BRPI0707924A2 - conexão tubular estanque a gás - Google Patents
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Abstract
CONEXãO TUBULAR ESTANQUE A GáS. é descrita uma junta ou conexão tubular estanque a gás, particularmente relacionada a corpo tubular de mono diâmetro na forma de um tubo ou revestimento que é usada com relação à produção de óleo e/ou gás, onde os tubos ou revestimentos são fabricados a partir de seções tubulares, e onde as seções tubulares, depois de ser interconectadas nas suas respectivas extremidade, são finalmente formadas por expansão. Os tubos ou revestimentos formados de pelo menos duas seções tubulares, uma externa e uma interna. A extremidade de cada dita respectiva seção é sobreposta à sucessiva seção tubular seguinte, por meio do que uma ou mais seções tubulares interna, intermediária ou externa são de diferentes materiais metálicos e/ou diferentes espessuras e, quando submetidas a um processo de deformação, são plastificadas, ou deformadas plasticamente, na zona sobreposta, formando uma vedação metálica e provendo assim integridade de pressão de gás entre o lado de dentro e o lado de fora do tubo/revestimento tubular expandido.
Description
"CONEXÃO TUBULAR ESTANQUE A GÁS"
A presente invenção diz respeito a uma junta ou conexãotubular estanque a gás, particularmente relacionada a tubo ou revestimentomonodiâmetro que é usada com relação à produção de óleo e/ou gás onde ostubos ou revestimentos são fabricados a partir de seções tubulares e onde asseções tubulares, depois de ser interconectadas nas suas respectivasextremidades, são finalmente formadas por expansão.
Revestimentos tubulares expansíveis têm sidotradicionalmente usados na indústria de óleo e gás para solucionar desafiosoperacionais encontrados durante a perfuração e manutenção de poços. Atecnologia cobre aplicações tais como:
Revestimentos de perfuração - Componentes tubulares sãousados para revestir uma seção perfurada em um poço. O componente tubularexpansível é suspenso no revestimento ou revestimento interno, tanto antesquanto depois de expandir radialmente o componente tubular. O resultado éuma perda mínima ou nula no diâmetro interno do furo de poço.Revestimentos de perfuração expansíveis são projetados para suportar ascargas às quais os revestimentos tubulares podem ser expostos durante aperfuração, isto é, as cargas mecânicas durante uma situação de influxo degás.
Reparo do revestimento - Componente tubular expansívelusado para restaurar a integridade mecânica de revestimentos mecanicamentedanificados ou erodidos. Expandindo-se radialmente o componente tubularexpansível contra o diâmetro interno de um revestimento danificado ouerodido existente, o componente tubular substituirá a integridade mecânicaque o revestimento original tinha antes de ocorrer o dano ou erosão. Ainterface do componente tubular expansível e o revestimento original pode sermetal com metal, com ou sem engaxetamento de elastômero com propósitosde integridade de pressão de fluido.Camada de proteção em furo aberto - Componente tubularexpansível usado para criar uma blindagem mecânica contra formaçõesinstáveis, isto é, formação mecanicamente fraca, ou formação onde podeocorrer perda de fluido.
Expansão de um componente tubular é realizada pela tensãoimposta no material que força o material de deformação elástica paradeformação plástica. Esta deforma permanentemente o material em umaforma pré-desenhada, isto é, deforma radialmente o componente tubular,aumentando o diâmetro interno e externo. Existem atualmente diversosmecanismos de expansão para expandir componente tubular metálico,incluindo dispositivo de expansão de cone fixo, cone flexível e rotativoacionados por uma força mecânica axial através da coluna de perfuração, ouutilizando potência hidráulica através do fluido do furo de poço injetado, istoé, da lama.
Na indústria de óleo de gás, existe uma grande expectativapara futuras aplicações de tecnologia tubular expansível, visando substituir oprojeto de revestimento aninhado tradicional por um projeto que permite umdiâmetro interno do topo para a base em um poço. Esta futura aplicação énormalmente referida como um "mono" diâmetro, ou "mono furo", e tempotencial para reduzir drasticamente o custo de desenvolvimento de campo,reduzir impacto ambiental e aumentar a segurança na indústria de perfuração.O completo potencial pode ser revelado quando se obtêm propriedades deconexão tubulares expansíveis que satisfazem as exigências de revestimentode produção, isto é, mantém a integridade de pressão de gás pós-expansão.
Uma baixa pressão nominal de gás constitui uma limitação naaplicação de revestimentos tubulares expansíveis. Durante o projeto de umpoço, diferentes cenários de carga mecânica são simulados para garantir aintegridade mecânica no poço durante toda sua vida útil. Um revestimentotubular com uma integridade de pressão de gás relativamente baixa pode serusado, isto é, usado com propósitos de perfuração, mas não usado como umrevestimento de produção completamente qualificado, isto é, que resiste acargas encontradas se houver um vazamento na tubulação de produção,permitindo que pressão de gás contra o revestimento de produção que ajacomo uma barreira secundária.
Desafios têm sido vencidos com relação à obtenção deintegridade de pressão de gás durante o uso de conexões convencionais entreas juntas tubulares expansíveis, isto é, as roscas se deslocam e deformamdurante o processo de expansão, reduzindo ou eliminando tensão residualinterfacial, causando uma ausência de integridade de pressão de gás.
Existem diversos métodos de unir componentes tubularesexpansíveis, por exemplo, a patente U.S. 6.409.175 e pedido de patente U.S.2003/0234538.
A U.S. 6.409.175 Bl diz respeito a um método e aparelho quesão providos para obter uma conexão mecânica e vedação estanque a pressãona área sobreposta de dois corpos tubulares telescópicos onde os dois corpossão radialmente expandidos, e onde a expansão força a vedação anular deTeflon na área sobreposta em um encaixe de vedação de pressão entre oscorpos. Entretanto, tal vedação não é estanque a gás e aceita para ser usadaem revestimentos de furos de poço.
O pedido de patente U.S. 2003/0234538 diz respeito a umaconexão rosqueada convencional entre segmentos de componentes tubularesexpansíveis que fornece múltiplos pontos de vedação ao longo dos elementospino e caixa que podem suportar altas pressões. Esta solução tampouco não éestanque a gás.
A presente invenção diz respeito a uma junta ou conexãotubular expansível estanque a gás que supera as desvantagens das soluçõesconhecidas e que é mecanicamente forte em potencial com a vedaçãometálica, e que é estanque a gás e que atende as exigências de revestimentosem furos de poço. A junta ou conexão de um componente tubular expansívelrepresenta o ponto mais fraco de tal componente tubular e, com a presenteinvenção, é em particular obtida na distribuição longitudinal das superfíciesde conexão que cobrem uma maior área, obtendo assim a maior resistêncialocal na junta ou conexão.
A invenção é caracterizada pelos recursos definidos nareivindicação 1 independente anexa.
As reivindicações 2-5 definem modalidades preferidas dainvenção.
A presente invenção será descrita com mais detalhes a seguirpor meio de exemplos e com referência às figuras, onde:
A figura 1 mostra a) em perspectiva um corpo tubular naforma de um revestimento de tubo, e b) uma seção transversal de uma partedo corpo tubular ao longo da linha da seção A-A em a) anterior;
A figura 2 mostra um esquema que ilustra um princípio deacordo com a presente invenção para obter tensões compressivas residuais nainterface de seções tubulares internas umas às outras, pelo qual a vedação éobtida;
A figura 3 mostra um esquema que ilustra um outro princípiode acordo com a presente invenção para obter tensões compressivas residuaisna interface das seções tubulares uma dentro da outra, pelo qual a vedação éobtida;
A figura 4 mostra um esquema que ilustra um terceiroprincípio de acordo com a presente invenção para obter tensões compressivasresiduais na interface das seções tubulares uma dentro da outra, pelo qual avedação é obtida;
A figura 5 mostra um esquema que ilustra um quarto princípiode acordo com a presente invenção para obter tensões compressivas residuaisna interface de seções tubulares uma dentro da outra, pelo qual a vedação éobtida;
A figura 6 mostra em seção transversal três exemplos deconexões baseadas no princípio de acordo com a invenção.
A presente invenção é baseada no princípio geral pelo qualtubos ou revestimentos são formados a partir de pelo menos duas seçõestubulares, uma externa e uma interna. As extremidades de cada dita respectivaseção tubular estão sobrepondo a seção tubular seguinte, por meio do que umaou mais das seções tubulares interna, intermediária ou externa de diferentesmateriais metálicos e/ou diferentes espessuras e, durante o processo dedeformação, é plastificada ou plasticamente deformada na zona desobreposição, formando uma vedação metálica em tal zona e provendo assimintegridade de pressão de gás entre o lado de dentro e o lado de fora dotubo/revestimento tubular expandido.
A figura 1 mostra um exemplo de uma conexão tubular deacordo com a invenção. Mais especificamente, a figura 1 a) mostra, emperspectiva, um corpo tubular na forma de um revestimento de tubo, e afigura 1 b) uma seção transversal de uma parte do corpo tubular ao longo dalinha A-A da seção na figura la). A fim de manter a integridade de pressão degás depois da expansão, o revestimento tubular é composto de 2 ou maispeças, 1, 2, 3, uma dentro da outra sobre a conexão, cada uma com suaprópria conexão. Os diferentes tubos e, portanto, também as conexões 4, 5, 6,são axialmente deslocadas uma em relação à outra. A sobreposição metal emmetal entre as conexões, pressionadas umas nas outras pela tensão residual,formará a vedação pós-expansão. O mesmo princípio aplica-se se somente aárea de conexão for seccionada com múltiplos componentes tubulares sobre aespessura de parede, ao passo que o grosso do revestimento permanece comorevestimento convencional; uma parede sólida por toda a espessura de parede.
A invenção obterá uma integridade de pressão de gássatisfatória para cargas de produção em uma conexão tubular expansíveldepois de ser exposta a um processo de expansão, removendo assim apresente restrição na aplicação, isto é, aplicação como um revestimento deprodução, visto na tecnologia de componentes tubulares expansíveis.
As conexões 4, 5, 6 para cada tubo são baseadas em roscascônicas ou retas. Embora a maioria das roscas em conexões de revestimentosconvencionais seja feita de uma rosca contínua que forma uma área rosqueadapor toda a espessura de parede do componente tubular, esta tecnologia podepermitir a divisão da área rosqueada em duas ou mais roscas por todaespessura de parede do revestimento. Cada área rosqueada fica posicionada auma distância axial, δ, das conexões adjacentes. A área sobreposta, δ, entreduas roscas adjacentes representa a vedação pós-expansão parcial de formaparcial ou completa. A capacidade de vedação da área sobreposta, δ, aqualquer momento está diretamente ligada às tensões residuais entre duassuperfícies sobrepostas às tensões operacionais induzidas nas mesmassuperfícies durante operação. Tanto a sobrepressão externa quanto internaaumentarão esta tensão de vedação.
As tensões residuais são geradas pelo processo de expansão,por exemplo, por meio de uma ferramenta de expansão cônica (por exemplo,cone ou rolo). Dois modos de deformação principais interagem:
Tração na direção θ e dobramento no plano r-z. O dobramentoé energizado pelo cone. Inicialmente, como o cone encontra o tubo, o tuboreto é dobrado para fora, conforme pode-se ver na figura 2A, corpo tracejado.Uma vez que o tubo é um corpo redondo contínuo em torno do perímetro, estedobramento encontrará resistência pelas tensões da membrana, e será puxadopara trás para o estado reto original, embora com um maior diâmetro de tubo,conforme pode-se ver na figura 2A, corpo completo. Se a parede do tubonovamente encontrar o cone, este processo se repetirá. Se a parede do tubonão encontrar o cone, a forma final foi atingida.
A tensão residual pode ser obtida se o dobramento do tubopara fora encontrar uma barreira antes de o próprio tubo ser redirecionadopara a orientação reta. Em tal caso, a barreira aplicará uma força na parede dotubo dobrado, que redirecionará o tubo para uma orientação reta, conformeestá mostrado na figura 2B. A deformação elasto-plástica resultante da forçainduzida pela barreira criará uma força com ação de mola (tensão/deformaçãopor relaxamento elástico), aqui referida como tensão residual. Essas tensõesformarão a força de vedação inicial. A barreira neste caso é um tubo commaior diâmetro fora do tubo de deformação em questão.
A tensão residual pode também ser obtida por uma rigidez relativadiferente entre seções tubulares adjacentes. Tal variação de rigidezpode ser feita pelas diferenças entre os dois corpos, tais como diferentesespessuras de parede e resistência mecânica. Com diferentes valores derigidez nos dois corpos, os raios resultantes de um dobramento induzido, porexemplo, por um cone, serão diferentes, conforme mostrado nas figuras 3A eB. Se o corpo com o menor raio de dobramento for a seção tubular externa,haverá uma interação entre os dois corpos antes de as tensões de membranaendireitarem o tubo. O resultado será uma tensão residual entre as duas seçõestubulares.
Tensões residuais na interface de duas seções tubularesadjacentes uma dentro da outra depois de uma expansão podem ser originadasusando diferentes propriedades do material base (reologia) nas seçõestubulares. Para obter tensão interfacial residual desta maneira, as seçõestubulares externas têm que ter um maior limite de escoamento do que o tubointerno no estado relaxado. Desta maneira, o efeito mola da seção tubularexterna é maior que da seção tubular interna. Em um ponto, a seção tubularinterna é relaxada, enquanto o componente tubular externo continua retrair,conforme mostrado na figura 4. Daqui, o sistema entrará em equilíbrio pelotubo interno retraído para compressão, opostamente equilibrado por algumatensão remanescente no tubo externo. Isto induz a tensão de vedação entre asseções tubulares.
Tensões residuais podem ser geradas pela forma especial queocorre nas duas extremidades de um tubo expandido por um dispositivocônico. Os efeitos que ocorrem nas extremidades são o dobramento daspontas extremas em direção à linha de centro, conforme pode-se ver na figura5B. Este efeito surge em decorrência da interação entre a rigidez dodobramento no tubo à medida que ele deixa o cone, e as forças que endireitamo tubo depois de ele ter deixado o cone. A força que endireita o tubo é omaterial do tubo adjacente. No caso das extremidades, não fica nenhummaterial para endireitar a extremidade em uma das direções. O resultado é umdobramento residual depois que o tubo tiver deixado o cone. As tensõesresiduais podem ser geradas se o segmento dobrado de um tubo encontrar umsegmento de tubo reto dentro de si próprio, forçando o dobramento paradentro para uma forma mais reta, mostrado na figura 5C.
A invenção definida nas reivindicações anexas não estálimitada aos exemplos supradescritos. Assim, a conexão tubular, conformeestá mostrado na figura 6, exemplo denotado A), pode consistir em seçõestubulares 8, 9 conectadas por seções rosqueadas cônicas fêmeas e,respectivamente, macho, e onde as "seções de tubo" externa e interna são naforma de anéis ou buchas externas e internas 10, respectivamente, 11 é sãoprovidas em torno da seção rosqueada 7, e conectadas nela. As buchas 10, 11,estirando-se sobre a seção rosqueada, e além dela, é preferivelmenteconectada no corpo tubular interno em uma extremidade por meio de solda 12para manter a bucha no lugar durante operação de expansão. A bucha externatem menor espessura, comparada com a seção tubular interna, para obter atensão residual descrita anteriormente. No exemplo mostrado na figura 6, A),os anéis ou buchas 10, 11 são providos em rebaixos nas seções de tubo 8, 9.Isto não é uma exigência, já que elas podem ser providas completamente nolado de dentro ou lado de fora das seções de tubo, sem tais rebaixos.Adicionalmente, conforme mostrado na figura 6, exemplodenotado por B), a conexão pode consistir em uma seção tubular interna 13com uma parte redonda radialmente saliente 14 que tem um maior diâmetro eque estende-se ao interior da seção tubular externa 15 com uma parte redondaque estende-se para dentro correspondente 16 com um maior diâmetro. Atensão residual neste exemplo é obtida, como no exemplo A) anterior, peladiferente rigidez relativa entre as seções tubulares adjacentes 13, 15 por causada diferente espessura de parede das seções tubulares externa e interna. Atensão residual pode opcionalmente ser imposta introduzindo-se um metalmais conformável 19 entre duas seções tubulares adjacentes 17, 18, conformemostrado na figura 6, exemplo denotado por C), melhorando a capacidade devedação de metal contra metal da conexão. O metal conformável 19 pode serprovido entre seções rosqueadas 20, 21, conforme mostrado na figura, e podeagir como:
i) separador de duas seções tubulares para intensificar o efeitosupradescrito;
ii) ligação interfacial química energizada pelo fluxo de metaldurante o processo de expansão, causando ruptura do filme de óxido e contatometal nascente com metal;
iii) um componente de "gaxeta" de metal que preenche todoespaço disponível.
A demanda da API para vedação metal com metal emconexões estanques a gás limita o material da "gaxeta" a metais. Alumíniopuro é um metal desses, que é altamente conformável e estabelece boa ligaçãoquímica com aço, quando pressão e deformação fazem com que os filmes deóxido se rompam, e contato íntimo de aço com alumínio é feito.
Um outro material é prata, que tem excelente resistência acorrosão em contato íntimo com aço.
Uma alternativa seria também uma ligação química, porexemplo, um metal com baixo limite de escoamento criando ligaçõesintermetálicas com o metal do tubo, ou uma reação química depois do contatoíntimo (e possivelmente maior temperatura/pressão) entre diferenteselementos (reagentes) ou metal do tubo depois da expansão.
Aço é indubitavelmente o material mais comumente usadohoje em dia para aplicações de revestimento. O revestimento base e asconexões para esta tecnologia podem ser a norma API 5CT L80 ou X80,amplamente usadas para revestimento convencional. Alternativamente, pode-se utilizar um material com um maior alongamento para atingir uma maiormargem de falha pela ruptura durante o processo de expansão.
Conforme descrito anteriormente, vedação pode ser energizadapelas diferentes propriedades mecânicas. Em combinação com o revestimentoda norma L80, um material com maior limite de escoamento fora da L80 serianecessário, ou um material com menor limite de escoamento de acordo comL80.
Claims (6)
1. Conexão tubular estanque a gás, particularmente relacionadaa corpo tubular de mono diâmetro na forma de um tubo ou revestimentosendo usado com relação à produção de óleo e/ou gás, onde os tubos ourevestimentos são fabricados a partir de seções tubulares, e onde as seçõestubulares, depois de serem interconectadas nas suas respectivas extremidades,são finalmente formadas por expansão, caracterizada pelo fato de que os tubosou revestimentos são formados de pelo menos duas seções tubulares, umaexterna e uma interna, as extremidades de cada uma das respectivas seções sesobrepõem com a sucessiva seção tubular, por meio do que uma ou maisseções tubulares interna, intermediária ou externa são de diferentes espessurase, durante o processo de deformação, é plastificada ou plasticamentedeformada na zona de sobreposição, em que a espessura da seção tubularinterna é maior do que a pelo menos uma seção tubular externa, resultando naformação de uma vedação metálica entre as seções tubulares devido à tensãoresidual induzida, e provendo assim integridade de pressão de gás entre o ladode dentro e o lado de fora do tubo/revestimento tubular expandido.
2. Conexão tubular estanque a gás de acordo com areivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a conexão inclui um corpotubular interno (8), onde as seções tubulares (9), (10) são conectadas por meiode seções rosqueadas cônicas fêmea, respectivamente, macho, e onde um anelou bucha externa (11) é provido em torno da seção rosqueada conectada, pormeio do que a bucha (11) que estira-se sobre a seção rosqueada, e longitudinalalém dela, é preferivelmente conectada no corpo tubular interno em umaextremidade por meio de solda (12) para manter a bucha no lugar medianteoperação de expansão, e onde a bucha externa possui espessura reduzidacomparada à seção tubular interna para obter tensão residual.
3. Conexão tubular estanque a gás de acordo com areivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a conexão consiste em umaseção tubular interna (13) com uma parte preferivelmente redondaradialmente saliente (14) que tem um maior diâmetro do que o diâmetroexterno da seção tubular interna, e que estende-se ao interior de uma seçãotubular externa (15), com uma parte redonda que estende-se para foracorrespondente (16) que tem um maior diâmetro do que o diâmetro interno daseção tubular.
4. Conexão tubular estanque a gás de acordo com areivindicação 1, caracterizada pelo fato de que material conformável,preferivelmente metal (19), é provido entre duas seções tubulares adjacentes(17, 18), por meio do que o material conformável é provido entre seçõesrosqueadas (20, 21) de cada uma das conexões entre as seções adjacentes (17,18).
5. Conexão tubular estanque a gás de acordo com areivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o revestimento tubular écomposto de três ou mais tubos (1, 2, 3) um dentro do outro sobre a conexão,cada um com sua própria conexão, por meio do que diferentes tubos econexões (4, 5, 6) são axialmente deslocadas uma em relação à outra por umadistância δ.
6. Conexão tubular estanque a gás de acordo com areivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as tensões residuais adicionaissão geradas na interface entre um corpo tubular reto interno e pelo menos umadentre as duas extremidades de um corpo tubular externo, a tensão residualadicional sendo gerada por um dobramento residual na pelo menos uma dasduas extremidades do corpo tubular devido à quantidade reduzida de materialpróximo às extremidades comparado às posições distantes das extremidades.
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