Conexión roscada con alta tasa de compresión.

Una conexión roscada (30) para asegurar conjuntamente cuerpos tubulares,

que comprende:

- un miembro (32) de pasador que se extiende axialmente y que tiene un área externa provista de roscas (33, 34) de pasador con un flanco de ataque y un flanco de carga;

- un miembro (31) de caja que se extiende axialmente y que tiene un área interna provista de roscas (33, 34) de caja que tienen un flanco de ataque y un flanco de carga, estando adaptadas dichas roscas de caja para acoplarse roscadamente con dichas roscas de pasador a lo largo de un eje común de dicho miembro de pasador y dicho miembro de caja;

- un hombro de par (36) de pasador dispuesto en dicho miembro de pasador, estando formado dicho hombro de par de pasador entre una primera superficie (37a) de pasador cilíndrica radialmente exterior y una segunda superficie (38) de pasador cilíndrica radialmente interior que tienen diámetros diferentes y que están formadas coaxialmente con dicho miembro de pasador en dicha área externa; y

- un hombro de par (35) de caja dispuesto en dicho miembro de caja, estando formado dicho hombro de par de caja entre una primera superficie (37) de caja cilíndrica radialmente exterior y una segunda superficie (38a) de caja cilíndrica radialmente interior que tienen diámetros diferentes y que están formadas coaxialmente con dicho miembro de caja en dicha área interna, estando adaptado dicho hombro de par de caja para acoplarse con dicho hombro de par de pasador con el fin de limitar el acoplamiento roscado de dicho pasador y dicha caja; en la que el diámetro de dicha primera superficie cilíndrica (37) de caja radialmente exterior es menos de 0, 101 mm (0, 004 pulgadas) mayor que el diámetro de dicha primera superficie cilíndrica (37a) de pasador radialmente exterior.

Conexión roscada con alta tasa de compresión.

La presente invención se refiere a conexiones roscadas para asegurar conjuntamente los extremos de cuerpos tubulares. Más específicamente, la presente invención se refiere a una conexión roscada para conectar conjuntamente cuerpos de tubería tubulares usados en la construcción de pozos.

La tubería usada en la perforación y finalización de pozos de petróleo y gas y otros pozos empleados en la extracción de minerales de la tierra tiene típicamente la forma de un cadena larga de segmentos de tubería asegurados conjuntamente por conexiones roscadas dispuestas en el extremo de cada segmento de tubería. Las conexiones tienen la función doble de sujetar conjuntamente los segmentos adjuntos y proporcionar una junta de presión en la conexión. En la conexión roscada se encuentran esfuerzos que resultan de fuerzas aplicadas a la conexión durante su ensamblaje inicial como una cadena, fuerzas asociadas con la colocación de la cadena dentro del pozo y fuerzas resultantes de los diferenciales de presión que actúan a través de la conexión acoplada. Cuando los esfuerzos que actúan sobre la conexión son excesivos o inadecuados, la conexión puede fallar, provocando la separación de la cadena o desestabilizando la junta de presión dentro de la conexión.

Durante la formación y funcionamiento y utilización subsiguientes de una cadena típica de envuelta o entubado empleada en un pozo, las fuerzas que actúan sobre la conexión pueden alternarse entre fuerzas de alta tensión y alta compresión. Las fuerzas de tensión se imponen, por ejemplo, cuando la conexión es parte de una cadena pesada que está suspendida desde la superficie del pozo. Las fuerzas de compresión aparecen durante la formación de la conexión y durante el proceso de colocación de la conexión dentro de un pozo en el que el ánima del pozo está desviado de tal manera que la cadena de tubería deba combarse alrededor de una curva en el ánima del pozo. En esta última situación, la porción de la conexión en el interior de la cuerva es sometida a esfuerzo de compresión con respecto a la porción de la conexión en el exterior de la curva. La concentración de fuerzas de compresión excesivas dentro de la conexión puede hacer que la conexión se deforme permanentemente o que falle cuando las fuerzas de compresión superen limitaciones de diseño de la conexión.

Las actuales aplicaciones de perforación y finalización requieren tasas de compresión crecientes para las cadenas que se usan en pozos más profundos y más desviados. Los diseños de cadena de pozo para estas condiciones críticas requieren a menudo el uso de conexión que tengan dimensiones radiales externas que sean las mismas que las de la tubería o sólo ligeramente más grandes que el cuerpo de tubería. La reducción del volumen de material empleado en la formación de la conexión en un esfuerzo por reducir el diámetro de la tubería aumenta el esfuerzo necesario a sostener por el material restante de la conexión. En general, estas conexiones de diámetro reducido tienen una baja tasa de compresión elástica en comparación con las conexiones que tienen diámetros exteriores mayores. El uso de conexiones de menor diámetro en pozos críticos aumenta la probabilidad de que la conexión quede expuesta a esfuerzos que superen los límites elásticos de los elementos de la conexión. La superación del límite elástico de los componentes de la conexión cambia las características de la conexión, lo cual aumenta la probabilidad de fallo de la conexión.

Las conexiones roscadas convencionales caen generalmente en la categoría de interferentes o no interferentes, o

una combinación de ambas. Las roscas que no interfieren se denominan en ocasiones como de “marcha libre”. Una

conexión que tenga roscas de interferencia tiene tales dimensiones que las roscas de un componente interfieren con las roscas del componente adjunto para provocar una deformación mecánica del material de las roscas acopladas. Las roscas en una conexión de marcha libre, de tipo de no interferencia, pueden acoplarse sin provocar ninguna deformación de rosca mecánica en la conexión formada.

Algunas conexiones roscadas pueden incluir una combinación de roscas tanto de interferencia como de no interferencia o de marcha libre. Un componente importante de la formación de una conexión de rosca de marcha libre es un límite mecánico, tal como un hombro de par, que permita que la conexión sea apretada. En muchos casos, el hombro de par también proporciona una superficie de sellado entre las secciones de tubería acopladas. Algunos diseños de la técnica anterior que emplean roscas de marcha libre proporcionan una junta radial adyacente al hombro de par achaflanando las superficies internas que se extienden hasta el hombro de par y forzando juntas a las superficies achaflanadas durante la formación. El sellado entre roscas de ajuste por interferencia se obtiene normalmente por acoplamiento mecánico de las roscas ayudado por un compuesto de rosca que llena vacíos.

La figura 1 ilustra una conexión convencional de la técnica anterior indicada generalmente en 10 que usa roscas de marcha libre 11 y 12 de dos escalones separados por un hombro de par central 13. El hombro de par se forma por el acoplamiento de hombros circunferenciales en cada uno de los miembros de la conexión.

La figura 2 ilustra detalles del hombro de par de la conexión de la figura 1. Un área de hombro típica de una conexión roscada con roscas de marcha libre tiene unos huecos radiales 14 y 15 entre las superficies del componente hembra de la conexión, o la caja 16, y del componente macho de la conexión, o el pasador 17. Los huecos 14 y 15 son el resultado de las tolerancias de mecanización amplias permitidas con el fin de hacer más fácil y más barata la fabricación de la conexión. La presencia de los huecos 14 y 15 también contribuye a la facilidad de ensamblaje de la conexión.

El hombro de par 13 se forma en el área de contacto acoplada indicada en 18. La dimensión radial del área de contacto 18 es menor que la dimensión radial de los elementos respectivos del hombro de par formados sobre las secciones de pasador y caja en una cantidad igual a la dimensión radial del hueco 14 o 15. En algunas conexiones convencionales, el área de contacto representada por la superficie 18 de apoyo puede ser tan pequeña como el 70% de la superficie disponible total del hombro de par.

En una conexión como la ilustrada en la figura 2, las fuerzas de compresión ejercidas contra el hombro de par durante la formación u otra carga de compresión de la conexión pueden provocar que las áreas del hombro de par con las dimensiones en sección transversal más pequeñas sean plásticamente deformadas como se indica en la figura 4. La deformación plástica se acomoda en los huecos 15 y 14 adyacentes al hombro de par 13. La deformación del hombro de pasador se indica en 19, y la deformación del hombro de caja se indica en 20. La figura 4 ilustra que, bajo la influencia de una carga de compresión, las esquinas del hombro de par 13 se flexionarán y distorsionarán dentro de los huecos radiales abiertos, lo cual permite que tenga lugar una deformación con una carga que es menor que la teóricamente sostenible por un hombro de par que tenga un acoplamiento completo de las superficies de contacto del hombro de par 13. Como puede apreciarse, una conexión tal como la ilustrada en las figuras 1-4 está limitada en sus capacidades de compresión a las fuerzas de compresión que provocan la deformación del punto más débil del hombro de par que tiene lugar en el área irrestringida con la sección transversal más pequeña en la esquina extrema exterior del hombro de par.

El diseño roscado del conector convencional ilustrado en las figuras 1-4 también desempeña un papel en la resistencia de compresión de la conexión. Como se ilustra en la figura 3, en tales conexiones existe un hueco 21 entre los flancos de ataque de las roscas 22 del pasador 17 y las roscas 23 de la caja 16. Al igual que con los huecos formados alrededor del hombro de par 13, el hueco 21 se origina por tolerancias de mecanización amplias que contribuyen a simplificar la fabricación y ensamblaje de la conexión. Cuando la conexión se carga suficientemente a compresión, el hueco 21 se cierra y el flanco de ataque de las roscas puede comenzar a compartir la carga de compresión ejercida sobre el hombro de par. Sin embargo, el grado de fuerza de compresión aplicada necesaria para cerrar el hueco 21 puede superar el requerido para producir la deformación del hombro de par indicada en la figura 4. El resultado neto es que la tasa de carga de compresión para la conexión ilustrada en... [Seguir leyendo]

1. Una conexión roscada (30) para asegurar conjuntamente cuerpos tubulares, que comprende:

- un miembro (32) de pasador que se extiende axialmente y que tiene un área externa provista de roscas (33, 34) de pasador con un flanco de ataque y un flanco de carga;

- un miembro (31) de caja que se extiende axialmente y que tiene un área interna provista de roscas (33, 34) de caja que tienen un flanco de ataque y un flanco de carga, estando adaptadas dichas roscas de caja para acoplarse roscadamente con dichas roscas de pasador a lo largo de un eje común de dicho miembro de pasador y dicho miembro de caja;

- un hombro de par (36) de pasador dispuesto en dicho miembro de pasador, estando formado dicho hombro de par de pasador entre una primera superficie (37a) de pasador cilíndrica radialmente exterior y una segunda superficie (38) de pasador cilíndrica radialmente interior que tienen diámetros diferentes y que están formadas coaxialmente con dicho miembro de pasador en dicha área externa; y

- un hombro de par (35) de caja dispuesto en dicho miembro de caja, estando formado dicho hombro de par de caja entre una primera superficie (37) de caja cilíndrica radialmente exterior y una segunda superficie (38a) de caja cilíndrica radialmente interior que tienen diámetros diferentes y que están formadas coaxialmente con dicho miembro de caja en dicha área interna, estando adaptado dicho hombro de par de caja para acoplarse con dicho hombro de par de pasador con el fin de limitar el acoplamiento roscado de dicho pasador y dicha caja; en la que

el diámetro de dicha primera superficie cilíndrica (37) de caja radialmente exterior es menos de 0, 101 mm (0, 004 pulgadas) mayor que el diámetro de dicha primera superficie cilíndrica (37a) de pasador radialmente exterior.

2. Una conexión según la reivindicación 1, en la que el diámetro de dicha segunda superficie (38a) de caja cilíndrica radialmente interior es menos de 0, 101 mm (0, 004 pulgadas) mayor que el diámetro de dicha segunda superficie

(38) de pasador cilíndrica radialmente interior.

3. Una conexión según la reivindicación 1, en la que el diámetro de dicha primera superficie (37) de caja cilíndrica radialmente exterior es menos de 0, 101 mm (0, 004 pulgadas) mayor que el diámetro de dicha primera superficie (37a) de pasador cilíndrica radialmente exterior, siendo el diámetro de dicha segunda superficie (38a) de caja cilíndrica radialmente interior menos de 0, 101 mm (0, 004 pulgadas) mayor que el diámetro de dicha segunda superficie (38) de pasador cilíndrica radialmente interior, y la longitud axial de dicha superficie de caja cilíndrica y dicha superficie de pasador cilíndrica es entre 1, 5 y 3 veces la dimensión radial de dicho hombro de par del pasador.

4. Una conexión según la reivindicación 1, en la que dichos flancos de ataque de dichas roscas de pasador y dichas roscas de caja están dimensionados para cerrarse y quedar acoplados bajo una carga de compresión de dicha conexión por debajo de la provoca la deformación plástica de dichos hombros de par de pasador o caja, con lo que dicha carga de compresión se distribuye por dichas roscas de pasador y de caja y dichos hombros de par para aumentar la tasa de carga de compresión de dicha conexión.

5. Una conexión según la reivindicación 4, en la que dichas roscas de caja están ensanchadas axialmente con respecto a dichas roscas de pasador para reducir la separación de los flancos de ataque entre dichas roscas de pasador y caja acopladas cuando están interconectadas.

6. Una conexión según la reivindicación 1, en la que dicho hombro de par del pasador está interpuesto axialmente entre dichas roscas de pasador y dicho hombro de par de la caja está interpuesto axialmente entre dichas roscas de caja.

7. Una conexión según la reivindicación 1, en la que dicho hombro de par tiene una cresta elevada por encima de un plano de raíz de rosca de dicha rosca de pasador.

8. Una conexión según la reivindicación 1, en la que dichos flancos de ataque de dichas roscas de pasador y dichas roscas de caja están separados axialmente entre ellos por una separación menor de 0, 101 mm (0, 004 pulgadas) antes de la carga de compresión de dicha conexión.

9. Una conexión según la reivindicación 8, en la que la separación axial entre dichos flancos de ataque de dichas roscas de pasador y caja acopladas es de entre 0, 051 y 0, 101 mm (0, 002 y 0, 004 pulgadas) .

10. Una conexión según la reivindicación 8, en la que dichas roscas de caja están ensanchadas axialmente con respecto a dichas roscas de pasador para reducir la separación de los flancos de ataque entre dichas roscas de pasador y caja acopladas antes de que dicha conexión se cargue a compresión.

11. Una conexión según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en la que dichas roscas de pasador y dichas roscas de caja se acoplan con interferencias radiales en las raíces de rosca del pasador y las crestas de roscas de la caja.

12. Una conexión según la reivindicación 11, en la que las crestas de dichas roscas de pasador no interfieren radialmente con las raíces de dichas roscas de caja.

13. Una conexión según la reivindicación 8, en la que dichos hombros de par de pasador y de caja están interpuestos axialmente entre dichas roscas de pasador y dichas roscas de caja.

14. Una conexión según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en la que dichos hombros de par de pasador y de caja forman una superficie de acoplamiento de ángulo inverso.

15. Una conexión según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en la que dicho miembro de caja está mecanizado sobre una sección extrema radialmente expandida de un cuerpo tubular.

16. Una conexión según la reivindicación 15, en la que dicho miembro de pasador está formado en un diámetro interno recalcado y perforación de un cuerpo tubular.

17. Una conexión según la reivindicación 1, en la que la longitud axial de dicha superficie de caja cilíndrica y dicha superficie de pasador cilíndrica es de entre 1, 5 y 3 veces la dimensión radial de dicho hombro de par del pasador.

18. Una conexión según la reivindicación 14, en la que la superficie de acoplamiento de ángulo inverso está dentro de 15º a 30º respecto de una línea perpendicular a dicho eje común.

19. Una conexión según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, en la que dicho flanco de carga de dicho pasador y dicha caja está dentro de -3º a -15º respecto de una línea perpendicular a dicho eje común.

20. Una conexión según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, en la que dichas roscas de pasador y dichas roscas de caja comprenden dos escalones de rosca estrechados.

21. Una conexión según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, en la que dichas roscas de pasador y de caja están dispuestas en ambos extremos de un cuerpo tubular.

22. Una conexión según la reivindicación 21, en la que dicho cuerpo tubular está roscado pasador a pasador y dicho miembro de caja es proporcionado por la interconexión de un acoplamiento de caja con caja interconectado con un pasador de dicho cuerpo tubular.

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