ES2323694T3 - Caño roscado con tratamiento superficial. - Google Patents
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Abstract
Un segmento de caño (1) de longitud definida para la industria de la extracción de petróleo, hecho de un metal, que tiene una porción central con una pared substancialmente cilíndrica y por lo menos una porción roscada en su extremo (3, 4) recubierta con un sistema para la protección de la superficie, caracterizado porque por lo menos la superficie de metal de la porción roscada en su extremo (3, 4) tiene una rugosidad de superficie (Ra) comprendida entre 2,0 µm y 6,0 µm, y donde dicho sistema para la protección de la superficie está constituido por una primera capa uniforme (7) de un recubrimiento inhibidor de corrosión seco compuesto por una resina epoxi que contiene partículas de Zn y una segunda capa uniforme (8) de un recubrimiento lubricante seco que cubre dicha primera capa (7).
Description
Caño roscado con tratamiento superficial.
La presente invención está relacionada con un
caño roscado, particularmente adaptado para formar una unión
roscada para unir segmentos de caño y formar cañerías que se usan en
la industria de extracción de gas y petróleo. Está provisto con una
protección superficial sobre la porción roscada para aumentar sus
propiedades de resistencia a la corrosión y al engrane. En
especial, la presente invención está relacionada con un proceso para
crear la protección superficial seca del caño roscado para aumentar
su resistencia a la corrosión y al engrane.
En los campos petroleros es una práctica común
el uso de caños metálicos de una longitud predeterminada unidos
entre sí para formar una cañería de longitud suficiente para
alcanzar la profundidad a la cual se encuentran los reservorios de
gas y petróleo para su extracción.
Esta técnica de extracción requiere que durante
la perforación del pozo éste sea revestido internamente en forma
gradual, lo que se realiza con caños metálicos conformables y esto
se conoce como cañería de revestimiento del pozo. Una vez alcanzada
la profundidad deseada, se coloca una cañería formada por caños
metálicos de menor diámetro, denominada cañería de producción, para
bombear los hidrocarburos gaseosos o líquidos a la superficie.
Tanto la cañería de revestimiento como la de producción están
formadas con segmentos de caño los cuales están unidos entre sí
usando conexiones roscadas.
Durante la operación de armado de las uniones un
problema mayor es el engrane de las roscas y otras superficies de
los caños en contacto deslizante. Una práctica común es usar grasa
para roscas sobre la superficies roscadas de los elementos macho y
hembra para evitar que se produzca el engrane en la operación de
armado de la conexión. La grasa para roscas usualmente empleada en
esta operación tiene en su composición partículas pequeñas de
metales pesados tales como Pb o Cu. Por otra parte, estos metales
son peligrosos para la salud el medio ambiente y preferiblemente
deberían ser evitados.
Además de los riesgos antes mencionados, el uso
de grasa para roscas acarrea otras operaciones, por ejemplo la
limpieza y engrase de las conexiones que se lleva a cabo en el campo
petrolero, a menudo en condiciones ambientales adversas. Estas
tareas adicionales indeseables son costosas y demandan mucho
tiempo.
Otro riesgo potencial en el uso de la grasa para
roscas es el peligro del denominado sobre-engrasado,
es decir la posibilidad concreta de aplicar demasiada grasa sobre
los filetes de las conexiones, y cuya consecuencia es que durante
el armado de la conexión la grasa en exceso no se puede evacuar a
través del final de la porción roscada de los segmentos de caños.
La grasa atrapada puede así desarrollar alta presión dentro de la
conexión, y bajo determinadas circunstancias tal presión puede
producir una deformación plástica de los segmentos de caño en la
porción roscada, y hasta causar el colapso del miembro macho de la
unión. Una vez que ocurre este hecho, la conexión no es más
efectiva y el segmento de caño y/o la cupla deben ser
reemplazados.
Se conocen diferentes tratamientos de superficie
para resolver principalmente el problema de engrane en las
conexiones roscadas para la industria petrolera. De todos modos,
tales soluciones conocidas no resuelven los problemas simultáneos
de asegurar una alta resistencia al engrane durante una operación
armado en el campo petrolero y una elevada resistencia a la
corrosión usando recubrimientos secos sobre la porción roscada de
los caños, siendo esta última una característica necesaria en el
transporte y almacenaje de los caños para que los mismos no resulten
dañados.
La Patente de los Estados Unidos No. 4.414.247
revela un método de recubrimiento usando una resina con una
dispersión de partículas de lubricante sólido. Una solución similar,
utilizando resinas depositadas sobre una capa sólida de fosfato, se
presenta en la Patente de los Estados Unidos No. 6.027.145. Sin
embargo, en ambos documentos las soluciones reveladas no
proporcionan protección contra la corrosión. En modo similar, la
Patente de los Estados Unidos No.4.692.988 no revela un método para
protección contra la corrosión; y además propone el uso de aceite
para realizar el armado de la conexión, por lo tanto no se trata de
un proceso en seco y también incluye el trabajo extra no deseado
de agregar aceite.
La solicitud PCT WO 02/18522 utiliza una mezcla
de aceite, espesante, y aditivos para proteger contra el engrane.
Por lo tanto, el proceso de recubrimiento no es seco ya que dicha
mezcla se aplica como recubrimiento húmedo con una viscosidad
controlada.
La solicitud PCT WO A01/16516 revela un
recubrimiento inhibidor de corrosión para proteger las conexiones
contra la corrosión. El recubrimiento inhibidor de corrosión
consiste en una capa de aceite que contiene inhibidores de
corrosión. Sin embargo, tal capa se aplica sobre el recubrimiento de
lubricante seco y es necesario removerla antes de armar la conexión
en el campo, lo que introduce una operación adicional no
deseada.
El objetivo principal de la presente invención
es eliminar las desventajas mencionadas por medio de un segmento de
caño roscado conforme con las siguientes reivindicaciones.
Otro objetivo de la presente invención es
proporcionar un proceso para el tratamiento de la superficie de las
porciones roscadas de los segmentos de caño del tipo mencionado.
Todavía otro objetivo de la presente invención
es proporcionar una conexión compuesta por los segmentos de caño del
tipo que se ha mencionado.
Los objetivos mencionados y otros que se harán
mas evidentes a la luz de la siguiente descripción se alcanzan, de
acuerdo con la presente invención, por medio de un segmento de caño
de longitud definida para la industria de la extracción de petróleo
que tiene una porción central con pared substancialmente cilíndrica
y por lo menos una porción roscada en su extremo, en la cual por lo
menos la superficie de la rosca tiene una rugosidad de superficie
(Ra) comprendida entre 2,0 \mum y 6,0 \mum, dicha superficie
está cubierta por una primera capa uniforme de un recubrimiento
inhibidor de corrosión seco, y dicha primera capa está cubierta por
una segunda capa uniforme de un recubrimiento lubricante seco.
De acuerdo a un aspecto adicional de la presente
invención, las desventajas anteriores son superadas por medio de un
proceso para hacer una porción roscada en el extremo de un caño
metálico que se utiliza en la industria de la extracción de
petróleo o gas que tiene las características anteriores y que
comprende los pasos de:
- a)
- proporcionar al metal que forma el caño por lo menos cerca de la porción roscada una rugosidad de superficie (Ra) con un valor comprendido entre 2,0 \mum y 6,0 \mum;
- b)
- proporcionar una primera capa uniforme de un recubrimiento inhibidor de corrosión seco sobre la superficie del metal del caño por lo menos cerca de la porción roscada;
- c)
- proporcionar una segunda capa uniforme de recubrimiento lubricante seco sobre la primera capa uniforme de recubrimiento por lo menos cerca de la porción roscada.
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De acuerdo a un aspecto adicional de la presente
invención, las desventajas anteriores son superadas por medio de un
proceso para hacer una porción roscada en el extremo de un caño
metálico para usar en la industria de la extracción de petróleo o
gas que tiene las características anteriores y que comprende los
pasos de:
- a)
- proporcionar al metal que forma el caño por lo menos cerca de la porción roscada una rugosidad de superficie (Ra) con un valor comprendido entre 2,0 \mum y 6,0 \mum;
- b)
- proporcionar sobre la superficie del metal del caño por lo menos cerca de la porción roscada una primera capa uniforme de un recubrimiento inhibidor de corrosión seco que contiene una dispersión de partículas de lubricante sólido
\vskip1.000000\baselineskip
En una realización preferida, la primera capa de
recubrimiento inhibidor de corrosión es una resina epoxi que
contiene partículas de Zn y tiene un espesor comprendido entre 10 y
20 \mum, preferiblemente comprendido entre 10 y 15 \mum.
En otra realización preferida de la invención,
la segunda capa de recubrimiento lubricante seco está compuesta de
un ligante inorgánico y una mezcla de partículas de lubricantes
sólidos, uno de los cuales es MoS_{2}, y tiene un espesor
comprendido entre 10 y 20 \mum.
Gracias a estas nuevas características, los
segmentos de caño están adaptados para ser conectados sin necesidad
de preparar su superficie o de adicionar aceite o grasa.
Usando capas de recubrimiento de lubricante seco
y de inhibidor de corrosión seco sobre una rosca formada para la
conexión de segmentos de caño es posible transportar y almacenar los
caños en el campo petrolero sin riesgo de que los caños pierdan su
integridad debido a la corrosión de las porciones roscadas que
forman las conexiones. Las conexiones compuestas por caños tratados
con el método de acuerdo con la presente invención tienen la
ventaja adicional de que ellos pueden ser armados en el campo
petrolero sin remover la capa de protección de la corrosión y sin la
adición de aceite o grasa.
Una importante característica de la invención es
que la superficie de por lo menos uno de los miembros macho o
hembra que componen la conexión roscada es tratada para obtener una
rugosidad de superficie de 2,0 \mum < Ra < 6,0 \mum. Este
valor de acabado superficial es esencial para la adhesión de los
recubrimientos subsiguientes. Sobre la misma superficie de metal
del caño tratada se deposita una capa de recubrimiento inhibidor de
corrosión seco. Luego, sobre la capa de recubrimiento inhibidor de
corrosión se deposita una capa de recubrimiento lubricante seco. En
forma alternativa, sobre la superficie del caño tratada se puede
aplicar una sola capa de recubrimiento de un inhibidor de corrosión
seco que contiene una dispersión de partículas de lubricante
sólido.
De acuerdo a otras realizaciones particulares de
la invención, la rugosidad deseada de la superficie metálica se
puede lograr por diferentes métodos, tal como el granallado con un
abrasivo, fosfatizado, u otros procesos mecánicos o químicos.
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La presente invención se describirá ahora de
acuerdo a una realización preferida de la misma, la cual se presenta
a modo de ejemplo no limitante del alcance de la presente invención
por medio de las figuras que la acompañan, donde:
La Figura 1 muestra la vista de una sección a lo
largo de un eje longitudinal de una conexión armada del tipo usado
en la industria de extracción de petróleo o gas que contiene dos
segmentos de caño de acuerdo con la presente invención.
La Figura 2 muestra la vista de una sección de
un detalle ampliado de la conexión de la Fig. 1 a lo largo de un
eje longitudinal.
La Figura 3 muestra la vista ampliada de un
detalle en mayor escala de la superficie cerca de la rosca de un
caño de acuerdo con la presente invención.
La Figura 4 muestra la vista ampliada de un
detalle en mayor escala de la superficie cerca de la rosca de un
caño de acuerdo con la presente invención en una realización
alternativa de acuerdo con la presente invención.
La Figura 5 es un diagrama que representa la
variación del torque a tope en función de los ciclos de armado y
desarmado para una primera conexión A, la cual está compuesta por
caños de acuerdo con la presente invención, y donde 100% representa
el torque de armado.
La Figura 6 es un diagrama que representa la
variación del torque a tope en función de los ciclos de armado y
desarmado para una segunda conexión B, la cual está compuesta por
caños de acuerdo con la presente invención, y donde 100% representa
el torque de armado.
\vskip1.000000\baselineskip
Con referencia a las figuras mencionadas, ahora
se describirá a modo de ejemplo no limitante un caño de acuerdo con
la presente invención.
La conexión comprende un caño que actúa como
componente macho 1, denominado "punta", provisto con una
superficie externa frusto-cónica roscada en la
porción del extremo, y un componente hembra 2, denominado
"caja", provisto con una superficie interna
frusto-cónica roscada correspondiente ubicada en la
porción del extremo de la caja, la cual corresponde
substancialmente a un caño o a una cupla de conexión. El componente
macho 1 tiene filetes externos 3 y el componente hembra tiene
filetes internos 4. La ampliación de la porción roscada 5 del caño
1 se muestra en la Fig. 2 donde se proporciona una capa protectora 6
sobre la superficie de la rosca. La porción roscada del componente
hembra 2 puede tener una forma perfectamente similar o puede estar
hecha sin la capa protectora, y puede ser conectada a un componente
macho provisto con la capa protectora.
En la Fig. 3 se muestra una ampliación de la
composición de la capa protectora 6, en la cual a la superficie
roscada se le da una rugosidad de superficie específica Ra cuyo
valor está comprendido entre 2 y 6 \mum. Sobre la superficie de
metal roscada se deposita una primera capa 7 de recubrimiento
inhibidor de corrosión el cual está compuesto por una resina epoxi
que contiene partículas de Zn, Con ventajas, estas partículas son
de Zn puro 99%. Esta capa 7 tiene un espesor comprendido entre 10 y
20 \mum. Sobre la superficie del recubrimiento inhibidor de
corrosión seco 7 se deposita una segunda capa 8 de recubrimiento
lubricante seco, el cual comprende una mezclad de MoS_{2} y otros
lubricantes sólidos en un ligante inorgánico, y tiene un espesor
comprendido entre 10 y 20 \mum. El recubrimiento inhibidor de
corrosión seco 7 se puede aplicar mediante rociado por atomizado,
con pincel, por inmersión, o cualquier otro método en el cual se
pueda controlar el espesor del recubrimiento. El recubrimiento de
lubricante seco 8 se puede aplicar mediante rociado por atomizado,
con pincel, por inmersión, o cualquier otro método en el cual se
pueda controlar el espesor del recubrimiento, una vez que el
recubrimiento inhibidor de corrosión seco 7 ha secado
totalmente.
Otra realización alternativa preferida de la
presente invención se muestra en la Fig. 4, en la cual la capa de
recubrimiento inhibidor de corrosión seco 7 y la capa de
recubrimiento lubricante seco 8, de la realización de la Fig. 3
previamente descrita, son combinadas en una sola capa de
recubrimiento inhibidor de corrosión seco 9 que contiene una
dispersión de partículas de lubricante sólido. El espesor de esta
capa tiene un valor comprendido entre 10 y 20 \mum. La capa de
recubrimiento inhibidor de corrosión seco que contiene la dispersión
de partículas de lubricante sólido se puede aplicar mediante
rociado por atomizado, con pincel, por inmersión, o cualquier otro
método en el cual se pueda controlar el espesor del
recubrimiento.
A continuación se presentan los resultados de
ensayos realizados sobre dos ejemplos diferentes de conexiones de
caño compuestas por caños hechos de acuerdo con la presente
invención.
- a)
- La conexión A tiene un diámetro externo de caño de 139,70 mm y es del tipo conocido comercialmente como "conexiones premium" con sello metal-metal y tope de torque
Preparación de la superficie: arenado, Ra = 3,60
\mum.
El recubrimiento inhibidor de corrosión seco 7
es una resina epoxi que contiene Zn, y el recubrimiento de
lubricante seco 8 está compuesto por un ligante inorgánico con
MoS_{2} y lubricantes sólidos.
El número de ciclos de armado y desarmado fue 5,
para determinar si hubo engrane se realizó la limpieza e inspección
luego de cada desarmado, se obtuvieron los gráficos de torque versus
ciclos, y se evaluó el factor de fricción.
En este caso, los ensayos dieron como resultado
que no hubo engrane ni sobre el sello ni sobre la rosca, y la
conexión tuvo un comportamiento muy estable en el armado. Estos
resultados corresponden a la curva de la Fig. 5, donde la curva
representa el torque a tope, es decir el momento necesario para que
la punta macho entre en contacto con el tope de la hembra,
comparado con el momento total en el armado.
- b)
- La conexión B tiene un diámetro externo de caño de 88,90 mm y es del tipo conocido comercialmente como "conexiones premium" con sello metal-metal y tope de torque
Preparación de la superficie: arenado, Ra = 3,90
\mum.
El recubrimiento inhibidor de corrosión seco 7
es una resina epoxi que contiene Zn, y el recubrimiento de
lubricante seco 8 está compuesto por un ligante inorgánico con
MoS_{2} y lubricantes sólidos.
El número de ciclos de armado y desarmado fue
10, para determinar si hubo engrane se realizó limpieza e inspección
luego de cada desarmado, se obtuvieron los gráficos de torque
versus ciclos, y se evaluó el factor de fricción.
En este caso, los ensayos dieron como resultado
que no hubo engrane ni sobre el sello ni sobre la rosca, y la
conexión tuvo un comportamiento muy estable en el armado.
Estos resultados corresponden a la curva de la
Fig. 6, la cual es similar a la de la Fig. 5.
El tratamiento de superficie de la invención se
puede aplicar a todo tipo de roscas y a todo tipo de uniones, ya
sea que la envolvente de los picos de los filetes sea de forma
cilíndrica o frusto-cónica, o una combinación de
ambas.
La conexión de la presente invención se puede
aplicar a todo tipo de conexiones, particularmente en casos donde
el miembro hembra se maquina en un extremo de un caño o cuando se
usa una cupla con dos miembros hembra en ambos extremos para unir
dos caños con rosca macho.
A partir de lo que se ha descrito, es evidente
que la invención alcanza todos los objetivos establecidos en el
preámbulo.
Claims (15)
1. Un segmento de caño (1) de longitud definida
para la industria de la extracción de petróleo, hecho de un metal,
que tiene una porción central con una pared substancialmente
cilíndrica y por lo menos una porción roscada en su extremo (3, 4)
recubierta con un sistema para la protección de la superficie,
caracterizado porque por lo menos la superficie de metal de
la porción roscada en su extremo (3, 4) tiene una rugosidad de
superficie (Ra) comprendida entre 2,0 \mum y 6,0 \mum, y donde
dicho sistema para la protección de la superficie está constituido
por una primera capa uniforme (7) de un recubrimiento inhibidor de
corrosión seco compuesto por una resina epoxi que contiene
partículas de Zn y una segunda capa uniforme (8) de un recubrimiento
lubricante seco que cubre dicha primera capa (7).
2. El segmento de caño de acuerdo a la
reivindicación 1, donde la primera capa (7) tiene un espesor
comprendido entre 10 y 20 \mum.
3. El segmento de caño de acuerdo a la
reivindicación 1, donde la segunda capa (8) está compuesta por un
ligante inorgánico y una mezcla de partículas de lubricante sólido,
uno de los cuales es disulfuro de molibdeno.
4. El segmento de caño de acuerdo a la
reivindicación 3, donde la segunda capa (8) tiene un espesor
comprendido entre 10 y 20 \mum.
5. El segmento de caño de acuerdo a la
reivindicación 1, donde dicha porción roscada en su extremo tiene
una envolvente cónica o frusto-cónica.
6. El segmento de caño de acuerdo a la
reivindicación 1, donde dicha porción roscada en su extremo tiene
una envolvente cilíndrica.
7. El segmento de caño de acuerdo a las
reivindicaciones 5 o 6, donde el caño está roscado como miembro
macho de una conexión.
8. El segmento de caño de acuerdo a las
reivindicaciones 5 o 6, donde el caño está roscado como miembro
hembra de una conexión.
9. Un segmento de caño (1, 2) de longitud
definida para la industria de la extracción de petróleo o gas, hecho
de un metal, que tiene una porción central con una pared
substancialmente cilíndrica y por lo menos una porción roscada en
su extremo (3, 4) recubierta con un sistema para la protección de la
superficie, caracterizado porque por lo menos la superficie
de metal de la porción roscada en su extremo (3, 4) tiene una
rugosidad de superficie (Ra) comprendida entre 2,0 \mum y 6,0
\mum, y donde dicho sistema para la protección de la superficie
está constituido por una capa uniforme (9) hecha de un recubrimiento
inhibidor de corrosión seco que contiene una dispersión de
partículas de lubricante sólido.
10. El segmento de caño de acuerdo a la
reivindicación 9, donde la capa uniforme (9) contiene una dispersión
de partículas de disulfuro de molibdeno.
11. Una unión roscada para la industria de
extracción de petróleo o gas formada por miembros conformados por
caños roscados macho y hembra con rosca macho y hembra
respectivamente, donde por lo menos uno de los caños miembro es un
segmento de caño de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes.
12. Un proceso para hacer una porción roscada en
un extremo de un caño metálico para la industria de extracción de
petróleo con características de acuerdo a cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 11, que comprende los pasos de:
- a)
- proporcionar al metal que forma el caño por lo menos cerca de la porción roscada una rugosidad de superficie (Ra) con un valor comprendido entre 2,0 \mum y 6,0 \mum;
- b)
- proporcionar una primera capa uniforme (7) de un recubrimiento inhibidor de corrosión seco sobre la superficie del metal por lo menos cerca de la porción roscada;
- c)
- proporcionar una segunda capa uniforme (8) de recubrimiento lubricante seco sobre la primera capa uniforme (7) de recubrimiento inhibidor de corrosión por lo menos cerca de la porción roscada.
13. El proceso para hacer una porción roscada en
un extremo de un caño metálico para la industria de extracción de
petróleo o gas con características de acuerdo a cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, que comprende los pasos de:
- a)
- proporcionar al metal que forma el caño por lo menos cerca de la porción roscada una rugosidad de superficie (Ra) con un valor comprendido entre 2,0 \mum y 6,0 \mum;
- b)
- proporcionar sobre la superficie del metal que forma el caño por lo menos cerca de la porción roscada una primera capa uniforme (9) de un recubrimiento inhibidor de corrosión seco que contiene una dispersión de partículas de lubricante sólido.
14. El proceso de acuerdo a las reivindicaciones
12 o 13, donde la rugosidad (Ra) de la superficie del metal se logra
por medio de un granallado con abrasivo.
15. El proceso de acuerdo a las reivindicaciones
12 o 13, donde la rugosidad (Ra) de la superficie del metal se logra
por medio de la deposición de una capa de fosfato sobre la
superficie del metal.
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