JUNTA ROSCADA TUBULAR SUPERIOR QUE COMPRENDE POR LO MENOS UN ELEMENTO ROSCADO CON LABIO EXTREMO.

Junta roscada tubular superior (100, 300, 400) que comprende un elemento roscado macho (1) en el extremo de un primer componente tubular (101) y un elemento roscado hembra (2) en el extremo de un segundo componente tubular (102,

202), comprendiendo el elemento roscado macho una rosca macho (3), al menos una superficie de asiento macho (5, 15) en su superficie periférica exterior y al menos una superficie macho de tope axial (7, 17), comprendiendo el elemento roscado hembra (2) de manera correspondiente una rosca hembra (4), al menos una superficie de sello hembra (6, 16) en su superficie periférica interior y al menos una superficie hembra de tope axial (8, 18), siendo la rosca macho enroscada en la rosca hembra hasta que al menos una superficie macho de tope axial (7, 17) coopere en reacción de tope al par de enroscado con la superficie hembra de tope axial correspondiente (8, 18), interfiriendo cada superficie de sello macho (5, 15) entonces radialmente con una superficie de sello hembra correspondiente (6, 16), presentando al menos un elemento roscado entre la o las superficies de tope en reacción de tope una superficie denominada "superficie distal de tope axial" (7, 18) realizada en la superficie frontal de extremo libre del elemento roscado y que coopera en prácticamente toda su superficie con una superficie de tope axial del elemento conjugado, extendiéndose un labio (11, 12) desde la rosca (3, 4) hasta la superficie distal de tope axial del elemento roscado considerado (7, 18), estando una superficie de sello denominada "superficie de sello en labio" (5, 16) dispuesta en el labio (11, 12) a una distancia determinada del extremo de la rosca, comprendiendo el labio una parte denominada "apéndice" (13, 14) entre el extremo libre del labio y la superficie de sello en labio (5, 16) de forma tal que el apéndice aumenta la rigidez radial del labio y disminuye su rigidez axial, siendo la superficie periférica (19) de dicho apéndice (13, 14) distinta de la superficie de sello en labio (5, 16) y empalmada con ésta mediante una superficie tórica cóncava, siendo la inclinación de la superficie de sello en labio (5, 16) con respecto al eje de la junta superior a la de la rosca (3, 4)

Junta roscada tubular superior que comprende por lo menos un elemento roscado con labio extremo.

La invención se refiere a las juntas roscadas tubulares denominadas superiores (o "premium") que comprenden por lo menos un juego de superficies de sello metal-metal y de topes de enroscado en los elementos roscados machos y hembras que componen la junta roscada, estando los elementos roscados realizados en el extremo de un componente tubular del tipo tubo de gran longitud o corto (cople).

Se tiene conocimiento de numerosos tipos de juntas roscadas tubulares utilizadas especialmente para constituir columnas de tubos de encamisado o de producción o trenes de varillas de sondeo para los pozos de hidrocarburos o para pozos similares, como pueden ser, por ejemplo, los pozos para la geotermia.

También se tiene conocimiento de juntas roscadas tubulares en columnas ascendentes denominadas "risers" destinadas a unir los pozos en el fondo de los océanos con las plataformas de explotación en alta mar denominadas "offshore".

Tales juntas roscadas tubulares están sometidas a diversas solicitaciones globales (tracción o compresión axiales, presión interior o exterior de fluido, flexión, torsión), eventualmente combinadas (por ejemplo tracción axial + presión interior), de intensidad eventualmente fluctuante.

Las juntas roscadas tubulares superiores no solamente deben resistir a la rotura sino también mantenerse estancas, especialmente a los gases, a pesar de tales solicitaciones eventualmente combinadas y a pesar de las duras condiciones de empleo en la obra.

Las solicitaciones pueden cambiar eventualmente de naturaleza durante el descenso de los tubos dentro del pozo o de la explotación, pudiendo las solicitaciones de tracción evolucionar por ejemplo momentáneamente en solicitaciones de compresión.

Las juntas roscadas también deben poder ser enroscadas y desenroscadas varias veces sin perjuicio de sus prestaciones, especialmente mediante desgarre.

Después del desenroscado, los componentes tubulares pueden ser reutilizados en otros pozos en otras condiciones de servicio.

Las patentes FR 1489013 y EP 488912 describen unos ejemplos de tales juntas roscadas tubulares superiores, especialmente para una conexión denominada con cople de 2 tubos de gran longitud por medio de un cople enros- cado.

La patente US 5 687 999 y US 4 494 777 describen otros ejemplos de una junta roscada tubular superior denominada integral, directamente entre 2 tubos de gran longitud.

Las juntas roscadas tubulares según las patentes FR 1489013, EP 488912 y US 4494777 presentan una superficie frontal de tope axial en el extremo libre de por lo menos uno de los elementos roscados, generalmente el elemento macho, y una superficie de sello en una superficie periférica de un elemento roscado inmediatamente adyacente a la superficie frontal del mismo elemento roscado.

La parte del elemento roscado entre el primer hilo de la rosca y la superficie frontal de tope axial en el extremo libre es generalmente designada con el nombre de labio.

En numerosas juntas roscadas superiores y especialmente para las últimas 3 patentes citadas, la superficie de sello macho está situada en el extremo del labio macho, el cual es más o menos largo según las juntas roscadas.

Cuando una junta roscada tubular superior está enroscada en posición de conexión, los topes axiales están bajo presión de contacto de manera que puedan crear una reacción igual a un par de enroscado determinado T_m.

Las superficies de sello machos y hembras correspondientes presentan entonces una interferencia radial que genera una presión de contacto y los flancos de hilo denominados "de carga" situados en el hilo del lado opuesto al extremo libre del elemento roscado están en contacto bajo presión de contacto, poniendo así el labio bajo compresión axial.

Las superficies de sellos interferentes pueden plantear problemas de desgarre durante el enroscado si su geometría no está adaptada. También pueden plantear riesgos de fuga en servicio si la presión de contacto y especialmente la presión de contacto integrada en el ancho activo de las superficies de sello es insuficiente.

Para evitar el riesgo de fuga, es necesario que la presión de contacto integrada se mantenga superior a cierto valor expresado en N/mm; esta presión de contacto integrada está sujeta para una geometría determinada, al posicionamiento relativo de los elementos al final del enroscado y de las solicitaciones en servicio.

Es particularmente difícil obtener una junta roscada tubular que resista de una manera equivalente al tubo a las diversas solicitaciones en servicio y que se mantenga estanca a los gases bajo estas solicitaciones, estando el estado de tensión después del enroscado modificado por la aplicación de solicitaciones exteriores en servicio, por ejemplo tracción o compresión axial, flexión, presión interior o exterior.

La patente US 4 611 838 describe una junta roscada superior cuyas características de sello resultan:

a) de una forma particular del extremo libre de un labio macho que comprende en una fracción del espesor radial del labio una proyección axial y coopera con una forma correspondiente de un saliente del elemento roscado hembra de forma tal que sostiene el extremo libre del labio macho en posición de empalme de la junta roscada, constituyendo la superficie frontal extrema de la proyección axial una superficie distal de tope axial con una superficie correspondiente del elemento hembra;

b) de una forma abombada convexa de una superficie de sello dispuesta en la superficie periférica exterior de un labio macho que discurre sin solución de continuidad hasta la superficie distal de tope axial y coopera con una superficie de sello cónica de la superficie interior de un alojamiento hembra.

Debido a las formas de las superficies de sello, el contacto entre las mismas se efectúa a distancia de la superficie distal de tope axial.

El sostén del extremo libre del labio macho por la forma del saliente hembra permite acrecentar la presión de contacto entre superficies de sello y por ende las propiedades de sello de la junta.

La proyección axial en el extremo libre macho conlleva un escaso espesor radial de la superficie distal de tope axial, con varias consecuencias:

a) un reducido par de enroscado admisible

b) una baja resistencia de la junta roscada a las solicitaciones de compresión axial.

Además, para conservar un espesor radial suficiente para la superficie distal de tope radial, es necesario que sean escasamente inclinadas las superficies de sello, que son sensibles al fenómeno de gripaje.

Se observará igualmente que la forma abombada sin solución de continuidad de la superficie de sello hace que la misma sea particularmente vulnerable a las manutenciones y al enclavamiento de los elementos.

Se observará finalmente que esta patente no divulga ni sugiere ventaja particular alguna en lo relativo a las propiedades de sello de la junta roscada bajo tracción axial.

Se ha intentado obtener una junta roscada tubular superior con tope axial situado en el extremo libre del labio de por lo menos un elemento roscado que presenta una resistencia máxima a las fugas cuando la junta roscada está sometida a unas presiones interiores o exteriores elevadas y que conserva esta resistencia a las fugas cuando la junta roscada está sometida a un esfuerzo exterior de tracción elevado, esfuerzo de tracción que tiende a separar axialmente las superficies correspondientes de los topes y sobre todo de las superficies de sello.

El esfuerzo de tracción puede provenir de solicitaciones de tracción axial o de flexión. Los términos "esfuerzo de tracción" o "carga de tracción" engloban en lo que sigue del presente documento el conjunto de las solicitaciones exteriores que someten toda o parte de la junta roscada tubular a tales esfuerzos o cargas.

Se puede caracterizar tal junta roscada por la variación de la integral de presión de contacto entre superficies de sello en su ancho (o presión de contacto integrada) en función de la carga de tracción expresada en % de la carga correspondiente al límite elástico de los tubos de la columna.

También se ha intentado minimizar los riesgos de desgarre en el momento del enroscado de la junta roscada tubular.

Por otro lado se ha intentado que la invención se aplique...

1. Junta roscada tubular superior (100, 300, 400) que comprende un elemento roscado macho (1) en el extremo de un primer componente tubular (101) y un elemento roscado hembra (2) en el extremo de un segundo componente tubular (102, 202), comprendiendo el elemento roscado macho una rosca macho (3), al menos una superficie de asiento macho (5, 15) en su superficie periférica exterior y al menos una superficie macho de tope axial (7, 17), comprendiendo el elemento roscado hembra (2) de manera correspondiente una rosca hembra (4), al menos una superficie de sello hembra (6, 16) en su superficie periférica interior y al menos una superficie hembra de tope axial (8, 18), siendo la rosca macho enroscada en la rosca hembra hasta que al menos una superficie macho de tope axial (7, 17) coopere en reacción de tope al par de enroscado con la superficie hembra de tope axial correspondiente (8, 18), interfiriendo cada superficie de sello macho (5, 15) entonces radialmente con una superficie de sello hembra correspondiente (6, 16), presentando al menos un elemento roscado entre la o las superficies de tope en reacción de tope una superficie denominada "superficie distal de tope axial" (7, 18) realizada en la superficie frontal de extremo libre del elemento roscado y que coopera en prácticamente toda su superficie con una superficie de tope axial del elemento conjugado, extendiéndose un labio (11, 12) desde la rosca (3, 4) hasta la superficie distal de tope axial del elemento roscado considerado (7, 18), estando una superficie de sello denominada "superficie de sello en labio" (5, 16) dispuesta en el labio (11, 12) a una distancia determinada del extremo de la rosca, comprendiendo el labio una parte denominada "apéndice" (13, 14) entre el extremo libre del labio y la superficie de sello en labio (5, 16) de forma tal que el apéndice aumenta la rigidez radial del labio y disminuye su rigidez axial, siendo la superficie periférica (19) de dicho apéndice (13, 14) distinta de la superficie de sello en labio (5, 16) y empalmada con ésta mediante una superficie tórica cóncava, siendo la inclinación de la superficie de sello en labio (5, 16) con respecto al eje de la junta superior a la de la rosca (3, 4).

2. Junta roscada tubular superior según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que la superficie distal de tope axial en el extremo del apéndice es una superficie plana perpendicular al eje de la junta roscada.

3. Junta roscada tubular superior según la reivindicación 1 o 2, caracterizada por el hecho de que la superficie distal de tope axial en el extremo del apéndice es cónica, coaxial a la junta roscada y de semiángulo en el vértice comprendido entre 70 y 90º para así favorecer el contacto de la superficie de sello en labio y de la superficie de sello correspondiente.

4. Junta roscada tubular superior según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por el hecho de que la superficie periférica del apéndice situada en el lado de la superficie de sello en labio presenta una ausencia de contacto de apriete con el elemento roscado conjugado.

5. Junta roscada tubular superior según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por el hecho de que la superficie periférica del apéndice situada en el lado de la superficie de sello en labio (19) es una superficie sensiblemente cilíndrica.

6. Junta roscada tubular superior según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por el hecho de que el apéndice posee una longitud axial (la) comprendida entre el 8% y el 75% de la longitud axial total del labio (lt).

7. Junta roscada tubular superior según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por el hecho de que el apéndice posee una longitud axial (la) y la superficie distal de tope axial un espesor radial (eb) tales que la relación de longitud axial de apéndice a espesor radial de superficie distal de tope axial es inferior o igual a 3.

8. Junta roscada tubular superior según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por el hecho de que la longitud axial del apéndice (la) está adaptada para que la superficie de sello en labio (5) quede situada en el lado del elemento roscado (1) en el cual está implantada con respecto a la recta (D1) que pasa por el vértice del primer hilo de la rosca (3) y es tangente al extremo libre de dicho elemento roscado (1), lo cual permite proteger la superficie de sello en labio (5) de los daños al efectuarse manipulaciones de los elementos roscados.

9. Junta roscada tubular superior según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada por el hecho de que la superficie de sello en labio (5, 16) es una superficie elegida de entre los miembros del grupo formado por las superficies cónicas, tóricas o complejas, comprendiendo éstas últimas combinaciones de superficies cónicas, superficies cilíndricas y superficies tóricas.

10. Junta roscada tubular superior según la reivindicación 9, caracterizada por el hecho de que la superficie de sello en labio (5) es una superficie compleja que comprende dos partes de superficies tangentes entre sí, que son una parte cónica (33) situada en el lado de la superficie distal de tope axial (7) y una parte tórica (31) de radio (R1) superior a 20 mm situada en el lado de la rosca (3), y de que la superficie de sello correspondiente (6) en el otro elemento roscado es una superficie cónica de conicidad sensiblemente idéntica a la de la parte cónica (33) de la superficie de sello en labio y de ancho axial adaptado al ancho axial total (ls) de la superficie de sello en labio.

11. Junta roscada tubular superior según la reivindicación 9 o 10, caracterizada por el hecho de que la superficie de sello en labio (5, 16) posee una inclinación media de al menos 10º con respecto al eje de la junta roscada tubular.

12. Junta roscada tubular superior según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizada por el hecho de que la superficie de sello en labio posee un ancho axial (ls) inferior a 10 mm.

13. Junta roscada tubular superior según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizada por el hecho de que la superficie periférica (35) del labio situada entre la superficie de sello en labio (5) y la rosca (3) comprende dos superficies globalmente cilíndricas de diámetros ligeramente distintos, estando la superficie globalmente cilíndrica de menor diámetro (39) empalmada con el pie de la rosca y estando la de mayor diámetro (37) empalmada con la superficie de sello en labio (5).

14. Junta roscada tubular superior según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por el hecho de que la superficie frontal de extremo libre del labio que queda encarada a una superficie frontal correspondiente del elemento roscado conjugado es una superficie continua de orientación sensiblemente transversal.

15. Junta roscada tubular superior según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por el hecho de que no existe más que una sola superficie de sello en labio (5, 16) en el labio (11, 12) considerado.

16. Junta roscada tubular superior según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por el hecho de que ni el apéndice (13, 14) ni una parte de empalme entre el apéndice y la superficie de sello en labio (5, 16) presentan desencaje radial alguno en su superficie periférica que queda encarada al otro elemento roscado.

17. Junta roscada tubular superior (100) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por el hecho de que sólo un elemento roscado (1) presenta un labio (11) con una superficie de sello en labio (5), un apéndice (13) y una superficie distal de tope axial (7), no presentando el otro elemento roscado (2) el conjunto de estos medios.

18. Junta roscada tubular superior (100) según la reivindicación 17, caracterizada por el hecho de que el otro elemento roscado (2) no comprende ni superficie distal de tope axial ni superficie de sello en labio.

19. Junta roscada tubular superior (300) según la reivindicación 17, caracterizada por el hecho de que el otro elemento roscado (2) de la junta roscada tubular presenta igualmente una superficie distal de tope axial (18), pero no presenta superficie de sello en labio alguna.

20. Junta roscada tubular superior (400) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizada por el hecho de que los dos elementos roscados (1, 2) de la junta roscada tubular presentan cada uno un labio (11, 12) con una superficie de sello en labio (5, 16), un apéndice (13, 14) y una superficie distal de tope axial (7, 18).