ITMI20001614A1 - Giunzione filettata integrale per tubi. - Google Patents

Description

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce a una giunzione filettata integrale a ridotto ingombro diametrale per tubi, in particolare per tubi usati nell'industria di sfruttamento dei giacimenti di gas o petrolio. Tali tubi possono essere impiegati sia come condotti per il pompaggio del gas o petrolio, sia come rivestimenti dei pozzi di perforazione stessi.

Stato della tecnica

Nell'industria estrattiva del gas naturale e del petrolio vengono impiegati tubi di lunghezza predefinita che debbono essere uniti tra di loro alle estremità per poter raggiungere le profondità molto elevate alle quali si trovano generalmente ì giacimenti dì idrocarburi.

La tecnica di perforazione utilizzata più comunemente è quella di perforare, mediante trivellazione, pozzi che partono dalla superficie del suolo o del mare fino ad incontrare il giacimento di petrolio o gas. La profondità di tali pozzi può raggiungere diverse migliaia di metri. Durante la trivellazione i pozzi vengono rivestiti al loro interno con tubi di metallo per tutta la loro lunghezza. I segmenti di tubo metallico, lunghi una decina di metri, sono uniti tra loro mediante giunzioni filettate. Questi tubi formano quindi una stringa tubolare, di diametro costante per tutta la sua lunghezza fuorché in corrispondenza della giunzione, dove il diametro esterno generalmente è di almeno 1 pollice (25,4 mm) maggiore di quello della stringa stessa.

Per coprire tutta la profondità del pozzo vengono impiegate varie stringhe, che presentano, per motivi di resistenza meccanica e di caratteristiche geologiche della formazione, dimensioni del diametro decrescenti quanto maggiore è la profondità raggiunta dalla stringa, in modo da costituire una struttura di tipo “telescopico”. Ne consegue che, poiché il diametro a fondo pozzo è fissato in base alla pressione e alla portata del fluido da estrarre, quanto più il pozzo è profondo, tanto più il suo diametro è grande in corrispondenza della superficie. Una conseguenza svantaggiosa di ciò è che il costo della perforazione è elevato come pure la quantità di materiale necessaria per questi tubi di rivestimento, con aumento dei costi. Un diametro inferiore del pozzo permette anche di ridurre i tempi di perforazione e di completamento del pozzo. Pertanto è importante ridurre al minimo il diametro dei pozzi e di conseguenza anche il diametro dei tubi impiegati a parità di quantità di fluido estratto.

Una volta ultimata la perforazione, all'interno del pozzo cosi rivestito viene inserita un’altra stringa tubolare, che serve a pompare il gas o il petrolio verso l’esterno dal giacimento sotterraneo. Questa stringa, che è disposta lungo l’intera profondità del pozzo e che può quindi raggiungere lunghezze dì varie migliaia di metri, è anch’essa formata dall'unione mediante giunzioni dello stesso tipo di cui sopra di tubi lunghi una decina di metri. Di norma anche questo secondo tipo di stringa ha un diametro costante per tutta la sua lunghezza, fuorché in corrispondenza delle giunzioni dove generalmente presenta un diametro esterno più grande analogamente al caso precedente.

In entrambi i casi di cui sopra, i tubi sono uniti tra loro per mezzo di giunzioni filettate, che possono essere di tipo integrale, nel qual caso un’estremità del tubo è filettata maschio e l'altra femmina, o di tipo manicottato, per la quale entrambe le estremità del tubo sono filettate maschio e vengono unite da un manicotto filettato femmina da entrambi i iati. Normalmente la presenza della giunzione comporta un aumento del diametro esterno della stringa in corrispondenza della giunzione stessa, che si traduce in un ingombro complessivo della colonna e del foro tanto maggiore quanto più elevato è il diametro esterno della giunzione rispetto al tubo.

A fronte della richiesta da parte delle compagnie petrolifere di ridurre al minimo i costi di estrazione di gas e petrolio, sono stati fatti sforzi considerevoli per ridurre il diametro dei pozzi di estrazione e di conseguenza il diametro dei tubi impiegati.

Per limitare il diametro esterno della stringa e di conseguenza i costi di perforazione e del materiale installato, vengono utilizzate giunzioni filettate a ridotto ingombro diametrale, che si possono dividere in tre tipologie, a seconda delle prestazioni richieste e dell'ingombro massimo consentito. Un primo tipo, che viene spesso indicato come "semi-fiush”, è una giunzione di tipo manicottato il cui diametro esterno supera per non più del 6% il diametro esterno del tubo. Un secondo tipo, in generale indicato come “near-flush”, è una giunzione di tipo integrale il cui diametro esterno supera del 2-3% il diametro esterno del tubo. Un ultimo tipo, denominato "flush”, è una giunzione integrale il cui diametro esterno è pari a quello del tubo.

La scelta tra i vari tipi di giunzione viene fatta in funzione del carico che deve sopportare la stringa tubolare, la pressione che agisce al suo interno e/o al suo esterno, la sua lunghezza e il massimo ingombro diametrale ammissibile in relazione alla dimensione diametrale del pozzo.

Riducendo il diametro delle giunzioni, è necessario trovare soluzioni per compensare la loro minore resistenza strutturale. Infatti, nella zona delle giunzioni l'efficienza è necessariamente minore che nel corpo del tubo perché gli elementi costruttivi quali la filettatura, le tenute e gli spallamenti sono ricavati nello spessore della parete del tubo, ciò che comporta una riduzione di sezione in zone critiche del maschio o della femmina.

Ridurre al minimo le cause di rottura delle giunzioni è di importanza fondamentale, perché rotture dei tubi, soprattutto dopo che sono posti in operazione nel sottosuolo, e quindi con la quasi impossibilità per gli operatori di intervenire direttamente sulla giunzione che eventualmente si rompesse, possono avere conseguenze economiche di estrema gravità per l'impianto di estrazione e causare notevoli danni ambientali, particolarmente nel caso in cui il giacimento contenga elementi aggressivi.

Nel passato dunque si è lavorato molto per migliorare le giunzioni e per portarle ad un livello ottimale di efficienza, cercando di raggiungere un giusto equilibrio tra le varie esigenze, talvolta contrastanti tra loro, di minimo ingombro, massima resistenza strutturale e tenuta alla fuoriuscita e/o ingresso dei fluidi. I tubi sono infatti sottoposti a carichi di compressione, di trazione, di flessione, alla pressione prodotta dai fluidi agenti dall'esterno e/o circolanti all’interno dei tubi stessi.

Le giunzioni devono anche possedere caratteristiche ottimali di resistenza all'avvitamento e al grippaggio.

I problemi strutturali e di tenuta sono spesso aggravati dalla temperatura dei fluidi, dalla loro capacità di corrosione o dalle condizioni ambientali esistenti nelle zone di estrazione.

Nel passato sono state proposte varie soluzioni per giunzioni volte a soddisfare le esigenze di cui sopra.

La domanda di brevetto intemazionale WO-A-93/18329 descrive una forma di realizzazione di giunzione a ridotto ingombro diametrale che presenta uno spallamento centrale. Lo spallamento presenta sia sul lato del maschio che su quello della femmina un risalto e una cava paralleli all'asse del tubo, con superfici omologhe e tali da accoppiarsi perfettamente con funzione di blocco per i due membri della giunzione. Sui risalti dello spallamento sono presenti due superfici di tenuta. Lo spallamento separa due tratti di filettatura, di tipo conico o conicociiindrico, radialmente sfalsati tra loro.

Questa giunzione è molto efficiente, ma ha una struttura particolarmente complessa da realizzare con elevati costi di produzione.

La domanda di brevetto europeo EP-A-767335 descrive una giunzione a ridoto ingombro diametrale provvista di uno spallamento centrale con due tenute metalliche posizionate all’estremità del màschio e della femmina. Lo spallamento separa due tratti di filettatura, di tipo conicocilindrico, radialmente sfalsati tra loro.

Questa giunzione ha una realizzazione più semplice della precedente ma comunque relativamente complessa a causa della presenza della filetatura conico-cilindrica; inoltre, la presenza delle due tenute alle estremità della giunzione ne sigilla l'interno ermeticamente con conseguente messa in pressione del grasso lubrificante utilizzato per l'avvitamento, che può avere effetti negativi sulla tenuta della giunzione.

Riassunto dell’invenzione

Uno scopo primario della presente invenzione è pertanto quello di superare gli inconvenienti sopra lamentati che presentano dete giunzioni per tubi realizzando una nuova giunzione di tipo “near-flush “ che, a parità di ingombri rispetto a quelle della tecnica nota, non presenti gli svantaggi sopra citati.

E’ oggetto particolare della presente invenzione di prevedere una giunzione integrale con limitati ingombri diametrali, che abbia un costo di produzione ridoto, pur garantendo elevati valori di resistenza e di tenuta in opera.

Un altra oggetto della presente invenzione è quello di offrire una forma che ne faciliti la messa in opera.

Questi scopi sono raggiunti da una giunzione integrale per tubi che, in accordo con la rivendicazione 1, comprende un membro maschio provvisto sulla sua superficie esterna di due tratti di filettatura troncoconici distanziati radialmente, detti due tratti essendo separati da un primo spallamelo anulare giacente su un piano ortogonale all'asse del tubo e un membro femmina provvisto sulla sua superficie interna di due tratti di filettatura troncoconici distanziati radialmente, detti due tratti essendo separati da un secondo spallamento anulare giacente su un piano ortogonale all'asse del tubo, ognuno di detti membri maschio e femmina essendo munito di due superfici di tenuta rispettivamente disposte ad estremità opposte rispetto ai rispettivi tratti di filettatura, detti rispettivi due tratti di filettatura essendo atti ad avvitarsi reciprocamente e reversibilmente l’uno all’interno dell’altro fino a generare il contatto tra detti due spallamenti anulari caratterizzata dal fatto che i rispettivi due tratti di filettatura di ciascun membro maschio e femmina presentano lo stesso valore di conicità e che le rispettive dette due superficie di tenuta di detti membri maschio e femmina sono l’una di forma conica e l’altra di forma sferica.

Grazie a questa forma di realizzazione la giunzione permette un montaggio facilitato della stringa tubolare, con ridotti rischi di danneggiamento dei tubi in corrispondenza delle giunzioni, pur garantendo una resistenza ottimale della stringa tubolare in corrispondenza delle giunzioni.

Forme di realizzazione preferenziali dell’invenzione sono descritte in dettaglio nelle rivendicazioni dipendenti.

Breve descrizione delle Figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di una giunzione integrale illustrata a titolo esemplificativo e non limitativo con l'ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

la Fig. 1 rappresenta una vista in sezione lungo un piano assiale della giunzione conforme all’invenzione, con i due membri in posizione distaccata:

la Fig. 2 rappresenta la giunzione della Fig. 1 con i membri in posizione congiunta;

la Fig. 3 rappresenta un ingrandimento di un dettaglio del filetto della giunzione della Fig. 1 ;

la Fig. 4 rappresenta una vista in sezione lungo un piano assiale di una variante della giunzione conforme all’invenzione, con i due membri in posizione distaccata;

la Fig. 5 rappresenta la giunzione della Fig. 4 con i membri in posizione congiunta.

Descrizione in dettaglio di forme di realizzazione preferite dell'invenzione Con riferimento alle figure citate, la giunzione secondo l’invenzione comprende due membri, o tubi, il maschio 1 e la femmina 2. La giunzione definisce una parte interna 20 nella quale scorre il fluido, per esempio gas naturale o petrolio o altro fluido similare, e una parte esterna 30 che può anche essere riempita di fluidi o liquidi di varia natura, anch’essi generalmente sotto pressione. Il diametro esterno 3 del tubo 2 nella zona di massimo diametro della giunzione di dimensione D' è leggermente superiore al diametro esterno 4 del tubo 2 nella parte centrale distante dalla giunzione, di dimensione D”. Le due zone citate del tubo a diametri diversi 3 e 4 sono raccordate tra loro in modo graduale. La dimensione D’ è maggiore della dimensione D” di un valore uguale o inferiore al 3%.

Il membro femmina 2 della giunzione presenta un filettatura interna suddivisa in due tratti, o scalini, 8 e 9 a generatrice conica rispetto all'asse del tubo. I due tratti 8 e 9 sono traslati tra loro in direzione radiale e la filettatura può essere perfetta in tutta la sua lunghezza oppure con un tratto imperfetto. Tale forma di realizzazione è illustrata dalle figure 1 e 2. In una variante di realizzazione dell’invenzione, illustrata dalle figure 4 e 5, i tratti di filettatura 7 e 8 possono presentare rispettive zone di estremità con filettatura imperfetta.

I due tratti 8 e 9 presentano una conicità di uguale grado e con valori compresi tra 6,25 e 12,5%. L’intervallo indicato risulta ottimale perché da un lato valori inferiori comporterebbero filettature eccessivamente lunghe e un imbocco difficoltoso, e dall'altro valori superiori comporterebbero un ridotto numero di denti e quindi una insufficiente portanza della filettatura.

II membro femmina presenta nella zona di raccordo tra il tratto filettato e la superficie interna del tubo distante dalla giunzione una zona 12" a superficie conica rispetto all'asse del tubo. La conicità di questa superficie è compresa tra il 12,5% e il 25%, per garantire una buona tenuta con la superficie di contatto reciproca del maschio, riducendo la lunghezza di strisciamento durante la fase di avvitamento.

L’intervallo di valori proposto risulta ottimale in relazione al valore della conicità adottato per la filettatura e tale da limitare l’influenza negativa dei carichi di trazione. Nella zona di unione tra i due tratti filettati 8, 9, il membro femmina presenta uno spallamento 5”, giacente sostanzialmente su un piano perpendicolare all’asse della giunzione, la cui area è non inferiore al 25% dell’area della sezione del corpo tubo.. Tra lo spallamento 5” e l’inizio del tratto filettato 8 è ricavata una cavità 15 che si estende lungo tutta la circonferenza interna del membro femmina 2. La cavità assicura un serbatoio di espansione al grasso usato per lubrificare la giunzione, presente nelle due zone filettate 8, 9 e trascinato dalla spinta generata dallo strisciamento dei due membri 1 e 2 durante l’avvitamento. Tale soluzione limita lo sviluppo di una pressione di grasso eccessiva, causata dalla presenza di una doppia tenuta metallica alle due estremità della giunzione, con una conseguente minore sollecitazione della giunzione.

Alla sua estremità il membro femmina 2 è provvisto di una superficie sferica 13" che nel suo contatto con una zona 13’ conica alla quale si trova affacciata dopo l’avvitamento con il membro maschio 1 garantisce la tenuta alla pressione esterna.

Il profilo del dente della filettatura è di tipo "hooked", con fianco di carico 10 ad angolo a negativo con valori compresi tra 0 e -10° e fianco di imbocco 11 con angolo β positivo di valore compreso tra 10 e 30°. Questi intervalli di valori presentano notevoli vantaggi pur mantenendo una facilità di realizzazione della giunzione. Un fianco di carico con angolo negativo permette un efficace accoppiamento dei due membri della giunzione e riduce la possibilità si sfilamento della giunzione per carichi elevati di trazione. Un fianco di imbocco con angolo positivo ma non elevato consente un'efficace partecipazione della filettatura alla resistenza ai carichi di compressione.

Il membro maschio 1 presenta nella zona della superficie esterna che si affaccia alla zona filettata del membro femmina una filettatura disposta in modo perfettamente reciproco, con tratti conformati in modo perfettamente analogo.

Il membro 1 presenta due tratti filettati 6, 7 separati da uno spallamento 5' e da una cavità circonferenziale 14, tra detto spallamento 5' e l'inizio del tratto filettato 7. La presenza delle cavità di espansione 14 e 15 per il grasso permette di limitare l'aumento della pressione del grasso dopo l’avvitamento della giunzione, evitando sollecitazioni eccessive sulla giunzione e migliorandone quindi la funzionalità.

La zona di raccordo tra la superficie esterna del membro 1 e l’inizio del tratto filettato 7 ha una superficie conica 13’ con conicità comprese tra 12,5 e 25%. Questa superficie preme contro la superficie 13” dopo l’avvitamento della giunzione e le dimensioni e tolleranze sono scelte in modo tale che il contatto metallo-metallo garantisce una tenuta per impedire l’ingresso del liquido o fluido in pressione che si trova all'esterno della giunzione.

Analogamente, alla sua estremità, il membro maschio 1 presenta una superfìcie 12' di forma sferica che, dopo l’avvitamento con il membro femmina 2, va a premere contro la superficie conica 12’ della femmina. Anche in questa seconda zona si genera una pressione di contatto metallo-metallo tra i due membri che genera una tenuta contro la pressione del fluido presente all’interno del tubo. La scelta di due zone alle estremità della giunzione dove si producono tenute metalliche le quali hanno superici affacciate a forma di sfera e cono, conformemente all'invenzione, rende la giunzione meno sensibile ai carichi di pressione che agiscono su di essa e si sono dimostrate ottimali per tubi di tipo sottile. Infatti, data la snellezza delle estremità sulle quali sono ricavate le superfici di tenuta 12’ e 13”, la pressione, rispettivamente interna o esterna al tubo, agente sulle suddette estremità ne provoca facilmente l'inflessione. Pertanto, una superfìcie di tenuta sferica è in grado di mantenere comunque un contatto ottimale, al contrario di una tenuta di tipo tronco-conico, che in questo caso, a causa della rotazione imposta dall’inflessione dell’estremità, non mantiene il contatto su tutta la fascia di tenuta.

La forma dei denti della filettatura del membro maschio 1 è uguale a quella della filettatura del membro femmina 2, di cui sopra. Vantaggiosamente la filettatura ha un profilo perfetto.

Nella variante conforme all’invenzione illustrata dalla figure 4 e 5 può essere previsto che una zona d’estremità di uno o di entrambi i tratti di filettatura 6, 7 del membro maschio, per esempio ia zona 6' disposta in prossimità dello spallamento 5’, abbia una filettatura con profilo non perfetto. Il corrispondente tratto 8 del membro femmina dal lato dello spallamento 5" al quale la zona 6’ si affaccia ha filettatura perfetta. La zona 8’ all’estremità del tratto di filettatura 8 opposta assialmente alla zona 6’, ovvero quella in prossimità della superficie di tenuta 12”, presenta a sua volta anch’esso una filettatura con profilo non perfetto. Tuttavia è possibile prevedere in questa zona una filettatura perfetta.

Lo stesso tipo di esecuzione si può analogamente applicare ai tratti di filettatura 7 e 9, con il tratto 7 prowisto di una filettatura perfetta dal lato dello spallamento 5’ e il tratto 9 prowisto dì una zona 9' a filettatura imperfetta disposta dal lato dello spallamento 5". In combinazione o in alternativa a questa forma di realizzazione, il tratto 7 può presentare anch’esso una zona T con filettatura imperfetta dal lato della superficie di tenuta 13’ e il tratto 9 una zona con filettatura perfetta dal lato della superficie di tenuta 13".

Da quanto detto sopra risultano chiari i vantaggi apportati dalla giunzione conforme all’invenzione, la quale, pur essendo di dimensioni diametrali inferiori a quelle di tipo "semi-flush” della tecnica nota e solo di poco superiore a quelle di tipo “flush”, assicura prestazioni ed efficienza operativa ottimali.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Giunzione integrale filettata per tubi comprendente un membro maschio (1) provvisto sulla sua superficie esterna di due tratti di filettatura troncoconici (6, 7) distanziati radialmente, detti due tratti (6, 7) essendo separati da un primo spallamento anulare (5’) giacente su un piano ortogonale all’asse del tubo e un membro femmina (2) provvisto sulla sua superficie interna di due tratti di filettatura troncoconici (8, 9) distanziati radialmente, detti due tratti essendo separati da un secondo spallamento anulare (5”) giacente su un piano ortogonale all'asse del tubo, ognuno di detti membri maschio (1) e femmina (2) essendo munito di due superfici di tenuta (12’, 13’, 12", 13”) rispettivamente disposte ad estremità assiali opposte rispetto ai rispettivi tratti di filettatura (6, 7, 8, 9), detti rispettivi due tratti di filettatura (6, 7, 8, 9) essendo atti ad avvitarsi reciprocamente e reversibilmente l’uno all’interno dell’altro fino a generare il contatto tra detti due spallamenti anulari (5’, 5") caratterizzata dal fatto che i rispettivi due tratti di filettatura (6, 7, 8, 9) di ciascun membro maschio (1) e femmina (2) presentano lo stesso valore di conicità e che le rispettive dette due superficie di tenuta (12', 13’, 12", 13”) di detti membri maschio e femmina sono l'una di forma conica e l’altra di forma sferica.
2. 2. Giunzione secondo la rivendicazione 1 , caratterizzata dal fatto che almeno uno di detti membri maschio (1) e femmina (2) comprende lungo tutta la sua superficie una cavità circonferenziale (14, 15) tra uno di detti due tratti di filettatura e il rispettivo spallamento anulare (5’, 5"), detta cavità (14, 15) essendo atta ad accogliere l'espansione del grasso di lubrificazione della giunzione.
3. 3. Giunzione secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che ognuno di detti membri maschio (1) e femmina (2) comprende lungo tutta la sua superficie detta cavità circonferenziale (14, 15), disposta tra uno di detti due tratti di filettatura e il rispettivo spallamento anulare (5’, 5").
4. 4. Giunzione secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che la dimensione (D’) del diametro esterno (3) di detto membro femmina (2) in corrispondenza della giunzione è maggiore della dimensione (D") del diametro esterno (4) dello stesso membro femmina (2) di un valore uguale o inferiore al 3%.
5. 5. Giunzione secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che detti rispettivi due tratti di filettatura (6, 7, 8, 9) di detti membri maschio (1) e femmina (2) presentano ciascuno una conicità di uguale grado, di valore compreso tra 6,25 e 12,5%.
6. 6. Giunzione secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che dette rispettive superfici coniche (13', 12”) di tenuta dei detti membri maschio (1) e femmina (2) hanno una conicità compresa tra il 12,5% e il 25%,
7. 7. Giunzione secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che il profilo del dente della filettatura presenta il fianco di carico (10) con un angolo (a) negativo e il fianco di imbocco (11) con un angolo (β) positivo.
8. 8. Giunzione secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che detto angolo negativo (a) ha un valore compreso tra 0 e -10° e detto angolo (β) positivo ha un valore compreso tra 10 e 30°.
9. 9. Giunzione secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che detti rispettivi due tratti filettati (6, 7, 8, 9) di ognuno dei membri maschio (1) e femmina (2) prevedono una filettatura perfetta su tutta la loro lunghezza.
10. 10. Giunzione secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che almeno uno di detti due tratti filettati (6, 7, 8, 9) di almeno uno dei membri maschio (1) o femmina (2) prevede una prima zona di estremità (6’, 7') con filettatura non perfetta.
11. 11. Giunzione secondo la rivendicazione 10, caratterizzata dal fatto che il corrispondente tratto filettato dell'altro di detti almeno uno dei membri maschio (1) o femmina (2) prevede anch’esso una seconda zona (8’, 9’) con filettatura non perfetta disposta in corrispondenza della estremità assialmente opposta alla detta prima zona di estremità.