IT201700018811A1 - Dispositivo e metodo per unire tubolari metallici di pozzi di perforazione - Google Patents

Description

“Dispositivo e metodo per unire tubolari metallici di pozzi di perforazione”,

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce alle tecniche per l’ottenimento di pozzi di perforazione, quali ad esempio pozzi per l’estrazione di petrolio, ed è stata sviluppata con particolare riferimento al tema del reciproco collegamento di corpi tubolari metallici impiegati nella realizzazione dei pozzi suddetti.

Tecnica anteriore

I pozzi di estrazione, particolarmente per estrazione del petrolio, sono realizzati a partire da un processo di trivellazione del suolo, volto alla definizione di un canale di pozzo (wellbore) generalmente verticale. Man mano che la trivellazione procede in profondità è necessario proteggere la parte superiore del canale scavato, sia per prevenire il collasso della sua parete periferica, sia per prevenire possibili infiltrazioni di acqua e/o di petrolio, nonché prevenire la suzione del fango di perforazione. Questa fase, che prende il nome di completamento del pozzo, è effettuata calando all’interno del canale trivellato un certo numero di corpi tubolari metallici, detti casing, di sezione circolare ed usualmente formati in acciaio. Il numero dei corpi tubolari dipende dalla profondità del pozzo e dagli obiettivi minerari, oltre che dalle difficoltà di perforazione delle rocce attraversate.

Le successive perforazioni, a profondità sempre maggiori, vengono eseguite con scalpelli di dimensioni sempre minori, in modo da non danneggiare le pareti interne dei corpi tubulari già posati. Per questo motivo il rivestimento interno del pozzo, formato dai corpi tubolari assicurati l’uno sull’altro all’interno del canale scavato, risulta avere un diametro decrescente verso l’alto ed il numero di calate che è possibile effettuare è limitato dal progressivo restringimento del pozzo. Il diametro dei corpi tubolari tipicamente varia da 10 a 100 cm ed il loro spessore di parete varia tipicamente tra 8 e 25 mm.

Attualmente l’accoppiamento dei tubolari è effettuato per via meccanica, tramite un giunto filettato, realizzando uno tra diversi tipi di connessione possibili: CSG (short round threads and couplings), LCSG (long round threads and couplings), BCSG (buttress threads and couplings), XCSG (extreme line threads). Le connessioni di tipo CSG, LCSG e BCSG si avvalgono di uno spezzone aggiuntivo di tubolare, usualmente denominato coupling, internamente filettato, che si accoppia alle estremità dei due tubi da unire, che sono filettate esternamente. I filetti sono a profilo circolare (CSG, LSG) o a dente di sega (BCSG). La connessione XCSG è invece realizzata filettando a dente di sega l’estremità interna di un tubolare e quella esterna dell’altro tubolare da accoppiare, rispettivamente, che vengono quindi avvitati direttamente l’uno nell’altro.

Le tecniche di accoppiamento dei corpi tubolari o casing basate dell’accoppiamento meccanico tramite giunto filettato presentano alcuni svantaggi.

In primo luogo, il costo dei corpi tubolari di pozzo risulta elevato, a causa della complessità delle lavorazioni meccaniche di filettatura. Indicativamente, un tubolare di pozzo filettato può costare sino al 40% in più rispetto ad un corrispondente tubolare di pozzo non filettato. In secondo luogo, la presenza delle filettature di estremità dei tubolari di pozzo complica le operazioni di stoccaggio, trasporto e posa dei corpi stessi, in vista della necessità di proteggere le loro estremità filettate. Anche le operazioni di accoppiamento tra i vari tubolari di pozzo, ovvero il loro avvitamento reciproco nel corso della posa, risultano complesse, a causa delle grandi dimensioni dei corpi da accoppiare. Oltre a ciò, la realizzazione del filetto implica un ispessimento delle porzioni terminali dei corpi tubolari: questo processo, oltre a comportare costi aggiuntivi, aumenta l’ingombro all’interno del canale del pozzo, riducendo ulteriormente la sezione utile per le successive calate. La presenza stessa del filetto rappresenta un punto critico in cui si concentrano stress meccanici e fenomeni di corrosione.

Da EP 396204 A è nota una tecnica per la saldatura ad attrito di corpi tubolari o casing per un pozzo di trivellazione, in accordo alla quale un anello di materiale di saldatura viene disposto tra le due estremità dei corpi tubolari da unire, disposti verticalmente l’uno sul’altro ed assialmente allineati. L’anello viene fatto ruotare ad alta velocità e deformato in direzione radiale, in modo da generare calore sufficiente a determinare una saldatura ad attrito tra l’anello stesso e le estremità dei due corpi tubolari. Questa soluzione si dimostra complicata, in relazione alla realizzazione del dispositivo di saldatura, di controllo relativamente difficile, in relazione alla gestione della temperatura del processo, ed occasionalmente anche fonte di irregolarità superficiali in corrispondenza del giunto, tali da imporre una successiva lavorazione di finitura.

Da EP 958094 A è nota una tecnica di saldatura ad induzione di corpi tubolari per un pozzo di trivellazione. Anche in questo caso un anello di materiale di saldatura viene disposto tra le due estremità dei corpi tubolari da unire, disposti verticalmente ed assialmente allineati. La zona di giunzione tra i due corpi tubolari è racchiusa in una camera ermetica, in cui è iniettato un gas inerte, ed all’interno della camera sono disposte delle bobine di induzione atte a riscaldare sino alla fusione il materiale dell’anello di saldatura, e con ciò creare un legame metallurgico tra le estremità dei corpi tubolari. Anche questa soluzione si dimostra complicata, particolarmente in relazione alla realizzazione del dispositivo di saldatura ad induzione, che deve anche essere predisposto per generare temperature molto alte.

Scopo dell’invenzione

Nei suoi termini generali, la presente invenzione si propone di risolvere i suddetti inconvenienti, tramite un dispositivo ed una metodologia per la saldatura di tubolari di pozzo che siano comparativamente più semplici rispetto a quelli previsti secondo la tecnica nota. Questo scopo è raggiunto, secondo la presente invenzione, da un dispositivo e da un metodo per unire tubolari di pozzo aventi le caratteristiche indicate nelle rivendicazioni allegate. Le rivendicazioni costituiscono parte integrante dell’insegnamento tecnico qui fornito in relazione all’invenzione.

Come risulterà maggiormente chiaro in seguito, in accordo ad un primo aspetto, i tubolari di pozzo vengono saldati di testa impiegando un fascio laser, per ottenerne un reciproco accoppiamento mediante fusione e risolidificazione delle interfacce dei tubolari stessi. In forme di attuazione preferite il processo di saldatura laser è assistito da un riscaldamento mediante uno o più induttori elettromagnetici, che sono disposti in modo da precedere e/o seguire il punto di incidenza del fascio laser nella zona del giunto di saldatura, avendo a riferimento la direzione nella quale la saldatura procede. In tal modo, l’induttore o gli induttori apporta/apportano calore al giunto di saldatura e/o a zone ad esso circostanti, prevenendo con ciò un suo raffreddamento troppo rapido. In forme di attuazione particolarmente vantaggiose, il dispositivo di saldatura è supportato da una struttura che è montata mobile tra una posizione di riposo ed una posizione di lavoro, che sono rispettivamente generalmente distanziata e generalmente ravvicinata alle estremità dei due tubolari da saldare, lo spostamento della struttura mobile avvenendo preferibilmente in modo guidato in una direzione sostanzialmente perpendicolare all’asse del canale di pozzo.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori scopi, caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue, effettuata con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, nei quali:

- la figura 1 è una vista frontale schematica di un dispositivo per unire tubolari di pozzo in accordo a possibili forme di attuazione dell’invenzione;

- la figura 2 è un dettaglio di figura 1;

- la figura 3 è un vista laterale schematica di due tubolari di pozzo accoppiati di testa, volta ad esemplificare il principio di funzionamento di un dispositivo in accordo a possibili forme di attuazione dell’invenzione;

- la figura 4 è una vista schematica dall’alto di una disposizione di saldatura di un dispositivo in accordo a possibili forme di attuazione dell’invenzione;

- le figure 5 e 6 sono viste schematiche, rispettivamente frontale e laterale, di una disposizione di saldatura di un dispositivo in accordo a possibili forme di attuazione dell’invenzione;

- la figura 7 è un diagramma CCT (Continuous Cooling Transformation) che pone a confronto la dinamica di raffreddamento di una tipica saldatura laser con la dinamica di raffreddamento che segue un processo di saldatura eseguito conformemente all’invenzione;

- la figura 8 è uno schema a blocchi semplificato di un possibile circuito di controllo di una disposizione di saldatura di un dispositivo in accordo a possibili forme di attuazione dell’invenzione;

- la figura 9 è una vista laterale, parziale e schematica, del dispositivo di figura 1 in accordo a possibili forme di attuazione vantaggiose;

- le figure 10 e 11 sono viste parziali e schematiche dall’alto di una disposizione di saldatura di un dispositivo in accordo a possibili forme di attuazione dell’invenzione;

- la figura 12 è una vista simile a quella di figura 9, relativa ad ulteriori possibili forme di attuazione dell’invenzione;

- la figura 13 è una vista simile a quella di figura 5, relativa a possibili varianti di attuazione dell’invenzione;

- la figura 14 è una vista schematica in elevazione frontale di un elemento di una disposizione di saldatura di un dispositivo in accordo a possibili forme di attuazione dell’invenzione;

la figura 15 è una vista simile a quella di figura 5, con la disposizione di saldatura che include l’elemento di figura 14;

- la figura 16 è una vista simile a quelle di figura 5, relativa ad una ulteriore possibile variante di attuazione dell’invenzione;

- la figura 17 è una vista simile a quelle di figura 4, relativa ad una ulteriore possibile variante di attuazione dell’invenzione; e

- le figure 18 e 19 sono viste simili a quelle di figura 2 e 5, rispettivamente, relative ad ulteriori possibili forme di attuazione dell’invenzione.

Descrizione di forme di attuazione preferite dell’invenzione

Il riferimento ad “una forma di attuazione”, a “varie forme di attuazione” e simili, all’interno di questa descrizione sta ad indicare che almeno una particolare configurazione, struttura, o caratteristica descritta è compresa in almeno una forma di attuazione. Quindi, termini quali “in una forma di attuazione”, “in un’attuazione”, “in varie forme di attuazione” e simili, eventualmente presenti in diversi luoghi di questa descrizione, non sono necessariamente riferite alla stessa forma di attuazione, ma possono invece riferirsi a differenti forme di attuazione. Inoltre, particolari conformazioni, strutture o caratteristiche definite all’interno di questa descrizione possono essere combinate in ogni modo adeguato in una o più forme di attuazione, anche differenti da quelle raffigurate. I riferimenti numerici e spaziali (quali “superiore”, “inferiore”, “alto”, “basso”, “fronte”, “retro”, “verticale”, eccetera) qui utilizzati, particolarmente in riferimento agli esempi mostrati nelle figure, sono soltanto per comodità e non definiscono dunque l’ambito di tutela o la portata delle forme di attuazione. Nelle figure sono utilizzati medesimi numeri di riferimento per indicare elementi analoghi o tra loro tecnicamente equivalenti.

Nel seguito della presente descrizione, i cosiddetti casing - ovvero gli spezzoni o tratti di tubo metallico impiegati per realizzare il rivestimento interno del canale scavato di un pozzo di trivellazione, come spiegato nella parte introduttiva, verranno definiti per semplicità “tubolari” o “tubolari di pozzo”. Si noti anche che nel seguito verranno descritti solo gli elementi utili alla comprensione dell’invenzione, dando per scontato che la componentistica dell’impianto di trivellazione (quali i sistemi di sollevamento, di rotazione, di circolazione, la batteria di perforazione, gli scalpelli, eccetera) possono essere di qualunque concezione nota nel settore.

Riferendosi inizialmente alle figure 1-3, con 1 è indicato nel suo complesso un dispositivo per unire tubolari metallici di pozzo, in accordo a possibili forme di attuazione dell’invenzione. In varie forme di attuazione della presente invenzione, i tubolari da unire sono realizzati in leghe di acciaio adatte a sopportare l’effetto potenzialmente erosivo e corrosivo di agenti di natura chimica, quale ad esempio l’acido solforico (H2S), ed agenti di natura meccanica, quali ad esempio movimenti tellurici anche di lieve entità. Tra i materiali preferenziali utilizzati ai fini dell’implementazione dell’invenzione rientrano ad esempio gli acciai L80 e P101 e quelli espressamente citati nella normativa API 5CT (API Specification 5CT - American Petroleum Institute), qui incorporata per riferimento. Il dispositivo ed il metodo qui descritti sono comunque versatili ed in grado di adattarsi sia a geometrie che a materiali diversi, mediante il controllo di opportuni parametri di processo. In termini generali, i tubolari di pozzo da unire hanno sezione sostanzialmente circolare, con un diametro compreso tra 10 e 100 cm. Lo spessore di parete dei tubolari è indicativamente compreso tra 8 e 25 mm.

In varie forme di attuazione il dispositivo 1 ha una struttura portante, indicata complessivamente con 2, posizionabile su di un piano sonda 3 (rig floor) avente un’apertura in corrispondenza dell’apertura superiore di un canale di pozzo 4, che è scavato nel suolo e nel quale una pluralità di tubolari metallici debbono essere calati, secondo quanto descritto nella parte introduttiva della presente descrizione. Riferendosi all’esempio non limitativo illustrato in figura 1:

- con 5 è indicato un primo tubolare metallico già completamente inserito e sospeso nel canale di pozzo 4,

- con 6 è indicato un secondo tubolare parzialmente inserito e sospeso nel canale di pozzo 4, la cui estremità inferiore è saldata di testa all’estremità superiore del tubolare 5, tramite un cordone di saldatura circonferenziale WL, e - con 7 è indicato un terzo tubolare, la cui superficie di estremità inferiore 7a deve essere saldata di testa alla superficie di estremità superiore 6a del tubolare 6, tramite un relativo cordone di saldatura circonferenziale, per poi essere calato nel canale 4 nella posizione rappresentata per il tubolare 6.

Come indicato, quando i tubolari di pozzo debbono essere installati nel canale 3 è necessario collegare in serie tra loro i tubolari stessi, a formare una batteria (string) di tubolari, con l’operazione di collegamento che viene effettuata in una zona che si trova poco al di sopra il piano sonda 3. Il processo inizia calando un primo tubolare (ad esempio il tubolare 5) nel canale 4, ad esempio tramite un sistema di sollevamento (hosting system), e sospendendo il medesimo rispetto al piano sonda 3 mediante un dispositivo di trattenimento temporaneo. In seguito, all’estremità superiore del primo tubolare viene fissata l’estremità inferiore di un secondo tubolare (ad esempio il tubolare 6), e la batteria cosi formata viene abbassata nel canale 3, tramite il sistema di sollevamento, per poi essere nuovamente sospesa, con la porzione di estremità superiore del secondo tubolare che sporge poco sopra il piano sonda 3. In seguito, all’estremità superiore del secondo tubolare (ad esempio l’estremità 6a del tubolare 6) viene fissata l’estremità inferiore di un terzo tubolare (ad esempio l’estremità inferiore 7a del tubolare 7), con la batteria che viene poi nuovamente calata e sospesa per il collegamento di un ulteriore tubolare. Si procede in tal modo sino ad ottenere la desiderata lunghezza per la batteria di tubolari.

Per poter eseguire queste operazioni è quindi necessario sospendere temporaneamente di volta in volta i tubolari o la serie di tubolari già uniti tra loro (ad esempio i tubulari 5 e 6) in corrispondenza del piano sonda 3, utilizzando il citato dispositivo di trattenimento. Ad esempio, un tale dispositivo può essere del tipo comprendente appositi cunei, noti come “slips”, solo alcuni dei quali rappresentati nelle figure, dove sono indicati con CS. Tali cunei, disposti in modo da realizzare una sorta di collare apribile, sono sostanzialmente segmenti metallici il cui profilo esterno ha forma approssimativamente tronco-conica ed il cui profilo interno è conformato (ad esempio tramite denti o pettini) per trattenere il tubolare che al momento sporge dal’apertura del canale 4. I cunei del collare sono posizionati manualmente o tramite un sistema attuatore in corrispondenza dell’apertura del piano sonda 3, con il loro profilo interno addossato alla superficie esterna del tubolare in questione: in seguito, abbassando leggermente tale tubolare, ad esempio tramite il sistema di sollevamento, i cunei sono forzati a fare presa sulla superficie esterna del tubolare stesso, avvolgendola e sostenendola per grippaggio rispetto al piano sonda 3. In seguito, quando è necessario abbassare la batteria comprensiva di un ulteriore tubolare, la serie stessa viene leggermente sollevata, tramite il sistema di sollevamento, in modo da consentire il disimpegno (manuale o assistito) dei cunei dalla superficie del tubolare precedentemente trattenuto, e poter così calare ulteriormente la batteria, tramite il medesimo sistema di sollevamento. I cunei vengono quindi riposizionati ed un ulteriore leggero abbassamento della batteria consente un nuovo grippaggio ed una nuova sospensione della batteria stessa. Il processo viene ripetuto per ogni tubolare della batteria, sino a quando la lunghezza desiderata per la batteria di tubolari è installata nel canale 4.

Conformemente all’invenzione, due tubolari successivi destinati a far parte del rivestimento interno del pozzo di trivellazione vengono posizionati testa a testa, preferibilmente impiegando una disposizione o sistema di trattenimento predisposto per assicurare la concentricità ed il posizionamento assiale tra i tubolari stessi, in modo da limitare la formazione di gap o un disassamento eccessivo, e garantendo così la massima interfaccia tra le superficie di estremità che debbono essere accoppiate.

Il dispositivo in accordo all’invenzione comprende una disposizione di saldatura, che include un gruppo di saldatura mobile, che è spostabile sostanzialmente secondo una circonferenza attorno alle estremità attestate tra loro dei tubolari da unire. Il gruppo di saldatura include una testa laser ed almeno uno tra un induttore di pre-riscaldo ed un induttore di post-riscaldo, con l’induttore o ciascun induttore che è mobile lungo la circonferenza seguita dalla testa laser, ossia alla destra e/o alla sinistra della testa stessa. Il gruppo di saldatura è predisposto per essere posizionato in corrispondenza del giunto di saldatura ed è messa in rotazione attorno ad esso in modo da effettuare una saldatura continua circonferenziale. Nella configurazione preferenziale, la testa laser e l’induttore o gli induttori ruotano assieme, ovvero sono solidali in rotazione.

In varie forme di attuazione la struttura 2 del dispositivo 1 comprende una disposizione di trattenimento o di centratura, configurata per mantenere o bloccare i tubolari da saldare nella loro posizione assialmente allineata, assicurandone la concentricità. Di preferenza, tale disposizione include almeno primi e secondi mezzi di trattenimento, predisposti per bloccare il tubolare 6 ed il tubolare 7, rispettivamente, nella suddetta posizione assialmente allineata, dopo che la superficie di estremità inferiore 7a del tubolare 7 è stata addossata sulla superficie di estremità superiore 6a del tubolare 6.

Nell’esempio non limitativo illustrato, la struttura 2 include montanti generalmente verticali, indicati con 8, che supportano ad altezze diverse primi e secondi organi di trattenimento 9 e 10, ad esempio organi a morsa o a ganascia. Di preferenza gli organi di trattenimento 9 e 10 sono associati ad un relativo sistema di attuazione controllabile (elettrico o idraulico o pneumatico) e suscettibili di assumere una relativa posizione operativa, di bloccaggio in posizione dei tubolari 6, 7, ed una posizione inoperativa, per il rilascio dei tubolari 6, 7, dopo che i medesimi sono stati saldati di testa, e consentire con ciò la loro calata all’interno del canale 4, come in precedenza descritto. La movimentazione del tubolare superiore 7 sino alla posizione verticale sovrastante il tubolare 6 e la successiva calata della batteria di tubolari 5, 6, e 7 è realizzata impiegando attrezzature e modalità in sé note nel settore, ad esempio un sistema di sollevamento o argano, schematizzato in HS, con l’ausilio del citato dispositivo a cunei CS.

Il dispositivo 1 comprende ulteriormente una disposizione di saldatura, indicata complessivamente con 11, che è configurata per realizzare i cordoni di saldatura circonferenziali WL che uniscono i vari tubolari da calare nel canale 4 (ovvero, riferendosi al caso esemplificato, per realizzare un tale cordone anche in corrispondenza delle superfici di estremità superiore ed inferiore 6a e 7a del dei tubolari 6 e 7, rispettivamente).

In forme di attuazione preferenziali la disposizione di saldatura 11 comprende un gruppo di saldatura mobile indicato complessivamente con 12 in figura 2, che include almeno una testa di saldatura laser 13 ed almeno un dispositivo riscaldatore ad induzione 14. Il gruppo 12 è mobile nel senso che esso è installato per poter ruotare in modo controllato attorno ad una zona di lavorazione circonferenziale, che include le porzioni di estremità superiore ed inferiore di due tubolari 6 e 7 da unire: tale zona di lavorazione è indicata schematicamente con WA in figura 3.

La disposizione di saldatura 11 comprende inoltre un sistema di azionamento, che è controllabile per spostare il gruppo di saldatura 12 attorno alla zona di lavorazione WA secondo una rispettiva traiettoria circolare o di rotazione. In varie forme di attuazione, il sistema di azionamento comprende un supporto di guida 15 per il gruppo 12, e mezzi motori 16 idonei a causare lo spostamento del gruppo di saldatura 12 sul supporto 15.

Come esemplificato nelle figure 4-6 (in cui è rappresentata schematicamente la sola disposizione di saldatura 11), in varie forme di attuazione preferite, la disposizione di saldatura 11 comprende un’unica testa di saldatura laser 13 e due dispositivi riscaldatori ad induzione, indicati con 141e 142, in seguito definiti per semplicità “induttori”.

In varie forme di attuazione, la testa di saldatura laser 13 è predisposta per focalizzare un fascio laser di potenza a una distanza indicativamente compresa tra 10 e 50 cm rispetto alla superficie trattata. La testa 13 è collegata tramite una fibra ottica 13a (figura 4) ad un generatore della radiazione laser (indicato con LG in figura 8), ad esempio un generatore laser in fibra (fibre laser) o a disco (disc laser) avente una potenza modulabile preferibilmente compresa tra 5 e 40 kW. La testa di saldatura 13 include preferibilmente un proprio sistema di focalizzazione controllabile, secondo tecnica di per sé nota.

Anche l’induttore o gli induttori elettrici 141e 142, impiegati possono essere realizzati secondo tecnica di per sé nota, e comprendere ad esempio avvolgimenti induttori alimentati mediante banchi di trasformatori e convertitori di potenza.

Di preferenza la testa di saldatura laser 13 e l’almeno un induttore 141e/o 142sono portati da una medesima struttura spostabile, indicata schematicamente con 17 nelle figure 5-6, ad esempio un telaio metallico. Nell’esempio non limitativo illustrato, la struttura 17 include una piastra metallica superiore 171ed una piastra metallica inferiore 172tra le quali sono fissate la testa 13 e ciascun induttore 141e/o 142. Ovviamente la struttura 17 può essere realizzata in modo diverso da quello esemplificato.

La testa 13 è predisposta per indirizzare un fascio laser LB (figura 4) verso la zona di lavorazione circonferenziale WA, particolarmente in corrispondenza delle superfici 6a, 7a attestate tra di loro. L’almeno un induttore 141e/o 142è predisposto per apportare calore - tramite un rispettivo campo di induzione elettromagnetica EW1e/o EW2(figura 4) - ad una corrispondente parte della zona di lavorazione WA, ovvero sia al tubolare 6 che al tubolare 7, nell’esempio qui considerato.

Conformemente ad un aspetto dell’invenzione, l’almeno un induttore 141e/o 142è disposto in modo da spostarsi a monte oppure a valle della testa di saldatura laser 13, avendo a riferimento il senso di rotazione del gruppo 12, ovvero la direzione nella quale la saldatura laser procede. Nel caso esemplificato - e riferendosi alla figura 4 in cui il verso di rotazione del gruppo è antiorario, come indicato dalla freccia R - gli induttori 141e 142si spostano quindi a monte ed a valle della testa laser 13, rispettivamente. A tale scopo, nell’esempio illustrato, l’almeno un induttore è solidale in rotazione con la testa 13, ovvero è montato su un medesimo gruppo o unità 12 assieme alla testa di saldatura 13.

Il sistema di controllo del dispositivo 1 oggetto dell’invenzione è configurato per controllare la disposizione di saldatura 11, particolarmente il gruppo di saldatura 12 ed il suo sistema di azionamento 15-16, in modo tale per cui, a seguito della rotazione del gruppo 12 attorno alle estremità dei tubolari 6, 7 da unire:

- il fascio laser LB emesso dalla testa 13 formi progressivamente il relativo cordone di saldatura WL, e

- il campo elettromagnetico EW generato dall’almeno un induttore 141e/o 142apporti calore ad una corrispondente parte della zona di lavorazione WA, prima che il fascio laser LB raggiunga tale parte, rispettivamente dopo che il fascio laser LB ha raggiunto tale parte. Di preferenza, come detto, l’induttore o gli induttori non sono movimentati in maniera indipendente, ma sono solidali in rotazione con la testa laser, in modo da garantire ad ogni punto del giunto di saldatura lo stesso profilo di apporto termico.

Per meglio chiarire il concetto, può essere fatto riferimento alla figura 3, dove la rappresentazione del dispositivo in accordo all’invenzione è stata omessa per esigenze di chiarezza. In tale figura, WA indicata la citata regione di lavorazione, che include le estremità attestate l’una sull’altra dei tubolari 6 e 7, con le relative superfici 6a e 7a sostanzialmente a contatto tra loro. In applicazioni del tipo illustrato le superfici 6a e 7a sono di preferenza lavorate a cianfrino piatto, in modo da massimizzare le aree di interfaccia tra le estremità dei tubolari 6 e 7.

Il gruppo di saldatura 12 viene fatto ruotare sostanzialmente attorno all’asse X (figura 4) dei tue tubolari allineati assialmente l’uno sull’altro (ovvero l’asse del canale 4), di modo che il fascio laser LB, focalizzato secondo tecnica di per sé nota, realizzi progressivamente il cordone di saldatura LW in corrispondenza delle superfici 6a, 7a. Nel corso della rotazione del gruppo 12 l’induttore 141provvede a riscaldare (pre-riscaldare) una certa parte -rappresentata schematicamente in PH1in figura 3 - della zona di lavorazione WA, prima che il fascio laser incida su essa per realizzare la saldatura in corrispondenza delle superfici 6a, 7a. Allo stesso tempo l’induttore 142provvede a riscaldare (post-riscaldare) un’altra parte - rappresentata schematicamente in PH2in figura 3 - della zona di lavorazione WA, che è già stata interessata dal fascio laser LB. Naturalmente, la figura 3 illustra una condizione statica, per cui si deve assumere che in realtà che il fascio LB e le aree di riscaldamento induttivo PH1ed PH2si spostino in modo continuo verso destra, riferendosi alla figura, e che parimenti il cordone di saldatura WL si “allunghi” progressivamente anch’esso verso destra).

La presenza dell’induttore o di ciascun induttore consente di controllare l’apporto termico al giunto di saldatura, in modo da prevenire un suo raffreddamento troppo rapido. La saldatura a fascio laser impiegata conformemente all’invenzione, rispetto alle tradizionali tecniche di saldatura ad arco, garantisce infatti un elevato apporto termico in una piccola area di materiale che comprende la zona fusa. Nell’avanzare del fascio laser LB lungo il giunto, il bagno fuso si raffredda rapidamente, cedendo energia ai due tubolari 6, 7 per conduzione. La presenza di una microstruttura diversa rispetto a quella del materiale base, con differenti proprietà meccaniche, può così dare origine a fenomeni di cricche e fratture fragili, se sottoposta a stress. Per questo motivo, conformemente all’invenzione, la saldatura laser è coadiuvata dal sistema di apporto termico per induzione, che permette di scaldare le zone dei tubolari vicine alla zona saldata: in tal modo, il raffreddamento della zona saldata viene rallentato dalla presenza di un bacino termico circostante ed avviene in modo più graduale, contrastando la formazione di fasi metallurgiche indesiderate.

Il diagramma CCT di figura 7 mostra la relazione tra velocità di raffreddamento in un certo intervallo di temperature e microstruttura originata per un generico acciaio; si noti che tale diagramma è solo rappresentativo dei fenomeni di trasformazione microstrutturale che avvengono nell’acciaio in fase di raffreddamento e non vuole essere esaustivo di tutte le tipologie di acciaio esistenti. La curva indicata con I rappresenta la tipica dinamica di raffreddamento che segue una classica saldatura laser. La curva indicata con II rappresenta invece un profilo di raffreddamento in un processo assistito da induzione, in accordo all’invenzione. Come si nota, nel caso della curva I, si verifica un rapido raffreddamento del materiale dopo la saldatura, tra i punti A e B. A seguito di tale raffreddamento il materiale può presentare una elevata frazione di microstrutture ad elevata durezza e quindi avere comportamento fragile. Per contro, nel caso della curva II, il tratto da A’ a B’ rappresenta il raffreddamento blando favorito dall’uso degli induttori, che riscaldano il materiale metallico prima e/o dopo la saldatura laser. Una volta rimosso l’apporto termico per induzione, si ritorna ad un profilo di raffreddamento più veloce, come evidenziato dal tratto B’-C’. A seguito di tale raffreddamento il materiale può presentare una composizione microstrutturale adeguata a sopportare i carichi meccanici in opera.

Le figure 4-6 illustrano in forma schematica e meramente esemplificativa una possibile configurazione della disposizione di saldatura 11 delle figure 1 e 2. La struttura 17 del gruppo di saldatura 12, a cui in questo caso sono associati la testa 13 e l’induttore o gli induttori 141e/o 142, ha preferibilmente una sagoma generalmente semicircolare, o è comunque allestita in modo da circondare almeno parte della circonferenza dei tubolari 6, 7 nella zona di lavoro WA (figura 3), sicché la testa laser e l’almeno un induttore possano seguire in rotazione la zona da saldare. La struttura 17 è quindi posta in rotazione in modo sostanzialmente concentrico all’asse X di figura 4, che si supponga coincidere sostanzialmente anche con l’asse del canale 4. Di preferenza, il movimento di rotazione della struttura 17 è guidato mediante un supporto di guida 15, che nell’esempio ha sagoma sostanzialmente circolare e circonda i tubolari 6, 7. Il supporto di guida 15, ad esempio supportato mediante la stessa struttura portante 2 del dispositivo 1, può essere dotato di snodi o giunzioni che permettano di aprire la sua circonferenza e posizionarla attorno ai tubolari 6, 7. Nell’esempio illustrato, il supporto 15 comprende a tale scopo due parti 15a e 15b sostanzialmente semicircolari. Ovviamente sono possibili anche altre configurazioni per il supporto 15, anche in più di due parti.

Ad uno tra la struttura 17 ed il supporto di guida 15 sono associati mezzi motori, controllabili per causare il movimento della prima lungo la traiettoria circolare definita dal secondo. Nell’esempio non limitativo illustrato, ad esempio, alla struttura 17 è associato un motore elettrico 16, atto a produrre la rotazione di un organo di rotolamento 18a impegnato in una relativa guida definita dal supporto 15. L’organo 18a può essere una ruota dentata motorizzata, ingranata in una cremagliera con sviluppo anulare che definisce la traiettoria circolare di movimento per il gruppo di saldatura 12. La struttura 17 può includere ulteriori elementi di accoppiamento al supporto di guida 15, quali ad esempio montanti 173associati ad una delle piastre della struttura 17 e recanti rispettivi organi di rotolamento 18b montati folli ed impegnati nella guida anulare definita dal supporto 15.

Nel caso esemplificato la struttura di guida 15 risulta posizionata al di sotto del giunto di saldatura, ovvero al di sotto delle superfici di estremità 6a, 7a dei tubolari 6, 7: chiaramente la stessa potrebbe però essere posizionata al di sopra di tali superfici 6a, 7a, in modo da sostenere il gruppo 12 dall’alto, in una condizione sostanzialmente sospesa. In accordo ad altre forme di attuazione la struttura di guida 15 può essere predisposta per avere parti che si estendono rispettivamente al di sotto ed al di sopra delle superfici 6a, 7a, ad esempio associate alle superfici esterne dei tubolari 6, 7, per ottenere una configurazione più stabile.

La radiazione laser viene generata mediante un noto generatore laser -indicato con LG in figura 8, ad esempio un generatore laser in fibra o a disco - e trasportata alla testa di saldatura 13 tramite una fibra ottica, indicata con 13a anche in figura 4. In questo modo il generatore LG può essere allocato in posizione remota, anche parecchie decine di metri, rispetto alla testa 13 e, in generale, rispetto alla disposizione di saldatura 11, consentendo comunque la rotazione del gruppo 12. A tale scopo, naturalmente, la lunghezza della fibra ottica 13a ed il suo sistema di supporto/guida saranno configurati per consentire almeno una rotazione completa del gruppo 12 attorno ai tubolari da saldare. Anche ciascun induttore 141e/o 142è connesso ad un relativo sistema di alimentazione mediante cavi di lunghezza adeguata e supportati/guidati in modo opportuno per consentire la rotazione del gruppo 12.

In varie forme di attuazione, ad esempio come rappresentato in figura 8, ciascun induttore 141e/o 142è collegato mediante un idoneo cablaggio 14a1e/o 14a2ad un relativo trasformatore TR1e/o TR2, che è sua volta connesso mediante cavi 14b1e/o 14b2, ad esempio cavi coassiali, ad un relativo convertitore di potenza PC1e/o PC2. Anche in questo caso la possibilità allocare almeno parte del sistema ad induzione in posizione remota rispetto alla disposizione di saldatura 11 consente maggiore flessibilità al processo e semplifica l’installazione in loco del dispositivo 1.

La figura 8 illustra in forma semplificata anche una possibile architettura di controllo di un dispositivo 1 in accordo all’invenzione. In tale figura, con CU è indicata un’unità di controllo del dispositivo, preferibilmente a microprocessore, in cui è implementata la logica di controllo del dispositivo 1. All’unità CU è collegata un’idonea interfaccia utente UI, ad esempio di tipo touch-screen, per la visualizzazione e l’impostazione di parametri operativi del processo.

L’unità CU è predisposta per controllare il generatore LG della radiazione laser che, come detto, viene trasportata alla testa di saldatura 13 tramite una fibra ottica 13a. L’unità CU è altresì predisposta, tramite idoneo cablaggio 16a, per il controllo dei mezzi motori 16 che determinano la rotazione del gruppo 12, nonché per il controllo di ciascun convertitore di potenza PC1e/o PC2che, tramite il relativo blocco trasformatore TR1e/o TR2consente di alimentare il relativo induttore 141e/o 142. In varie forme di attuazione, l’unità CU è anche predisposta per il controllo dei sistemi di trattenimento 9 e 10, quando questi sono di tipo motorizzato e controllabile. In varie forme di attuazione, anche le parti 15a e 15b del supporto di guida sono suscettibili di essere movimentate tra la loro posizione chiusa (vedere ad esempio a riferimento le figure 1 e 4) ed una rispettiva posizione aperta (vedere ad esempio a riferimento le figure 10 e 11) tramite un sistema di attuazione controllabile (elettrico o idraulico o pneumatico): anche un tale sistema di attuazione può essere controllato mediante l’unità CU.

In varie forme di attuazione la struttura 17 e/o il supporto di guida 15 sono predisposti per consentire di regolare la posizione operativa di ciascun induttore 141e/o 142relativamente ai tubolari da saldare e/o relativamente alla testa di saldatura laser 13. In varie forme di attuazione, ad esempio, è prevista la regolazione della posizione radiale di ciascun induttore, ovvero la sua distanza rispetto alla superficie esterna dei tubolari 6 e 7, tale distanza essendo direttamente proporzionale all’efficienza di riscaldamento. In aggiunta o in combinazione, in varie forme di attuazione, è prevista la regolazione della posizione di ciascun induttore 141e/o 142lungo la circonferenza di saldatura, ovverosia la sua distanza rispetto alla testa laser 13, tale distanza influendo sulla dinamica di riscaldamento dei tubolari 6, 7 nell’ambito della zona di lavorazione WA. Questi controlli di posizione possono essere di tipo manuale, ad esempio montando ciascun induttore sul gruppo 12 tramite relativi supporti regolabili manualmente in una o più direzioni spaziali, oppure tali supporti possono essere motorizzati e controllabili tramite l’unità CU e l’interfaccia UI.

I parametri controllabili tramite l’interfaccia UI in relazione alla saldatura possono comprendere di preferenza la potenza del fascio laser, la velocità di spostamento della testa 13 (ossia del gruppo 12) e la profondità di fuoco del fascio laser, che sono di preferenza selezionabili sull’interfaccia UI in base alle proprietà fisiche del materiale dei tubolari da saldare ed al loro spessore.

La saldatura può essere eseguita impiegando un singolo fascio laser LB, oppure utilizzando un fascio laser sdoppiato otticamente a valle del collimatore che equipaggia la testa 13, oppure ancora impiegando fasci laser multipli, anche di potenze diverse. A tale scopo il gruppo di saldatura 12 potrà comprende anche più di una testa laser 13. Il fascio laser, o ciascun fascio laser, può essere perpendicolare alla superficie dei tubolari da saldare o descrivere un angolo rispetto ad essa nelle tre dimensioni.

Il sistema di saldatura può essere configurato - come nell’esempio raffigurato nelle figure - in modo che il fascio laser LB segua la traiettoria lineare del giunto di saldatura (ovvero il profilo esterno delle superfici 6a, 7a), ma in possibili varianti di attuazione la saldatura può essere eseguita definendo dei pattern attorno al giunto con una certa periodicità (laser wobbling): per tali casi, sulla struttura 17 del gruppo di saldatura 12 può essere previsto un idoneo sistema di movimentazione controllabile - di concezione in sé nota - per la testa laser 13 o per il suo sistema di focalizzazione, gestito dall’unità CU.

In accordo a possibili forme di attuazione, il gruppo di saldatura 12 può essere dotata di un sistema ottico di inseguimento del giunto di saldatura (ad esempio basato sull’impiego di almeno una telecamera), per monitorare ed eventualmente correggere in tempo reale la traiettoria del fascio laser. È anche possibile implementare sistemi di monitoraggio del processo di saldatura (ad esempio termo-camere e/o sensori spettroscopici) che, tramite l’analisi di opportuni parametri (quali ad esempio la distribuzione di temperatura o l’analisi spettroscopica del plasma emesso dalla saldatura), forniscano un feedback che possa essere utilizzato per valutare la qualità del giunto saldato.

Per quanto riguarda l’apporto termico addizionale, in varie forme di attuazione, l’unità di controllo CU è predisposta per consentire il controllo di ogni induttore in maniera indipendente, al fine di generare un profilo di apporto termico che permetta di ottenere una determinata composizione metallurgica del giunto di saldatura in funzione dei parametri di processo desiderati e delle caratteristiche del giunto stesso. Di preferenza, i parametri che possono essere variati - ad esempio tramite l’interfaccia UI - per il controllo del processo di riscaldamento a induzione sono i seguenti:

- la frequenza operativa, che determina la profondità di penetrazione del campo elettromagnetico, e quindi la profondità a cui sono generate le correnti indotte che causano il riscaldamento dei tubolari: abbassando la frequenza si aumenta la profondità di penetrazione a scapito di un aumento delle dimensioni del sistema (in particolare dei convertitori di potenza PC1e/o PC2) e di una riduzione dell’efficienza; frequenze operative preferite per ciascun induttore 141e/o 142ai fini dell’implementazione dell’invenzione sono comprese fra 5 e 25 kHz;

- la corrente elettrica, la cui l’intensità è direttamente proporzionale all’intensità del campo EW1e/o EW2indotto, e quindi è correlata all’aumento di temperatura; l’intensità di corrente desiderata ai fini dell’implementazione specifica dipende sostanzialmente dal numero di spire scelto per ciascun induttore 141e/o 142;

- la sequenza e la durata di accensione/spegnimento di ogni induttore; in caso di presenza di più induttori è preferibile poter controllare in modo indipendente ciascuno di essi, in modo da garantire che ogni punto del giunto abbia, per quanto possibile, lo stesso profilo termico.

Come detto, nel caso di induttori montati sul gruppo tramite rispettivi supporti motorizzati regolabili, anche la loro posizione radiale e/o la loro distanza relativamente alla testa laser la lungo la circonferenza di saldatura può essere controllata tramite l’unità CU e/o l’interfaccia UI.

In forme di attuazione particolarmente vantaggiose, il dispositivo in accordo all’invenzione è supportato da una struttura montata spostabile tra una posizione inoperativa o di riposo ed una posizione operativa o di lavoro, che sono rispettivamente generalmente distanziata e generalmente ravvicinata alle estremità dei due tubolari da saldare, ovvero all’apertura del piano sonda 3. La suddetta struttura mobile, preferibilmente di tipo motorizzato, può essere montata mobile su guide o binari previsti sul piano sonda 3, o anche essere installata per essere mobile liberamente su ruote o simili direttamente sul piano sonda 3.

Ad esempio, il dispositivo 1 descritto in precedenza con riferimento alle figure 1-6 e 8 è supportato da una struttura mobile, come mostrato schematicamente in figura 9. In tale figura la suddetta struttura mobile - qui nella sua posizione operativa - è configurata essenzialmente in guisa di veicolo, indicato nel complesso con 50, il quale è provvisto di proprie ruote 51. Come accennato, le ruote 51 possono essere impegnate in relative guide o rotaie 52 fissate sul piano sonda 3, onde definire la traiettoria di movimento del veicolo stesso tra le rispettive posizioni di riposo e lavoro: a tale scopo il veicolo 50 è preferibilmente dotato di propri mezzi motori. Lo spostamento del veicolo 50 avviene di preferenza in una direzione generalmente perpendicolare rispetto all’asse X del canale 4, ovvero dei tubolari da saldare.

Nel caso esemplificato in figura 9 il veicolo 50 è provvisto di bracci generalmente paralleli, uno dei quali indicato con 53 in figura 9, che supportano ciascuno un montante 8, o comunque relativi mezzi di trattenimento 9, 10 (che come detto posso essere ad esempio elementi a morsa o a ganascia), e preferibilmente una rispettiva parte 15a o 15b del supporto di guida 15 per il gruppo di saldatura 12. I bracci 53 sono spostabili tra una posizione di apertura, visibile ad esempio in figura 10, ed una posizione di chiusura, quale quella schematizzata in figura 4. Nella posizione di apertura i bracci 53 risultano divaricati, con le rispettive parti dei mezzi di trattenimento 10, 11 e le due parti di guida 15a e 15b per il gruppo 12 che sono sufficientemente distanti tra loro per consentire lo spostamento del veicolo 50 tra le posizioni di riposo e di lavoro. Quando il veicolo è nella sua posizione di lavoro, come in figura 9, i bracci 53 possono poi essere portati nella posizione di chiusura, con i mezzi di trattenimento 9, 10 che bloccano in posizione i tubolari 6, 7 e con le due parti di guida 15a, 15b che cingono completamente la zona di saldatura, come in precedenza descritto.

Nel caso esemplificato in figura 10 i bracci 53 sono mobili angolarmente tra la posizione di apertura e la posizione di chiusura, come indicato dalle frecce “r”. Peraltro, in differenti forme di attuazione, i bracci 53 possono essere mobili linearmente tra le suddette posizioni, come indicato dalla freccia “a” in figura 11.

Di preferenza, i bracci 53 - o simili strutture che adempiono la loro funzione, sono spostabili mediante un idoneo sistema di attuazione controllabile AS, ad esempio elettrico, idraulico o pneumatico, previsto sul veicolo 50. In varie forme di attuazione, il sistema di attuazione AS dei bracci 53 è anche concepito per consentire un loro spostamento in altezza, similmente ad un carrello elevatore.

In varie forme di attuazione il veicolo 50 è provvisto di un sistema di riconoscimento, onde individuare la posizione del giunto di saldatura - ovvero le estremità attestate 6a, 6b dei tubolari da unire: un tale sistema può essere esempio basato sull’impiego di un sensore ottico, o di un laser di posizionamento, o di un sistema basato su telecamera, onde collocare correttamente la disposizione di saldatura rispetto al giunto.

Il veicolo 50 è preferibilmente dotato di una logica di guida che può essere autonoma, supervisionata o remota. In caso di logica autonoma, gli spostamenti del veicolo 50 sono programmati e gestiti un controllore, ad esempio la stessa unità di controllo CU di figura 8, onde svolgere in modo completamente automatizzato almeno le operazioni di spostamento, nonché quelle di posizionamento e di apertura/chiusura dei bracci 53. Anche in caso di logica supervisionata il veicolo 50 è programmato per svolgere autonomamente le proprie operazioni, consentendo tuttavia all’occorrenza l’intervento di un operatore, ad esempio agendo sull’interfaccia UI di figura 8. Nel caso di logica remota, il veicolo 50 è invece guidato e/o comandato in remoto da un operatore.

Vantaggiosamente, sul veicolo 50 possono essere installati almeno alcuni dei componenti dell’elettronica di potenza relativi alla testa laser (quali il generatore LG della radiazione laser) e/o al sistema di induzione (quali i trasformatori TR1e/o TR2per l’alimentazione dell’almeno un induttore 141e/o 142). Sul veicolo 50 possono altresì essere installati il sistema di raffreddamento della testa laser e/o il sistema di raffreddamento dell’almeno un induttore e/o sistemi di misura/controllo in tempo reale della qualità del giunto di saldatura (quali il citato sistema ottico di inseguimento del giunto e/o il citati sistema di monitoraggio del processo di saldatura.

Si apprezzerà che la configurazione del veicolo 50 o altra struttura mobile potrà essere diversa da quella esemplificata in precedenza, ferme restando le sue funzionalità di movimentazione del dispositivo 1 in accordo all’invenzione. Si segnala, ad esempio, che in possibili forme di attuazione, il sistema di supporto dei mezzi di trattenimento 9, 10 ed il sistema di supporto delle parti di guida 15a, 15b per il gruppo di saldatura 11 potranno essere controllabili e/o azionabili in modo indipendente. Un tale caso è esemplificato in figura 12, dove il veicolo 50 - rappresentato nella sua posizione inoperativa o di riposo - include due bracci 531(uno solo visibile) per il supporto e la movimentazione di una rispettiva parte dei mezzi di trattenimento 9, 10, e due bracci 532(uno solo visibile) per il supporto e la movimentazione della rispettiva parte di guida 15a o 15b. Anche in implementazioni di questo tipo i bracci 531e/o 532sono di preferenza azionati mediante rispettivi sistemi di attuazione.

Un veicolo 50 o altra struttura mobile che fa le sue funzioni può essere impiegato in tutte le forme di attuazione qui descritte, ad eccezione di quelle che prevedono il supporto del dispositivo 1 da parte del piano sonda 3, come ad esempio nel caso di figura 18.

Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche della presente invenzione, così come chiari risultano i suoi vantaggi, principalmente rappresentati da:

- i tempi di processo inferiori o comunque paragonabili a quelli di serraggio tradizione tramite avvitamento tra i tubolari da unire;

- l’eliminazione del processo di filettatura e dei filetti stessi, che comporta sia una riduzione dei costi e tempi di lavorazione, sia una riduzione delle procedure di protezione dei filetti, anch’esse costose e complicate;

- l’aumento della sicurezza, in quanto viene rimossa la discontinuità costituita dal filetto e sostituita dal giunto saldato, che può avere proprietà meccaniche del tutto assimilabili a quelle del materiale base;

- la semplicità costruttiva e l’ingombro ridotto della disposizione di saldatura.

Il dispositivo in accordo all’invenzione risulta altresì agevolmente posizionabile in corrispondenza dell’apertura del piano sonda, grazie all’implementazione di un relativo sistema di controllo che può essere in posizione remota rispetto al gruppo di saldatura. Tale vantaggio è ulteriormente accresciuto dall’eventuale impiego di una di struttura o veicolo che supporta in modo mobile il dispositivo, semplificandone gli spostamenti, che possono essere eventualmente controllati in modo automatico e/o sincronizzato rispetto ad altre operazioni eseguite nel corso della posa in opera dei tubolari di pozzo. Inoltre, parte della componentistica di controllo può essere portata dal suddetto veicolo o struttura mobile, quando previsto.

E’ chiaro che numerose varianti sono possibili per la persona esperta del ramo al dispositivo ed al metodo descritti come esempio, senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione così come definita dalle rivendicazioni allegate.

In accordo a possibili varianti di implementazione preferite, il processo di saldatura laser si può avvalere di un flusso di gas (ad esempio argon, anidride carbonica o azoto), che viene soffiato tramite un ugello e segue il profilo di saldatura in modo da evitare la contaminazione del bagno di metallo fuso da parte di atomi esterni che possono comprometterne la qualità. In aggiunta o in alternativa è possibile predisporre un flusso di gas per la soppressione del plasma generato dal fascio laser che ionizza l’aria nell’intorno della saldatura, posto che tale plasma potrebbe assorbire parte dell’energia del fascio riducendo l’efficienza di trasmissione. Un ugello per il suddetto flusso di un gas inerte o per il suddetto flusso di gas per la soppressione del plasma è schematizzato solo in figura 4, dove è indicato con 20.

In accordo a possibili varianti di attuazione, il gruppo di saldatura 12 comprende almeno un ulteriore induttore, posto al di sopra o al di sotto della testa laser 13, onde fornire un apporto termico prevalentemente ad uno solo dei due tubolari da saldare. Tale misura non è strettamente necessaria ai fini dell’implementazione dell’invenzione, atteso che gli induttori 141e/o 142consentono comunque di scaldare contemporaneamente la parte di interesse di entrambi i tubolari da saldare: l’impiego di almeno un ulteriore induttore per riscaldare un rispettivo tubolare può però contribuire, per tubolari con spessore elevato, ad esempio superiore a 10 mm, a rallentare ulteriormente il raffreddamento del tubolare in questione, dopo il passaggio del fascio laser. In tale ottica può quindi risultare preferibile prevede un ulteriore induttore ad altezza superiore a quella del giunto ed un ulteriore induttore ad altezza inferiore a quella del giunto, onde riscaldare localmente entrambi i tubolari da unire. Un tale caso è esemplificato in figura 13, dove con 143e 144sono indicati due ulteriori induttori, disposti sulla struttura 17 rispettivamente al di sopra ed al di sotto della testa laser 13. Quanto precedentemente descritto in relazione al controllo degli induttori 141e/o 142è applicabile anche agli induttori 143e/o 144.

In forme di attuazione vantaggiose, la struttura che supporta l’induttore o gli induttori previsti ha sagoma complessivamente anulare, con la testa di saldatura che è di preferenza disposta in corrispondenza dell’apertura centrale di tale sagoma. Tale tipo di realizzazione risulta particolarmente vantaggiosa quando il gruppo di saldatura mobile 12 include due o più induttori.

Un tale caso è esemplificato in figura 14, in cui la struttura 17 del gruppo di saldatura 12 include un corpo anulare 17’, recante gli induttori 141e 142, nonché induttori 143e 144funzionalmente analoghi a quelli descritti con riferimento alla figura 13. Ovviamente è possibile prevedere anche uno solo tra gli induttori 141e 142e/o gli induttori 143e 144. In corrispondenza del dell’apertura passante del corpo anulare 17’, è installata la testa di saldatura 13, che può essere supportata direttamente dal corpo 17’ oppure - come esemplificato in figura 15 - da altri elementi della struttura 17.

Soluzioni del tipo di quelle illustrate nelle figure 14 e 15 sono implementabili in tutte le forme di attuazione qui descritte, anche con uno solo tra gli induttori 141e 142e/o gli induttori 143e 144.

In accordo ad ulteriori possibili varianti di attuazione è possibile prevedere anche l’aggiunta di materiale d’apporto, onde aumentare il riempimento del giunto e contrastare l’effetto di gap indesiderati tra le superfici 6a, 7a, dovuti ad esempio a lavorazioni non ottimali dei cianfrini, ovvero delle superfici di estremità 6a, 7a.

L’apporto di materiale può avvenire con filo freddo, ovvero senza apporto termico: in questo caso un filo metallico, ad esempio d’acciaio, viene posizionato in corrispondenza del profilo esterno del giunto, onde essere fuso dal fascio laser LB insieme ad esso. Tale tecnica può risultare utile per saldare tubolari con spessori fino a 15 mm.

Un’altra possibile configurazione è schematizzata in figura 16, in accordo alla quale è previsto un apporto di materiale di saldatura tramite utilizzo di una torcia di saldatura 21 dotata di un relativo dispensatore per portare un filo metallico al giunto, secondo tecnica di per sé nota. La torcia di saldatura 21, che nell’esempio sostituisce uno dei due induttori (in figura 16, l’induttore a valle della testa laser 13) permette di fornire un apporto termico ulteriore a quello del laser emesso dalla testa 13 e permette di apportare materiale per colmare eventuali gap o disallineamenti. Naturalmente, anche nel caso di figura 16 può essere previsto almeno un induttore addizionale sopra o sotto la testa 13, similmente a quanto sopra spiegato in relazione alla figura 13 e/o 14.

Riferendosi alle due varianti appena descritte, nel caso si utilizzi del filo quale materiale d’apporto per la saldatura, è opportuno lavorare le superfici di estremità 6a, 7a dei tubolari 6, 7 onde definire tra loro un invito sull’esterno, in modo che - quando i tubolari stessi sono posizionati testa a testa - il giunto presenti una sorta di sede sostanzialmente a “V”, in cui alloggiare il filo.

La figura 17 illustrata, tramite una vista simile a quella di figura 4, una ulteriore possibile forma di attuazione, in accordo alla quale la struttura 17 del gruppo 12 include una pluralità di parti articolate tra loro mediante snodi o simili, onde consentire di adattare la configurazione operativa del gruppo stesso a differenti diametri di tubolari da saldare. Nell’esempio illustrato, sono previste almeno una parte centrale 17a, cui è associata la testa di saldatura laser 13, ed almeno due parti laterali 17b e 17c, a cui sono associati gli induttori 141e 142, rispettivamente, le parti laterali essendo articolate alla parte centrale mediante snodi regolabili 22. Come si intuisce, variando la posizione angolare delle parti 17b e 17c relativamente alla parte 17a è possibile impiegare il medesimo gruppo 12 in abbinamento a tubolari di dimensioni diverse, tra un diametro massimo ed un diametro minimo.

In figura 18 è illustrata una ulteriore variante di attuazione, simile a quella di figura 1, ma in cui la struttura portante 2 del dispositivo è configurata per il montaggio direttamente sul piano sonda, in corrispondenza della sua apertura, con montanti 8 portati dal piano sonda stesso. In attuazioni di questo tipo i mezzi di trattenimento 10, controllabili in modo indipendente rispetto ai mezzi di trattenimento 9, possono essere eventualmente concepiti per adempiere le funzioni di dispositivo di trattenimento temporaneo, per i fini in precedenza descritti con riferimento al dispositivo a cunei CS.

La figura 19 illustra una ulteriore variante, in accordo alla quale la struttura di guida 15 del gruppo 12 è predisposta per avere parti di guida (qui visibili solo le parti 151) che si estendono rispettivamente al di sotto ed al di sopra delle superfici 6a, 7a. In attuazioni di questo tipo la struttura 17 può vantaggiosamente includere parti di supporto - quali quelle indicate con 174e 175- destinate ad essere associate temporaneamente alle superfici esterne dei tubolari 6, 7 da saldare, per ottenere una configurazione più stabile e/o bloccare in posizione assialmente allineata gli stessi tubolari. Naturalmente anche in una realizzazione di questo tipo è utilizzabile un veicolo del tipo di quello in precedenza esemplificato con 50.

La testa laser 13 e l’induttore o gli induttori previsti potrebbero appartenere a sotto-gruppi distinti del gruppo di saldatura, almeno uno dei quali motorizzato, ciascuno sotto-gruppo avendo una propria struttura mobile sul supporto di guida 15 o su un rispettivo supporto di guida 15 definente la necessaria traiettoria di rotazione attorno alla zona da saldare.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo per unire tubolari metallici di pozzo da calare in un canale di pozzo (4), che comprendono un primo tubolare di pozzo (6) in una posizione sostanzialmente verticale sospeso nel canale di pozzo (4), con un’estremità superiore del primo tubolare di pozzo (6) al di fuori del canale di pozzo (4), particolarmente in corrispondenza di un piano sonda (3), ed un secondo tubolare di pozzo (7) in una posizione sostanzialmente verticale ed assialmente allineata sopra il primo tubolare di pozzo (6), con una superficie di estremità inferiore (7a) del secondo tubolare di pozzo (7) addossata su una superficie di estremità superiore (6a) del primo tubolare di pozzo (6), in cui il dispositivo comprende: - una disposizione di saldatura (11) per realizzare un cordone di saldatura circonferenziale (WL) in corrispondenza delle suddette superfici di estremità superiore ed inferiore (6a, 7a) del primo e del secondo tubolare di pozzo (6, 7); - una disposizione di controllo (CU, UI), in cui la disposizione di saldatura (11) comprende un gruppo di saldatura (12) che include almeno una testa di saldatura laser (13) ed almeno un dispositivo riscaldatore ad induzione (141, 142), in cui l’almeno una testa di saldatura laser (13) è suscettibile di indirizzare un fascio laser (LB) verso una zona di lavorazione circonferenziale (WA) che include una porzione di estremità superiore del primo tubolare di pozzo (6) ed una porzione di estremità inferiore del secondo tubolare di pozzo (7), in cui l’almeno un dispositivo riscaldatore ad induzione (141, 142) è predisposto per apportare calore per induzione ad una corrispondente parte (EW1, EW2) della zona di lavorazione circonferenziale (WA) che include rispettive parti delle suddette porzioni di estremità superiore ed inferiore del primo e del secondo tubolare di pozzo (6, 7), in cui la disposizione di saldatura (11) comprende inoltre un sistema di azionamento (15, 16), controllabile per spostare il gruppo di saldatura (12) attorno alla zona di lavorazione circonferenziale (WA) secondo una rispettiva traiettoria di rotazione, in cui l’almeno un dispositivo riscaldatore ad induzione (141, 142) è disposto nel gruppo di saldatura (12) a monte, rispettivamente a valle, dell’almeno una testa di saldatura laser (13), avendo a riferimento il senso di rotazione (R) del gruppo di saldatura (12), ed in cui la disposizione di controllo (CU, UI) è configurata per controllare il gruppo di saldatura (12) ed il sistema di azionamento (15, 16) in modo tale per cui, a seguito della rotazione del gruppo di saldatura (12), - il fascio laser (LB) emesso dall’almeno una testa di saldatura laser (13) formi progressivamente il cordone di saldatura circonferenziale (WL), e - l’almeno un dispositivo riscaldatore ad induzione (141, 142) apporti calore a detta corrispondente parte (EW1, EW2) della zona di lavorazione circonferenziale (WA) prima che il fascio laser (LB) raggiunga tale corrispondente parte (EW1, EW2), rispettivamente dopo che il fascio laser (LB) ha raggiunto tale corrispondente parte (EW1, EW2).
2. 2. Il dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui: - il gruppo di saldatura (12) comprende un primo dispositivo riscaldatore ad induzione (141) ed un secondo dispositivo riscaldatore ad induzione (142), disposti rispettivamente a monte ed a valle dell’almeno una testa di saldatura laser (13), avendo a riferimento il senso di rotazione (R) del gruppo di saldatura (12), - la disposizione di controllo (CU, UI) è configurata per controllare il gruppo di saldatura (12) ed il sistema di azionamento (15, 16) in modo tale per cui, a seguito della rotazione del gruppo di saldatura (12): - il primo dispositivo riscaldatore ad induzione (141) apporti calore ad una prima parte (EW1) della zona di lavorazione circonferenziale (WA) prima che essa sia raggiunta dal fascio laser (LB), e - il secondo dispositivo riscaldatore ad induzione (142) apporti calore ad una seconda parte (EW2) della zona di lavorazione circonferenziale (WA) dopo che essa è stata raggiunta dal fascio laser (LB).
3. 3. Il dispositivo secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, comprendente almeno un generatore di radiazione laser (LG) in posizione remota relativamente al gruppo di saldatura (12) e collegato all’almeno una testa di saldatura laser (13) tramite una fibra ottica (13a).
4. 4. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una disposizione di trattenimento (9, 10; 174, 175) per bloccare il primo ed il secondo tubolare di pozzo (6, 7) nella suddetta posizione assialmente allineata.
5. 5. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il sistema di azionamento (15, 16) comprende un supporto di guida sostanzialmente anulare (15), predisposto per ricevere attraverso di esso il primo tubolare di pozzo (6) e/o il secondo tubolare di pozzo (7), il supporto di guida (15) definendo una guida che individua detta traiettoria di rotazione, il gruppo di saldatura (12) essendo accoppiato in modo spostabile a detta guida, particolarmente tramite uno o più organi di rotolamento (18a, 18b), ad almeno uno tra il gruppo di saldatura (12) ed il supporto di guida (15) essendo preferibilmente associato un motore (16) che è controllabile per causare lo spostamento del gruppo di saldatura (12) lungo detta guida.
6. 6. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il gruppo di saldatura (12) ha una rispettiva struttura (17), che supporta l’almeno una testa di saldatura laser (13) e l’almeno un dispositivo riscaldatore a induzione (141, 142), detta rispettiva struttura (17) essendo conformata in modo da circondare almeno parte della circonferenza del primo tubolare di pozzo (6) e/o del secondo tubolare di pozzo (7).
7. 7. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la disposizione di saldatura (11) è configurata per consentire la regolazione della posizione operativa dell’almeno un dispositivo riscaldatore a induzione (141, 142) relativamente al primo ed al secondo tubolare di pozzo (6, 7) e/o relativamente all’almeno una testa di saldatura laser (13).
8. 8. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la disposizione di controllo (CU, UI) è predisposta per consentire il controllo in modo indipendente di una pluralità di dispositivi riscaldatori a induzione (141, 142) previsti dalla disposizione di saldatura (11).
9. 9. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la disposizione di controllo (CU, UI) comprende almeno un’unità di controllo (CU) ed un’interfaccia utente (UI) per la visualizzazione e/o l’impostazione di parametri operativi, i parametri operativi comprendono preferibilmente uno o più tra i seguenti parametri: - la potenza del fascio laser (LB), - la velocità di spostamento del gruppo di saldatura (12), - la profondità di fuoco del fascio laser (LB), - la frequenza di lavoro dell’almeno un dispositivo riscaldatore a induzione (141, 142), - l’intensità della corrente elettrica di alimentazione dell’almeno un dispositivo riscaldatore a induzione (141, 142), - la sequenza e/o la durata di accensione/spegnimento dell’almeno un dispositivo riscaldatore a induzione (141, 142), - la posizione radiale dell’almeno un dispositivo riscaldatore a induzione (141, 142) rispetto alla superficie periferica del primo e del secondo tubolare di pozzo (6, 7), - la distanza dell’almeno un dispositivo riscaldatore a induzione (141, 142) relativamente all’almeno una testa di saldatura laser (13) lungo una circonferenza di saldatura.
10. 10. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’almeno un dispositivo riscaldatore ad induzione comprende un avvolgimento induttore, che è alimentato mediante almeno un trasformatore ed almeno un convertitore di potenza che sono in posizione remota relativamente alla disposizione di saldatura (11).
11. 11. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la disposizione di saldatura (11) o il gruppo di saldatura (12) comprende inoltre almeno uno tra: - un ulteriore dispositivo riscaldatore a induzione (143, 144), posto ad un’altezza superiore o ad un’altezza inferiore rispetto alla testa di saldatura laser (13), - una torcia (21) per la saldatura con apporto di materiale in corrispondenza delle suddette superfici di estremità superiore ed inferiore (6a, 7a) del primo e del secondo tubolare di pozzo (6, 7), - mezzi (20) per indirizzare un flusso di gas sostanzialmente in corrispondenza di una zona di saldatura raggiunta dal fascio laser (LB), - un supporto (17’) dell’almeno un dispositivo riscaldatore ad induzione (141, 142) avente sagoma sostanzialmente anulare, l’almeno una testa di saldatura laser (13) essendo preferibilmente disposta in una posizione corrispondente ad un’apertura centrale di detta sagoma sostanzialmente anulare.
12. 12. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una struttura mobile di supporto (50) che porta almeno il gruppo di saldatura (12), la struttura di supporto (50) essendo mobile, particolarmente su di un piano sonda (3), tra una posizione inoperativa ed una posizione operativa, che sono rispettivamente generalmente distanziata e generalmente ravvicinata rispetto alla zona di lavorazione circonferenziale (WA), la struttura di supporto (50) essendo preferibilmente destinata ad essere montata mobile in una direzione generalmente perpendicolare rispetto ad un asse (X) del canale di pozzo (4).
13. 13. Un metodo per unire tubolari metallici di pozzo da calare in un canale di pozzo (4), comprendente i passi di: a) provvedere un primo tubolare di pozzo (6) avente una superficie di estremità superiore (6a) ed un secondo tubolare di pozzo (7) avente una superficie di estremità inferiore (7a); b) calare il primo tubolare di pozzo (6) nel canale di pozzo (4), lasciandone l’estremità superiore al di fuori del canale di pozzo (4); c) disporre il secondo tubolare di pozzo (7) in posizione assialmente allineata sopra il primo tubolare di pozzo (6), con la superficie di estremità inferiore (7a) del secondo tubolare di pozzo (7) addossata sulla superficie di estremità superiore (6a) del primo tubolare di pozzo (6); d) mantenere il primo ed il secondo tubolare di pozzo (6, 7) nella suddetta posizione assialmente allineata, e) saldare l’estremità superiore del primo tubolare di pozzo (6) all’estremità inferiore del secondo tubolare di pozzo (7), realizzando un cordone di saldatura circonferenziale (WL) in corrispondenza delle suddette superfici di estremità superiore ed inferiore (6a, 7a); f) calare verso l’interno del canale di pozzo (4) il primo tubolare di pozzo (6) ed il secondo tubolare di pozzo (7) saldati tra loro, in cui il passo e) comprende le operazioni di: - provvedere almeno una testa di saldatura laser (13), configurata per indirizzare un fascio laser (LB) verso una zona di lavorazione circonferenziale (WA) che include una porzione di estremità superiore del primo tubolare di pozzo (6) ed una porzione di estremità inferiore del secondo tubolare di pozzo (7), l’almeno una testa di saldatura laser (13) essendo spostabile attorno alla zona di lavorazione circonferenziale (WA) secondo una rispettiva traiettoria di rotazione, - provvedere almeno un dispositivo riscaldatore ad induzione (141, 142), che è spostabile sostanzialmente secondo la traiettoria di rotazione dell’almeno una testa di saldatura laser (13), l’almeno un dispositivo riscaldatore ad induzione (141, 142) essendo disposto a monte, rispettivamente a valle, dell’almeno una testa di saldatura laser (13), avendo a riferimento il senso di rotazione (R) dell’almeno una testa di saldatura laser (13), - causare la rotazione dell’almeno una testa di saldatura laser (13) e la rotazione dell’almeno un dispositivo riscaldatore ad induzione (141, 142), in modo tale per cui - il fascio laser (LB) formi progressivamente il cordone di saldatura circonferenziale (WL), e - l’almeno un dispositivo riscaldatore ad induzione (141, 142) apporti calore ad una corrispondente parte (EW1, EW2) della zona di lavorazione circonferenziale (WA), che comprende rispettive parti delle suddette porzioni di estremità superiore ed inferiore del primo e del secondo tubolare di pozzo (6, 7), prima che il fascio laser (LB) raggiunga tale corrispondente parte (EW1, EW2), rispettivamente dopo che il fascio laser (LB) ha raggiunto tale corrispondente parte (EW1, EW2).
14. 14. Il metodo secondo la rivendicazione 13, in cui l’almeno un dispositivo riscaldatore ad induzione (141, 142) comprende un primo dispositivo riscaldatore ad induzione (141) ed un secondo dispositivo riscaldatore ad induzione (142), che sono entrambi girevoli sostanzialmente secondo detta traiettoria di rotazione, rispettivamente a monte ed a valle dell’almeno una testa di saldatura laser (13), avendo a riferimento il senso di rotazione (R) dell’almeno una testa di saldatura laser (13), in modo tale per cui, a seguito della rotazione dell’almeno una testa di saldatura laser (13), del primo dispositivo riscaldatore ad induzione (141) e del secondo dispositivo riscaldatore ad induzione (142): il primo dispositivo riscaldatore ad induzione (141) apporti calore ad una prima parte (EW1) della zona di lavorazione circonferenziale (WA) prima che essa sia raggiunta dal fascio laser (LB), e il secondo dispositivo riscaldatore ad induzione (142) apporti calore ad una seconda parte (EW2) della zona di lavorazione circonferenziale (WA) dopo che essa è stata raggiunta dal fascio laser (LB).
15. 15. Il metodo secondo la rivendicazione 13 o la rivendicazione 14, in cui l’almeno un dispositivo riscaldatore a induzione (141, 142) è solidale in rotazione con l’almeno una testa di saldatura laser (13).