BR112019016894B1

BR112019016894B1 - Conexão roscada para poço de petróleo

Info

Publication number: BR112019016894B1
Application number: BR112019016894-0A
Authority: BR
Inventors: Keita INOSE; Masaaki Sugino; Takashi Okada
Original assignee: Nippon Steel Corporation; Vallourec Oil And Gas France
Priority date: 2017-03-08
Filing date: 2018-02-21
Publication date: 2023-02-14
Also published as: US20190383106A1; EP3594548A1; CN110312885B; EP3594548A4; WO2018163829A1; AU2018231464A1; CA3053744C; AU2018231464B2; EA201991645A1; UA122041C2; EP3594548B1; MX2019009776A; CA3053744A1; US11142960B2; CN110312885A; JP6663536B2; JPWO2018163829A1; EA036471B1; PL3594548T3; BR112019016894A2

Abstract

É proporcionado alto desempenho de vedação em uma conexão roscada usada para tubos de poços de petróleo com grande espessura de parede e com uma eficiência de conexão menor que 1. Uma conexão roscada (10) para conectar tubos para um poço de petróleo (1). A conexão roscada (10) inclui dois pinos (11) e um acoplamento tubular. Cada um dos pinos (11) é proporcionado em uma extremidade do tubo para poços de petróleo (1) e está em continuidade com o corpo do tubo (12), que possui uma espessura de parede não inferior a 12 mm. O acoplamento (2) inclui duas caixas (21) e uma parte rebaixada (22). A caixa (21) é fornecida em ambas as extremidades do acoplamento (2). A porção rebaixada (22) tem um comprimento não inferior a 10 mm. A conexão roscada (10) tem uma eficiência de conexão menor que 1. Quando a espessura da parede do corpo do tubo (12) é expressa como ttubo, a espessura da parede e o comprimento da porção rebaixada (22) são expressos como t1 e 2 XLI, respectivamente, e o comprimento de cada uma das caixas (21), é expresso como L2, e se as seguintes expressões (1) e (2) definem T e L, então, T e L satisfazem a seguinte expressão (3):

Description

CAMPO TÉCNICO

[0001] A presente divulgação refere-se a uma conexão roscada e, mais particularmente, a uma conexão roscada conectar tubos em um poço de petróleo por meio de um acoplamento tubular.

FUNDAMENTOS DA TÉCNICA

[0002] Em poços de petróleo ou poços de gás natural (doravante mencionados coletivamente como “poços de petróleo” ou similares), por exemplo, são usados tubos de aço chamados de tubos para poços de petróleo. Os tubos para poços de petróleo são conectados uns aos outros por meio de conexões roscadas e são colocados em poços de petróleo.

[0003] Tais conexões roscadas são geralmente categorizadas como conexões tipo integral e conexões tipo acoplamento. Uma conexão tipo integral conecta diretamente os tubos para poços de petróleo. Mais especificamente, uma rosca fêmea é fornecida na periferia interna de uma extremidade do tubo para poços de petróleo e uma rosca macho é fornecida na periferia externa de uma extremidade do tubo para poços de petróleo, e a rosca macho de um tubo para poços de petróleo é roscada no rosca fêmea de outro tubo para poços de petróleo, de tal modo que os tubos para poços de petróleo são conectados. Uma conexão tipo acoplamento conecta os tubos para poços de petróleo usando um acoplamento. Mais especificamente, as roscas fêmeas são fornecidas nas periferias internas de ambas as extremidades de um acoplamento e uma rosca fêmea é fornecida sobre a periferia externa de uma extremidade do tubo para poços de petróleo, e a rosca macho é roscada na rosca fêmea associada do acoplamento de forma que os tubos para poços de petróleo são conectados.

[0004] A porção de extremidade do tubo para poços de petróleo na qual uma rosca macho é fornecida inclui um elemento a ser inserido em uma rosca fêmea e, portanto, é usualmente mencionado como “pino”. A porção de extremidade do tubo para poços de petróleo ou acoplamento na qual uma rosca fêmea é fornecida inclui um elemento para receber uma rosca macho e, portanto, é mencionada como "caixa".

[0005] Nos últimos anos, os poços de petróleo se tornaram mais e mais profundos. Normalmente, os tubos para poços de petróleo com grande espessura de parede e, portanto, com alta resistência à pressão são utilizados em poços profundos. Uma conexão roscada para conectar os tubos para poços de óleo com grandes espessuras de parede não só precisa ter alta resistência e alto desempenho de vedação, mas também está sujeita a restrições rígidas nas dimensões de diâmetro externo para permitir que múltiplos tubos para poços de petróleo sejam colocados dentro um do outro.

[0006] Para reduzir as dimensões de diâmetro externo de uma conexão, a espessura da parede de pelo menos um dos pinos e da caixa pode ser reduzida. Conexões roscadas com uma espessura de parede reduzida ou espessuras de parede reduzidas do pino e/ou caixa incluem, por exemplo, conexões tipo slim. Uma conexão roscada tipo slim tem um diâmetro externo substancialmente igual ao diâmetro externo do corpo do tubo para poços de petróleo. Uma conexão com rosca tipo slim tem uma eficiência de conexão menor que 1. A eficiência de conexão de uma conexão é a relação entre a resistência à tração da conexão e a resistência à tração do corpo do tubo para poços de petróleo, e é definida como a área de uma seção transversal da porção da conexão que tem a menor área de resistência a uma carga de tração quando a conexão foi feita (geralmente mencionada como “seção crítica”) dividida pela área de uma seção transversal do corpo do tubo para poços de petróleo.

[0007] O valor máximo da pressão interna durante um teste de vedação para uma conexão roscada depende do diâmetro externo e da espessura da parede do corpo do tubo para poços de petróleo. Consequentemente, uma pressão interna relativamente alta é repetidamente aplicada a uma conexão roscada tipo slim durante um teste de vedação em comparação com outras conexões roscadas. Como tal, a caixa pode ser deformada para aumentar o seu diâmetro de tal modo que a força de contato da vedação formado pelas superfícies de vedação do pino e da caixa em contato entre si diminui, conduzindo potencialmente a um vazamento.

[0008] O desempenho de vedação de uma conexão roscada é tipicamente melhorado através da criação de várias formas para a rosca ou vedação. Por exemplo, o Documento de Patente 1 (JP H02(1990)-80886 A) descreve uma técnica para remover a margem de interferência medida na direção radial de uma porção do pino com roscas perfeitas que está mais próxima da ponta do pino, evitando a diminuição da margem de interferência na vedação causada pelo acoplamento das roscas. O Documento de Patente 2 (Patente Japonesa No. 3726302) descreve uma técnica para aumentar o desempenho de vedação construindo uma porção não roscada do pino que forma uma vedação de tal maneira que a porção tenha uma estrutura afunilada de duas seções, e fazendo o afunilamento gradual da parte adjacente à ponta do pino menor em relação ao afunilamento da outra parte.

[0009] Os seguintes documentos da técnica anterior são incorporados neste documento por referência. Documento de Patente 1: JP H02(1990)-80886 A Documento de Patente 2: Patente Japonesa n° 3726302

SUMÁRIO DA DIVULGAÇÃO

[0010] Quando uma conexão roscada tipo slim com uma eficiência de conexão menor que 1 é submetida a um teste de vedação ou está sendo usada, uma pressão interna é aplicada repetidamente à conexão para que a caixa possa ser facilmente deformada para aumentar seu diâmetro, potencialmente resultando em um vazamento. A deformação da caixa com diâmetro aumentado causada pela aplicação repetida da pressão interna é difícil de reduzir, concebendo novas formas para a rosca ou vedação. Assim, no caso de uma conexão roscada tipo slim, é difícil proporcionar alto desempenho de vedação, concebendo várias formas para a rosca ou vedação, como é feito convencionalmente.

[0011] Um objetivo da presente divulgação é proporcionar alto desempenho de vedação em uma conexão roscada usada para tubos de poços de petróleo com grande espessura de parede e com uma eficiência de conexão menor que 1.

[0012] Uma conexão roscada de acordo com a presente divulgação é uma conexão roscada para conectar tubos em um poço de óleo. A conexão roscada inclui dois pinos e um acoplamento tubular. Cada um dos pinos é proporcionado em uma extremidade de um correspondente dos pinos e está em continuidade com um corpo do tubo correspondente tendo uma espessura de parede não inferior a 12 mm. O acoplamento inclui duas caixas e uma parte rebaixada. As caixas são fornecidas em ambas as extremidades do acoplamento. Cada uma das caixas pode ser conectadas ao pino associado. A porção rebaixada está localizada entre as duas caixas. Cada um dos pinos inclui um nariz, uma superfície de ressalto de pino, uma rosca macho e uma superfície de vedação de pino. O nariz forma uma porção de ponta do pino. Uma superfície periférica externa do nariz não está em contato com a caixa conectada ao pino. A superfície de ressalto do pino é formada em uma superfície de ponta do nariz. A rosca macho é fornecida em uma superfície periférica externado pino e localizada mais próximo do corpo de tubo correspondente em relação ao nariz. A rosca macho é uma rosca afunilada. A superfície de vedação do pino é fornecida na superfície periférica externa do pino e está localizada entre o nariz e a rosca macho. Cada uma das caixas inclui um rosca fêmea, uma superfície de ressalto de caixa e uma superfície de vedação da caixa. A rosca fêmea é fornecida sobre uma superfície periférica interna do acoplamento de modo a corresponder à rosca macho. A rosca fêmea é uma rosca afunilada. A superfície de ressalto da caixa está localizada mais perto da metade do acoplamento, conforme determinado ao longo de uma direção do eixo do tubo em relação a rosca fêmea. A superfície de ressalto da caixa está em contato com a superfície do ressalto do pino quando foi realizada para formar um ressalto. A superfície de vedação da caixa é fornecida na superfície periférica interna do acoplamento e está localizada entre a rosca fêmea e a superfície de ressalto da caixa. A superfície de vedação da caixa está em contato com a superfície do ressalto do pino quando a conexão foi feita para formar uma vedação. A porção rebaixada tem um comprimento mínimo de 10 mm ou maior, conforme medido na direção do eixo do tubo. A conexão tem uma eficiência de conexão menor que 1. A eficiência da conexão é calculada por A1/A2, onde A1 é a área de uma seção transversal do acoplamento medida nas extremidades, adjacente à vedação, da rosca macho e da rosca fêmea encaixando uma na outra quando a conexão é realizada (seção transversal da porção da conexão que tem a menor área de resistência a uma carga de tração quando a conexão é realizada), e A2 é a área de uma seção transversal do corpo. Quando a espessura da parede do corpo é expressa como ttubo, a espessura da parede da porção rebaixada e o comprimento da porção rebaixada, medida na direção do eixo do tubo são expressos como t1 e 2 xLi, respectivamente, e o comprimento de cada uma das caixas, conforme medido na direção do eixo do tubo, é expresso como L2, e quando a seguinte expressão (1) define T e a seguinte expressão (2) define L, T e L satisfazem a seguinte expressão (3).

[0013]

[0014] A presente divulgação proporciona alto desempenho de vedação em uma conexão roscada usada para tubos de poços de petróleo com grande espessura de parede e com uma eficiência de conexão menor que 1.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0015] [FIG. 1] A FIG. 1 é uma vista em corte longitudinal esquemática de uma conexão roscada usada para considerar como construir um acoplamento. [FIG. 2] A FIG. 2 é uma vista em corte longitudinal de um modelo de um cilindro de duas partes que se aproxima do acoplamento da conexão roscada mostrada na FIG. 1. [FIG. 3] A FIG. 3 é um gráfico mostrando uma relação entre um parâmetro a relacionado com a quantidade de interferência de vedação e um parâmetro L relativo ao comprimento da porção rebaixada do acoplamento. [FIG. 4] A FIG. 4 é um gráfico mostrando uma relação entre o parâmetro a relacionado com a quantidade de interferência de vedação e um parâmetro T relativo à espessura da parede da porção rebaixada do acoplamento. [FIG. 5] A FIG. 5 é uma vista em corte transversal esquemática de uma conexão roscada de acordo com uma modalidade. [FIG. 6] A FIG. 6 é uma vista em corte longitudinal esquemática de uma conexão roscada de acordo com uma variação da modalidade.

MODALIDADES PARA REALIZAR A INVENÇÃO

[0016] Como discutido acima, em uma conexão roscada tipo slim, é difícil evitar a deformação da caixa com o aumento do diâmetro causado pela pressão interna, mesmo quando se concebe uma nova forma para a rosca ou vedação. Na conexão roscada do tipo acoplamento, a rigidez do acoplamento pode ser aumentada para evitar que a caixa seja deformada com diâmetro aumentado. Ou seja, o diâmetro externo e a espessura da parede do acoplamento podem ser aumentados para evitar que a caixa seja deformada com um diâmetro aumentado. No entanto, como uma conexão roscada tipo slim tem restrições rígidas nas dimensões do diâmetro externo, há um limite para o aumento no diâmetro externo do acoplamento.

[0017] Normalmente, a porção do acoplamento localizado entre as caixas (doravante mencionada como porção rebaixada) tem uma espessura de parede maior do que as partes com as vedações de caixa, e, portanto, tem uma maior rigidez. Como tal, a porção rebaixada não aumenta significativamente o seu diâmetro quando é aplicada uma pressão interna à conexão roscada, e acredita-se que possui a função de reduzir o diâmetro da superfície de vedação da caixa.

[0018] Os presentes inventores concentraram-se na porção rebaixada do acoplamento e tentaram melhorar o desempenho de vedação concebendo uma nova construção da porção rebaixada. Os presentes inventores consideraram como construir a porção rebaixada para proporcionar um desempenho de vedação elevado sem aumentar o diâmetro externo do acoplamento.

[0019] FIG. 1 é uma vista em corte longitudinal esquemática de uma conexão roscada tipo acoplamento. No acoplamento desta conexão roscada, 1/2 da distância das superfícies de ressalto da caixa, medida na direção do eixo do tubo, é denotada por L1, o comprimento da caixa conforme medido na direção do eixo do tubo L2 , e a distância entre a superfície da caixa-ressalto e a metade do contato da superfície de vedação da caixa, medida na direção do eixo do tubo Ls. Embora o comprimento da porção rebaixada, conforme medido na direção do eixo do tubo, seja duas vezes L1, L1 será mencionado como o comprimento da porção rebaixada,para facilidade de explicação.

[0020] Um modelo de um cilindro de duas partes que se aproxima do acoplamento mostrado na FIG. 1 foi criado e a rigidez necessária e suficiente para este modelo foi investigada usando a teoria das cascas elásticas. A FIG. 2 é uma vista em corte longitudinal do modelo de um cilindro de duas porções usado para esta investigação. No modelo de um cilindro de duas porções mostrado na FIG. 2, a porção cilíndrica S1 com uma espessura de parede maior corresponde à porção rebaixada, enquanto a porção cilíndrica S2 com uma espessura de parede menor corresponde à caixa.

[0021] No caso de um cilindro uniforme, a quantidade de deflexão w da casca cilíndrica causada por uma pressão interna P, medida em uma posição onde os efeitos de uma porção de extremidade são desprezíveis, é dada pela expressão (4), fornecida abaixo, com base na mecânica do material. A quantidade de deflexão w é 1/2 da quantidade de aumento no diâmetro da casca cilíndrica causada pela pressão interna P. Na expressão (4), E é o módulo de Young, v é o coeficiente de Poisson, r é o diâmetro mediano do cilindro e t é a espessura da parede do cilindro.

[0022]

[0023] O lado direito da expressão (4) é a solução particular para este problema. Supondo que a quantidade de deflexão em uma direção longe do eixo do cilindro seja positiva, a equação fundamental da casca cilíndrica no qual a pressão interna P atua é dada pela seguinte expressão, (5):

[0024]

[0025] Se as quantidades de deflexão nos cilindros S1 e S2 são denotadas por w1 e w2, w1 e w2 são dadas pelas seguintes expressões, (6) e (7). ri nas expressões (6) e (7) é o diâmetro interno da porção rebaixada do acoplamento, ou seja, o diâmetro interno da porção cilíndrica S1.

[0026]

[0027] Se a direção do eixo do tubo do acoplamento representa o eixo x e a metade do acoplamento, conforme determinado ao longo da direção do eixo do tubo, representa a origem do eixo x, então, o ângulo de deflexão θ1 e a força de cisalhamento Q1 na extremidade direita (x=0) da porção cilíndrica S1 na FIG. 2 é zero. Assim, as seguintes expressões, (8) a (9), são verdadeiras:

[0028]

[0029] Como as partes cilíndricas S1 e S2 estão em continuidade, o ângulo de deflexão θ1 da porção cilíndrica S1 e o ângulo de deflexão θ2 da porção cilíndrica S2 são iguais quando x=L1. Assim, as quantidades de deflexão w1 e w2 nas partes cilíndricas S1 e S2 são iguais, os momentos de flexão M1 e M2 são iguais e as forças de cisalhamento Q1 e Q2 são iguais. Assim, as seguintes expressões, (10) a (13) são verdadeiras.

[0030]

[0031] Além disso, uma vez que a extremidade esquerda da porção cilíndrica S2 na FIG. 2 (x=L1+L2) é um extremidade livre, as seguintes expressões, (14) e (15), são verdadeiras.

[0032]

[0033] Ao solucionar as expressões (8) a (15) simultaneamente, as quantidades desconhecidas C11 a C14 e C21 a C24 são determinados. Assim, as quantidades de deflexão w1 e w2 das porções cilíndricas S1 e S2, respectivamente, são determinadas a partir das expressões (6) e (7). Se x=L1+Ls é substituído na expressão (7), a quantidade de deflexão da vedação pode ser dada pela seguinte expressão, (16). Ls é a distância entre a borda entre as porções cilíndricas S1 e S2 e a posição correspondente à metade do contato da superfície de vedação da caixa, medida na direção x.

[0034]

[0035] Os presentes inventores utilizaram parâmetros T, L e a, definido pela seguinte expressão, (17), para determinar os efeitos da espessura da parede da porção rebaixada e do seu comprimento, medidos na direção do eixo do tubo, no desempenho de vedação.

[0036]

[0037] T é um parâmetro obtido pela normalização da espessura da parede t1 da porção rebaixada com a espessura da parede ttubo do corpo do tubo. L é um parâmetro obtido pela normalização do comprimento L1 da porção rebaixada com o comprimento de uma metade do acoplamento, L1+ L2. a é um parâmetro obtido pela normalização da quantidade real de interferência de vedação encontrada quando o acoplamento aumentou seu diâmetro, δ-2w2(Ls), com a quantidade projetada de interferência de vedação durante a conexão, δ. A quantidade de deflexão w2 usada na expressão (17) é a quantidade de deflexão w2 da vedação dada pela expressão (16).

[0038] FIG. 3 mostra uma relação entre L e a onde T é constante e o comprimento L1 da porção rebaixada varia. A FIG. 4 mostra uma relação entre T e a onde L é constante e a espessura da parede t1 da porção rebaixada varia. As relações mostradas nas FIGS. 3 e 4 podem ser dadas pelas seguintes expressões, (18) e (19), respectivamente. f (T) é uma função arbitrária que não contém L, g (L) é uma função arbitrária que não contém T, e m é uma constante.

[0039]

[0040] A seguinte expressão, (20), pode ser derivada das expressões (18) e (19):

[0041]

[0042] Como discutido acima, a é um parâmetro obtido pela normalização da quantidade real de interferência de vedação encontrada quando o diâmetro do acoplamento aumentou com a quantidade de interferência de vedação durante o encaixe. Como tal, quanto maior o valor de a, maior será a pressão da superfície de contato na vedação durante a aplicação da pressão interna, o que melhorará o desempenho da vedação. A rigidez suficiente do acoplamento é fornecida e, como resultado, um alto desempenho de vedação é fornecido se T^L1m é maior que um limite ath. Os presentes inventores fizeram análises e investigações extensas e alcançaram as condições m=15 e ath=1,4, e criaram a conexão roscada de acordo com a modalidade.

[0043] A conexão roscada de acordo com a modalidade divulgação é uma conexão roscada para conectar tubos em um poço de petróleo. A conexão roscada inclui dois pinos e um acoplamento tubular. Cada um dos pinos é proporcionado em uma extremidade de um correspondente dos tubos e está em continuidade com um corpo do tubo correspondente tendo uma espessura de parede não inferior a 12 mm. O acoplamento inclui duas caixas e uma parte rebaixada. As caixas são fornecidas em ambas as extremidades do acoplamento. Cada uma das caixas pode ser conectadas ao pino associado. A porção rebaixada está localizada entre as duas caixas. Cada um dos pinos inclui um nariz, uma superfície de ressalto de pino, uma rosca macho e uma superfície de vedação de pino. O nariz forma uma porção de ponta do pino. Uma superfície periférica externa do nariz não está em contato com a caixa conectada ao pino. A superfície de ressalto do pino é formada em uma superfície de ponta do nariz. A rosca macho é fornecida em uma superfície periférica externado pino e localizada mais próximo do corpo de tubo correspondente em relação ao nariz. A rosca macho é uma rosca afunilada. A superfície de vedação do pino é fornecida na superfície periférica externa do pino e está localizada entre o nariz e a rosca macho. Cada uma das caixas inclui um rosca fêmea, uma superfície de ressalto de caixa e uma superfície de vedação da caixa. A rosca fêmea é fornecida sobre uma superfície periférica interna do acoplamento de modo a corresponder à rosca macho. A rosca fêmea é uma rosca afunilada. A superfície de ressalto da caixa está localizada mais perto da metade do acoplamento, conforme determinado ao longo de uma direção do eixo do tubo em relação a rosca fêmea. A superfície de ressalto da caixa está em contato com a superfície do ressalto do pino quando foi realizada para formar um ressalto. A superfície de vedação da caixa é fornecida na superfície periférica interna do acoplamento e está localizada entre a rosca fêmea e a superfície de ressalto da caixa. A superfície de vedação da caixa está em contato com a superfície do ressalto do pino quando a conexão foi feita para formar uma vedação. A porção rebaixada tem um comprimento mínimo de 10 mm ou maior, conforme medido na direção do eixo do tubo. A conexão tem uma eficiência de conexão menor que 1.A eficiência da conexão é calculada por A1/A2, onde A1 é a área de uma seção transversal do acoplamento medida nas extremidades, adjacente à vedação, da rosca macho e da rosca fêmea encaixando uma na outra quando a conexão é realizada, e A2 é a área de uma seção transversal do corpo. Quando a espessura da parede do corpo é expressa como ttubo, a espessura da parede da porção rebaixada e o comprimento da porção rebaixada, medida na direção do eixo do tubo são expressos como ti e 2 *Li, respectivamente, e o comprimento de cada uma das caixas, conforme medido na direção do eixo do tubo, é expresso como L2, e quando a seguinte expressão (1) define T e a seguinte expressão (2) define L, T e L satisfazem a seguinte expressão (3).

[0044]

[0045] Na conexão roscada divulgada acima, a porção rebaixada tem uma espessura de parede e um comprimento, conforme medido na direção do eixo do tubo que satisfazem a expressão (3). Esta construção aumentará a rigidez do acoplamento. Isso evitará que a caixa seja deformada com o aumento do diâmetro durante a aplicação da pressão interna, evitando que a força de contato da superfície de vedação da caixa na superfície de vedação do pino diminua. O diâmetro externo do acoplamento não precisa ser alterado para satisfazer a expressão (3). Assim, a conexão roscada acima descrita proporcionará um desempenho de vedação elevado sem aumentar o diâmetro externo do acoplamento.

[0046] Será descrita agora uma modalidade com referência aos desenhos. Os elementos iguais e correspondentes nos desenhos são identificados com os mesmos caracteres e a mesma descrição não será repetida. Para facilitar a explicação, os desenhos podem mostrar elementos de uma maneira simplificada ou esquemática, ou podem não mostrar alguns elementos.

[0047] [Construção Geral] A FIG. 5 é uma vista em corte longitudinal esquemática de uma conexão roscada 10 de acordo com a modalidade. Como discutido mais abaixo em detalhe, a conexão roscada 10 é chamada de conexão roscada tipo slim. A conexão roscada 10 conecta os tubos para os poços de petróleo 1 por meio de um acoplamento tubular 2. Cada um dos tubos para os poços de petróleo 1 é um tubo de aço com uma espessura de parede relativamente grande. Em cada um dos tubos para poços de petróleo 1, o corpo de tubo 12 tem uma espessura de parede igual ou maior que 12 mm.

[0048] Como mostrado na FIG. 5, a conexão roscada 10 inclui dois pinos 11 e um acoplamento tubular 2. Cada um dos pinos 11 é provido em uma extremidade do tubo para poços de óleo 1, e está em continuidade com o corpo de tubo 12. O acoplamento 2 inclui duas caixas 21 e uma porção rebaixada 22. As caixas 21 são fornecidas em ambas as extremidades do acoplamento 2. Cada uma das caixas 21 pode ser conectadas ao pino associado 11. Para facilidade de explicação, conforme determinado ao longo da direção do eixo do tubo da conexão roscada 10, a direção orientada à ponta do pino 11 pode ser mencionada como direção para dentro, e a direção orientada ao corpo do tubo 12 como direção para fora.

[0049] Cada um dos pinos 11 inclui um nariz 111, uma rosca macho 112, uma superfície de vedação de pino 113 e uma superfície de ressalto de pino 114.

[0050] O nariz 111 está localizado mais próximo da ponta do pino 11 do que a rosca macho 112 e da superfície de vedação do pino 113. O nariz 111 constitui uma porção de ponta do pino 11. Quando o pino 11 e a caixa 21 são conectados, a superfície periférica exterior do nariz 111 não está em contato com a caixa 21. Ou seja, quando a conexão é realizada, o diâmetro externo da ponta 111 é menor que o diâmetro interno da porção da caixa 21 que está voltada para o nariz 111. Por exemplo, a superfície periférica externa do nariz 111 pode ser formada por uma superfície côncava rebaixada em direção a periferia interna do pino 11 em relação a superfície de vedação do pino 113.

[0051] A rosca macho 112 é proporcionada sobre a superfície periférica externa do pino 11. No pino 11, a rosca macho 112 está localizada mais próximo do corpo do tubo 12 do que o nariz 111. A rosca macho 112 é constituída por uma rosca afunilada. Uma superfície de vedação do pino 113 é fornecida na periferia externa do pino 11 e localizada entre o nariz 111 da rosca macho 112.

[0052] A superfície de vedação de pino 113 é geralmente uma superfície afunilada que diminui o seu diâmetro à medida que passa da rosca macho 112 em direção ao nariz 111. A superfície de vedação do pino 113 é formada, por exemplo, pela periferia de um sólido de revolução obtido pela rotação de um arco em torno do eixo do tubo CL ou pela periferia de um cone truncado cujo eixo é representado pelo eixo do tubo CL ou uma combinação de duas ou mais dessas superfícies.

[0053] A superfície de ressalto do pino 114 é uma superfície toroidal formada por uma superfície de ponta do nariz 111. De acordo com a presente modalidade, a superfície de ressalto do pino 114 inclinada de tal modo que a sua periferia externa está localizada mais perto da ponta do pino 11 do que a sua periferia interna. Ou seja, numa vista em corte transversal do pino 11 ao longo de um plano que contém o eixo de tubo CL, a superfície de ressalto do pino 114 é moldada de tal modo que a sua periferia externa está inclinada na direção do avanço durante a roscagem do pino 11. No entanto, a superfície de ressalto do pino 114 não está limitada a essa forma. A superfície do ressalto do pino 114 pode ser substancialmente perpendicular ao eixo do tubo CL.

[0054] Cada uma das caixas 21 inclui uma rosca macho 212, uma superfície de vedação da caixa 213 e uma superfície de ressalto da caixa 214.

[0055] A rosca fêmea 212 corresponde à rosca macho 112 do pino 11 e fornecida sobre a superfície periférica interna da caixa 21. A rosca fêmea 212 é constituída por uma rosca que engata na rosca, constituindo a rosca macho 112. A rosca fêmea 212 é constituída por uma rosca afunilada.

[0056] A superfície de vedação da caixa 213 corresponde à superfície de vedação do pino 113 e é fornecida sobre a extremidade periférica interna da caixa 21. A superfície de vedação da caixa 213 fica em contato com a superfície de vedação interna 113 quando o pino 11 e a caixa 21 tiverem sido encaixados.

[0057] A superfície de vedação do pino 113 e a superfície de vedação da caixa 213 têm uma quantidade de interferência. Ou seja, quando a conexão não é feita, o diâmetro da superfície de vedação do pino 113 é ligeiramente maior do que o diâmetro da superfície de vedação da caixa 213. Assim, quando o pino 11 é enroscado na caixa 21, as superfícies de vedação do pino e da caixa 113 e 213 entram em contato entre si, quando a conexão é feita, estando em aderência de encaixe para conseguir um ajuste de interferência. Assim, as superfícies de vedação do pino e da caixa 113 e 213 formam uma vedação por meio de contato metal com metal.

[0058] A superfície de ressalto da caixa 214 corresponde à superfície de ressalto do pino 114 e é fornecida sobre a extremidade interna da caixa 21 conforme determinado ao longo da direção do eixo do tubo. A superfície de ressalto da caixa 214 está em contato com a superfície do ressalto do pino 114 quando a conexão foi feita.

[0059] Como o pino 11 é roscado na caixa 21, as superfícies de ressalto do pino e caixa 114 e 214 entram em contato umas com as outras e são pressionadas umas contra as outras. As superfícies de ressalto de pino e caixa 114 e 214, em contato de pressão umas com as outras, constituem um ressalto.

[0060] A área de contato entre as superfícies de ressalto do pino e da caixa 114 e 214, ou seja, área de ressalto, é de preferência não inferior a 30% da área de uma seção transversal do corpo do tubo 12. Seção transversal significa uma seção transversal tomada ao longo de um plano perpendicular ao eixo do tubo CL. Se a área do ressalto não for inferior a 30% de uma seção transversal do corpo de tubo 12, isto reduz a deformação plástica da superfície de ressalto de pino 114 e a superfície de vedação de pino adjacente 113 que ocorre quando é aplicada uma carga de compressão excessiva à conexão roscada 10. Isso estabilizará a vedação em termos de contato, evitando que a pressão da superfície de contato da vedação diminua.

[0061] Embora não seja limitante, a área do ressalto não é de preferência maior que 60% de uma secção transversal do corpo do tubo 12 para impedir que a seção transversal mínima do acoplamento 2 diminua.

[0062] Como discutido acima, a conexão roscada 10 é chamada de conexão roscada tipo slim. Assim, a conexão roscada 10 tem uma eficiência de conexão menor que 1. A eficiência de conexão é calculada por A1/A2, onde A1 é a área de uma seção transversal da porção do acoplamento 2 que tem a menor área de resistência a uma carga de tração quando a conexão é feita (ou seja, seção crítica), e A2 é a área de uma seção transversal do corpo do tubo.

[0063] As roscas macho e fêmea 112 e 212 têm extremidades do seu comprimento engatadas, E1 e E2, quando a conexão é realizada. A área A1 da seção crítica do acoplamento 2 é a área da seção transversal do acoplamento 2 medida na extremidade E1 do comprimento engatado, que está localizado adjacente à vedação.

[0064] A porção do acoplamento 2 localizado entre as duas caixas 21 forma a porção rebaixada 22. O diâmetro interno da porção rebaixada 22 é substancialmente constante. O diâmetro externo do acoplamento 2 é também substancialmente constante. Assim, a porção rebaixada 22 tem uma espessura de parede que é substancialmente uniforme. A espessura da parede da parte rebaixada 22 é maior do que a espessura da parede da caixa 21. Assim, a porção rebaixada 22 tem uma maior rigidez do que a caixa 21.

[0065] O diâmetro interno da porção rebaixada 22 é preferencialmente menor que o diâmetro interno do corpo de tubo 12. Isto aumenta a espessura da parede da porção rebaixada 22 e aumenta a sua rigidez. No entanto, se houver uma saliência entre o pino 11 e a porção rebaixada 22, sobre a superfície periférica interna da conexão roscada 10, quando a conexão tiver sido realizada, um fluxo turbulento é gerado no fluido interno à medida que passa pela conexão roscada 10. Isso pode não apenas diminuir a produtividade do poço, mas também danificar a conexão roscada 10. Assim, é preferencial que o diâmetro interno da porção rebaixada 22 seja substancialmente igual ao diâmetro interno da ponta do pino 11.

[0066] Para fazer o diâmetro interno da ponta do pino 11 igual ao diâmetro interno da porção rebaixada 22, por exemplo, o desenho pode ser realizado para fazer o diâmetro interno da ponta do pino 11 menor do que o diâmetro interno do corpo do tubo 12. Isto aumenta a espessura da parede da porção do pino 11 que está localizada mais perto da ponta do que a rosca macho 112 é (ou seja, lábio). Isso aumenta a rigidez do lábio do pino 11. Isso aumenta a força de contato da vedação, melhorando ainda mais o desempenho de vedação da conexão roscada 10.

[0067] O comprimento da porção rebaixada 22 não é inferior a 10 mm. O comprimento da porção de acoplamento 2 que está localizado entre a extremidade interna de uma superfície de ressalto de caixa 214 e a extremidade interna da outra superfície de ressalto de caixa 214, conforme medido na direção do eixo do tubo, será mencionado como comprimento da porção rebaixada 22. Se a porção rebaixada 22 tiver um comprimento de pelo menos 10 mm, isto evita que a deformação do ressalto ocorra quando a caixa 21 e o pino 11 associados são encaixados por afetar a conexão da outra caixa 21 e do pino 11 associado, impedindo assim o encaixe inadequado. Isso evitará que o desempenho de vedação da conexão roscada 10 diminua.

[0068] Quanto mais longa a porção rebaixada 22, maior será a rigidez do acoplamento 2, melhorando o desempenho de vedação da conexão roscada 10. Contudo, se a porção rebaixada 22 tiver um certo comprimento, a saturação é alcançada em termos do efeito de melhorar o desempenho de vedação. Assim, o comprimento da porção rebaixada 22 pode ser, por exemplo, de 100 mm no máximo.

[0069] A espessura da parede e o comprimento da porção rebaixada 22 são tais que o acoplamento 2 tem uma rigidez necessária. Mais especificamente, os parâmetros T e L em relação à espessura da parede e ao comprimento da porção rebaixada 22 são definidos pelas seguintes expressões (1) e (2), e T e L são configurados para satisfazer a seguinte expressão (3):

[0070]

[0071] Embora a espessura da parede da porção rebaixada 22 seja substancialmente constante, t1 na expressão (1) é definida como a espessura da parede da porção rebaixada 22 medida no seu meio, conforme determinado ao longo da direção do eixo do tubo. Ou seja, t1 é a espessura da parede do acoplamento 2 medida na posição intermediária entre as duas superfícies de ressalto da caixa 214. ttubo é a espessura da parede do corpo do tubo 12.

[0072] L1 na expressão (2) é a distância entre o ponto mais interno de uma superfície de ressalto da caixa 214 e o meio do acoplamento 2, conforme medido na direção do eixo do tubo. Ou seja, o comprimento da porção rebaixada 22, medida na direção do eixo do tubo, pode ser dado por 2*Li. 2 *Li é igual à distância mínima entre as superfícies de ressalto opostas da caixa 214.

[0073] L2 na expressão (2) é o comprimento de cada caixa 21 medido na direção do eixo do tubo. L2 é a distância entre uma extremidade do acoplamento 2 e o ponto mais interno da superfície de ressalto da caixa associada 214.

[0074] Para calcular T e L com base nas expressões (1) e (2), as variáveis podem estar em qualquer unidade; no entanto, t1 e ttubo deve estar em uma e na mesma unidade, e L1 e L2 devem estar em uma e na mesma unidade.

[0075] [Efeitos] De acordo com a presente modalidade, a espessura de parede da porção rebaixada 22 do acoplamento 2 e o seu comprimento, medido na direção do eixo do tubo, são tais que a expressão (3) é satisfeita. O diâmetro externo do acoplamento 2 não precisa ser ajustado para satisfazer a expressão (3). Isto irá melhorar a rigidez do acoplamento 2 sem aumentar o diâmetro externo do acoplamento 2. Assim, mesmo em uma conexão roscada tipo slim, que tem restrições justas nas dimensões do diâmetro externo, a deformação com diâmetro aumentado de cada caixa 21 durante a aplicação da pressão interna pode ser evitada, mantendo assim a força de contato da vedação. Isso proporcionará alto desempenho de vedação.

[0076] Geralmente, se a espessura da parede do corpo do tubo é de 15 mm ou maior, a carga aplicada à conexão é aumentada de tal forma que a caixa pode ser mais facilmente deformada. Por outro lado, na conexão roscada 10 de acordo com a presente modalidade, a espessura da parede e o comprimento da porção rebaixada 22 são ajustados para melhorar a rigidez do acoplamento 2, evitando assim a deformação da caixa 21. Isto sugere que a conexão roscada 10 será também muito eficaz se a espessura da parede do corpo do tubo for de 15 mm ou maior.

[0077] Uma conexão de rosca tipo slim normalmente tem uma eficiência de conexão menor que 1 e tem uma baixa rigidez relativa. Particularmente, se a eficiência da conexão não for maior que 0,8, a rigidez da conexão roscada é insuficiente, de modo que o desempenho de vedação pode diminuir facilmente. Por outro lado, na conexão roscada 10 de acordo com a presente modalidade, a espessura da parede e o comprimento da porção rebaixada 22 são ajustados para melhorar a rigidez do acoplamento 2. Isto sugere que a conexão roscada 10 será também muito eficaz se a eficiência de conexão não for maior do que 0,8.

[0078] [Variações] Embora tenha sido descrita uma modalidade, a presente invenção não está limitada à modalidade descrita acima, e várias modificações são possíveis sem se afastar do espírito da divulgação. Por exemplo, embora a conexão roscada 10 de acordo com a presente modalidade inclua uma única vedação, pode incluir duas ou mais vedações.

[0079] De acordo com a modalidade descrita acima, o diâmetro interno da ponta do pino 11 e o diâmetro interno da porção rebaixada 22 do acoplamento 2 são menores que o diâmetro interno do corpo de tubo 12. Contudo, conforme a conexão roscada 10a mostrada na FIG. 6, o diâmetro interno da ponta do pino 11a e o diâmetro interno da porção rebaixada 22a do acoplamento 2a podem não ser inferiores ao diâmetro interno do corpo de tubo 12. Em tais implementações, também, é preferencial que o diâmetro interno da ponta do pino 11a seja substancialmente igual ao diâmetro interno da porção rebaixada 22a, quando a conexão tiver sido realizada.

EXEMPLOS

[0080] Para verificar os efeitos da conexão roscada de acordo com a presente divulgação, foram realizados testes de vedação física e análise numérica usando o método do elemento finito elástico-plástico.

[0081] [Teste de Vedação Física] Foram usadas duas amostras da conexão roscada tipo acoplamento tendo a construção básica mostrada na FIG. 5 e foram realizados testes de vedação física. As condições comuns a estas amostras são descritas abaixo. -Tubo usado: Tubo de aço n° 8-5/8"57,4 (com um diâmetro externo de 219,1 mm e uma espessura de parede de 16,3 mm) -Material de aço: aço carbono Q125 de acordo com os padrões API (com um limite de escoamento nominal de 125 ksi (=862 MPa)) -Rosca: cada rosca tinha um passo de rosca de 5,08 mm, um ângulo de flanco de carga de -3°, um ângulo de flanco de penetração de 10° e uma folga no flanco de penetração de 0,15 mm

[0082] Para os testes de vedação, o tratamento de superfície para o pino foi “como cortado” e o tratamento de superfície para a caixa foi tratamento à base de fosfato de manganês e o foi aplicado o lubrificante API a todas as superfícies da conexão. Os testes de vedação foram conduzidos de acordo com a norma ISO 13679:2011, e a carga máxima de tração aplicada à conexão foi de 75% da carga de elasticidade do corpo do tubo.

[0083] Como mostrado na Tabela 1, as duas amostras têm diferentes valores de T-L1/15 calculados pela expressão (3).

[0084] [Tabela 1]

[0085] Como mostrado na Tabela 1, na amostra do exemplo comparativo 1, ocorreu um vazamento durante o teste de vedação. Na amostra do exemplo comparativo 1, T-L1/15 foi menor do que 1,4 e não satisfez a expressão (3), o que é presumivelmente a razão pela qual a rigidez da porção rebaixada do acoplamento foi insuficiente.

[0086] Em contraste, a amostra do exemplo inventivo 1 passou no teste de vedação, pois não ocorreu vazamento durante o teste de vedação. Na amostra do exemplo inventivo 1, T-L1/15 foi maior que 1,4 e satisfez a expressão (3), que é presumivelmente a razão pela qual a rigidez da porção rebaixada do acoplamento foi suficientemente alta.

[0087] (Análise Numérica Usando o Método dos Elementos Finitos Elásticos- Plásticos) Uma análise numérica usando o método dos elementos finitos elásticos-plásticos foi conduzida para uma pluralidade de amostras, mostradas na Tabela 2. Após a conexão das roscas para cada amostra ser analisada, uma carga simulando o teste da Séria A da ISO13679 CAL4 foi aplicada e o desempenho de vedação contra cada uma das pressões interna e externa foi avaliado. O desempenho da vedação foi avaliado com base no valor mínimo da pressão média da superfície de contato da vedação no histórico de carga (ou seja, pressão mínima na superfície de contato média de vedação). Um valor mais alto da pressão mínima da superfície de contato média de vedação significa um melhor desempenho de vedação. A análise do elementos finitos elásticos-plásticos utilizou modelos em que o material era um material elástico-plástico isotropicamente endurecido e o módulo de elasticidade era de 210 GPa e o limite elástico era de 125 ksi (=862 MPa) com uma aproximação de limite elástico de 0,2%.

[0088] [Tabela 2]

[0089] Cada uma das amostras ilustradas na Tabela 2 é uma conexão roscada tipo acoplamento tendo a construção básica mostrada na FIG. 5, mas elas têm diferentes dimensões de acoplamento. A análise do elemento finito elástico- plástico foi realizada enquanto o comprimento da porção rebaixada e o diâmetro externo do acoplamento foram variados. O tubo usado, o material de aço e as condições de rosca eram comuns a todas as amostras e eram os mesmos dos testes de vedação física discutidos anteriormente.

[0090] A amostra do exemplo inventivo 2-5 tinha uma dimensão de acoplamento igual à da amostra do exemplo inventivo 1, que passou no teste de vedação física. Como a pressão mínima da superfície de contato média de vedação da amostra do exemplo inventivo 2-5 não foi menor do que 500 MPa, as amostras com valores de pressão mínima da superfície de contato média de vedação não inferiores a 500 MPa foram determinados como tendo bom desempenho de vedação e aquelas com valores abaixo de 500 MPa foram determinados como tendo desempenho de vedação deficiente.

[0091] Em cada uma das amostras dos exemplos comparativos 2-1 e 2-2, a pressão mínima da superfície de contato média de vedação foi menor que 500 MPa, significando desempenho de vedação ruim. Em cada um dos exemplos comparativos 2-1 e 2-2, T-L1/15 foi menor que 1,4, sugerindo que a rigidez da porção rebaixada do acoplamento era insuficiente.

[0092] Em contraste, em cada uma das amostras dos exemplos inventivos 21 a 2-7, a pressão mínima da superfície de contato média de vedação não foi inferior a 500 Pa, significando bom desempenho de vedação. Em cada uma das amostras dos exemplos inventivos 2-1 a 2-7, T-L1/15 foi maior que 1,4, sugerindo que a rigidez da porção rebaixada do acoplamento era suficiente.

[0093] Os testes de vedação física discutidos acima e a análise de elemento finito elástico-plástico demonstram que um bom desempenho de vedação pode ser alcançado se T-L1/15> 1,4.

Claims

1. Conexão roscada para conectar tubos para um poço de petróleo, compreendendo: tubos (1); dois pinos (11), cada um proporcionado em uma extremidade de um correspondente dos pinos e está em continuidade com um corpo do tubo (12) correspondente tendo uma espessura de parede não inferior a 12 mm; e um acoplamento tubular (2) incluindo duas caixas (21) e uma porção rebaixada (22), sendo as caixas providas em ambas as extremidades do acoplamento, sendo cada uma das caixas capaz de ser conectada ao pino associado, estando a porção rebaixada localizada entre as duas caixas e tendo uma espessura de parede maior do que as caixas, cada um dos pinos, incluindo: um nariz (111) formando uma porção de ponta do pino, uma superfície periférica externa do nariz não estando em contato com a caixa conectada ao pino; uma superfície de ressalto do pino (114) sendo formada em uma superfície de ponta do nariz; uma rosca macho (112) fornecida em uma superfície periférica externa do pino e localizada mais próximo do corpo de tubo correspondente em relação ao nariz, a rosca macho sendo uma rosca afunilada; e uma superfície de vedação do pino (113) fornecida na superfície periférica externa do pino e localizada entre o nariz e a rosca macho, cada uma das caixas, incluindo: uma rosca fêmea (212) fornecida em uma superfície periférica interna do acoplamento para corresponder à rosca macho, a rosca fêmea sendo uma rosca afunilada; uma superfície de ressalto da caixa (214) localizada mais perto de uma metade do acoplamento como determinado ao longo de uma direção de eixo de tubo em relação à rosca fêmea, a superfície de ressalto de caixa que está em contato com a superfície de ressalto do pino quando a conexão é realizada para formar um ressalto; e uma superfície de vedação da caixa (213) fornecida sobre a superfície periférica interna do acoplamento e localizada entre a rosca fêmea e a superfície de ressalto da caixa, a superfície de vedação da caixa estando em contato com a superfície de vedação do pino quando a conexão é realizada para formar uma vedação, caracterizada pelo fato de que a porção rebaixada (22) tem um comprimento mínimo de 10 mm, conforme medido na direção do eixo do tubo, a conexão tem uma eficiência da conexão menor que 1, a eficiência de conexão sendo calculada por A1/A2, onde A1 é a área de uma seção transversal do acoplamento medida nas extremidades, adjacente à vedação, da rosca macho e da rosca fêmea encaixando uma na outra quando a conexão é realizada, e A2 é a área de uma seção transversal do corpo do tubo, e, quando a espessura da parede do corpo do tubo é expressa como ttubo, a espessura da parede da porção rebaixada medida na posição intermediária entre as duas superfícies de ressalto da caixa (214) e a distância mínima entre as superfícies opostas de ressalto da caixa (214) , medida na direção do eixo do tubo são expressos como ti e 2 xLi, respectivamente, e o comprimento de cada uma das caixas, sendo a distância entre uma extremidade do acoplamento e o ponto mais interno da superfície de ressalto da caixa associada, conforme medido na direção do eixo do tubo, é expresso como L2, e quando a seguinte expressão (1) define T e a seguinte expressão (2) define L, T e L satisfazem a seguinte expressão (3):