ES2291691T3 - Uniones soldadas para perforadoras vibratorias - giratorias que tienen tension reducida. - Google Patents
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Abstract
Una columna de perforación (14) para una perforadora (20) vibratoria-giratoria que comprende una pluralidad de tuberías (16, 16.1, 16.2, 16.3) de perforación, teniendo cada una de las tuberías de perforación un eje longitudinal y al menos un extremo; un elemento (28) de conexión hembra y un elemento (26) de conexión macho que se encuentra entre los extremos de dichas tuberías de perforación contiguas, teniendo el elemento de conexión (28) hembra una primera porción que coincide con una primera de las tuberías (16) de perforación contiguas y una segunda porción que se extiende apartándose de la primera de las tuberías de perforación, teniendo el elemento (26) de conexión macho una primera porción que coincide con una segunda de las tuberías (16.1) de perforación contiguas y una segunda porción que se extiende apartándose de la segunda de las tuberías de perforación, acoplándose la segunda porción de la conexión (28) hembra de forma roscada a la segunda porción de la conexión (26) macho, teniendo una de cada una de dichas tuberías de perforación y las conexiones (26, 28) una pluralidad de ranuras (58) espaciadas entre sí contiguas al extremo de la tubería de perforación y que se comunican hacia fuera en el extremo, estando cada una de las conexiones (26, 28) conectada a una de las tuberías de perforación contiguas mediante soldaduras que se extienden alrededor y contiguas a dicho extremo de la tubería de perforación y a lo largo de las ranuras, caracterizada porque dichas ranuras son paralelas al eje longitudinal.
Description
Uniones soldadas para perforadoras
vibratorias-giratorias que tienen tensión
reducida.
Esta invención se refiere a tuberías de
perforación para perforadoras
vibratorias-giratorias, y en particular, para
uniones destinadas a las tuberías de perforación.
Las perforadoras
vibratorias-giratorias emplean una fuerza vibratoria
superpuesta sobre una acción giratoria para lograr la operación de
perforación. Las perforadoras sónicas son perforadoras
vibratorias-giratorias en las que la vibración se
encuentra en el intervalo sónico. Las perforadoras sónicas se usan
para tales aplicaciones como la perforación a través de terrenos de
recubrimiento en exploración de yacimientos, instalación de
pilastras de hormigón, perforación de pozos para agua, perforación
de rocas para hornillos de mina, para sondeos en roca y para
análisis de suelos para los niveles de contaminación.
Uno de los problemas principales asociados con
las máquinas perforadores sónicas en el pasado ha sido la falta de
desarrollar de herramientas de perforación adecuadas. Se generan
fuerzas alternativas extremadamente altas dentro de la tubería de
perforación. La tubería de perforación estándar está diseñada para
tolerar la fuerza de torsión desarrollada durante la perforación
giratoria, aunque no las elevadas cargas de compresión y de tensión
alternativas que se producen en la perforación sónica. Estas cargas
inversas son especialmente críticas en los extremos roscados de las
uniones de las herramientas debido a la concentración de esfuerzo
creado por la presencia de los hilos de rosca.
Se han intentado diversos enfoques para resolver
el problema del fallo de unión. Uno consistía en hilos de rosca
maquinados directamente sobre la tubería de perforación. Este no
tuvo nada de éxito debido a que los hilos de rosca reducían el área
en sección transversal de la tubería y simultáneamente actuaban como
un punto de concentración de tensión según se sugiere
anteriormente.
Otro intento fue utilizar tuberías de pared
gruesa. Sin embargo, se comprendió después que la tubería de
perforación se distiende o se alarga y contrae la misma cantidad en
resonancia independientemente de su grosor. Mientras mayor sea la
sección transversal simplemente incrementa la fuerza que se debe
transmitir por la unión, conduciendo al fallo de todos los hilos de
rosca.
Después la tubería de perforación se sometió a
prueba con una unión de herramienta relativamente gruesa con
relación al grosor de la tubería de perforación. Esta configuración
se utiliza rutinariamente para perforadoras giratorias utilizadas
en la perforación de petróleo y pozos de agua. Estas son ensambladas
generalmente mediante soldaduras circunferenciales entre la tubería
y los elementos de conexión roscados utilizados en la unión o
mediante soldadura por fricción de los elementos a la tubería. Sin
embargo, estas soldaduras no toleran a largo plazo la fatiga de las
condiciones de carga y concentraciones elevadas de tensión
producidas en la perforación sónica.
Se han utilizado uniones de tubería que emplean
uñas alternativas y ranuras que se extienden circunferencialmente
alrededor de la tubería para otros fines tales como plataformas de
perforación de petróleo descritas en la Patente de U.S. 3.521.811
otorgada a Bardgette. Sin embargo, el problema confrontado en ese
caso no es análogo a las dificultades encontradas en la perforación
sónica y por lo tanto no sugiere una solución al problema.
Los problemas fueron ampliamente superados por
mi Patente de USA no. 5.086.854 anterior que describe una columna
de perforación donde las tuberías de perforación se sueldan a
conexiones roscadas a lo largo de ranuras en forma de V en la
tubería de perforación. Sin embargo, aunque es una amplia mejoría
sobre la técnica anterior, quedan todavía algunos problemas. En
particular, la vida útil de las perforadoras ha sido más corta que
la que se considera como deseable.
El examen ha mostrado que el problema se origina
por el baño de fusión de la soldadura en el fondo de la ranura en
forma de V en la tubería de perforación. A medida que este baño de
fusión de la soldadura se enfría, se contrae y origina esfuerzos de
tensión elevados en esa posición. Luego cuando la tubería vibra, se
forman grietas alrededor de estos baños de fusión de la soldadura.
Eventualmente las grietas comienzan a propagarse hasta que se
encuentran una con otra y la tubería falla por completo. Si esto
sucede en un orificio profundo, entonces la longitud de la tubería
por debajo del punto de fractura se pierde y origina un considerable
coste.
La concentración de tensión originada por la
contracción del baño de fusión de la soldadura teóricamente se
pudiera reducir o eliminar sometiendo el tramo completo de la
tubería a un procedimiento de alivio de tensión. Sin embargo, esto
no es muy práctico puesto que las estufas de alivio de tensión no
son normalmente lo suficiente largas. Además, sólo unas pocas
piezas se pudieran tratar en un solo proceso puesto que las varillas
y cubiertas se desplazarían demasiado fuera de la moldura redonda a
menos que se soporten adecuadamente. En consecuencia tal alivio de
tensión haría que las piezas fueran demasiado costosas.
En consecuencia es un objeto de la invención
proporcionar un conjunto de perforadoras
vibratorias-giratorias perfeccionado, la columna de
perforación y procedimiento para conectar las columnas de
perforación una a otra podría ofrecer mejor durabilidad que tales
conjuntos de perforación, columnas de perforación y
procedimientos.
Es también un objeto de la invención
proporcionar un conjunto de perforadoras
vibratorias-giratorias perfeccionado, las columnas
de perforación y procedimiento para conectar las columnas de
perforación una a otra podría mejorar la economía de las
operaciones de perforación cuando se compara con los conjuntos de
perforación anteriores, las columnas de perforación y
procedimientos.
Según un aspecto de la invención se proporciona
una columna de perforación para una perforadora
vibratoria-giratoria que comprende una pluralidad
de tuberías de perforación. Cada una de las tuberías de perforación
tiene un eje longitudinal y al menos un extremo. Un elemento de
conexión hembra y un elemento de conexión macho se colocan entre
los extremos de dichas tuberías de perforación contiguas, teniendo
el elemento de conexión hembra una primera porción que coincide con
una primera de las tuberías de perforación contigua y una segunda
porción que se extiende apartándose de la primera de las tuberías
de perforación. El elemento de conexión macho tiene una primera
porción que coincide con una segunda de las tuberías de perforación
contigua y una segunda porción que se extiende apartándose de la
segunda de las tuberías de perforación, la segunda porción de la
conexión hembra se acopla de forma roscada a la segunda porción de
la conexión macho. Una de cada una de dicha tubería de perforación
y las conexiones tiene una pluralidad de ranuras espaciadas entre sí
contiguas al extremo de la tubería de perforación y que se comunica
hacia fuera en el extremo. Las ranuras son paralelas al eje
longitudinal. Cada una de las conexiones está conectada a una de
las tuberías de perforación contigua mediante soldadura que se
extiende aproximadamente a uno de dichos extremos contiguos a la
tubería de perforación y a lo largo de las
ranuras.
ranuras.
Según otro aspecto de la invención se dispone un
conjunto de tuberías de perforación que comprenden una tubería de
perforación que tiene un eje longitudinal y un extremo, y un
elemento de conexión roscado que tiene una primera porción que
coincide con la tubería de perforación y una segunda porción que se
extiende apartándose de la tubería de perforación. Al menos una de
las tuberías de perforación y el elemento de conexión tiene una
pluralidad de ranuras espaciadas entre sí contiguas al extremo y que
se comunican hacia fuera en el extremo. Las ranuras son paralelas
al eje longitudinal. La conexión está conectada a la tubería de
perforación mediante soldadura que se extiende alrededor de dicho
extremo de la tubería de perforación y a los largo de las
ranuras.
Según un aspecto adicional de la invención, se
proporciona un procedimiento para conectar una tubería de
perforación para una perforadora
vibratoria-giratoria a una conexión roscada. La
tubería de perforación tiene un eje longitudinal y un extremo,
teniendo el elemento de conexión roscado una primera porción la cual
coincide con la tubería de perforación y una segunda porción que se
extiende apartándose de la tubería de perforación. Al menos uno de
los elementos de conexión y la tubería de perforación tiene una
pluralidad de ranuras espaciadas entre sí contiguas al extremo de
la tubería de perforación y comunica hacia fuera en el extremo. Las
ranuras son paralelas al eje longitudinal. La conexión está
conectada a la tubería de perforación mediante soldadura alrededor
de dicho extremo de la tubería de perforación y a lo largo de las
ranuras.
Según incluso un aspecto adicional de la
invención, se proporciona un procedimiento para conectar una tubería
de perforación para una perforadora
vibratoria-giratoria a una conexión roscada,
teniendo la tubería de perforación un eje longitudinal y un
extremo. El elemento de conexión roscado tiene una primera porción
la cual coincide dentro de la tubería de perforación y una segunda
porción que se extiende apartándose de la tubería de perforación,
al menos uno de los elementos de conexión y la tubería de
perforación tiene una pluralidad de ranuras espaciadas entre sí
contiguas al extremo de la tubería de perforación y que comunica
hacia fuera en el extremo. La conexión está conectada a la tubería
de perforación mediante primero soldando las ranuras contiguas al
extremo de la tubería de perforación, forjando en frío las
soldaduras contiguas al extremo de la tubería de perforación y
entonces soldando alrededor de dicho extremo de la tubería de
perforación y a lo largo de las ranuras.
La invención ofrece ventajas significativas
cuando se compara con la técnica anterior. Positivamente, la vida
de la columna de perforación se potencia considerablemente cuando se
compara con los procedimientos de conexión de la técnica anterior.
Además, esto se realiza económicamente cuando se compara con las
medidas alternativas tales como alivio de la tensión. Se reduce
significativamente la perspectiva de perder perforadoras costosas
que se caen al orificio de perforación. Al mismo tiempo, la
estructura del conjunto de la perforadora se simplifica realmente
cuando se compara con algunas de las técnicas anteriores.
En los dibujos:
la fig. 1 es un alzado esquemático de una torre
de perforación sónica con la perforadora mostrada en posición
dentro de un orificio de perforación, siendo mostrado el orificio de
perforación en sección;
la fig. 2 es una vista isométrica en despiece,
ampliada de una sección de una columna de perforación de la fig. 1
que muestra una de las uniones de la misma, el elemento de conexión
del conjunto de la perforadora inferior se muestra sin soldar;
la fig. 3 es una vista en sección siguiendo la
línea 3-3 de la fig. 2; y
la fig. 4 es una vista en alzado, no desplegada
de las ranuras de una de las tuberías de perforación de la fig.
2.
Refiriéndonos a los dibujos, la fig. 1 muestra
una torre 10 de perforación sónica la cual, en este ejemplo, está
montada en la parte trasera de un camión 12. Según se menciona
anteriormente las perforadoras sónicas son una combinación de
perforadoras vibratorias y giratorias en las que las vibraciones
están en el intervalo sónico. La torre de perforación es
convencional y por lo tanto no se describe con mayor detalle.
La torre de perforación está conectada a una
columna 14 de perforación que incluye una pluralidad de conjuntos
16, 16.1, 16.2 y 16.3 de tuberías de perforación, con una
herramienta 20 de perforación en el extremo inferior para perforar
un orificio 22 de perforación a través de terrenos de recubrimiento
24 o algunas otras estructuras geológicas. Los conjuntos de
tuberías de perforación están conectados conjuntamente en una serie
de uniones 18 de tuberías.
Una de las uniones 18 de tuberías se muestra en
la fig. 2 y 3, siendo las otras idénticas. La unión incluye un
elemento 26 de conexión roscado macho que se acopla de forma roscada
a un elemento 28 de conexión roscado hembra complementario. Según
se muestra mejor en la fig. 3, los hilos de rosca 30 del elemento 26
se acoplan a los hilos de rosca 32 del elemento 28.
Los elementos 26 y 28 tienen porciones 34 y 36
externas que respectivamente se apoyan una a la otra en la unión
18, los hilos de rosca 30 y 32 están maquinados sobre las porciones
externas. El elemento 26 tiene una porción 38 interna que se
extiende desde el saliente 40 al extremo 42 interno del elemento y
coincide con la tubería 17 ajustándose dentro de la tubería en este
ejemplo. Cada uno de los conjuntos de tubería incluye una tubería,
por ejemplo tuberías 17 y 17.1 de los conjuntos 16 y 16.1 de
tuberías respectivamente. En este ejemplo las tuberías son tuberías
normales 40 de 10,16 cm., aunque otras tuberías disponibles se
pueden utilizar también. La invención también se aplica a diámetros
de tuberías distintos a los de 10,16 cm. según se utiliza en este
ejemplo.
La porción 38 interna del elemento 26 de
conexión tiene una superficie 44 externa con un diámetro
generalmente igual al diámetro interior de la tubería 17. La
porción 46 extrema de la tubería se solapa a la porción 38 interna
del elemento 26 y tiene un extremo 48, mostrado en la fig. 2, que se
apoya en el saliente 40. En este ejemplo la tubería 17 y la porción
34 externa tienen iguales diámetros externos para producir un
diámetro uniforme en el exterior de la columna 14 de
perforación.
El elemento 28 tiene una porción 50 interna que
se extiende desde el saliente 52 al extremo 54 interno del
elemento. Tiene una configuración similar a la porción 38 del
elemento 26 y coincide con la porción 56 extrema del elemento 17.1
de la tubería.
En este ejemplo los elementos 26 y 28 están
fabricados de tubería de aleación de acero tal como 4130 con un
contenido de: carbono 0,35%, manganeso 1,4%, sílice 0,3%, azufre
0,05% y fósforo 0,04%. Si embargo se pudieran sustituir por otros
metales y aleaciones.
Los elementos son tratados con calor y alivio de
tensión antes del maquinado final en este ejemplo preferido. Las
porciones internas de los elementos se enfrían en hielo seco y
acetona o los extremos de la tubería se calientan a 150ºC para
acoplar las tuberías sobre las porciones internas de los elementos
de conexión durante el ensamblado.
Según se observa mejor en la fig. 2, la porción
56 extrema de la tubería 17.1 tiene una pluralidad de ranuras 58.
Las ranuras 58 tienen extremos 64 abiertos, según se observa mejor
en la fig. 4 contiguas a la porción 36 externa del elemento 28 de
conexión. Las ranuras son alargadas en la dirección axial de las
tuberías 17 y 17.1, esto es paralelas a sus ejes 62 longitudinal
común. En este ejemplo hay doce ranuras circunferencialmente
espaciadas entre sí alrededor de la tubería 17.1. Se puede observar
que las ranuras están espaciadas entre sí y tienen forma de U en
este ejemplo.
En la práctica el elemento 28 de conexión
pudiera ser conectado a la tubería 17.1 de perforación mediante
soldadura a lo largo de cada una de las ranuras 58 y
circunferencialmente alrededor del extremo 76 de la tubería 17.1.
Sin embargo la soldadura se rectifica con fines ilustrativos en la
fig. 2 y se ilustra sólo para la tubería 17 superior y el elemento
26 de conexión.
Las soldaduras 77 se extienden a lo largo de
cada una de las ranuras 58, llenando las ranuras y tubería 17 de
conexión al elemento 26 de conexión. La soldadura se inicia
colocando las soldaduras en los extremos abiertos de cada una de
las ranuras. Después estas soldaduras se forjan en frío. La forja en
frío expande el metal que reduce el esfuerzo de tracción. Esto
permite que los conjuntos de perforación tengan más ranuras que
pueden ser más cortas que las que tiene la técnica anterior. Esto
ayuda a reducir las tensiones alternativas causadas por las
oscilaciones. En efecto hay más ranuras para compartir la carga que
en la técnica anterior que utiliza el diseño en U.
Según se describe anteriormente, la porción de
la tubería 17 contigua al extremo 48 solapa la porción 38 interna
del elemento 26 de conexión. Las soldaduras 77 aseguran el elemento
17 de tubería al elemento 26 de conexión. Las soldaduras se
extienden a lo largo de las ranuras y se alinean con la dirección
axial de la tubería 17.
Las porciones extremas de los elementos de
tubería y los elementos de conexión son precalentados
preferiblemente a un mínimo de 150ºC según los procedimientos
convencionales para la soldadura de aleaciones de acero. Las
soldaduras 77 son de un mínimo de 0,64 cm. en este ejemplo preferido
y se emplean varillas de contenido bajo en hidrógeno E7018 o
electrodo con alma de fundente en la soldadura. Las soldaduras son
preferiblemente de alivio de tensión por soplete.
En esta realización hay también soldaduras 74
circunferenciales entre el extremo de la tubería 17 y la porción 34
externa del elemento 26 de conexión. Estas conectan las soldaduras
en conjunto. Las soldaduras similares circunferenciales aseguran la
tubería 17.1 al elemento 28 de conexión.
A modo de ejemplo adicional, los elementos de
tuberías se podrían acoplar dentro de los elementos de conexión. En
este caso las ranuras estarían en los elementos de conexión.
Se comprenderá por algunos expertos en la
técnica que muchos de los detalles proporcionados anteriormente son
a modo de ejemplo solamente y no tienen la intención de limitar el
alcance de la invención que debe ser interpretada haciendo
referencia a las siguientes reivindicaciones.
Claims (5)
1. Una columna de perforación (14) para una
perforadora (20) vibratoria-giratoria que comprende
una pluralidad de tuberías (16, 16.1, 16.2, 16.3) de perforación,
teniendo cada una de las tuberías de perforación un eje
longitudinal y al menos un extremo; un elemento (28) de conexión
hembra y un elemento (26) de conexión macho que se encuentra entre
los extremos de dichas tuberías de perforación contiguas, teniendo
el elemento de conexión (28) hembra una primera porción que
coincide con una primera de las tuberías (16) de perforación
contiguas y una segunda porción que se extiende apartándose de la
primera de las tuberías de perforación, teniendo el elemento (26)
de conexión macho una primera porción que coincide con una segunda
de las tuberías (16.1) de perforación contiguas y una segunda
porción que se extiende apartándose de la segunda de las tuberías de
perforación, acoplándose la segunda porción de la conexión (28)
hembra de forma roscada a la segunda porción de la conexión (26)
macho, teniendo una de cada una de dichas tuberías de perforación y
las conexiones (26, 28) una pluralidad de ranuras (58) espaciadas
entre sí contiguas al extremo de la tubería de perforación y que se
comunican hacia fuera en el extremo, estando cada una de las
conexiones (26, 28) conectada a una de las tuberías de perforación
contiguas mediante soldaduras que se extienden alrededor y contiguas
a dicho extremo de la tubería de perforación y a lo largo de las
ranuras, caracterizada porque dichas ranuras son paralelas al
eje longitudinal.
2. Columna de perforación (14) según la
reivindicación (1), en la que las tuberías (16, 16.1, 16.2, 16.3)
de perforación se acoplan sobre las primeras porciones de los
elementos 26, 28 de conexión y las ranuras (58) se encuentran en
las tuberías de perforación.
3. Columna de perforación (14) según la
reivindicación 1 ó 2, en la que cada una de las ranuras (58) tiene
un extremo redondeado espaciado entre sí desde dicho al menos un
extremo de cada una de dichas tuberías (16, 16.1, 16.2, 16.3) de
perforación
4. Columna de perforación (14) según cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en la que la soldadura forma
un anillo que se extiende completamente alrededor de dicho extremo
contiguo a una tubería de perforación.
5. Columna de perforación (14) según cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en la que las ranuras (58)
tienen forma de U.
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