Una junta roscada para tuberías de acero que comprende una punta (1) y una caja (2),

teniendo la punta una rosca macho (11), una superficie de sellado (13), y una superficie sobresaliente (14), teniendo la caja una rosca hembra (21), una superficie de sellado (23) y una superficie sobresaliente (24), estando la rosca macho interengranada con la rosca hembra, interfiriendo la superficie de sellado de la punta radialmente con la superficie de sellado correspondiente de la caja, y estando la superficie sobresaliente de la punta apoyada axialmente con la superficie sobresaliente correspondiente de la caja, en la que (i) la superficie sobresaliente de la punta se proporciona en una cara terminal de la punta, (ii) la superficie de sellado de la punta se localiza sobre un lado terminal de la tubería cerca de la rosca macho, (iii) una parte delantera (15) se proporciona sobre la punta, entre la superficie de sellado y la superficie sobresaliente, no estando en contacto dicha parte delantera con la parte de la caja orientada hacia la parte delantera de la punta, el ahusado de la superficie delantera es entre 2 y 25 grados y la superficie de sellado (13) de la punta se dispone radialmente hacia dentro, como se mide desde el eje de la punta de (i) la tangente (61) a la cresta de la rosca macho y el ápice de la punta y (ii) la línea de extensión (62) del valle de la rosca macho, caracterizada por que hay una discontinuidad de la superficie entre la superficie de sellado y la superficie externa de dicha parte delantera

Junta roscada para tuberías de acero.

Campo técnico

La presente invención se refiere, en general, a una junta roscada para su uso en la conexión de tuberías de acero, tales como tuberías de pozo petrolífero u OCTG (bienes tubulares para exploración y explotación petrolera) incluyendo tuberías y carcasas, tuberías elevadoras y tuberías lineales para su uso en la exploración y producción de pozos petrolíferos y pozos de gas y, particularmente, a una junta roscada para tuberías de acero que tiene una estabilidad excelente con respecto a la presión externa y resistencia a compresión.

Técnica anterior

Las juntas roscadas se usan ampliamente para conectar tuberías de acero, tales como OCTG y tuberías elevadoras, para su uso en equipos industriales de producción de petróleo.

En el pasado, las juntas roscadas convencionales especificadas por las normas API (Instituto de Petróleo Americano) se usaban típicamente para conectar tuberías de acero, para su uso en la exploración y producción de petróleo y gas. Sin embargo, en años recientes, los entornos en los que tiene lugar la exploración y producción de crudo de petróleo y gas natural, se han hecho cada vez más severos, por lo que las juntas roscadas de alto rendimiento especiales, denominadas juntas premium, se están usando cada vez más.

Una junta premium normalmente comprende, en cada tubería, una rosca ahusada, una parte de sello de metal a metal, es decir, una superficie de sellado que tiene la capacidad de formar un sello cuando está en contacto íntimo con el sello de metal a metal del otro miembro de la junta, y una parte sobresaliente de par de torsión, es decir, una superficie sobresaliente que funciona como un elemento de detención durante la constitución de la junta.

En el pasado, puesto que los pozos verticales eran los más habituales, una junta roscada para OCTG podía funcionar adecuadamente siempre y cuando pudiera soportar una carga de tracción debido al peso de las tuberías fijadas a la misma y pudiera evitar las fugas de un fluido de alta presión que pasa a través de su interior. En años recientes, sin embargo, debido a que los pozos se están haciendo más profundos, debido a que el número de pozos direccionales y pozos horizontales que tienen una perforación de pozo curvada está aumentando y debido al desarrollo de pozos en entornos severos, tales como en alta mar o en mayores latitudes, ha aumentado, se requiere una variedad más amplia de propiedades para las juntas roscadas, tal como resistencia a compresión, resistencia a torsión, hermeticidad contra la presión externa y facilidad de manipulación en el campo.

Las Figuras 2(a) y 2(b) son vistas explicativas esquemáticas de una junta premium de tipo de acoplamiento ordinario para OCTG, que comprende un miembro roscado externamente 1 (denominado posteriormente como miembro de punta o simplemente punta, y un miembro roscado internamente correspondiente 2 (denominado posteriormente como miembro de caja o simplemente caja).

El miembro de punta 1 tiene, en su superficie exterior, una rosca macho 11 y una parte no roscada 12, denominada reborde, que se localiza en el extremo de la punta 1 y es adyacente a la rosca macho 11. El reborde 12 tiene una parte de sello de metal a metal 13 en la superficie periférica externa del reborde y una parte sobresaliente de par de torsión 14 en la cara terminal del reborde.

El miembro de caja correspondiente 2 tiene, en su superficie interna, una rosca hembra 21, una parte de sello de metal a metal 23 y una parte sobresaliente de par de torsión 24, que son porciones capaces de adaptarse o entrar en contacto con la rosca macho 11, la parte de sello de metal a metal 13 y la parte sobresaliente de par de torsión 14, respectivamente, de la punta 1.

La Figura 3 es un diagrama esquemático que ilustra la forma y dimensiones de una rosca trapezoidal, ejemplificada por una rosca de refuerzo API. La mayor parte de las roscas para uso en juntas premium son roscas trapezoidales modeladas sobre esta rosca de refuerzo API. La mayoría de las roscas copian casi directamente las dimensiones de la rosca de refuerzo API con respecto a la relación de aspecto de los dientes de la rosca, el ángulo del flanco y otras características.

En la Figura 3, si la rosca es una rosca de refuerzo API que tiene un paso de rosca de 5 TPI (5 roscas por pulgada), por ejemplo, la altura de rosca 74 es 1,575 mm, la carga del ángulo del flanco 71 es 3 grados, el ángulo del flanco de perforación 72 es 10 grados y el hueco axial 73 entre los flancos de perforación es de aproximadamente 100 μm (es decir, de 30 a 180 μm) como media.

Se proporciona un solapamiento en la dirección radial denominado interferencia entre las superficies de sellado de la punta y la caja. Cuando la junta se aprieta hasta que las superficies sobresalientes de la punta y la caja se apoyan unas en otras, las superficies de sellado de los dos miembros se ponen en contacto íntimo entre sí sobre toda la circunferencia de la junta para formar un sello.

Las superficies sobresalientes funcionan como elementos de detención durante el apriete, y pueden soportar casi toda la carga de compresión aplicada a la junta. Por lo tanto, no pueden resistir una gran carga de compresión a menos que el espesor de la pared de las superficies sobresalientes sea grande (o a menos que la rigidez de los salientes sea alta).

Cuando se aplica presión externa a una junta premium convencional, tal como se ha descrito anteriormente, la presión externa aplicada penetra a través de los huecos entre las roscas hasta una porción 31, mostrada en la Figura 2, justo antes de las partes del sello.

El espesor de pared de un reborde es mucho más fino que el de un cuerpo de tubería, por lo que puede experimentar una disminución de radio debido a la presión externa penetrante. A media que la presión externa aumenta, se forma un hueco entre las superficies de sellado, dando como resultado una fuga, es decir, una situación en la que el fluido externo entra en el interior de una tubería.

Si se aplica una carga de compresión a una junta premium en situaciones tales como cuando una OCTG se dispone en un pozo horizontal o pozo direccional, puesto que la mayor parte de las juntas tienen un hueco relativamente grande entre los flancos de perforación, como es el caso con la rosca de refuerzo API descrita anteriormente, las roscas tienen una escasa capacidad para resistir las cargas de compresión, por lo que la mayor parte de una carga de compresión la soportan los salientes.

Sin embargo, el espesor de pared (el área que soporta la carga para una carga de compresión) de una superficie sobresaliente normalmente es mucho menor que el de un cuerpo de tubería. Por lo tanto, si se aplica una carga de compresión equivalente al 40 al 60% del límite elástico del cuerpo de la tubería, la mayor parte de las juntas premium experimentan una deformación plástica considerable de la parte sobresaliente del par de torsión de la caja, dando como resultado una reducción significativa en la hermeticidad de las superficies de sellado adyacentes.

La hermeticidad de una junta con respecto a la presión externa puede mejorarse aumentando la rigidez de la punta para aumentar su resistencia a la deformación por contracción radial. Para este fin, a menudo se usa un método en el que un proceso de trabajo para reducir el diámetro del extremo de la tubería, denominado embutición, se realiza previamente para aumentar el espesor de la pared del reborde.

Sin embargo, si la cantidad de embutición es demasiado grande, en el caso de la carcasa, una tubería que se inserta en la carcasa puede caer en la parte embutida y, en el caso de una tubería, la parte embutida puede provocar turbulencia en un fluido, tal como el crudo de petróleo que fluye por el interior de la tubería y provocar erosión. Por lo tanto, el espesor de la pared de la pared del reborde de la punta no puede aumentarse mucho por embutición.

Otras técnicas convencionales para aumentar la rigidez del extremo de una punta para mejorar su hermeticidad se describen en la Patente de Estados Unidos Nº 4.624.488 y la Patente de Estados Unidos Nº 4.795.200. Estas patentes describen técnicas en las que la hermeticidad se aumenta proporcionando una parte cilíndrica que no está en contacto con una caja en el extremo de la superficie de sellado de una punta, tal como para aumentar la rigidez con respecto a la...

1. Una junta roscada para tuberías de acero que comprende una punta (1) y una caja (2), teniendo la punta una rosca macho (11), una superficie de sellado (13), y una superficie sobresaliente (14), teniendo la caja una rosca hembra (21), una superficie de sellado (23) y una superficie sobresaliente (24), estando la rosca macho interengranada con la rosca hembra, interfiriendo la superficie de sellado de la punta radialmente con la superficie de sellado correspondiente de la caja, y estando la superficie sobresaliente de la punta apoyada axialmente con la superficie sobresaliente correspondiente de la caja, en la que (i) la superficie sobresaliente de la punta se proporciona en una cara terminal de la punta, (ii) la superficie de sellado de la punta se localiza sobre un lado terminal de la tubería cerca de la rosca macho, (iii) una parte delantera (15) se proporciona sobre la punta, entre la superficie de sellado y la superficie sobresaliente, no estando en contacto dicha parte delantera con la parte de la caja orientada hacia la parte delantera de la punta, el ahusado de la superficie delantera es entre 2 y 25 grados y la superficie de sellado (13) de la punta se dispone radialmente hacia dentro, como se mide desde el eje de la punta de (i) la tangente (61) a la cresta de la rosca macho y el ápice de la punta y (ii) la línea de extensión (62) del valle de la rosca macho, caracterizada por que hay una discontinuidad de la superficie entre la superficie de sellado y la superficie externa de dicha parte delantera.

2. Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizada por que la parte delantera (15) tiene una superficie externa que es cilíndrica.

3. Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada por que la longitud axial de la punta (15) es entre 4 mm y 20 mm para tuberías que tienen un diámetro externo entre 50 y 550 mm.

4. Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que la junta roscada comprende medios para permitir que una parte de la rosca macho (11), localizada adyacente a la superficie de sellado (13), escape de la conexión con un rosca hembra (21).

5. Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con la reivindicación 4 caracterizada por que dichos medios son un surco circunferencial (32) provisto sobre la superficie interna de la caja entre la rosca hembra y la superficie de sellado de la caja.

6. Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con la reivindicación 5 caracterizada por que la longitud axial del surco circunferencial (32) medido entre la rosca hembra y la superficie de sellado en la caja es entre 1,5 y 3,5 pasos de rosca.

7. Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por que la superficie de sellado (13) de la punta se localiza a una distancia respecto a la rosca macho que no es mayor de un paso de rosca.

8. Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que las roscas macho y hembra son roscas ahusadas, y la rosca macho posee una parte de rodaje donde la envoltura del valle de la rosca macho tiene un ahusado reducido comparado con el ahusado de la rosca.

9. Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizada por que dicha envoltura de la raíz de la rosca macho en la parte de rodaje es una superficie cilíndrica.

10. Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada por que las superficies sobresalientes (14, 24) de la punta y la caja son superficies planas perpendiculares al eje de la junta.

11. Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada por que las superficies sobresalientes (14, 24) de la punta y la caja están ahusadas y forman un ángulo menor de 15 grados con la perpendicular al eje de la junta, de manera que la superficie sobresaliente de la punta se engancha a la de la caja.

12. Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizada por que la forma de la superficie de sellado de cada una de la punta y la caja se selecciona independientemente entre (i) una superficie ahusada resultante de la rotación alrededor del eje de la junta de una línea recta inclinada respecto al eje, (ii) una superficie abombada resultante de la rotación alrededor del eje de la junta de una curva y, más particularmente, una superficie tórica si la curva es un arco circular, y (iii) una superficie tórico-cónica resultante de la rotación alrededor del eje de la junta de una línea combinada de dicha línea recta inclinada y dicho arco circular.

13. Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizada por que la superficie de sellado (13, 23) de una de la punta y la caja es una superficie ahusada, mientras que la superficie de sellado de la otra de la punta y la caja es una superficie tórica o una superficie tórico-cónica, estando la superficie de la parte ahusada de la superficie de sellado tórico-cónica sobre el lado delantero y teniendo sustancialmente el mismo ahusado que la superficie de sellado ahusada.

14. Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizada por que la superficie interna de la punta cerca de la superficie sobresaliente está achaflanada (16), de manera que el borde interno del saliente de la punta forma un círculo que es concéntrico respecto al eje de la junta.

15 Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizada por que la superficie interna de la caja cerca de la superficie sobresaliente está achaflanada (26).

16. Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizada por que cada una de la rosca macho (11) y la rosca hembra (21) tiene una forma generalmente trapezoidal que comprende un flanco de carga, un flanco de perforación, un valle de rosca y una cresta de rosca, siendo el ángulo de los flancos de perforación con la normal respecto al eje de junta no menor de 3 grados y no mayor de 36 grados.

17. Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizada por que hay contacto entre los flancos de carga, y un hueco axial entre los flancos de perforación de las roscas macho y hembra cuando la junta roscada se constituye no es menor de 10 μm y no es mayor de 150 μm.

18. Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizada por que la junta roscada para tuberías de acero proporciona adicionalmente una segunda serie de superficies sobresalientes y/o una segunda serie de superficies de sellado en una parte terminal de la caja.