Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CONEXÃO ROSCADA E SEU CONJUNTO PARA PERFURAÇÃO E EXPLORAÇÃO DE POÇOS DE HIDROCARBONETOS".
[001] A presente invenção refere-se a um conjunto para a produção de uma conexão roscada para a perfuração e exploração de poços de hidrocarbonetos, o conjunto compreende um primeiro e um segundo componente tubular sendo um provido com uma extremidade roscada do tipo macho e sendo o outro provido com uma extremidade roscada do tipo fêmea, sendo as duas extremidades capazes de trabalhar em cooperação por montagem autobloqueante. A invenção também se refere a uma conexão roscada resultante de ligar dois componentes tubulares por montagem.
[002] O termo "componente usado para a perfuração e exploração de poços de hidrocarbonetos" significa qualquer elemento com um formato substancialmente tubular destinado a ser ligado a outro elemento do mesmo tipo ou não de forma a constituir, quando concluida a ligação, quer uma coluna para a perfuração de um poço de hidrocar-bonetos ou um tubo de subida para manutenção tal como um trabalho através do tubo de subida, ou uma camisa de parede espessa da coluna ou tubos de perfuração envolvidos na exploração de um poço. A invenção é de aplicação específica aos componentes usados numa coluna de perfuração, tais como tubos de perfuração, tubos de perfuração pesados, casquilhos de perfuração e as partes que ligam tubos e tubos pesados conhecidas como conexões.
[003] De maneira conhecida, cada componente usado numa coluna de perfuração compreende, em geral, uma extremidade provida com uma zona roscada macho e/ou uma extremidade provida com uma zona roscada fêmea, tendo cada uma a intenção de ser ligada através de montagem com a correspondente extremidade do outro componente, o conjunto define uma conexão. A coluna assim constitu ída é acionada a partir da superfície do poço em rotação durante a perfuração; por esta razão, os componentes têm de ser montados em conjunto com um binário elevado, a fim de ser capaz de transmitir um binário de rotação que seja suficiente para permitir que a perfuração do poço seja realizada sem ruptura ou até mesmo sem sobre-binário. [004] Em produtos convencionais, o binário de montagem é geralmente conseguido graças à cooperação, por aperto, de superfícies contíguas providas em cada um dos componentes que se destinam a ser montados. No entanto, devido ao fato de que a extensão das superfícies contíguas é uma fração da espessura dos tubos, o limite plástico crítico das superfícies contíguas é atingido rapidamente quando é aplicado um binário de montagem muito elevado.
[005] Por esta razão, foram desenvolvidas roscas que podem aliviar as superfícies contíguas de pelo menos uma parte ou mesmo de todas as cargas que elas não são capazes de suportar. O objetivo foi conseguido através do uso de roscas autobloqueantes tais como as descritas nos documento da técnica anterior US Re 30647 e US Re 34467. Neste tipo de roscas autobloqueantes, as roscas (também chamadas dentes) da extremidade macho e as roscas (também chamadas dentes) da extremidade fêmea têm um passo constante, mas as larguras das roscas são variáveis.
[006] Mais precisamente, as larguras das cristas das roscas (ou dentes) aumentam progressivamente para as roscas da extremidade macho, respectivamente da extremidade fêmea, com a distância a partir da extremidade macho, respectivamente a partir da extremidade fêmea. Assim, durante a montagem as roscas (ou dentes) macho e fêmea acabam por bloquear uma na outra numa posição correspondente a um ponto de bloqueio. Mais precisamente, o bloqueio ocorre para as roscas autobloqueantes quando os flancos das roscas (ou dentes) macho bloqueiam contra os flancos das correspondentes ros cas (ou dentes) fêmeas. Quando a posição de bloqueio é atingida, as zonas roscadas macho e fêmea montadas uma na outra têm um plano de simetria ao longo do qual a largura na meia-altura comum dos dentes macho e fêmea localizados na extremidade da zona roscada macho corresponde à largura na meia-altura comum dos dentes macho e fêmea localizados na extremidade da zona roscada fêmea.
[007] Por esta razão, o binário de montagem é assumido por quase toda a superfície de contato entre os flancos, ou seja, uma área de superfície total que é muito maior do que a constituída por superfícies contíguas na técnica anterior.
[008] No entanto, a necessidade de tornar as zonas roscadas desse tipo de conexão estanques ao impor um contato entre os flancos e entre as cristas das roscas e as raízes das roscas torna a operação de montagem complexa quando um lubrificante é utilizado. Antes de montar as uniões, uma película lubrificante é aplicada nas zonas roscadas da extremidade macho (também chamada de pino), da extremidade fêmea (também chamado de caixa) ou em ambas. Esta película lubrificante é normalmente muito mais espessa do que o necessário. Assim, quando a conexão está sendo montada, o excesso de lubrificante flui através das zonas roscadas e depois é evacuado pelo rebordo externo do componente tubular macho ou pelo rebordo interno do componente tubular fêmea. No entanto, no caso em que as roscas estão em contato estanque nas cristas e nas raízes das roscas e nos flancos, o lubrificante fica retido sob pressão. Por esta razão, é obtida uma leitura falsa do binário de montagem. Então, quando em serviço sob um binário de montagem insuficiente, a conexão pode já não ser estanque e o excesso de lubrificante pressurizado pode escapar.
[009] Desenvolvimentos foram feitos para superar essas desvantagens. Os Documentos US-6050610 e US-7350830 propõem a introdução de um sulco nas roscas, a fim de evacuar o lubrificante. No en tanto, a presença de sulcos enfraquece a resistência à fadiga e compromete a vedação. Outras soluções foram prevista tais como as propostas no documento US 2007/0216160. O princípio é o de criar perturbações nas zonas roscadas para que a pressão de contato entre as roscas possa ser anulada em certas partes, em particular para permitir que o lubrificante se possa mover, evitando assim o problema do excesso de pressão. No entanto, essas configurações são problemáticas já que a inspeção das zonas roscadas torna-se complexa. É de fato necessário verificar se a perturbação é planeada ou se é um erro de maquinagem. Além disso, a redução na pressão de contato numa determinada zona deve ser compensada por um aumento na pressão de contato numa zona vizinha. Isso, então, dá origem ao aumento de riscos de gripagem.
[0010] Por esta razão, o objetivo da invenção é facilitar a evacuação do excesso de lubrificante durante a montagem sem comprometer a estanquecidade da conexão ou a sua resistência à fadiga.
[0011] Mais precisamente, a invenção diz respeito a um conjunto para a produção de uma conexão roscada, compreendendo um primeiro e um segundo componente tubular, cada um com um eixo de revolução, sendo uma das suas extremidades provida com uma zona roscada formada na superfície periférica externa ou interna do componente dependendo se a extremidade roscada é do tipo macho ou fêmea, as ditas extremidades terminam numa superfície terminal que é orientada radialmente em relação ao eixo de revolução dos componentes tubulares, as ditas zonas roscadas compreendem roscas que compreendem, vista em corte longitudinal que passa pelo eixo da revolução dos componentes tubulares, uma crista de rosca, uma raiz de rosca, um flanco de carga e um flanco de penetração, a largura das cristas da rosca de cada componente tubular reduz-se na direção da superfície terminal do componente tubular em consideração, enquanto que a lar gura das raízes das roscas aumenta, caracterizado pelo fato de que o passo dos flancos de penetração macho e/ou flancos de carga são diferentes do passo dos flancos de penetração fêmea e/ou flancos de carga.
[0012] Características opcionais complementares ou de substituição da invenção são descritas abaixo.
[0013] O passo dos flancos de penetração macho e/ou flancos de carga é estritamente menor do que o passo dos flancos de penetração fêmea e/ou flancos de carga, a espessura do componente tubular macho ep na extremidade da zona roscada é menor que a espessura do componente tubular fêmea eb.
[0014] O passo dos flancos de penetração macho e/ou flancos de carga é estritamente maior do que o passo dos flancos de penetração fêmea e/ou flancos de carga, a espessura do componente tubular macho ep na extremidade da zona roscada é maior do que a espessura do componente tubular fêmea eb.
[0015] A diferença relativa entre o passo dos flancos de penetração macho e/ou flancos de carga e o passo dos flancos de penetração fêmea e/ou flancos de carga está no intervalo de 0,15% a 0,35%.
[0016] A diferença relativa entre o passo dos flancos de penetração macho e/ou flancos de carga e o passo dos flancos de penetração fêmea e/ou flancos de carga é substancialmente igual a 0,25%.
[0017] Cada uma das zonas roscadas tem uma geratriz cônica formando um ângulo com o eixo da revolução dos componentes tubulares.
[0018] As cristas e raízes das roscas são paralelas ao eixo de revolução do componente tubular.
[0019] As roscas dos componentes tubulares macho e fêmea têm um perfil de cauda de andorinha.
[0020] A invenção também diz respeito a uma conexão roscada resultante de aparafusar um conjunto de acordo com a invenção através de montagem autobloqueante.
[0021] De acordo com certas características, as cristas das roscas macho e/ou fêmea têm um ajuste de interferência com as raízes das roscas fêmea e/ou macho.
[0022] De acordo com outras características, a conexão roscada é uma conexão roscada de um componente de perfuração.
[0023] As características e vantagens da invenção são definidas com maior detalhe na descrição que se segue, feita com referência aos desenhos que a acompanham.
[0024] A figura 1 é uma vista esquemática em corte longitudinal de uma conexão resultante da ligação entre dois componentes tubulares através de montagem autobloqueante, de acordo com um modelo de realização da invenção.
[0025] A figura 2 é uma vista esquemática detalhada em corte lon- gitudinal das zonas roscadas da conexão da figura 1.
[0026] A figura 3 é uma vista esquemática em corte longitudinal de dois componentes tubulares de acordo com a invenção durante a ligação por montagem autobloqueante.
[0027] A figura 4 é uma vista esquemática em corte longitudinal de dois componentes tubulares de acordo com a invenção na extremida-dede da montagem autobloqueante.
[0028] As figuras 5A e 5B são, cada uma, vistas esquemáticas em corte longitudinal de, respectivamente, um componente tubular macho e um componente tubular fêmea de acordo com a invenção.
[0029] A conexão roscada mostrada na figura 1 com o eixo de revolução 10 compreende, de maneira conhecida, um primeiro componente tubular com o mesmo eixo de revolução 10 e provido com uma extremidade macho 1 e um segundo componente tubular com o mesmo eixo de revolução 10 e provido com uma extremidade fêmea 2.
Cada uma das duas extremidades 1 e 2 termina numa superfície terminal 7, 8, que é orientada radialmente em relação ao eixo 10 da conexão roscada e são, respectivamente, providas com zonas roscadas 3 e 4 que cooperam juntas por conexão mútua dos dois componentes através da montagem. As zonas roscadas 3 e 4 são de um tipo conhecido definido como “autobloqueante" (dizendo-se também que têm uma variação progressiva da largura axial das roscas e/ou dos intervalos entre as roscas), de tal forma que interferência axial progressiva ocorre durante a montagem até que uma posição final de bloqueio é alcançada.
[0030] As figuras 2, 3 e 4 representam zonas roscadas autoblo-queantes e usam números de referência idênticos. A figura 2 é uma vista esquemática detalhada em corte longitudinal vista das zonas roscadas da conexão da figura 1. O termo "zonas roscadas de autoblo-queio" significa zonas roscadas que incluem as características abaixo detalhadas. As roscas (ou dentes) macho 32, tal como as roscas (ou dentes) fêmea 42, têm um passo constante enquanto a sua largura diminui na direção das suas superfícies terminais respectivas 7, 8, de tal forma que durante a montagem as roscas (ou dentes) macho 32 e fêmea 42 acabam por bloquear uma na outra numa determinada posição. Mais precisamente, o passo LFPb entre os flancos de carga 40 da zona roscada fêmea 4 é constante, como o é o passo SFPb entre os flancos de penetração 41 da zona roscada fêmea, em que uma característica particular é que o passo entre os flancos de carga 40 é maior do que o passo entre os flancos de penetração 41.
[0031] Da mesma forma, o passo SFPp l entre os flancos do pene- tração macho 31 é constante, como o é o passo LFPp entre os flancos de carga macho 30, uma característica particular é que o passo entre os flancos de carga 30 é maior do que o passo entre os flancos de penetração 31.
[0032] De acordo com a invenção e como pode ser visto na figura 3, os passos entre os flancos de penetração e/ou de carga, macho e fêmea, não são iguais um ao outro. Mais precisamente, de acordo com um modelo de realização previsto, os passos respectivos SFPp e SFPb entre os flancos de penetração macho 31 e fêmea 41 não são iguais um ao outro e os respectivos passos LFPp e LFPb entre os flancos de carga macho 30 e fêmea 40 também não são iguais entre si.
[0033] No caso em que o passo dos flancos de carga LFPp da zona roscada macho 1 é maior do que o passo dos flancos de carga LFPb da zona roscada fêmea 2, então durante a operação de montagem, os flancos de carga das zonas roscadas macho e fêmea entram em contato mais cedo na região da superfície terminal fêmea 8 do que no caso de uma conexão convencional, onde os passos dos flancos de carga macho e fêmea são iguais.
[0034] Da mesma forma, no caso em que o passo dos flancos de penetração SFPp da zona roscada macho 1 é maior do que o passo dos flancos de penetração SFPb da zona roscada fêmea 2, então durante a operação de montagem, os flancos de penetração das zonas roscadas macho e fêmea entram em contato mais cedo na região da superfície terminal macho 7 do que no caso de uma conexão convencional, onde os passos dos flancos de carga macho e fêmea são iguais.
[0035] Em contraste, no caso em que o passo dos flancos de carga LFPp da zona roscada macho 1 é menor do que o passo dos flancos de carga LFPb da zona roscada fêmea 2, então durante a operação de montagem, os flancos de carga das zonas roscadas macho e fêmea entram em contato mais tarde na região da superfície terminal fêmea 8 do que no caso de uma conexão convencional, onde os passos dos flancos de carga macho e fêmea são iguais.
[0036] Da mesma forma, no caso em que o passo dos flancos de penetração SFPp da zona roscada macho 1 é menor do que o passo dos flancos de penetração SFPb da zona roscada fêmea 2, então durante a operação de montagem, os flancos de penetração das zonas roscadas macho e fêmea entram em contato mais tarde na região da superfície terminal macho 7 do que no caso de uma conexão convencional, onde os passos dos flancos de carga macho e fêmea são iguais.
[0037] Assim, se uma configuração é selecionada na qual o passo dos flancos de carga LFPp e o passo dos flancos de penetração SFPp da zona roscada macho 1 são, respectivamente, maior do que o passo dos flancos de carga LFPb e do que o passo dos flancos de penetração SFPb da zona roscada fêmea 2, o excesso de lubrificante é evacuado para fora da conexão no final da montagem.
[0038] De fato,à medida que a operação de montagem progride, dado que os flancos de penetração na região da superfície terminal macho entram rapidamente em contato, ou seja, a folga entre os ditos flancos de penetração reduz-se mais rapidamente do que numa conexão convencional, o excesso de lubrificante é expulso para o exterior da conexão. Além disso, quando esse excesso de lubrificante atinge a região da superfície terminal fêmea, uma vez que os flancos de carga entram rapidamente em contato, ou seja, a folga entre os ditos flancos de carga reduz-se mais rapidamente do que numa conexão convencional, o excesso de lubrificante é evacuado para o exterior.
[0039] Da mesma forma, se uma configuração é selecionada na qual o passo dos flancos de carga LFPp e o passo dos flancos de penetração SFPp da zona roscada macho 1 são, respectivamente, menor do que o passo dos flancos de carga LFPb e a passo dos flancos de penetração SFPb da zona roscada fêmea 2, o excesso de lubrificante é evacuado para o interior da conexão no final da montagem.
[0040] Em todos os casos, o problema da leitura do binário de montagem se apresentar falsa pelo excesso de lubrificante é superado ao facilitar-se a evacuação do lubrificante em excesso.
[0041] Além disso, a configuração em que o passo dos flancos de carga e o passo dos flancos de penetração da zona roscada macho são maiores do que o passo dos flancos de carga e o passo dos flancos de penetração da zona roscada fêmea também apresenta um outro aspecto.
[0042] O aumento das forças de contato nestas regiões próximas às superfícies terminais tende a "alongar" a extremidade macho e a "encurtar" a extremidade fêmea. Note-se que o atrito causado pela pressão de contato sobre estes flancos resulta numa fonte adicional do binário na conexão.
[0043] Além disso, quando a conexão opera em tensão, a pressão de contato nos flancos de carga aumenta e a pressão de contato nos flancos de penetração diminui. O problema é que a pressão de contato tende a anular-se nos flancos de penetração fêmea localizados na região da superfície terminal macho 7. Isto, de fato enfraquece a zona roscada em termos de fadiga.
[0044] No entanto, uma vez que a pressão de contato é maior nos flancos de penetração perto da superfície terminal macho 7 e a pressão de contato é menor nos flancos de carga perto da superfície terminal fêmea 8, a resistência à fadiga é, portanto, aumentada na extremidade fêmea 2 e reduzida na extremidade macho 1.
[0045] Assim, parece que a escolha de sobredimensionar o passo dos flancos da extremidade macho em comparação com o passo dos flancos da extremidade fêmea ou vice-versa depende do projeto da conexão e, mais particularmente da espessura das extremidades macho e fêmea. Assim, se a espessura ep da extremidade macho 1, definida não pela diferença entre o diâmetro externo ODp e o diâmetro interno IDp, mas pela base da zona roscada 3, é menor do que a espessura eb da extremidade fêmea 2, definida não pela diferença entre o diâmetro externo ODb e o diâmetro interno IDb, mas pela base da zona roscada 4, então a resistência à fadiga da extremidade macho 1 deve ser aumentada (em detrimento da resistência à fadiga da extremidade fêmea) pelo subdimensionamento dos passos dos flancos da extremidade macho em relação aos respectivos passos da extremidade fêmea. Em contraste, se a espessura ep da extremidade macho 1 é maior do que a espessura eb da extremidade fêmea 2, a resistência à fadiga da extremidade fêmea 2 deve ser aumentada (em detrimento da resistência à fadiga da extremidade macho 1) pelo sobre-dimensionamento dos passos dos flancos da extremidade macho em relação aos respectivos passos da extremidade fêmea.
[0046] Vantajosamente, a diferença relativa entre o passo dos flancos de penetração macho e/ou flancos de carga e o passo dos flancos de penetração fêmea e/ou flancos de carga está no intervalo de 0,15% a 0,35%.
[0047] Vantajosamente, a diferença relativa entre o passo dos flancos de penetração macho e/ou flancos de carga e o passo dos flancos de penetração fêmea e/ou flancos de carga é substancialmente igual a 0,25%.
[0048] Como pode ser visto na figura 2, e vantajosamente, as ros- cas (ou dentes) macho e fêmea têm um perfil, visto em corte longitudinal, que passa pelo eixo 10 da conexão roscada, que tem a aparência geral de uma cauda de andorinha, de tal forma que ficam solidamente ajustadas uma na outra depois da montagem. Esta garantia adicional significa que riscos conhecidos como "saltar fora", correspondente às roscas macho e fêmea se separarem uma da outra quando a conexão é submetida a grandes cargas de flexão ou de tração, são evitados. Mais precisamente, a geometria das roscas cauda de andorinha au menta a rigidez radial da sua ligação em comparação com roscas que são geralmente chamadas de "trapezoidal" com uma largura axial que se reduz a partir da raiz até a crista das roscas.
[0049] Vantajosamente e como pode ser visto na figura 2, as roscas 3 e 4 dos componentes tubulares são orientadas ao longo de uma geratriz cônica 20 de modo a facilitar o progresso da montagem. Em geral, essa geratriz cônica forma um ângulo com o eixo 10, que está incluído num intervalo de 1 grau a 5 graus. No presente caso, a gera-triz cônica é definida como passando pelo meio dos flancos de carga.
[0050] Vantajosamente e como pode ser visto na figura 2, as cristas dos dentes e as raízes dos dentes das zonas roscadas macho e fêmea são paralelas ao eixo 10 da conexão roscada. Isso facilita a maquinagem.
[0051] Assim, a conexão roscada resultante da montagem de componentes tubulares de acordo com a invenção é obtida com um binário de montagem, em conformidade com as normas vigentes. Esse tipo de conexão é usada especialmente em aplicações de perfuração. Vantajosamente, as cristas das roscas macho e/ou fêmea podem ter um ajuste de interferência com as raízes das roscas fêmea e/ou macho. Isto significa que o encurralamento do lubrificante pode ser evitado, uma vez que é expelido para os flancos da rosca durante a montagem.
REIVINDICAÇÕES