ROSCA EN CUNA CON REBORDE DE TORSIÓN
Campo de la Invención La invención se refiere a juntas tubulares roscadas utilizables en la perforación y producción de pozos de petróleo y gas, tales como en tuberías de explotación, tuberías de revestimiento, tuberías y tuberías de perforación, comúnmente conocidas de manera colectiva como tuberías y accesorios para yacimientos petrolíferos. Más particularmente, la invención se refiere a roscas en cuña que tienen un reborde de torsión, de tope de seguridad para conectar los miembros macho (perno) y hembra (cavidad) . Antecedentes de la- Invención Es bien conocido, el uso de conexiones tubulares roscadas para unir conductos de flujo en una relación extremo a extremo para formar una trayectoria de flujo continua para transportar fluido bajo presión. Todas las tuberías y accesorios para yacimientos petrolíferos utilizan conexiones roscadas para conectar secciones adyacentes de conducto o tubería. Ejemplos de tales conexiones de extremo roscado diseñadas para utilizarse en tuberías y accesorios para yacimientos petrolíferos se describen en las Patentes de E.U. Nos. 2,239,942; 2,992,019; 3,359,013; RE 30,647; y RE 34,467, todas las cuales se encuentran cedidas al cesionario de la presente invención. Los diseños de rosca en cuña de la técnica anterior ofrecen distintas ventajas sobre otros diseños de -rosca que incluyen alta torsión, alta compresión y capacidades de hermeticidad a presión confiable interna y externa. Existen, sin embargo, algunas cuestiones que requieren cuidado extremó al diseñsir la conexión utilizando tecnología de rosca en cuña. Una primer cuestión es diseñar conexiones utilizando interconexiones herméticas metal a metal en conjunto con la tecnología de rosca en cuña. Una segunda cuestión son las características de deterioro inherentes encontradas durante múltiples conexiones y desconexiones asociadas con la tecnología de rosca en cuña. El primer problema encontrado en la técnica anterior, cuando se trata de incorporar una rosca en cuña con un sello cónico metal a metal es que se requiere un ángulo de sello muy angosto para compensar la variabilidad lineal del tope de torsión de la rosca en cuña. Esta invención incorpora un reborde de torsión de tope de seguridad en conjunto con la rosca en cuña los cuales permiten un mejor control axial de la conexión en la estructura final sin sacrificar las ventajas existentes de la tecnología de la rosca en cuña. Esta ubicación axial mejor
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- controlada de la conexión, permite un ángulo hermético metal a metal más pronunciado, mejorando de esta manera las características de hermeticidad y resistencia a la excoriación. El segundo problema encontrado al utilizar tecnología de rosca en cuña, es determinar cuándo la rosca en cuña empieza a deteriorarse hasta un punto en que la conexión ya no sirve como resultado de las repetidas conexiones y desconexiones. Al incorporar un reborde de torsión de tope de seguridad secundario dentro de la configuración de tope de torsión de la rosca en cuña primaria, pueden controlarse mejor las limitaciones de deterioro de la conexión. Sumario de la Invención Un aspecto de la invención es una conexión de tubería roscada, que incluye un miembro de perno que tiene un roscado externo que incrementa en anchura en una dirección; un miembro de cavidad que tiene un roscado interno que incrementa en anchura en la otra dirección, de modo que las roscas interna y externa complementarias se embragan al hacer la conexión; y un reborde de torsión de tope de seguridad. En una modalidad, el miembro de perno tiene un reborde de diámetro exterior; el miembro de cavidad tiene una parte frontal; y el reborde de torsión .de tope de seguridad está ubicado en una interconexión de la parte frontal de la
cavidad y el reborde de diámetro exterior del perno. En una modalidad, el reborde de torsión de tope de seguridad se utiliza conjuntamente con un sello de metal a metal. En una modalidad, el roscado externo del miembro de perno tiene una configuración de roscado de dos pasos; el roscado interno del miembro de cavidad tiene una configuración de roscado de dos pasos; y el reborde de torsión de tope de seguridad está ubicado en una interconexión entre los dos pasos de los miembros de perno y cavidad. En otro aspecto, la invención proporciona un método que incluye el engranado giratorio de un miembro de perno en un miembro de cavidad. El miembro de perno tiene un roscado externo que incrementa en anchura en una dirección, y el miembro de cavidad tiene un roscado interno que incrementa en anchura en otra dirección. Un reborde de torsión de tope positivo está ubicado en una interconexión de la parte frontal de la cavidad y el reborde de diámetro exterior del perno. Las roscas interna y externa complementarias se engranan al hacer la conexión. Breve Descripción de los Dibujos La figura 1 es una vista lateral de una forma de rosca en cuña de un paso de acuerdo con una modalidad de la invención.
La figura 2 es una vista lateral de una forma de rosca en cuña de dos pasos de acuerdo con una modalidad de la invención. La figura 3 es una vista lateral de una forma de rosca en cuña de dos pasos de acuerdo con una modalidad de la invención La figura 4a muestra un reborde de torsión de acuerdo con una modalidad de la invención. La figura 4b muestra un reborde de torsión de acuerdo con una modalidad de la invención. La figura 4c muestra un reborde de torsión de acuerdo con una modalidad de la invención. La figura 4d muestra un reborde de torsión de acuerdo con una modalidad de la invención. La figura 5a muestra un sello metal a metal de acuerdo con una modalidad de la invención. La figura 5b muestra un sello metal a metal de acuerdo con una modalidad de la invención. La figura 5c muestra un sello metal a metal de acuerdo con una modalidad de la invención. La figura 5d muestra un sello metal a metal de acuerdo con una modalidad de la invención. La figura 5e muestra un sello metal a metal de
i_i ite.* . í¿ t - acuerdo con una modalidad de la invención. La figura 6a muestra una combinación de un reborde de torsión con un sello metal a metal de acuerdo con una modalidad de la invención. La figura 6b muestra una combinación de un reborde de torsión con un sello metal a metal de acuerdo con una modalidad de la invención. La figura 6c muestra una combinación de un reborde de torsión con un sello metal a metal de acuerdo con una modalidad de la invención. La figura 6d muestra una combinación de un reborde de torsión con un sello metal a metal de acuerdo con una modalidad de la invención. La figura 6e muestra una combinación de un reborde de torsión con un sello metal a metal de acuerdo con una modalidad de la invención. La figura 6f muestra una combinación de un reborde de torsión con un sello metal a metal de acuerdo con una modalidad de la invención. Descripción Detallada Refiriéndose a los dibujos en donde los caracteres de referencia similar se utilizan para partes similares a través de todas las diversas vistas, las figuras 1-3 ilustran
--**&& un corte transversal de la rosca en cuña de un miembro de perno y un miembro de cavidad de acuerdo con las modalidades de la presente invención. Como se muestra en la figura 1, en una modalidad, la invención es una forma de rosca en cuña de un paso con un reborde de torsión de tope de seguridad. El reborde de torsión de tope de seguridad puede ubicarse en la interconexión del reborde de diámetro interior (ID) de la punta del perno/cavidad, como se muestra en la figura 1 o ubicarse en la interconexión del reborde de diámetro exterior (OD) de la parte frontal de la cavidad/perno. La conexión 8 incluye un miembro de cavidad 10 y un miembro de perno 12. El miembro de cavidad 10 tiene una estructura de rosca interna cónica conformada en general en cola de milano formada sobre el mismo y adaptada para embragar la estructura de rosca externa cónica conformada en general en cola de milano complementaria, formada en el miembro de perno 12 para asegurar de manera mecánica los miembro de cavidad y perno de una manera liberable. La rosca interna del miembro de cavidad 10 tiene flancos de perforación, flancos de carga, fondos y crestas. La rosca se incrementa en amplitud de manera progresiva a un grado uniforme en una dirección que es substancialmente la longitud helicoidal completa de la rosca. La rosca externa del miembro de perno 12 tiene flancos de perforación, flancos de carga, fondos y crestas. La rosca se incrementa en amplitud de manera progresiva a un grado uniforme en la otra dirección, substancialmente la longitud helicoidal completa de la rosca. Las amplitudes de la roscas que se incrementan de manera opuesta y la conicidad de las roscas hace que los fondos y crestas complementarios de las roscas respectivas se muevan a embrague mientras se hace la conexión. El embrague del fondo y de la cresta va seguido por el movimiento de los flancos de perforación y carga complementaria hacia el embrague al hacer la conexión. El movimiento de los flancos, fondos y crestas complementarios hacia el embrague forma superficies herméticas que resisten el flujo de fluidos entre las roscas. Un reborde de torsión de tope de seguridad se ubica en cualquiera de las interconexiones del reborde 20 OD de la parte frontal de la cavidad/perno o del reborde 22 ID de la punta del perno/cavidad. El tipo de reborde de torsión utilizado y el mecanismo hermético asociados con la conexión se tratarán en detalle más adelante con referencia a las figuras 4a-d, 5a-e y 6a-f. El reborde de torsión de tope de seguridad se mueve a embrague al hacer la conexión. El embrague del reborde de torsión de tope de seguridad puede ocurrir simultáneamente con los f L ñeos de carga y de perforación que se mueven hacia el embrague. De manera alternativa, los flancos de carga y perforación pueden moverse hacia el embrague después del embrague del fondo y la cresta mientras se hace la conexión y seguida por embrague del reborde de torsión de tope de seguridad al hacer la conexión. El miembro de perno 12 o el miembro de cavidad 10 definen el eje longitudinal de la conexión hecha. Los fondos y las crestas de los miembros de cavidad y perno son planos y paralelos al eje longitudinal de la conexión y tienen suficiente amplitud para evitar cualquier deformación permanente de las roscas cuando se hace la conexión. En una modalidad, la invención es una forma de rosca en cuña de dos pasos con un reborde de torsión de tope de seguridad. Como se muestra en las figuras 2 y 3, el reborde de torsión de tope de seguridad puede ubicarse en la interconexión del reborde 24 OD de la parte frontal de la cavidad/perno, ubicado en la interconexión entre los dos pasos 26 de la rosca o ubicado- en la interconexión del reborde ID 28 de la punta del perno/cavidad. Refiriéndose a la figura 2, la conexión 8 incluye un miembro de cavidad 14 y un miembro de perno 16. El miembro de cavidad 14 tiene dos pasos de la rosca, teniendo cada uno una estructura de rosca interna cónica conformada en general en cola de milano formada sobre el mismo y adaptada para embragar la estructura de rosca externa cónica conformada en general en cola de milano complementaria, formada sobre los dos pasos de la rosca del miembro de perno 16 para asegurar de manera mecánica los miembros de cavidad y perno de una manera liberable. La rosca interna de cada paso del miembro de cavidad 14 tiene flancos de perforación, flancos de carga, fondos y crestas. La rosca se incrementa en amplitud de manera progresiva a un grado uniforme en una dirección que es substancialmente la longitud helicoidal completa de la rosca. La rosca externa sobre cada paso del miembro de perno 16 tiene flancos de perforación, flancos de carga, fondos y crestas. La rosca se incrementa en amplitud de manera progresiva a un grado uniforme en la otra dirección, substancialmente la longitud helicoidal completa de la rosca. Las amplitudes de la roscas que se incrementan de manera opuesta y la conicidad de las roscas hace que los fondos y crestas complementarios de las roscas respectivas se muevan a embrague mientras se hace la conexión. El embrague del fondo y de la cresta va seguido por el movimiento de los flancos de perforación y carga complementaria hacia el embrague al hacer la conexión. El movimiento de los flancos, fondos y crestas complementarios hacia el embrague forma superficies herméticas que resisten el flujo de fluidos entre las roscas. Uno o más rebordes de torsión de tope de seguridad pueden ubicarse en el OD 24 de la parte frontal de la cavidad/perno, la interconexión del perno/cavidad entre los dos pasos de la rosca 26 o el ID 26 de la punta del perno/cavidad. Uno o más rebordes de torsión de tope de seguridad se mueven a embrague al hacer la conexión. El embrague del reborde de torsión de tope de seguridad puede ocurrir de manera simultánea con el movimiento de los flancos de perforación y de carga hacia el embrague. De manera alternativa, los flancos de carga y perforado pueden moverse hacia el embrague después del embrague del fondo y de la cresta mientras de hace la conexión y va seguido por el embrague del reborde de torsión de tope de seguridad al hacer la conexión. El miembro de perno 16 © el miembro de cavidad 14 definen los ejes longitudinales de la conexión hecha. Los fondos y crestas de los miembros de cavidad y perno son planos y paralelos al eje longitudinal de la conexión y tienen suficiente amplitud para evitar cualquier deformación permanente de las roscas cuando se hace la conexión.
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Aquellos expertos en la técnica, apreciarán que las modalidades adicionales pueden configurarse con combinaciones de múltiples rebordes de torsión de tope de seguridad como se especificó anteriormente. También se entiende que las modalidades adicionales pueden configurarse con sellos cónicos metal a metal o combinaciones con sellos cónicos metal a metal ubicados en la interconexión ID de la punta del perno/cavidad, la interconexión de la sección media del perno/cavidad y la interconexión OD de la parte frontal de la cavidad/perno en combinación con todas las opciones de roscas en cuña y los rebordes de torsión de tope de seguridad aplicables. Se describen a continuación modalidades detalladas ejemplificativas, con referencia a las figuras 4a-d, 5a-e y 6a-f . Las formas de rosca de acuerdo con las modalidades de la invención pueden incorporar rebordes de torsión, sellos metal a metal o combinaciones de los mismos. Las figuras 4a-d muestran, de acuerdo con la invención, algunas posibles configuraciones de rebordes de torsión. La figura 4a muestra un reborde de torsión cuadrado o uno en el cual los miembros de perno y cavidad tienen cada uno un reborde de torsión de 90°. La figura 4b muestra un de reborde de torsión angulado o uno en el cual los miembros de perno y cavidad, tienen cada
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uno un reborde de torsión con un ángulo diferente a 90° que se acopla con el otro de tal manera que las partes frontales de los rebordes de torsión se encuentran en contacto paralelo . Las figuras 4c y 4d muestran configuraciones de rebordes de torsión con ángulos desacoplados. Los rebordes de torsión con ángulos desacoplados incluyen cualquiera de los miembros de perno o cavidad que tienen un reborde de torsión con un ángulo mayor que el del reborde de torsión complementario de tal manera que las partes frontales del reborde de torsión no se encuentran en contacto paralelo. La figura 4c muestra una configuración en donde el miembro de perno tiene un reborde de torsión con un ángulo mayor que el del reborde de torsión del miembro de cavidad. La figura 4d muestra una configuración en donde el miembro de cavidad tiene un reborde de torsión con un ángulo mayor que el del reborde de torsión del miembro de perno. Las figuras 5a-e muestran sellos metal a metal de acuerdo con las modalidades de la invención. El sello metal a metal puede existir en el ID de la punta del perno/cavidad, en el OD de la parte frontal de la cavidad/perno o en la forma de rosca de dos pasos en la interconexión entre los dos pasos. Los sellos metal a metal pueden estar acoplados o desacoplados. Los sellos metal a metal acoplados tienen superficies de contacto que son paralelas una a otra mientras que los sellos metal a metal desacoplados tienen superficies de contacto que no son paralelas una de otra. La figura 5a muestra un sello metal a metal acoplado con un reborde ID ubicado en el ID de la punta del perno/cavidad. La figura 5b muestra un sello metal a metal acoplado con una superficie interior abierta en el ID de la punta del perno/cavidad. La figura 5c nuestra un sello metal a metal desacoplado con una superficie interior abierta en el ID de la punta del perno/cavidad. La figura 5d muestra un contacto de sello metal a metal desacoplado sin un reborde OD en el OD de la parte frontal de la cavidad/perno. La figura 5e muestra un sello metal a metal acoplado en una forma de rosca de dos pasos en la interconexión entre los dos pasos. Se entenderá por aquellos expertos en la materia que puede ubicarse un sello metal a metal acoplado o desacoplado en cualquiera de las ubicaciones mostradas. Se entenderá además qµe ya sea que se incluya un reborde ID o un reborde OD es una cuestión de selección de diseño. Las figuras 6a- f muestran sellos metal a metal implementados en relación con rebordes de torsión de acuerdo con las modalidades de la invención. La figura 6a muestra un sello metal a metal acoplado con un reborde de torsión cuadrado adyacente en al ID de la punta del perno/cavidad. La figura 6b muestra un sello metal a metal acoplado en el ID de la punta del perno/cavidad con un reborde de torsión de ángulo inverso adyacente. La figura 6c muestra un sello metal a metal acoplado en el OD de la parte frontal de la cavidad/perno con un reborde de torsión de ángulo inverso adyacente. La figura 6d muestra una forma de rosca de dos pasos que tiene un sello metal a metal acoplado en el paso más pequeño con un reborde de torsión de ángulo inverso adyacente en la interconexión entre los dos pasos. La figura 6e es una forma de rosca de dos pasos que tienen un sello metal a metal acoplado sobre el paso mayor con un reborde de torsión de ángulo inverso adyacente en la interconexión entre los dos pasos. La figura 6f muestra una forma de rosca de dos pasos que tiene una serie .de sellos metal a metal acoplados en una configuración en forma de S configurado con rebordes de torsión de ángulo inverso y cuadrado adyacente de ubicados en la interconexión entre los dos pasos. Se entenderá por aquellos expertos en la materia que las configuraciones descritas anteriormente son ejemplificativas y las características mostradas en la misma pueden combinarse en diferentes variaciones sin apartarse del alcance de la
¿.J. tJ.t.taiÍAt^^iltt.., - invención. Además, se entenderá por aquellos expertos en la materia que ya sea que el sello de metal a metal sea acoplado o desacoplado y ya sea que el reborde de torsión sea cuadrado, de ángulo inverso o de otro modo, esto es una cuestión de selección de diseño. Los rebordes de torsión descritos pueden incorporar varios tipos de mecanismos de sellado. Un sello de metal a metal típico, sellos de reborde de gancho, reborde cuadrado, con cono truncado (de cónico o de contacto en línea) y reborde anular. Los sellos metal a metal de doble reborde asegurado se incorporan en el reborde de torsión. Los sellos elastoméricos, incluyen especialmente un sello elastomérico en la ranura de una configuración de sello de doble reborde. La geometría del sello elastomérico y la ranura se diseñan para asegurar la extrusión del material de sello al elaborarse. El sello de resina termoendurecida de doble reborde (descrito más adelante), ciertos tipos de sellos, especialmente el sello metal a metal de doble reborde asegurado localizado en el reborde de torsión, requieren un alto grado de acción de centrado para embragarlo adecuadamente y hacer un sello efectivo. La característica de embrague progresivo de la rosca en cuña (fondo/cresta, después ambos flancos, en un orden prescrito) es un medio efectivo de centrar la conexión para estos .tipos de mecanismos sellantes. En una o más modalidades, para ciertas aplicaciones, se localiza una ranura de descarga helicoidal 5 en la interconexión de fondo/cresta para asegurar que la oclusión por impurezas en la tubería no deforme plásticamente la conexión mientras se aprieta. Cuando se aprieta, el sello metal a metal de doble reborde asegurado, puede, debido a la secuencia del sellado de los sellos metal a metal, atrapar l() las impurezas de la tubería dentro de los límites del sello y desarrollar de manera extrema elevadas presiones hidráulicas. La experiencia con de una configuración similar en una rosca en cuña de dos pasos ha revelado que se requieren algunos medios para aliviar la presión hidráulica para evitar la
deformación plástica nociva de la conexión en tal situación. Puede colocarse una ranura de descarga helicoidal en el fondo/cresta y extenderse hacia el sello de doble reborde para proporcionar una trayectoria de escape para las impurezas de la tubería ocluidas. Adicionalmente, la 0 secuencia de sellado al hacer el apriete puede alterarse a fin de que el embrague de los sellos se inicie desde la línea central axial de la conexión y las partes externas de maniobra. El sellado en esta forma asegura que las impurezas atrapadas en la tubería migren radialmente hacia el exterior, hacia la ranura de escape de presión helicoidal. Un sello de resina termoendurecida de doble reborde puede realizarse con ranuras de doble reborde amplias, una de las cuales se llena con resina termoendurecida a baja temperatura (tal como epoxia o resinas fenólicas) , se tapa y se mantiene en la ranura mediante una "cámara de aceleración" de tubería termoplástica delgada llena con catalizador de rápida reacción. Cuando se aprieta la conexión, los elementos del sello de doble reborde se engranan juntos de manera axial, rompiendo la cámara de aceleración del catalizador y haciendo que la resina se seque. La invención tiene muchas ventajas distintas sobre la técnica anterior. Se describe un diseño de rosca en cuña que incorpora las funciones básicas de la rosca en cuña de la técnica anterior configurada con un reborde de torsión de tope de seguridad. Típicamente, esta invención se utiliza en relación con un sello cónico metal a metal, pero no se limita a éste. En una modalidad, en un aspecto, la invención ofrece un reborde de torsión de tope de seguridad que puede funcionar en relación con el tope de torsión de la rosca en cuña como un reborde de torsión principal. En una modalidad, en un aspecto, la invención ofrece un reborde de torsión de - tope de seguridad que puede funcionar en relación con el tope de torsión de rosca en cuña como un reborde de torsión secundario. En una modalidad, en un aspecto la invención ofrece un reborde de torsión de tope de seguridad que puede funcionar independiente de la rosca en cuña como un reborde de torsión cuando se hace la conexión. Como se utiliza en la presente, y como se entiende convenc onalmente, cuando se conectan las juntas tubulares en una posición vertical tal como cuando se hace una secuencia conectada de tubos para descender dentro de la superficie interior del pozo, el término "flanco de carga" designa la superficie de pared lateral de una rosca que mira a lo lejos desde el extremo exterior de los respectivos miembros de perno o cavidad sobre los cuales se forma la rosca y soporta el peso del miembro tubular inferior que cuelga en la superficie interior del pozo. El término "flanco de perforación" designa esa superficie de pared lateral de la rosca que mira hacia el extremo exterior del miembro de perno o cavidad respectivo y soporta el peso del miembro tubular superior durante la elaboración inicial de la junta. Debido a que pueden hacerse muchas posibles modalidades de la invención sin apartarse del alcance de la misma, se entiende que toda cuestión establecida o en la
.t -t itA ?.& presente o mostrada en los dibujos acompañantes debe interpretarse como ilustrativa y no en un sentido limitante. Aunque la presente invención se ha descrito con respecto a un número limitado de modalidades preferidas, aquellos expertos en la materia apreciarán numerosas modificaciones y variaciones de la misma. Se pretende que las reivindicaciones anexas cubran todas las modificaciones y variaciones que se le ocurran a alguien de experiencia ordinaria en la materia.