Métodos y conexiones para tubos acoplados.

Una conexión roscada para tubos (60), que comprende:

un cuerpo de acoplamiento (62) que tiene unas roscas de acoplamiento (70,

74) formadas internamente,una primera y una segunda espigas (64,66) formadas en los extremos de un primer y un segundo empalme paratubos tubulares, respectivamente,

una primera y una segunda roscas en las espigas (72,68) formadas, respectivamente, a lo largo de las superficiesexternas de dichas primera y segunda espigas (64,66), estando dichas primera y segunda roscas de las espigasadaptadas para coincidir con las roscas de dicho acoplamiento para formar una conexión de empalme estructural ysellado de presión entre dichas primera y segunda espigas y dicho acoplamiento, caracterizada por que dichocuerpo de acoplamiento está fabricado a partir de un elemento de acoplamiento estándar,

dichas primera y segunda espigas (64,66) tienen una primera y una segunda caras de espiga anulares (76,78)formadas, respectivamente, a lo largo de las superficies finales axiales de los extremos axiales de dichas espigas,teniendo cada una de las caras de espiga un grosor radial definido entre el diámetro interior y el diámetro exterior dela espiga tubular sobre la que está formada, estando dichas primera y segunda caras de espiga adaptadas paraconectarse una a la otra en el punto medio axial aproximado de dicho acoplamiento cuando dichas primera ysegunda espigas coinciden exactamente con dicho acoplamiento, no teniendo dicho acoplamiento ningún resalte detorsión de empalme de dichas primera y segunda espigas,

sobre dichas primera y segunda espigas (64,66) hay formadas unas primera y segunda puntas de espiga (80,82),respectivamente, que se extienden axialmente hacia afuera de las caras de espiga correspondientes una primera yuna segunda longitudes de las puntas de espiga, respectivamente, no quedando dichas puntas de las espigasconectadas estructuralmente al menos en parte a dichas roscas internas del acoplamiento cuando dichas primera ysegunda espigas coinciden totalmente con dicho acoplamiento con lo que las fuerzas axiales en dicho acoplamientoen lugares radiales adyacentes a cualquiera de dichas puntas de espiga no son transmitidas directamente entredicho acoplamiento y dichas puntas de espiga, y

una geometría de rosca con flancos de carga negativa en las roscas de dichas primera y segunda espigas y lasroscas coincidentes del acoplamiento, con lo que entre dichas primera y segunda espigas y dicho acoplamiento seimponen unas fuerzas compresión en una dirección radial tras el empalme de dichas caras de las puntas de espigadurante la aplicación de un par en la formación de dicha conexión.

Métodos y conexiones para tubos acoplados Antecedentes de la invención Campo de la invención La presente invención se refiere a métodos y conexiones para fijar entre sí los extremos de cuerpos tubulares roscados y crear un empalme estructuralmente fuerte y a prueba de fugas de dichos cuerpos tubulares. Más concretamente, la presente invención se refiere a un conjunto de acoplamiento y espigas roscadas, y a un método asociado, para fijar entre sí los extremos roscados de los cuerpos de tubos tubulares de modo que las roscas de las espigas y del acoplamiento empalmadas formen un empalme mecánico seguro y una junta estanca roscada a prueba de fugas de alta presión.

Contexto de los antecedentes de la invención Los cuerpos de los tubos tubulares utilizados en la construcción de pozos de petróleo y gas normalmente se fijan entre sí por sus extremos a través de unos empalmes roscados que hacen uso de un diseño de rosca y junta destinado a soportar las fuerzas estructurales que actúan entre los componentes roscados además de prevenir el flujo de los fluidos del pozo a alta presión a través de las rocas empalmadas de la conexión. En muchos de los diseños de roscas utilizados para fijar los extremos de tubos entre sí, las roscas actúan a modo tanto de estructuras de empalme mecánico como de estructuras de sellado estancas a la presión.

En las conexiones en las que la estanqueidad no es el objetivo del diseño de las roscas, la estanqueidad normalmente se obtiene con unos anillos de sellado suplementarios y/o sellados metal-metal construidos como componentes integrales de la conexión. A las conexiones que incluyen estos elementos potenciadores de la estanqueidad normalmente se les denomina “conexiones premium”. En los diseños de las conexiones premium a veces se necesita utilizar acoplamientos con paredes de acoplamiento más gruesas que las de los elementos de acoplamiento utilizados para la fabricación de acoplamientos conformes a las especificaciones del Instituto Americano del Petróleo (API) . Estos acoplamientos con paredes más gruesas se necesitan para formar resaltes de torsión y mantener una alta rigidez del acoplamiento que contribuya a acomodar el esfuerzo en el acoplamiento durante presiones internas/externas o cargas de tracción/compresión extremas. Cuando las condiciones lo permiten, normalmente es deseable evitar la mayor cantidad posible de elementos añadidos de estos conectores premium como, por ejemplo, anillos de sellado, sellos metal-metal y materiales de acoplamiento de pared gruesa dado el mayor coste que suponen y la complejidad asociada a su uso.

A los elementos de acoplamiento con unas dimensiones y especificaciones iguales a las de los acoplamientos API se les denomina en este documento “elementos de acoplamiento estándar”. El elemento de acoplamiento estándar normalmente tiene una estructura de pared más delgada y es más fácil de obtener que el necesario para muchas conexiones premium. Una conexión capaz de ser construida con elementos de acoplamiento estándar es menos cara de fabricar que otra que requiera un elemento de acoplamiento con un grosor mayor de la pared que el presente en los elementos de acoplamiento estándar. Incluso dentro de la gama de elementos de acoplamiento estándar, el ahorro de costes se puede maximizar utilizando el elemento de acoplamiento estándar con la pared más delgada posible dada la diferencia en el contenido de acero.

En la tabla siguiente se listan las especificaciones de los “elementos de acoplamiento estándar” utilizados en la construcción de acoplamientos API para tamaños de tubos típicos:

Elementos de acoplamiento estándar para tubos de revestimiento DE nominal, pulgadas Tipo de rosca Pared nom. (pulgadas) Peso/pie (libras)

FBS

Elementos de acoplamiento para tubos de revestimiento

Refuerzo 4-1/2 5, 000

5 Corto Largo 0, 466 0, 479 0, 443

10 22, 59 23, 15 21, 58

15 4, 185 4, 162 4, 225

5

20 Refuerzo 5, 563

Corto

25 30 Largo 0, 507 0, 529 0, 483 27, 40 28, 47 26, 23 4, 675 4, 638 4, 718

35 Refuerzo 5-1/2 6, 050

Corto

40 Largo 0, 500 0, 526 0, 477

45 29, 66 31, 06 28, 42

5, 175 5, 130 5, 215

50 6-5/8 7, 390

Refuerzo

55 60 Corto Largo 0, 635 0, 662 0, 607 45, 85 47, 61 44, 01 6, 278 6, 232

3

6, 328

5 10 Refuerzo Corto Largo 7 7, 656 0, 573 0, 603 0, 552

15 43, 39 45, 46 41, 92 6, 653 6, 600 6, 690

20 25 Refuerzo Corto Largo 7-5/8 8, 500 0, 706 0, 735 0, 683

30 58, 82 61, 01 57, 07

35 7, 265 7, 214 7, 305

40 45 Refuerzo Corto Largo 8-5/8 9, 625 0, 781 0, 826 0, 760 73, 84 77, 69 72, 02

50 8, 258 8, 180 8, 295

55 60 Refuerzo Corto Largo 9-5/8 10, 625 0, 781 0, 829 0, 760

82, 19

4

86, 81 80, 15

5 9, 258 9, 175 9, 295

10 Refuerzo Corto 10-3/4 11, 750 0, 786 0, 759

15 92, 12 89, 18 10, 375 10, 422

20 25 30 Refuerzo Corto Refuerzo 11-3/4 12, 750 0, 786 0, 763 100, 53 97, 77 11, 375 11, 415 13-3/8 14, 375

35 Corto 0, 786 0, 760

40 114, 18 110, 61 13, 000 13, 045

45 50 Refuerzo Corto 16 17, 000 0, 803 0, 833

139, 04 143, 96

55 15, 594 15, 543

60 Refuerzo Corto 18-5/8 20, 000 1, 018 1, 048

206, 57 212, 32

18, 219 18, 166

21, 00

Refuerzo Corto 0, 803

0, 834

173, 37 179, 79

19, 594 19, 541

Además de costar más, los diseños de acoplamientos de pared gruesa reducen el espacio libre central a través del conector. El diámetro exterior nominal de todos los elementos de acoplamiento es el mismo para cualquier tamaño de tubo dado a utilizar en el diseño de una sarta convencional. La resistencia del acoplamiento puede obtenerse aumentando el grosor de la pared hacia el centro del acoplamiento, si bien con tal reforzamiento se reduce el espacio libre a través del acoplamiento. La reducción del espacio libre del acoplamiento normalmente está relacionada con una reducción no deseada del espacio libre a través del tubo empalmado en el acoplamiento.

Recientemente, la industria ha establecido que las conexiones de tubos roscadas cumplan ciertos criterios nuevos de rendimiento y de prueba. Como parte de este requisito, los conectores son sometidos a rigurosas pruebas para reafirmar el cumplimiento de las nuevas normas de la industria. Una de tales normas de la industria es la especificación 13679 de la Organización Internacional de Normalización (ISO) . La ISO 13679 es una especificación internacional en la que se establecen los procedimientos a seguir para ensayar conexiones de tubos de revestimiento y tubos para pozos para las industrias del petróleo y del gas natural. Esta especificación fue desarrollada para validar de una manera más realista los parámetros de rendimiento a base de ensayar las condiciones y cargas de servicio extremas a las que las conexiones de tubos de revestimiento y tubos para pozos se ven sometidas durante su uso. La especificación ISO 13679 resulta, en parte, de la determinación de que puedan ser necesarios cambios en el diseño de las conexiones existentes para conseguir envolventes de cargas de servicio útiles para los conectores. Un aspecto de la especificación requiere que la conexión se realice de tal manera que durante la conformación final se produzca una precarga del conector en un sentido axial. Se ha descubierto que esta precarga axial puede resultar ventajosa a la hora de mejorar la capacidad de presión conforme la carga axial en el conector pasa de la tensión a la compresión.

A la fuerza del par de torsión que aplica la precarga se le denomina frecuentemente “par de torsión delta”. El par de torsión delta puede definirse como la parte del par de torsión de conformación final inducida en los componentes que interfieren axialmente de la conexión de espiga y caja después de resolver la interferencia radial de las roscas que tiene lugar durante la conformación. En la Figura 12 de los dibujos se ilustra un gráfico del Par de torsión (T) frente a las Vueltas (TN) en el que se definen el par de torsión de los resaltes (ST) , el par de torsión delta (DT) y el par de torsión final (FT) . El par de torsión T se ha trazado en el eje vertical y la cantidad de vuelta de la espiga TN respecto al acoplamiento se ha trazado en el eje horizontal. A la interferencia radial máxima que se da durante la conformación antes del empalme de los resaltes normalmente se le denomina par de torsión de los resaltes ST. El límite inferior del par de torsión delta, a saber, el par de torsión de los resaltes, puede atribuirse a la interferencia entre las roscas que ocurre antes de dejar de rotar la conexión dado el empalme de los componentes de conexión que interfieren axialmente de la espiga y la caja.... [Seguir leyendo]

1.Una conexión roscada para tubos (60) , que comprende: un cuerpo de acoplamiento (62) que tiene unas roscas de acoplamiento (70, 74) formadas internamente, una primera y una segunda espigas (64, 66) formadas en los extremos de un primer y un segundo empalme para

tubos tubulares, respectivamente, una primera y una segunda roscas en las espigas (72, 68) formadas, respectivamente, a lo largo de las superficies externas de dichas primera y segunda espigas (64, 66) , estando dichas primera y segunda roscas de las espigas adaptadas para coincidir con las roscas de dicho acoplamiento para formar una conexión de empalme estructural y

sellado de presión entre dichas primera y segunda espigas y dicho acoplamiento, caracterizada por que dicho cuerpo de acoplamiento está fabricado a partir de un elemento de acoplamiento estándar, dichas primera y segunda espigas (64, 66) tienen una primera y una segunda caras de espiga anulares (76, 78)

formadas, respectivamente, a lo largo de las superficies finales axiales de los extremos axiales de dichas espigas, teniendo cada una de las caras de espiga un grosor radial definido entre el diámetro interior y el diámetro exterior de la espiga tubular sobre la que está formada, estando dichas primera y segunda caras de espiga adaptadas para conectarse una a la otra en el punto medio axial aproximado de dicho acoplamiento cuando dichas primera y segunda espigas coinciden exactamente con dicho acoplamiento, no teniendo dicho acoplamiento ningún resalte de torsión de empalme de dichas primera y segunda espigas,

sobre dichas primera y segunda espigas (64, 66) hay formadas unas primera y segunda puntas de espiga (80, 82) , respectivamente, que se extienden axialmente hacia afuera de las caras de espiga correspondientes una primera y una segunda longitudes de las puntas de espiga, respectivamente, no quedando dichas puntas de las espigas conectadas estructuralmente al menos en parte a dichas roscas internas del acoplamiento cuando dichas primera y segunda espigas coinciden totalmente con dicho acoplamiento con lo que las fuerzas axiales en dicho acoplamiento en lugares radiales adyacentes a cualquiera de dichas puntas de espiga no son transmitidas directamente entre dicho acoplamiento y dichas puntas de espiga, y

una geometría de rosca con flancos de carga negativa en las roscas de dichas primera y segunda espigas y las roscas coincidentes del acoplamiento, con lo que entre dichas primera y segunda espigas y dicho acoplamiento se imponen unas fuerzas compresión en una dirección radial tras el empalme de dichas caras de las puntas de espiga durante la aplicación de un par en la formación de dicha conexión.

2. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 1, en donde la longitud axial de cada una de dichas puntas de espiga es igual a al menos un 80% de la longitud axial atravesada por dos vueltas de las roscas en las espigas correspondientes en las que están formadas.

3. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 1, en donde dicho elemento de acoplamiento estándar es para una conexión con roscas de refuerzo.

4. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 2, en donde dicho elemento de acoplamiento estándar es para una conexión con roscas de refuerzo.

5. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 1 en donde dichas puntas de espiga se forman reduciendo el diámetro exterior de sus respectivas espigas.

6. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 1 en donde la longitud de cada una de dichas puntas de espiga es sustancialmente igual al avance axial de dos vueltas de las roscas en su espiga asociada.

7. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 1, en donde dichas primera y segunda puntas de espiga tienen una relación R entre una longitud axial de puntas de espiga y un área asociada de resaltes de torsión que cae dentro del rango

0, 025 < R < 0, 35.

5

8. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 1, en donde a un par de torsión final de dicha conexión, los flancos de enlace que hay entre las roscas de las espigas conectadas y las roscas de caja se separan aproximadamente 0, 003 pulgadas (0, 076 mm) medidas axialmente.

9.Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 1, en donde dicho acoplamiento tiene un área sin roscas a lo largo de su área interna central.

10. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 1, en donde no hay un espacio libre de valles y crestas entre las roscas de las espigas conectadas y las del acoplamiento.

11. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 1, en donde las anchuras de las roscas medidas axialmente de las roscas de dicha primera espiga son menores que la distancia medida axialmente entre las roscas del acoplamiento adyacentes en aproximadamente 0, 003 pulgadas (0, 076 mm)

12. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 11, en donde a un par de torsión final de dicha conexión, los flancos de enlace que hay entre las roscas empalmadas de las espigas y la caja se separan aproximadamente 0, 003 pulgadas (0, 076 mm) medidas axialmente.

13. Una conexión roscada para tubos (60) , que comprende: un cuerpo de acoplamiento (62) en cuyo interior que tiene unas roscas de acoplamiento (70, 74) formadas internamente, una primera y una segunda espigas (64, 66) formadas en los extremos de un primer y un segundo empalmes para tubos tubulares, respectivamente, una primera y una segunda roscas en las espigas (72, 68) formadas, respectivamente, a lo largo de las superficies externas de dichas primera y segunda espigas (64, 66) , estando adaptadas dichas primera y segunda roscas de las espigas para coincidir con las roscas de dicho acoplamiento para formar una conexión de empalme estructural y de sellado de presión entre dichas primera y segunda espigas y dicho acoplamiento, caracterizada por que dicho cuerpo de acoplamiento está fabricado a partir de un elemento de acoplamiento estándar; dichas primera y segunda espigas tienen una primera y una segunda caras de espiga anulares (76, 78) formadas, respectivamente, a lo largo de las superficies finales axiales de los extremos axiales de dichas primera y segunda espigas (64, 66) , teniendo cada una de las caras de las espigas antedichas un grosor radial definido entre el diámetro interior y el diámetro exterior de la espiga tubular sobre la que está formada, dichas primera y segunda caras de las espigas están adaptadas para conectarse la una a la otra en el punto medio axial aproximado de dicho acoplamiento cuando dichas primera y segunda espigas coinciden exactamente con dicho acoplamiento,

en donde dichas primera y segunda espigas tienen una primera y una segunda puntas de espiga (80, 82) formadas sobre las mismas,

dichas puntas de espiga tienen una primera y una segunda longitudes de las puntas de espiga, respectivamente, en donde dichas puntas de espiga no quedan conectadas estructuralmente al menos en parte a dichas roscas internas del acoplamiento cuando dichas primera y segunda espigas coinciden totalmente con dicho acoplamiento con lo que las fuerzas axiales en dicho acoplamiento en lugares radiales adyacentes a cualquiera de dichas puntas de las espigas no son transmitidas directamente entre dicho acoplamiento y dichas puntas de las espigas, dichas puntas de las espigas formando caras de espiga, siendo cada una de las caras de espiga sustancialmente plana, y teniendo dicho acoplamiento un área central entre los extremos axiales de dicho acoplamiento con un grosor de la pared sustancialmente igual al grosor de la pared de los elementos de acoplamiento estándar para el tubo que incluye esas espigas.

14. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 13, en donde la longitud axial de cada una de dichas puntas de las espigas es igual como mínimo al 80% de la longitud axial atravesada por dos vueltas de las roscas en las espigas correspondientes en las que están formadas.

15. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 13 en donde dichas puntas de espiga se forman reduciendo el diámetro exterior de las espigas correspondientes.

16. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 15 en donde dichas puntas de espiga se forman eliminando las roscas del diámetro exterior de las espigas respectivas.

17. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 13 en donde la longitud de cada una de dichas puntas de espiga es sustancialmente igual al avance axial de dos vueltas de rosca en su espiga asociada.

18. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 13, en donde dichas primera y segunda puntas de espiga tienen cada una de ellas una relación R entre una longitud axial de las puntas de las espigas y un

área asociada de resaltes de torsión que cae dentro del rango 0, 025 < R < 0, 35.

19. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 13, en donde dicho acoplamiento tiene unas roscas formadas a lo largo de su área interna central.

20. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 13, en donde dicho acoplamiento tiene un área sin roscas a lo largo de su área interna central.

21. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 13, en donde no hay un espacio libre de valles y crestas entre las roscas de las espigas conectadas y las del acoplamiento.

22. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 13, en donde las anchuras de las roscas

medidas axialmente de las roscas de dicha primera espiga son menores que la separación axial entre las roscas adyacentes de dicho el acoplamiento en aproximadamente 0, 003 pulgadas (0, 076 mm)

23. Una conexión roscada para tubos como la definida en la reivindicación 13, en donde a un par de torsión final de dicha conexión, los flancos de enlace que hay entre las roscas empalmadas de las espigas y la caja se separan aproximadamente 0, 003 pulgadas (0, 076 mm) medidas axialmente.