Roscas de conexión de tubería de perforación

Las roscas de conexión de la tubería de perforación son el punto más débil de la sarta de perforación. Para superar esta debilidad, el extremo de la tubería se suele engrosar (interna o externamente) para compensar el debilitamiento de la pared causado por el mecanizado de la rosca. La tubería engrosada debe someterse a un tratamiento térmico (templado + revenido a alta temperatura) para eliminar las zonas afectadas por el calor y restaurar y optimizar sus propiedades mecánicas.

Este artículo abarca los tipos de roscas de tubería de perforación, materiales y tratamiento térmico, kellys, prevención de fallas, grasa para roscas, control de torque, conexiones de soldadura por fricción, endurecimiento superficial y sistemas estándar. Puede utilizarse para capacitación técnica, referencia para operaciones en campo y selección de proveedores.

1. Tipos y estándares de roscas de tubería de perforación

Las roscas de tubería de perforación se clasifican principalmente en los siguientes tipos según las normas API SPEC 7-2:

Tipo de rosca	Escenarios de aplicación	Características
Roscas numéricas	Estándares convencionales para tuberías de perforación petrolífera	Como NC26, NC31, NC38, NC46 y NC50, numerados según el diámetro del círculo primitivo, ofrecen gran versatilidad.
Roscas trapezoidales API	Pozos profundos, escenarios de alto torque	Gran capacidad de carga, pero rendimiento limitado de sellado de gas.
Roscas redondas API	Pozos convencionales, pozos poco profundos y de profundidad media	Procesamiento sencillo, bajo costo, menor resistencia a la torsión.
Roscas especiales	Pozos de gas de alta presión, pozos horizontales	Sellado metal-metal, buena estanqueidad al gas, resistencia a la fatiga por flexión.

Los cuerpos de las tuberías de perforación suelen estar fabricados con tubos de acero aleado sin costura, con elementos de aleación como manganeso, silicio, boro, molibdeno, etc. Las tuberías de perforación petrolífera cumplen con los estándares API SPEC 5DP, y el contenido de elementos nocivos como fósforo y azufre generalmente se controla por debajo del 0,04 %. Cuanto mayor sea el grado del acero de la tubería de perforación (p. ej., G-105, S-135), mayor será su límite elástico mínimo.

2. Kelly

La kelly se ubica en el extremo superior de la sarta de perforación. Es accionada por la mesa rotatoria, conectada superiormente al cabezal giratorio para el suministro de fluido de perforación y conectada inferiormente a la sarta de perforación para transmitir torsión y carga axial.

Su sección transversal puede ser cuadrada, hexagonal o con forma de chavetero doble, con dimensiones relativamente grandes para garantizar rigidez. La kelly suele tener una longitud de 4,5 o 6 metros, la cual debe ser mayor que la longitud de una sola tubería de perforación para permitir las conexiones a través de la abertura de la mesa rotatoria al agregar una tubería.

3. Modos de Fallo y Prevención de Roscas

Las roscas son un punto débil en la sarta de perforación y presentan principalmente los siguientes modos de fallo:

a. Atascamiento: Lubricación insuficiente o torsión excesiva en la superficie de la rosca.
Prevención: Utilizar grasa para roscas de alta calidad y controlar la torsión de atascamiento.

b. Fractura por Fatiga: La tensión alterna provoca la propagación de grietas.
Prevención: Optimizar el diseño del radio de la raíz de la rosca y realizar detecciones periódicas de defectos.

c. Desgaste: Rotación repetida y fricción dentro del pozo.
Prevención: Tratamiento de endurecimiento superficial e inspección periódica.

d. Fugas: Fallo de la estructura de sellado.
Prevención: Seleccionar una grasa para roscas adecuada o una estructura de sellado especial.

Para evitar la concentración de tensiones, la raíz de la rosca se diseña con una transición redondeada. Las roscas deben soportar tensiones alternas durante el apriete frecuente, por lo que deben tener suficiente resistencia y durabilidad. Al mismo tiempo, la tubería de perforación debe soportar la alta presión del fluido de lavado, lo que requiere una estructura de sellado fiable en la cara del extremo de la junta.

4. Función y uso de la grasa para roscas

La grasa para roscas es un material indispensable en las conexiones roscadas de la tubería de perforación. Sus funciones incluyen:
● Lubricación: Evita el agarrotamiento y reduce el coeficiente de fricción.
● Sellado: Rellena los huecos de la rosca, formando una barrera de sellado.
● Prevención de la oxidación: Protege la superficie de la rosca y previene la corrosión.

Requisitos de uso:
● Limpie la superficie de la rosca antes de enroscar.
● Aplique una cantidad adecuada de grasa para roscas de manera uniforme.
● Seleccione el tipo de grasa para roscas apropiado según las condiciones de trabajo (grasa estándar API, grasa de alto torque, grasa para entornos especiales).

5. Control del torque de roscado

El torque de roscado es un parámetro de control fundamental para la calidad de la conexión roscada:
Torque demasiado bajo: Conexión floja, falla del sellado, fácil desgaste de la rosca.
Torque demasiado alto: Deformación de la rosca, agarrotamiento, agrietamiento de la junta. En obra, se utiliza una abrazadera de potencia y un sistema de monitoreo de torque para las operaciones de roscado, y se registra la curva de roscado para determinar la calidad de la conexión.

6. Conexión entre la tubería de perforación y la junta de la herramienta

Las tuberías de perforación modernas utilizan soldadura por fricción inercial para conectar el cuerpo de la tubería a la junta de la herramienta. La soldadura por fricción es un proceso de soldadura en estado sólido, y la resistencia de la soldadura no es inferior a la del material base del cuerpo de la tubería, reemplazando los métodos tradicionales de soldadura a tope por chispa o conexión roscada directa.

Después de la soldadura, se realiza un tratamiento térmico de revenido para garantizar un rendimiento estable en la zona de la junta.

7. Tratamiento de endurecimiento superficial

Debido a que la sarta de perforación roza contra la pared del pozo durante la rotación, la superficie de la tubería de perforación generalmente se somete a un temple de alta frecuencia para mejorar la resistencia al desgaste. Sin embargo, la profundidad de la capa endurecida generalmente se controla dentro del rango de 0,5 a 1,5 mm para evitar afectar la tenacidad del núcleo.

Para garantizar el rendimiento general del cuerpo de la tubería, las tuberías de acero laminado deben someterse a un tratamiento de normalizado, revenido o temple y revenido.

8. Normas pertinentes

ISO 10424-2:2007: Industria del petróleo y el gas — Equipos de perforación rotativa — Parte 2: Mecanizado y medición de conexiones roscadas de hombro para perforación rotativa. Las principales normas internacionales para roscas de tuberías de perforación especifican los requisitos para tres tipos de conexiones roscadas de hombro para perforación rotativa: NC, REG y FH, incluyendo requisitos dimensionales, métodos de medición, especificaciones de calibre y métodos de inspección.
EN ISO 10424-2: Mecanizado y medición de conexiones roscadas de hombro rotatorio

API SPEC 5DP: Especificación para tuberías de perforación en la industria del petróleo y el gas (aplicación internacional)
API SPEC 7-2: Especificación para conexiones roscadas de hombro rotatorio

GB/T 20656: Tubería de perforación para la industria del petróleo y el gas (norma nacional china)
GB/T 22512.2-2008: Norma nacional china vigente, basada en la ISO 10424-2, con algunos ajustes técnicos para adaptarla a las condiciones específicas del país, como la adición de requisitos para estructuras de trampas de lodos longitudinales. Esta norma se aplica a conexiones roscadas de hombro rotatorio de tipo NC, REG y FH.

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