CAMPO DE LA INVENCIÓN:

El campo técnico de la presente invención se relaciona con nuevos acoples ( coupling ) utilizados para la unión de los tubos de características API ( American Petroleum Institute) que conforman la tubería ( tubing ) de producción en los pozos petroleros, así como los ajustes mecánicos de torque y montaje relacionados con los mismos, que se requieren en su conjunto dentro del completamiento mecánico del sistema, y, especialmente, con la eliminación de puntos sensibles de fugas del fluido de producción desde el interior de las tuberías hacia el espacio anular.

ANTECEDENTES DEL ESTADO DE LA TÉCNICA:

La tubería de producción de un pozo de petróleo está constituida por segmentos de aproximadamente 9,144 m (30 pies) de longitud, los mismos que se unen o acoplan entre sí mediante componentes estructurales y/o mecánicos que proveen el enlace entre tubos y/o accesorios, y que son conocidos como “acoples” {“coupling” en idioma inglés), que se construyen en acero con características metalúrgicas de alta resistencia, apto para soportar las presiones y la corrosión causadas por los fluidos extraídos de los pozos petroleros.

Más del 90% de las fallas que sufren las sartas de tuberías de extracción petrolera se originan en los acoples, lo que ocasiona fuga de los fluidos desde la tubería de producción hacia el espacio anular, y, como consecuencia, el cierre del pozo por baja de presión y/o pérdida de producción. Los acoples representan entre el 10% y el 50% del costo total de la sección tubular del completamiento mecánico, lo que es altamente significativo en la producción de un pozo.

El acoplamiento de tuberías en el proceso de extracción de petróleos puede realizarse con acoples que utilizan los estándares API ( American Petroleum Institute), que son la mayoría de los utilizados en sistemas de extracción petrolera. El acople API es un acople roscado de fácil aplicación. Su manufactura de construcción muy simple y sin complicaciones ha sido utilizada durante los últimos 80 años, y se rige por las normas 5B y 5CT del API.

Con estos antecedentes, es fundamental alcanzar hermeticidad en el acoplamiento de las tuberías en un pozo de extracción de petróleos. Sin embargo, cabe mencionar que el tipo de acople API, no alcanza a ser completamente hermético, lo cual representa un riesgo latente durante el ensamble y producción del pozo. Este acople está caracterizado porque el tipo de rosca que utiliza es redonda y el paso de rosca hasta cada mitad del acople es tronco-cónica.

Como resultado de la ejecución de este tipo de acoples tradicionales denominados "acoples API-EUE", el sistema de sellado dentro del acople ( coupling ), presenta los siguientes problemas: a) Las uniones roscadas, no siempre ofrecen un sello apropiado contra las fugas de fluido, y, por lo tanto, aún luego de engrasadas mediante el uso de grasas con estándares API para el ensamble del acople con los tubos de entrada y salida mediante el torque recomendado, pueden dejar muchos puntos débiles; es decir, no se alcanza, ni con la aplicación de la grasa, un cierre hermético, lo cual hace que estos ensambles, con el transcurso del tiempo, puedan afectarse por las presiones axiales de los fluidos extraídos desde los pozos, constituyéndose así en elementos sensibles a desarrollar fallas entre los hilos de las roscas redondas, con las consiguientes fugas del fluido desde el interior de las tuberías hacia el espacio anular. b) De otro lado, debido también a la configuración interna de los sistemas de hilos de roscas del acople y de los terminales de las tuberías {pines), de sección tronco-cónica, luego de realizado el empalme de los mismos mediante la aplicación del torque recomendado según la norma API, queda un espacio de dimensión variable entre pines de tuberías, de alrededor de 19 mm (0,75 pulgadas), que es como una depresión que se presta para que en el interior del acople se genere una turbulencia, dando lugar a que se desarrolle un ambiente propicio para que se produzca corrosión y consecuentes posibles puntos de fuga desde el interior del acople hacia el espacio anular, a través de los hilos de rosca expuestos a esta acción, ocasionando pérdidas en la producción de petróleo, que se estiman pueden ser entre el 10 y 15% del total de la producción.

Para solucionar este problema, en el año 1996 se solicita la patente US

5,689,871 , concedida en noviembre de 1997, la cual propone un sistema de acople de tuberías que incluye un acople modificado caracterizado por tener una primera configuración que incorpora un anillo metálico que se introduce en la parte interior intermedia del acople, el cual sirve como un hombro de torque para un sello metal-metal con los extremos de las tuberías; y una segunda configuración que incorpora la aplicación en la parte central interior del acople, en lugar del anillo metálico, tres sellos: dos de teflón o de material similar (como se define en la patente citada) en los extremos, y otro de torlón (marca registrada, pero como se define en la patente citada) o de material similar en el medio de los de teflón, sellando así el espacio libre que queda entre pines de tubería, dentro del acople, luego de realizado el ensamble. Posteriormente la patente Argentina número AR 042323A, correspondiente a la solicitud francesa de prioridad FR 0215541 , de 09 diciembre de 2002, propone, para solucionar el problema, usar en los terminales de la tubería que ingresan en el acople ( coupling ) un sello en el extremo de tubo roscado macho y otro en el terminal del espacio roscado hembra del acople, pretendiendo superar el problema resultante ocasionado por el espacio que queda libre entre pines de tuberías y reducir las fugas de fluido hacia el exterior ocasionadas por efecto de las turbulencias que se producen en este espacio, haciendo que las mismas se reduzcan considerablemente, y siendo éstas soluciones orientadas, además, a un ambiente salino, para pozos de extracción marina.

Otro antecedente del estado de la técnica está descrito en la patente de modelo de utilidad C CN202176275U - API ( American Petroleum Institute) que propone un anillo cónico que se coloca en el interior del acople para intentar un sello metal-metal con las superficies roscadas de la tubería del tipo API. Se tiene también la solicitud de patente WO 2018/163829 A1 , de origen japonés, que propone una solución diferente que incluye un sistema de rosca cuadrada, y un acople de doble caja, de construcción bastante distinta a la establecida en la norma API.

Lo propuesto por dichas patentes aún no ha permitido solucionar el problema descrito, por lo que la investigación en este campo continúa.

De otro lado, en el estado de la técnica se han desarrollado acoples de las tuberías en las marcas conocidas, como Tenaris Blue, para roscas tipo Buttres, entre otras, conocidas como conexiones Premium. Los acoples Premium proveen ventajas en el sellado de la conexión para garantizar la hermeticidad al paso de los fluidos de producción del pozo, lo que se consigue con modificaciones sustanciales y diferentes a los acoples API, consistentes en un tipo de roscado diferente, porque se cambia la rosca redonda del acople API, por una rosca cuadrada, e incorporan un hombro de asiento en la sección media interior del acople, para producir un sello metal-metal entre los extremos de las tuberías y el hombro de asiento.

Las acoples conocidos en el sector petrolero como “Premium con sello” que se basan en sellos metal-metal, fueron desarrollados a inicios de la década de 1970 para aplicaciones donde los acoples estándar integrales no tenían un desempeño óptimo debido a las fugas de fluido de producción al espacio anular. Desde su desarrollo, los distintos tipos de conexiones “Premium” han crecido día a día con la finalidad de cubrir la amplia gama de necesidades técnicas. Estos sistemas no han podido, hasta hoy, ser transferidos ni usados en tuberías de estándares API, porque al corresponder a distintos análisis de estudio no son aplicables, tanto por el dimensionamiento de tuberías, como por los estándares utilizados de roscas y de sistemas de acoples API, así como también de sus tuberías y dimensiones, siendo sin embargo que este tipo de acoples API continúa siendo aún muy utilizado en el sector productivo de pozos de petróleos, por su facilidad de aplicación y bajos costos.

BREVE DESCRIPCIÓN DEL INVENTO:

El presente invento, se refiere a un acople ( coupling ) basado en la consideración de los puntos críticos del sistema de acoplamiento que han sido anotados ut supra con la incorporación de un sistema de conjunto de sellado, entre acople y tuberías, que garantiza su hermeticidad a la vez que elimina el efecto de la turbulencia, al eliminar el espacio libre existente entre los terminales roscados (pines) de las tuberías, y, como consecuencia, eliminando las causales de fugas del fluido de producción hacia el espacio anular, a través de los hilos de roscas y de la corrosión en los acoples. Los puntos críticos considerados para el acople del presente invento son los siguientes: a) Mejoramiento del proceso de roscado, tanto en los terminales de la tubería, como en el acople, alcanzado mediante el uso de tecnologías avanzadas de fabricación, como las tecnologías CNC (Control Numérico Computarizado), para un sello mejorado metal-metal entre hilos de roscas, que garantice la hermeticidad; b) Incorporación de un hombro en el acople, para un asentamiento a presión sobre los bordes anulares extremos planos del mismo, de los extremos de la tubería (pines) que ingresan al acople, formando un segundo sello metal-metal, cuando se someten al apriete mediante la aplicación de un torque de ajuste, alcanzando un sellado hermético y eliminando turbulencias dentro del acople. c) El uso de la grasa apropiada estandarizada de características API, establecida según las normas y estudios de campo, que responden, entre otras características, a la calidad del fluido del pozo en que trabajará el sistema de tubería introducida. d) Incorporación de un anillo de sello elastómero, capaz de recuperar en gran parte sus dimensiones y formas iniciales luego de haber sido deformado por la acción de un esfuerzo y ser liberado de él, tal como el de nitrilo hidrogenado (HNBR), colocado de forma anular en el alojamiento interior realizado ligeramente por detrás de los hombros de sellado diseñados, y que al ajuste mediante una herramienta de torque de la tubería con el acople, producen aislamiento hermético en el ensamble, entre extremos de tuberías e hilos de roscas, evitando cualquier fuga que pudiera producirse del fluido hacia el espacio anular, a las presiones de extracción, en estos acoplamientos, mismos que han sido probados.

El acople del invento ha sido probado utilizando todas las características propias de la extracción de un pozo de petróleos, utilizando, como se ha indicado, tuberías con estándares API-EU y con acoples mejorados API-EUE, que son los más difundidos en los campos petroleros, ya que los sistemas que se han mencionado como “PREMIUM” actualmente son, como se ha indicado, utilizados únicamente para tipos de roscas diferentes, como son las de tipo cuadrado, y con sistemas distintos de fabricación y aplicación que encarecen mucho su aplicación en los campos del sector productivo de petróleos. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS GRÁFICOS:

Fig. 1 Muestra del Acople:

(Fig 1a) vistas exteriores del acople,

(Fig 1 b) vista en corte (Fig 1 b.1 ) rosca redonda;

(Fig 1b.2) alojamientos para “0”-ring;

(Fig 1b.3) proyección interior del acople,

(Fig 1b.4) hombros de sellado;

(Fig.1 b.5) bisel;

(Fig.1 b.Di) diámetro interior del acople;

(Fig.1 b. Dt) diámetro interior total hasta alojamiento de “0”-ring; y,

(Fig.1 b.x) conicidad de la rosca.

En la Fig. 2 se muestra el gráfico del acople, junto con los extremos de las tuberías, alineados y listos para su ensamble. Se identifican los detalles principales de los extremos de las tuberías, que son:

(Fig 2.2) alojamiento para “O” - ring.

(Fig 2.6) superficie maquinada en extremo de tubería para sello metal-metal.

(Fig 2.7) extremo de tubería.

(Fig 2.8) rosca redonda.

(Fig 2.9) “O” - ring.

(Fig 2. Di) diámetro interior de tubería.

(Fig 2.Ds) diámetro exterior de asiento para extremo de tubería para sello metal-metal.

(Fig 2.“x”) conicidad.

En la Fig. 3 se muestra el gráfico del ensamble de los extremos de tuberías con el acople. Se identifican los siguientes detalles principales: (Fig 3.M) sello metal-metal entre superficies maquinadas (Fig.3.R) sello metal-metal entre roscas redondas de acople; y,

(Fig 3.0R) sello blando de “0”-ring.

En la Fig. 4 se muestra el gráfico de un ejemplo ilustrativo de acople del invento, realizado para tuberías API EU de 88,9 mm (3 ½ pulgadas).

DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL INVENTO:

La tubería de producción de un pozo de petróleo está constituida por segmentos de aproximadamente 9144 m (30 pies) de longitud, y puede alcanzar profundidades de alrededor de 4000 m, así como también, debe operar, en los campos de extracción petrolera, en condiciones verticales u horizontales, y expuesta a altas presiones internas y externas, así como a una alta corrosión y temperaturas variables. Su uso se orienta principalmente a extraer petróleo de los pozos, lavar los pozos, colocar tapones de cemento, inyectar ácido a los pozos; correr y anclar empaquetaduras, así como también, en algunos casos, a inyectar vapor y, en general, a otros usos necesarios en el proceso de extracción de petróleos, sean éstos verticales u horizontales, más o menos profundos, y a temperaturas diferentes y de características distintas. Estos segmentos de tubería de características API-EU, son acoplados entre sí por componentes estructurales y/o mecánicos, y/o accesorios que son conocidos en el lenguaje del sector específico de extracción de petróleos, como “couplings” o acoples, los cuales se fabrican en materiales de acero sujetos a las diferentes pruebas de corrosión y presiones similares a las ejercidas en los procesos de extracción, sean éstas axiales, tangenciales, barométricas; los acoples deben también soportar los efectos de otras variables como temperaturas, aplicadas durante las pruebas para comprobar su funcionalidad. Además, el presente invento debe sujetarse al diseño estandarizado de las tuberías API-EU, y cuyas roscas normales, del tipo redondo, están bajo los estándares API, utilizadas en un gran sector dedicado a la extracción petrolera, y que, como hemos referido, ya sufren frecuentes daños.

El invento propuesto cumple con las características del tipo de material requerido para su fabricación, las que han sido determinadas mediante las pruebas a las que se ha sometido bajo los estándares señalados en la norma API, para el caso.

El acople del invento se diseña, por tanto, con base en las normas API, sujetándose tanto a la tubería API-EU como a las características del acople original, API-EUE, manteniendo el sistema de rosca redonda pero mejorando el ajuste mecánico al reducir las holguras variables existentes entre los hilos en las roscas, tanto de la tubería como del acople, apoyándose en y utilizando sistemas modernos de fabricación de los terminales roscados machos de la tubería, así como las roscas hembras del acople, bajo características API, pero mejorados con el apoyo de tecnología de control numérico computarizado (CNC) para la fabricación, obteniendo de esta manera un sello metal-metal entre hilos de roscas (Fig. 3.R), mucho más seguro desde el punto de vista de hermeticidad que en los acoples actuales, complementado con la grasa utilizada, que es también estandarizada según las normas API como tipos A y C3. De esta manera se obtiene un sellado hermético, que pudo ser comprobado durante las pruebas de laboratorio. Este mejor sellado se logra ya que al no haber diferencias de curvaturas o de crestas con mucha diferencia entre los hilos de la rosca, el ajuste macho -hembra entre tubo y acople mejora en su precisión en el momento del ensamble y apriete mediante el torque con un sello metal-metal y utilizando además la grasa API se alcanza la hermeticidad requerida.

El acople que corresponde al invento incorpora además un hombro (Fig. 1b.3) de perfil recto en la parte intermedia interior del mismo, denominada sector “2 J”, que corresponde al espacio libre entre los terminales de la tubería (fig. 2.6), que resultaba luego del ajuste de los tubos con el torque recomendado, valor que se determinará de conformidad con cada diámetro utilizado de tubería API y el valor del torque correspondiente recomendado por la norma API, siendo por tanto esta longitud axial correspondiente a la longitud del hombro, incorporado al hombro del acople del invento. Al ocuparse este espacio con dicho hombro (Fig. 1b.3) se eliminan las turbulencias causadas en el mismo al momento de la extracción, consecuentemente disminuyendo las posibilidades de corrosión por esta acción, y eliminando las fugas de fluido al espacio anular ocasionadas por efectos de la presión del fluido dentro del acople.

Este hombro está conformado por un volumen de material que forma parte integral del acople, que sobresale hacia el lado interior del mismo en forma anular (Fig. 1b.3), hasta alcanzar el diámetro interno (Fig. 1b. Di) que se corresponde con el diámetro interno de la tubería (Fig. 2. Di), siendo el diámetro total en la base del hombro (Fig. 1b. Dt) el que corresponde al diámetro del alojamiento (Fig. 2.9) donde se coloca el sello flexible que incorpora este nuevo acople. Finalmente, este hombro (Fig. 1b.3) tiene una longitud fija, conocida como 2J, para cada diámetro de tuberías, la que se determina experimentalmente con la aplicación del torque de ajuste recomendado por las normas.

En este hombro de sellado de perfil recto (Fig. 3.4) literalmente chocan los bordes maquinados de los extremos de los tubos (p/nes) (Fig 2.7), que se enroscan tanto del lado superior como del lado inferior del acople al realizar el ensamble del conjunto de las tuberías con el acople, mediante la aplicación del torque de apriete en los rangos establecidos por la norma.

Entre los extremos roscados de las tuberías (fig. 2.6) y el hombro de sellado (fig. 2.4) se produce una interferencia, lográndose así el sello metal/metal (Fig. 3.M), como acción principal en la hermeticidad total del conjunto.

Adicionalmente el invento incorpora, en los extremos superior e inferior del hombro de sellado, espacios anulares (Fig. 1b.2 y Fig. 2.9) para el alojamiento de un anillo sellante (“ 0”-ring ) (Fig. 3.0R) en cada uno de ellos, consiguiendo un sellado hermético adicional del acoplamiento; este sello flexible ( O-ring ) es elastómero de nitrilo hidrogenado (HNBR), que, al momento de realizarse el ensamble, se comprime rellenando el espacio libre dando como resultado una función adicional para conseguir la hermeticidad total y, por su flexibilidad debida a las características de sus componentes, luego de la presión del torque recupera su forma, alcanzando y garantizando así que el sello no se deforma y soporta las condiciones internas de uso, garantizando su sellado y manteniendo sus características, que le otorgan un uso prolongado y sin daños.

Finalmente, en el acople del presente invento se incorpora la realización de biselados (Fig. 1b.5) con el objetivo de eliminar obstáculos durante las tareas de introducción del conjunto en la perforación del pozo petrolero.

Para definir los parámetros de trabajo y exponer los resultados de hermeticidad señalados, se realizaron pruebas experimentales de campo como se indica a continuación.

Las pruebas experimentales se realizaron en tuberías de EU-API de diámetro de 88,9 mm (3.5 pulgadas) y 13,84 kg/m (9,3 Ibs/f), aplicando un torque de apriete de 3389,545 N-m (2.500 Lb-ft) en las tuberías durante el proceso de ensamble con el acople. Los resultados de las pruebas se exponen en la presente memoria para aclarar el invento y su método de acoplamiento, y en ningún caso se considera limitativa la aplicación del invento a tuberías de otras dimensiones utilizadas usualmente en el proceso de extracción de petróleo bajo características de estándar API, y API-EU, tanto para la tubería cuanto para su unión a través de los acoples ( coupling ).

Las tolerancias establecidas en el diseño/fabricación entre el acople de la presente invención y los extremos de tuberías, son de +/- 67,79 N-m (+/- 50 Ib- pie) . Con la aplicación de este torque se consigue un sellado hermético entre las roscas macho-hembra ensambladas, así como un contacto metal-metal hermético entre el hombro de sellado y las superficies maquinadas de los extremos de las tuberías roscadas.

En la figura 4 se describe como ejemplo de la realización de esta invención, un acople cuyas características de diseño y dimensiones se indican en la misma, aplicado para una tubería API-EU de diámetro de 88.92 mm (3 1/2 pulgadas,) teniendo en cuenta, además, que el material del acople utilizado, está elaborado bajo los parámetros de los estándares establecidos API-EUE para las características del acero utilizado.

Para determinar la longitud 2J de los hombros, se mide la distancia entre los terminales de tubería (p/nes) después de los ajustes realizados mediante el torque. Para el ejemplo, en esta tubería y sistema de roscado el valor 2J corresponde a un valor de 31 ,5 mm (1,240 pulgadas). La ubicación del hombro dentro del acople de manera coaxial en la parte central del acople, queda demostrada en la figura 4, en la cual, además, se puede observar que al ocupar el espacio libre antes existente en dicha ubicación en los sistemas API tradicionales, el fluido puede continuar como en la tubería, sin variaciones en el diámetro, evitando así la turbulencia que se ocasionaba anteriormente -cuando no existía dentro del acople este elemento-, causante de corrosión, fugas de fluido de producción hacia el espacio anular y debilitamiento de las paredes expuestas del acople, con posible desarrollo de fisuras.

El acople fue sometido a las pruebas de presión hidrostática, presión barométrica y presión axial. Se midió el valor de la resistencia al colapso para los elementos desarrollados en la invención para asegurar la hermeticidad, originada por colapso a la cedencia, por colapso plástico, por colapso elástico y por colapso de transición. Se desarrollaron también pruebas de estallamiento con las normas establecidas para la tubería API 5C3, 2015 aplicables a tubos delgados en las terminales roscadas. Todas estas pruebas fueron realizadas con resultados exitosos, incluyendo los rangos de seguridad establecidos en las normas de estándar API.

En el cuadro No. 1 a continuación se establece de manera comparativa las diferencias principales entre los tipos de acoples API, los acoples Premium, y los obtenidos con la presente invención:

Cuadro No. 1 .-

El diseño de este novedoso acople proporciona las siguientes ventajas sobre los acoples utilizados actualmente de modo amplio para tuberías con estándares API, por alcanzar hermeticidad total debido a su nueva forma de fabricación y a la incorporación de elementos nuevos en este tipo de acoples, como el hombro y el sello blando de calidad flexible:

Tener un mejor ajuste en las roscas de sellado, debido a que son fabricadas prácticamente sin holguras, al ser realizadas a través de sistemas modernos de producción controlados mediante procedimientos de control numérico por computadora, con lo que además se garantiza mayor uniformidad de fabricación, facilitando el ensamble de la tubería.

• El diseño especial de este acople, al eliminar las fugas del fluido, mejora la productividad de la extracción y disminuye los costos por paradas debidas a las mismas.

• El hombro de sellado de diseño especial incrementa la resistencia en la conexión roscada en el centro del acople, brindando mayor robustez a la sarta de tubería en maniobras en fondo de pozo que requieren de esfuerzos de tensión y torsión.

• Reduce las pérdidas por fricción y turbulencia al paso de los fluidos en el interior de la tubería, así como de otros elementos necesarios que deben ingresar o salir por la tubería, según se ha definido anteriormente.

• Incrementa el tiempo de vida del completamiento mecánico, debido a su mayor robustez y resistencia a la corrosión, gracias a su diseño que impide que se afecten las partes sensibles del acoplamiento de la sarta de tubería de extracción.

• El bisel practicado en los extremos exteriores del acople facilita las tareas de montaje de la sarta de tuberías, pues al eliminar bordes esquinados elimina posibles obstrucciones durante las tareas de montaje de las tuberías dentro del pozo.