na invenção descrita na Literatura de Patente 1, uma seção de reforço projetada a partir da parte de vedação de metal com metal da superfície não rosqueada do lado de extremidade dianteira da caixa para a extremidade mais dianteira da caixa é fornecida, o comprimento, ou o comprimento e a espessura de parede dessa seção de reforço são regulados, e o comprimento total da seção de reforço da caixa é impedido de entrar em contato com o tubo do lado de extremidade traseira do pino oposto (parte de corpo de tubo). Lista de Citação Literatura de Patente Literatura de Patente 1: Patente Japonesa No. 5232475 Sumário da Invenção Problema Técnico
[011] No entanto, existe um problema que não pode ser solucionado pela técnica convencional, como descrito abaixo.
[012] Em um tubo de poço de petróleo em um estado no qual uma pluralidade de tubos possuindo partes de junta (a parte em formato macho e a parte em formato fêmea são coletivamente referidas como parte de junta) é conectada em série com as partes de junta e instalada em um poço, quanto mais próximo do solo um tubo está, maior a carga de tração aplicada à parte de junta do tubo. Em termos de resistência, a prevenção da quebra por fadiga ou fratura por tração da parte de junta é um dos desempenhos importantes da junta. A eficiência da junta geralmente utilizada como um índice para avaliação da carga limite de tração de uma junta é fornecida pela seguinte equação: Eficiência de junta - [área de seção transversal crítica na região de rosca fêmea/área transversal nominal da parte de corpo de tubo] x 100 (%).
[013] Aqui, seção transversal crítica significa uma seção transversal perpendicular ao eixo geométrico do tubo que apresenta maior suscetibilidade à fratura em um estado no qual uma carga de tração é aplicada à junta. A área transversal nominal da parte de corpo de tubo significa uma seção transversal perpendicular ao eixo geométrico do tubo de um cilindro possuindo um diâmetro externo e uma espessura de parede iguais ao diâmetro externo nominal e espessura de parede nominal da parte de corpo principal, que é um tubo possuindo juntas das quais as juntas são removidas. Quanto maior o valor da eficiência de junta, maior o desempenho do limite de tração da junta.
[014] Uma seção transversal localizada no flanco de carga da primeira rosca na região de rosca do lado de rosca fêmea é adotada como a seção transversal crítica, e uma junta é projetada de modo a fraturar na seção transversal crítica em um teste de carga de tração. Quando a fratura ocorre em outra seção transversal além da seção transversal crítica, a carga de tração no momento da fratura não alcança a carga de limite de tração, e a carga de limite de tração não pode ser avaliada corretamente.
[015] No caso de uma junta integral na qual as regiões de rosca cônica fêmea e macho não são divididas em duas e que não possui um rebaixo intermediário, as fraturas de junta como esperado na seção transversal crítica em um teste de carga de tração, e carga de limite de tração podem ser avaliadas corretamente. No entanto, no caso de uma junta integral possuindo um rebaixo intermediário, existem exemplos nos quais a junta sofre uma fratura inesperadamente em uma seção transversal diferente da seção transversal crítica em um teste de carga de tração, e a carga de limite de tensão não pode ser avaliada corretamente. Isso é um problema.
[016] No caso de uma junta integral possuindo um rebaixo intermediário, como com uma junta que não possui qualquer rebaixo intermediário, a seção transversal crítica é normalmente localizada no lado de rosca fêmea, no lado de rosca fêmea da primeira parte de rosca da primeira fileira de rosca. No entanto, no caso de uma junta integral possuindo um rebaixo intermediário, a localização na qual a fratura de fato ocorre é diferente do local da seção transversal crítica normal esperada e é no lado de rosca fêmea da primeira parte de rosca da segunda fileira de rosca perto do rebaixo intermediário. Aqui, a n-ésima parte de rosca da primeira ou segunda fileira de rosca significa a n-ésima seção axial da extremidade dianteira de um cone formando uma rosca cônica na primeira ou segunda fileira de rosca onde a rosca cria um circuito ao longo do hélice da rosca. A primeira parte rosqueada é o caso onde n = 1.
[017] Em vista do problema acima, é um objetivo da presente invenção se fornecer uma junta de tubo rosqueada que seja de um tipo integral com um rebaixo intermediário e que seja de um tipo de vedação radial, onde sob uma carga de tração, a fratura no lado de rosca fêmea perto do rebaixo intermediário (particularmente a primeira parte de rosca da segunda fileira de rosca contínua com o rebaixo intermediário) é evitada, e a fratura de tração certamente ocorre no lado de rosca fêmea da primeira parte de rosca da primeira fileira de rosca, que é a localização da seção transversal crítica normal.
[018] Os inventores levaram muito em consideração um formato de rosca adequado utilizando FEA (análise de elementos finitos) a fim de solucionar o problema acima. Como resultado disso, uma descoberta foi feita de que uma estrutura tal que, quando esticada, não apresenta fratura no lado da rosca fêmea da primeira parte de rosca da segunda fileira de rosca contínua com o rebaixo intermediário, e a fratura certamente ocorre no lado de rosca fêmea da primeira parte de rosca da primeira fileira de rosca, que é a seção transversal crítica normal esperada, e quando comprimida, a carga é compartilhada basicamente pelo rebaixo intermediário, possa ser alcançada pelo controle adequado do espaço de rosca axial, e a presente invenção foi criada. Isso é, a presente invenção é como segue: [1] Uma junta de tubo rosqueada incluindo: um pino que possui uma rosca macho que é uma rosca cônica macho em uma extremidade de um tubo; e uma caixa possuindo uma rosca fêmea que é uma rosca cônica fêmea engatada de forma rosqueada com a rosca macho na outra extremidade do tubo, a junta de tubo rosqueada sendo de um tipo integral que conecta diretamente os tubos com o pino e a caixa, a junta de tubo rosqueada possuindo uma estrutura de vedação radial na qual o pino e a caixa estão em contato de metal com metal um com o outro na direção radial para vedar o fluido, a junta de tubo rosqueada incluindo adicionalmente: um rebaixo intermediário formado no meio da fileira de rosca das roscas cônicas fêmea e macho; onde, sob uma condição na qual as roscas fêmea e macho do rebaixo intermediário são engatadas de forma rosqueada uma à outra, o espaço de rosca do lado de flanco de carga L1G de uma primeira fileira de rosca que é a fileira de rosca no lado radialmente interno e o espaço de rosca de lado de flanco de carga L2G de uma segunda fileira de rosca que é a fileira de rosca no lado radialmente externo, com o rebaixo intermediário intercalado entre a primeira fileira de rosca e a segunda fileira de rosca, sempre satisfaça a relação L1G < L2G. [2] A junta de tubo rosqueada de acordo com [1], na qual, o passo de rosca fêmea e macho da primeira fileira de rosca e segunda fileira de rosca é determinada como um passo de rosca padrão p, e o espaço de rosca de lado de flanco de carga L1Gm da parte rosqueada da primeira fileira de rosca mais próxima ao rebaixo intermediário e o espaço de rosca de lado de flanco de carga L2G1 da parte rosqueada da segunda fileira de rosca mais próxima do rebaixo intermediário são determinadas de modo que L1Gm < L2G1 sob uma condição na qual as roscas fêmea e macho do rebaixo intermediário são engatadas de forma rosqueada uma com a outra. [3] A junta de tubo rosqueada de acordo com [2], na qual o passo de rosca fêmea a partir da primeira parte de rosca radialmente mais interna para pelo menos a terceira parte de rosca da primeira fileira de rosca é definido para ter um passo longo pl que satisfaz a seguinte expressão (1) em vez de o passo de rosca padrão p: p < pl < p x {1 + (Fw - Mw)/d1} ... (1), onde p é o passo de rosca padrão, pl é o passo longo, Fw é a largura axial da raiz da rosca fêmea, Mw é a largura axial da crista de rosca fêmea, d1 é o comprimento da rosca fêmea da primeira fileira de roscas. [4] A junta de tubo rosqueada de acordo com [2] ou [3], na qual o passo de rosca fêmea a partir da primeira parte de rosca radialmente mais interna para pelo menos a terceira parte de rosca da segunda fileira de rosca é determinada como um passo curto ps que satisfaz a expressão a seguir (2) em vez do passo de rosca padrão p: p x {1 - (Fw - Mw)/d2} <ps< p ... (2), Onde p é o passo de rosca padrão; ps é o passo curto; Fw é a largura axial da raíz da rosca da rosca fêmea; Mw é a largura axial da crista de rosca da rosca macho; e d2 é o comprimento de rosca fêmea da segunda fileira de rosca.
[019] De acordo com a presente invenção, quando uma carga de tensão é aplicada à junta, o contato de superfície de flanco de carga ocorre primeiro na primeira fileira de roscas, e a primeira fileira de roscas compartilha a carga de tração. Portanto, quando o contato de superfície de flanco de carga ocorre, então, na segunda fileira de roscas, todas as partes de rosca da junta compartilham a carga de tração. Como resultado disso, a junta certamente fratura na seção transversal crítica normal.
[020] A figura 1 é uma vista esquemática de uma seção axial de uma junta ilustrando um exemplo de uma modalidade da presente invenção.
[021] A figura 2 é uma vista esquemática de uma seção axial da primeira fileira de roscas quando as roscas fêmea e macho do rebaixo intermediário estão em contato uma com a outra, ilustrando um exemplo dos meios [3].
[022] A figura 3 é uma vista esquemática de uma seção axial da segunda fileira de roscas quando as roscas fêmea e macho do rebaixo intermediário estão em contato uma com a outra, ilustrando um exemplo dos meios [4].
[023] A figura 4 é um gráfico ilustrando a comparação entre a força de reação axial agindo na superfície de flanco de carga de cada parte de rosca sob uma carga de tração após a criação analisada pela FEA em (a) exemplo convencional e (b) exemplo da invenção atual.
[024] A figura 5 é uma vista esquemática de uma seção axial ilustrando um exemplo de uma junta integral convencional.
[025] A figura 1 é uma vista esquemática de uma seção axial (seção em uma direção paralela ao eixo geométrico) de uma junta ilustrando um exemplo de uma modalidade da presente invenção. Esse exemplo é um estado no qual dois tubos cujos corpos principais de tubo (partes de corpo de tubo) 1 e 1A possuem uma espessura de parede WT são conectados um ao outro. Ambos os tubos possuem, cada um, um pino 2 possuindo uma rosca macho que é uma rosca cônica macho em uma extremidade do tubo, e uma caixa 3 possuindo uma rosca fêmea que é uma rosca cônica fêmea engatada de forma rosqueada à rosca macho na outra extremidade do tubo. O pino 2 e a caixa 3 formam uma junta tipo integral na qual a rosca macho do pino 2 e a rosca fêmea da caixa 3 são engatadas de forma rosqueada uma à outra para conectar diretamente ambos os tubos 1 e 1A. O pino 2 e a caixa 3 são formados pelo espessamento de ambas as partes de extremidade do corpo principal de tubo, realizando o corte da rosca de superfície externa e o corte da superfície externa sem roscas na parte espessada que se tornará o pino 2, e realizando o corte de rosca de superfície interna e o corte da superfície externa sem roscas na parte espessada que se tornará a caixa 3. Essa junta também é uma junta tipo vedação radial na qual o pino 2 e a caixa 3 entram em contato de metal com metal um com o outro na direção radial para vedar o fluido. Na modalidade da figura 1, duas partes de vedação de metal com metal que vedam o fluido pelo contato de metal com metal (doravante simplesmente referido como partes de vedação) são fornecidas na direção axial. Uma das mesmas é uma parte de vedação 4 fornecida no bico do lado de extremidade dianteira de pino e o furo de bico no lado de extremidade traseira da caixa. A outra é uma parte de vedação 4A fornecida na superfície não rosqueada no lado de extremidade traseira de pino e superfície não rosqueada no lado de extremidade dianteira da caixa.
[026] Essa junta possui um rebaixo intermediário C no meio da fileira de roscas das roscas cônicas fêmea e macho. Juntas integrais possuindo um rebaixo intermediário incluem um tipo nivelado e um tipo seminivelado. O tipo seminivelado significa uma junta de modo que uma rosca fêmea formada projetando-se a extremidade de tubo de lado de rosca fêmea radialmente para fora pelo processamento de expansão, e rosqueando a mesma, e uma rosca macho formada pela projeção radialmente interna da extremidade de tubo do lado de rosca macho por um processo de redução de diâmetro e rosqueando a mesma, são encaixadas juntas. O tipo nivelado significa uma junta de modo que uma rosca fêmea seja formada em uma extremidade e uma rosca macho seja formada na outra extremidade sem expansão e processamento de redução de diâmetro, e as mesmas são encaixadas. A presente invenção pode ser aplicada a ambos o tipo nivelado e o tipo seminivelado.
[027] Nessa junta, sob uma condição na qual as roscas fêmea e macho do rebaixo intermediário C são engatadas de forma rosqueada uma à outra, isso é, em um estado no qual as superfícies axialmente opostas do rebaixo intermediário C no lado do pino 2 e rebaixo intermediário C no lado da caixa 3 estão em contato um com o outro, o espaço de rosca de lado de flanco de carga L1G da primeira fileira de rosca A que é a fileira de roscas no lado radialmente interno, e o espaço de rosca no lado de flanco de carga L2G da segunda fileira de rosca B que é a fileira de roscas no lado radialmente externo, com o rebaixo intermediário C intercalado entre as fileiras de roscas A, e, sempre satisfaz a relação L1G<L2G. Isso é, os espaços de roscas são configurados de modo que quando os espaços de rosca do lado de flanco de carga da primeira parte de rosca radialmente mais interna A1 para a m-ésima parte de rosca radialmente mais externa Am na primeira fileira de rosca A são denotados por L1Gi (i = 1, 2, ..., m) em ordem, e os espaços de rosca de lado de flanco de carga da primeira parte de rosca radialmente mais interna B1 para a n-ésima parte de rosca radialmente mais externa Bn na segunda fileira de rosca B são denotados por L2Gj (j = 1, 2,...,m), a relação L1Gi < L2Gj é sempre satisfeita apesar de haver uma variação dentro da faixa de tolerância.
[028] Dessa forma, quando uma carga de tensão age na junta, o contato fêmea-macho do flanco de carga ocorre primeiro na primeira fileira de rosca A, e a primeira fileira de rosca A compartilha a carga de tração. Portanto, quando o contato fêmea-macho do flanco de carga ocorre, então, na segunda fileira de roscas B, todas as partes rosqueadas da junta compartilham a carga de tração.
[029] De forma convencional, no momento de uma carga de tração, o contato fêmea-macho do flanco de carga ocorre na segunda fileira rosqueada B antes de o contato fêmea-macho do flanco de carga ocorrer na primeira fileira de rosca A, e a fratura pode ocorrer em uma seção transversal CCS2 no lado de rosca fêmea da primeira parte rosqueada B1 da segunda fileira de roscas B. Em contraste, na presente invenção, o contato fêmea-macho do flanco de carga ocorre na primeira fileira de roscas A antes de o contato fêmea-macho do flanco de carga ocorrer na segunda fileira de roscas B. Portanto, a fratura não ocorre na seção transversal CCS2, e a fratura certamente ocorre em uma seção transversal CCS1 no lado de rosca fêmea da primeira parte de rosca A1 da primeira fileira de roscas A, que é a seção transversal crítica normal esperada.
[030] A presente invenção descrita em [2], [3] e [4] (referidos por meio de [2], [3] e [4] por motivos de conveniência) são, cada um, meios para configurar os espaços de rosca de modo que a relação L1Gi < L2Gj seja sempre mantida na presente invenção descrita em [1] (referido como meios [1] por motivos de conveniência). Os mesmos serão descritos abaixo.
[031] Nos meios [2], nos meios [1], o passo de roscas fêmea e macho da primeira fileira de roscas A e da segunda fileira de roscas B é determinada para um passo de rosca padrão p. Adicionalmente, nos meios [2], o espaço de roscas de lado de flanco de carga L1Gm da parte rosqueada da primeira fileira de roscas A mais próxima do rebaixo intermediário C e o espalho de rosca de lado de flanco de carga L2G1 da parte de roscas da segunda fileira de rosca B mais próxima do rebaixo intermediário C são configurados de modo que L1Gm < L2G1 quando as roscas macho e fêmea do rebaixo intermediário C estão em contato uma com a outra. Visto que o passo de roscas macho e fêmea de cada uma dentre a primeira fileira de rosca A e a segunda fileira de rosca B é um passo padrão p, o espaço de rosca de lado de flanco de carga L1Gi (i = 1, ..., m) de cada parte de rosca na primeira fileira de rosca A é igual a L1Gm, e o espaço de rosca de lado de flanco de carga L2Gj (j = 1, ..., n) de cada parte de rosca na segunda fileira de rosca B é igual a L2G1. Portanto, a relação L1Gi < L2Gj é satisfeita.
[032] A seguir, nos meios [3], nos meios [2], o passo de rosca fêmea a partir da primeira parte de rosca A1 para pelo menos a terceira parte de rosca A3 da primeira fileira de rosca A é configurada para um passo longo pl que satisfaz a expressão a seguir (1) em vez do passo de rosca padrão p. Exceto por tal mudança no passo de rosca, os meios [3] são iguais aos meios [2].
[033] p < pl < p x {1 + (Fw - Mw) / d1} ... (1) onde p o passo de rosca padrão, pl é o passo longo, Fw é a largura axial da raíz da rosca da rosca fêmea, Mw é a largura axial da crista de rosca da rosca macho, e d1 é o comprimento de rosca fêmea da primeira fileira de roscas.
[034] Um exemplo dos meios [3] é ilustrado na figura 2. Nesse exemplo, o passo de rosca fêmea de todas as partes de rosca na primeira fileira de rosca A é configurada para o passo longo pl. Exceto por isso, esse exemplo é o mesmo que os meios [2]. A figura 2 ilustra as partes de rosca A (k) e A (k+1) quando i = k e k + 1 na Ai-ésima parte de rosca na primeira fileira de rosca A e seus espaços de rosca de lado de flanco de carga respectivos L1G (k) e L1G (k + 1). Como ilustrado, em adição a L1G (k) < L2Gj e L1G (k + 1) < L2Gj, L1G (k) = L1G (k + 1) - (pl - p). Visto que pl > p, L1Gi é reduzido por (pl - p) cada vez que a parte de rosca Ai se aproxima do lado de extremidade dianteiro do pino por um passo (i é reduzido por 1), e, como resultado disso, L1G1 é a menor de todas as porções de rosca. Portanto, no momento de uma carga de tração, uma tensão trativa e deformação relativamente altas são geradas na primeira parte de rosca A1 da primeira fileira de rosca A, e, consequentemente, a fratura ocorre mais certamente não na seção cruzada CCS2 do lado de rosca fêmea da primeira parte de rosca B1 da segunda fileira de rosca B, mas na seção transversal crítica normal esperada CCS1.
[035] No entanto, o total (pl - p) de todo Ai (i = 1, ..., m) não deve exceder a quantidade projetada de espaço (Fw - Mw), e, portanto (pl - p) x m < Fw - Mw. Por outro lado, m = d1/p, e, portanto, pl precisa satisfazer a parte direita da inequação de expressão (1), pl < p x {1 + (Fw - Mw)/d1}.
[036] No exemplo da figura 2, o passo de rosca fêmea de todas as partes de rosca na primeira fileira de roscas A é definido para o passo longo pl. No entanto, a presente invenção não está limitada a isso. Mesmo quando o passo de rosca fêmea da primeira parte de rosca A1 para "pelo menos a terceira parte de rosca A3" ("qualquer um dentre A (3) até A (m-1)") é definido como o passo longo pl, pode ser obtido o efeito vantajoso de a seção transversal CCS1 ser certamente a seção transversal crítica.
[037] A seguir, nos meios [4], com base nos meios [2] ou meios [3], o passo de rosca fêmea a partir da primeira parte de rosca B1 para pelo menos a terceira parte de rosca B3 da segunda fileira de rosca B é definido como um passo curto ps que satisfaz a seguinte expressão (2) em vez do passo de rosca padrão p. Exceto por tal mudança no passo de rosca, os meios [4] são iguais aos meios [2] ou meios [3] nos quais os meios [4] são baseados.
[038] p x {1 - (Fw - Mw) / d2} < ps < p ... (2) onde p é o passo de rosca padrão, ps é o passo curto, Fw é a largura axial da raíz da rosca da rosca fêmea, Mw é a largura axial da crista de rosca da rosca macho, e d2 é o comprimento de rosca fêmea da segunda fileira de roscas.
[039] Um exemplo dos meios [4] é ilustrado na figura 3. Nesse exemplo, com base nos meios [3], o passo de rosca fêmea de todas as partes de rosca na segunda fileira de roscas B é definido como o passo curto ps. Exceto por isso, esse exemplo é igual aos meios [3]. A figura 3 ilustra as partes de rosca B (k) e B (k + 1) quando j = k e k + 1 na Bj-ésima parte de rosca na segunda fileira de rosca B, e seus espaços de rosca de lado de flanco de carga respectivos L2G (k) e L2G (k + 1). Como ilustrado, em adição a L2G (k) > L1Gi e L2G (k + 1) > L1Gi, L2G (k) = L2G (k + 1) + (p - ps). Visto que ps < p, L2Gj é aumentado em (p - ps) cada vez que a parte de rosca Bj se aproxima do lado do rebaixo intermediário C por um passo (j é reduzido por 1), e como resultado disso, L2G1 é a maior de todas as partes de rosca. Portanto, no momento de uma carga de tração, um desgaste de tensão relativamente baixo é gerado na primeira parte de rosca B1 da segunda fileira de rosca B, e como resultado disso, a possibilidade de fratura na seção transversal CCS2 é menor.
[040] No entanto, o total (p - ps) de todos os Bj (j = 1, ..., n) não deve exceder a quantidade projetada de espaço (Fw - Mw), e, portanto, (p - ps) x n < Fw - Mw. Por outro lado, n = d2/p, e, portanto, ps precisa satisfazer a parte esquerda da inequação de expressão (2), ps > p x {1 - (Fw - Mw)/d2).
[041] No exemplo da figura 3, o passo de rosca fêmea de todas as partes de rosca na segunda fileira de roscas B é definido como o passo curto ps. No entanto, a presente invenção não está limitada a isso. Mesmo quando o passo de rosca fêmea a partir da primeira parte de rosca B1 para “pelo menos a terceira parte de rosca B3" ("qualquer um dentre B(3) a B(n-1)") é definido como o passo curto ps, pode ser obtido o efeito vantajoso de a fratura na seção transversal CCS2 ser certamente evitada. Apesar de o exemplo da figura 3 ser baseado nos meios [3], o mesmo efeito vantajoso é obtido também no caso com base nos meios [2].
[042] Na presente invenção, a fim de se alcançar a eficiência da junta de 80% ou mais, a altura Ch do rebaixo intermediário C (ver figura 1) é preferivelmente de 10% ou menos da espessura de parede WT dos corpos principais de tubo 1 e 1A, e mais preferivelmente 8% ou menos. Por outro lado, se a altura Ch for inferior a 3% da espessura de parede WT, é difícil se exibir o efeito do rebaixo intermediário C como um apoio, e, portanto, a altura Ch é preferivelmente de 3% ou mais a espessura de parede WT, e mais preferivelmente 5% ou mais.
[043] No desenho de um poço real, um fator de segurança é aplicado à resistência estrutural contra estiramento correspondendo à eficiência da junta da junta de tubo rosqueada, e, portanto, a fratura por tração não ocorre na junta imediatamente. Por outro lado, existe um caso no qual apesar de a carga de tração ser pequena, uma carga de compressão age devido ao desgaste de perfuração ou térmico, e existe um risco de a quebra por fadiga ocorrer devido ao estiramento/compressão repetidos nas partes de rosca.
[044] Nesse caso, visto que na presente invenção, o rebaixo intermediário C é fornecido, a carga de compressão é recebida basicamente pelo rebaixo intermediário C. Como resultado disso, a faixa de tensão e deformação repetidos decorrentes de carregamentos repetidos de estiramento e compressão de nas partes de rosca é reduzida, e o risco de quebra por fatiga também pode ser reduzido.
[045] Quando um rebaixo (não ilustrado) é fornecido em cada extremidade de modo a estar adjacente à parte de vedação 4, 4A, no momento de carregamentos de estiramento/compressão repetidos, a deformação atinge não apenas esses rebaixos, mas também as partes de veação 4 e 4A, e existe um risco de a capacidade de vedação ser reduzida. Logo, a junta integral de acordo com a presente invenção possui uma estrutura de modo que as partes de vedação 4 e 4A no lado interno e lado externo sejam do tipo de vedação radial no qual o pino 2 e a caixa 3 estão radialmente em contato de metal com metal um com o outro em uma faixa relativamente longa para vedar o fluido, e as faces de extremidade das partes de vedação 4 e 4A não estão em contato na direção axial.
[046] Na presente invenção, se o ângulo de flanco de ataque é positivo ou negativo, e se o ângulo de flanco de carga é positivo, negativo ou quadrado, os efeitos vantajosos da presente invenção são substancialmente iguais. Descobriu- se também que quando a condição de o ângulo de flanco de ataque for de 10 graus a 30 graus e o ângulo de flanco de carga for -10 graus a 0 graus é satisfeita, os efeitos vantajosos da presente invenção podem ser obtidos independentemente do formato detalhado das partes de vedação.
[047] Em ambos o lado de flanco de ataque e o lado de flanco de carga, um caso no qual o contorno reto de cada lado na seção axial é paralelo a uma linha perpendicular à direção axial é referido como quadrado, e o ângulo de flanco é de 0 grau. Por outro lado, em um caso no qual não é paralelo, o ângulo de flanco é definido como o ângulo agudo dentre os ângulos formados pelo contorno reto em cada um dentre o lado de flanco de ataque e lado de flanco de carga da crista de rosca e uma linha perpendicular à direção axial. A convenção de sinais utilizada aqui é tal que o ângulo de flanco é positivo quando o ponto de interseção entre uma linha perpendicular à direção axial disposta no meio na direção axial do cume da rosca e a linha estendida do contorno reto é localizada no lado radialmente externo do cume da rosca, e o ângulo de flanco é negativo quando esse ponto de interseção está localizado no lado radialmente interno do cume da rosca.
[048] Um exemplo convencional foi tal que, em uma junta integral possuindo um rebaixo intermediário C ilustrado na figura 1, a eficiência de junta foi de 80%, o número de roscas macho da primeira fileira de rosca A e o número de roscas macho da segunda fileira de roscas B foram ambos 10, o passo de rosca da rosca fêmea e o passo de rosca da rosca macho foram ambos o passo padrão p, a altura Ch do rebaixo intermediário C foi de 8% da espessura de parede WT dos corpos principais de tubo 1 e 1A, e quando as roscas fêmea e macho do rebaixo intermediário C estiveram em contato uma com a outra, a relação entre o espaço de rosca de lado de flanco de carga L1Gi (i = 1, ..., 10) de cada parte de rosca Ai da primeira fileira de rosca A e o espaço de rosca de lado de flanco de carga L2Gj (j = 1, ..., 10) de cada parte de rosca Bj da segunda fileira de rosca B foi tal que L1Gi = L2Gj, o ângulo de flanco de carga foi de -5, e o ângulo de flanco de ataque foi de 10 graus. Os corpos principais de tubo 1 e 1A são tubos de aço sem costura possuindo um diâmetro externo de 9,625 polegadas (244,475 mm) e uma espessura de parede WT de 0,545 polegadas (13,843 mm).
[049] O exemplo da presente invenção foi tal que, no exemplo convencional acima, de acordo com os meios [4] com base nos meios [3], L1G10 < L2G1 quando as roscas fêmea e macho do rebaixo intermediário C estiveram em contato uma com a outra, o passo de rosca fêmea de todas as partes de rosca da primeira fileira de rosca A foi definido como o passo longo pl satisfazendo a expressão (1) em vez do passo de rosca padrão p, o passo de rosca fêmea de todas as partes rosqueadas da segunda fileira de rosca B foi definido como o passo curto ps satisfazendo a expressão (2) em vez do passo de rosca padrão p, e uma mudança da condição de relação L1Gi = L2Gj para a condição de relação L1Gi < L2Gj foi criada dessa forma, e exceto por isso, o exemplo da presente invenção foi o mesmo que o exemplo convencional.
[050] A figura 4 é um gráfico ilustrando o resultado da análise por FEA da força de reação axial para a superfície de flanco de carga de cada parte de rosca sob uma carga de tração depois da criação (a) de exemplo convencional e (b) do exemplo da presente invenção. Como ilustrado, no exemplo convencional, a força de reação axial é maior na primeira parte de rosca (rosca B1) da segunda fileira de roscas B e no exemplo da presente invenção, a força de reação axial é maior na primeira parte de rosca (rosca A1) da primeira fileira de rosca A.
[051] Em um teste de carga de tração real, o resultado do qual condiz com o resultado da análise acima, o exemplo convencional sofreu fratura por tração na seção transversal de lado da caixa da rosca B1 (seção transversal diferente da seção transversal crítica normal), e a carga de tensão limite não pode ser avaliada corretamente. Por outro lado, o exemplo da presente invenção sofreu fratura por tração na seção transversal de lado da caixa da rosca A1 (a seção transversal crítica normal), e a carga de tensão limite pode ser avaliada corretamente. Lista de Sinais de Referência 1 , 1A corpo principal de tubo (parte de corpo de tubo) 2 pino 3 caixa 4 , 4A parte de vedação (especificamente, parte de vedação de metal com metal) A primeira fileira de roscas B segunda fileira de roscas C rebaixo intermediário
Claims (4)
1. Junta de tubo rosqueada, compreendendo: um pino (2) possuindo uma rosca macho que é uma rosca cônica macho em uma extremidade de um tubo; e uma caixa (3) possuindo uma rosca fêmea que é uma rosca cônica fêmea engatada de forma rosqueada com a rosca macho na outra extremidade do tubo, a junta de tubo rosqueada sendo de um tipo integral que conecta diretamente os tubos com o pino (2) e a caixa (3), a junta de tubo rosqueada possuindo uma estrutura de vedação radial (4, 4A) na qual o pino (2) e a caixa (3) estão em contato de metal com metal um com o outro na direção radial para vedar fluido, a junta de tubo rosqueada compreendendo adicionalmente: um rebaixo intermediário (C) formado no meio da fileira de rosca das roscas cônicas fêmea e macho, caracterizada pelo fato de que sob uma condição na qual as roscas fêmea e macho do rebaixo intermediário (C) são engatadas de forma rosqueada uma a outra, o espaço de rosca de lado de flanco de carga L1G de uma primeira fileira de rosca (A) que é a fileira de rosca no lado radialmente interno e o espaço de rosca de lado de flanco de carga L2G de uma segunda fileira de rosca (B) que é a fileira de rosca no lado radialmente externo, com o rebaixo intermediário (C) intercalado entre a primeira fileira de rosca (A) e a segunda fileira de rosca (B), sempre satisfaz a relação L1G < L2G.
2. Junta de tubo rosqueada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o passo das roscas fêmea e macho da primeira fileira de rosca (A) e a segunda fileira de rosca (B) são configurados para um passo de rosca padrão p, e o espaço de rosca de lado de flanco de carga L1Gm da parte de rosca da primeira fileira de rosca (A) mais próxima do rebaixo intermediário (C) e o espaço de rosca de lado de flanco de carga L2G1 da parte de rosca da segunda fileira de rosca (B) mais próxima do rebaixo intermediário (C) são configuradas de modo que L1Gm < L2G1 sob uma condição na qual as roscas fêmea e macho do rebaixo intermediário (C) são engatadas de forma rosqueada uma à outra.
3. Junta de tubo rosqueada, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o passo de rosca fêmea a partir da primeira parte de rosca radialmente mais interna para pelo menos a terceira parte de rosca da primeira fileira de rosca (A) é configurado para um passo longo pl que satisfaz a expressão a seguir (1) em vez do passo de rosca padrão p: p < pl < p x {1 + (Fw - Mw) / d1} (1), onde p é o passo de rosca padrão, pl é o passo longo, Fw é a largura axial da raíz da rosca da rosca fêmea, Mw é a largura axial da crista de rosca da rosca macho, e d1 é o comprimento de rosca fêmea da primeira fileira de rosca (A).
4. Junta de tubo rosqueada, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizada pelo fato de que o passo de rosca fêmea a partir da primeira parte de rosca radialmente mais interna para pelo menos a terceira parte de rosca da segunda fileira de rosca (B) é configurado para um passo curto ps que satisfaz a seguinte expressão (2) em vez do passo de rosca padrão p: p x {1 - (Fw - Mw) / d2} < ps < p (2), onde p é o passo de rosca padrão; ps é o passo curto; Fw é a largura axial da raíz da rosca da rosca fêmea; Mw é a largura axial da crista de rosca da rosca macho; e d2 é o comprimento de rosca fêmea da segunda fileira de rosca (B).
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