BRPI0520039B1 - juntas de conexões com flancos duplos para uso em eixo de perfuração - Google Patents
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Abstract
"juntas de conexões, conexões com flancos duplos e conjunto de perfuração. a presente invenção refere-se à conexão de eixo de perfuração com flancos duplos para aplicações de alta força de torção inclui afiador de rosca dentro de faixa de cerca de 8,3 a 9,96 centímetro por metro (1,0 a 1,2 pol por pé). de acordo com uma realização da presente invenção, a junta de conexão compreende um pino (10) com roscas externas (18) formadas entre um flanco externo de pino (30) e uma face de pino (26); uma caixa (12) com roscas internas (20) formadas entre um flanco externo de caixa (28) e um flanco interno de caixa (24); em que a caixa (12) possui uma seção de contra-orifício (14) entre as roscas internas (20) e o flanco externo da caixa (28); em que o pino possui uma seção base (16) entre o flanco externo (30) e as roscas externas (18) e uma seção de extremidade (22) entre a face de pino externo (26) e as roscas externas (18); em que as mencionadas roscas internas (20) e as mencionadas roscas externas (18) são dispostas e projetadas para conexão entre si, de tal forma que a mencionada caixa (12) e o mencionado pino (10) são conectados com uma linha central comum (c/l) e com uma vedação primária (ps) formada pelo mencionado flanco externo de pino (30) forçado contra o mencionado flanco externo de caixa (28) e um flanco secundário (ss) formado pela mencionada face de pino (26) forçada contra o mencionado flanco interno de caixa (24); e em que a mencionada junta de conexão é caracterizada pelo fato de que as mencionadas roscas internas (20) e as mencionadas roscas externas (18) que possuem um afiador de rosca (t~ th~) com relação à mencionada linha central (c/l) que é maior que um afilador de rosca (t~ th inferior~) de 8,3 centimetros por metro (1,0 polegada por pé) e que é menor que limite superior (t~ th superior~) de 9,96 centimetros por metro (1,2 polegadas por pé).
Description
“JUNTAS DE CONEXÕES COM FLANCOS DUPLOS PARA USO EM EIXO DE PERFURAÇÃO” Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se a conexões rosqueadas de eixos de perfuração em geral. Particularmente, a presente invenção refere-se a uma ferramenta de junta e a um conjunto de perfuração resultante, em que a ferramenta de junta conecta seções de tubos de perfuração e outros elementos do eixo de perfuração entre si a partir da superfície até a broca de perfuração. De preferência ainda maior, a presente invenção refere-se a uma ferramenta de junta que contém flancos de composição internos e externos para aplicação de alto torque de perfuração giratório.
Antecedentes da Invenção [002] Poços profundos, tais como para petróleo e gás, são perfurados com uma broca de perfuração giratória girada por uma haste de perfuração que consiste de um conjunto de orifício inferior, conjunto de tubo de perfuração, uma junta “Kelly” ou direcionador superior e todo o equipamento associado no conjunto de rotação da broca de perfuração, O conjunto de tubo de perfuração é composto de membros individuais, cada qual com cerca de 9 metros de comprimento. Os membros do tubo de perfuração são fixados entre si por conexão rosqueada, denominada ferramenta de junta, tipicamente com cerca de 0,45 m de comprimento. As ferramentas de juntas devem suportar o torque normal encontrada durante a perfuração e também fornecer vedação para evitar que o fluido de perfuração sendo bombeado para baixo do tubo de perfuração vaze das juntas. O vazamento das ferramentas de juntas causa desgaste, devido à abrasividade do fluido de perfuração, o que pode gerar falha precoce.
[003] A ferramenta de junta convencional (às vezes denominada ferramenta de junta API (American Petroleum Instilute)) é composta de um membro de pino e um membro de caixa. O membro de pino possui roscas externas e flanco de composição anular externo. O membro de caixa possui roscas internas e nervura ou face que compõe contra o flanco de composição. Em ferramenta de junta convencional, não há flanco interno no membro de caixa para contato pela extremidade ou face sobre a extremidade do pino. Quando os membros de ferramentas de juntas forem compostos na superfície do poço, eles normalmente são compostos até torque, que cria tensão longitudinal na seção transversal rosqueada, que é cerca de metade da resistência de escoamento do mais fraco dentre o pino e a caixa.
[004] Ao perfurar poços de alcance estendidos ou horizontais, ou quando o conjunto de perfuração fica obstruído no orifício, é possível que o torque de perfuração exceda o torque de composição, aplicada na superfície do poço. Quando o torque de perfuração exceder o torque de composição de superfície, ocorre torque de composição de conexão adicional. O torque de composição adicional impõe tensões mais altas na conexão que podem exceder a resistência de escoamento do pino e caixa e causar falha no orifício para baixo. Para evitar a possibilidade de falha, o torque de composição de superfície deverá ser mais alta que o torque de perfuração. Conseqüentemente, a indústria de ferramentas de juntas de tubo de perfuração desenvolveu as chamadas “ferramentas de juntas de flancos duplos” que possuem características de resistência de torque mais altas que ferramentas de juntas API, permitindo torque de superfície mais alta. Ferramentas de juntas de flancos duplos não apenas possuem flanco de composição externa, mas também flanco de composição interna e dimensões que causam a composição dos dois flancos sob condições de alto torque.
[005] Conforme descrito no documento US2.532.632, ferramentas de juntas de flancos duplos não apenas possuem flanco de composição externo, mas flanco de composição interno e dimensões que fazem com que os dois flancos se componham sob condições de alto torque. Ferramenta de junta de flancos duplos pode possuir resistência de escoamento de torção substancialmente mais alta (em comparação com ferramenta de juntas API) sem nenhuma espessura adicional no pino ou caixa e sem aumentar a resistência de escoamento do aço.
[006] O estado da técnica lutou para atingir características de operação cada vez melhores para ferramenta de junta de flancos duplos por meio de ajuste de dimensões de elementos que caracterizam essa junta. Esses elementos incluem os comprimentos relativos do rebaixo de caixa, base de pino, a extremidade de pino e as roscas; a espessura da seção transversal relativa do rebaixo de caixa e a extremidade de pino; e as dimensões relativas dos diâmetros interno e externo da ferramenta de junta.
[007] Uma conexão com flancos duplos também é descrita em US 4.558.431. A caixa é equipada com flanco interno localizado abaixo das suas roscas. O pino possui face sobre sua extremidade que coincide com o flanco interno na caixa. As dimensões do pino e da caixa são selecionadas de tal forma que, quando fixada manualmente, a face de caixa entra em contato com o flanco externo do pino. Existe espaço entre a face de extremidade de pino e o flanco interno da caixa. Quando a ferramenta de junta for totalmente composta até a sua força de composição normal, a face de caixa encaixa o flanco de composição externo até a pressão de contato normal. Espaço fixado manualmente é selecionado de tal forma que a face de pino exerça pouca ou nenhuma pressão contra o flanco interno em toque de composição normal.
[008] O documento US 4.548.431 mencionado acima especifica que as seções de rebaixo de caixa e base de pino possuem um comprimento de pelo menos um terço do comprimento das roscas encaixadas, e que a extremidade de pino deverá ter comprimento de pelo menos um sexto do comprimento das roscas encaixadas. Para a ferramenta de junta com flancos duplos, descrita em US 4.548.431, com diâmetro externo de 12,7 cm e diâmetro interno de 6,8 cm, o torque para gerar a seção base do pino ou a seção de rebaixo da caixa para junta com flancos duplos é de 7.073 quilogramas metro (25.583 libras por pé) em comparação com 5.000 quilogramas metro (18.100 libras por pé) para ferramenta de junta API com o mesmo diâmetro externo e diâmetro interno. A seção de rebaixo longo abaixa a resistência até a deflexão, de forma a permitir tolerâncias de fabricação razoáveis para o espaço fixado manualmente. A seção de rebaixo longo, entretanto, tende a deformar-se para fora sob alto torque.
[009] Outros na indústria selecionam o espaço fixado manualmente de forma que o flanco interno seja substancialmente carregado no torque de superfície projetada. Projetado desta forma, o flanco interno permite torque de composição com superfície maior e pode, portanto, ser utilizado de forma segura em poços que necessitam de torque de perfuração maior. Quando a ferramenta de junta é fixada abaixo da condição fixada manualmente inicial, o rebaixo da caixa e a seção base de pino sofrem deflexão. Esta deflexão permite que a face de pino feche o espaço fixado manualmente e encaixe-se contra o flanco interno. O carregamento da face de pino e flanco interno ocorre antes do surgimento de qualquer deformação permanente que ocorra nas seções base de pino e rebaixo de caixa.
[010] Expandindo o conceito de ter o flanco interno carregado em torque de composição de superfície, o documento US 6.513.804 descreve ainda outro projeto de ferramenta de junta com flancos duplos, no qual o flanco interno compõe em primeiro lugar, pois o comprimento do flanco externo do pino até a extremidade do pino é maior que o comprimento da face de caixa até o flanco interno da caixa. A extremidade de pino é especificada para que tenha duas vezes o comprimento do rebaixo de caixa. O contato do flanco interno antes do flanco externo cria risco de que o flanco externo não pode ser suficientemente carregado para efetuar vedação. A extremidade de pino extra-longo tenta superar este risco por meio de redução da resistência da extremidade à deflexão.
[011] O documento US5.492.375 descreve outro projeto de ferramenta de junta de flancos duplos com ênfase na otimização da resistência de torção de conexão com flancos duplos. A otimização é atingida considerando-se que, sob condições de alto torque, as roscas estão muito próximas, mas não exatamente com falha do corte antes do escoamento da extremidade de pino e rebaixo de caixa ou base de pino. US 5.492.375 especifica que o comprimento da seção rosqueada encaixada do pino, que determina que a área de corte das roscas seja tal que At seja igual ou apenas levemente maior que 1,73 (Al + An), em que Al é o menor dentre a área da seção transversal da base de pino ou do rebaixo de caixa e An é a área de seção transversal da extremidade de pino. A otimização por meio deste método fornece aumentos apenas pequenos da resistência de torção de conexão.
[012] O documento US5.908.212 descreve outro projeto de ferramenta de junta com flancos duplos requerendo (1) que a soma da área de seção transversal do rebaixo de caixa, mais a área de seção transversal da extremidade de pino, seja de pelo menos 70% da área de seção transversal da caixa; (2) que a conicidade das roscas seja de menos de 8,3 centímetros por metro (uma polegada por pé); e (3) que o comprimento axial da seção de rebaixo seja de pelo menos 3,8 cm.
[013] Um rosqueamento cônico raso aumenta dramaticamente a resistência do flanco interno e, portanto, aumenta a resistência de torção da conexão. Entretanto, juntas de tubos de perfuração com rosqueamento cônico rasos necessitam de substancialmente mais rotações do pino com a caixa durante a composição, em comparação com ferramentas de juntas API convencionais. O tempo de montagem adicional necessário para compor estas conexões é muito caro e indesejável. A conicidade rasa também dificulta o enroscamento e retirada de enroscamento da conexão, pois a conexão deve ser cuidadosamente alinhada para evitar interferências de roscas e atrito. Além disso, o rosqueamento cônico raso necessita de grande perda do comprimento de ferramenta de junta limitado quando a conexão for retrabalhada após desgaste ou lesão.
[014] As juntas do estado da técnica também fornecem projetos de formas de roscas convencionais que inibem características de torção de escoamento ideais para juntas de tubos geral e, particularmente, para juntas de tubos de perfuração com flancos duplos.
[015] As ferramentas de juntas do estado da técnica também são caracterizadas por forma de rosca com conicidade de crista que coincide com a conicidade das roscas. A Figura 5 dos desenhos anexos ilustra uma forma de rosca do estado da técnica em que a conicidade da crista 41 é igual à conicidade geral Tth das roscas. Forma de rosca em geral é caracterizada por raiz de rosca 39, flanco de carregamento 35, crista 41, raio de carregamento de crista 43, raio de rosqueamento de crista 45 e flanco de rosqueamento 33. Ao rosquear elementos da junta de tubo de perfuração (ou seja, rosqueamento de pino em caixa), é inevitável que cristas de um elemento ocasionalmente venham a repousar sobre as cristas de roscas do outro. As Figuras 6A, 6B e 6C ilustram pino 5 e caixa 5’ do estado da técnica sendo puncionados entre si, em que as Figuras 6B e 6C exibem seções transversais das roscas do pino 5 e caixa 5’. A Figura 6B exibe as cristas 41 do pino 5 em repouso sobre as cristas de roscas 41 ’ da caixa 5’. Como exibe a Figura 6C, rotação de até meia volta é necessária para mover o pino 5 axialmente com relação à caixa 5’ para passar o contato entre a crista 41 e a crista 41 ’ e causar o contato entre o flanco de rosqueamento 33 e o flanco de rosqueamento 33’. Caso o contato entre as cristas ocorra com impacto, os flancos de carregamento 36 e 36’, flancos de rosqueamento 33 e 33’ ou ambos podem ser danificados permanentemente perto das cristas 41 e 41 ’, especialmente devido aos pequenos raios de flancos entre crista e carregamento e crista e rosqueamento tipicamente encontrados em ferramentas de juntas convencionais. Mesmo se não ocorrer lesão durante o rosqueamento, as cristas de ferramentas de juntas de pinos 41 podem calçar-se na ferramenta de junta de caixa 5’. Essa ação de calçamento é exacerbada pelo impacto. À medida que a conicidade de rosca é reduzida, a ação de calçamento fica pior. Rara fator de fricção de 0,08, as cristas de roscas 41 e 41’ são auto-sustentantes para conicidades de roscas com menos de 16,8 centímetros por metro (duas polegadas por pé). Meios auto-sustentantes indicam que as ferramentas de juntas devem ser separadas à força. Forçar as roscas para além do calçamento das cristas de roscas pode eventualmente gerar atrito ou outros danos.
Identificação de Objetos da Invenção [016] É objeto principal da presente invenção fornecer uma conexão de eixo de perfuração, particularmente para ferramenta de junta de tubo de perfuração com características de torque aprimoradas.
[017] Outro objeto da presente invenção é o fornecimento de ferramenta de junta de tubo de perfuração com características de torque aprimoradas, que possui simultaneamente voltas de composição características de ferramenta de junta API convencional.
[018] É objetivo específico da presente invenção o fornecimento de ferramenta de junta de tubo de perfuração que é caracterizada por resistência de torção que é pelo menos cerca de 50% ou mais que a de conexão convencional com tamanho comparável e com voltas de composição aproximadamente idênticas à conexão convencional.
[019] Outro objeto da presente Invenção é o fornecimento de ferramenta de junta de tubo de perfuração com flancos duplos com forma de rosca aprimorada em combinação com conicidade de rosca ideal, de forma a resultarem características de torque aprimoradas.
[020] Outro objeto da presente invenção é o fornecimento de ferramenta de junta com projeto de rosca que fornece características de rosqueamento aprimorados quando o pino é puncionado na caixa durante a composição.
[021] Outro objeto da presente invenção é o fornecimento de projeto de ferramenta de junta com comprimento de rebaixo de caixa menor ou igual ao comprimento de extremidade de pino, a fim de evitar empenamento das caixas.
[022] Outro objeto da presente invenção é o fornecimento de projeto de ferramenta de junta caracterizado por tensões de flanco primário e de flanco secundário dentro de faixa de 70% entre si para otimização da capacidade de condução de carga dentro de tolerâncias de fabricação.
[023] Outro objeto da presente invenção é o fornecimento de forma de rosca para ferramentas de juntas em que o calçamento entre cristas de roscas durante o atrito é substancialmente evitado.
[024] Outro objeto da presente invenção é o fornecimento de forma de rosca para ferramentas de juntas que permite que as roscas de pinos centralizem-se mais facilmente nas roscas de caixas ao mesmo tempo em que fornecem formato mais enrugado com crista mais estreita sem reduzir a área de contato do flanco de carregamento.
[025] Outro objeto da presente invenção é o fornecimento de forma de rosca que (1) forneça concentração de tensão reduzida na raiz de rosca, maximizando ao mesmo tempo a área de contato do flanco de carregamento e minimizando a profundidade de rosca; (2) permita áreas críticas maiores nos flancos primário e secundário de ferramenta de junta com flancos duplos, de forma a fornecer maior capacidade de torque da junta; e (3) reduz a probabilidade de obstrução da conexão.
[026] Outro objeto específico da presente invenção é o fornecimento de ferramenta de junta de tubo de perfuração com flancos duplos caracterizado por extremidade de pino e comprimentos de rebaixo, de tal forma que tensões nos flancos primário e secundário aumentem em velocidade similar à aplicação de aumentos de torque de conexão à conexão.
[027] Outro objeto da presente invenção é o fornecimento de ferramenta de junta com maior espessura de parede oposta às roscas, a fim de fornecer maior resistência de conexão.
Descrição Resumida da Invenção [028] Os objetos descritos acima, junto com outras características e vantagens da presente invenção, são incorporados em junta de conexão com flancos duplos que possui área de seção transversal de extremidade de pino que possui pelo menos 50% do tamanho da menor dentre a área de seção transversal do rebaixo de caixa ou a base de pino e que possui roscas que são cônicas dentro de faixa de cerca de 8,3 a 9,96 centímetros por metro (1,0 a 1,2 polegadas por pé)s preferencialmente cerca de 9,3 centímetros por metro (1,125 polegadas por pé). Uma conicidade preferida é definida entre limite inferior de 8,3 centímetros por metro (1,0 polegada por pé), abaixo do qual as voltas de rosqueamento para ajuste geralmente excedem a necessária para ferramentas de juntas API. O limite superior de 9,96 centímetros por metro (1,2 polegadas por pé) é limite acima do qual o torque de escoamento para a ferramenta de junta cai significativamente abaixo de 150% do torque de torção da resistência de escoamento de conexão API convencional com tamanho comparável. A conicidade preferida possui cerca de 9,33 centímetros por metro (1 1/8 polegadas por pé). Com o tamanho de seção transversal da extremidade de pino especificado acima, o comprimento da extremidade de pino é fornecido como sendo de cerca de 1,0 a 1,5 vezes o comprimento do rebaixo, a fim de atingir tensões de flancos primário e secundário aumentando em velocidade similar à medida que aumentos de torque são aplicados à conexão.
[029] A forma de rosca das roscas interna e externa da junta de tubo com flancos duplos é caracterizada por profundidade de rosca h medida entre raio principal DmJ2 e raio menor oW2 que é cerca da metade da altura (H) de triângulo fundamental das roscas, [030] As roscas interna e externa também são caracterizadas por ângulo de flanco de rosqueamento de cerca de 35 a cerca de 42 graus e ângulo de flanco de carregamento de cerca de 25 a 34 graus. O ângulo de flanco de rosqueamento preferido é de cerca de quarenta graus e o ângulo de flanco de carregamento preferido é de cerca de trinta graus, O ângulo de flanco de rosqueamento de quarenta graus permite que a conexão se centralize mais facilmente após o seu rosqueamento {em comparação com ângulo de flanco de rosqueamento de trinta graus convencional), fornecendo também formato mais enrugado e crista mais estreita, sem reduzir a área de contato do flanco de carregamento. O raio de crista e rosqueamento da disposição de tubo de perfuração preferida é ampliado além de forma de rosca convencional, [031] As roscas também são caracterizadas pela formação das raízes das roscas em forma de parte de elipse. Além disso, as cristas possuem conicídade de cristas que se inclina em ângulo oposto ao do ângulo de conicídade de rosca, A inclinação da conicídade de crista em ângulo oposto ao do ângulo de conicídade de rosca torna o calçamento entre cristas improvável quando as roscas de caixa e pino sáo puncionadas entre si.
[032] A estrutura da forma de rosca produz as vantagens dos objetos identificados acima, pois (1) fornece concentração de tensão reduzida na raiz de rosca, mantendo ao mesmo tempo área máxima de contato do flanco de carregamento e profundidade mínima de rosca; (2) permite áreas críticas maiores nos flancos primário e secundário de ferramenta de junta com flancos duplos, de forma a fornecer maior capacidade de forque da junta; e (3) reduz a probabilidade de obstrução da conexão.
[033] A forma de rosca é caracterizada por passo de rosca de cerca de 6,35 mm ou mais. O passo de rosca preferido é de cerca de 7,26 mm. A junta de tubo de perfuração preferida também é caracterizada pelo comprimento da seção de extremidade de pino, que é de cerca de 31,75 mm, em que o comprimento da seção de rebaixo é de cerca de 2,54 cm. A área de seção transversal da seção de rebaixo da caixa, a área de seção transversal da seção de pino na extremidade de pino, a área de seção transversal da seção de pino oposta ao rebaixo de caixa e o comprimento das roscas conectadas é selecionada, de tal forma que a resistência das roscas conectadas ao aplicar-se torque seja substancial mente maior que a resistência na extremidade de pino ou no rebaixo de caixa ou a seção transversal do pino oposto ao rebaixo de caixa.
[034] A ferramenta de junta de acordo com a presente invenção também é caracterizada por ter diâmetro interno que varia em função do comprimento de ferramenta de junta, de tal forma que a parede da ferramenta de junta seja mais espessa em oposição às roscas que nas suas extremidades, a fim de fornecer maior resistência à conexão nas roscas.
Breve Descrição das Figuras [035] As Figuras anexas ao presente ilustram uma realização preferida da presente invenção, nas quais: - a Figura 1 é uma seção transversal das duas seções de tubos de perfuração unidas entre as extremidades por ferramenta de junta de acordo com a presente invenção; - a Figura 2 é uma ilustração em seção transversal ampliada da ferramenta de junta que exibe membros de pino e de caixa compostos e exibindo roscas cônicas e forma de rosca de acordo com a presente invenção; - a Figura 3 é uma seção transversal ampliada de forma de rosca das roscas de pinos e roscas de caixas, exibindo flancos de carregamento e rosqueamento, formas de crista e raiz e conicidade de acordo com a presente invenção; - a Figura 4 é uma seção transversal ampliada da seção de crista da forma de rosca que demonstra que a crista das roscas é cônica em ângulo oposto à conicidade das roscas; - a Figura 5 ilustra a forma de rosca do estado da técnica com disposição de crista convencional que se estreita (conifica) no mesmo ângulo das roscas; - as Figuras 6A, 6B e 6C ilustram o possível calçamento de cristas de ferramentas de juntas puncionadas do estado da técnica, em que ângulos de conicidade de cristas convencionais coincidem com os das roscas; - as Figuras 7A, 7B e 7C ilustram o rosqueamento de roscas de caixas e pinos de ferramenta de junta com forma de rosca que possui crista de rosca como na Figura 6, que desliza em direção oposta à conicidade de rosca; - as Figuras 8A e 8B ilustram que ângulo de flanco de rosqueamento maior e raio de rosqueamento e crista grande da forma de rosca da Figura 5 permite que as roscas de pinos centralizem-se nas roscas de caixas mais facilmente que com formas de roscas convencionais; e - a Figura 9 é um gráfico que exibe uma série de valores de conicidade aceitáveis para realização preferida da ferramenta de junta de flancos duplos de acordo com a presente invenção, que demonstra que uma conicidade grande demais reduz o torque de escoamento da conexão, mas uma conicidade pequena demais requer voltas excessivas de rosqueamento para encaixe da conexão.
Descrição Detalhada da Invenção [036] A descrição abaixo relata as realizações preferidas por meio de referência às figuras anexas, que incluem números de referência a partes do conjunto de ferramentas e ferramenta de junta de acordo com a presente invenção. Segue-se a correspondência entre números de referência e partes;
Descrição do Tübo de Perfuração com Ferramemta de Junta [037] A Figura 1 ilustra tubos de perfuração inferior e superior 2, 2' conectados entre si por meio de ferramenta de junta 4 de acordo com a presente invenção. Os tubos de perfuração 2, 2’ possuem partes de conjunto superior 3, 3’ que possuem espessura de parede maior para as soldas 6, 6' nas extremidades do tubo de perfuração para as extremidades da ferramenta de junta 4. O diâmetro externo dos tubos 3, 3’ é indicado como Pqd, enquanto o diâmetro interno do tubo, para quase todo o seu comprimento 30’, é indicado como Pio- O diâmetro interno das extremidades do tubo 3, 3’ na parte de conjunto superior é indicado como PU/o, que coincide aproximadamente com o diâmetro interno TJSD das extremidades de solda da ferramenta de junta. Embora o diâmetro externo da ferramenta de junta TJod seja substancialmente constante ao longo do comprimento da ferramenta de junta Ltj, o diâmetro interno da ferramenta de junta estreita-se a partir de TJtou nas extremidades de solda da junta de TJiD2 para a seção adjacente às roscas do pino 10 e da caixa 12. Segundo a presente invenção, TJtoe pode ter diâmetro 3,2 mm (ou mais) maior que TJidi, a fim de fornecer espessura de parede maior para a seção rosqueada da ferramenta de junta 4. Concluiu-se que, embora diâmetro interno pequeno demais para a ferramenta de junta possa reduzir as velocidades de fluxo de fluido permissíveis durante operações de perfuração, pequena redução de 3,2 mm ou 6,3 mm de diâmetro interno ao longo de pequeno comprimento pode ser tolerada, fornecendo ao mesmo tempo aumento significativo da resistência de torque da junta. Prefere-se que o comprimento da ferramenta de junta em que TJ/D2 aplica-se não seja maior que cerca de 2/3 do comprimento total da ferramenta de junta.
[038] A Figura 2 ilustra a ferramenta de junta com flancos duplos totalmente composta. Segundo realização preferida da presente invenção, a área de seção transversal da extremidade de pino CSpn possui pelo menos 50% do tamanho da menor dentre a área de seção transversal do rebaixo de caixa CSbc ou a área de seção transversal da base de pino CSpb. Esse relacionamento das áreas de extremidade de pino, base de pino e seção transversal de rebaixo resulta em aumento de pelo menos 50% da resistência de torção da conexão 4 em comparação com conexão API convencional com tamanho comparável. Além disso, conforme explicado abaixo, a conicidade de rosca das roscas de caixa 20 e das roscas de pinos 18 deverá estar em faixa de cerca de 8,3 centímetros por metro (1 polegada por pé) e 9,96 centímetros por metro (1,2 polegada por pé) e, preferencialmente, cerca de 9,33 centímetros por metro (1-1/8” polegada por metro). Além disso, com a seção transversal de base de pino CSpn sendo cerca de 50% menor que a seção transversal de rebaixo de caixa CSbc, o comprimento da extremidade de pino Lpn deverá ser cerca de uma a uma e meia vezes o comprimento de rebaixo Lbc para que as tensões nos flancos PS primário e SS secundário aumentem aproximadamente à mesma velocidade da aplicação de torque à conexão.
[039] É essencial que, ao aplicar-se torque excessivo à ferramenta de junta, as roscas 18 e 20 não apresentem falha de corte antes do escoamento ou deformação do rebaixo de caixa 14 ou da extremidade de pino 22, ou antes do escoamento da seção transversal da base de pino 16 em lado oposto ao rebaixo da caixa. Consequentemente, a área de seção transversal da extremidade de pino CSpn e o comprimento Lth das roscas internas 20 conectadas às roscas externas 18 e a seção transversal do rebaixo de caixa CSbc e o comprimento de rebaixo Lpn são projetadas e dispostas conforme especificado acima, de tal forma que a resistência das roscas conectadas seja maior que a resistência de torque da extremidade de pino 22 ou do rebaixo de caixa 14. Como a falha de rosca é pior que o escoamento do pino ou de caixa, fator de segurança na resistência de rosca é fornecido para a realização preferida da presente invenção, mesmo se não resultar otimização exata da resistência de torção de conexão. O fator de segurança preferido em resistência de rosca é fornecido com a seção transversal da extremidade de pino CSpn sendo tão grande quanto a seção transversal do rebaixo de caixa CSbc- [040] A Figura 9 ilustra estudo paramétrico para realização preferida da presente invenção (ou seja, com CSpn ^ 0,5 CSbc, CSpn ^ 0,5 CSpb e Lpn = (1,0 a 1,5) Lbc), passo de rosca de 7,26 mm (3,5 roscas/polegada), profundidade de rosca de cerca de 2,54 mm e diâmetro de passo de cerca de 96,5 mm exibindo dois parâmetros que caracterizam a ferramenta de junta de acordo com a presente invenção plotados em função de conicidade de rosca em centímetros por metro (polegadas/pés). O eixo y ou das ordenadas esquerdo representa a razão de torque de escoamento da conexão das Figuras 2 e 3 e o torque de escoamento de conexão API (tal como NC 38). A curva marcada “Torque de Escoamento da Invenção/Torque de Escoamento API (%)” demonstra que a conexão das Figuras 2 e 3 produz torque de escoamento mais alta, em comparação com conexões API, com reduções de conicidade de rosca de 16,6 cm/m para 4,15 cm/m (2 pol/pé para 1/2 pol/pé). A razão de torque de escoamento é de cerca de 150% em conicidade de rosca de 9,33 cm/m (1-1/8 pol/pé).
[041] A ordenada direita representa parâmetro que indica quantas voltas leva para que a conexão atinja condição fixada após o rosqueamento inicial. A curva, marcada “aplainado a fixação por volta”, demonstra que, para a conexão com conicidade de 4,15 cm/m (½ pol/pé), uma volta produz apenas cerca de 7% do trajeto axial necessário a partir das roscas para atingir a fixação. Por outro lado, para conicidade de 16,6 cm/m (2 pol/pé), uma volta produz cerca de 35% do trajeto axial das roscas até atingir a fixação. A curva de rosqueamento a fixação indica que, para conicidade de 9,33 cm/m (1-1/8 pol/pé), a razão entre rosqueamento e fixação é de cerca de 17%. Em outras palavras, leva cerca de seis voltas para atingir fixação a partir do rosqueamento inicial para a conexão com conicidade de 9,33 (1-1/8 pol/pé).
[042] Foi constatada uma série de conicidades para a realização preferida da ferramenta de junta descrita acima que produzem velocidade aceitável ao compor a conexão, mantendo ao mesmo tempo resistência de torção aumentada de cerca de 150% de conexão API convencional. Como ilustra a Figura 9, limite inferior de conicidade de cerca de 8,3 cm/m (1 pol/pé) e limite superior de conicidade de cerca de 9,96 cm/m (1,20 pol/pé) produz limites aceitáveis de voltas de rosqueamento para fixação de cerca de 6,5 voltas e 5,5 voltas. Esta faixa é aceitável, sem sacrificar reduções significativas de torque maximizada de cerca de 150% em comparação com conexão API. A conicidade de rosca de cerca de 9,33 (1-1/8) é preferido para manter torque de alto rendimento (tal como 150% de conexão API) da conexão, mantendo simultaneamente ao mesmo tempo o número de voltas (cerca de seis voltas) até atingir fixação a partir do rosqueamento inicial o mais rapidamente possível.
[043] Conforme indicado acima, a faixa de conicidade de 8,3 cm/m a 9,96 cm/m (1 pol/pé a 1-1/5 pol/pé) resulta em faixa de 6,5 voltas a 5,5 voltas para a realização preferida especificada com passo de 7,26 mm (3,5 roscas/pol). Caso o parâmetro da forma de rosca seja relaxada, tal como se o passo for de 6,35 mm (4 roscas/pol), a conicidade de 8,3 cm/m (1 pol/pé) resulta em cerca de oito voltas necessárias do rosqueamento até a fixação, valor aproximadamente idêntico ao de conexão de API convencional, [044] Dentro da faixa de conicidade de 8,3 a 9,96 cm/m (1 a 1-1/5 (1,2) pol/pé), as outras variáveis de forma de rosca (passo, diâmetro de passo, diâmetro maior e diâmetro menor) que afetam o torque de escoamento e voltas até a fixação podem ser ajustadas a partir da realização especificada acima. Caso o passo seja reduzido, por exemplo, de 7,26 mm (3,5 voltas/pol) para 6,35 mm (4 voltas/pol) com as demais variáveis constantes, as voltas necessárias do rosqueamento até a fixação para conicidade de 8,3 cm/m (1 pol/pé) seriam menos de oito voltas.
[045] A Figura 2 ilustra realização preferida da ferramenta de junta com flancos duplos de acordo com a presente invenção totalmente composta. Segundo a realização, a conicidade de rosca das roscas de caixa 20 e as roscas de pinos 18 deverão estar em faixa de cerca de 8,3 cm/m (1 pol/pé) e 9,96 cm/m (1,2 pol/pé), preferencialmente cerca de 9,33 cm/m (1-1/8" por pé).
Descrição de Forma de Rosca Preferida da Ferramenta de junta de Tubo de Perfuração [046] As Figuras 2 e 3 ilustram a forma de rosca das roscas de caixas 20 e roscas de pinos 18 da conexão da Figura 1. Prefere-se que a forma de rosca seja menor ou igual a quatro roscas por polegada, valor comum para roscas API. Além disso, conforme ilustrado especificamente na Figura 3, as roscas deverão possuir profundidade de rosca h medida entre raio maior DmJ2 e raio menor φ/2 que é cerca da metade da altura de triângulo fundamental 48 que define as roscas. A disposição permite que as áreas críticas maiores dos flancos primário e secundário e, por fim, produz aumento adicional da capacidade de torque da junta. Além disso, as roscas internas 20 e as roscas externas 18 deverão possuir flanco de rosqueamento 34 que realiza ângulo <% com o triângulo fundamental 48 de cerca de 35 a cerca de 42 graus e ângulo de flanco de carregamento &p de cerca de 25 a cerca de 34 graus. Preferencialmente, o ângulo de flanco de rosqueamento &s é de cerca de quarenta graus e o ângulo de flanco de carregamento é de cerca de trinta graus.
[047] A forma de rosca da Figura 3 também é caracterizada por cristas 42 com forma de transição 44 entre flanco de carregamento e crista 42. A forma de transição 44 é caracterizada na forma de raio que é menor ou igual a 0,3 mm, de forma a fornecer grande flanco de carregamento 36. Forma de transição 46 entre o flanco de rosqueamento 34 e a crista 42 é maior ou igual a raio de cerca de 1,85 mm, de forma a reduzir a largura da crista de rosca e permitir entrada gradual da rosca de emparelhamento durante o rosqueamento e composição. As raízes 40 da forma de rosca de acordo com a presente invenção são moldadas na forma de elipse E que possui eixo maior Emj e eixo menor Emi A forma de raiz 40 é selecionada para fornecer transição suave com o flanco de rosqueamento 34 e o flanco de pressão 36. A forma de elipse E produz fator de concentração de tensão menor que raio de raiz de 0,97 mm.
[048] Como se pode observar na ampliação da crista de rosca 42 na Figura 4, o topo da crista 42 inclina-se com conicidade de crista Tc em ângulo oposto ao da conicidade de rosca Tth, Preferencialmente, a conicidade de crista é de cerca de um grau. A descrição acima de formas de rosca do estado da técnica por meio de referência às Figuras 5 e 6A, 6B e 6C demonstra que a conicidade de crista 41 que possui ângulo aproximadamente igual ao conicidade de rosca Tth pode produzir calçamento das roscas. Partes convencionais das formas de rosca são marcadas: raiz de rosca 39, flanco de rosqueamento 33, flanco de carregamento 35, transição do flanco de carregamento para a crista 43 e transição da crista para o flanco de rosqueamento 45. Forma de rosca com conicidade de crista Tc em ângulo oposto ao da conicidade de rosca Tth permite que o pino seja puncionado mais facilmente na caixa. As Figuras 7A, 7B e 7C ilustram a vantagem, em que a Figura 7A é vista lateral de pino 10 que é puncionado em caixa 12 da ferramenta de junta e as Figuras 7B e 7C exibem o efeito do ângulo reverso Tc das cristas das roscas. Conforme observado na vista ampliada da Figura 7C, o calçamento entre cristas das cristas 42, 42’ é improvável durante o rosqueamento devido às inclinações de crista que estão em direção oposta à conicidade de rosca. As Figuras 7A a 7C ilustram esta vantagem por meio de referência às formas de rosca do estado da técnica convencionais exibidas em relacionamento de rosqueamento das Figuras 6A a 6C.
[049] Conforme indicado acima, o ângulo de flanco de rosqueamento &s é aumentada de 30- convencionais para 40Q preferidos. Também se menciona acima que, de acordo com a presente invenção, a forma de transição entre crista e flanco de rosqueamento 42 é aumentado até 1,85 mm ou raio maior. &s maior e a forma de transição entre crista e flanco de rosqueamento grande permite que a conexão centralize-se mais facilmente após o rosqueamento. As Figuras 8A e 8B ilustram o efeito. Os pinos da Figura 8A ilustram seu rosqueamento na caixa 12 em ângulo da linha central da caixa 12. Devido ao maior ângulo de rosqueamento &s e à maior forma de transição entre crista e flanco de rosqueamento, o pino 10 move-se em alinhamento com a linha central da caixa 12 mais facilmente. Além disso, a probabilidade de obstrução da conexão é reduzida, pois há menos material no caminho.
Claims (23)
1. JUNTA DE CONEXÃO com flancos duplos (4) para uso em um eixo de perfuração que possui: - um pino (10) com roscas externas (18) formadas entre um flanco externo de pino (30) e uma face de pino (26); - uma caixa (12) com roscas internas {20} formadas entre um flanco externo de caixa (28) e um flanco interno de caixa (24); em que a caixa (12) possui uma seção de rebaixo (14) entre as roscas internas (20) e o flanco externo da caixa (28); em que o pino possui uma seção base (16) entre o flanco externo (30) e as roscas externas (18) e uma seção de extremidade (22) entre a face de pino externo (26) e as roscas externas (18); em que as mencionadas roscas internas (20) e as mencionadas roscas externas (18) compreendem um flanco de carregamento (36) e um flanco de rosqueamento (34), as roscas internas (20) e as roscas externas (18) sendo dispostas e projetadas para conexão entre si, de tal forma que a mencionada caixa (12) e o mencionado pino (10) são conectados com uma linha central comum (Cf L) e com um flanco primário de vedação (PS) formado pelo mencionado flanco externo de pino (30) forçado contra o mencionado flanco externo de caixa (28) e um flanco secundário (SS) formado pela mencionada face de pino (26) forçada contra o mencionado flanco interno de caixa (24); e em que a mencionada junta de conexão é caracterizada pelo fato de que as mencionadas roscas internas (20) e as mencionadas roscas externas (18) que possuem uma conicidade de rosca (Tlf}) sendo maior que uma conicidade de rosca (Tth de 8,3 centímetros por metro (1,0 polegada por pé) e que é menor que limite superior (Tth superior) de 9,96 centímetros por metro (1,2 polegadas por pé).
2. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as características de forma de rosca de passo, diâmetro maior de rosca e diâmetro de passo de rosca sâo dispostas e projetadas de forma que menos de oito voltas sejam necessárias do rosqueamento até a fixação.
3. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada pelo fato das mencionadas voltas necessárias do rosqueamento até a fixação ser de seis voltas com uma conicidade de rosca de 9,33 centímetro por metro (1,125 polegadas por pé).
4. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que as mencionadas roscas externa e interna compreendem uma profundidade de rosca (h), medida entre um raio maior {DMJ2) e um raio menor (dW2), que é de até metade ou menos da altura (H) de um triângulo fundamental das roscas.
5. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que as mencionadas roscas internas (20) e as mencionadas roscas externas (18) compreendem um ângulo de flanco de rosqueamento (<9S) entre 35 e 42 graus e um ângulo de flanco de carregamento (θΡ) entre 25 e 34 graus.
6. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com a reivindicação 5. caracterizada pelo fato de que o mencionado ângulo de flanco de rosqueamento ¢6¾) é de 40 (quarenta) graus e o mencionado ângulo de flanco de carregamento (Θρ) é de 30 (trinta) graus.
7. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que as raízes das mencionadas roscas internas (20) e das mencionadas roscas externas (18) são formadas em um formato de uma parte de uma elipse (E).
8. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que: as mencionadas roscas internas (20) e as mencionadas roscas externas (18) compreendem cristas que possuem uma conicidade de crista (Tb) que se inclina em uma direção oposta à da mencionada conicidade de rosca (T#,).
9. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que: as mencionadas roscas internas (20) e as mencionadas roscas externas (18) compreendem cristas; e uma forma de transição (44) entre o mencionado flanco de carregamento (36) e a mencionada crista (42) inclui um raio de curvatura menor ou igual a 0,3 mm; de forma a fornecer um flanco de elevado carregamento.
10. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que: as mencionadas roscas internas (20) e as mencionadas roscas externas (18) compreendem cristas e larguras de cristas de roscas formadas por meio da truncagem das roscas de uma altura total (H); e uma forma de transição (46) entre o mencionado flanco de rosqueamento (34) e da mencionada crista (42) inclui um raio de curvatura de mais de 80% da mencionada largura de crista de rosca, de forma a permitir uma entrada gradual da rosca de emparelhamento durante o rosqueamento e a composição.
11. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que as raízes das mencionadas roscas internas (20) e das mencionadas roscas externas (18) compreendem um formato elíptico que produz um fator de concentração de tensão menor que um raio de raiz de 0,97 mm.
12. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de que as mencionadas roscas internas (20) e as mencionadas roscas externas (18) compreendem uma forma de rosca com uma passo de 6,35 mm ou mais.
13. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de que a mencionada seção da extremidade (22) do mencionado pino (10) possui um comprimento (Lpn) maior ou igual a um comprimento (Lbc) da mencionada seção de rebaixo (14).
14. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de que o mencionado comprimento (Lpn) da mencionada seção da extremidade de pino (22) é de 3,17 cm e o mencionado comprimento (Lbc) da mencionada seção de rebaixo (14) é de 2,54 cm.
15. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizada pelo fato de que possui uma área de seção transversal da extremidade de pino, uma área de seção transversal de caixa de um rebaixo e um comprimento (Lth) das mencionadas roscas internas (20) conectadas às mencionadas roscas externas (18) que são projetadas e dispostas de forma que o torque aplicado à conexão montada causa a primeira ocorrência de escoamento substancial na mais fraca dentre: a seção de base de pino; ou a seção de rebaixo de caixa ou da extremidade de pino.
16. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizada pelo fato de que: quando o mencionado pino (10) e a mencionada caixa (12) estiverem conectados entre si, o mencionado flanco externo de caixa (28) e o mencionado flanco externo de pino (30) definem um Flanco Primário (PS) e a mencionada face de pino (26) e o mencionado flanco interno de caixa (24) definem um Flanco Secundário (SS); e o mencionado comprimento de extremidade de pino (Lpn), o mencionado comprimento de rebaixo (Lbc), um comprimento (Lth) das mencionadas roscas internas (20) conectadas às mencionadas roscas externas (18), área de seção transversal da extremidade de pino (CSpw), área de rebaixo de caixa (CSec), área de seção de base de pino e diâmetros externo e interno de ferramenta de junta (TJqd, TJio.?) são selecionados, em que a tensão do flanco secundário (SS) e do flanco primário (PS) na composição de superfície encontram-se em até 70% entre si, dependendo das tolerâncias de fabricação dos mencionados comprimentos, áreas e diâmetros,
17. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada pelo fato de que: a mencionada conicidade de rosca (7>«) é de 9,33 centímetros por metros (1,125 polegadas por pé); as mencionadas roscas externa e interna compreendem uma profundidade de rosca (h), medida entre um raio maior (DMJ2) e um raio menor (cW2), que é até da metade da altura (H) de um triângulo fundamental das roscas; em que as mencionadas roscas internas (20) e as mencionadas roscas externas (18) compreendem um ângulo de flanco de rosqueamento (6>s) de 35 a 42 graus e um ângulo de flanco de carregamento (&P) de 25 a 34 graus,
18, JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada pelo fato de que: a mencionada conicidade de rosca (T,h) é de 9,33 centímetros por metro (1,125 polegadas por pé); o mencionado ângulo de flanco de rosqueamento (6½) é de 40 (quarenta) graus e o mencionado ângulo de flanco de carregamento é de 30 (trinta) graus; raízes das mencionadas roscas internas (20) e das mencionadas roscas externas (18) são moldadas em uma forma de uma parte de uma elipse (£); e as mencionadas roscas internas (20) e as mencionadas roscas externas (18) compreendem cristas que possuem uma conicidade de crista (7c) que se inclina em uma direção oposta a da mencionada conicidade de rosca (7>h)·
19. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com a reivindicação 18, caracterizada pelo fato de que: as mencionadas roscas internas (20) e as mencionadas roscas externas (18) compreendem uma forma de rosca com um passo de 6,35 mm ou mais; o mencionado comprimento (Lpn) da mencionada seção da extremidade de pino (22) é de 31,75 mm e o mencionado comprimento (Lee) da mencionada seção de rebaixo (14) é de 25,4 mm; e a mencionada área de seção transversal da extremidade de pino, em que a mencionada área de seção transversal de rebaixo e um comprimento {Lm} das mencionadas roscas internas (20) conectadas às mencionadas roscas externas (18) são projetados e dispostos de tai forma que a resistência das roscas conectadas com o torque aplicada seja maior que: a resistência da mencionada extremidade de pino (22); ou do mencionado rebaixo de caixa (14); ou da mencionada base de pino.
20. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato de que: quando o mencionado pino (10) e a mencionada caixa (12) são conectados entre si, o mencionado flanco externo de caixa (28) e o mencionado flanco externo de pino (30) definem um Flanco Primário (PS) e a mencionada face de pino (26) e o mencionado flanco interno de caixa (24) definem um Flanco Secundário (SS); e o mencionado comprimento de extremidade de pino (Lpn), o mencionado comprimento de rebaixo (Lee), um comprimento (Lth) das mencionadas roscas internas (20) conectadas às mencionadas roscas externas (18), área de seção transversal da extremidade de pino (CSpn), área de rebaixo de caixa (CSbc) e diâmetros externo e interno de ferramenta de junta (TJod, TJ/D2) são selecionados, em que a tensão longitudinal do flanco secundário (SS) e a tensão longitudinal do flanco primário (PS) no torque de composição da superfície encontram-se em até 70% entre si, dependendo de tolerâncias de fabricação dos mencionados comprimentos, áreas e diâmetros.
21. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com a reivindicação 20, caracterizada pelo fato de que as mencionadas roscas internas (20) e as mencionadas roscas externas (18) possuem uma conicidade (Tth) de 9,3 centímetros por metro (1,125 polegadas por pé).
22. JUNTA DE CONEXÃO, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de: - uma área de seção transversal de extremidade de pino (CSpn) possui tamanho de pelo menos 50% da menor dentre a área da seção transversal de rebaixo de caixa (CSbc) ou a seção transversal da base de pino (CSps); e - o comprimento de extremidade de pino (Lpn) é de 1 a 1,5 vezes o comprimento do rebaixo (Lbc)·
23. JUNTA DE CONEXÃO de acordo com a reivindicação 22, caracterizada pelo fato de que a mencionada seção de rebaixo é definida por um comprimento (Lbc) de 2,54 cm.
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