MX2012011114A - Un sello mejorado entre tuberias. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a una junta de tubería con rosca de tornillo que comprende una espiga (20) que tiene en un extremo una porción con rosca de tornillo macho y una caja (10) que tiene en un extremo una porción hembra que tiene una rosca de tornillo complementaria. La espiga y la caja se inter-acoplan a lo largo de las porciones roscadas con la rosca macho extendiéndose a un soporte de tope macho adyacente al soporte de tope complementario en la otra porción. El soporte de tope complementario comprende un rebajo en la forma de un receptor de cono que tiene una superficie radial (23) adyacente a una superficie radial correspondiente (15) en el soporte de tope complementario. Una superficie de sellado curvada (24) en la espiga (20) acopla herméticamente una superficie de sellado curvada correspondiente (16) en el soporte de tope complementario de la caja (10), cada superficie de sellado curvado (16), (24) que yacen en el arco de la circunferencia de un círculo separado, y en donde la curvatura de la superficie de sellado de caja (16) es mayor que en la superficie de sellado (24) en la espiga (20).

Description

UN SELLO MEJORADO ENTRE TUBERÍAS CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un sello mejorado entre dos secciones de tubería. Las secciones de tubería particularmente contempladas encuentran aplicación en las industrias de la perforación de petróleo y gas .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La producción de tuberías de acero para su uso en las industrias de la perforación de petróleo y gas ha sido el objeto de una gran cantidad de investigación e innovación. Además de los materiales y medios para formar un tubo cilindrico, un aspecto que ha sido un objeto de atención es el acoplamiento entre sí de dos tuberías separadas para proporcionar una junta hermética al fluido capaz de soportar las fuerzas de tensión y compresión.

Las juntas normalmente se forman al atornillar juntas dos tuberías, cada una teniendo ranuras complementarias de pre-corte en los extremos de cada una de las tuberías : además de las tuberías adicionales en el extremo libre continuo, para aumentar una sarta. Como un método alternativo aunque relacionado, un manguito de acoplamiento roscado se utiliza para conectar los extremos de las dos tuberías , pero el principal permanece igual .

Para mejorar las propiedades de sellado de la junta producidas entre las tuberías, y proporcionar un sello capaz de soportar la manipulación repetida bajo condiciones de operación normales, el perfil y superficie de la parte roscada del extremo de las tuberías y de las regiones inmediatamente alrededor de la parte roscada al extremo de la tubería, se diseñan específicamente para co-operar entre sí para proporcionar el sello. Típicamente el extremo de la tubería tiene una porción roscada cortada, ya sea sobre el extremo de la tubería (para formar una sección de espiga o macho) o en la superficie interior de la tubería (para formar sección de caja o hembra) . La superficie sobre la cual la porción roscada se introduce, puede incluir un ahusamiento para ayudar al proceso de acoplamiento.

Alternativamente, el diámetro de la tubería en la región de formación de sello puede haberse incrementado en comparación que el que predomina a lo largo de la longitud de la tubería, usualmente por la conformación en frío, para permitir que una junta se forme.

En la tubería, una sección no roscada normalmente se deja entre el extremo de la tubería y la sección roscada, cuya sección no roscada a menudo se denomina como un soporte de tope. Se ha puesto un énfasis particular en la búsqueda del soporte de tope ya que a menudo éste constituye la región de sellado primaria de la junta de tubería. El soporte de tope en la espiga, se perfila usualmente para acoplar un rebajo correspondiente en la sección de caja para formar un sello resistente. El perfil particular normalmente se elige para dispersar eficientemente el esfuerzo experimentado en la tubería cuando se aplica torsión para formar la junta y retener el sello cuando la junta se encuentra en uso. Además del perfilado, también pueden aplicarse recubrimientos para mejorar la naturaleza hermética al fluido de los sellos.

Sin embargo, ya que muchas reservas de petróleo y gas comienzan a agotarse y el precio del petróleo asciende, existe una necesidad creciente y oportunidad para extraer el petróleo y gas de las reservas, las cuales hasta ahora han sido poco rentables. Por ejemplo, la extracción debe llevarse a cabo desde los niveles más profundos o más inaccesibles. Además, existe también el deseo de que sea posible utilizar pozos de perforación existentes como un punto de inicio para alcanzar los depósitos más difíciles.

El resultado de esto es que las juntas de tubería necesitan ser capaces de soportar altas temperaturas y presiones - por tensión y compresión - que anteriormente han sido el caso. Por ejemplo, muchas sartas necesitan tener flexiones de alrededor de 90° cuando pasan de una orientación vertical a una horizontal. Tal flexión obviamente provoca que las fuerzas de compresión y tensión actúen en la misma junta.

Un problema encontrado en las juntas de la técnica anterior es la flexión del extremo de la espiga y la configuración de la junta. Esto puede llevar a la abrasión: si no es en la primera configuración de la junta, entonces en las configuraciones posteriores. Aunque este problema puede dirigirse mediante el incremento de la tolerancia en fabricación, ésta es una solución costosa y además no elimina por completo las dificultades, particularmente bajo las condiciones de trabajo normales.

Es un objeto de la presente invención tratar de abordar los problemas anteriores .

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona una junta de tubería, la junta comprende: una junta con rosca de tornillo para tubería que comprende una primera longitud de tubería o espiga, que tiene en un extremo una porción con rosca de tornillo macho y una segunda longitud de tubería o caja que tienen en un extremo una porción hembra que tiene una rosca de tornillo complementario, las porciones se adaptan para inter-acoplarse a lo largo de la parte más grande de la longitud axial de las porciones roscadas en las roscas de tornillo de los mismos que se inclinan en la misma dirección en un ángulo agudo al eje longitudinal de la longitud de tubería, la rosca macho que se extiende a un soporte de tope macho adyacente a un soporte de tope complementario en la otra porción, el soporte de tope complementario, que comprende un rebajo en la forma de un receptor de cono que tiene un vértice redondeado, el soporte de tope en la espiga que incluye un soporte de torsión, acoplando por fricción un soporte correspondiente en el soporte de tope complementario, una superficie radial adyacente a la superficie radial correspondiente en el soporte de tope complementario, una superficie de sellado curvada en la espiga acoplando herméticamente una superficie de sellado curvada correspondiente en el soporte de tope complementario de la caja, las superficies de sellado curvadas estando así configuradas cada una para yacer sobre el arco de la circunferencia de un círculo separado, y en donde la curvatura de la superficie de sellado de caja es mayor que la espiga .

La disposición anterior permite el movimiento del sello a lo largo de la superficie curvada que tiene lugar cuando se aplican tensiones en la junta.

De preferencia, el centro del círculo en el que las superficies de sellado de la sección de espiga yace, tiene su centro en una línea que es de 0.762-1.016cm (0.30 - 0.40") desde el punto de intersección de las líneas que se extienden desde el soporte de torsión y la superficie radial de la espiga.

Ventajosamente, el radio del círculo en el que la superficie de sellado de la sección de espiga se describe es de 0.635-0.890cm (0.25 - 0.35").

De preferencia el ángulo entre la línea en la que el centro del círculo que describe una superficie de sellado de la espiga, y la línea del centro del círculo y del punto de contacto inicial de las dos superficies de sellado es de 7.0 - 9.0°.

De preferencia el ángulo entre la línea en la que el centro del círculo que describe una superficie de sellado de la caja, y la línea del centro del círculo y el punto de contacto inicial de las dos superficies de sellado es de 10.0 - 12.0° .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Ahora se describirá la invención con referencia a las figuras anexas la cuales muestran una modalidad de una junta. En las figuras : La Figura 1 es una sección del eje longitudinal de una sección de tubería, mostrando la región de sellado de un sello de caja; la Figura 2 es una sección del eje longitudinal de una sección de tubería, que muestra la región de sellado de un sello de espiga; la Figura 3 ilustra la ubicación dentro de una sección de tubería de un sello de caja en la Figura 1; la Figura 4 ilustra la ubicación dentro de una sección de tubería del sello de espiga en la Figura 2; la Figura 5 ilustra una gráfica de torsión obtenida durante la configuración de una junta; y la Figura 6 y la Figura 7 ilustran los puntos de referencia y la línea utilizada para determinar la posición de una superficie de sellado circular.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN En el diseño de la región de sellado de una junta entre las secciones de espiga y caja de las tuberías de acero, una gran cantidad de características se han utilizado y variado para intentar lograr los objetivos establecidos para un sello particular. La presente invención tiene que ver con el uso de lo que a menudo se denomina como un radio, tanto en la sección de espiga como en la de caja, los radios que se acoplan entre sí con la configuración de la junta y permiten cierto movimiento de la espiga y la caja en relación una con la otra, sin embargo, el movimiento aún mantiene un sello. El sello también puede mantenerse cuando los ejes longitudinales de las secciones de espiga y de la caja no se encuentran en una alineación completa, a menos que la desalineación no sea demasiado grande. En una sección transversal a lo largo del eje longitudinal de una tubería, los radios se presentan como líneas curvas y se muestran así en las figuras anexas .

Aunque tales radios son conocidos en la técnica anterior, se ha encontrado de manera sorprendente que el uso de dos radios - uno en la sección de espiga y otro en la sección de caja - cooperan entre sí para proporcionar un sello el cual es estable bajo las fuerzas por tensión y compresión y también a temperaturas elevadas . El sello producido por lo tanto es adecuado para el uso en ambientes difíciles tales como aquellos en profundidades mayores, donde se requiere una alta curvatura de una sarta, donde existe una amplia presión diferencial entre el volumen interno de la tubería y el externo y en donde las temperaturas pueden alcanzar más de 200°C.

Primeramente se ha encontrado que los dos radios de preferencia tienen curvaturas diferentes entre sí. En segundo lugar, cada superficie curvada puede definirse como parte del arco del círculo cuyo centro es el cuerpo principal de la tubería. Nuevamente se ha encontrado que los resultados han mejorado para aquellas situaciones donde en contacto entre las superficies, el centro de aquellos círculos se desplaza longitudinalmente entre sí y desde el punto de contacto. En ese caso el centro del círculo para la superficie curvada de la sección de caja yace sobre la dirección longitudinal del volumen de la tubería de la cual la sección de caja es una parte. De manera similar, el centro del círculo para la superficie curvada en la sección de espiga yace longitudinalmente al lado opuesto del punto de contacto.

La invención ahora se ilustrará inicialmente con respecto a la Figura 1 y la Figura 2, las cuales muestran el rebajo de soporte de tope de una sección de caja y el soporte de tope de una sección de espiga de una tubería respectivamente.

Primeramente se trata con la sección de caja 10 de una tubería, ésta comprende un rebajo 11 definido por el metal a partir del cual se forma el volumen 12 de la tubería. El mismo cuerpo de la tubería se muestra en un sombreado con rayas para ayudar visualmente en la interpretación de las características. El rebajo 11 tiene un soporte de torsión 13 el cual en uso se acopla con una superficie correspondiente en la espiga, en la configuración de la junta. Aunque este complemento se define en muchos documentos de la técnica anterior para hacer un acoplamiento de sellado, éste no es necesario o deseable en la presente invención. Como puede verse a partir de la Figura 1, el soporte de torsión 13 define un ángulo de 15° con respecto al plano perpendicular al eje longitudinal de la tubería. Se reconocerá por la persona con experiencia, que ese ángulo puede variar dentro de los límites, sin apartarse del rendimiento del sello principal. Una superficie curvada 14 con radio de 0.0508cm (0.02") une el soporte de torsión 13 a una superficie ahusada adicional 15. La superficie 15 en las tres dimensiones es cónica, pero en la representación de corte trasversal de la Figura 1 aparece como una línea recta. La superficie 15 se encuentra en un ángulo de 7.12° (tan-1 (1/8)) al eje longitudinal de la tubería.

En el punto A, el perfil de corte transversal de la caja 10 se vuelve curvado entre el punto A y el punto B. A lo largo de esta sección la superficie curvada 16, entre A y B, describe el arco de la circunferencia de un círculo cuyo centro yace sobre el material volumétrico de la tubería 10. El radio del círculo en la figura ejemplificada es de 0.6cm.

Más allá del punto B, una superficie cónica adicional 17 en un ángulo de 65° al plano perpendicular al eje longitudinal de la tubería 10, une la superficie curvada 16 a la cresta final de la porción roscada de la tubería 10.

La espiga 20, tiene una configuración la cual es en algunos aspectos complementaria a aquella del rebajo 11 en la caja 10. La espiga 20 tiene un soporte de torsión 21 en un ángulo de 15° al plano perpendicular del eje longitudinal de la espiga 20. El soporte de torsión 21 se une por medio de una superficie curvada 22 con un radio de 0.1054cm (0.415") para una superficie cónica 23, la cual tiene 0o de ahusamiento con respecto al eje longitudinal de la espiga 20.

En el punto C, el perfil de corte transversal de la espiga 20 se vuelve curvado entre los puntos C y D, con la superficie curvada 24 que yace sobre el arco de la circunferencia de un círculo con un radio de 0.6 cm. Más allá del punto D, una superficie cónica adicional 25 se enlaza con la superficie 24 curvada a la cresta final de la porción roscada 26 de la espiga 20. La muesca 27 mostrada en la Figura 2 simplemente es la base de la porción con rosca 26.

La espiga 20 tiene una superficie achaflanada 28, la superficie achaflanada 28 que tiene una sección transversal recta como se muestra un ángulo de 10° al eje longitudinal de la espiga 20. Se apreciará por la persona con experiencia que la superficie 28 también puede ser cóncava (cuando se ve desde el volumen interno de la espiga) , sin apartarse del alcance de la invención. La relación de las porciones de la espiga y la caja mostrada en la Figura 1 y la Figura 2 para el resto de la tubería respectiva se muestran en elipse en la Figura 3 y la Figura 4.

Por lo tanto en uso, en la configuración de la junta, la sección de espiga y caja se unen a través del acoplamiento de las secciones roscadas de la espiga y la caja, mediante la aplicación de una torsión. La torsión se aplica hasta que un sello se forma entre las dos secciones. Esta situación usualmente se reconoce al monitorear la magnitud de la torsión aplicada y una gráfica típica se muestra en la Figura 5. En el punto de acoplamiento de los soportes de torsión 13, 21 y formación del sello, la torsión se eleva de forma discontinua a partir de un valor de elevación anteriormente de manera constante. El sello primario se forma entre las dos superficies curvadas 16, 24.

La ventaja de utilizar dos superficies curvadas para proporcionar un sello, el cual es capaz de mantener la integridad bajo las fuerzas por tensión y compresión, incluyendo la flexión de la junta ahora puede observarse. Si tales fuerzas actúan, las superficies curvadas 4 se enrollan' entre si y aunque el punto de sellado puede moverse, su integridad permanece intacta. Además, se reconoce que el extremo de la espiga tiene una tendencia, debido a las fuerzas externas en la misma para doblarse internamente. Si este proceso se excede entonces la deformación puede ser tan aguda que en las configuraciones posteriores puede presentarse la abrasión conforme el extremo de la espiga se reduce en la sección de caja.

Una característica adicional de la invención se refiere a la colocación y aspecto de las superficies de sellado curvadas en la espiga y la caja. Ésta se ilustra en la Figura 6 y la Figura 7. Primeramente se trata con la superficie curvada 16 en la caja en la Figura 6, la ubicación del centro del círculo en cuya circunferencia yace el círculo, se define con respecto al punto P imaginario dentro del metal volumétrico de la caja 10. El punto P se obtiene conforme la intersección de una línea trazada extendiendo el soporte de torsión 13 y una línea trazada extendiendo la sección plana 15 (las extensiones que se muestran como las líneas discontinuas en la Figura 6) . Una vez que este punto se obtiene, el centro del círculo entonces yace la línea en la línea R, perpendicular al eje de la caja, la cual tiene una distancia mínima de 0.508 cm (0.2") desde el punto P de intersección, en la dirección de la porción roscada. Esta línea R se muestra punteada en la Figura 6. La ubicación radial del centro del círculo en esta línea se rige por la circunferencia del círculo trazado desde el mismo para asegurar que la curva cumple con la superficie 17 uniformemente en B; es decir, la superficie es tangencial al círculo en aquel punto de encuentro. Se ha encontrado que el valor de la distancia mínima de R a P puede ser de 0.380-0.635cm (0.15"-0.25" ) . Por ejemplo para una sección de caja de 11.43cm (4½") una distancia de 0.4902cm (0.193") se ha encontrado que es adecuada y para una sección de caja de 17.78cm (7"), 0.5085cm (0.2002").

La ubicación del centro del círculo el cual se utiliza en relación con la superficie curvada 24 en la espiga 20, se define de manera similar. Primeramente un punto Q imaginario, encuentra la intersección de una línea trazada extendiendo el soporte de torsión 21 y una línea trazada extendiendo la sección plana 23. El centro del círculo entonces yace en la línea S perpendicular al eje de la caja el cual tiene una distancia mínima de 0.889cm (0.35") del punto Q de intersección en la dirección de Q hacia la porción roscada. Se ha encontrado que el valor de la distancia mínima de S a Q puede encontrarse de 0. 620-1.016cm (0.30"-0.40" ) . Por ejemplo, para una sección de espiga de 11.43cm (4½") una distancia de 0.8382cm (0.33") se ha encontrado que es adecuada para una sección de espiga de 17.78cm (7"), 0.8377cm (0.3298") .

Los radios de los círculos formados necesitan elegirse de manera cuidadosa para asegurar la buena integridad del sello y también que el sello permanezca intacto bajo las fuerzas que actúan en el mismo. Una característica adicional, la cual es importante, es el ángulo hecho entre las líneas que unen el punto de contacto de sello inicial, y el centro de un círculo, y la línea perpendicular al eje longitudinal de la tubería en el que el centro del círculo yace.

La curvatura de la superficie de sellado en la espiga de preferencia es menor a aquella de la superficie que corresponde en la caja. Para la espiga, se selecciona un radio adecuado para estar en un margen de 0.63-0.89cm (0.25"-0.35") y el ángulo anteriormente definido a ser de 7-9°. En relación a la caja, el radio seleccionado es de 0.12-0.18cm (0.05-0.07") y el ángulo de 10-12°. Se apreciará por lo tanto que los radios de los círculos se establecen en la espiga y caja para ser diferentes entre sí.

Se entenderá desde luego que la invención no se limita a los detalles específicos descritos en la presente, los cuales se proporcionan a modo de ejemplo solamente, y que diversas modificaciones y alteraciones son posibles dentro del alcance de la invención.

Claims (6)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención como antecede, se considera como novedad y por lo tanto se reclama como propiedad lo descrito en las siguientes: REIVINDICACIONES

1. Una junta de tubería, la junta caracterizada porque comprende: una junta con rosca de tornillo para tubería que comprende una primera longitud de tubería o espiga que tiene un extremo y una porción con rosca de tornillo macho y una segunda longitud de tubería o caja que tiene un extremo de una porción hembra que tiene una rosca de tornillo complementaria, las porciones que se adaptan a un inter-acoplamiento a lo largo de la parte más grande la longitud axial de las porciones roscadas de las roscas de tornillo de las mismas, que se inclinan en la misma dirección y en un ángulo agudo al eje longitudinal de la longitud de tubería, la rosca macho que se extiende a un soporte de tope macho adyacente al soporte de tope complementario en la otra porción, el soporte de tope complementario que comprende un rebajo en la forma de un receptor de cono, que tiene un vértice redondeado, el soporte de tope en la espiga que incluye un soporte de torsión, acoplando por fricción un soporte correspondiente en el soporte de tope complementario, una superficie radial adyacente a la superficie radial correspondiente en el soporte de tope complementario, una superficie de sellado curvada en la espiga acoplando herméticamente una superficie de sellado curvada correspondiente en el soporte de tope complementario de la caja, la superficie de sellado curvada que se conforma una con otra yacen en el arco de la circunferencia de un círculo separado, y en donde la curvatura de la superficie de sellado de caja es mayor que la superficie de sellado en la espiga.

2. La junta de tubería de conformidad con la reivindicación 1, se caracteriza porque el centro del círculo en el que la superficie de sellado de la espiga yace, tiene su centro en una línea que es de 0.762 - 1.016cm (0.30 -0.40") del punto de intersección de las líneas extendidas desde el soporte de torsión y la superficie radial de la espiga .

3. La junta de tubería de conformidad con la reivindicación 1 o reivindicación 2, se caracteriza porque se describe el radio del círculo en el que la superficie de sellado de la espiga es de 0.635 - 0.890cm (0.25 - 0.35").

4. La junta de tubería de conformidad con cualquier reivindicación precedente, se caracteriza porque el ángulo entre la línea en la que el centro del círculo que describe la superficie de sellado de la espiga, y la línea del centro del círculo y el punto de contacto inicial de las dos superficies de sellado es de 7.0 - 9.0°.

5. La junta de tubería de conformidad con cualquier reivindicación precedente, se caracteriza porque el ángulo entre la línea en la que el centro del círculo que describe la superficie de sellado de la caja, y la línea del centro del círculo y el punto de contacto inicial de las dos superficies de sellado es de 10.0 - 12.0°.

6. Una junta de tubería sustancialmente caracterizada como se describe en la presente con referencia a y como se ilustra por las figuras anexas.